Сушка и защита древесины

Раздел: Учебники

Общие сведения о нагревании древесины. Тепло, поступающее к нагреваемой древесине, передается в основном конвективным методом — от нагретого воздуха к поверхности более холодного материала.

Общий процесс нагревания материала можно расчленить на два последовательных процесса: 1) перенос тепла от воздуха на поверхность материала; 2) распространение тепла внутри материала по всему его объему.

На  23,а показана схема конвективного переноса тепла из горячего воздуха при нагревании материала, а на  23,6 — в воздух из более теплого материала при его охлаждении. На  23, а доска омывается нагретым воздухом 1 (пунктирные стрелки). При нагревании материала воздух отдает ему тепло, т. е. сам охлаждается, поэтому при конвективном потоке он опускается вниз. На схеме  23, б охлаждаемый материал отдает тепло воздуху, и он, расширяясь, становится менее плотным и поднимается кверху (стрелки направлены вверх).

Совмещение с левой пластью досок 2 и 3 нанесены оси ординат с обозначением температуры t, на оси абсцисс отложена толщина доски. Температура воздуха t\ на схеме а будет выше температуры tn на поверхности материала. Поэтому тепловой поток будет направлен от воздуха к материалу и затем внутрь его (сплошные стрелки). Величина потока пропорциональна разности температур t\ —1„ (воздуха ti и поверхности материала

При нагревании материала внутри его возникает разность температур и, следовательно, происходит перенос тепла в более холодную, среднюю зону материала. Количество переносимого тепла вблизи поверхности материала (в тонком слое) определится по формуле х — 0, где "к — теплопроводность древесины в направлении теплового потока в слое х' — 0, Вт/(м-К); tn — У— разность температур на обеих поверхностях слоя х' — 0.

Отношение (tfn\— У)/(х' — 0) называется градиентом температур (чем он больше, тем интенсивнее тепловой поток); знак минус показывает на понижение У с увеличением х'.

Нагревание материала осуществляется симметрично с обеих его пластей. Поэтому распределение температур внутри материала будет: повышенная у нагреваемых поверхностей tu и минимальная— в центре /ц материала, куда поступает тепло. Закономерность распределения температур в нагреваемом материале в определенный момент времени определится кривой линией.

В охлаждаемом материале  закономерности переноса тепла аналогичные, но противоположные по знаку, так же, как и кривая распределения температур. В центре материала она с максимальной ординатой а на поверхности — с минимальной.

В лесосушильной технике тонкий материал (шпон, лыжные заготовки) нагревают иногда горячими металлическими поверхностями, а также излучением. При этом тепло воспринимается материалом интенсивнее, чем при конвективном нагреве.

Коэффициенты теплоотдачи а. Расчет процесса нагревания пиломатериалов в многообразных производственных условиях достаточно сложен. Более детально он рассматривается автором в предыдущей книге этого же наименования. Здесь кратко учитывается лишь внешний теплообмен материала, существенный для оценки работы лесосушильных установок.

Для условий нагревания образца материала применимы несложные уравнения, позволяющие установить ориентировочные значения коэффициента теплоотдачи а с последующим использованием соотношений.

Величина коэффициента а, Вт/(м2-К), при отсутствии испарения (или конденсации) влаги на воспринимающей тепло поверхности при скорости воздуха вдоль этой поверхности v до 5 м/с определяется по упрощенному приближенному соотношению ее = 6,2 +4,2и.

Так, при значении v = l м/с величина а=10,4 Вт/(м2-К). При У>5 м/с пользуются уравнением а = 7,Ь0'78. Так, если v=6 м/с, получим а=7,1 • 6°-78=7,1 • 4,05 = = 28,8 Вт/(м2 • К). При у=5 м/с по (33) а = 27,2, а по (34) а = = 24,8. Для принятых предельных условий (и=5 м/с) оба эти уравнения дают близкие результаты по определению значения а.

Продолжительность охлаждения больше продолжительности нагревания одного и того же материала, поскольку воздух при этом нагревается и осушается (т. е. понижается ср от более теплой древесины, что снижает коэффициент а). Наоборот, у поверхности нагреваемой доски воздух, отдающий тепло, т. е. понижающий свою температуру, повышает насыщенность <р пара, становится более влажным, что приводит к увеличению ос, т. е. теплоотдачи.

Расход тепла на нагревание древесины. При нагревании 1 кг влажной мерзлой древесины затрачивается теплота на подогревание льда до 0 °С, его плавление, нагревание воды и самой древесины. На  24 приведена диаграмма для определения расхода тепла на нагревание 1 кг древесины с любой возможной влажностью w (до 140%). На оси абсцисс нанесены искомые расходы тепла, на оси ординат—влажность древесины. Горизонтальный отрезок АВ показывает расход тепла на подогрев до 0 °С древесины и заключающегося в ней льда с температурой —40 °С, отрезок ВС — на плавление льда, отрезок СЕ — на нагревание древесины и жидкой влаги в ней от 0 до 60 °С.

Линия УНК предела гигроскопичности — криволинейная, ординаты ее точек уменьшаются с повышением положительных и нарастанием отрицательных температур, отсчитываемых вправо и влево от вертикали ОНТ. Влага в древесине слева от линии КНХ — в виде льда.Если температура древесины до нагревания положительная, то отсчет ведется в правой части (от линии ОТ) диаграммы.

Пример. Требуется определить расход топлива на нагревание 1 кг древесины влажностью 60 % от температуры —40 °С до 60 °С. По  24 сумма отрезков АС+СЕ покажет потребность тепла: 147+167=310 кДж/кг. Для определения расхода тепла на нагревание 1 м3 этой древесины следует воспользоваться табл. 4. Из таблицы следует, что плотность древесины (например, сосны) при заданной влажности 60 % составляет 650 кг/м3. Следовательно, для нагревания 1 м3 этой древесины потребуется тепла 310-650=202000 кДж/м3, или 202 МДж/м3, или 0,202 ГДж/м3.

Для ориентировочных расчетов продолжительности нагревания т, ч, единичных досок, а также их штабелей при v>2 м/с по методу учета теплосодержания, при одинаковой температуре на поверхности материала у всех древесных пород, приведенных в табл. 4, можно пользоваться приближенной формулой т = bqR, где b — коэффициент, зависящий от скорости движения воздуха по материалу; при v = 2. ..3 м/с коэффициент 20.

Так, для досок толщиной 50 мм (т. е. $=0,025 м) при расходе тепла 400 кДж/кг и величине 6=20 продолжительность нагревания составит т=20 • 400 • 0,0252 = 5,0 ч, т. е. 1 ч на 1 см толщины материала. Более плотные (например, в 2 раза) древесные породы (в кг/м3) обладают большей (примерно в 2 раза) теплопроводностью, продолжительность их нагревания возрастает не в 2 раза, а приближенно по корневой зависимости от их плотности (в рассматриваемом случае в f2 = = 1,4 раза).