СУШКА ДРЕВЕСИНЫ

Раздел: Строительство

Гигроскопичность древесины

Вода может находиться в двух основных структурных элементах древесины: в полостях клеток и сосудов — свободная влага и в стенках клеточных оболочек — гигроскопическая, или связанная, влага. Различают связи: химическую, адсорбционную, капиллярную и осмотическую [14]. Наиболее прочная — химическая, наименее — осмотическая связь.

Максимальное количество связанной влаги, которое может находиться в древесине, примерно одинаково для всех древесных пород и составляет при комнатной температуре около 30% абс. Вся влага выше 30% будет свободной.

При сушке влажной древесины в первую очередь в пределах клетки полностью удаляется свободная влага и лишь затем, ниже предела насыщения клеточных оболочек (30%). начинает испаряться из ее оболочки связанная. По мере удаления связанной влаги расстояние между мицеллами сокращается, что приводит к усушке древесины.

При обратном процессе в начальный период влага из влажного воздуха поглощается сухой древесиной очень быстро (см.  28), затем этот процесс замедляется и, наконец, прекращается.

Максимальное значение влажности древесины, при которой возможно поглощение (сорбция) ею влаги из насыщенного паром воздуха, определяет предел гигроскопического состояния древесины и может быть названо пределом гигроскопичности. Таким образом, предел гигроскопичности обозначает граничное значение влажности между находящейся в клетках древесины при комнатной температуре гигроскопической (до 30%) и свободной (выше 30%) влагой.

последовательное удаление свободной влаги (а, б) из полости, а затем связанной — из оболочки клетки. При удалении связанной влаги ( 26, г, д) толщина оболочек сокращается, однако объем полостей почти не изменяется.

При нагревании древесины предел гигроскопичности понижается. Так, если при комнатной температуре предел гигроскопичности древесины всех пород в любой части ствола около

30%, то при 60° С — около 26%, а при 90° С снизится примерно до 20%.

Размеры отдельных прослоек, или капилляров, в древесине широко варьируют, начиная от ультрамикроскопических, измеряемых долями нанометра (т. е. <1 им, или <1-10-6 м,м), между мицелла-ми и до 0,5 мм (т. е. 5-102 мкм) в крупных капиллярах. Капилляры с г<10-4 мм называются микрокапиллярами, а при г>10~4 мм — макрокапиллярами.

Давление водяного пара в смачиваемом жидкостью капилляре над вогнутой поверхностью мениска меньше, чем над плоской поверхностью воды.

Температура замерзания связанной влаги от — 1°С при влажности 25%, до —70° С при влажности древесины, близкой к нулю.

Из сосудов и клеточных полостей, находящихся у поверхности материаг ла, свободная влага испаряется с такой же затратой тепла, как и с открытой водной поверхности. Испарение связанной влаги, находящейся в клеточных оболочках, затруднено, и для ее поглощения воздух должен быть суше, а расход теплоты повышенным.

 Чем ниже влажность древесины, тем прочнее связь гигроскопической межмицеллярной влаги с мицеллами и тем больше расходуется дополнительного тепла на отрыв молекул воды от вещества древесины.

полученная Стаммом опытным путем кривая дифференциальной теплоты набухания dQ/dw древесины в зависимости от ее влажности при 50° С. Кривая имеет вид логарифмики. При уменьшении влажности древесины и приближении ее к нулю дифференциальная теплота набухания равна примерно 1260 кДж (300 ккал) на 1 кг испаряемой влаги, т. е. превышает половину величины теплоты испарения свободной воды. Можно предложить уравнение этой кривой в виде

= g7,06—0,318го кДж/кг (е5'й3 °>25te ККЗл/Кг). (99) где е — основание натуральных логарифмов.

Равновесная влажность древесины

Если взять отдельно пробы очень влажной и сухой древесной стружки и положить их в неотапливаемом помещении, периодическим взвешиванием можно установить, что влажная стружка просыхает, а сухая — слегка увлажняется, поглощая влагу из воздуха. С течением времени обе пробы приобретут примерно одинаковую влажность ( 28, а). С изменением погоды изменяется влажность стружки. В насыщенном паром воздухе (ф = 1) влажность стружки достигнет примерно 30%, т. е будет соответствовать пределу гигроскопичности древесины. Если провести опыт в более сухом воздухе, например в комнатных условиях, с пробами древесины меньшей, но разной влажности, будут получены аналогичные кривые ( 28, б); проба 4 — крупных размеров (медленное выравнивание влажности).

Таким образом, определенному состоянию воздуха соответствует уравновешенная с ним влажность и температура древесины, называемая равновесной. Указанное состояние равновесия существует между тремя параметрами: шР (ф, t). Как в уравнении (3), Ф и здесь показывает состояние пара. Абсолютно сухая часть воздуха

может иметь любое давление, или совсем отсутствовать, или даже заменяться другим (газом, химически не взаимодействующим с древесиной; состояние равновесия пара с древесиной от этого не изменится. Параметр t показывает температуру древесины и одновременно одинаковую с нею температуру окружающего ее пара.

Значение wp будет больше, если древесина имела повышенную влажность и высушивалась. Если перед достижением равновесного состояния влажность древесины повышалась, т.е. происходила сорбция влаги, значение шр будет несколько меньше. Таким образом, горизонталь ^р десорбции будет выше горизонтали шр (см.  28), полученной в результате сорбции.

Разница между wp — wv называется гистерезисом сорбции. Она указывает на неполную обратимость процессов сушки и ^ увлажнения древесины. Вследствие небольшой разности wv— и/рпрактически учитывают только кривые сорбции (шр) или промежуточное значение (пунктир на  28). Величина гистерезиса сорбции — десорбции зависит от толщины материала и температуры: она снижается для более тонкого материалела и с повышением t\ более точным будет параметр «градиент гистерезиса сорбции».

