hidrotermička obrada

34
UVOD Hidrotermička obrada drveta predstavlja naučnu disciplinu koja se bavi uticajem toplote i vlage na drvo u cilju promjene poboljšanja njegovih osobina, odnosno omogućavanju njegove primjene. Principijelno proces izmjene toplote može biti između sredine koja drvo okružuje i samog drveta, ili izmjena toplote unutar samog drveta. S druge strane ako proces izmjene vlage posmatramo kao proces izmjene mase između okoline i drveta, ili u samom drvetu, možemo reći da se hidrotermička obrada drveta zasniva na procesima izmjene toplote i vlage bilo unutar materijala, ili između okoline sredine i materijala. Sam pojam hidrotermička obrada drveta nastao je od riječi hidro - voda i termo - toplota. Uloga i zadaci hidrotermičke obrade drveta u industrijskoj praksi odnose se na procese zagrijavanja i snižavanja temperature drveta. Procesi zagrijavanja imaju daleko veći industrijski značaj od procesa hlađenja. Povišenje temperature drveta zagrijavanjem izaziva promjenu cijelog niza fizičko- mehaničkih osobina drveta, koje s industrijske tačke gledišta smanjuju potrošnju energije pri preradi drveta, usljed smanjenja tvrdoće samog drveta, te smanjenju otpora što ga drvo pruža prodiranju oštrice sječiva u sebe. Pored toga, povećavaju se plastične osobine drveta, što je od posebne važnosti u proizvodnji furnira, te savijenog namještaja, gdje savijeni detalj mora zadržati savijeni oblik trajno. Također, djelovanjem toplote povećava se trajnost drveta, a kod nekih vrsta drveta zbog promjene boje dolazi do poboljšanja njihovih estetskih osobina. Na osnovu načina prenosa toplote razlikujemo: - kontaktnu toplotnu obradu, pri kojoj dolazi do neposrednog dodira između nosioca toplote i drveta, - konvektivnu toplotnu obradu, kod koje između nosioca toplote i drveta po- ostoji neki tečni ili gasoviti posrednik koji prima toplotu od nosioca i pren- osi je na drvo, - radijaciona toplotna obrada, kod koje se kao nosilac toplote koriste infracr- 1

Upload: kamel-dizdarevic

Post on 18-Jul-2016

352 views

Category:

Documents


26 download

DESCRIPTION

predavanja

TRANSCRIPT

Page 1: Hidrotermička obrada

UVOD

Hidrotermička obrada drveta predstavlja naučnu disciplinu koja se bavi uticajem toplote i vlage na drvo u cilju promjene poboljšanja njegovih osobina, odnosno omogućavanju njegove primjene. Principijelno proces izmjene toplote može biti između sredine koja drvo okružuje i samog drveta, ili izmjena toplote unutar samog drveta. S druge strane ako proces izmjene vlage posmatramo kao proces izmjene mase između okoline i drveta, ili u samom drvetu, možemo reći da se hidrotermička obrada drveta zasniva na procesima izmjene toplote i vlage bilo unutar materijala, ili između okoline sredine i materijala. Sam pojam hidrotermička obrada drveta nastao je od riječi hidro - voda i termo - toplota.Uloga i zadaci hidrotermičke obrade drveta u industrijskoj praksi odnose se na procese zagrijavanja i snižavanja temperature drveta. Procesi zagrijavanja imaju daleko veći industrijski značaj od procesa hlađenja. Povišenje temperature drveta zagrijavanjem izaziva promjenu cijelog niza fizičko-mehaničkih osobina drveta, koje s industrijske tačke gledišta smanjuju potrošnju energije pri preradi drveta, usljed smanjenja tvrdoće samog drveta, te smanjenju otpora što ga drvo pruža prodiranju oštrice sječiva u sebe. Pored toga, povećavaju se plastične osobine drveta, što je od posebne važnosti u proizvodnji furnira, te savijenog namještaja, gdje savijeni detalj mora zadržati savijeni oblik trajno. Također, djelovanjem toplote povećava se trajnost drveta, a kod nekih vrsta drveta zbog promjene boje dolazi do poboljšanja njihovih estetskih osobina.Na osnovu načina prenosa toplote razlikujemo: - kontaktnu toplotnu obradu, pri kojoj dolazi do neposrednog dodira između nosioca toplote i drveta, - konvektivnu toplotnu obradu, kod koje između nosioca toplote i drveta po- ostoji neki tečni ili gasoviti posrednik koji prima toplotu od nosioca i pren- osi je na drvo, - radijaciona toplotna obrada, kod koje se kao nosilac toplote koriste infracr- vene radijacione zrake, - dielektrična toplotna obrada, pri kojoj se koristi odnos između drveta i elekt. energije i to najčešće koristimo otpor što ga drvo pruža pri prolazu el. ener- gije kroz njega.

Daleko najveći značaj u industrijskoj praksi ima kontaktna i konvektivna toplotna obrada, dok se ostali načini javljaju u izuzetnim, specifičnim slučajevima.

Kao nosioci toplote u toplotnoj obradi koriste se vodena para, topla i vrela voda, ulja, infracrvene zrake i el. energija.Najčešći nosilac toplote je vodena para, a u posljednje vrijeme sve više se koristi i topla voda. Vodena para kao nosilac toplote može se pojaviti u tri stanja:

- vlažna zasićena para, - suho zasićena para, - pregrijana para.

Vlažno zasićena para je ona kod koje je temperatura niža od temperature isparavanja za date uvjete. U sebi sadrži neisparene čestice, kapljice vode. Ovaj tip pare se rijetko koristi u drvnoj industriji.

