Механизм процесса сушки древесины

Под механизмом сушки понимают особенности протекания процесса и закономерности изменения температуры и влажности высушиваемого материала по его объему и во времени. Эти закономерности могут быть представлены математическими или графическими зависимостями. В сушильной технике принято анализировать процессы сушки по кривым изменения во времени средней влажности материала (кривые сушки) и его температуры (температурные кривые), а так же по кривым распределения влажности по толщине материала на различных этапах процесса.

Преимущественное распределение в деревообрабатывающей промышленности имеет конвективная (атмосферная и газопаровая) сушка. Поскольку существуют различные движущие силы влагопереноса, механизм процесса сушки не может быть одинаковым во всех случаях. Его особенности зависят от сравнительной эффективности каждой из движущих сил. Основным признаком, характеризующим условия протекания конвективной сушки является уровень температуры среды. По этому признаку процессы сушки делятся на две разновидности: низкотемпературные и высокотемпературные. При низкотемпературном процессе температура среды поддерживается на уровне ниже точки кипения воды (т.е. при атмосферном давлении ниже 100 °С), а при высокотемпературном процессе – на уровне выше точки кипения (т.е. выше 100 °С). Различия в механизме процесса при t_c < 100 °С и t_c > 100 °С объясняются тем, что в первом случае парообразование в древесине происходит вследствие испарения, а во втором случае, кроме того, посредством кипения.

Кроме уровня температуры среды на механизм процесса сушки влияет начальная влажность древесины. По этому признаку процессы сушки делятся также на две разновидности: сушка древесины с начальной влажностью выше и ниже предела насыщения клеточных стенок W_п.н. Различия в механизме процесса при W_н > W_п.н и W_н < W_п.н объясняются тем, что закономерности движения в древесине свободной и связанной влаги неодинаковы.

4.3.1. Низкотемпературный процесс. W_н > W_п.н

Кривые распределения влажности, кривая сушки и температурные кривые, характерные для этого случая, показаны на рис.4.5.

Процессу собственно сушки предшествует период начального прогрева материала ОА. В этот сравнительно небольшой первый период основная часть теплоты расходуется на повышение температуры древесины и содержащейся в ней влаги от начальной температуры t₀ до температуры смоченного термометра t_м. По толщине материала образуется градиент температуры (t_п > t_ц), способствующий переносу влаги по направлению теплового потока, т.е. внутри сортимента, что несколько интенсифицирует прогрев центральных слоев. Влажность древесины практически не изменяется.

Рис. 4.5. Основные кривые низкотемпературного процесса сушки древесины при W_н > W_п.н: а – кривые распределения влажности по толщине сортимента;
б – кривая сушки и температурные кривые

Процесс собственно сушки начинается с испарения свободной влаги, находящейся в поверхностном слое древесины. Влажность на поверхности очень быстро достигает величины предела насыщения W_п.н (рис.4.5, а, кривая 1). С этого момента между внутренними слоями древесины, где влага находится в полостях клеток, и поверхностью, где влага содержится только в клеточных стенках, появляется разность капиллярных давлений. Это вызывает подсос к поверхности свободной влаги по мере ее испарения.

До тех пор, пока скорость подсоса свободной влаги к поверхности будет не меньше скорости ее испарения влажность поверхности будет поддерживаться на достигнутом уровне, близком к W_п.н. Влажность древесины в этом (втором) периоде процесса АБ уменьшается по линейному закону (рис.4.5, б), а скорость сушки (убыль влажности в единицу времени) будет постоянна и определяться интенсивностью испарения с поверхности. Поэтому этот период процесса называется периодом постоянной скорости сушки (d /dt = const)/

Температура древесины в период постоянной скорости сушки сохраняется постоянной, равной t_м, а градиент температуры внутри материала устанавливается очень малым ( » 0, t_п » t_ц). Устанавливается постоянной интенсивность тепло- и влагообмена, так как температурный напор = t_с –t_ц и коэффициент теплообмена a между средой и поверхностью в этот период величины постоянные. Вся теплота, сообщаемая материалу, расходуется на испарение свободной влаги.

