Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

THEORETICAL INVESTIGATION OF DRYING OAK LUMBER A VACUUM-IMPULSIVE AND CONVECTIVE METHODS

Bykova E.L. 1 Trakalo Yu.I. 1
1 The Ural State Forest Engineering University
Наряду с конвективным способом сушки в деревообработке применяют специальные способы сушки древесины. Таким способом является и вакуум-импульсная сушка. Одним из основных преимуществ данного способа сушки по сравнению с конвективным способом является уменьшение продолжительности сушки. В современных условиях производства это особенно актуально для сушки дубовых пиломатериалов. В данной статье приведено сравнение процесса сушки дубовых пиломатериалов вакуум-импульсным и конвективным способами. Для исследования были приняты результаты экспериментальных данных, полученные при проведении опытных сушек дубовых образцов в учебно-производственных мастерских университета. Учитывались следующие характеристики исследуемых образцов: размеры дубовых образцов, начальная и конечная масса, начальная и конечная влажность, температура. Определены коэффициенты: теплопроводности, температуропроводности и влагопроводности, продолжительность прогрева образцов. Полученные результаты расчётов позволяют сделать вывод о значительном снижении продолжительности сушки дубовых пиломатериалов вакуум-импульсным способом.
Along with convective drying method used in woodworking special methods of drying wood. This method is the vacuum impulse drying. One of the main advantages of this method of drying compared to convective method is to reduce the duration of drying. In modern conditions of production, this is especially true for drying oak lumber. This article compares the process of drying oak lumber a vacuum-impulsive and convective means. For the study were prrety the results of the experimental data obtained during the experimental drying oak samples in training and production workshops of the University. Take into account the following characteristics of the samples: the size of the oak samples, initial and final weight, initial and final moisture content, temperature. Coefficients: thermal conductivity, thermal diffusivity and blagorodnost, duration of heating of the samples. The calculation results allow us to conclude about a significant reduction in the duration of drying oak lumber a vacuum-pulse method.
coefficient of blagorodnost duration of drying
thermal conductivity
the thermal diffusivity
vacuum-pulse method
convective drying

Для производства сухого пиломатериала традиционно применяют конвективный способ сушки. Данный способ характеризуется хорошим качеством и обеспечивает бездефектную сушку с полным сохранением всех физико-механических свойств [5].

В современных условиях производства немаловажную роль играет снижение продолжительности сушки. При этом конвективная сушка твердолиственных пиломатериалов имеет значительные показатели по времени нахождения материала в сушильной камере [1;5].

В связи с этим находят применение новые способы сушки. Таким способом является вакуум-импульсная сушка.

Для определения механизма действия и расчёта продолжительности сушки был проведен сравнительный анализ сушки вакуум-импульсным и конвективным способом дубовых пиломатериалов.

Методы и результаты исследования

Для примера сравним процесс сушки дубового пиломатериала при предложенной вакуум-импульсной сушке – С1 и конвективной сушке – С2. В качестве объекта сушки возьмем образец дуба Д1 размерами 94х82х20 мм, начальная масса 118,41 г, влажность 38%, температура t0= 20 °С.

Процесс сушки начинается с процесса прогревания, который протекает совершенно одинаково, как при конвективной сушке, так и при вакуум-импульсной.

Определим время прогревания образцов Д1.

Дубовая пластина, размером в поперечном сечении 20х82 мм (0,02х0,082 м), имеющая влажность 38 % и начальную температуру t0= 20 °С, нагревается в воздухе, температура которого 70 °С. Необходимо определить продолжительность нагревания, необходимую для получения в центре пластины температуру 60 ° С [4].

Находим приведенную величину определяющего размера по формуле

,

где S1=0,02 м; S2= 0,082 м.

Имеем

Безразмерная координата точки

т.к. ; и S=0,01 м.

Безразмерная температура равна

По номограмме, построенной А.В. Лыковым в координатах х/R, находим критерий Фурье Fo=0,82 [1].

Коэффициент температуропроводности а равен

где С – удельная теплоемкость;

– фактическая плотность древесины дуба при влажности 38 %;

– коэффициент теплопроводности.

