Перенос влаги внутри древесины

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); а_т – 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 W_п.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 > W_п.н в изотермических условиях было доказано П.С. Серговским прямыми экспериментами.

Уравнение влагопроводности служит основой для анализа продолжительности сушки древесины. При W < W_п.н это уравнение справедливо для всего объема высушиваемого сортимента, а при W > W_п.н оно определяет интенсивность перемещения влаги в поверхностной зоне, влажность которой опускается с самого начала процесса до величины W_п.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 а_т 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 < W_п.н) влияет только влажность, а сырой древесины (W > W_п.н), кроме того, и температура. При повышении влажности в области W > W_п.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 W_п.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)