КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Тепловые свойства древесины
К теплофизическим свойствам древесины относятся теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение. Известно, что теплоемкость материала характеризует его способность аккумулировать тепло. Показателем этого свойства является удельная теплоемкость с, представляющая собой количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть 1 кг массы материала на 1 К (или на 1°С). Удельная теплоемкость измеряется в кДж/(кг·°С). Процессы распространения (переноса) тепла в материале характеризуются - коэффициентами теплопроводности и температуропроводности. Первый из них входит в уравнение стационарного теплообмена
, (56)
устанавливающее связь между количеством теплоты Q, распространяющейся внутри тела, и площадью сечения F, перпендикулярного тепловому потоку, временем τ, перепадом температур Δt на двух изотермических поверхностях, а также расстоянием между ними Δх. Коэффициент теплопроводности λ, численно равен количеству теплоты, проходящей в единицу времени через стенку из данного материала площадью 1 м2 и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторонах стенки в 1 °С. Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м-°С). При стационарном теплообмене температурное поле в материале остается постоянным во времени. Второй из указанных выше показателей, характеризует скорость изменения температуры материала при нестационарном теплообмене (нагревании или охлаждении). Коэффициент температуропроводности а определяет инерционность материала, т. е. его способность выравнивать температуру. Показатель а, м2/с, численно равен отношению коэффициента теплопроводности к теплоемкости единицы объема материала:
, (57)
где ρ - плотность, кг/м.
Экспериментально удельную теплоемкость материала определяют калориметрами. Также прямым методом можно установить коэффициент теплопроводности при стационарном потоке тепла. Однако для древесины, особенно влажной, более удобны нестационарные методы. Один из таких методов, основанный на использовании "мгновенного" источника тепла, достаточно подробно описан в учебном пособии [63]. Теплоемкость древесины. Сухая древесина представляет собой двухфазную систему, включающую в себя древесинное вещество и воздух. Однако доля воздуха (по массе) в древесине крайне мала, и теплоемкость сухой древесины практически равна теплоемкости древесинного вещества. Поскольку состав древесинного вещества у всех пород одинаков, удельная теплоемкость древесины не зависит от породы и по современным данным [76] при 0°С для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж/кг·°С. С повышением температуры удельная теплоемкость древесины несколько возрастает по линейному закону и при 100 °С увеличивается примерно на 25 %. Значительно сильнее влияет на теплоемкость увлажнение древесины. Например, увеличение влажности древесины от 0 до 130 % приводит к повышению теплоемкости примерно в 2 раза. Одновременное влияние температуры и влажности на теплоемкость древесины можно проследить по диаграмме (рис. 36), построенной П.С. Сер-говским по данным К.Р. Кантера. На этой же диаграмме представлены значения теплоемкости при отрицательных температурах. Замораживание сырой древесины приводит к уменьшению теплоемкости, так как лед имеет вдвое меньшую теплоемкость, чем вода. Однако главным фактором, влияющим на теплоемкость мерзлой древесины, является не влажность, а температура [74]. Теплопроводность древесины. На способность древесины проводить тепло оказывает влияние ее плотность.
