«СИЛА ПЕРЕНОСА» ВЛАГИ В ДРЕВЕСИНЕ ЛИСТВЕННИЦЫ ПРИ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКЕ

 

Зарипов Ш.Г.  (Лф СибГТУ, г. Лесосибирск, РФ)

Sh.G.Zaripov (LfSibGTU, Lesosibirsk, RF)

 

На основании проведенных экспериментальных исследований представлены  данные, указывающие на то, что основной движущей силой влаги в лиственничных пиломатериалах при конвективной сушке низкотемпературными режимами является парогазовая смесь. Парогазовая смесь образуется в результате физико-химических процессов, проходящих в древесине лиственницы при повышении температуры

 

On the basis of experimental studies presented data indicate that the main driving force of moisture in larch lumber in convective drying is a low temperature gas-vapor mixture. Gas-vapor mixture is formed by the physical and chemical processes taking place in the larch wood at higher temperatures

 

Ключевые слова: сила переноса, древесина лиственницы, проводимость, избыточное давление

Key words: power transfer, larch wood, conductivity, excessive pressure

 

Введение

Термин «сила переноса» нами заимствован из монографии [1]. Автор использует данный термин для характеристики процессов переноса влаги в древесине. По нашему мнению, если перенос влаги в древесине лиственницы при сушке низкотемпературными режимами рассматривать как процесс, протекающий под действием избыточного давления, то термин «сила переноса» достаточно полно и точно отражает содержание процесса влагопереноса:  Скорость переноса = Сила переноса х Проводимость.

Общепринятой силой переноса влаги в древесине при конвективной сушке является перепад влажности, который формируется по сечению высушиваемой доски. Многочисленные работы доказывают возможность такого подхода к определению силы переноса влаги [2, 3, 4 и др.]. При этом интенсивность переноса тем выше, чем выше температура нагрева древесины. С повышением температуры увеличивается вероятность разрушения связи диффундирующего вещества с древесиной. Для того, чтобы произошло перемещение диффундирующего вещества, необходимо выполнение ещё одного условия – наличие вакансии пространства. Для образования вакансии необходимо дополнительное количество энергии, получаемое путём повышения температуры агента сушки [4].

Возможность такого подхода получила подтверждение в практике сушки пиломатериалов таких пород, как сосна, ель. При многих положительных аспектах разработанной теории влагопереноса в древесине, она недостаточно универсальна, не объясняет влагоперенос при W_Т > W_П.Г [2]_., не позволяет решить проблему сушки пиломатериалов таких пород, как лиственница, пихта.

Изучая особенности процесса сушки лиственничных пиломатериалов высокотемпературными режимами, Л.Н.Кротов и В.Н.Ослонович [7] пришли к выводу о том, что интенсивное парообразование является не единственным источником образования избыточного давления в древесине. Избыточное давление внутри древесины создаётся паровоздушной смесью, в состав которой, кроме пара, входит и воздух. Тогда давление (р_с.), которое формируется в древесине, рассматривается как сумма парциальных давлений пара (р_п.) и воздуха (р_в.):

                                                 (1)

В работе [8] автор обосновывает формирование избыточного давления в древесине лиственницы при расширении воздуха уже при сушке низкотемпературными режимами.

Из вышесказанного следует, что при сушке лиственничных пиломатериалов вывод влаги осуществляется за счёт избыточного давления, которое создаётся паровоздушной смесью. Этот эффект проявляется при сушке как низкотемпературными, так и высокотемпературными режимами.

Такое утверждение справедливо лишь в том случае, если воздух не имеет выхода из древесины в период всей сушки, тем самым создавая подпор влаги через непроницаемую мембрану, которая находится в древесине. Но такого явления в древесине не наблюдается. Древесина любой породы, включая лиственницу, не относится к абсолютно непроницаемым телам. Из этого следует, что воздух вместе с парами воды выходит из древесины [7]. Выход воздуха из древесины в любом, даже в самом незначительном объёме неизменно приведёт к снижению эффекта выдавливания влажности из древесины. Учитывая, что воздух относится к «не возобновляемому» компоненту паровоздушной смеси, то выход воздуха неизбежно приведёт к затуханию процесса выдавливания влажности из древесины в течение короткого периода времени.

В связи с вышесказанным в работе была выдвинута гипотеза, суть которой заключается в том, что древесина лиственницы относится к химически активной системе. Тогда, при повышении температуры в древесине лиственницы активизируются физико-химические процессы, протекание которых сопровождается образованием парогазовой смеси.

