Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

НАЦІОНАЛЬНИЙ ЛІСОТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

УДК 674.047

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Закономірності впливу параметрів процесу сушіння на якість меблевих заготовок з деревини бука

Спеціальність 05.23.06 - технологія деревообробки, виготовлення меблів та виробів з деревини

Кунинець Євген Павлович

Львів - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному лісотехнічному університеті України, Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України на кафедрі технології деревообробки і захисту деревини.

Науковий керівник: Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Білей Петро Васильович Національний лісотехнічний університет України, Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, завідувач кафедри технології деревообробки і захисту деревини.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Озарків Ігор Мирославович Національний лісотехнічний університет України, Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, завідувач кафедри безпеки життєдіяльності, м. Львів;

кандидат технічних наук, доцент Пех Петро Антонович Луцький національний технічний університет, Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, завідувач кафедри комп'ютерної інженерії, м. Луцьк.

Захист відбудеться « 6 » липня 2011 р. о 14.⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.072.04 у Національному лісотехнічному університеті України Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України за адресою: 79057 м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 103

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного лісотехнічного університету України за адресою: м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 101.

Автореферат розісланий « 6 » червня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент С.В. Гайда.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Однією з основних задач, які стоять перед меблевою, деревообробною та іншими галузями переробної промисловості є збільшення випуску продукції за рахунок більш раціонального і ефективного використання деревинної сировини. Бук європейський є серед найбільш розповсюджених деревних порід, що ростуть в Карпатах. Деревина бука застосовується в меблевій, деревообробній та багатьох інших галузях промисловості України. Таке широке використання букової деревини вимагає вдосконалення технології на всіх етапах виготовлення виробів, особливо в ресурсо- та енерговитратних процесах, до яких відноситься і сушіння. Однак, деревина бука має значні коливання фізико-механічних властивостей, що не може не впливати на тепломасообмінні процеси. Бук відноситься до деревних порід з середньою густиною, яка знаходиться в діапазоні від 540 до 740 кг/м³. Разом з буком до цієї категорії віднесені такі породи, як дуб, ільм, берест, в'яз, явір, клен, ясен, модрина тощо. Але, залежно від умов зростання, густина (об'ємна маса) деревини бука може коливатися в межах від 590 до 730 кг/м³, що охоплює майже весь діапазон порід цієї категорії, а твердість - від 36,3 до 51,8 МПа. Вологість деревини в межах одного стовбура може коливатись від 54 до 129 %. Отже, ефективне проведення теплових процесів вимагає чіткого визначення походження букової деревини та її властивостей, що дасть можливість встановлювати реальні закономірності впливу параметрів процесу сушіння на якість виробів.

Тому вдосконалення технологічного процесу сушіння на основі визначення закономірностей впливу його параметрів на підвищення якості меблевих заготовок з деревини бука, є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації є розділом наукового напрямку кафедри технології деревообробки і захисту деревини Національного лісотехнічного університету України, а також наукових планів і програм технологічного факультету та університету з проблем: "Розвиток теорії еколого-енергоощадного оброблення деревини та виробництва меблів" (ДБ 08.16-03, 2003 р. державний реєстраційний номер 0103U000083); "Дослідження та розробка ресурсозберігаючих технологій використання деревини" (тема ДБ №1-163-07, 2007 р., державний реєстраційний номер 0107U008205).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є визначення закономірностей впливу параметрів процесу сушіння пиломатеріалів на якість меблевих заготовок з деревини бука. Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі завдання:

1. Розробити та обґрунтувати технологічні засади досягнення мети дисертаційної роботи.

2. Розробити методику та провести дослідження фізичних властивостей (вологості, густини, величини всихання) деревини бука, заготовленого на пробних площах в ареалах його зростання.

3. Уточнити методику визначення вимог до якості букової сировини (пиловника), виготовлених з неї пиломатеріалів та показників якості сушіння букових пиломатеріалів.

4. Розробити, на основі аналізу теоретичних положень конвективного сушіння деревини, методику та провести дослідження для визначення коефіцієнтів сушіння в процесі сушіння букових пиломатеріалів.

5. На основі експериментальних досліджень провести аналіз впливу режимних параметрів на інтенсивність процесу сушіння і вологопровідність деревини бука та на масообмінний критерій тріщиноутворення Кірпічова.

6. Розробити методику та провести дослідження розподілу вологості по товщині пиломатеріалів і швидкості сушіння для визначення величин коефіцієнтів вологопровідності, вологообміну та масообмінних критеріїв (Нуссельта, Пекле, Фур'є, Кірпічова) залежно від режимних параметрів процесу сушіння букових пиломатеріалів.