На рис. 37 показан график зависимости между коэффициентом теплопроводности древесины поперек волокон λ┴ и ее плотностью в абсолютно сухом состоянии ρ0, построенный автором по данным отечественных и зарубежных исследователей. Нижний экстраполированный участок кривой отсекает на оси ординат отрезок, равный величине теплопроводности воздуха - 0,0253 Вт/(м·°С); верхний участок кривой, продолженный до плотности ρ0 =1530 кг/м3, дает возможность ориентировочно оценить теплопроводность древесинного вещества λд.в.┴. Как видим, этот показатель оказывается равным примерно 0,5 Вт/(м·°С). Точные данные о теплопроводности древесинного вещества отсутствуют. В.П. Ловецкий (СибТИ) рассчитал коэффициент теплопроводности древесинного вещества, рассматривая древесину как набор пустотелых стержней прямоугольного сечения и используя экспериментальные данные о теплопроводности древесины березы. Подставляя в формулу В.П. Ловецкого вместо ρб величину ρ0 для березы получаем λд.в.┴, равную 0,48; для сосны в тангенциальном направлении - 0,53, т. е показатели, близкие к 0,5 Вт/(м·°С). Увеличение плотности сухой древесины, т. е. повышение доли, занимаемой в единице объема древесинным веществом, приводит к возрастанию теплопроводности древесины. Это объясняется тем, что древесинное вещество имеет примерно в 20 раз больший коэффициент теплопроводности λд.в.┴, чем воздух. Можно рассчитать теплопроводность древесинного вещества λд.в.║ по теплопроводности древесины λ║ вдоль волокон, полагая, что тепло передается параллельно по клеточным стенкам и воздуху, заключенному в полостях клеток. Тогда λ, древесинного вещества оказывается для березы 0,94, а для сосны 0,87 Вт/(м·°С). Поскольку микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль оси клеток, теплопроводность в этом направлении примерно в 1,5-2 раза выше, чем в поперечном направлении. По радиальному и тангенциальному направлениям поперек волокон коэффициенты теплопроводности λr и λt могут различаться. Дело в том, что в тангенциальном направлении вытянуты зоны поздней древесины годичных слоев. Поздняя древесина, особенно у хвойных пород, более плотная, чем ранняя, и следовательно, более теплопроводная.
Расчеты [74, 76] показывают, что теплопроводность древесины в тангенциальном направлении несколько больше, чем в радиальном. Увеличению теплопроводности в радиальном направлении способствуют сердцевинные лучи с преимущественным расположением микрофибрилл вдоль длины луча. Играет роль и форма сечения анатомических элементов. Все это приводит к тому, что по экспериментальным данным многих исследователей у древесины хвойных и большинства лиственных пород практически нет разницы между λr и λt. Только у лиственных пород с большим объемом сердцевинных лучей (дуб, бук), λr больше λt, примерно на 15 % Увлажнение древесины, т. е. замещение содержащегося в ней воздуха водой, имеющей в 23 раза большую теплопроводность, приводит к возрастанию теплопроводности древесины По мере заполнения полостей клеток водой скорость изменения функции λ = f (w) постепенно уменьшается (рис. 38). Повышение температуры влажной древесины приводит к еще большему увеличению теплопроводности. Это можно проследить по обобщенной диаграмме (рис. 39) для древесины березы [по 54, 76]. На этом же рисунке показана диаграмма коэффициентов теплопроводности в области отрицательных температур [по 74]. Замораживание древесины влажностью выше предела насыщения клеточных стенок ведет к скачкообразному увеличению ее теплопроводности, так как коэффициент теплопроводности льда при t = 0°С в 4 раза больше, чем воды. При дальнейшем понижении температуры теплопроводность возрастает, что связано главным образом с повышением теплопроводности льда. При влажности ниже Wп.н. фазовые превращения испытывает лишь небольшая часть связанной воды, поэтому таких скачков здесь не наблюдается. Используя диаграмму на (рис. 39), можно определить, предложенным П.С. Серговским методом, теплопроводность древесины других пород. Для этого, приняв значение λ, для березы (ρб =500 кг/м3) за номинальное, надо умножить его на коэффициент Кρ учитывающий плотность древесины данной породы. Ниже приведены коэффициенты Кρ для разных значений базисной плотности древесины ρб:
ρб 350 375 400 425 450 475 525 550 575 600 Кρ 0,80 0,84 0,87 0,90 0,93 0,97 1,05 1,11 1,20 1,28 Для учета влияния направления теплового потока надо найденные значения коэффициента теплопроводности умножить еще на Кх, равный для дуба, бука в тангенциальном направлении 0,87, а вдоль волокон 1,6. Для остальных пород учитывается только различие в теплопроводности вдоль и поперек волокон; при тепловом потоке вдоль волокон Кх = 2,2. Значения коэффициентов λ у древесины сравнительно невелики, поэтому древесина относится к довольно хорошим теплоизоляционным материалам. Температуропроводность древесины. Величина коэффициента температуропроводности а определяется по уравнению (57), если известны значения двух других тепловых коэффициентов λ и с. У абсолютно сухой древесины с уменьшением плотности ρ коэффициент температуропроводности возрастает. Это связано с увеличением в единице объема древесины доли воздуха, имеющего температуропроводность примерно в 100 раз большую, чем древесинное вещество. Влияние влажности на температуропроводность поперек волокон иллюстрирует рис. 38. Увеличение содержания свободной воды (W >Wп.н.) приводит к резкому падению температуропроводности, потому, что воздух в полостях клеток замещается водой, имеющей примерно в 150 раз меньший коэффициент температуропроводности. В области ниже Wп.н. влияние влажности на величину а практически не наблюдается. Это объясняется тем, что воздуха в клеточных стенках почти нет, и влажная клеточная стенка состоит из двух фаз - древесинного вещества и воды, коэффициенты температуропроводности которых довольно близки. Тепловое расширение древесины. При нагревании твердых материалов, в том числе и древесины, происходит увеличение их объема. Коэффициент линейного теплового расширения α' представляет собой изменение единицы длины тела при нагревании его на 1°С. Вследствие анизотропии древесины коэффициенты α' по трем структурным направлениям различны. Наименьший коэффициент линейного расширения α║' в направлении вдоль волокон; величина его по данным из разных источников для сухой древесины колеблется в пределах (2,5-5,4)10-6 1/°С. Тепловое расширение поперек волокон значительно (иногда в 10-15 раз) больше, чем вдоль волокон, причем в тангенциальном направлении оно обычно в 1,5-1,8 раза выше, чем в радиальном. Таким образом, наблюдается известная аналогия с анизотропией усушки (разбухания). Некоторые данные о коэффициентах линейного расширения абсолютно сухой древесины приведены в табл. 22. Коэффициент линейного расширения вдоль волокон древесины составляет 1/3 - 1/10 коэффициентов теплового расширения металлов, бетона и стекла. При нагревании влажной древесины кроме теплового расширения поперек волокон, вызванного повышением температуры, одновременно происходит значительно большая влажностная деформация. Изменение влажности на 1 % в области ниже Wп.н. вызывает деформацию в десятки раз большую, чем изменение температуры на 1 °С. Таким образом, усушка и разбухание маскируют чисто температурные деформации древесины поперек волокон. Если повышается температура свежесрубленной древесины, находящейся в воде, то при первом нагреве происходит увеличение размеров в тангенциальном направлении и сокращение их в радиальном. При последующих нагреваниях наблюдается некоторое уменьшение размеров в обоих направлениях.
22. Коэффициенты теплового расширения сухой древесины
В табл. 23 представлены данные Я.Н. Станко (МЛТИ) о коэффициентах а ' для сырой и сухой древесины ели; знаки "+" и "-" показывают соответственно удлинение и укорочение.
23. Коэффициенты теплового расширения сырой и сухой древесины ели
Причина увеличения деформации при первом нагреве, очевидно, заключается в снятии внутренних напряжений роста. В растущем дереве в тангенциальном направлении действуют сжимающие напряжения, поэтому при снятии их обнаруживается удлинение образца в этом направлении. В радиальном направлении происходит обратное явление. Удовлетворительного объяснения причин сокращения образца при последующих нагревах пока еще не найдено. Показатели, характеризующие тепловые свойства древесины, используются для расчета процессов ее нагревания, сушки, оттаивания, замораживания, потерь тепла через ограждения из древесины.
Дата добавления: 2015-04-30; Просмотров: 3281; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |