ПРОЦЕССЫ ТЕПЛО- И МАССОПЕРЕНОСА ПРИ ГОРЯЧЕМ ПРЕССОВАНИИ ДСтП

Перенос тепла от нагревательных плит пресса к прессуемой плите осуществляется на молекулярном уровне теплопроводностью и более мощным массовым движением парогазовой смеси конвекцией.

На процессы переноса оказывают влияние фазовые переходы испарение — конденсация. К переносимым веществам относятся воздух, водяной пар, низкомолекулярные продукты отверждения связующего (вода, метанол, формальдегид) и распада отвердителя, летучие с паром из экстрактивных веществ древесины, продукты начальной деструкции компонентов древесины (например, при термогидролитическом воздействии — уксусная кислота, отщепляющаяся из гемицеллюлоз). Основное направление переноса — наружу, за пределы прессуемой плиты. Некоторое количество веществ сорбируется древесиной.

Основным веществом, участвующим в процессах переноса, является вода, которую удаляют в виде пара. Подлежащий удалению воздух в брикете в начальный момент прессования занимает объем, находимый по разности плотности готовой плиты (600...800 кг/м³) и плотности загружаемого брикета (250... 350 кг/м³).

Массовая доля остальных веществ в парогазовой смеси незначительна, так как температура, до которой нагревается древесина (особенно во внутреннем слое), и продолжительность теплового воздействия не приводят к существенным изменениям древесных компонентов.

Внутренний слой брикета должен нагреваться до температуры несколько выше 100°С, что обеспечивает испарение и выход избыточной влаги (более 8 %) из прессуемой плиты, это необходимо также для углубления отверждения связующего. Для быстрого прогрева брикета температуру греющих плит пресса задают в пределах 180...200°С в многоэтажных гидравлических прессах и 190...220°С в одноэтажных гидравлических и каландровых прессах.

Методы расчета процессов горячего прессования ДСтП на основе решения уравнений тепло- и массопереноса в условиях нестационарного температурного поля, полей влажности и парциальных давлений с учетом анизотропии разработаны Развитие технологии и появление новых видов стружечных плит изменили лишь граничные условия и некоторые эмпирические коэффициенты.

На рис. 7 приведены кривые, характеризующие тепло- и массоперенос в процессе горячего прессования брикета на непроницаемых поддонах, а именно: изменение температуры Т в слоях, влажности W и давления парогазовой смеси Р_пг.

Рис. 7. Изменения температуры и влажности брикета в процессе горячего прессования ДСтП:

1 и 3 — температура и влажность наружного слоя; 2 и 4 — то же, внутреннего слоя; 5 — давление парогазовой смеси

Температура на поверхности брикета практически сразу после упрессовки брикета становится равной температуре греющих плит пресса. На приведенном графике температура наружного слоя (кривая 1) регистрируется на глубине 4...5 мм, чем и обусловлено плавное ее приближение к температуре греющих плит.

Кривая 3 показывает изменение влажности наружного слоя во времени, кривая 4 — внутреннего слоя в центре брикета. Начальные их значения определяются содержанием связующего в стружечно-клеевой смеси соответствующих слоев.

Наружный слой быстро прогревается по механизму теплопроводности, однако при температуре выше 100°С происходит некоторое затухание роста температуры. Как только в приповерхностном слое достигается температура кипения воды, происходит фазовый переход с затратами тепловой энергии на испарение воды, равный 2465 кДж/кг. В действительности теплозатраты оказываются большими на величину десорбции связанной воды, расчет которой основывается на работе отрыва одного моля воды при изотермическом обратимом процессе. Свободная вода удаляется без учета затрат на десорбцию, а связанная — характеризуется дифференциальной теплотой десорбции, уменьшаясь по мере приближения к сорбционному насыщению. Численные значения относят к конкретному содержанию воды, оставшейся после испарения, сообразуясь с кривой гигроскопичности древесины. Эти затраты в целом обусловливают определенное охлаждение брикета и греющих плит пресса в зоне контакта с брикетом, что и замедляет рост температуры.

В процессе быстрого смыкания плит пресса воздух не успевает выйти из брикета, и датчик, регистрирующий давление парогазовой смеси, показывает рост давления на кривой 5, соответствующий упрессовке брикета. Это давление снижается, однако пар, образующийся в наружных слоях и не имеющий выхода из прессуемой плиты, устремляется внутрь брикета под действием образовавшегося градиента давления. Температура внутреннего слоя примерно на 1,6 мин прессования еще не достигла точки кипения воды, и этот пар конденсируется с выделением тепловой энергии. В результате фазового перехода по мере поступления пара и его конденсации скорость прогрева внутреннего слоя увеличивается в соответствии с количеством сконденсировавшейся воды. На это указывает рост влажности внутреннего слоя в интервале 2...3,5 мин прессования.

Снижение влажности наружного слоя вследствие парообразования приводит к росту избыточного давления в наружном слое брикета. Возникновение градиента давления является движущей силой молярного влагопереноса из приповерхностного наружного слоя в более глубоко лежащие слои. Немного позже, по мере прогревания, влажность промежуточных слоев уменьшается, а в центре брикета возрастает. Необходимое для перемещения "влажностного фронта" давление возрастает. На кривой 5 наблюдается второй пик.

Высокое теплосодержание конденсата служит причиной роста температуры, превышающей температуру насыщения (маленький пик на кривой 2). За этим участком "парадокса" устанавливается температура 103...105 °С, соответствующая фазовому переходу воды из жидкого состояния в пар во внутреннем слое. Стабилизация температуры свидетельствует о том, что испарение сопровождается удалением образующегося пара.

Анализ движения "фронта влажности" основывается на ступенчатом продвижении тепло- и массопереноса. Подразделение параметров на относящиеся к наружному и внутреннему слоям, как это показано на рис. 7, не учитывает промежуточных состояний со своим набором фазовых переходов, затрат на десорбцию связанной воды и ее перемещение к наружной поверхности прессуемой плиты. Все это делает процессы переноса тепла и вещества протекающими во времени и сильно зависящими от проницаемости брикета.

За точкой, соответствующей на графике τ = 3,8 мин, перераспределение влажности в прессуемой плите завершилось. Па­ровоздушная смесь начинает выходить наружу. К этому времени клеевые соединения частиц начинают набирать прочность. Становится возможным снизить давление прессования. Требуется, чтобы давление прессования в каждый момент лишь немного превышало величину упругого сопротивления каркаса брикета, но было чуть-чуть ниже суммы его и давления парогазовой смеси. Упругость каркаса брикета в процессе прессования снижается за счет релаксационных явлений. В компонентах древесного комплекса развивается вынужденная эластичность. Необходимое давление прессования понижается. Поскольку избыточное давление в прессуемой плите несколько выше давления прессования, то пар получает возможность выходить не только по кромкам ДСтП, но и через микрозазоры между греющими плитами пресса (или поддоном) и поверхностями прессуемой плиты.

Образующаяся плита уже обладает некоторой прочностью, и она противостоит разрушению выходящим паром. Чем выше межчастичное взаимодействие в прессуемой плите, тем более низкое давление прессования можно задавать на графике прессования, принимая при этом, что давление пара как функция температуры остается постоянным. С определенным допущением можно для понимания идеи прессования по графику со снижающимся давлением для 1-го момента времени принять:

Р_уд = Р_пг —U_св,

где Р_уд — удельное давление прессования; Р_пг — давление парогазовой смеси; U_св — общая энергия образующихся связей.

На завершающей стадии прессования влагосодержание в прессуемой плите понижается, общее количество парогазовой смеси уменьшается и снижается ее давление. График прессования завершается выдержкой плит в сомкнутом прессе без давления. Затем пресс размыкается, избыточная влага выходит в виде пара через пласть плиты.

Прессование ДСтП повышенной плотности (800 кг/м³) и толщины, плит, наполненных технологической и шлифовальной пылью, плит с ориентированной структурой обнаруживает свои особенности, связанные с изменением условий тепло- и массопереноса. Отметим некоторые из них.

ДСтП повышенной плотности в наружных слоях прогреваются за счет теплопроводности значительно быстрее, чем плиты плотностью 600 кг/м³. Брикет имеет менее развитую пористую систему, поэтому процессы парообразования, перемещения пара по брикету и выхода наружу протекают с большими затруднениями. Давление парогазовой смеси значительно возрастает и медленно снижается. Выигрыша во времени прогрева внутреннего слоя не обнаруживается. В целом это приводит к увеличению общего времени, необходимого для испарения и удаления воды и летучих продуктов (τ_с). Увеличивается общий цикл прессования. Снижение плотности брикета и формирование его из крупных древесных частиц приводит к обратному результату: тепло- и массоперенос улучшается, время прессования сокращается.

С позиции переноса тепла использование "парового удара" для интенсификации прессования ДСтП имеет то преимущество, что при соприкосновении с плитой пресса вода сразу испаряется без затрат теплоты на десорбцию и миграцию из структуры древесных частиц. Удельная теплота нагревания и испарения свободной воды является функцией температуры. При фазовом переходе "пар — жидкость" это количество передается послойно и быстро, но не обязательно достигает центра брикета. Тогда дальнейшее продвижение тепловлажностного фронта осуществляется благодаря градиенту давления паровоздушной смеси и происходит со скоростью много меньшей, чем собственно "паровой удар".

Принципиальное ускорение передачи тепла по всей толщине плиты достигается при прессовании древесных плит с продувкой паром и вакуумированием в специально оборудованном прессе. После загрузки в пресс происходит быстрое уплотнение брикета и одновременно обработка его паром. Конденсация пара позволяет за несколько секунд прогреть и пластифицировать древесные частицы, что обеспечивает быстрое отверждение связующе­го. Пластификация снижает упругость ковра, поэтому прессование происходит при более низком давлении. Система соединена с коллектором, в который вытесняется из брикета воздух, препятствующий прогреву материала. Пар подается ступенчато, вначале пар низкого давления, затем высокого — для завершения процессов прогрева и отверждения связующего. Избыточная влага удаляется вакуумированием.

В этом методе тепло- и массопереносом управляют с помощью внешних потоков: продувкой пара с регулируемыми параметрами, вакуумированием при различном разрежении, выдержками на соответствующих стадиях. Все это определяет более эффективную организацию переноса тепла и вещества. В результате удельное время прессования сокращается до 2...4 с на 1 мм готовой плиты.

Отметим технические решения, направленные на повышение скорости подвода тепловой энергии либо на технологической стадии нагрева стружечного брикета, либо при горячем прессовании. Радиационный нагрев инфракрасными лучами очень эффективен, поскольку вода хорошо поглощает ИК-лучи. Здесь отсутствует прямой контакт с брикетом, но существует опасность неравномерного нагрева из-за неодинаковой влажности по объему прессуемого материала.

Своеобразный прием теплопередачи — внутренний нагрев электромагнитным полем (ТВЧ). Испарение влаги происходит здесь не с поверхности, а во всем объеме материала одновременно. Механические решения характеризуются определенной сложностью и зависят от стоимости электроэнергии.