7. Визначити комплексний вплив через критеріальну залежність режимних параметрів на якість сухих пиломатеріалів і заготовок з деревини бука.

Об'єкт дослідження - технологічний процес сушіння букових пиломатеріалів і меблевих заготовок.

Предмет дослідження - фізичні властивості деревини бука і закономірності впливу параметрів процесу сушіння пиломатеріалів на якість меблевих заготовок з деревини бука.

Методи дослідження. Використана методологія дослідження тепломасообмінних процесів (аналітичні та графоаналітичні методи визначення тривалості сушіння, теорії тепломасоперенесення і тепломасообміну, фізико-математичні методи моделювання температурно-вологісних полів) та прикладна методика експериментального дослідження процесів сушіння пиломатеріалів і заготовок. Використана стандартна методика дослідження таких фізичних властивостей деревини, як вологість, густина та всихання. Розглянуто теоретичні положення визначення кінетики процесу сушіння деревини - швидкості сушіння та масообмінних коефіцієнтів: сушіння, вологопровідності і вологовіддачі. Для експериментальних досліджень використано експериментальні установки та сучасні сушильні камери періодичної дії, які обладнанні досконалими засобами автоматизації процесу сушіння та мають інформаційне комп'ютерне забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів. Дослідним шляхом отримано значення масообмінних коефіцієнтів (сушіння, вологопровідності, вологовіддачі), та масообмінних критеріїв (Нуссельта, Пекле, Фур'є, Кірпічова), що дало можливість синтезувати дві фізико-математичні моделі - швидкості сушіння та конвективної дифузії в процесі сушіння букових пиломатеріалів. За фізико-математичною моделлю швидкості сушіння ведеться розрахунок тривалості сушіння, а фізико-математичною моделлю конвективної дифузії визначається залежність масообмінних критеріїв від режимних параметрів процесу сушіння та їх вплив на показники якості сушіння. Отримані результати експериментальних досліджень та аналіз бази даних, накопичених у серверах (які зберігаються в сушильному цеху підприємства "Ено-меблі Лтд") дозволило уточнити теоретичні залежності і зробити їх придатними для інженерних розрахунків. Вперше отримане розрахункове критеріальне рівняння, яке пов'язує масообмінні характеристики процесу сушіння з режимними параметрами.

Практичне значення одержаних результатів. Досліджено характеристику деревини бука, яка поступає на процес сушіння. А саме, визначено початкову вологість і густину деревини бука залежно від умов зростання, висоти над рівнем моря і таксаційних характеристик насадження: середній вік, середній діаметр, середня висота дерев, густина насадження і клас бонітету. Отримано значення величини всихання: об'ємного, в тангентальному та радіальному напрямках відносно волокон. Вперше в теоретичні рівняння включено результати експериментальних досліджень таких фізичних величин, як вологовміст деревини та густина (об'ємна маса) деревини, умовна (базова) і в абсолютно сухому стані, а також всихання деревини. Визначено нормативні показники якості висушених меблевих заготовок з деревини бука. Показано шляхи більш раціонального і ефективного використання букової деревини шляхом удосконалення технології сушіння пиломатеріалів і заготовок.

Ступінь достовірності та обґрунтованості наукових положень, сформульованих у роботі. Наукові положення дисертації, результати досліджень, висновки та рекомендації мають достатню обґрунтованість та достовірність. Вони забезпечуються коректністю і відповідальністю розроблених наукових положень отриманим результатам аналітичних та експериментальних досліджень. Отримані результати не суперечать основним положенням науки і підтверджуються апробацією і практичною реалізацією. Вони базуються на значній кількості експериментальних даних, зібраних в результаті проведення комплексних досліджень. Достовірність отриманих результатів підтверджується використанням сучасних аналітичних методів визначення тривалості сушіння, методів теорії тепломасоперенесення і тепломасообміну та методів математичної статистики.

Особистий внесок здобувача. 1) Визначено розподіл вологості деревини бука по висоті і діаметру стовбура у свіжозрубаному стані, густини вологої та абсолютно сухої деревини, а також умовна (базова) густина; 2) Обґрунтовано технологічні і теоретичні засади визначення впливу параметрів процесу сушіння на якість заготовок з деревини бука; 3) Експериментально визначено тепломасообмінні коефіцієнти та масообмінні критерії процесу сушіння букових пиломатеріалів; 4) Експериментально досліджено вплив режимних параметрів на процес сушіння і якість висушуваних пиломатеріалів; 5) Вперше складено критеріальне рівняння, яке пов'язує тепломасообмінні характеристики процесу сушіння і режимні параметри процесу сушіння.

