Xác định bằng giải tích và thực nghiệm thời gian sấy trong các thiết bị sấy gỗ đối lưu

MỞ ĐẦU 0.1 Lý do lựa chọn đề tài Nguyên liệu gỗ được sử dụng trong chế biến gỗ đòi hỏi phải có thời gian sử dụng lâu dài, tính ổn định kích thước cao, có tính cơ học tốt, dễ dàng cho gia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ YÊN

XÁC ĐỊNH BẰNG GIẢI TÍCH VÀ THỰC

NGHIỆM THỜI GIAN SẤY TRONG CÁC THIẾT

BỊ SẤY GỖ ĐỐI LƯU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của GS.TSKH Trần Văn Phú Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, Tháng 11 Năm 2010

Tác giả

Nguyễn Thị Yên

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian làm việc nghiêm túc, đến nay Luận văn tốt nghiệp của tôi đã hoàn thành Đạt được thành quả như vậy, trước tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy giáo hướng dẫn, GS.TSKH Trần Văn Phú đã tận tình chỉ bảo, cung cấp kiến thức và tài liệu giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Tôi cũng xin được chân thành cảm ơn các Thầy, các

Cô trong Viện khoa học & Công Nghệ nhiệt – lạnh, trường Đại học Bách khoa

Hà Nội và Viện Đào tạo Sau đại học đã truyền cho tôi kiến thức quí báu trong quá trình theo học ở trường Xin được cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp đã giúp

đỡ tôi hoàn thành nhiệm vụ được giao

Do thời gian thực hiện có hạn và kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế, nên luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý và phê bình của các Thầy, Cô và các bạn

Hà Nội, Tháng 11 Năm 2010

Tác giả

Nguyễn Thị Yên

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ρ- khối lượng riêng của vật liệu sấy

ω- độ ẩm tương đối của gỗ

DANH MỤC CÁC BẢNG, CÁC HÌNH VẼ

Bảng 1.1 Thành phần hố học gỗ Keo

Bảng 2.1 Hệ số điều chỉnh theo loại gỗ

Bảng 4.1 Bảng theo dõi chế độ sấy ở lị thứ nhất

Bảng 4.2 Bảng theo dõi chế độ sấy ở lị thứ 2

Bảng 4.3 Bảng theo dõi chế độ sấy ở lị thứ 3

Bảng 4.4 Bảng số liệu tính tốn xác định mối quan hệ ( )

Hình 0.1 Phương pháp điều hành sấy ở các nước

Hình 1.1 Biểu diễn quá trình cân bằng ẩm độ của gỗ

Hình 2.1 Mơ hình tốn học về truyền nhiệt truyền chất trong tấm phẳng

Hình 2.2 Phương pháp thiết lập phương trình dẫn nhiệt - khuếch tán ẩm

Hình 2.3 Đồ thị xác định Fourier theo Bi và quan hệ ( )

( )0,0, W 0,W 0,( )( )

Q Q

=

Hình 3.1 Mơ hình xếp gỗ trong lị sấy và các đầu đo

Hình 3.2 Cấu tạo bên trong lị

Hình 3.3 Nguyên lý làm việc của TBS

Hình 4.1 Vị trí các đầu đo trong lị sấy

=

Hình 4.3 Quan hệ giữa thời gian và độ ẩm lị 1

Hinh 4.4 Quan hệ giữa độ ẩm và thời gian lị 2

Hinh 4.4 Quan hệ giữa thời gian sấy và độ ẩm lị 3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I

LỜI CẢM ƠN II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT III

DANH MỤC CÁC BẢNG, CÁC HÌNH VẼ … IV

MỞ ĐẦU 1

0.1 Lý do lựa chọn đề tài 1

0.2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 3

0.3 Tóm tắt nội dung đề tài 4

0.4 Phương pháp nghiên cứu……… ……….…… 5

CHƯƠNG 1 TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT VÀ CÔNG NGHỆ SẤY GỖ 6

1.1 Tổng quan quá trình truyền nhiệt truyền chất trong sấy gỗ 6

1.1.1 Các dạng liên kết và năng lượng liên kết 6

1.1.2 Quá trình truyền nhiệt truyền chất trong vật liệu sấy 6

1.1.3 Tính chất dẫn nhiệt của gỗ 9

1.2 Những tiến bộ khoa học về sấy gỗ và đặc điểm cấu tạo, tính chất của gỗ keo tai tượng liên quan đến sấy gỗ 11

1.2.1 Đặc điểm cấu tạo của gỗ keo tai tượng 15

1.2.2 Đặc điểm tích chất của gỗ keo tai tượng 16

1.2.3 Một số tính chất cơ học chủ yếu của gỗ Keo tai tượng 17

KẾT LUẬN 18

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU GIẢI TÍCH BÀI TOÁN TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT VỚI ĐIỀU KIỆN BIÊN LOẠI BA TRONG TẤM PHẲNG 19