Целью приведённого в статье материала является проверка значимости вышеуказанной гипотезы.

Экспериментальные исследования. Для доказательства такого утверждения были проведёны двухэтапные эксперименты: на первом - производилось извлечение парогазовой смеси из древесины, а на втором – экспресс-анализ полученного газа.

 Извлечение газа производилось на установке (рисунок 1). Для этого  4 медные трубки (рисунок 1, п.4) рабочим диаметром 3 мм каждая  монтировались на расстоянии 4 … 5 см одна от другой по длине лиственничного образца (п.1) размером 50х100х150 мм. Трубки выводились за пределы сушильного шкафа (п.2), где собирались в пучок в резиновый коллектор-сборник (п.5). Парогазовая смесь собиралась в резиновый шар (п.6) в интервале температур нагрева древесины от 44°С до 84°.

Перед извлечением парогазов торцы образцов герметично заделывались. Тогда площадь древесины, с которой выделалась парогазовая смесь, составляла F_сум. = 360 + 25,7 = 385,7 см². При этом 360 см² – площадь поверхности образца, выделение парогазовой смеси с которой не контролировалось; 25,7 см² – суммарная площадь гнёзд, которые были сформированы под трубки.

Извлечение парогазовой смеси производилось из образцов при последовательном повышении температуры. Извлечение при определённой температуре заканчивалось тогда, когда в течение 8 … 10 часов выдержки выделение газа не наблюдалось. Каждый переход на следующий температурный уровень сопровождался сменой резинового шара, что позволяло определить объём выделяемой смеси отдельно для каждого температурного уровня. На рисунке 2 проиллюстрирован график извлечения парогазовой смеси.

 

Рисунок 1 – Схема установки по извлечению газа

 

Общий объём парогазовой смеси, который был извлечён с площади 25,7 см²,  составил 294 мл, или 11,44 мл/см². При пересчёте на общую площадь, с которой удалялась парогазовая смесь, объём извлечённой смеси составил 4412,4 мл. При этом средняя интенсивность извлечения парогазовой смеси составила: для температуры 44°С - G_газ.=0,037 мл/(см²×ч); для температуры 50°С - G_газ.= 0,047 мл/(см²×ч); для температуры 57°С - G_газ.=0,034 мл/(см²×ч).

 

Рисунок 2 – График извлечения парогазовой смеси: 1 - t=44°C, t_изв.=92ч.; 2 - t=50°C, t_изв.=79ч.;  3 - t=57°C, t_изв.=138ч.; 

 

Обсуждение. Проведённые эксперименты  показали, что объём извлеченной парогазовой смеси из древесины лиственницы превышает объём самого образца в 5,88 раза (4412,4/750=5,88). Общая продолжительность выделения парогазовой смеси при различных температурах составила от 12 до 14 суток, что говорит о постепенном образовании парогазовой смеси. Каждому температурному уровню соответствует предельное значение объёма смеси и длительность образования, что устанавливает интенсивность её извлечения. В то же время  интенсивность извлечения газовой смеси G_газ. изменяется импульсивно, что не характерно для процессов, например, тепло- и массопереноса, характеризующихся непрерывным изменением массы. Химические превращения эквивалентны переходам между дискретными состояниями, которым отвечают определённые реакционные группы [11].

Рисунок 3 – Зависимость скорости извлечения парогазовой смеси от температуры: 1 - скорость извлечения парогазовой смеси; 2 –температура нагрева древесины

 

Из этого следует, что в древесине лиственницы при повышении температуры формируются физико-химические процессы, при протекании которых образуется парогазовая смесь, оказывая выталкивающее воздействие на элементы древесинного вещества.

Полученная парогазовая смесь подвергалась химическому анализу методом ИК-спектроскопии [8].

Данный способ основан на способности исследуемых материалов избирательно взаимодействовать с электромагнитным излучением с поглощением энергии в инфракрасном диапазоне спектра (0,75 … 1000 мкм). Поглощение в ИК – диапазоне связано с резонансным возбуждением колебаний (валентных и деформационных) в молекулах. Каждому типу связей соответствуют колебания определённой частоты, которые называются характеристическими, что позволяет идентифицировать функциональные группы полимера и структуру самого полимера. Применение указанного метода анализа позволяет установить в первом приближении структуру парогазовой смеси и указать на основные элементы,  формирующие эту смесь.

Основные результаты химического анализа парогазовой смеси, полученной при нагреве древесины до 84°С, проиллюстрированы ниже. При проведении экспресс-анализа было снято два типа спектров: 1 – ИК–спектр равновесных парогазов над конденсатом в газовой кювете относительно сухого воздуха камеры; 2 – ИК–спектр жидкого конденсата, нанесённого слоем определённой толщины на таблетку KBr, относительно чистого KBr. Оба спектра прилагаются как в общем, так и фрагментарном видах. Фрагмент области «отпечатков пальцев» ИК – спектра  парогазов  представлен  с  отдельной  нумерацией  максимумов - пиков поглощения. В общей сложности, на ИК–спектре парогазов в газовой камере пронумеровано и отнесено к определённым структурным единицам 139 пиков. На ИК–спектре конденсата на таблетке KBr всего 10 пиков.

Результаты проведённого экспресс-анализа дают основание утверждать, что при сушке лиственничных пиломатериалов низкотемпературными режимами (t_c < 100⁰С) происходят  физико-химические процессы, при протекании которых формируется парогазовая смесь  сложного химического состава. При этом каждый компонент газовой смеси формирует свой парциальный объём (V_ni) и, соответственно, парциальное давление (p_ni). Тогда суммарный объём (V_см.) и суммарное давление (р_см) смеси химически не взаимодействующих газов при сушке низкотемпературными режимами, соответственно, равен (закон Дальтона) [10]:

                                                  _(2.2)

                                                 (2.3) 

 где k – количество компонентов, входящих в состав газовой смеси.

 

Таким образом, в процессе сушки древесину лиственницы следует рассматривать как химически активную систему. Образованная в результате физико-химических процессов парогазовая смесь формирует поле переноса, которое способно совершать работу перераспределения водного раствора экстрактивных веществ по толщине доски.

Список использованных источников

1. Чудинов, Б.С. Вода в древесине [Текст]/ Б.С.Чудинов. – Новосибирск: Наука, 1984. - 270 с.

2. Серговский, П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины: учебник для вузов [Текст] / П.С.Серговский, А.И.Расев. – 4–е изд., перераб. и доп. – М.: Лесн. пром – сть, 1987. – 360 с. 

3. Шубин, Г.С. Физические основы и расчёт процессов сушки древесины [Текст]/ Г.С.Шубин. – М.: Лесн.пром-сть, 1973. – 248 с.

4.  Рейтлингер, С. А. Проницаемость полимерных материалов [Текст] / С.А.Рейтлингер. - М.: Химия, 1974. - 272 с.

5. Кротов, Л.Н. Температурные поля, поля влажности и давление в древесине при высокотемпературной сушке [Текст] / Л.Н.Кротов, В.Н.Ослонович // Лиственница. - 1968, Том III. - С. 408-419.

6. Дзыга, Н.В. Особенности сушки лиственничных пиломатериалов [Текст]/ Н.В.Дзыга // Инвестиционный потенциал лесопромышленного комплекса Красноярского края: научно-практическая конференция международной выставки-ярмарки. «Деревообработка: оборудование и продукция» 5-6 сентября 2001 г. - С.78-81. 

7. Зарипов, Ш. Г. Экологические аспекты конвективной сушки лиственничных пиломатериалов [Текст] / Ш. Г. Зарипов, В. В. Якушев; Лф СибГТУ // Лес-2011: XII Междунар. научно-техническая конф. – Брянск, 2011. – С.78-81.

8. Зарипов, Ш. Г. Избыточное давление в лиственничных пиломатериалах при низкотемпературной конвективной сушке [Текст] / Ш. Г. Зарипов, В. Н. Ермолин // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал / Архангельский гос. техн. ун-т. – Вып. 4. - 2011. – С.52-57.

9. Зарипов, Ш. Г. Перераспределение водорастворимых веществ в древесине лиственницы в процессе конвективной сушки [Текст] / Ш. Г. Зарипов, В. Н. Ермолин // Хвойные бореальной зоны. – Вып. 3-4. – Красноярск, 2011. – С.352-354

10. Трофимова, Т.И. Курс физики [Текст] / Т.И.Трофимова. - М.: Высшая школа, 2001. - 542 с.

11. Пармон, В. Н. Лекции по термодинамике неравновесных процессов для химиков: учеб. пособие [Текст]  /В.Н. Пармон. -  Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т., 2004. - 296 с.