Експериментальна і теоретична частина виконана безпосередньо автором. У спільних публікаціях авторові належить: [2] - проведення експериментальних досліджень та їх узагальнення; [3] - методика визначення витрат та втрат теплової енергії у виробництві букових пиломатеріалів і заготовок; [4] - фізико-математична модель процесу нагрівання і сушіння пиломатеріалів; [5] - проведення експериментальних досліджень та узагальнення результатів; [6] - уточнення методики визначення показників якості сушіння.

Апробація результатів дослідження. Основні положення дисертаційної роботи, її окремі розділи і результати обговорювались на наукових семінарах кафедри технології деревообробки і захисту деревини Національного лісотехнічного університету України, а також на науково-технічних конференціях технологічного факультету НЛТУ України та у рамках міжнародних виставок «Деревообробка» (м.Київ, м.Львів) у 2009-11 рр. Результати роботи впроваджені на ряді деревообробних підприємств.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в п'яти наукових роботах у наукових фахових виданнях, одній спільній монографії та у двох патентах на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота загальним обсягом 153 сторінки складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Основний зміст дисертації викладено на 111 сторінках, представлено в 45 таблицях та проілюстровано 16 рисунками. Додаток представлено на 25 сторінках, бібліографічний список складає 112 назв на 8 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено мету і завдання дослідження, показано наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів. Наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, апробації отриманих результатів, публікації та відзначено особистий внесок автора дисертаційної роботи.

Перший розділ присвячено аналізу літературних джерел за темою дисертації. Розглянуто ареал розповсюдження букових лісів, результати досліджень структурної будови і фізико-механічних властивостей деревини бука та проаналізовано їх вплив на процеси теплової обробки і сушіння. Особлива увага приділена визначенню розподілу вологості у свіжозрубаному стовбурі букових дерев і їх густини (об'ємної маси) залежно від умов зростання.

Описано основні напрямки використання букової деревини в минулому та на теперішній час. Розглянуто особливості найбільш відомих режимів сушіння букових пиломатеріалів, що були розроблені такими вченими, як Кречетов І.В., Соколов П.В., Серговський П.С., Білей П.В., а також ті, що рекомендовані закордонними фірмами: Brunner-Hildebrand, Katres, Vanicek тощо. Режими становлять основу технології теплової обробки і сушіння, в удосконалення якої внесли свій вклад Пінчевська О.О., Павлюст В.М., Андрашек Й.В., Кулешник Я.Ф., Соколовський І.А. та інші. Багатьма вченими (F.Kszysik, Вінтонів І.С., Молотков П.І., Синькевич А.Л.) відзначався широкий діапазон коливання фізико-механічних властивостей деревини бука.

За результатами аналізу встановлено основні фактори, які впливають на процес сушіння і якість висушеного матеріалу, сформульовано завдання дослідження.

У другому розділі розглянута методика дослідження деяких властивостей (вологості, густини, всихання) деревини бука і аналізу їх результатів. Для цього було закладено три пробні площі, визначено їх таксаційні характеристики та сортиментна структура даних лісосік. На кожній пробній площі було заготовлено по три модельних дерева із середнім діаметром в діапазоні від 24 до 48 см. Характеристика модельних дерев наведена в табл. 1. Для визначення характеру розподілу вологості у свіжозрубаних букових деревах по висоті стовбура була відібрана його відземкувата та вершинна частина, а по діаметру - вологість периферійної і центральної зони. В результаті дослідження виявлено, що середня вологість по висоті стовбура зростає на 19,5 %. В міру зниження висоти проростання бука над рівнем моря (з 550 м до 350 м) середня вологість деревини бука зменшується на 5 %. Вологість по висоті дерев у периферійній (заболонній) зоні стовбура зростає в пропорції (0,6 %/м)h, а в центральній зоні цей приріст є більшим і становить (0,8-1,0 %/м)h, де h - збільшення висоти дерева в метрах. Зміна висоти проростання бука над рівнем моря даної тенденції не порушує. Коефіцієнт варіації експериментальних даних при визначенні вологості модельних дерев знаходиться в межах _w=6...21 %, а показники точності - Р_w=1,7...4,6 %.

Таблиця 1 Характеристика модельних дерев

Номер пробної площі	Номер зразка модельного дерева	Показники
		вік , років	висота дерева, м	діаметр на висоті 1,3 м, см	середня вологість деревини - , %	середня умовна густина деревини - , кг/м3
№1	1 2 3	92 106 110	29,3 34,5 33,5	30,4 38,2 44,6	75,4 72,4 71,1	551 550 548
№2	4 5 6	100 94 107	38,0 28,5 33,0	28,8 36,4 46,5	72,1 71,3 70,8	548 546 544
№3	7 8 9	95 100 88	28,0 32,5 25,5	28,3 36,0 42,5	70,9 69,5 68,8	544 542 540

Для визначення густини (об'ємної маси) та величини всихання були використані ті ж зразки, що і для дослідження вологості. Величина всихання деревини бука, заготовленого на досліджуваних пробних площах становить: повного об'ємного всихання _v=16,9%, в тангентальному напрямку _t=11,4 % і в радіальному _r=5,4 %. Ці дані мало чим відрізняються від даних, наведених П.І.Молотковим, відносна різниця становить 3,5-7,4 %.