2.1 Quy luật dịch chuyển nhiệt - chất trong vật liệu sấy 19

2.2 Hệ phương trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm trong vật liệu sấy 21

2.3 Nghiên cứu giải tích bài toán truyền nhiệt truyền chất với điều kiện biên loại ba đối xứng bằng phương pháp biến đổi Laplace 25

2.3.1 Nghiệm của bài toán 25

2.3.2 Phân tích nghiệm 28

2.4 Xác định nhiệt lượng 29

2.5 Các phương pháp xác định thời gian sấy hiện có 30

2.5.1 Cơ sở thành lập chế độ sấy 30

2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy 32

2.5.3 Phương pháp giải tích xác định thời gian sấy 33

2.5.4 Phương pháp nửa lý thuyết nửa thực nghiệm 40

2.5.5 Phương pháp thực nghiệm 40

2.6 Nội dung của phương pháp mới xác định thời gian sấy 41

2.6.1 Cơ sở lý luận 41

2.6.2 Mối quan hệ giữa nhiệt lượng nhận và ẩm cần bay hơi 43

2.6.3 Phương pháp mới xác định thời gian sấy 44

KẾT LUẬN 46

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH THỰC NGHIÊM VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU 47

3.1 Giới thiệu về thiết bị sấy gỗ cụ thể 47

3.1.1 Các giai đoạn sấy gỗ 47

3.1.2 Thiết bị sấy trung tâm công nghiệp rừng 50

3.2 Phương pháp xác định chế độ sấy và dốc sấy tối ưu 51

3.2.1 Phân tích lựa chọn các thông số tối ưu 53

3.2.2 Nhận xét phương pháp phân tích 59

KẾT LUẬN 59

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ SO SÁNH VỚI MÔ HÌNH LÝ THUYẾT 60

4.1 Các bước tiến hành sấy gỗ trong quy trình công nghệ 60

4.2 Tiến hành thực nghiệm sấy gỗ 61

4.3 Xác định thời gian sấy gỗ theo phương pháp tính toán 66

4.3.1 Tính toán thời gian sấy cho lò thứ nhất 66

4.3.2 Tính toán thời gian sấy cho lò thứ hai 70

4.3.3 Tính toán thời gian sấy cho lò thứ ba 73

4.4 So sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết 76

KẾT LUẬN 77

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

5.1 Kết luận 79

5.2 Kiến nghị 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC CÁC HÌNH ẢNH CẤU TẠO LÒ SẤY GỖ ……….…… ……… a

MỞ ĐẦU 0.1 Lý do lựa chọn đề tài

Nguyên liệu gỗ được sử dụng trong chế biến gỗ đòi hỏi phải có thời gian sử dụng lâu dài, tính ổn định kích thước cao, có tính cơ học tốt, dễ dàng cho gia công chế biến hệ số dẫn điện dẫn nhiệt bé nhất,… Công nghệ chế biến gỗ có khả năng đáp ứng một cách hiệu quả các yêu cầu nói trên nhằm biến vật liệu thiên nhiên thành nguyên liệu công nghiệp có chất lượng và giá trị cao

Công nghệ sấy các loại gỗ không hoàn toàn giống nhau mà phụ thuộc vào mức độ khó sấy của mỗi loại gỗ Gỗ càng khó sấy bao nhiêu tốc độ sấy lại càng chậm bấy nhiêu và nguy cơ nảy sinh khuyết tật cao và ngược lại

Quá trình sấy không chỉ là tách ẩm ra khỏi gỗ một cách thuần túy mà là một quy trình công nghệ Gỗ sau khi sấy không những đạt được độ ẩm yêu cầu mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm không cong vênh, nứt nẻ và giá thành hợp lý Các chế

độ sấy tối ưu là chế độ sấy đảm bảo chất lượng sản phẩm và giá thành thấp Thời gian sấy là một trong những thông số rất quan trọngtrong quy trình sấy gỗ Để xác định thời gian sấy nhiều nhà nghiên cứu đã xác định nhiều phương pháp khác nhau

vi dụ như: phương pháp Luikov A.V, phương pháp giải thích của Phylonhenko G.K, phương pháp nửa lý thuyết nửa thực nghiệm của Đacuchaev, Morey, các phương pháp này thường chỉ thích hợp cho một số dạng vật liệu sấy cụ thể chẳng hạn như phương pháp Morey thích hợp với sấy nông sản dạng cầu, phương pháp Luikov A.Vchỉ thích hợp khi thời gian đốt nóng có thể bỏ qua Cho đến nay, trong các phương pháp sấy gỗ thì phương pháp sấy đối lưu vẫn là phương pháp sấy chủ đạo trên thế giới

Bản chất của quá trình sấy gỗ là quá trình truyền nhiệt truyền chất (TNTC) giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng phương pháp đối lưu Như vậy để xác định được chế độ sấy gỗ thích hợp trong thiết bị sấy (TBS) gỗ đối lưu trước hết chúng ta cần nghiên cứu bài toán TNTC giữa gỗ và tác nhân sấy (TNS) với điều kiện biên loại 3 nhằm làm sáng tỏ quy luật trao đổi nhiệt - ẩm trong lòng gỗ và giữa gỗ với TNS

