7-02 С.В. Авдашкевич Закономерности движения влаги в

УДК 630 812/813
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ВЛАГИ В КАПИЛЛЯРНО-ПОРОВОМ
ПРОСТРАНСТВЕ ДРЕВЕСИНЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕСС
ОБЕЗВОЖИВАНИЯ
С.В. Авдашкевич
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия
Анализ литературных данных о формах связи воды в древесине и закономерностей движение жидкости в капиллярно-пористых телах растительного происхождения, позволяет сделать вывод, что проблема обезвоживания и пропитки капиллярнопористых материалов с учетом сложности строения древесных материалов, кроме
того, особенностей структуры древесины, ее свойств - требуют дополнительного
изучения, является достаточно актуальной.
Ключевые слова
Древесина, влажность, микро- и макрокапилляры, обезвоживание
Условные обозначения
R – универсальная газовая постоянная; T – температура защемленного воздуха;
D – коэффициент диффузии воздуха; Ф – диссипативная функция; l – длина капилляра,
м; t – время движения жидкости, с; r – радиус капилляра, м; pа – атмосферное давление,
МПа; j - угол наклона капилляра, рад; h - коэффициент вязкости, Н с/м2; s - поверхностное натяжение, Н/м; rЖ – плотность жидкости, кг/м3; q - краевой угол смачивания,
град.; k – постоянная Генри.
Введение
Древесина относится к гигроскопическим материалам, т.к. обладает способностью изменять свою влажность с изменением состояния окружающей среды. Если древесину длительное время выдерживать в воздухе неизменного состояния, то ее влажность будет стремиться к определенной величине, называемой устойчивой или равновесной влажностью. Устойчивой влажности древесина может достичь, поглощая водяные пары из воздуха (сорбция), либо выделяя их в воздух (десорбция). Водяные пары
из воздуха могут поглощать только клеточные стенки. Появление свободной влаги при
этом невозможно, даже если воздух будет насыщен водяным паром.
Процессы сорбции и десорбции не вполне обратимы при одинаковом состоянии
воздуха: устойчивая влажность при сорбции меньше, чем при десорбции. Разность между ними называется показателем гистерезиса сорбции. Его величина зависит от размеров древесного образца. Для сортиментов показатель гистерезиса равен в среднем
2,5%, для мелких древесных частиц (опилок, щепы, стружки 0,2 – 0,3%).
1. Формы связи влаги с древесиной
Формы связи влаги с древесиной делят на три группы: химическая, физическая и
физико-химическая [1]. Химически связанная влага обычно не удаляется из материала
и обычно в решении вопросов обезвоживания и увлажнения не рассматривается. Физико-химическая связь включает адсорбционную и осмотическую. Условием образования
адсорбционной влаги является адсорбция влаги, а осмотической – диффузия через проницаемую оболочку. Физико-механическая связь включает структурную связь в микрокапиллярах (r 10-7 м), в макрокапиллярах (r 10-7 м), и связь смачивания.
Кроме того, влагу в древесине разделяют на свободную, содержащуюся в полостях клеток, и связанную (гигроскопическую), содержащуюся в стенках клеток. В соответствии с классификацией свободная влага является влагой макрокапилляров, а гигроскопическая включает влагу физико-химических связей и микрокапиллярную.
Существование различных форм связи влаги с древесиной обуславливает наличие различных видов сил взаимодействия воды и древесины, следствием этого является
течение двух различных процессов движения жидкости в древесине:
процесс гигроскопического увлажнения древесины (насыщение клеточных
стенок) до влажности насыщения клеточных стенок WН.В.=WГ.=26…30%, зависящей от
плотности в абсолютно сухом состоянии;
процесс капиллярного впитывания жидкости древесиной до предельного состояния Wmax (все поры заполнены жидкостью, воздух вытеснен).
Течение двух процессов имеет место, если впитывание древесиной начинается
при влажности ниже точки насыщения, при ее достижении происходит капиллярное
передвижение жидкости. Таким образом, именно точка насыщения волокон, соответствующая пределу гигроскопичности, является границей этих процессов.
2. Движение влаги в капиллярно-поровом пространстве древесины
При обезвоживании удаляется сначала капиллярная влага, которая имеет менее
прочную связь с древесиной, а затем гигроскопическая. При увлажнении наблюдается
обратный порядок.
