ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Физические свойства древесины

Рассмотрим некоторые физические свойства древесины, ин­тересующие технологов лесохимических производств.

Плотность древесины. Плотность собственно древесины, или древесинного вещества, почти одинакова для различных пород и в среднем равна 1,55 г/см[1]. Плотность древесины как физического тела, т. е. включая пустоты (ранее этот показа­тель назывался объемный вес), зависит от породы дерева, ус­ловий произрастания, индивидуальных особенностей каждого дерева и в большой степени от влажности древесины (табл. 1.1).

Из числа наиболее распространенных в СССР древесных пород среднюю плотность (в воздушносухом состоянии) выше 0,55 г/см3 имеют многие лиственные породы (дуб, ясень, клен, граб, бук, береза) и только одна хвойная порода (листвен­ница), а плотность ниже 0,55 г/см3 — все остальные хвойные породы (сосна, пихта, ель, кедр и др.) и лишь немногие лист­венные (ольха, осина, тополь, липа). Плотность имеет суще­ственное значение, например, в процессах пиролиза древесины при расчете массы загружаемого в аппараты сырья и др.

Для некоторых технологических расчетов важно знать на­сыпную массу измельченной древесины, т. е. массу щепы или опилок, входящую в единицу объема аппарата при свободной загрузке. Масса 1 насыпного м3 хвойной щепы в пересчете на абсолютно сухую древесину составляет обычно 130—160 кг/м3, березовой щепы — в среднем 190 кг/м3, опилок 100—135 кг/м3, щепы смешанных пород из лесосечных отходов 120—160 кг/м3. При искусственном уплотнении насыпная масса опилок и щепы может быть повышена на 30—50 %.

Влажность древесины. Различают абсолютную и относи­тельную влажность древесины. Абсолютная влажность вы­ражается в процентах от абсолютно сухого вещества древе-

Сины, а относительная — в процентах от влажной древе­сины.

Относительную влажность можно пересчитать в абсо­лютную У по формуле

№ = 100Го/(100 —Гс), а абсолютную в относительную

Ш0=от1(т+№).

В расчетах по технологии лесохимических производств ис­пользуют, как правило, показатели относительной влажности (табл. 1.2) и в дальнейшем, если не указано иное, имеются в виду именно эти показатели. Объем древесного сырья в учеб­нике приводится в кубических метрах плотной древесины.

По данным табл. 1.2 можно определить содержание абсо­лютно сухой древесины в 1 м3 древесины той или иной влаж­ности. Например, если масса 1 м3 сосновой древесины 20%-ной относительной влажности равна 540 кг, то в нем содержится 540 (100—20) : 100 = 432 кг абсолютно сухой древесины, но не 470 кг, как могло бы показаться на основании цифр первой строки табл. 1.2. Это расхождение является следствием того, что при высушивании древесины ниже определенной влажно­сти происходит ее усадка и уплотнение.

Влажность центральной и периферической частей расту­щего или свежесрубленного дерева неодинакова. Средняя от­носительная влажность ядровой древесины хвойных пород со­ставляет 25—30 %. спелой древесины 35—40, заболони 45— 65%). У заболонных древесных пород влажность древесины от периферии к центру уменьшается постепенно. Общая влажность свежесрубленной древесины хвойных пород обычно равна 45— 50%, мягких лиственных 40—50, твердолиственных 30—45 %•

Способность высушенной древесины поглощать водяные пары из воздуха до состояния равновесия называется ее ги­гроскопичностью. Гигроскопичность древесины различ­ных пород почти одинакова. При относительной влажности

Воздуха 100 % и температуре 20 °С влагоемкость древесины сосны и дуба составляет 29—30 %, при 90%—21—22%, при 50 % —9—10 % и т. д.