1

Page 2: Hidrotermička obrada

Suha zasićena vodena para je para čija je temperatura ravna temperaturi isparavanja za date uvjete. Ova para ne sadrži neishlapljive čestice vode, pa se zbog toga zove suha.Pregrijana vodena para je para koja ima temperaturu veću od temperature isparavanja za date uvjete. Ova para zavisno od stepena zagrijanosti može u sebe da primi veću ili manju količinu vode, da tu vodu ispari, snizi svoju temperaturu i prevede u stanje suhe ili vlažne zasićene vodene pare.Najvažnije karakteristike vodene pare su pritisak, temperatura, ukupna količina toplote koju sadrži jedinica mase pare, količina toplote koja se može dobiti kondenzacijom jedinice mase pare, količina toplote sadržana u kondenzatu, spacifična masa pare i specifična zapremina pare.

Osnovne toplotne karakteristike drveta su:

- specifična toplota, - koeficijent provodljivosti toplote.

Specifična toplota drveta je količina toplote pri kojoj se jedinici mase 1 kg drveta poveća temperatura za 1 0C. Bitno je napomenuti da je spacifična masa apsolutno suhog drveta za sve vrste drveta jednaka i iznosi 1,3565 KJ/kg 0K, odnosno 0,324 Kcal/kg0C.Koeficijent vodljivosti toplote (α) predstavlja intenzitet premještanja toplote sa jedne na drugu tačku unutar samog materijala. Određuje količinu toplote koja prođe kroz zid debljine 1m površine 1 m2 u jedinici vremena pri razlici temperature tople i hladne strane 1 0C.

1. Vlažan vazduh - opći pojmovi

Sa stanovišta fizike, vazduh koji nas okružuje u prirodi je higroskopan gasoviti sistem koji se sastoji od odgovarajućih količina azota (78 %), kiseonika (21 %), te argona i drugih manje zastupljenih gasova u elementarnom stanju i vodene pare (1 %).Ovakvo stanje vazduha u tehnici nazivamo vlažan vazduh, koji se sastoji od suhog vazduha i vodene pare. Kako se i suhi vazduh i vodena para ponašaju kao idealni gasovi, to i njihovu smjesu možemo tretirati na isti način, odnosno na njega se mogu primjeniti zakoni fizike, koji se koriste kod idealnih gasova.

Daltonov zakon kaže da je pritisak smjese jednak zbiru parcijalnih pritisaka pojedinačnih komponenti te smjese, tj za vlažan vazduh važi:

gdje je: ps - pritisak vlažnog vazduha (bar), pv - parcijalni pritisak vodene pare (bar), pp - parcijalni pritisak suhog vazduha (bar).

Bojl-Mariotov zakon se kod vlažnog vazduha najčešće koristi u masenom obliku, tj:

2

Page 3: Hidrotermička obrada

gdje je: p - pritisak gasa (bar). V - zapremina gasa (m3), G - masa gasa (N), R - gasna konstanta, T - temperatura (0C).

Gay-Lissacov zakon govori o odnosu zapremine gasova pri promjeni temperature i glasi:

gdje je: V1 - zapremina svježeg gasa (m3), V2 - zapremina zagrijanog gasa (m3), T1 - apsolutna temperatura sviježeg gasa (K), T2 - apsolutna temperatura zagrijanog gasa (K).

Drugim riječima, ovaj zakon kaže da povećanjem apsolutne temperature nekog gasa sa T1 na T2 proporcionalno se povećava njegova zapremina sa V1 na V2.

Osnovne karakteristike (parametri) vlažnog vazduha su:

- relativna vlaga, - temperatura, - apsolutna vlaga, - stepen vlage, - entalpija.

Relativna vlaga se označava sa φ i izražava u %. može se izračunati preko parcijalnih pritisaka vodene pare i njenog zasićenja, odnosno specifične gustine vodene pare i njenog zasićenja, tj:

gdje je: pp - parcijalni pritisak vodene pare određenog stanja vlažnog vazduha (b), ppz - parcijalni pritisak zasićenja vodene pare (b), γp - specifična gustina vodene pare određenog stanja vlažnog vazduha (kg/m3), γpz - specifična gustina zasićene vodene pare (kg/m3).

Zasićeni vazduh (φ = 100 %) ne može da primi nove količine vodene pare, dolazi do kondenzacije (pri konstantnoj temperaturi i pritisku), a temperatura pri kojoj se ta pojava dešava naziva se tačka rose. Tačku rose možemo shvatiti kao temperaturu pri kojoj i najmanjim odvođenjem toplote iz vlažnog vazduha dolazi do pojave da njegova komponenta vodena para prelazi iz gasovitog u tečno stanje.

3

Page 4: Hidrotermička obrada

Apsolutna vlaga vazduha pokazuje koliko se kg vodene pare nalazi u jedinici zapremine (1 m3) vlažnog vazduha pri konstantnoj temperaturi i konstantnom pritisku. Obilježava se sa ψ, a jedinica mjere je kg/m3. Može se izračunati po Bojl-Mariotovom zakonu:

gdje je: pp - parcijalni pritisak vodene pare (b), Rp - gasna konstanta vodene pare (47,06 m kg/kgK), T - apsolutna temperatura vazduha (K).

Kada je vlažan vazduh zasićen, tada je pp = ppz. Na određenoj temperaturi apsolutna vlaga zasićenog vazduha je konstanta i raste sa povećanjem temperature. Sposobnost vazduha da apsorbuje (upija) vlagu povećava se sa povišenjem temperature, što je od posebnog značaja kod sušenja drveta.