Древесные волокна, которые в основном состоят из мицелл целлюлозы, обладают большой поверхностью. Силы притяжения между этой поверхностью и молекулами
водяного пара заставляют влагу конденсироваться на поверхности мицелл в виде прослоек гигроскопической влаги, образующих систему субмикроскопических капилляров.
Здесь имеет значение радиуса капилляра, т.к. упругость насыщенного водяного пара
над менисками, которые образует влага в капиллярах, прямо пропорциональна ему.
В начале процесса впитывания капиллярная влага торцевых поверхностей образцов расходуется на адсорбцию внутренней поверхностью древесинного вещества,
т.е. осуществляется переход капиллярной влаги в гигроскопическую.
В коллоидных капиллярно-пористых телах органического происхождения рассматривая движение влаги, следует учитывать следующую особенность: влага присутствует в связанном и свободном состоянии. Причем связанную влагу различают трех
форм в порядке убывания энергии: моно-, полимолекулярной адсорбции и капиллярноконденсационной. Критерий разделения – форма связи влаги с телом. Закономерности
движения влаги, ее свойства определяются ее структурой. Поведение связанной влаги
характеризует конечный результат взаимодействия воды и древесины. Система капилляров в клеточной стенке является решающим факторов в этом взаимодействии.
В процессе проникновения воды в клеточных стенках образуется внутренняя
поверхность, на которой происходит взаимодействие с водой. Существуют общие положения, определяющие капиллярную структуру клеточных стенок [2]:
в абсолютно сухом состоянии клеточная стенка непроницаема для газов и
жидкостей;
капилляры в древесине образуются в результате поглощения воды, причем
толщина капилляров зависит от влажности;
значительная часть гигроскопической влаги в набухшей клеточной стенке находится в виде полимолекулярных слоев адсорбционной влаги;
близкой к реальной является модель плоских капилляров с параллельными
стенками;
предположительно существует взаимосвязь предела объемного набухания с
предельной толщиной слоев адсорбционной воды в капиллярах, которая зависит от
температуры.
Древесина как капиллярно-пористое тело обладает такими свойствами как гигроскопичность и гидрофильность. Перенос влаги в основных структурных элементах
гигроскопического тела происходит в зависимости от природы и структуры тела, его
влажности и условий влагопереноса. Движущими силами являются градиенты: капиллярного, осматического и расклинивающего давления, давления пара, двухмерного газа
и набухания, концентрации влаги (влажности), химического потенциала и температуры.
С физической точки зрения древесина состоит из древесинного вещества, влаги
и воздуха. Доля древесинного вещества постоянна, взаимное отношение других компонентов определяет влажность и плотность древесины (существуют два понятия плотности – плотность древесинного вещества и плотность физического тела).
Различают следующие состояния влажности: свежесрубленное, мокрое, транспортной влажности и воздушно-сухое.
При характеристике физического состояния капиллярно-пористой структуры
древесины кроме влажности необходимо учитывать показатель, характеризующий степень заполнения пор, степень насыщения волокон.
Установлено [3], что движение жидкости по сквозным капиллярам осуществляется в ламинарном режиме и подчиняется закону Пуазейля:
2
dt
Ж
1 dl
l dt
2
8hdl
2
r d
g sin j
co
r
0
(1)
В линейном приближении двумя первыми членам выражения (1) ввиду их малости можно пренебречь, поэтому для горизонтального капилляра (j=0)
dl
dt
s co q r
,
8h l
для вертикального капилляра (j=90) (2) приобретает вид
(2)
dl
dt
r2
8h
s co q
r lgЖ.
(3)
Однако следует отметить, что данные уравнения движения жидкости не учитывают эффект Жамена, когда при неполном заполнении капилляра в результате образовавшихся замкнутых воздушных включений происходит резкое увеличение гидродинамического сопротивления среды.
Кроме того, необходимо учитывать изменения, которые происходят с защемленным газом, а именно растворение и диффузию. Таким образом, скорость диффузии
жидкости в капилляре, скорость растворения и диффузии защемленного в нем газа описывается уравнением [4]:
dl
dt
RT
a
,
ptD
s co q
co
a
a
(4)
,
(5)
Представленная теория механического подъема влаги с учетом сил капиллярного давления не в состоянии объяснить движение жидкости по капиллярам в древесине в
гравитационном поле земли.
Для изучения движения жидкости необходима ее феноменологическая модель.
Поэтому с учетом характерных составляющих при моделировании пропитки и обезвоживания древесных материалов пропитывающие растворы и саму влагу будем рассматривать как ньютоновские жидкости.
Таким образом, уравнения основных законов сохранения ньютоновской несжимаемой жидкости имею следующий вид
неразрывности
u
x
v
y
w
,0
z
(6)
количества движения
u
u
u
t
x
u
v
y
u
w
z
1 p
r x
2
v
u
x2
2
v
y2
2
w
z2
;
(7)
v
v
u
t
x
v
v
y
w
w
w
u
v
t
x
y
1 p
r y
v
w
z
w
w
z
1 p
r z
2
2
v
x2
v
y
2
v
v
2
2
z2
2
w
x2
v
;
(8)
2
w
z2
w
y2
;
(9)
v
Ф;
c
(10)
и энергии
T
t
T
u
x
T
v
y
w
T
l
r
2
T
x2
2
T
y2
2
T
z2
Влага, находящаяся в древесине, может быть удалена из древесины в виде пара,
жидкости или льда в результате обезвоживания. Основные способы обезвоживания
можно разделить на следующие группы: термические, механические и комбинированные. При термическом способе происходит фазовое превращение влаги в пар в результате теплового воздействия. При механических способах обезвоживания влага удаляется в виде жидкости в результате силового воздействия: электрического, электромагнитного полей, ультразвука. Комбинированные способы, в основе которых лежит фазовое
превращение влаги под действием тепла, так и удаление влаги в жидком виде под силовым воздействием.
Сушка древесины является сложным физико-химическим процессом, качество
высушиваемого материала определяется не только конечным содержание влаги, но характером течения самого процесса. Поэтому выбор способа сушки необходимо осуществлять при комплексном учете следующих показателей: породы древесины, начальной
влажности, продолжительности процесса, качества конечного продукта, КПД, капитальных затрат на строительство, энергоемкости процесса. Крайне важно в процессе
обезвоживания избежать образования микротрещин.
Древесина сегодня является важной частью составляющей потребительского
рынка продукции, являясь уникальным строительным и конструкционным материалом.
Перспективы развития технологии переработки древесного сырья непосредственно связаны с процессами обезвоживания древесных материалов. Поэтому изучение процесса
удаления влаги из древесины с учетом основных законов движения влаги в капиллярно-пористых телах, свойств древесины с использованием перспективных энергосберегающих процессов является актуальным.
Выводы
Таким образом, анализ литературных данных о формах связи воды в древесины
и закономерностей движение жидкости в капиллярно-пористых телах, позволяет сделать следующие выводы:
1. В настоящее время достаточно актуальной является проблема обезвоживания
и пропитки капиллярно-пористых материалов с учетом снижения энергетических затрат и получения конечной продукции с высокими физико-механическими свойствами.
2. Сложное строение, особенности структуры древесины, ее свойства требуют
дополнительного изучении капиллярной структуры и структурных особенностей капиллярно-пористых структур.
3. Поиск альтернативных способов обезвоживания древесных материалов с целью снижения энергозатрат и повышения качества высушиваемого материала, изучение процессов движения жидкости в капиллярно-поровом пространстве в процессе
обезвоживания и сушки представляет научный и практический интерес.
Для реализации этих направлений необходимо решение следующих задач:
Разработать математическую модель и закономерности движения жидкости в
капиллярно-поровом пространстве древесины под действием сил, инициирующих данный способ обезвоживания.
Изучить влияние основных свойств древесины на характер процесса обезвоживания и пропитки, законы движения жидкости в капиллярно-поровом пространстве
древесины;
Обосновать режимы обезвоживания и пропитки древесины и провести оценку
экономической эффективности предлагаемого способа обезвоживания или пропитки.
Литература
1.
Тихомолова К.П., Левит А.Б., Патякин В.И. и др. Основные электрокинетические характеристики электрокинетического обезвоживания древесины и роль гидропористости. Л.: Наука. Ленингр. отд-ие. Журнал прикладной химии / АН СССР. 1976.
т.49. С. 2709-2710.
2.
Чудинов Б. С. Вода в древесине. Новосибирск: Наука. 1984. 270 с.
3.
Патякин В.И. Лесосплав без потерь. М.: Лесная пром-сть. 1974. 128 с.
4.
Дерягин Б.В., Альтшуллер М.А. О влиянии физико-химических свойств защемленных газов на пропитку пористых тел. М.: АН СССР, 1963. т. 152. №4.