СУШКА ДРЕВЕСИНЫ

Раздел: Строительство

Состояние воздуха

Воздух как рабочее вещество — сушильный агент широко применяется в промышленной сушке древесины. Он выполняет роль транспортного средства — подводит к влажному материалу тепло и в соответствующем количестве отбирает из материала и уносит влагу.

В технической литературе иногда вместо термина воздух применяют термин влажный воздух (humidity air — англ. или feuchte Luft — нем.). Такой термин и следуемое из него понятие нельзя считать правильными. В природе и технике воздух всегда содержит в различных количествах водяной пар. Поэтому упоминать о паре каждый раз, называя воздух «влажным», неправильно и даже противоречиво. Воздух часто бывает очень сухим, например летом в пустыне или в зимнее время в комнатах с паровым отоплением. В таких условиях принято говорить воздух сухой, а не влажный воздух сухой.

Добавление влажный будет обоснованным, когда воздух действительно влажен (состояние тумана), а в бытовых условиях— содержит избыточное количество пара, больше нормы, допустимой санитарными требованиями.

То же относится к однокомпонентному пару, когда влажным правильно называют пар, содержащий взвешенные капельки воды, а та.кже к высушиваемому материалу, который, будучи влажным, содержит свободную влагу. Если воздух и материал не содержат влаги, их называют абсолютно сухими.

Химический состав абсолютно сухой части воздуха в природных условиях практически постоянен и составляет по объему около 21% кислорода, 78% азота и 1% инертных газов. Такой воздух по физическим свойствам близок к идеальным газам и с небольшими отклонениями, не имеющими в сушильной технике практического значения, подчиняется уравнению состояния газов Менделеева—Клапейрона (для 1 кг воздуха)

Параметры воздуха как сушильного агента

Рассмотрим основные параметры воздуха, проявляющиеся при конвективной сушке материала.

Температура воздуха определяет степень его нагрева.

Давлением воздуха называют гидростатическое упругое воздействие, оказываемое воздухом на находящиеся в нем тела.

Абсолютной влажностью воздуха*5" Точнее, пространства)- в сушильной технике называют количество граммов пара, содержащегося в 1 м3 пространства. По количественному значению абсолютная влажность равна плотности пара (1000 рп), выраженной в граммах на 1 м3. Таким образом, абсолютная влажность определяется параметрами t, ф и не зависит от давления абс. сух. части воздуха.

Влагоемкость пространства (независимо от присутствия или давления воздуха) — количество граммов сухого насыщенного пара в 1 м3 пространства при данной температуре, что числен- ;но соответствует 1000 рн. С повышением температуры влагоемкость возрастает и наоборот. Это очень важное свойство пара, находящегося в воздухе, а равно и без воздуха — увеличивать влагоемкость пространства в результате подогрева — лежит в основе процесса сушки. Холодный атмосферный воздух (а следовательно, пар в нем), даже пересыщенный влагой (туман), содержит малое количество пара.

При охлаждении часть насыщенного пара конденсируется. Уменьшение влагоемкости пространства с понижением температуры пара часто используется в технике для осушения воздуха, например при его кондиционировании, т. е. приготовлении и поддержании воздуха заданных параметров.

Так как давление и плотность отдельных газов в общем их объеме, по закону Дальтона, не зависят от присутствия в этом объеме других газов, при t—const плотность насыщенного пара в воздухе и в безвоздушном пространстве (чистый пар) будет одинаковой. Поэтому влагоемкость пространства, занятого воздухом, показывает одновременно плотность чистого насыщенного пара при той же температуре.

Степень насыщенности пара (насыщенность пара) ф в воз- Духе будет такой же, как и без воздуха. Определяют ее по уравнению (3), являющемуся отношением абсолютной влажности к влагоемкости. Этот метеорологический параметр иногда не-

правильно называют в технике относительной влажностью воздуха. В настоящем определении параметр ф справедлив для однокомпонентного пара и в среде СОг, СО и других газов или без них, в том числе и без сухой части воздуха, так как характеризует только свойство пара. Если приравнять свойства пара к свойствам идеальных газов [см. (3)], когда плотность пропорциональна давлению, можно записать также и для пара в воздухе

Величина яр меньше величины ф, однако при невысоких температурах (до 50° С)

Параметр влагосодержание воздуха удобен для расчета и анализа процесса сушки, поскольку пар, изменяющийся количественно при выделении влаги из материала во время сушки, относится к неизменной массе абсолютно сухого воздуха. Существенно также, что масса этого воздуха в отличие от объема не зависит от температуры, которая изменяется при протекании сушильного процесса. Значения d (t, ф) приведены в  3.