Соотношение wp (t, ф) выявляется экспериментально длительной выдержкой измельченной древесины в эксикаторах над серной кислотой, которая создает соответствующую степень насыщенности пара ср; эксикаторы выдерживают в термостатах. Эта зависимость, обработанная автором по опытным данным Н. Н. Чулицкого, для древесины           ясеня и дуба представлена графически на  29. Для уД'обства отсчета величины равновесной влажности шр непосредственно по показаниям психрометра на диаграмме нанесены кривые одинаковых значений психрометрических разностей At.

Изотермы сорбции разных материалов можно описывать уравнением гипербол [2];

тор = а<р/(& - <р).    (100)

Для древесины дано уравнение логарифмики [2], предложена степенная зависимость. Однако эти уравнения неточны (ошибка более 3%) и применимы лишь для части диапазона ф.

Приобретение кривыми противоположной кривизны у начала координат обозначало бы снижение энергии связи влаги с древесиной по мере уменьшения ее влажности, что лишено основания. Однако в технической литературе встречаются Шрф^-диаграммы с обратной кривизной изотерм сорбции у начала координат и направлением всех изотерм в нулевую точку диаграммы. Последнее показывало бы, что древесина высыхает до шр=0% в эксикаторе при комнатной температуре, но это не подтверждается опытом.

Равновесная влажность древесины снижается при температурном на нее воздействии (выше 70—80°С), особенно длительном, показывая термическую деструкцию древесины. В небольшой мере шр будет ниже, если древесина смолистая и очень плотная.

Пропитка раствором сахара с последующим нагреванием (для его карамелизации) снижает равновесную влажность древесины примерно в 2 раза. Тот же эффект может быть получен при пропитке древесины березы диффузионным способом 0,5%-ным раствором хлористого алюминия. С другой стороны, пропитка древесины солями, в частности NaCl или мочевиной (ЫИг^СО, повышает ее равновесную влажность; бочки, пропитавшиеся соляными растворами, почти всегда «мокрые» снаружи.

Для замедления скорости поглощения влаги высушенную и обработанную древесину часто покрывают влагоизолирующи- ми веществами. Такие покрытия защищают ее поверхность от резких изменений состояния пара в окружающем воздухе, улучшают условия службы древесины, предохраняют ее от растрескивания и т. д. Однако при любых покрытиях не предотвращается влагообмен древесины с окружающей средой (кроме глухих покрытий металлическими листами), удлиняется лишь время для достижения состояния равновесия.

Диаграммы равновесной влажности древесины

Диаграмма, показанная на  29,— исходная, основная при изучении статики сушки древесины. Такие диаграммы строят и исследуют для различных веществ и продуктов в целях раскрытия их гигроскопических и технологических свойств.

Применительно к производственным условиям, а также проектным и лабораторным работам желательно составить видоизмененные диаграммы, более наглядные в практике.

На  30 приведена диаграмма аур(ф£), на которой в координатах Up линии равновесной влажности древесины шР близки к прямым. На диаграмме нанесены также пунктирные кривые психрометрической разности At для более удобного практического применения.

линии равновесной влажности древесины. Расширенная таким образом диаграмма отражает свойства воздуха как сушильного агента и основное свойство древесины (wp) как объекта сушки. Она удобна в проектной и исследовательской работе.

Давление водяного пара

Перегретый пар давлением выше атмосферного характеризуется параметрами ф (3), так же как пар давлением ниже атмосферного. Поэтому можно нанести линии равновесной влажности древесины на энтропийной iS-диаграмме [10], а также на термодинамической диаграмме TS. i'5-диаграм- мой рекомендуется пользоваться при сушке древесины перегретым паром.

Наиболее прост отсчет шр непосредственно по t и tu, психрометра, однако точность определения шр при этом невысока. Более точным следует признать определение wр по двум исходным и основным параметрам сушильного агента — температуре и психрометрической разности, которую надо выявлять с повышенной точностью, поскольку (^на — главный параметр, влияющий на величину wp. Установление каждый раз дополнительного параметра ф при этом будет излишним.

Жирная линия вверху на  32 показывает температуру кипения свободной влаги в древесине при tM= 100° С, а также определяет значения шр и ф при температуре />100° С перегретого пара атмосферного давления, как сушильного агента. Выше этой линии давление пара более 0,1 МПа (1 бар).

Для обычных в лесосушильных установках температур 50— 80° С, при которых участки кривых wp (см.  32) близки к вертикалям, равновесную влажность древесины приближенно можно считать функцией лишь Д(. При этом зависимость шр(Дг) опишется простым соотношением

При сушке перегретым паром барометрического давления, когда в камеру обычно проникает небольшое количество воз- Духа, для выявления шр используется (см.  32) полоса значений t и Д( между жирной наклонной линией d=oo и пунк-

тирной d=10 000 г/кг. При этом масса пара в сушильном агенте будет примерно в 10 раз больше массы воздуха; в этом случае tM>97° С.

Ввиду большого значения рассматриваемого параметра шР при различных t, At, ф для ведения процесса сушки, его анализа, разработки оптимальных режимов сушки и автоматизации процесса на  33, в координатах iwp приводится диаграмма wp(At, ф) производственного назначения. Положение точки А

соответствует ее координатам на  32. На диаграмме  33 удобно отсчитывать шр (внизу диаграммы) и обстоятельно анализировать изменения состояния воздуха при постоянных шр (вертикали). Как и на  32, для обычных режимов сушки досок зона d от 100 до 500 г/кг.