Розглянуті вимоги до якості букової сировини (пиловника), яка йде на виробництво необрізних пиломатеріалів, що поступають в сушильний цех. Якість висушених пиломатеріалів визначається за нормативними показниками, які наведені в розроблених за участю автора дисертації нових Керівних технічних матеріалах (КТМ) з технології камерного сушіння пиломатеріалів [6].

У третьому розділі розглянуто науково-методичні основи визначення кінетичних характеристик та механізму конвективного сушіння деревини. Багаточисленні дослідження сушіння букових пиломатеріалів, які проводились раніше, довели практичну відсутність періоду постійної швидкості сушіння. Отже, в роботі розглядається тільки період заповільнюючої швидкості сушіння.

За час () відбувається зміна вологості деревини (W_пі-W_кі), яка передбачена ступенню режиму сушіння, а також зміна температури поверхневих (t_пов) і центральних шарів (t_ц) матеріалу. Таким чином, для кожної ступені режиму можна з експериментальної кривої сушіння визначити значення коефіцієнту сушіння (К_і, с^-1) за формулою

,(1)

де W_рі - рівноважна вологість деревини для даної ступені режиму сушіння, яка визначається залежно від параметрів середовища: температури - t_c, С та його відносної вологості - , %, тобто W_p=f(t_c, ).

За величиною середнього значення коефіцієнта сушіння () визначають тривалість всього процесу сушіння за формулою

,(2)

де - загальний коефіцієнт сушіння, с^-1; W_п, W_к - відповідно початкова і кінцева вологість матеріалу, %; W_р - рівноважна вологість деревини останньої ступені режиму сушіння, %.

Більш універсальною кінетичною характеристикою процесу сушіння є коефіцієнт вологопровідності (, см²/с), який змінюється на кожній ступені режиму і визначається за формулою

,(3)

де R - половина товщини матеріалу, см; - швидкість сушіння на і-тій ступені режиму сушіння, %/с; - перепад (градієнт) вологості по товщині матеріалу, %/см.

Інтенсивність випаровування вологи з поверхні матеріалу характеризується коефіцієнтом вологовіддачі (вологообміну на границі тверде тіло - середовище) і визначається за формулою

,(4)

де - відповідно вологість поверхневого шару матеріалу і рівноважна вологість деревини, %.

Таким чином, для того щоб визначити масообмінні коефіцієнти вологопровідності (, см²/с) та вологовіддачі (, см/с) необхідно провести експериментальні дослідження і визначити швидкість сушіння (), перепад вологості по товщині матеріалу () та різницю між поверхневою вологістю (W_пов.і) і рівноважною вологістю (Wр_.і) деревини на даній ступені режиму сушіння. пиломатеріал деревина бук

У процесі конвективного сушіння деревини нагрітим повітрям градієнт температури в середині матеріалу з часом вирівнюється (що видно з графіку рис.1), тому при визначенні швидкості зміни вологості в часі використовують рівняння вологопровідності

,(5)

де U - вологовміст деревини, U=W/100, кг/кг.

Розв'язок рівняння (5) за граничної умови третього роду -

₀(U)_х + (U_nов - U_p) = 0,(6)

буде мати вигляд

, (7)

де HR - критерій Біо, ; A_n, _n - постійне і характеристичне число, які є функціями критерію Біо; U_p, U_пов - рівноважний і поверхневий вологовміст, кг/кг; U_ц - вологовміст центральних шарів матеріала, кг/кг.

За допомогою рівняння (7) можна теоретично описати криві швидкості сушіння. Але перед тим його доцільно спростити. Для малих величин тривалості, коли 0, критерій Фур'є також буде малим, що дає можливість обмежитись тільки першим членом в рівнянні (7) і привести дане рівняння до вигляду

. (8)

Як показують розрахунки, кращі результати отримують, застосовуючи косинусоїдальний закон розподілу вологовмісту по товщині матеріалу, який визначається за формулою

;(9)

,(10)

а в результаті отримаємо закінчений варіант рівняння швидкості сушіння

.(11)

Отримане канонічне рівняння швидкості сушіння (11) використовують в теоретичних розрахунках, але для цього потрібно знати величини коефіцієнтів вологопровідності () та вологовіддачі (), отже провести експериментальні дослідження.