Определяющие параметры воздуха как сушильного агента— это его температура t и психрометрическая разность Д< (потенциал сушки [9]). Вспомогательные параметры: — энтальпия /, влагосодержание d, степень на- „п^,1Р птпп„кПп1тЫпт) «сыщенности пара <р и его давление рп- Между этими переменными в процессе сушки параметрами существует многозначная взаимозависимость. Поэтому лучше изобразить ее графически, в виде диаграммы, облегчающей отсчет количественных значений параметров воздуха, анализ процессов сушки и технические их расчеты.

/d-диаграм- ма, содержащая указанные параметна, т. е. пар в воздухе находится во влажном состоянии. Таким образом, линия ф=1 делит диаграмму на две зоны. В сушильной технике используется в основном верхняя зона. Шкала давлений пара р„ находится вверху диаграммы. Вместе с давлением воздуха рв в любой точке диаграммы суммарное давление (Рп+Рв) равно барометрическому, т. е. 0,1 МПа (бар).

Для примера отсчитаем параметры воздуха в точке А: температура £ = 61° С, влагосодержание d=90 г/кг, энтальпия /= = 293 кДж/кг (70 ккал/кг), степень насыщенности пара Ф—0,6 и давление пара р„—12 600 Па (1260 мм вод. ст.). Если на ^d-диаграмме нанести точку By, в зоне тумана, например, для влагосодержания d=57 г/кг и энтальпии /= = 167 кДж/кг (40 ккал/кг), то спроектированный вниз из точек и С] отрезок ВС=57—50=7 г/кг покажет количество воды в воздухе,'а отрезок СО—50 г/кг — количество пара. Общее влагосодержание покажет отрезок £0=50+7 г/кг. Точка Су линии ВуСу находится на кривой <р=1.

Из примера видно, что параметр d в верхней зоне диаграммы (над линией <р=1) правильнее называть паросодержанием воздуха, а в ^нижней зоне — влагосодержанием, с разделением в нижней зоне влагосодержания на паросодержание и водосо- держание воздуха.

Из уравнения (23) следует, что при d=0 энтальпия, откладываемая по вертикали, линейно связана только с температурой. Поэтому на оси ординат совмещенно со шкалой температуры можно отсчитать энтальпию. Ее линии на этой диаграмме не параллельны между собой.

Такую id-диаграмму часто используют для расчетов отопления, вентиляции, сушки и т. д. Несмотря на простоту, полноту и наглядность, диаграмма с горизонтальными изотермами (поэтому— непараллельными линиями энтальпии) имеет существенный недостаток: она не позволяет анализировать процесс смешения воздуха различных состояний. Последнему требованию удовлетворяет /d-диаграмма проф. J1. К. Рамзина. На ней нанесены все указанные* параметры, причем линии энтальпии параллельны между собой и нарастают линейно от t и d.

Построение /d-диаграммы Рамзина

Диаграмма построена в косоугольных координатах; на ось ординат нанесена энтальпия и одновременно температура воздуха, а на оси абсцисс — влагосодержание. Ось абсцисс — вспомогательная, значения d спроектированы на нее с линии 1=0, проходящей через начало координат и расположенной внизу, под тупым углом к оси ординат.

Энтальпия I (кДж/кг или ккал/кг) воздуха суммируется графически ( 5) соответственно трем членам уравнения (23). При этом принимают, что изотерма f=0°-C совпадает

Такие исходные положения приняты в основу пересчитанной автором /d-диаграммы, которая при тех же масштабах и диапазонах t и d меньше по размеру и удобнее для пользования в лесосушильной технике, чем другие /d-диаграммы. Рабочая /J-диаграмма для расчета процесса сушки при температурах от —10 до +125° С и влагосодержаниях 0—500 г/кг дана в приложении 1 (см. вкладку).

Длина шкалы давления пара на этой диаграмме составляет более 500 мм и расположена вверху, что значительно упрощает пользование ею; кроме того, отсчеты получаются более точными. Эта шкала построена по уравнению (18), из которого следует, что при р=const давление пара есть функция лишь влагосодержания. По любым двум параметрам (кроме d и рп, линии которых не пересекаются) легко найти все остальные.

/^-диаграмма может быть построена в прямоугольных координатах [10]; при этом линии rf=const остаются вертикальными, а линии I—const будут горизонтальными, т. е. параллельными, что отвечает условию ее построения.

