Особенности переноса парогазовой смеси через окаймлённую пору в процессе конвективной сушки лиственничных пиломатериалов

ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕНОСА ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ ЧЕРЕЗ ОКАЙМЛЁННУЮ ПОРУ В ПРОЦЕССЕ КОНВЕКТИВНОЙ СУШКИ ЛИСТВЕННИЧНЫХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

Зарипов Ш.Г.

SH. G. Zaripov

В статье представлено обоснование ключевой роли мембраны окаймлённой межклеточной поры в перераспределении влаги при сушке лиственничных пиломатериалов.

This paper presents the rationale for the key role of bordered intracellular pore membrane in the redistribution of moisture during drying of larch timber.

Ключевые слова: лиственница, экстрактивные вещества, окаймлённая пора, мембрана, конвективная сушка

Key words: larch, extractives, bordered pore, membrane, convective drying

Введение.

Проблема переноса парогазовой смеси при изучении вопроса сушки лиственничных пиломатериалов имеет принципиальное значение, так как данную породу относят к трудносохнущей. Такое утверждение основывается на том, что лиственница содержит значительное количество экстрактивных веществ, а также повышенную плотность. Поэтому в процессе роста наблюдается закупоривание экстрактивными веществами влагопроводящей системы [1, 2, 3, 4], что снижает количество открытых пор. Данные таблицы 1 [5], [6] указывают на то, что в ядре древесины лиственницы открытых пор содержится не более 4,5 % -это примерно столько же, что и в древесине сосны и ели. Такой подход позволяет использовать основные положения теории влагопереноса, основанные на физике капиллярных явлений, и объяснять низкую интенсивность вывода влаги из древесины лиственницы в процессе конвективной сушки.

В то же время результаты проведённых исследований по кинетике сушки лиственничных пиломатериалов, а также обзор литературных источников по физиологии древесных растений [7] позволили сделать ряд выводов, которые только частично подтверждают вышеуказанный подход к решению проблемы влагопереноса в древесине лиственницы при конвективной сушке. Поэтому цель данной работы - представить основные положения, которые позволят уточнить процессы влагопереноса при сушке в лиственничных пиломатериалах.

Таблица 1 - Процентное соотношение открытых и закрытых пор в древесине хвойных пород [5], [6]_

Процентное содержание пор, %

Зона годичного слоя свежесрубленной

Порода заболонь ядро

открытых закрытых открытых закрытых

Р 94,6 5,4 1,1 98,9

Сосна П 92,4 7,6 6,2 93,8

Ель Р 94,5 5, 5 1,0 99,0

П 94,6 5,4 5,0 95 ,0

Лиственница Р 95 ,0 5,0 2,0 98,0

П 95,5 4,5 4,5 95,5

Экспериментальные исследования.

Были проведены экспериментальные исследования, в результате которых было доказано, что:

- влажность по торцовому разрезу лиственничного бревна в пределах ядровой зоны распределяется неравномерно = 30 ... 80%);

- распределение водорастворимых экстрактивных веществ в свежесруб-ленной древесине, относительная масса которых достигает 35% [8], неравномерное и зависит от возраста дерева и зоны бревна [9];

- в процессе конвективной сушки наблюдается перераспределение водорастворимых экстрактивных веществ по толщине доски, что предполагает образование повышенной концентрации вышеуказанной группы веществ в периферийной зоне доски [10].

Обсуждение. Наличие даже небольшой части открытых пор (4,5%) даёт возможность предполагать, что влажность по сечению ствола и, соответственно, доски должна со временем распределиться равномерно. На практике такого явления не наблюдается. Даже длительное хранение в комнатных условиях лиственничных образцов приводит к снижению влажности в последовательном порядке от периферии к центру. При этом в центре образца влажность распределяется в первоначальном виде - неравномерно. Из этого следует, что при сушке одним из основных регуляторов распределения влажности выступает межклеточная мембрана (рисунок 1).

Избирательность древесины при проведении таких операций, как экстрагирование экстрактивных веществ и пропитка веществами с низкой степенью совместимости, указывает на то, что в свежесрубленной древесине лиственницы функции мембраны в виде барьера с селективной проницаемостью сохраняются. Следовательно, основные функциональные характеристики мембраны растущего дерева могут быть применимы при описании процессов массопере-носа в высушиваемой конвективным способом лиственничной доске.

Согласно жидкостно-мозаичной гипотезе строения, мембрана состоит из бислоя липидных молекул, которые повернуты друг к другу гидрофобными концами, жестко не закреплены и постоянно меняются местами в пределах одного монослоя или путем перестановки двух липидных молекул из разных монослоев [11]. Следовательно, динамические свойства мембраны обусловлены подвижностью ее молекулярной организации. Белки и липиды взаимосвязаны в мембране непостоянно и образуют подвижную, гибкую, временно связанную в единое целое структуру, способную к структурным перестройкам.

Рисунок 1 - Строение клеточной мембраны согласно жидкостно-мозаичной модели

Вопросам переноса влаги между живыми клетками посвящено большое количество работ, в которых отмечается, что клетки не располагают никакой специальной системой ни для её поглощения, ни для её вывода наружу. Вода проходит сквозь плазмолемму совершенно свободным осмотическим путем. В случае клеточной мембраны осмос частично обусловлен диффузией отдельных молекул воды сквозь эту мембрану, а частично - током воды через особые поры в мембране. Поскольку концентрация всякого водного раствора зависит от количества растворенного в воде вещества, вода стремится переходить из более разбавленного раствора (где концентрация воды выше) в более концентрированный (где концентрации воды, соответственно, ниже).