Проведено експериментальні дослідження кінетики сушіння букових пиломатеріалів товщиною 26, 38 та 49 мм у конвективних сушильних камерах періодичної дії типу Абсолют-1, Абсолют-2, Абсолют-3 та типу Vanicek. Використано експериментальні режими сушіння букових пиломатеріалів різного призначення та базу даних, накопичених в комп'ютерному сервері лабораторії сушіння підприємства «Ено-меблі Лтд».

На основі результатів експериментальних досліджень кінетики сушіння букових пиломатеріалів товщиною S₁=26 мм, S₁=38 мм та S₁=49 мм у конвективних сушильних камерах періодичної дії типу Абсолют та Vanicek отримано середнє значення коефіцієнта сушіння =0,8110^-6 с^-1. В результаті порівняння експериментальних даних та розрахункових, у формулу (2) для визначення тривалості сушіння необхідно в чисельнику ввести поправочний коефіцієнт с=1,2.

Залежності швидкості сушіння та коефіцієнта сушіння від вологості деревини (W/=(_і)) та (=(W)) зображено на рис.1 і рис.2.

Рис.1. Залежність коефіцієнта сушіння букових пиломатеріалів
товщиною 26 мм від вологості

Рис.2. Залежність швидкості сушіння W/=f() букових пиломатеріалів товщиною 26 мм від вологості

У четвертому розділі представлено результати дослідження впливу параметрів процесу сушіння пиломатеріалів на якість меблевих заготовок з деревини бука.

Режимними параметрами, за якими проводиться теплова обробка і сушіння пиломатеріалів є температура і відносна вологість повітря, яку визначають за психрометричною різницею - t (різницею між показами сухого і мокрого термометра). Паралельно з цим, знайшло практичне застосування ведення процесу сушіння за температурою середовища - t_с та рівноважною вологістю деревини - W_р, яка є функцією двох змінних: температури середовища - t_с та відносної вологості повітря - . Часто ці два методи проведення процесу сушіння дублюються.

Залежність швидкості сушіння від режимних параметрів зображено на рис.3.

Перевірку режимів сушіння на безпечність проводять за масообмінним критерієм Кірпічова (). Вологообмінний (масообмінний) критерій Кірпічова пропорційний відношенню інтенсивності (швидкості) сушіння до коефіцієнта дифузії вологи (вологопровідності) і записується так

, (12)

де - швидкість (інтенсивність) сушіння, %/с; R - половина товщини сортимента, м; - вологопровідність деревини, м²/с; W_тах - максимальна вологість деревини, можна прийняти, що W_тах=W_ц на початку процесу сушіння, %.

Складено таблиці для визначення масообмінного критерію Кірпічова за експериментальними даними (dW/d, , Wmax_i). Середнє значення критерію Кірпічова становить =0,639, що означає - на всіх ступенях режимів сушіння букових пиломатеріалів параметри середовища забезпечують вимоги критерію безпечності, тому тріщини в процесі сушіння не виникають.

Рис.3. Залежність швидкості сушіння від режимних параметрів

Для визначення розподілу вологості деревини по товщині вибрано букові пиломатеріали товщиною S₁=38 мм і довжиною 3000 мм. На вибраних контрольних зразках пиломатеріалів розмічають зони відбору секцій для визначення пошарової вологості, як це показано на рис.4. Таких секцій в контрольному зразку є 13 по одній на кожну ступінь режиму і кондиціонування.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Схема відбору зразків для визначення пошарової вологості деревини бука: L - довжина дошки; 1...13 - секції для визначення пошарової вологості; S₁, S₂ - відповідно товщина і ширина дошки; а - відстань між секціями.

Для зменшення впливу торців пиломатеріалів на процес випаровування вологи їх потрібно вологоізолювати після випилювання секцій пошарової вологості. Секції пошарової вологості в свою чергу розділяють за схемою вказаною на рис.5.

Таким чином, величина х/R (де х - віддаль від центральної вісі зразка по товщині) дорівнює х₁/R=0,95; х₂/R=0,79; х₃/R=0,33; х₄/R=0.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Схема розкрою секції пошарової вологості на пласти:
1...7 - пласти пошарової вологості; - довжина пласта;
S₁, S₂ - відповідно товщина і ширина дошки.

Приклад характеру розподілу вологості по товщині пиломатеріалів зображено на рис.6.