Пример. Отсчитываем для точки А: температура <=20° С (влево); влагосодержание d= 12 г/кг (вниз); давление пара рп = 1884 Па (192 мм вод. ст.) (вверх); энтальпия /=50,2 кДж/кг (12 ккал/кг) (налево — .вверх); степень насыщенности пара <р=0,8 (по кривой), температура точки росы fp=17°C (вниз до кривой ф=1,0, затем влево). Для точки В в зоне тумана: температура t— 15° С (налево вверх до кривой <р=1, затем влево); давление пара 1715 Па (175 .мм вод. ст.) (налево вверх до кривой ф=1, затем .вверх); влагосодержание 18 г/кг (вннз), в том числе паросодержание 11 г/кг (налево вверх до линии ф=1, затем вннз) и водосодержание 18—11=7 г/кг.

Дополнения и варианты /rf-диаграммы

Дополнение /d-диаграммы вспомогательными расчетными параметрами упрощает тепловые расчеты и анализ протекающих процессов. На /d-диаграмму можно нанести линии плотности воздуха р=const, для построения которых используют уравнение (26), а также линии объема воздуха на 1 кг абс. сух. его части Vi+o,ooid=const по уравнению (28). Величина р необходима для расчета аэродинамических сопротивлений установки, выявления условий работы вентиляторов и т. д. ( 7). Для точки В р=0,88 кг/м3 и V=l,36 м3/кг, *=85°С, Ф=0,4 и т. д.

М-Диаграмма, дополненная указанными линиями отражает все основные свойства воздуха как теплоносителя и влаго- поглотителя и наглядно представляет взаимозависимость между его параметрами. Она является необходимым и универсальным пособием при расчетах и эксплуатации сушильных установок.

Расчеты с помощью /d-диаграммы достаточно точны для практических целей в пределах колебаний атмосферного давления 93 000—107 000 Па (700—800 мм рт. ст.); при больших отклонениях давления следует вводить поправки.

При уменьшении барометрического давления р линии ф= = const сдвинутся вправо и наоборот. Это следует из (3), по которому ф пропорциональна р„, и из (18), показывающего, что при d—const величина рп изменяется пропорционально атмосферному давлению. Изменятся также параметры р и y,+o,oow [см. (26) и (28)].

В случае испарения в абсолютно сухой воздух не воды, а какой-либо другой жидкости должна быть построена иная Id- диаграмма. При этом линии d=const (шкала абсцисс для этой жидкости) и . исходные точки изотерм t=const на ординате диаграммы (для воздуха) останутся без изменения [11].

В сушильной технике наблюдается тенденция к повышению температур в сушильных установках, а также к кондиционированию древесины в конце сушки. Все больше применяют сушильный агент с высокими значениями ф; при этом влагосодержание d выходит за пределы существующих /d-диаграмм. Поэтому возникла необходимость в разработке новой диаграммы, позволяющей графически рассчи¥ьрать и анализировать термодинамику сушильного процесса при 100° С и выше и при Ф около 1, аналогично тому, как такой анализ проводится на обычных /d-диаграммах с нагретым воздухом при невысоком влагосодержаний. Если на оси абсцисс /d-диаграммы вместо шкалы влагосодержания d нанести шкалу давлений пара рп, исходя из их взаимозависимости по (16), а на оси ординат вместо энтальпии / нанести шкалу температур t, получим /р-диаграмму ( 8) паровоздушной смеси, называемую со- крашенно /р-диаграмма. Шкала влагосодержаний находится вверху диаграммы.

Для построения ^р-диаграммы принято давление среды 0,1 МПа (10 200 мм вод. ст.). Ось ординат показывает состояние абс. сух. воздуха, а крайняя справа ордината со значением Рп—0,1 МПа характеризует чистый пар с различной степенью насыщенности ф. Таким образом, на /р-диаграмме отсчитыва- ются основные параметры (t, d, <р, /, рп) любых соотношений паровоздушной смеси от d=0 (абс. сух. воздух) до d= оо (чистый пар — без воздуха) при 20—130° С.

Новая диаграмма построена, так же как и /d-диаграмма, на основе 1 кг абс. сух. воздуха, поэтому влагосодержание воздуха для рп=0,1 МПа будет равно оо. В диаграмме наносят непараллельные прямые энтальпий /=const и кривые линии Ф=const. Таким образом, /р-диаграмма имеет основные черты, присущие /d-диаграмме. Если пользоваться верхней горизонтальной шкалой d=const, эта диаграмма выполнит роль /d-диаграммы. На ней нанесены линии p = const, V]+o,ooid= = const.

