РОЗДІЛ 2
ФІЗИЧНІ АСПЕКТИ ВИНИКНЕННЯ ВНУТРІШНІХ НАПРУЖЕНЬ ПРИ СУШІННІ ДЕРЕВИНИ
2.1. Вступ. Загальна характеристика розвитку напружень в процесі сушіння деревини
Процес сушіння пиломатеріалів та заготовок з точки зору розвитку в деревині внутрішніх напружень можна умовно розділити на чотири стадії: початкову, першу, другу та кінцеву (рис.2.1). Для початкової стадії характерним є практична відсутність внутрішніх напружень, коли вологість по перетину сортименту більша або дорівнює точці насичення вологою деревинних волокон (W ? WT.H.). Тривалість цієї стадії залежить від рівня початкової вологості та параметрів середовища при сушінні. На першій стадії характерним є розвиток вологісних напружень. На цій стадії поверхневі шари матеріалу порівняно швидко набувають вологість, близьку до рівноважного значення, (Wp), величина якого визначається параметрами агенту сушіння (tc, ?). Через те, що внутрішні шари заперечують вільному всиханню поверхневих шарів, в них виникають напруження розтягу, що може призвести до виникнення поверхневих тріщин. Під дією сил розтягу поверхневих шарів в них виникають залишкові деформації розтягу, які не дозволяють на другій стадії вільному всиханню внутрішніх шарів, що може призвести до внутрішніх тріщин. На кінцевій стадії сушіння нерівномірність розподілу вологості зменшується, а після проведення вологотеплообробок зводиться до мінімуму і разом з тим зводяться до мінімуму і вологісні напруження. Напруження, які зумовлені появою в деревині залишкових деформацій, називають залишковими. Вони можуть змінювати свою величину за рахунок правильної побудови режимів сушіння та проведення тепловологообробок.
Рис 2.1. Графік зміни вологісних, залишкових і повних напружень в поверхневій зоні
Таким чином, повні внутрішні напруження можна розглядати як алгебраїчну суму двох складових: вологісних і залишкових. Такий розподіл внутрішніх напружень полегшує їх аналіз. Разом з тим він, не зовсім точно пояснює дію повних напружень, які залежать не тільки від вказаних двох складових, але і від анізотропної будови деревини.
Зростання розтягуючих зусиль в поверхневих шарах спостерігається до того моменту, коли перепад вологості досягає максимального значення [19, 31, 40]. Цей момент вважається найбільш небезпечним для збереження цілісності матеріалу і головну роль тут відіграють вологісні напруження, які виникають на першій стадії процесу сушіння. Уникнути внутрішніх напружень при конвективному сушінні неможливо тому, що основною рушійною силою переміщення вологи при низькотемпературному процесі є градієнт (перепад) вологості по перетину сортимента. Основним завданням при цьому є обмеження інтенсивності випаровування вологи з поверхневих шарів. Взагалі правильним є таке проведення процесу сушіння щоб напруження не перевищували границі міцності деревини.
Кінцевою метою будь-якого процесу сушіння деревини є забезпечення якості висушуваного матеріалу при мінімальній тривалості сушіння і, як наслідок, при мінімальних матеріальних витратах. Цілісність матеріалу зберігається, якщо контролювати напруження (які виникають під час сушіння), щоб вони не перевершили межі міцності деревини. Використовувані на практиці методи випилювання силових і вологісних секцій не дають можливості визначити справжні модульні значення величин внутрішніх напружень, оскільки порушують цілісність матеріалу і руйнують реальну картину розподілу напружень в процесі сушіння.
У зв'язку з цим виникає потреба побудови математичної моделі процесу сушіння, котра би з певним рівнем адекватності відображала складний природній процес зміни вологості та розвитку внутрішніх напружень при сушінні деревини. Задачу реалізації даних математичних моделей пропонується розв'язати числовим методом шляхом розробки ефективного алгоритму розрахунку полів вологості та напружень на базі використання теорії різницевих схем. Отримані числові розв'язки дадуть, у свою чергу, можливість обгрунтувати зміни параметрів конвективного сушіння деревини твердих листяних порід.
2.2. Математичний опис зміни вологості в матеріалі при конвективному сушінні
2.2.1. Система початкових допущень для побудови математичної моделі.
При конвективному сушінні пиломатеріалів твердих листяних порід рекомендується застосовувати низькотемпературні режими [7], де перепад температури по перерізу матеріалу становить лише 0,5-3 ?С. Нерівномірність розподілу вологи в цьому випадку є рушійною силою утворення потоків що переміщують вологу з центральних шарів до поверхні бруска.
Густина потоку вологи (?w) в цьому випадку дорівнює добутку коефіцієнта вологопровідності (аm) та густини деревини в абсолютно сухому стані (?0) на градієнт вологовмісту (dU) по товщині матеріалу (dx) [9]
?w . (2.1)
Отже, сформулюємо систему початкових допущень для створення, на основі теорії потоків, математичної моделі зміни вологості в матеріалі при конвективному сушінні. Оскільки деревина характеризується досить малим коефіцієнтом всихання вздовж волокон, а розміри поперечного перерізу більшості сушильних матеріалів є малими порівняно з довжиною, то матеріал деревини можна розглядати як двовимірне тіло, переміщення вологи в якому проходить у двох напрямках - перпендикулярно до пласті і у напрямку до кромок. Тому за область застосування приймемо двовимірне, анізотропне, пружне, капілярно-пористе колоїдне тіло (заготовки деревини твердої породи, бук чи дуб, у формі бруска) без врахування довжини (тільки товщина R1 та ширина R2) заготовки. Враховуючи, що процес сушіння є низькотемпературним, з початковою вологістю, котра є вищою за границю гігроскопічності (тобто деревина містить вільну вологу), температурний градієнт враховувати не будемо.
Вважається [9], що для деревини рівняння (2.1) справедливе лише при W