Древесина дуба имеет среднюю базисную плотность = 560 кг/м3 . Ее фактическая плотность при влажности 38 % (диаграмма плотности древесины) равна 750 кг/м3 [4].

Для определения удельной теплоемкости С и коэффициента теплопроводности нужно знать, кроме влажности, температуру материала, которая в процессе нагревания непостоянна. В качестве температуры возьмем среднюю расчетную, °С:

tp= (t0+tс)/2 = (70+20)/ 2 = 45° С.

Удельная теплоемкость древесины дуба при этой температуре и влажности 38 % составляет С = 2,64 кДж/ (кг ∙° С). Коэффициент теплопроводности находим по (рис. 5, а) и формуле

Номинальное значение коэффициента теплопроводности находим по диаграмме К.Р. КантераВт/(м∙0С). Искомый коэффициент теплопроводности определим по формуле

.

Полагаем Кх = 1,07

Величину Кр = 1,38 находим из табл.1 [4].

Таблица 1

Значения коэффициента Кр в зависимости от базисной плотности

,

кг/ м3

360

400

450

500

550

600

650

Кр

1,00

1,05

1,12

1,22

1,36

1,56

1,86

Тогда величина коэффициента температуропроводности равна

Искомая продолжительность нагревания составит

или 10 мин.

Прогрев древесину в течение 10 минут, приступаем к ее вакуум-импульсной сушке. Результаты сушки отражены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты сушки дубовых образцов

1.

Порода

Дуб 1

Дуб 2

Дуб 3

Дуб 4

Дуб 5

Дуб 6

Дуб 7

2.

Начальная масса (г)

90,39

135,95

141,84

140,28

136,235

136,235

134,7

3.

Начальная влажность (%)

27

28

30

29

27

27

29

4

Давление разряжения, ат

0,3

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

5

Время цикла, мин

10

10

10

10

10

10

10

6

Температура в камере, °С

60

80

75

75

75

75

75

7

Время сушки, час

11

7

8

8

7

8

8

8.

Конечная влажность, %

8-10

8-10

8-10

9-10

8-10

8

8

9

Конечная масса, г

77,48

116,545

122,96

118,98

113,755

115,775

112,035

Рассмотрим теперь, какое время необходимо затратить, чтобы высушить образец Дуб 1 из таб.1 при конвективной сушке дубового образца размером в поперечном сечении 20x82 мм (0,02 x0,082 м), имеющего влажность 27 % в воздухе, движущемся со скоростью 2,0 м/с, при температуре t0 =60°С и = 0,3 до влажности 8 % [6].

Найдем коэффициент влагопроводностиа' для образца Дуб 1. Базисная плотность дуба равна = 560 кг!м3 . По левой половине диаграммы (см. рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма коэффициента влагопроводности древесины в тангенциальном направлении

устанавливаем, что при температуре 60 °С и базисной плотности

коэффициент влагопроводности равен

а' = 4∙10-6 см2 / с.

Коэффициент влагообмена a' = 22∙10-5 см/с.

Приведенная толщина S определена равенством (1) и равна

По рисунку 2.4 в учебнике автора Расева А.И. [2;6] равновесная влажность древесины в воздухе данного состояния Wp =5,4 % . Величину считаем равной

0,81.

Для определения времени сушки от начальной влажности Wн= 27 % до влажности Wк= 8 %, воспользуемся формулой

Подставляя имеющиеся значения для первого образца Дуб 1 получим

Получили, что при конвективной сушке первого образца Дуб 1 время сушки в 17 раз больше, чем при вакуум-импульсной сушке.

Рассмотрим теперь, какое время необходимо затратить, чтобы высушить образец Дуб 2 из таб. 1 при конвективной сушке дубового образца размером в поперечном сечении 20х82 мм (0,02x0,082 м), имеющего влажность 28 % в воздухе, движущемся со скоростью 2,0 м/с, при температуре t0=80 °С и = 0,3 до влажности 8 % [2].

Найдем коэффициент влагопроводности а' для образца Дуб 2. Базисная плотность дуба равна = 560 кг!м3. По левой половине диаграммы (см. рис. 1) устанавливаем, что при температуре 75 °С и базисной плотности =560 кг/м3 коэффициент влагопроводности равен

а'= 8∙10-6 см2 /с.