Stepen vlažnosti je broj koji pokazuje koliko se kg (ili gr) vodene pare sadrži u svakom kg (ili gr) suhog vazduha. Označava se sa x, a izražava u kg/kg, g/ g, a najčešće u praksi g/kg. Računa se prema obrascu:

gdje je: Gp - masa vodene pare (kg), Gv - masa suhog vazduha (kg).

Kako je na osnovu Bojl-Mariotovog zakona:

odnosno te obzirom da su temperature i

zapremine pojedinih komponenata i smjese jednake (Tv=Tp=T i Vv=Vp=V), te da je Rv = 29,27 m/K i Rp = 47,06 m/K imamo:

Po Daltonovom zakonu je pv = ps - pp, a pp = φ ppz imamo:

Entalpija vlažnog vazduha predstavlja njegov toplotni sadržaj, označava se sa J, izražava se u kJ/kg i u stvari je sadržaj toplote po svakom kilogramu suhog vazduha.Entalpija vlažnog vazduha predstavlja zbir entalpija suhog vazduha i vodene pare:

4

Page 5: Hidrotermička obrada

gdje je: imv - entalpija suhog vazduha (kJ/kg), imp - entalpija vodene pare (kJ/kg).

, odnosno

gdje je: cmv - srednja specifična toplota suhog vazduha (1.003 kJ/kg0C), cmp - srednja specifična toplota vodene pare (1.923 kJ/kg0C), t - temperatura (0C), q - toplota isparavanja (približno 2500 kJ/kg).

5

Page 6: Hidrotermička obrada

2. Računanje temperaturnih promjena

Na osnovu furijeove diferencijalne jednačine nestacionarnog toka toplote danas su najpoznatija 4 načina proračuna temperaturnih promejna u drvetu, po Kollmanu, Mc Lean-u, Krotovu i Sokolovu. Ovi načini se amo razlikuju u tome koliko se daleko išlo u razvijanju reda i kada se smatralo da su pojedni članovi konvergirali nuli da se mogu zanemariti.U hidrotermičkoj obradi najčešće se koriste proračuni temperaturnih promjena po Kollmanu i Sokolovu.

Kollnam je pošao od pretpostavke da iz praktičnih razloga Furijeovu jednačinu treba uprostiti. Teoretskom osnovom pošlo se od 3 dimenzije posmatrane tačke u prostoru po x,y i z osi. Pod uslovom da je dužina komada koji se grije veća od 4 njegove debljine, Kollman je razradio jednačinu:

Razvijajući diferencijalnu jednačinu tog tipa, odbacujući članove koji konvergiraju nuli, Kollman je došao do izraza za računanje temperaturnih promjena koji glasi:

gdje je:

t - temperatura naše konkretne tačke,t1- temp. grejne sredine u kojoj vršimo zagrijavanje drveta,t0- početna temp. drveta prije zagrijavanja,z - vrijeme trajanja grijanja u satima,ar- koeficijent vodljivosti temp. u radijalnom pravcu,at- koeficijent vodljivosti temp. u tangencijalnom pravcu,b - dimanzija komada u radijalnom pravcu u m,h - dimenzije komada u tangencijalnom pravcu u m,e - osnova prirodnih logoritama ( e = 2,71828)

Proračun po Sokolovu uzima glavni parametar proračuna kriterij Furijea:

gdje je:

F0 - kriterij Furijea,a - koeficijent vodljivosti toplote,z - vrijeme trajanja grijanja u satima,R - poluprečnik okruglog presjeka ili polovica debljine četvrtastog presjeka u m.

6

Page 7: Hidrotermička obrada

Vrijednost kriterija Furijea očitava se iz nomograma, posebno za okrugle, a posebno za četvrtaste presjeke.

Transformacijom prethodne jednačine možemo izračunati vrijeme trajanja grijanja z:

z =

gdje se vrijednost koeficijenta vodljivosti toplote a računa na osnovu:

gdje je:

λ - koeficijent vodljivosti zidaCdu- specifična toplota drveta sa nekim sadržajem vlage,γu - nominalna ili uslovna zapreminska masa sa nekim sadržajem vlage u.

3. Osnovni termodinamički pojmovi

Za definisanje nekog toplotnog procesa u većini slučajeva dovoljno je mjeriti veličine pritiska, temperature i volumena, zatim količinu tvari koja u procesu sudjeluje.Fizikalna istraživanja su pokazala da se promjenom temperature mijenjaju različite osobine tijela. Kod promjene temperature tijela mijenja se obim, specifična težina, može se promijeniti agregatno stanje tijela, gasovima se mijenja pritisak, krutom tijelu elastičnost, zatim mijenja se el. otpor, optička svojstva, a kod visokih temperatura izbija iz tijela svjetlost.Temperatura kao pojam još nije definisana. Ona je samo način upoređivanja nekih fizikalnih pojava s promjenom te veličine stanja.Iako mnoge promjene osobina tijela uzrokovane promjenom temperature tijela služe za određivanje temperature, najčešće se temperatura određuje promjenom obima tijela.Skoro sva tijela (sem gume i gline) povećavaju svoj obim kod povišenja temperature. Te su promjene najmanje kod krutih tijela, veće su kod tekućina, a najveće kod gasova. Pored toga, poznata je pojava da kod dodira dva zagrijana tijela različite temperature, toplotna energija prelazi sa tijela više temperature na tijelo niže temperature, sve dok se temperature ne izjednače. Obje ove termodinamičke pojave, izjednačavanje temperature i rastezanje tijela, upotrebljavaju se za mjerenje temperature.Najobičnija sprava, koja djeluje na tom principu je živin termometar. Kad se živa u termo-metru zagrije ona se rasteže i penje u cijevi, a kod hlađenja živa se skuplja i spušta niz cijev termometra. Na termometru su utvrđene dvije osnovne tačke. Donja osnovna tačka je ledište, tj. tačka u kojoj se led topi ili voda ledi. Kao gornja osnovna tačka uzima se vrelište, tj. temperatura na kojoj voda vrije uz normalan atmosferski pritisak (10,1325 N/cm2). Osnovni razmak između ove dvije tačke podjeljen je u 100 jednakih dijelova, koji se zovu stepeni i označavaju s 0C. Pored celzijusove podjele postoje i druge podjele, kao na primjer podjela po Fahrenheitu (0F) i podjela po Kalvinu (0K). Kod podjele po Fahrenheitu osnovni razmak je podjeljen na 180 dijelova tako da je odnos između 0F i 0C sljedeći:

7

Page 8: Hidrotermička obrada

1 0F : 1 0C =

odnosno:

1 0F = 0C = 0C

Kod Kelvinove podjele tačka ledišta je na 273 0K, a tačka vrelišta na 373 0K, a podjela je u 100 jednakih dijelova tako da imamo odnos:

10K = 10C + 273

Običnim živinim termometrom može se mjeriti temperatura do približno 200 0C. Pored ovih termometara imamo i živin termometar za mjerenje viših temperatura do 750 0C, koji je urađen od spacijalnog vatrostalnog stakla, a prostor iznad žive napunjen dušikom, ugljičnim dioksidom ili argonom pod visokim pritiskom da bi se povisilo vrelište žive.Za mjerenje temperature ispod tačke ledišta, koriste se termometri koji se pune tekućinama koje imaju nisku tačku ledišta (npr. pentan do - 190 0C).

Sprave koje služe za mjerenje veoma visokih temperatura zovu se pirometri i u praksi susrećemo:

- električni otporni pirometar, - termoelektrični pirometri.

Električni otporni pirometar je spirala od platine koja je utisnuta u kremeno staklo koji su povezani sa galvanometrom. Tu je iskorištena osobina platine da pri promjeni temperature jednoliko mijenja električni otpor.Termoelektrični pirometar sastoji se od termoelementa i voltmetra. Termoelementi se prave od kombinacije bakra i konstantana za temperature do 500 0C, željeza i konstantana za tempe-rature do 900 0C, te platina, slitina i rodij za temperature do 1600 0C.

3.1. Toplotno rastezanje krutih i tekućih tijela

Gotovo sva tijela pri zagrijavanju povećavaju svoj obim. Ta se pojava zove toplotno rastezanje (širenje). Kod krutih tijela ta je promjena srazmjerno mala. Ako je dužina tijela prema debljini tijela velika (npr. kao kod žice ili šipke), onda se tijelo uglavnom rasteže po dužini. Promjena debljine u tom slučaju može se zanemariti, pa govorimo o dužinskom rastezanju. Produženje zbog povišenja temperature srazmjerno je dužini i povišenju temperature.Npr. ako željeznu šipku dužine 1 m zagrijemo za 1 0C, tačnim mjerenjem može se utvrditi da se produžila za 0,012 mm, ako šipku grijemeo za 2 0C, produžiće se dvostruko. Uzmemo li šipku dužine 2 m ona će se za povećanje temperature od 1 0C dvostruko produžiti u odnosu na istu šipku dužine 1 m.

8

Page 9: Hidrotermička obrada

Iznos koji se produži kod krutog tijela jedinične dužine kod povišenja temperature od 1 0C zove se linerani koeficijent rastezanja (α) i on je različit za različita kruta tijela.

Pored dužinskog rastezanja postoji i prostorno rastezanje, odnosno rastezanje materijala u obliku kvadrata i kocke, gdje imamo prostorni ili kubni koeficijent rastezanja (β) gdje je:

β ≈ 3α

To znači da prostorni koeficijent rastezanja pokazuje koliko će se puta povećeti jedinični obim, ako se temperatura poveća za jedinicu i on je uvijek tri puta veći od lineranog koeficijenta rastezanja.

Za toplotno rastezanje tekućina vrijedi isti zakon kao i za kruta tijela, jedino su za tekućine koeficijenti prostornog rastezanja veći u odnosu na kruta tijela. Koeficijenti rastezanja nisu stalne veličine, već uglavnom rastu s povišenjem temperature.

9

Page 10: Hidrotermička obrada

4. J,x - dijagram za vlažan vazduh

Prilikom projektovanja instalacija za vođenje bilo kog toplotnog procesa (npr. sušenje drveta) potrebno je da se za različita stanja vlažnog vazduha odrede veličine odgovarajućih parametara (npr. t, φ, x i J). Pored toga što se ove veličine mogu izračunati analitičkim putem, mogu se pratiti i s dovoljnom tačnošću odrediti i grafičkim putem, korištenjem Molijerovog ili J,x dijagrama. Dijagram se crta za 1 kg suhog vazduha, odnosno (1+x) kg vlažnog vazduha i za konstantan pritisak smjese ps vlažnog vazduha.

Slika 1. J,x - dijagram za vlažan vazduh

Dijagram je konstruisan za normalni atmosferski pritisak (1 bar). Na apscisu se nanosi stepen vlažnosti x (kg/kg ili g/kg), a na ordinatu entalpija J(1+x) u kJ/kg suhog vazduha. Jedno i drugo se nanosi na J,x - dijagram u odabranoj razmjeri MJ za entalpiju i Mx za stepen vlažnosti.Iz jednačine:

se može zaključiti da pri ps = const, parcijalni pritisak vodene pare u vazduhu zavisi od stepena vlažnosti x. Iz tog proizilazi da su linije pp = const na J,x - dijagramu paralelne sa linijama x = const.Na J,x - dijagramu se mogu ucrtati i linije gustine γ = const i specifične zapremine v = const, te se u tom slučaju može iz dijagrama odrediti i gustina, odnosno specifična težina za dato stanje vlažnog vazduha. Obično je u takvim slučajevima J,x dijagram nepregledan i teško se koristi u praksi.

10

Page 11: Hidrotermička obrada

Svaka tačka na J,x dijagramu predstavlja određeno stanje vlažnog vazduha. Na taj način možemo iz J,x dijagrama da odredimo sve parametre vlažnog vazduha, ako su poznata bilo koja dva od njih.

4.1. Promjene stanja vlažnog vazduha

Promjene stanja vlažnog vazduha su izražene koroz zagrijavanje vazduha, hlađenje vlažnog vazduha, sušenje vazduha i proces isparavanja vlage.

Parametre zagrijanog vazduha možemo riješiti preko J,x - dijagrama na način da se kroz početno stanje vlažnog vazduha sa parametrima t1 i φ1 (stanje 1) provuče prava x1 = x2 = const do presjeka sa izotermom koja odgovara temperaturi zagrijanog vazduha. Dobije se stanje 2 sa parametrima t2 i φ2 koji predstavljaju stanje zagrijanog vlažnog vazduha.

Slika 2. Termodinamički ciklus zagijavanja vlažnog vazduha

Zagrijani vazduh ima veću entalpiju (J2 > J1), manju relativnu vlagu (φ2 < φ1), dok se stepen vlažnosti i parcijalni pritisak vodene pare ne mjenjaju (x1 = x2 = const, pp1 = pp2 = const).

Proces hlađenja vlažnog vazduha može da se odvija na dva načina:

- proces, kada vazduh prilikom hlađenja prima vodenu paru, - proces hlađenja bez primanja vodene pare.

U prvom slučaju, proces hlađenja se odvija po konstantnoj entalpiji, jer i pored toga što se dio toplote predaje materijalu koji se suši, ta, skoro ista toplota vraća se vazduhu putem vodene pare, odnosno njene entalpije.

11

Page 12: Hidrotermička obrada

Slika 3. Hlađenje vlažnog vazduha sa primanjem vlage

Na slici 3 početno stanje 1 (t1 i φ1) se hladi po pravoj J1 = J2 = const, provučenoj kroz stanje 1. Stanje ohlađenog vlažnog vazduha nalazi se u presjeku J1 = J2 = const i izoterme t2, koja odgovara stanju ohlađenog vazduha (stanje 2).Ohlađen vlažan vazduh ima veću relativnu vlagu (φ2 > φ1), veći stepen vlage (x2 > x1), dok je entalpija ostala nepromjenjena.

Ukoliko se vlažan vazduh hladi, a da pri tom ne prima vlagu, pojava se odvija po izobarskom procesu, odnosno p2 = p1 = const. U tom slučaju povećava se relativna vlaga (φ2 > φ1), smanjuje se entalpija (J2 < J1), dok se stepen vlažnosti ne mjenja (x1 = x2 = const). Ovakav termodinamički ciklus je isti sve dok je temperatura hlađenja viša od tačke rose. Međutim, kada se temperatura hlađenja počinje snižavati ispod tačke rose, tada se proces hlađenja odvija po krivoj relativne vlage φ = 100 % koja je konstanta (φ3 = φr = const).

U praksi sušenja drveta pojava kondenzacije (rošenja) vodene pare na tavanici sušare je nepoželjna pojava. Kondenzat kaplje na složaj građe i skoro redovno prouzrokuje trajnu promjenu boje drveta, što se smatra ozbiljnom greškom sušenja.

Na sljedećoj slici je prikazan proces hlađenja vlažnog vazduha bez primanja vlage.

12

Page 13: Hidrotermička obrada

Slika 4. Hlađenje vlažnog vazduha bez primanja vlage

Pretpostavimo da je nezasićen vazduh stanja 1 u dodiru sa vodom čija je temperatura 0 0C. Pritisak vodene pare je veći od pritiska vodene pare stanja 1. U tom slučaju vodena para isparava i zasićuje vazduh. Temperatura na kojoj se to dešava naziva se temeparturna granica hlađenja. Prilikom isparavanja vode oslobađa se toplota (latentna toplota isparavanja je oko 2500 kJ/kg isparene vode). Ova se toplota sa vodenom parom ponovo vraća vlažnom vazduhu. Na taj način dolazi do povećanja stepena vlažnosti po J = const (adijabatska promjena stanja).

Slika 5. Proces isparavanja vlage

13

Page 14: Hidrotermička obrada

U tehnologiji sušenja drveta isparavanje vode se ne vodi po čisto adijabatskom procesu. Prije svega temperatura vode nije 0 0C, a javljaju se i određeni toplotni gubici. Također, ako je materijal koji se suši hladan, onda će se toplota, nastala isparavanjem vode, trošiti istovremeno i na zagrijavanje drveta. Zbog toga proces isparavanja vlage približava se sve više procesu hlađenja vazduha, tj. linija na J,x - dijagramu neće biti paralelna sa linijom J = const, već će se sve više približavati liniji x = const.

14

Page 15: Hidrotermička obrada

5. Atmosferski pritisak, odnosi između vode i drveta

a) Atmosferski pritisak

Atmosferski pritisak se mjeri barometrom, pri tom se pritisak atmosfere upoređuje s težinom stupca žive kao na slici. Kao srednji atmosferski pritisak uzima se pritisak što ga na svoju podlogu vrši stub žive visine h = 760 mm.Neka se iznad neke površine F nalazi stupac žive visine h. težina tog stupca žive iznosit će:

S = g G = g F γ h

gdje je: g = 9,81 m/s2 ubrzanje sile gravitacije. Pritisak što ga vrši stub žive jednak je omjeru sile S i površine, tj:

Umnožak gγ je specifična težina. Ako je visina živinog stuba 1 mm, pritisak će iznositi

P = gγh = 9,81 * 1,3595 * 0,001 = 0,013332 N/cm2 = 0,0013595 at

Jedinica pritiska 1 mm živinog stuba, koja se ponekad označava i sa mm Hg naziva se torr (po naučniku Torriceliju).Fizička ili fizikalna atmosfera definiše se kao 760 torr, odnosno kao pritisak stuba žive visine 760 mm i označava se 1 Atm.Tehničkoj atmosferi odgovara živin stub visine 735,6 mm i označava se sa 1 at.

1 Atm = 760 torr = 10,1325 N/cm2 = 1,0333 at.

b) Postotak vlage

Postotak vlage (količina ili sadržaj vode) je omjer između težine vode i težine apsolutno suhog drveta. Izražava se u procentima težine i težine apsolutno suhog drveta, ili u kg vode po 1 kg apsolutno suhog drveta. Označava se malim slovom u.Pod apsolutno suhim drvetom podrazumjeva se drvo sušeno na temperaturi 101-105 0C, sve dok mu se ne prestane mijenjati težina nakon nekoliko uzastopnih mjerenja.

c) Podjela vode u drvetu

Voda u drvetu, s obzirom na način kako je vazana za njega može se podijeliti na:

- slobodnu vodu, - vezanu vodu, - hemijski vezanu vodu.

15

Page 16: Hidrotermička obrada

Kod hidrotermičke obrade mijenjaju se slobodna i vezana voda, dok se hemijski vezana voda nalazi u spojevima i u toplinskim procesima se ne mijenja njen sadržaj u drvetu.Slobodna voda se nalazi u porama drveta i nije vezana za stijenke ćelija drveta. Ne utiče na svojstva drveta, osim što mu mijenja težinu. Njena količina u drvetu zavisi od volumena pora, tj, strukture drveta.Vezana (higroskopska voda) nalazi se upijena u ćelijskim stijenkama drveta. Najveća količina vezane vode u drvetu zove se tačka zasićenosti vlakanaca (TZV). To je postotak vlage kod kog su stijenke ćelija potpuno zasićene vodom, a u krupnijim kapilarima (porama) nema slobodne vode. Posebno je važna kod sušenja drveta, jer:

- treba veća količina toplote da se otkoloni voda iz stijeniki, nego iz pora, - stijenke ćelija kad gube vodu utežu se, - mijenjaju se mehanička, električna i termička svojstva drveta.

Tačka zasićenosti vlakanaca zavisi od vrste drveta i u prosjeku se kreće od 27 - 30 % vlage u drvetu.

d) Vlaga u živom stablu

Voda u živom stablu služi kao transportno sredstvo. U njoj su otopljene razne tvari koje zovemo sok. Količina vode varira u poprečnom i uzdužnom smijeru stabla i nikad nije manja od TZV. Zavisi od vrste drveta, staništa i godišnjeg doba. Četinari imaju daleko veći postotak vlage u bjeljiki, nego u srži. Stabla lišćara imaju veću ukupnu količinu vode nego stabla četinara, jer četinari imaju malo vode u srži.

e) Najveća količina vode u drvetu

Sirovo drvo nema maksimalni sadržaj vode, jer u sebi sadrži i zrak. Kada se iz drveta istisne zrak i njegovo mjesto zauzme voda, to je maksimalna količina vode koju može da primi drvo. Najveća količina vode (umax) račuan se po Kollmanu:

gdje je: uF = 0,28 kg/kg, tačka zasićenosti uK - količina vode u kapilarima u kg/kg

gdje je: c - udio pora (kapilara), V0 - volumen, G0 - težina apsolutno suhog drveta, γv = 1, spec. težina vode

16

Page 17: Hidrotermička obrada

Udio pora u drvetu računa se tako da se od ukupnog volumena drveta (označimo ga sa 1), odbije udio drvne tvari (označimo ga sa m)

c = 1 - mUdio drvne tvari se dobije kada se volumna težina drveta r0 = G0/V0 podjeli sa specifičnom težinom drvne tvari γ = 1,50:

Uvrštavanjem u izraz za uK i sređivanjem imamo:

Konačno dobivamo izraz za maksimalnu količinu vode u drvetu:

f) Relativna vlaga zraka

Drvo se najčešće suši vlažnim zrakom, koji je mješavina suhog zraka i vodene pare. Pod suhim zrakom se podrazumjeva zrak koji nema vodene pare u sebi. U prirodi nema suhog zraka, jer u zraku uvijek ima vodene pare koja se ne vidi.Relativna vlaga zraka (φ) je omjer između pritiska vodene pare u zraku (pv) i pritiska zasićenja (pvz) kod iste temperature.

g) Sadržaj toplote u vlažnom zraku

Toplota koju sadrži smjesa vlažnog zraka, tj. zraka koji se sastoji od 1 kg apsolutno suhog zraka i x kg vodene pare jednaka je toploti koju sadrži 1 kg suhog zraka i toploti koju sadrži x kg vodene pare. Toplota koju sadrži 1 kg suhog zraka računa se po formuli:

iu = 0,24 t (kcal)

Toplota koju sadrži 1 kg vodene pare računa se po formuli:

iv = 0,46 t + 597 (kcal)

a toplota koju sadrži x kg vodene pare:

17

Page 18: Hidrotermička obrada

ix = (0,46 t + 597) x (kcal)

gdje je: 0,24 - spec. toplota suhog zraka, t - temperatura u 0C, 0,46 - spec. toplota vodene pare, 597 - toplota isparavanja na 0 0C

Količina toplote koju sadrži 1 kg suhog zraka i x kg vodene pare računa se po formuli:

i1+x = 0,24 t + (0,46 t + 597) x (kcal)

18

Page 19: Hidrotermička obrada

6. Parenje i kuhanje drveta

Kad na hladno drvo djeluje vruća zasićena para drvo se zagrijava uz prisustvo vlage, mjenjaju mu se svojstva i to se koristi u preradi. Svrha parenja može biti omekšavanje drveta, promjena boje, sterilizacija ili uklanjanje i sprečavanje nastajanja grešaka pri sušenju.Drvo se omekšava parenjem prije rezanja i ljuštenja furnira, savijanja i izrade iverja i vlakanaca. Također, parenjem se može izmjeniti boja drveta, tako da drvo postaje temnije, što može imati i pozitivne estetske osobine. Npr. parena bukovina dobija boju sličnu boji mahagonija, tako da nestaje razlike između boje neprave srži i boje drveta oko srži. Drvo napadnuto od gljiva i insekata može se sterilizirati parenjem, ako je dovoljno visoka temperatura pare i ako parenje dovoljn o dugo traje. U tim uvjetima ugibaju gljive i larve, a uništavaju se i jajašca insekata. Kod sušenja nastaju greške na drvetu, koje se parenjem mogu spriječiti, a neke i ukloniti. Promjene osobina drveta koje se postižu parenjem, mogu se postići i kuhanjem u vodi kod temperatura koje su još uvijek niže od tačke vrelišta vode. U posljednje vrijeme se koristi i metod zagrijavanja drveta pomoću električne energije.

6.1. Teorija zagrijavanja drveta

Drvo se zagrijava vodenom parom ili vrelom vodom izvana, tj. od površine prema središtu. Temperatura kojom se drvo zagrijava u početku je višestruko veća od temperature drveta. na taj način između medija zagrijavanja i drveta razmjenjuje se toplota. Brzina izmjene toplote i razmjena toplote u drvetu zavise od temperature medija zagrijavanja, o vodljivosti toplote, specifičnoj toploti i zapreminskoj težini drveta, koje zavise od vlage u drvetu. Na slici 6 su prikazani tokovi temperature kod zagrijavanja drveta koji se mogu koristiti u praksi.Krivulje se odnose na drvo volumne težine 0,5 koje na početku grijanja ima temperturu 21 0C, a geije se u vodi kod temperature 100 0C. Tok temperature je prikazan u središtu drveta.

Krivulje na slici 7. pokazuju tok temperature u sredini borovog drveta koje je na početku zagrijavanja imalo temperaturu 16 0C, a grijalo se vodenom parom koja ima temperaturu 127 0C.

19

Page 20: Hidrotermička obrada

Slika 6. Vrijeme potrebno za zagrijavanje

Slika 7. Tok temperature kod zagrijavanja borovine

20

Page 21: Hidrotermička obrada

Pri parenju djeluje toplota na drvo uz prisustvo vlage, te nastaju hemijski procesi kojima se razgrađuje drvna tvar i mijenja boja drveta. Razgradnji se do temperature od 90 0C najviše odupire celuloza, a najviše se razgrađuju pentozani koji se nalaze u drvetu lišćara. Drvo četinara sadrži heksozane, koji se slabije razgrađuju, pa se zbog toga drvo lišćara bolje savija od četinara. Razgradnjom pentozana nastaje obično mravlja kiselina, u kojoj lignin ud rvetu potamni.

Za vrijeme parenja drvo gubi jedan dio vlage, a suho drvo prima vlagu dok se ne uspostavi ravnotežno stanje. Vlaga u drvetu na kraju parenja varira u intervalu 45 - 80 %. Gubitak vode pri parenju nema značaja za sušenje, jer drvo gubi vlagu iz površinskog sloja, a ta se ionako brzo isušuje.

Tabela 1. Promjena vlage u bukovini za vrijeme parenja

Pareno drvo manje bubri od neparenog. Parena bukovina manje bubri što je veći pritisak pare.

Pareno drvo u sirovu stanju ima manje mehaničke osobine od neparenog i to manje, što je veći pritisak pare i što parenje duže traje. U praksi ne odgovaraju ni veliki pritisci ni jako dugo parenje, jer nepovoljno djeluju na kvalitet drveta. Parenjem se smanjuje čvrstoća na pritisak u s mjeru vlakanaca, zatim čvrstoća na savijanje, modul elastičnoisti itd.

6.2. Omekšavanje trupaca i polovnjaka

Trupci i polovnjaci omekšavaju se topltom prije rezanja i ljuštenja da postanu plastičniji, te da se lakše prerade u glatke i neispucane listove furnira. Omekšavanjem olabavi i kora pa se lakše skida. Drvo se omekšava vodenom parom ili vrućom vodom, a postoji mogućnost i električnom energijom. Omekšavanje drveta vodenom parom zove se parenje, a vrelom vodom kuhanje drveta.

