Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
КОНТРОЛЬ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ И УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЕЕ СУШКИ
Макартичян С В, Шилин А Н, Стрижиченко А В,
1.2. Влагоперенос в древесине
Выпиливаемые из сырых брёвен доски и заготовки содержат по массе почти столько же влаги, сколько в них заключается древесинного вещества. Обычная влажность древесины при сухопутной доставке брёвен составляет 60–80 %.
Применяемый в промышленности метод теплового удаления влаги из древесины называют сушкой. Физическая сущность этого процесса заключается в том, что нагретый воздух направляют к сырому материалу, при соприкосновении с которым он отдаёт своё тепло, т.е. охлаждается, а влага древесины за счёт воспринятого ею из воздуха тепла превращается в водяной пар и удаляется от древесины этим же, но охладившимся воздухом.
Главная цель сушки древесины во всех условиях её производственного и бытового использования заключается в превращении древесины из природного сырья в промышленный материал с коренным улучшением её биологических, физико-механических, технологических и потребительских свойств.
Древесина, используемая в виде досок и заготовок в строительстве, машиностроении, деревообрабатывающем, мебельном и других производствах, только после надлежащей просушки приобретает биологическую стойкость против гниения, способность сохранять форму и размеры деталей в изделиях, максимальную механическую прочность при наименьшей плотности, хорошо обрабатывается, имеет минимальную теплопроводность, электропроводность и т.д.
Древесина состоит из клеток с плотными стенками и внутренними полостями. Стенки древесных клеток состоят из частиц, называемых мицеллами. Мицеллы обладают способностью притягивать и удерживать воду. В сырой свежесрубленной древесине влага заполняет полости клеток, межклеточные пространства, а, кроме того, пропитывает клеточные стенки, располагаясь между мицеллами. Влага, заполняющая внутренние полости клеток и межклеточные пространства, называется свободной, а пропитывающая стенки – связанной или гигроскопической. Древесина, из которой удалена вся влага (и свободная, и связанная), называется абсолютно сухой.
Отношение количества удалённой влаги к весу образца в абсолютно сухом состоянии будет характеризовать влажность древесины.
Процесс сушки заключается в удалении содержащейся в материале влаги путём её испарения, т.е. путём превращения влаги в пар, который затем поглощается агентом сушки.
При сушке древесины в первую очередь и наиболее быстро испаряется влага с поверхности и из наружных слоёв древесины. Из внутренних зон к наружным влага поступает медленнее и требует определённых условий.
Явление испарения влаги с поверхности древесины в окружающую среду называется влагоотдачей. Плотность потока влаги через пограничный слой может быть рассчитана из известного соотношения А.В. Лыкова [57]:
(1.4)
где αm – коэффициент влагообмена, м/с; ρп – плотность пара, кг/м3; Wп – влажность испаряющей поверхности, кг/кг; Wр – равновесная влажность материала, кг/кг.
Коэффициент влагообмена древесины может быть рассчитан по следующей формуле [28]:
(1.5)
где Vц – скорость циркуляции сушильного агента, м/с; Vц.кр – критическое значение скорость циркуляции при Re = 2320; ε – критерий фазового превращения; T – температура, К; Wр – равновесная влажность материала, кг/кг.
Перемещение влаги внутри древесины определяется влагопроводностью. Влага перемещается от более влажных зон к более сухим.
Только при сушке очень тонких слоистых древесных материалов, например, шпона и фанеры, интенсивность сушки может определяться одной влагоотдачей. При сушке любых пиломатериалов решающую роль будет играть влагопроводность. Коэффициент влагопроводности материала может быть рассчитан по следующей формуле [57]:
(1.6)
где M, a00 – коэффициенты, полученные экспериментально, 
На величину влагопроводности влияют следующие факторы:
1) перепад влажности, т.е. разница по влажности между внутренними более влажными и наружными высыхающими слоями. Величина перепада влажности, выраженная в процентах на единицу расстояния между зонами на 1 см или 1 мм толщины, называется градиентом влажности. Чем выше градиент влажности, тем интенсивнее влагопроводность. Влагопроводность прямо пропорциональна градиенту влажности древесины.
2) температура древесины. Чем сильнее прогрета древесина, тем выше её влагопроводность за счёт снижения вязкости влаги в капиллярах.
Свойство древесины перемещать влагу под действием градиента температур называется термовлагопроводностью. Если одна часть отрезка древесины нагрета сильнее, чем другая, то в нём возникает интенсивный поток влаги от более горячих зон к более холодным даже в тех случаях, когда холодная зона оказывается более влажной. Термовлагопроводность в древесине позволяет учесть термоградиентный коэффициент – отношение перепада влагосодержания к перепаду температуры в стационарном состоянии [55]:
(1.7)
где Tк – критическая температура воды, К; σпов – коэффициент поверхностного натяжения воды при температуре T; Wн – влагосодержание намокания.
Термовлагопроводность древесины необходимо учитывать при проведении сушки. Так, в начальный период процесса при прогреве древесины влага, находящаяся в наружных зонах, нагревается сильнее, чем во внутренних, и это вызывает движение её снаружи внутрь. Если при этом не замедлить влагоотдачу с поверхности, то наружные слои пересохнут и могут растрескаться. Поэтому прогревать древесину нужно обязательно при высокой относительной влажности воздуха в сушильном пространстве, чтобы свести влагоотдачу к минимуму.
Свойство термовлагопроводности древесины необходимо учитывать и при проведении сушки в камерах. Так, в начальный период процесса при прогреве древесины влага, находящаяся в наружных зонах, нагревается сильнее, чем во внутренних, и это вызывает движение её снаружи внутрь. Если при этом не замедлить влагоотдачу с поверхности, то наружные слои пересохнут и могут растрескаться. Поэтому прогревать древесину нужно обязательно при высокой относительной влажности воздуха в сушильном пространстве, чтобы свести влагоотдачу к минимуму.