У результаті експериментальних досліджень отримано середні значення коефіцієнта вологопровідності. Для камер типу Абсолют воно становить =2,9410^-6 см²/с, вологовіддачі =11,6110^-6 см/с, а для камер типу Vanichek відповідно =2,8210^-6 см²/с та =11,6710^-6 см/с.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.6. Розподіл вологості по товщині букових пиломатеріалів товщиною S₁ =38м в камерах Vanicek

Визначення величини масообмінних коефіцієнтів ( та ) дозволяє знаходити числові значення масообмінного критерію Нуссельта за формулою

.(13)

Для розгляду подібності процесів перенесення в ядрі фази використовуємо диференційне рівняння конвективної дифузії для одномірного потоку маси (вологи)

(14)

де - зміна концентрації в часі, тобто неусталений характер процесу;

- розподіл концентрації, зумовлений конвективним перенесенням;

- розподіл концентрації за рахунок молекулярної дифузії.

Замінимо члени рівняння (14) такими величинами:

.(15)

Розділивши перший член лівої частини рівняння на його праву частину, та замінивши D на , отримують безрозмірний комплекс величини

, (16)

який має назву масообмінного критерію Фур'є.

Відношення другої складової частини рівняння (14) до його правої частини є безрозмірним комплексом величин, відомий під назвою дифузійний (масообмінний) критерій Пекле -

, (17)

де - швидкість руху (циркуляції) агента сушіння, см/с; R - характерний лінійний розмір, м.

Загальна функціональна залежність критерію масообмінного Нуссельта від визначальних критеріїв для нестаціонарних процесів масовіддачі може бути виражена так:

, (18)

де Rе - критерій Рейнольдса,

,(19)

тут - швидкість потоку агента сушіння, м/с; L - характерний лінійний розмір, м; - кінематична в'язкість агента сушіння , м²/с ( - коефіцієнт динамічної в'язкості, кг/(мс);

Кінематична в'язкість повітря визначається за формулою

, м²/с,

- густина агента сушіння, кг/м³); Fr - критерій Фруда,

,(20)

тут g - прискорення земного тяжіння, м/с².

Якщо вплив сил тяжіння на процес перенесення дуже малий, то критерій Фруда з рівняння може бути виключеним, а в зв'язку з тим, що критерій Пекле має дуже велике значення , його можна вважати безмежно великим бо та виключити з подальшого розгляду. Таким чином, розрахункова залежність (18) буде мати вигляд

, (21)

.(22)

Після розв'язку рівняння (22) набуде розрахунковий вид

.(23)

Отримана формула (23) дозволяє узагальнити закономірність впливу параметрів середовища (температури - t_с і відносної вологості - середовища та швидкості його циркуляції по штабелю - ) на процес сушіння букових пиломатеріалів в будь-який період процесу (тривалістю - ), для будь-якої товщини (S₁) пиломатеріалів. Для зручності інженерного розрахунку за рівнянням (23) розроблена номограма (рис.7).

Рис.7. Номограма для визначення масообмінного критерію Нуссельта

Після завершення процесу сушіння букові пиломатеріали витримувались у сушильних камерах на протязі 24 год. У вивантажених пакетах висушених пиломатеріалів визначалась середня кінцева вологість та інші показники якості сушіння. За результатами контролю висушені пиломатеріали за всіма показниками віднесено до першої категорії якості сушіння згідно КТМ. Меблеві заготовки, вироблені з висушених пиломатеріалів також відповідають вимогам першої категорії якості сушіння.

Основні висновки і результати роботи

Розроблено та обґрунтовано науково-методичні основи визначення закономірностей впливу процесу сушіння пиломатеріалів на якість меблевих заготовок з деревини бука, внаслідок чого була вирішена актуальна проблема підвищення якості висушуваних пиломатеріалів.

1. На основі аналізу літературних джерел визначено, що деревина бука має значні коливання фізико-механічних властивостей (розподілу вологості в ростучому дереві та густини), що приводить до низької точності теоретичних рівнянь, які описують процес сушіння та його вплив на якість меблевих заготовок з деревини бука.

2. Розроблено методику та проведено дослідження розподілення вологості у свіжозрубаних модельних деревах, заготовлених у науково-обґрунтованих пробних площах, та визначена густина деревини бука в свіжозрубаному стані (_Wo=932 кг/м³), в абсолютно сухому стані (_o=656 кг/м³) та умовна (базова) густина (_у=545 кг/м³). В результаті дослідження виявлено, що середня вологість по висоті стовбура зростає на 19,5 %. Незначно (приблизно на 5 %) збільшується вологість деревини при збільшені висоти від 350 до 550 метрів над рівнем моря.

3. Сформульовано вимоги до якості букового пиловника, виготовлених з нього пиломатеріалів та категорії і показники якості сушіння пиломатеріалів і заготовок, описана методика визначення даних показників.