21

Page 22: Hidrotermička obrada

Trupci i polovnjaci (fličevi) omekšavaju se parenjem na način da se zagrijavaju zasićenom vodenom parom u jamama za parenje ili komorama za parenje. Jame za parenje grade se ispred ljuštilice ili furnirskog noža. Uglavnom su ispred tvorničke hale da ne dolazi do vlaženja izrezanog i osušenog furnira u hali. Broj i veličina jama za parenje zavise od kapaciteta furnirnice. Npr. za jedan furnirski nož grade se tri jame od kojih se jedna prazni, u jednoj se drvo pari, a treća se puni trupcima i polovnjacima. Obično su dužine do 18 m, širine 3 m, a visina kosine se kreće od 2,5 - 2,75 m.Na građevinske materijale od kojih se gradi jama za parenje postavljaju se veliki zahtjevi u pogledu otpornosti na nagle promjene temperature, prisustva vlage i kiselina koje nastaju u procesu parenja. Moraju biti nepropusni materijali za vodu i što je moguće manje propusni za toplotu. Opremu jame za parenje čine dijelovi za grijanje, ventili, grede na koje se slaže drvo i termometar, te eventualno sisaljka za crpljenje kondenzata. Jama (parionica) se puni i prazni dizalicom. Kod punjenja treba nastojati da se jama napuni trupcima približno iste debljine, jer ako se slažu tanki i debeli trupci, dok se debeli zagriju, tenki trupci se mogu pregrijati.Trupce treba zagrijavati na nešto veću temperaturu od temperature ljuštenja. Trupci i polovnjaci se mogu pariti indirektno i direktno.

Kod indirektnog parenja na dnu parionice (jame) je sloj vode visine do 50 cm u kojoj su raspoređene cijevi za grijanje. Kroz njih struji vodena para ili vrela voda kojazagrijava vodu u jami, a voda se isparava na cijeloj površini. Sistem cijevi za grijanje je zatvorenog tipa pa se kondenzat vraća nazad u kotao. Voda u jami se neprestano isparava i drvo se jednolično zagrijava parom koja nastaje isparavanjem vode. Drvo se grije samo zasićenom parom, a grijanje se odvija postepeno i ne nastaju suviše velike temperaturne razlike između vanjskih i unutarnjih dijelova trupca. Zgarijavanje traje nešto duže nego kod idrektnog parenja, ali se trupci bolje pripreme za rezanje i ljuštenje.

Slika 8. Poprečni presjek bazena za indrektno parenje

Na slici 9 je prikazan dijagram toka temperature kod zagrijavanja drveta pri indirektnom parenju sa prekidom dovoda pare od 12 sati.

22

Page 23: Hidrotermička obrada

Slika 9. Tokovi temperature kod indirektnog parenja drveta

Direktno parenje se danas primjenjuje samo u izuzetnim slučajevima. U jamu se uvodi isušena para od 0,2 - 0.7 At, ili svježa para iz kotla. Cijevi za dovod pare su na dnu jame i imaju rupice promjera 0,4-0,5 mm na razmacima 10 - 15 cm. Vodena para struji u parionicu kroz rupice. Temperatura pare zavisi od pritiska i ne može se podešavati, a veća temperaturna razlika može dovesti do pucanja drveta, ako vruća para direktno udara u trupac.

Slika 10. Poprečni presjek bazena za direktno parenje

23

Page 24: Hidrotermička obrada

Slika 11. Tokovi temperature kod direktnog parenja drveta

Trajanje parenja zavisi od zapreminske težine drveta u apsolutno suhom stanju i prečnika trupca. Npr. bukovina se pari 15 - 30 h, a hrastovina 30 - 40 h. Kada treba promjeniti boju drveta, npr. u proizvodnji parenih bukovih šperploča parenje znatno duže traje da bi se završile hemijske promjene u drvetu (96 - 120 h). Količina vodene pare koja se troši za parenje trupaca varira u vrlo širokim granicama od 15 do 300 kg vodene pare po 1 m3 drveta. taj utrošak zavisi od konstrukcije parionice, vrste i debljine drveta, načina zagrijavanja itd. Pri tom se znatno veća količina vodene pare troši kod direktnog parenja. Od ukupne količine toplote koja se koristi za parenje trupaca, samo jedanmali dio se koristi korisno, dok sve drugo predstavlja gubitak. Parenje pod visokim pritiskom zahtjeva skuplju opremu, a ne zadovoljava jer su dubine pukotina u furniru veće nego kad se drvo pari pod atmosferskim pritiskom.

U vodi se kuha drvo za furnire kod kog treba odstraniti smolu (bor, breza i jasen), dervo osjetljivo na parenje (hrast i pitomi kesten), te vrlo tvrdo drvo (ebanovina).Smola i masti mogu smetati kod ljepljenja i površinske obrade pa se odstranjuju iz drveta kuhanjem u vodi kojoj se eventualno doda i soda.Na parenje je osjetljivo drvo sa izrazito izraženim zonama ranog i kasnog drveta, prstenasto porozno i drvo sa jako razvijenim sržnim tracima. Ako se rano drvo parenjem pregrije može doći nakon sušenja do valovitosti na površini furnira. Drvo se kuha u jamama za kuhanje koje su slične jamama za parenje. Na drvetu nastaju veće hemijske promjene kod kuhanja nego kod parenja. Kuhanje traje jednu, a parenje dvije trećine od ukupnog vremena zagrijavanja. Glavna prednost kuhanja je što se temperatura kuhanja može regulirati.

Zagrijavanje trupaca električnom energijom još se ne primjenjuje u praksi,a bolje rezulatate su dala isoitivanja zagrijavanja sa niskofrekventnom strujom.

24

Page 25: Hidrotermička obrada

7. Tehnologija pripreme sirovine za proizvodnju furnira.

25