Перемещение влаги внутри материала (влагоперенос) определяет особенности процесса сушки и его механизм. Влагоперенос может происходить под действием следующих движущих сил: градиент влагосодержания , градиент температуры и градиент избыточного давления паровоздушной смеси в древесине.
Движение влаги под действием . Такое движение влаги называется влагопроводностью, закономерности которого формулируются аналогично закономерностям теплопроводности. Интенсивность этого движения, когда распределение температуры и давления внутри древесины равномерно, определяется уравнением
, (4.5)
где – плотность потока влаги (масса влаги, проходящая в единицу времени через единицу площади изопотенциальной поверхности – поверхности одинакового потенциала), кг влаги/(с × м2); ат – коэффициент влагопроводности (аналог коэффициента температуропроводности а), м2/с; – плотность древесины в абсолютно сухом состоянии, кг/м3; – градиент влагосодержания, представляющий собой перепад влагосодержания, приходящийся на единицу длины пути перемещения влаги.
|
|
Уравнение (4.5) есть математическая запись основного закона влагопроводности. Этот закон устанавливает, что плотность потока влаги пропорциональна градиенту влагосодержания и коэффициенту влагопроводности. Знак минус показывает, что направление градиента влагосодержания (в сторону увеличения влагосодержания) противоположно направлению потока влаги. Влага по объему сортимента всегда движется в сторону убывающей влажности.
Влагопроводность – явление сложное. Влага в древесине перемещается в направлении убывающей влажности как в виде пара за счет его диффузии по свободным полостям клеток, так и в виде жидкости за счет капиллярных сил, возникающих в микрокапиллярах клеточных стенок.
Уравнение влагопроводности (4.5) для древесины при t = const справедливо лишь при влажности ниже предела насыщения клеточных стенок Wп.н, т.е. только в области гигроскопического состояния [1]. Если влажность по всему объему сортимента выше 30 %, то, независимо от того, равномерно она распределена по нему или нет, перепад влажности не вызывает влагопереноса. Отсутствие переноса влаги в древесине при W > Wп.н в изотермических условиях было доказано П.С. Серговским прямыми экспериментами.
Уравнение влагопроводности служит основой для анализа продолжительности сушки древесины. При W < Wп.н это уравнение справедливо для всего объема высушиваемого сортимента, а при W > Wп.н оно определяет интенсивность перемещения влаги в поверхностной зоне, влажность которой опускается с самого начала процесса до величины Wп.н и ниже. В обоих случаях расчеты скорости или продолжительности сушки требуют знания численных величин коэффициента влагопроводности древесины.
|
|
Коэффициент влагопроводности является основным показателем, характеризующим интенсивность потока влаги внутри древесины. Он характеризует количество влаги, перемещаемое в единицу времени через единицу площади при разности концентрации влаги в 1 кг/м3 на 1 м толщины. Это определение коэффициента влагопроводности вытекает из следующего уравнения
, (4.6)
где = , кг влаги/м3 влажной древесины.
Размерность коэффициента влагопроводности аналогична размерности коэффициента температуропроводности (м2/с или см2/с).
Движение влаги под действием градиента температуры . Такое движение называется термовлагопроводностью (эффектом Лыкова). Интенсивность этого движения характеризуется уравнением
, (4.7)
где ат и – то же, что в формуле (4.5); d – коэффициент термовлагопроводности, 1/°С или % /°С; – температурный градиент в древесине, представляющий собой перепад температуры, приходящийся на единицу длины, °С/м.
Уравнение (4.7) определяет плотность потока влаги в древесине только под действием градиента температуры при постоянном влагосодержании и давлении. При термовлагопроводности движение влаги всегда направлено в сторону понижения температуры.
Термовлагопроводность древесины, как и ее влагопроводность, представляет собой сложное явление. Здесь также наблюдается одновременное перемещение по материалу и пара и жидкости.
Влагопроводность и термовлагопроводность – это перемещение влаги, носящее преимущественно диффузионный, молекулярный, характер.
Термовлагопроводность является причиной перемещения влаги по направлению потока теплоты. Поэтому при конвективной сушке создается ,противоположный , что мешает передвижению влаги изнутри к поверхности материала.
Коэффициент термовлагопроводности или термоградиен-тный коэффициент определяется как отношение градиента влагосодержания к градиенту температуры в стационарном состоянии при отсутствии влагопереноса. Он показывает, какой градиент влагосодержания создается в материале при градиенте температуры, равном 1 К/м (1 °С/м).
На рисунке 4.4 представлена диаграмма термоградиентного коэффициента древесины, построенная по результатам экспериментальных исследований Г.С. Шубина [4]. Результаты исследований показывают, что на термоградиентный коэффициент d влажной древесины (W < Wп.н) влияет только влажность, а сырой древесины (W > Wп.н), кроме того, и температура. При повышении влажности в области W > Wп.н коэффициент d после некоторого увеличения уменьшается и при W» 100…110 % стремится к нулю, с повышением температуры значения d уменьшаются. Кривые d = f(W) во всем диапазоне имеют точку перегиба при W = 40…50 %. Разделение кривых начинается при влажности несколько более низкой, чем Wп.н.
Рис. 4.4. Диаграмма термоградиентного коэффициента древесины поперек волокон
Движение влаги под действием градиента давления . При определенных условиях в процессе сушки внутри древесины может происходить интенсивное парообразование. Скорость образования пара при этом больше чем скорость его переноса из зоны испарения наружу, что вызывает резкое увеличение объема парообразной влаги. В результате этого и сопротивления капиллярной системы переносу в древесине создается внутреннее избыточное (по сравнению с атмосферным) давление пара, служащее потенциалом переноса этого пара. Под влиянием избыточного давления возникает устойчивое течение пара (а в некоторых случаях и жидкой влаги) по капиллярной системе древесины к поверхности. Это течение носит молярный характер (характер непрерывного направленного потока) и называется молярным влагопереносом. Его интенсивность выражается уравнением
|
|
, (4.8)
где – коэффициент молярного влагопереноса, кг влаги/(м × с × Па); – градиент избыточного (по отношению к атмосферному) давления в древесине, Па/м.
Уравнение (4.8) определяет плотность потока парообразной влаги в древесине только под действием градиента избыточного давления. Коэффициент , определяющий интенсивность молярного влагопереноса, сколько-нибудь подробно еще не исследован.
В общем случае, когда действуют все три движущие силы влагопереноса, их эффект суммируется и обобщенное уравнение влагопереноса имеет вид
, (4.9)