Коэффициент влагообмена а' = 22 ∙10-5 см / с.

Приведенная толщина S определена равенством (1) и равна

S = 2 см .

Равновесная влажность древесины в воздухе данного состояния Wp=4,6 %[2;4].

Величину B считаем равной

В≈0,81.

Для определения времени сушки от начальной влажности Wн= 28 % до влажности Wк= 8 % воспользуемся формулой

Подставляя имеющиеся значения для второго образца Дуб 2, получим

Получили, что при конвективной сушке второго образца Дуб 2 время сушки в 3,5 раза больше, чем при вакуум-импульсной сушке.

Рассмотрим теперь, какое время необходимо затратить, чтобы высушить образец Дуб 3 из таб.1 при конвективной сушке дубового образца размером в поперечном сечении 20x82 мм( 0,02x0,082), имеющего влажность 30 % в воздухе, движущемся со скоростью 2,0 м/с, при температуре t0=75°Cи =0,3 до влажности 8 % [2].

Найдем коэффициент влагопроводности а' для образца Дуб 3. Базисная плотность дуба равна =560 г/м3. По левой половине диаграммы (см. рис. 1) устанавливаем, что при температуре 75 °С и базисной плотности =560 г/м3 коэффициент влагопроводности равен

а' = 6,2∙10-6 см2/с.

Приведенная толщина S определена равенством (1) и равна

S= 2 см.

Равновесная влажность древесины в воздухе данного состояния Wp=5,3 % [4;6]. Величину В считаем равной

В≈0,81

Для определения времени сушки от начальной влажности Wн=30 % до влажности Wк= 8 % воспользуемся формулой

Подставляя имеющиеся значения для второго образца Дуб 3, получим

Получили, что при конвективной сушке третьего образца Дуб 3 время сушки в 4,5 раза больше, чем при вакуум-импульсной сушке.

Рассмотрим теперь, какое время необходимо затратить, чтобы высушить образец Дуб 4 из таб.1 при конвективной сушке дубового образца размером в поперечном сечении 20x82 мм(0,02 х 0,082 мм), имеющего влажность 29 % в воздухе, движущемся со скоростью 2,0 м/с, при температуре t0=75 °С и = 0,3 до влажности 9 %.

Найдем коэффициент влагопроводности а' для образца Дуб 4. Базисная плотность дуба равна = 560 кг/м3. По левой половине диаграммы коэффициента влагопроводности древесины в тангенциальном направлении (см. рис.1) устанавливаем, что при температуре 75°С и базисной плотности = 560 кг/ м3 коэффициент влагопроводности равен

a’=6,2∙10-6 см2/с.

Приведенная толщина S определена равенством (1) и равна

S= 2 см.

Равновесная влажность древесины в воздухе данного состояния Wp=5,3 % [4;6]. Величину В считаем равной

В≈0,81

Для определения времени сушки от начальной влажности Wн=29 % до влажности Wк= 9 % воспользуемся формулой

Подставляя имеющиеся значения для четвертого образца Дуб 4, получим

Получили, что при конвективной сушке четвертого образца Дуб 4 время сушки в 3,65 раза больше, чем при вакуум-импульсной сушке.

Выводы

Приведенные примеры показывают, что эффективность вакуум-импульсной сушки гораздо выше, чем конвективной.

Следует отметить, что предлагаемая автором Расевым А.И. [4] формула определения времени сушки

Работает не всегда, а только в случае, когда выполняется неравенство

0,81∙Wн+0,19∙Wр>Wк.

Это создает определенные неудобства, так как данная формула не позволяет определять время сушки пошагово по влажности.

Пусть

Wн=28 %; Wк= 25 %; Wр= 5 %.

Рассмотрим величину

но тогда время сушки будет отрицательным, чего быть не может. В этом случае, что нетрудно проверить, не выполняется неравенство

0,81∙Wн+0,19∙Wр>Wк.

Рецензенты:

Старжинский В.Н., д.т.н., Уральского государственного лесотехнического университета кафедры Охрана труда, г. Екатеринбург;

Уласовец В.Г., д.т.н., профессор кафедры механической обработки древесины Уральского государственного лесотехнического университета, г. Екатеринбург.