4. На основі аналізу теоретичних положень конвективного сушіння деревини розроблена методика і проведено дослідження з визначення тепломасообмінних коефіцієнтів процесу сушіння букових пиломатеріалів. Середнє значення коефіцієнта сушіння становить =0,8110^-6 с^-1_. Середнє значення коефіцієнта вологопровідності становить =2,9210^-6 см²/с, а коефіцієнта вологообміну - =11,7510^-6 см/с.

5. За результатами експериментальних досліджень та бази даних, накопичених в серверах комп'ютерного забезпечення на підприємстві «Ено-меблі Лтд» з кінетики процесу сушіння букових пиломатеріалів отримано апроксимаційні залежності рівноважної вологості і швидкості сушіння від зміни вологості деревини та залежність швидкості сушіння від зміни рівноважної вологості (яка описується режимними параметрами) в процесі сушіння. Для інженерного розрахунку побудована номограма W/=f(Wp).

6. Експериментальне дослідження розподілення пошарової вологості в процесі сушіння дозволило на основі теоретичних рівнянь знайти, крім масообмінних коефіцієнтів (К, , _с), ще і масообмінні критерії Кірпічова (=0,639), Нуссельта (=7,58), Фур'є (=3,12) та Пекле (=1,9510⁸). Масообмінний критерій Кірпічова () приймають, як критерій тріщиноутворення, його величина =0,639 (тобто, менше одиниці), що підтверджує забезпечення високої якості висушених заготовок з деревини бука.

7. Використавши на основі експериментальних даних диференційне рівняння конвективної дифузії виведено критеріальне рівняння , яке пов'язує масообмінний критерій Нуссельта з масообмінним критерієм Фур'є та критерієм Рейнольдса. Тобто, це критеріальне рівняння описує закономірності впливу режимних параметрів на інтенсивність процесу сушіння букових пиломатеріалів.

8. Результати дослідження впроваджені на підприємствах: "Ено-меблі Лтд", ТзОВ "Еліт Вуд", ТзОВ "К*Лен", ТзОВ "Перспектива", ТОВ "Фактор-Імпекс", де використані значення коефіцієнтів сушіння, вологопровідності, вологообміну та швидкості сушіння, що дозволило ефективно вибирати раціональний режим сушіння, покращити якість висушуваного матеріалу та отримати два патента на корисну модель.

Список опублікованих праць

Статті у наукових фахових виданнях:

1. Кунинець Є.П. Методика визначення масообмінних коефіцієнтів процесу сушіння букових пиломатеріалів / Кунинець Є.П. // Науковий вісник НЛТУ України: збірник науково-технічних праць. - Львів: РВВ НЛТУ України. - 2011. - Вип. 20.15. с.90-94.

2. Кунинець Є.П. Методика визначення масообмінних критеріїв процесу сушіння / Кунинець Є.П., Білей П.В. // Науковий вісник НЛТУ України: збірник науково-технічних праць. - Львів: РВВ НЛТУ України. - 2011. - Вип. 21.2. с.112-117.

3. Білей П.В. Основи енергоощадної технології виробництва букових пиломатеріалів і заготовок / Білей П.В., Кунинець Є.П., Соколовський І.А. // Науковий вісник НЛТУ України. Вип.20.4. Зб.наук.-техн. праць. - Львів: НЛТУУ, 2010. с.89-92.

4. Білей П.В. Фізичні закономірності впливу параметрів середовища на процес сушіння пиломатеріалів / Білей П.В., Довга Н.Д, Кунинець Є.П. // Науковий вісник НЛТУ України. Вип.20.6. Зб.наук.-техн. праць. - Львів: НЛТУУ, 2010. с.105-109.

5. Білей П.В. Дослідження фізичних властивостей деревини бука, що проростає в Українських Карпатах / Білей П.В., Кунинець Є.П. // Науковий вісник. Випуск 21.1. -Львів: НЛТУУ, 2011. с.111 - 115.

Монографії

6. Білей П.В., Соколовський І.А., Павлюст В.М., Кунинець Є.П. Керівні технічні матеріали з технології камерного сушіння пиломатеріалів. Науково-практичне видання. Друге, доповнене і перероблене. -Ужгород.: Карпати. 2010. -140 с.

Патенти

7. Білей П.В., Кунинець Є.П., Соколовський І.А., Петришак І.В. Установка для інтенсифікації атмосферного сушіння пилопродукції. №55239 F26B 25/22; Подано 25.05.2010, опубліковано 10.12.2010. Бюл.№23.

8. Білей П.В., Кунинець Є.П., Соколовський І.А. Малогабаритна сушильна камера для пиломатеріалів. №54196 F26B 9/00; Подано 25.05.2010, опубліковано 25.10.2010. Бюл.№20.

