ĆWICZENIE NR 4

Konwekcyjne ogrzewanie drewna

Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest ustalenie dynamiki wzrostu temperatury drewna ogrzewanego
konwekcyjnie (w powietrzu, w wodzie, parze nasyconej) oraz porównanie analogicznych wyników
uzyskanych w eksperymencie i przez obliczenia.

Ćwiczenie obejmuje wykonanie doświadczenia, w którym należy obserwować wzrost

temperatury ogrzewanego drewna w kilku punktach na przekroju poprzecznym próbki oraz
wykonanie obliczeń, zarówno gradientu temperatury na przekroju poprzecznym próbki, jak i czasu
ogrzewania drewna.

Wykonanie ćwiczenia

1. Włączyć ogrzewanie komory klimatycznej w celu uzyskania parametrów przewidzianych dla
doświadczenia.
2. Włączyć rejestrator temperatury i sprawdzić poprawność wskazań zainstalowanych
termoelementów.
3. Wskazaną próbkę drewna zważyć na wadze i określić jej wilgotność stosując znany wzór i mając
podaną masę próbki w stanie absolutnie suchym.
4. W próbce wykonać otwory (wg instrukcji prowadzącego ćwiczenia), po czym umieścić w nich
termoelementy.

*)

5. Próbki z termoelementami umiejscowić w komorze doświadczalnej i odnotować czas
rozpoczęcia doświadczenia oraz początkowe wskazania termoelementów. Kolejne obserwacje
wskazań termoelementów wykonywać w odstępach 15 minutowych.
6. W oparciu o procedurę załączoną do opisu ćwiczenia, obliczyć temperaturę wewnątrz drewna (w
1/4 i 1/2 grubości (średnicy)) po 30, 45 i 60 minutach, uwzględniając warunki doświadczenia tj.:
rodzaj drewna, temperaturę czynnika grzewczego, temperaturę początkową drewna itd..

Obliczenie czasu ogrzewania drewna (temperatury drewna)

Ogrzewania drewna nadal pozostaje problemem w sferze dociekań zarówno teoretycznych jak i
praktycznych. Wielu badaczy zajmuje w kwestii ogrzewania drewna różne, często odmienne
stanowiska.
Najbardziej odpowiednie dla celów praktycznych wydają się być rozważania Łykowa, który
proces ogrzewania drewna określił za pomocą kryterium podobieństwa Fouriera stanowiącego
matematyczny opis procesu przenikania ciepła przez ciało stałe

Fo

a

R

=

⋅

τ

2

gdzie:

Fo – kryterium bezwymiarowe Fouriera,

a – współczynnik przewodnictwa temperatury [ m

2

/ s ],

*)

jeśli zachodzi taka potrzeba

Katedra Hydrotermicznej Obróbki i Modyfikacji Drewna

R – połowa drogi przenikania ciepła [ m ],

τ

– czas ogrzewania [ s ].

Takie ujęcie

procesu ogrzewania ciała stałego w odniesieniu do drewna jest możliwe przy

następujących założeniach:
–

początkowa temperatura ogrzewanego drewna t

0

jest jednakowa we wszystkich jego punktach,

– temperatura otoczenia t

w

, w którym znajduje się ogrzewane drewno, jest stała przez cały czas

ogrzewania,
– temperatura powierzchni drewna równa jest temperaturze otoczenia (współczynnik napływu
ciepła z otoczenia do drewna

α

→

∞

),

– podczas ogrzewania drewna nie zachodzi proces wymiany wilgoci między otoczeniem i
drewnem.
W

rzeczywistości proces ogrzewania drewna przed okresem właściwego suszenia ma przebieg

bardziej skomplikowany niż to ujmuje kryterium Fouriera. Jest mianowicie trochę bardziej
intensywny ze względu na jednoczesny z ogrzewaniem proces naparowywania, a ponadto
najczęściej nie są spełniane zawarte w założeniach warunki dotyczące temperatur drewna i
otoczenia.
W przypadku, gdy wilgotność ogrzewanego drewna jest większa od wilgotności punktu
nasycenia włókien (w

d

>w

PNW

), temperaturę powierzchni drewna można z pewnym przybliżeniem

przyjmować równą temperaturze termometru mokrego w psychrometrze (t

w

= t

m

).

Wielkość kryterium Fouriera można przyjmować z ryciny jeśli znane są dwie współrzędne w
postaci:

Θ =

−

−

t

t

t

t

w

w

0

oraz
x/R
gdzie:
t

w

– temperatura powierzchni drewna ogrzewanego równa temperaturze otoczenia [

0

C ],

t – temperatura w danym punkcie nagrzewanego drewna [

0

C ],

t

0

– temperatura początkowa drewna [

0

C ],

x – odległość danego punktu przekroju drewna [ mm ],
R – połowa grubości nagrzewanego drewna [ mm ].