По мере удлинения пути и увеличения гидравлического сопротивления материала переносу свободной влаги, скорость продвижения ее к поверхности уменьшается. В конце концов, наступает такой момент, когда к поверхности станет поступать влаги меньше, чем может с нее испариться. После этого по толщине сортимента образуются две зоны: наружная, с влажностью ниже W_п.н, и внутренняя, с влажностью выше W_п.н. В наружной зоне действует градиент влажности (закон влагопроводности), а во внутренней – силы капиллярного давления. К границе соприкосновения зон свободная влага подсасывается под влиянием разности капиллярных давлений.

Постепенно из-за увеличения гидравлического сопротивления древесины переносу влаги изнутри толщина наружной зоны увеличивается, а влажность поверхности W_п снижается (кривые 2, 3). Когда наружная зона достигает середины сортимента (вся свободная влага удалена), влажность по всему сечению опускается ниже W_п.н (кривые 4, 5).

Снижение W_п менее W_п.н приводит к увеличению температуры поверхности материала t_п, так как подводимая к этой поверхности теплота теперь в меньшей степени затрачивается на испарение с нее влаги. Температура в центре материала t_ц также повышается, но немного отстает от температуры поверхности. Под действием образовавшегося градиента температуры влага стремится переместиться внутрь сортимента (по направлению потока теплоты). Однако этот градиент температуры обычно невелик и на процесс сушки существенного влияния не оказывает. Доминирующую роль в процессе переноса влаги играет влагопроводность.

По мере заглубления зоны влагопроводности и повышения температуры древесины скорость сушки уменьшается, прямолинейный участок кривой сушки переходит в кривую. В этом (третьем) периоде БВ кривая сушки асимптоматически приближается к линии равновесной влажности W_р. Температурный градиент постепенно уменьшается и, когда влажность древесины достигает величины W_р, становится равным нулю. В равновесном состоянии ( =W_р) сушка прекращается (d /dt = 0), а температура материала становится равной температуре среды t_с (см. рис. 4.5, б). Практически процесс заканчивается раньше, при достижении заданной влажности W_к.

Основной причиной снижения скорости сушки в третьем периоде является уменьшение количества теплоты, передаваемой материалу из окружающей среды, и его доли, расходуемой на испарение влаги. Это объясняется тем, что с увеличением температуры t_п на поверхности материала уменьшается температурный напор D t= t_с – t_п и, как следствие, интенсивность теплообмена, а также появляются новые направления расходования теплоты (на нагревание материала, на удаление связанной влаги, имеющую прочную связь с древесиной, и др.).

Третий период процесса с непрерывным уменьшением скорости сушки (d /dt < 0) и с непрерывным повышением температуры древесины (d /dt > 0) называется периодом падающей (убывающей) скорости сушки.

Влажность в конце второго и начале третьего периода называется критической влажностью _кр. Величина ее зависит от толщины материала и состояния сушильного агента. При камерной сушке толстых сортиментов (пиломатериалов) продолжительность периода постоянной скорости очень мала и процесс практически полностью протекает в период падающей скорости сушки. При сушке тонких сортиментов (например, шпона) она по сравнению с общей длительностью процесса может быть весьма существенной.

4.3.2. Низкотемпературный процесс. W_н < W_п.н

Это типичный случай десорбции влаги в воздух из древесины, стремящейся приобрести устойчивую влажность. Схема процесса изображена на рис. 4.6.

Процесс начинается с периода начального прогрева ОА. В этот период температура поверхности материала t_п быстро повышается. Затем в периоде сушки АБ повышается замедленно, постепенно приближаясь к температуре среды t_с. Температура центральной зоны сортимента t_ц в периоде начального прогрева ниже температуры поверхности, а в периоде сушки постепенно сравнивается с ней.

Процесс собственно сушки начинается с испарения (десорбции) влаги, находящейся в поверхностных слоях высушиваемого сортимента. Возникает градиент влажности, который вызывает перемещение влаги изнутри на поверхность, а в дальнейшем снижение влажности всего сортимента (рис. 4.6, а, кривые 0, 1, 2 и т.д.). Интенсивность удаления влаги вначале достигает наибольшей величины (соответственно величине перепада влажности ), затем постепенно падает. К концу процесса влажность древесины стремится к равновесной W_р.

В периоде начального прогрева средняя влажность сортимента почти не изменяется, так как действие градиента влажности уравновешивается действием градиентом температуры противоположного знака.