Способность древесины при погружении в воду поглощать ее называется водопоглощением. Предельное количество воды, которое может поглотить древесина, зависит от объема в ней полостей. Так, древесина березы, имеющая плотность в абсолютно сухом состоянии 0,6 г/см3, теоретически может поглотить около 130 % воды от массы сухого вещества, при этом плотность ее составит 1,2 г/см3. Практически такое пол­ное насыщение древесины водой никогда не достигается, но при сплаве древесины березы (и некоторых других листвен­ных пород) иногда наблюдается увеличение плотности выше единицы, в результате чего древесина тонет.

Усушка и набухание древесины. При высушивании сырой древесины вначале из нее удаляется свободная влага, содер­жащаяся в клеточных и межклеточных полостях, при этом размеры высушиваемого куска древесины не изменяются. За­тем выделяется связанная, или коллоидная, влага, находя­щаяся в связанном состоянии в стенках клеток. В этот момент начинается усадка древесины, т. е. уменьшение ее размеров. Точка перехода, наступающая при абсолютной влажности (для разных пород) 25—30 %, называется точкой насы­щения волокна. При увлажнении абсолютно сухая дре­весина увеличивается в размерах до точки насыщения волокна. Такое увеличение вдоль волокон обычно равно менее 0,5%, в радиальном направлении 2—6%, а в тангенциальном 5— 12%. По объему набухание составляет 10—20% от объема абсолютно сухой древесины. При дальнейшем увлажнении дре­весины ее размеры не изменяются. Неравномерность набуха­ния (следовательно, и усушки) древесины в различных на­правлениях приводит часто к ее деформации (короблению). Однако набухание может иметь и положительное значение, на­пример при замачивании деревянных баков и бочек для пре­дупреждения течи.

При высушивании древесины влага в виде паров удаляется в основном через торцы (в среднем в 4 раза больше, чем в ра­диальном направлении); количество испаряемой влаги в тан­генциальном направлении имеет промежуточное значение. За­болонь высыхает быстрее ядра, древесина хвойных пород быстрее, чем лиственных. Чрезмерно быстрое высушивание древесины приводит к образованию трещин. Такая древесина малопригодна для поделок, а при пиролизе из нее получается уголь с пониженной механической прочностью.

Теплоемкость древесины. Теплоемкость древесины склады­вается из теплоемкости собственно древесины и теплоемкости содержащейся в ней влаги, а также смолистых веществ. При этом теплоемкость смолистых веществ в 1,5 раза, а воды в 3 раза больше, чем теплоемкость абсолютно сухой древе­сины, равная при О °С 1,4 кДж/(кг-К). Поэтому с увеличе­нием смолистости и особенно влажности древесины ее тепло­емкость увеличивается. Теплоемкость древесины, как и всех материалов, увеличивается также с повышением температуры.

Теплопроводность древесины. Древесина — плохой провод­ник тепла. Коэффициент теплопроводности сухой древесины колеблется в пределах 0,1—0,4 Вт/(м-К), тогда как углероди­стой стали около 50 и меди около 400 Вт/(м-К). Чем меньше плотность древесины, т. е. чем больше в ней полостей, тем хуже она проводит тепло. При увлажнении древесины ее теп­лопроводность увеличивается, так как воздух замещается во­дой, имеющей в 26 раз более высокую теплопроводность.

Теплота сгорания древесины. Количество теплоты, выде­ляющейся при полном сгорании вещества, называется тепло­той сгорания (раньше эта величина называлась теплотворной способностью). Теплота сгорания древесины сильно зависит от ее влажности и мало от породы дерева. Теплота сгорания 1 кг вещества называется удельной теплотой сгорания. При сжига­нии абсолютно сухой древесины различных пород она колеб­лется в пределах 20Ч-21-103 кДж/кг. Средняя теплота сгора­ния свежесрубленной древесины составляет около 8,5 X X Ю3 кДж/кг, а воздушносухой — достигает 15- 103 кДж/кг. Теплота сгорания 1 м3 воздушносухой древесины смешанных пород соответствует примерно 0,25—0,28 т условного топлива, теплота сгорания которого принимается 29,3 * 103 кДж/кг.