Znając kryterium Fouriera dla danych warunków, można również określić czas nagrzewania
drewna z równania:

τ

=

⋅

Fo R

a

2

[ s ].

Matematycznie

współczynnik przewodnictwa temperatury wyraża następujące równanie:

a

c

wt

w

w

=

⋅ ⋅

λ

ρ

1000

[ m

2

/s ]

gdzie:
a – współczynnik przewodzenia temperatury [ m

2

/s ],

λ

wt

– współczynnik przewodnictwa cieplnego drewna wilgotnego w danej

temperaturze [ W/(m

⋅K) ],

c

w

– ciepło właściwe materiału o wilgotności w [ kJ/(kg

⋅K) ],

ρ

w

– gęstość drewna o wilgotności w [ kg/m

3

].

Katedra Hydrotermicznej Obróbki i Modyfikacji Drewna

2

Wpływ temperatury drewna na jego przewodnictwo cieplne uwidacznia formuła:

(

λ

λ

ψ

wt

w

t

t

=

+

−







)



1

100

2

1

[ W/(m

⋅K) ]

gdzie:

λ

w

– przewodnictwo cieplne drewna wilgotnego [ W/(m

⋅K) ],

ψ

– współczynnik przeliczeniowy zależny od gęstości drewna – wyrażający procentowy

przyrost przy wzroście temperatury drewna o 1

o

C,

t

2

– średnia temperatura drewna podczas ogrzewania [

o

C ],

t

1

= 0

o

C.

Wartości

ψ

ujmuje tabela:

Gęstość

drewna

[kg/m

3

]

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Współczynnik

przeliczeniow

y

ψ

[%/

0

C]

1,63

0,84

0,56

0,42

0,34

0,28

0,24

0,21

0,19

0,16

0,15

0,14

0,13

0,12

0,11

Przewodnictwo cieplne drewna wilgotnego obrazuje z kolei równanie:

λ

w

=

λ

o

(1 + 1,65w) [ W/(m

⋅K) ]

gdzie:

λ

o

– współczynnik przewodnictwa cieplnego drewna zupełnie suchego w

temperaturze 0

0

C [ W/(m

⋅K) ];

w – wilgotność drewna w jednostkach bezwymiarowych.

Dla drewna zupełnie suchego w temperaturze 0

0

C współczynnik przewodnictwa cieplnego

charakteryzuje równanie:

λ

λ

ρ

ρ

λ

ρ

0

0

0

1

1

750

1000

=

−




 +






+

−

















p

s

d

f

sin

[ W/(m

⋅K) ]

gdzie:

λ

p

– współczynnik przewodnictwa cieplnego powietrza (

λ

p

= 0,0237 W/(m

⋅K)

);

λ

d

– średni współczynnik przewodnictwa cieplnego drewna wynoszący odpowiednio dla

kierunków przebiegu włókien drzewnych:

–

równoległego

λ

= 0,28 W/(m

⋅K),

–

poprzecznego

λ

= 0,135 W/(m

⋅K),

f – współczynnik zależny od przebiegu włókien –

–

dla

λ

– f = 1,63 [rad],

–

dla

λ

– f = 1,71 [rad],

ρ

0

– gęstość drewna zupełnie suchego [ kg/m

3

];

ρ

s

– gęstość substancji drzewnej (

ρ

s

= 1510 kg/m

3

).

Ciepło właściwe drewna wilgotnego oblicza się ze wzoru:

Katedra Hydrotermicznej Obróbki i Modyfikacji Drewna

3

c

w

c

w

w

d

=

⋅

+

+

4 19

1

0

0

,

[ kJ/(kg

⋅K) ]

gdzie:
w

0

– wilgotność bezwzględna drewna w jednostkach bezwymiarowych,

c

d

– ciepło właściwe drewna zupełnie suchego (c

d

= 1,356 kJ/(kg

⋅K)).

Gęstość drewna wilgotnego oznacza się za pomocą wzoru:

ρ

w

=

ρ

u

(1 + w ) [ kg/m

3

]

gdzie:

ρ

w

– gęstość umowna drewna [ kg/m

3

],

w – wilgotność drewna [ % ].

Opracowanie wyników ćwiczenia i ich analiza

W celu opracowania wyników ćwiczenia należy:
–

zestawić w formie tabeli czas ogrzewania drewna wynikający z doświadczenia i z obliczeń,

– wyniki obserwacji oraz wykonanych obliczeń przedstawić w formie wykresu ilustrującego
zależność t

∈

t(

τ

, x), gdzie:

t – temperatura drewna [

o

C ],

τ

– czas [ min ],

x – odległość punktu pomiaru od powierzchni drewna [ mm ],
–

sformułować wnioski.

Katedra Hydrotermicznej Obróbki i Modyfikacji Drewna

4