оценка влияния термовлагопроводности на общий влагоперенос

Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW
Forestry and Wood Technology No 76, 2011: 134-138
(Ann. WULS-SGGW, Forestry and Wood Technology 76, 2011)
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕРМОВЛАГОПРОВОДНОСТИ НА ОБЩИЙ
ВЛАГОПЕРЕНОС В ДРЕВЕСИНЕ ПРИ ОСЦИЛИРУЮЩЕЙ СУШКЕ.
МАРИНА ТЕПНАДЗЕ
Кафедра технологии древесины грузинского технического университета.
Abstract: The general considering a system of moisture conductive elements in the wood-pulp and forms of
moisture shifting are considered. The fact of why the shifting of the heating and cooling periods of the drying
agent in transient condition together with the moisture gradient causes activation of the temperature gradient
resulting in intense transference of moisture from the inner layers of the wood-pulp towards the surface.
The proposed mechanism of moisture transfer in wood is fully acknowledged in the laws governing changes in
temperature gradient ratio as a function of temperature and humid condizions of the body.
Keywords: Wood drying, heating and cooling periods, temperature gradient, moisture gradient, in intense
transference.
При низкотемпературном процессе сушки древесины существует такой
недостаток сушки, как продвижение влаги к поверхности только за счет градиента
влагосодержания. Плотность потока влаги зависит от коэффициента влагопроводности
и
перепада
влагосодержания
q  f (a' , U ) ; увеличение коэффициента
влагопроводности происходит с повышением температуры агента сушки, а увеличение
перепада гигроскопического влагосодержания достигается снижением степени
насыщенности среды. Но при построении стандартных режимов температуру
принимали уже максимально допустимой, превышение которой отразится на физикомеханических свойствах древесины, а снижение степени насыщенности влечет за собой
увеличение пропорциональной ей величины внутренних напряжений, вызывающих
нарушение целостности материала.
Для построения рациональных режимов осцилирующих сушки древесины в
гелиосушилках необходимо учитывать постоянное колебание температуры среды в
течение всего процесса сушки. Надо полагать, что чередование нагрева и охлаждения
агента сушки вызовет изменение температуры самого пиломатериала и создание по его
сечению градиента температуры.
О механизме движения влаги в древесине под действием градиента влажности в
изотермических условиях различными исследователями выдвинуто много теорий и
гипотез, которые учитывают возможность различных форм движения влаги в
материале, а вопросы, связанные с особенностями переноса пара и жидкости в
древесине в осцилирующих условиях при одновременном действии градиентов
влажности и температуры, требуют дополнительных исследований. Необходимость
последних объясняется тем, что закономерности диффузионного и капиллярного
перемещения влаги в древесине могут быть эффективно использованы при построении
режимов для осцилирующей сушки пиломатериалов, в которых учитывалось бы
преобладающее влияние одного из видов переноса.
Как известно, влагопроводящие элементы в древесине при движении влаги в ней
поперек волокон можно рассматривать состоящими из систем:
1. Система микрокапилляров в клеточных оболочках. Влага передвигается в виде
жидкости и пара.
134
2. Система микрокапилляров, заполненных воздухом. Влага по этой системе
движется в виде пара, проходя последовательно через полости клеток, полости
пор и отверстия в мембранах или мельчайшие микрокапилляры клеточных
стенок.
3. Комбинированная система, состоящая из полостей клеток и прерывистых
микрокапилляров, соединяющих полости смежных клеток. Здесь влага
движется как в виде жидкости (микрокапилляры), так и в виде пара (полости
клеток) [1].
Четко выделить каждый из этих видов переноса практически невозможно, т.к. в
древесине существует непрерывная сеть влагопроводимых элементов постоянного
сечения. Влага, прежде чем быть удаленной из древесины в окружающую среду,
проходит сложную сеть каналов переменного сечения, последовательно переходя при
этом (иногда многократно) из одного состояния в другое.
Нет оснований полагать, что при нестационарных условиях сушки перенос влаги
будет происходить по иным путям. Однако относительная эффективность
вышеуказанных влагопроводящих систем может колебаться в очень широких пределах,
в зависимости от породы (особенностей строения), влажности и температуры
древесины.
Движение влаги под влиянием перепада влажности происходит или внутри
гигроскопической области, или же к области гигроскопичности из мест, где влажность
выше точки насыщения волокна. Массоперенос при этом подчиняется законам
капиллярного движения и вызывается высшим фактором – капиллярным потенциалом,
создающим всасывающую силу, которая способствует извлечению влаги из
центральных слоев сортимента.
Наличие градиента температуры при влажности ниже предела гигроскопичности
обуславливает появление в древесине соответствующего градиента парциального
давления водяного пара. Под действием этого градиента водяной пар диффундирует по
направлению к поверхности по полостям клеток через отверстия в мембранах пор. С
другой стороны, молекулярная термодиффузия в микрокапиллярах (полостях клеток)
сопровождается диффузией скольжения пристеносточного слоя парообразной влаги в
направлении температурного градиента, т.е. от холодного конца к горячему. Если
концы микрокапилляров закрыты или сообщаются через другие капилляры, то
возникает циркуляция пара в такой замкнутой системе [2].
С повышением температуры тепловое скольжение становится весьма заметным и
существенным образом влияет на диффузионный перенос пара в макрокапиллярах. При
низких же влажностях тепловое скольжение служит препятствующим фактором для
перемещения пара из нагретой зоны в охлаждаемую.
При влажности древесины выше точки насыщения волокна все микрокапилляры
в стенках клеток заполнены адсорбированной и сконденсированной влагой, что
исключает возможность переноса влаги в виде пара по системам макрокапилляров.
Единственным возможным путем для переноса влаги является комбинированная
система. Движение влаги при этом сопровождается ее последовательным переходом из
жидкого состояния в парообразное и усложняется тепловым скольжением пара в
полостях клеток, а также движением пристеночной жидкости в капиллярах.
Таким образом, перенос влаги в древесине в осцилирующих условиях
сопровождается дополнительным переносом вещества по направлению градиента
температуры в виде теплового скольжения пара и термоосмотического эффекта.
Плотность потока влаги в этих видах движения зависит от температуры и влажности
древесины. Интенсивность теплового скольжения пара нарастает с повышением
температуры и снижением влажности тела, термоосмотический эффект проявляется в
135
максимальной степени при низких температурах и влажностях, когда интенсивность
движения жидкости становится соизмеримой с движением жидкости по направлению
теплового потока, обусловленного перепадом капиллярного потенциала, т.е. при
определенных температурно-влажностных условиях, величина плотности потока влаги
по направлению градиента температуры может принять существенные значения и
активно влиять на общий массоперенос в древесине.
Суммарный количественный эффект, создаваемый всеми видами переноса влаги
в древесине, оценивается как отношение коэффициента термодиффузии влаги a'T к
коэффициенту диффузии влаги a ' .

a 'T  j
dU 

 

a '  a '  0 t dt 
(1)
При отсутствии влагообмена, когда имеет место гигроскопическое равновесие,
формула (1) запишется в следующем виде:
 
dU U

p
dt
t
т.е. относительный коэффициент термодиффузии равен термоградиентному
коэффициенту.
Графическая зависимость термоградиентного коэффициента от влажности при
постоянной температуре (рис. 1) имеет вид параболы, симметричной в отношении
вертикальной оси, проходящей через вершины.
При высоких вляжностях термоградиентный коэффициент очень мал, далее с
уменьшением влажности почти линейно возрастает и достигает максимуиа при
определенной влажности, различной для различных температур. После перехода
максимума отмечается сильное падение коэффициента, которое происходит почти
линейно.
Движение влаги, обусловленное температурным градиентом, начинается при
определенной для каждой температуры влажности, при которой в полостях появляются
участки объемов, занятые паровоздушной смесью или происшедшего в определенных
условиях удаления воздуха, только водяным паром. При снижении влажности
древесины, т.е. при снижении уровня свободной влаги в плостях клеток, все большее
количество микрокапилляров начинает участвовать в перемещении жидкости. В
результате возрастает эффективность комбинированной влагопроводящей системы, и
соответственно, интенсивность переноса вдаги, что находит свое выражение в
увеличении термоградиентного коэффициента.
136
Рис. 1. Термоградиентный коэффициент
Одновременно с этим происходит отрицательный перенос влаги по направлению
температурного градиента в виде теплового скольжения пара и движения
пристеночного слоя жидкости. Как было сказано ранее, интенсивность этих видов
движения влаги возрастает при низких влажностях. Поэтому, при дальнейшем
снижении влажности древесины плотность отрицательного потока влаги увеличивается
и лимитирует общий процесс переноса влаги по направлению теплового потока. В
результате этого термоградиентный коэффициент, достигнув максимума, уменьшается
и когда интенсивность теплового скольжения пара в макрокапилярах и движения
пристеночной жидкости в микрокапиллярах станет соизмеримой при низкой влажности
древесины с плотностью положительного потока влаги, становится близко нулю.
Предложенный механизм переноса влаги в древесине находит полное
подтверждение в закономерностях изменения термоградиентного коэффициента в
зависимости от температурно-влажных состояний тела.
137
REFERENCES:
1. Шубин Г.С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины. М.
«Лесная промышленность», 248 с.
2. Лыков А.В. Теория сушки. М. «Энергия», 472 с.
3. Чудинов Б.С. Вода в древесине. Новосибирск, «Наука», 270 с.
Streszczenie: Artykuł prezentuje system elementów przewodzących wodę w ścierze
drzewnym i typy przewodzenia wody. Zaproponowany system przewodzenia wody w
drewnie bazuje na znanych prawach gradientu temperatur jako funkcji temperatury oraz
warunków wilgotności w ciałach.
Corresponding author:
Marina Tepnadze
Department of Wood Processing
Georgian technical university
Tbilisi, Kostava str. 77, 0175. Georgia.
[email protected]
138