Анотація

Кунинець Є.П. Визначення закономірностей впливу процесу сушіння пиломатеріалів на якість меблевих заготовок з деревини бука. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.06 - технологія деревообробки, виготовлення меблів та виробів з деревини. - Національний лісотехнічний університет України, Львів, 2011.

Дисертаційна робота присвячена теоретичним дослідженням конвективного сушіння букових пиломатеріалів з метою визначення впливу параметрів процесу на якість меблевих заготовок з деревини бука. Проведено дослідження фізичних властивостей (вологості, всихання, густини) деревини бука, яка поступає на процес сушіння та визначено якісні показники пиловника та пиломатеріалів. Отримано експериментальні значення масообмінних коефіцієнтів: сушіння, вологопровідності та вологообміну, а також масообмінних критеріїв Кірпічова, Нуссельта, Фур'є і Пекле. Результати експериментальних досліджень використано в теоретичних рівняннях швидкості сушіння та розподілу вологовмісту в матеріалі. Вперше отримано критеріальне рівняння, яке поєднує тепломасообмінні характеристики процесу сушіння та режимні параметри. Визначено нормативні показники якості висушених меблевих заготовок з деревини бука та показано шляхи більш раціонального і ефективного використання букової деревини.

Ключові слова: пиломатеріали, заготовки, коефіцієнт, сушіння, вологопровідність, вологовіддача, масообмін, критерії, режими, показники якості.

Summary

Kuninets Y.P. Determination of the laws of the sawn timber drying impacts on quality of furniture components from solid beech. - Manuskript.

The dissertation work to obtain the scientific degree of candidate of technical sciences in the specialty 05.23.06 - wood technology, furniture and wood products. - National Forestry University of Ukraine, Lviv, 2011.

The dissertation work is dedicated to the theoretical investigations on convective drying of beech sawn timber to identify the influence of the drying parameters on quality of the furniture components from solid beech. The physical properties (moisture, shrinkage, density) of the beech wood which is the subject of the drying have been investigated, the qualitative readings of the plank and sawn timbers have been determined. The experimental figures on the weight transfer coefficients have been obtained i.e of drying, moisture rotation and conductivity, weight transfer coefficients of Kirpichova, Nusselyta, Furje and Pekle. The results of the experimental investigations are used in theoretical equalization of drying speed and moisture spreading in the material. First, the criteria equalization are obtained which combine heat weight transfer characteristics of drying process and drying regime parameters. The normative quality parameters of dried furniture components from solid beech have been defined and the ways of more rational and effective usage of beech wood have been described.

Key words: sawn timbers, components, coefficient, drying, moisture transfer and water yielding capacity, weight transfer, criteria, regime, quality figures.

Аннотация

Кунинец Е.П. Определение закономерностей влияния процесса сушки пиломатериалов на качество мебельных заготовок из древесины бука. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.06 - технология деревообработки, изготовление мебели и изделий из древесины. - Национальный лесотехнический университет Украины, Львов, 2011.

Диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям конвективной сушки буковых пиломатериалов с целью определения влияния параметров процесса на качество мебельных заготовок из древесины бука. Для исследования физических свойств (влажности, усушки, плотности) древесины бука, которая идет на процесс сушки, был изучен ареал распространения буковых насаждений, их таксационные характеристики и сортиментный состав. Отмечено, что даже в одном ареале физические свойства древесины бука могут сильно отличаться, например, плотность изменяется в пределах от 590 до 730 кг/м³. Для этого были заложены три пробные площади, на которых заготовлены по три модельных дерева. Определены качественные показатели пиловочника и выпиливаемых из него пиломатериалов. Экспериментальным путем получены величины масообменных коэффициентов: сушки, влагопроводности и влагообмена, а также значение масообменных критериев Кирпичова, Нуссельта, Фурье и Пекле. Результаты экспериментальных исследований использованы в теоретических уравнениях для определения скорости сушки и распределения влагосодержания в материале в процессе сушки. Для экспериментальных исследований использованы сушильные камеры периодического действия типа Абсолют и Ваничек, а также, применяемые в этих камерах экспериментальные режимы. Впервые выведено критериальное уравнение, которое объединяет тепломасообменные харктеристики (коэффициенты влагопроводности и влагообмена), масообменные критерии Нуссельта и Фурье, а также критерий Рейнольдса, который определяется скоростью циркуляции воздуха и кинематической вязкости, зависящей от температуры и относительной влажности воздуха. Определены нормативные показатели качества высушенных мебельных заготовок из древесины бука и указаны пути более рационального и эффективного использования буковой древесины.

Ключевые слова: пиломатериалы, заготовки, коэффициент, сушка, влагопроводность, влагоотдача, масообмен, критерии, режимы, показатели качества.

Размещено на Allbest.ru

...