Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СУШКИ ДУБОВЫХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ ВАКУУМ-ИМПУЛЬСНЫМ И КОНВЕКТИВНЫМ СПОСОБАМИ

Быкова Е.Л. 1 Тракало Ю.И. 1
1 ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»
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.
продолжительность сушки
коэффициент влагопроводности
коэффициент теплопроводности
коэффициент температуропроводности
вакуум-импульсный способ
конвективная сушка
1. ГОСТ 2695-83. Пиломатериалы лиственных пород. – М.: Изд-во стандартов, 1990. – 13 с.
2. ГОСТ 16588-91 Пилопродукция и деревянные детали. Методы определения влажности. – М.: Изд-во стандартов, 1990. – 13 с.
3. Лыков А.В.Теория сушки. – М.: Изд-во «Высшая школа», 1967. – 559 с.
4. Расев А.И. Сушка древесины: учебное пособие. – СПб.: Изд-во «Лань», 2010. – 416 с.
5. Руководящие технические материалы по технологии камерной сушки древесины. – Архангельск, 2000. – 119 с.
6. Серговский П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины: учебник для вузов / П.С. Серговский, А.И. Расев. – М.: Лесная промышленность, 1987. – 360 с.

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.


Библиографическая ссылка

Быкова Е.Л., Тракало Ю.И. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СУШКИ ДУБОВЫХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ ВАКУУМ-ИМПУЛЬСНЫМ И КОНВЕКТИВНЫМ СПОСОБАМИ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=19022 (дата обращения: 26.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074