В некоторый период времени в древесине создаётся равновесное состояние по концентрации водного раствора, но не по влажности. Этим и объясняется существенный разброс влажности в свежесрубленной древесине. Поэтому повышение температуры древесины при сушке и связанные с этим физико-химические процессы переводят систему из равновесного состояния в неравновесное. В результате чего наблюдается перераспределение водного раствора экстрактивных веществ из центра доски к периферии.

Влага в результате влагообменных процессов испаряется с поверхности доски, а экстрактивные вещества накапливаются в периферийной зоне доски, включая камеру окаймлённой поры (рисунок 2).

Рассматривая конструкцию окаймлённой поры в виде многослойной стенки, пропускную способность мембраны представляем в виде коэффициента массопередачи Км:

K

1 s

--h

ßi л

M

M

sk 1

+ — h--

л ß2

где ßi, ß2 - коэффициенты массоотдачи на поверхностях отверстий пор; Л - коэффициенты массопроводности мембраны и слоя экстрактивных веществ.

Клеточная оболочка

ВоЛоооотОооолло элотнолтоОлно öотоотОо

Кололо полл!

СноKоккоя пкоотокко

ОтОонотоо полк/

Диок

Молнноко полк/

Рисунок 2 - Структурная схема окаймлённой поры

Решение уравнения (1) сводится к определению лимитирующего процесса проводки влаги через мембрану и слои водорастворимых экстрактивных веществ, а также влагообмена на поверхностях отверстий поры. Поэтому значение Км всегда получается меньше значения лимитирующего процесса. Следовательно, при установке лимитирующего процесса автоматически устанавливается элемент поры, пропускной способностью которого следует управлять посредством режима сушки.

Практика применения данного уравнения показывает, что коэффициенты массоотдачи по абсолютной величине превышают коэффициенты массопроводности. Тогда отношения [(1/Д) = (1//?)] > (4Лм); [(1/Д) = (1/$)] > (4/4), значения которых указывают на то, что лимитирующим процессом массопере-дачи поры является либо массопроводность мембраны, либо - слой водорастворимых экстрактивных веществ в камере поры.

Камерная сушка древесины лиственницы, минимальный температурный уровень которой составляет 44°С и выше, превышает температурный уровень, при котором происходит нормальный рост дерева, а значит, и нормальное функционирование мембран. Поэтому такие температуры принято относить к стрессовым.

Мембраны как естественный барьер первыми подвергаются действию стрессовых факторов. Они представляют собой мишени первичного воздействия и первую линию защиты от него. Являясь динамическими структурами, мембраны способны быстро реагировать на отклонения в условиях существования.

Превышение оптимального температурного уровня приводит к частичной или глобальной денатурации белков, находящихся в мембране. Это вызывает разрушение белково-липидных комплексов плазмаллемы и других клеточных мембран, приводя к потере осмотических свойств клетки [11]. В результате, что очень важно для сушки древесины, наблюдается некоторое увеличение проницаемости мембран. Следовательно, повышение температуры в сушильной камере способствует более интенсивной пропускной способности мембраны.

В то же время повышение температуры древесины при одновременном снижении степени насыщенности агента сушки приводит к относительно быстрому заполнению экстрактивными веществами камеры окаймлённой поры, находящейся в периферийной зоне доски, и изменению их физического состояния

- образованию ксерогеля, что неизбежно приводит к снижению проницаемости в целом поры.

Из вышесказанного следует, что пропускная способность окаймлённой поры древесины лиственницы по воде зависит от режима сушки и относится к частично регулируемому параметру посредством изменения температурно-влажностных условий сушки.

Список использованных источников

1. Джапаридзе, Л. И. О водопроницаемости спелой древесины и заболони у ели и пихты // Природа. - 1936. - № 9. - С. 40 - 57.

2. Тимофеев, А. С. Материалы к выяснению процесса ядрообразования древесины. - М., 1927. - 94 с.

3. Яценко-Хмелевский, А. А. Изменение в составе и строении древесины восточного бука в зависимости от возраста, высоты над почвой и внешних условий. - М., 1946. - № 5. - С. 35.

4. Яценко-Хмелевскнй, А. А. Основы и методы анатомического исследования древесины. - М., 1954. - С. 85.

5. Джапаридзе, Л. И. Особенности в смещении торусов при возникновении спелой древесины / Л. И. Джапаридзе, Н.Н. Брегадзе// Ботанический журн. - 1940. - т. 25, № 4. - С. 6 -23.

6. Джапаридзе Л. И. О распределении интенсивности пор в древесине ели и пихты / Л. И. Джапаридзе, Н.Н. Брегадзе// Труды Тбилиского ботанического ин-та. - 1942. - Т. 8. - С. 15

- 45.

7. Якушкина, Н.И. Физиология растений [Текст]/ Н.И. Якушкина, Е.Ю. Бахтенко. - М.: Владос, 2004. - 464 с.

8. Левин, Э.Д. Комплексная переработка лиственницы [Текст] / Э.Д. Левин, О.Б. Денисов, Р.Э. Пен. - М.: Лесн. пром-сть, 1978. - 224 с.

9. Гвоздева, Э.Н. Об изменении химического состава древесины лиственницы сибирской (LARIX SIBIRIKA) с возрастом [Текст] / Э.Н. Гвоздева, В.И. Шарков// Химия древесины. -1972. - №12. - С.45-48.

10. Зарипов, Ш. Г. Перераспределение водорастворимых веществ в древесине лиственницы в процессе конвективной сушки [Текст] / Ш. Г. Зарипов, В. Н. Ермолин // Хвойные бо-реальной зоны. - Вып. 3-4. - Красноярск, 2011. - С.352-354

11. Чиркова, Т.В. Клеточные мембраны и устойчивость растений к стрессовым воздействиям [Текст] /Т.В.Чиркова // Соросовский образовательный журнал. - 1997. - №9. - С. 12-17.