На /р-диаграмме можно показать почти все термодинамические процессы, относящиеся к сушке материалов. Однако процесс смешения можно определить лишь тогда, когда оба состояния воздуха близки между собой по энтальпии. Применительно к высокотемпературной сушке добавка воздуха в сушильные камеры в тепловом расчете не предусматривается, а на практике ею обычно избегают пользоваться.

Процессы нагревания и охлаждения воздуха

В многообразных сушильных процессах нагревание и охлаждение неизменного количества (и давления) воздуха обычно происходят в результате теплообмена между воздухом, с одной стороны, и сухими нагревающими или охлаждающими поверхностями — с другой. Если влащЗобмена нет, влагосодержание воздуха при теплообмене остается неизменным (d= const). Следовательно, процесс нагревания (например, в калорифере) или охлаждения воздуха (у холодной сухой стены) на /d-диаграмме наносят по направлению линий постоянного влагосодержания (c?=const), т. е. по вертикали. Это положение— одно из важнейших при рассмотрении сушильных процессов.

При нагревании воздуха точка А ( 9, а), характеризующая начальное его состояние, переместится на /d-диаграмме вверх в точку В, а прц охлаждении — вниз в точку Н. Несмотря на неизменное влагосодержание const и постоянное давление пара рл=const, степень насыщенности пара в воздухе <р при нагревании уменьшается, а при охлаждении увеличивается, поскольку в первом случае повышается, а во втором понижается влагоемкость. Если продолжать охлаждение воздуха, точка Н может сместиться на линию ф=1,0 (точка Р).

Температура, при которой охлаждающийся воздух (по d=const) достигает линии насыщения (ф=1), называется точкой росы tp. Эта температура находится на изотерме, проходящей через точку Р, где пересекаются линии с?=const, Ф=1,0= = const. При дальнейшем охлаждении воздуха произойдет конденсация влаги. Образовавшиеся капельки воды могут или остаться в воздухе, создавая туман (точка Е), или целиком выпасть из воздуха на находящуюся вблизи холодную поверхность, и тогда пар в воздухе останется сухим насыщенным, он будет, следовательно, прозрачным (точка М). Возможно, роса частично выпадет на поверхность и частично возникнет туман (точка С).

В сушильных установках обычно наблюдается последний случай конденсации влаги — с образованием росы и одновременно тумана. Количество выпавшей жидкости в первом случае будет соответствовать разности влагосодержаний в начале dp и в конце процесса конденсации влаги.

В случае* частичного туманообразования количество выпавшей на холодную поверхность жидкой влаги равно разности влагосодержаний воздуха в точках Л и С, между начальным dA и промежуточным dc его влагосодержанием, т.е. dA—dc.

Линия ME прямая. Она представляет собой часть изотермы tw ME. Отрезок ME есть геометрическое место точек С конечного состояния тумана при одновременном протекании двух процессов выделения из воздуха влаги: его можно рассматривать в виде результата раздельного отражения этих процессов— выпадения на поверхности жидкой влаги РХ и туманообразования ХС.

Если с поверхности отвести воду в количестве dp—е?м и нагреть воздух, чтобы его пар достиг начальной насыщенности фЛ, состояние воздуха определится точкой К. В этой точке воздух будет характеризоваться как меньшим влагосодержанием (dA>djt), так и пониженной энтальпией (в результате выделения и отвода тепла при конденсации пара) по сравнению с начальным состоянием воздуха в точке А.

Если нагревать туман, характеризующийся точкой Е, до достижения им состояния в точке Р, а затем подогревать воздух до той же кривой фА, получим начальное состояние воздуха в точке А. Следовательно, этот процесс обратим.

В случае нагревания воздуха, обозначенного точкой С, до начального состояния ф, его параметры зафиксируются точкой Т, показывающей частичное снижение (на величину dA—dc) влагосодержания воздуха.

Таким образом, уменьшить содержание пара в охлаждаемом воздухе можно разными способами: а) выделением из него росы на холодную поверхность; б) туманообразованием; в) сочетанием обоих этих способов. Отсюда выявляются направления соответствующих инженерных разработок и их эффективность по снижению содержания пара в воздухе, а также по его обестуманиванию.

Изображение на /^-диаграмме процесса испарения влаги

Рассмотрим основную закономерность сушильного процесса. При конвективной сушке испарение из материала влаги, имеющей температуру 0° С, происходит за счет теплообмена: воздух отдает часть заключающейся в нем теплоты материалу и, следовательно, охлаждается, но одновременно получает это же количество теплоты (закон сохранения энергии) с выделяющимся из материала паром, являющимся теплоносителем даже в ненагретом состоянии [см. (22)]. При таком теплообменном процессе воздух, охлаждаясь, увеличивает влагосодержание, давление пара, степень насыщенности и точку росы по сравнению с начальным состоянием.

На /d-диаграмме процесс испарения влаги показан изменением состояния воздуха по линии постоянной энтальпии I—const ( 9,6) в направлении вниз направо (ТМ), т.е. с увеличением влагосодержания воздуха. При поглощении (сорбции) влаги из воздуха материалом процесс также будет нанесен на /=const, но в противоположном направлении (МТ).

Иллюстрацией физической сущности процесса испарения влаги может служить широко применяемый в сушильной, отопительной, вентиляционной и других областях техники прибор—'Психрометр. Этот прибор состоит из двух термометров; шарик одного из них, покрытый двумя-тремя слоями марли, смачивается водой, поэтому термометр называется мокрым (см.  9,6, вверху).

При испарении влаги с шарика мокрого термометра температура его по сравнению с температурой сухого термометра понижается из-за поглощения образующимся паром скрытой теплоты испарения. Разность температур t—£M=A« сухого и мокрого термометров (психрометрическая разность) зависит от интенсивности испарения влаги. Если она равна нулю (т. е. теплообмена нет), влага не испаряется, что указывает на насыщенное состояние пара в воздухе (ф=1,0). Чем суше воздух и выше его скорость, тем больше психрометрическая разность.

На основании показаний психрометра легко установить на -^-диаграмме искомые параметры воздуха, не пользуясь психрометрическими таблицами. Температура мокрого термометра находится на изотерме /м и одновременно на линии насыщения (ф=1,0), поскольку пар в тонком слое воздуха вокруг марли находится в насыщенном состоянии (точка М). Влагосодержание воздуха для точки М составляет с?м-

Линию процесса испарения воды с шарика мокрого термометра при температуре воды определяют следующим образом. Из точки М проводят линию /=const до пересечения ее с осью ординат в точке В. От этой точки откладывают вниз отрезок ВА, равный значению Д/=4,19 *„йм/1000 кДж/кг, и соединяют точки А и М прямой.

Линия AM, называемая линией адиабатного насыщения или линией постоянного предела охлаждения (т=const), представляет собой геометрическое место точек состояний воздуха, испаряющего воду с температурой tM мокрого термометра. Если затем провести изотерму t по показанию сухого термометра, точка С ее пересечения с линией AM определит на /с?-диаграм- ме все параметры замеренного психрометром воздуха С. Линия СМ, направленная книзу направо, показывает процесс испарения воды с шарика мокрого термометра. При этом энтальпия воздуха несколько увеличивается за счет физической теплоты, содержащейся в испарившейся воде, имевшей температуру выше нуля.

Важно найти с помощью /(/-диаграммы точку состояния воздуха по показаниям психрометра. Ее определяют следующим образом. Находят изотерму tK мокрого термометра и точку М ее пересечения с линией ф=1,0. Затем поднимаются по линии предела охлаждения т=const до пересечения с изотермой t\ сухого термометра (точка С), как это показано стрелками на  9,6. По выявленному состоянию воздуха в точке С могут быть установлены его параметры t, ф, d, рп, I, tp, а также р и Fi+0,ooid.

В технических расчетах и в производственных условиях точку состояния воздуха по показаниям психрометра обычно определяют как точку Т — по линиям /=const, имеющимся на всех /d-диаграммах, вместо более точного установления ее в точке С по линии т=const.

Потенциал сушки означает величину температурного напора между воздухом и испаряемой водой, следовательно, количество переданной теплоты и пропорциональную ей интенсивность испарения влаги. Если на /rf-диаграмме соединим точки с одинаковой психрометрической разностью, получим линию постоянного потенциала сушки [9]. П^и испарении гигроскопической влаги точка М отрывается of #йнии <р=1,0 и приближается по линии МС к точке С, поэтому скорость сушки уменьшается.

Количество воздуха В, определяемое величиной отрезка АС, принимаем равным п кг, а количество воздуха А, устанавливаемое величиной отрезка СВ,— 1 кг.

Таким образом, правило смешения двух состояний воздуха изображается на /(/-диаграмме аналогично правилу рычага: произведение первого количества воздуха А на первое плечо СА равно произведению второго количества воздуха В на прилегающее к нему второе плечо ВС; точка смеси С моделирует на  10 опору рычага. При смешении воздуха нескольких состояний параметры конечной смеси находят путем последова

тельного графического построения процессов смешения воздуха двух состояний с учетом возрастающих его количеств.