Chế độ sấy thích hợp có thể rút ra từ bài toán TNTC với VLS và TNS Cho đến nay thời gian sấy xác định bằng lý thuyết trên cơ sở thực nghiệm Vì vậy để góp phần tìm ra thời gian sấy gỗ bằng lý thuyết chúng tôi chọn đề tài: “Xác định bằng giải tích và thực nghiệm thời gian sấy trong các thiết bị sấy gỗ đối lưu (The Analycial and Exprimetal Calculation of Time Drying in the Convectional Timber Dryings)”

Trên cơ sở chủng loại gỗ, nhiều nước đã xác định các chế độ sấy chuẩn Hệ thống sấy chuẩn này là tập hợp một số chế độ sấy cơ bản sắp xếp theo quy luật tăng hay giảm theo mức độ nghiêm ngặt của môi trường Tuy nhiên chế độ sấy ở mỗi nước lại có phong thái riêng về số lượng cấp sấy Ví dụ các chế độ của Đức chỉ diễn

ra theo 2 cấp tương ứng với 2 giai đoạn cơ bản của quá trình sấy [8] Trong khi đó chế độ sấy của phần lớn các nước trên thế giới lại diễn ra theo nhiều cấp từ 3-9 cấp

Mỹ và Nga là hai nước có chế độ sấy nặng nề và phức tạp hơn cả về số lượng cũng như các chế độ sấy chuẩn và số lượng cấp sấy có thể lên đến 9 cấp Với Pháp thì có

9 chế độ sấy chuẩn và với Anh có 12 chế độ sấy chuẩn cho mỗi đối tượng gỗ dày 38mm (với tốc độ gió ứng dụng là 1,5m/s) tùy theo độ ẩm ban đầu của gỗ Đối với các nước Đông Nam Á như: Philippin, Malaysia, Singapor, … dùng chế độ chuẩn của Anh [13] Điều hành quy trình sấy mỗi nước lại có những đặc thù riêng gắn liền với đơn giản hoặc đồng nhất hóa trong quy trình vận hành điều khiển môi trường sấy Trong các chế độ sấy của Nga, độ ẩm môi trường sấy được điều tiết thông qua nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt Các nhiệt độ này được giữ không đổi hoặc thay đổi không đáng kể trong suốt quy trình sấy Phương pháp điều hành sấy của mỗi nước được tóm tắt qua hình dưới đây [8]

Hình 0.1 Phương pháp điều hành sấy ở các nước

Các kết quả nghiên cứu về xây dựng các chế độ sấy đã được các nhà khoa học đúc kết thành hệ thống sấy chuẩn Hệ thống này là cơ sở để điều chỉnh, cải tiến

và xây dựng các chế độ sấy khác nhau về chủng loại gỗ và quy cách sản phẩm

Ở Việt Nam đầu những năm 1980 trên cơ sở đề tài cấp nhà nước Trần Thụy

Kỳ [12] đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo một số lò sấy gia nhiệt bằng hơi đốt với trang thiết bị đơn giản có thể chế tạo trong nước Bên cạnh đó Ông còn nghiên cứu phân loại nhóm gỗ và chế độ sấy cho từng nhóm gỗ Việc phân loại nhóm gỗ nhằm đơn giản hóa việc xây dựng chế độ sấy Cũng vào đầu những năm 1990 tác giả Hồ Xuân Các [2] đã hoàn thành luận án về thiết kế lò sấy và xây dựng các chế độ sấy Ông đã nghiên cứu thiết kết chế tạo lò sấy hơi đốt với hệ thống quạt gió kiểu trục phân bố nhiệt đồng đều trong lò Hiện nay các cơ sở sấy gỗ phía nam đều áp dụng phương pháp sấy điều hành 2 cấp do tính chất đơn giản của nó khi hệ thống theo dõi

độ ẩm gỗ cũng như hệ thống điều khiển môi trường sấy Trong những năm gần đây việc nghiên cứu tìm ra chế độ sấy và thời gian sấy tối ưu được rất nhiều các nhà khoa học nghiên cứu như: Luận án tiến sĩ của tác giả Hồ Thu Thuỷ(2004) “Nghiên cứu một số giải pháp nhằm rút ngắn thời gian sấy gỗ”[8] Các tác giả đã tìm được các quy luật sấy gỗ rất hữu ích cho công nghệ sấy cũng như chuyển giao cho các nhà máy

Cùng với sự phát triển của công nghiệp sản xuất đồ gỗ đã xuất hiện nhiều kiểu lò sấy với hệ thống công nghệ, trang thiết bị có qui mô khác nhau ở những doanh nghiệp chế biến gỗ rải rác trên cả nước Do vậy, việc đẩy mạnh công tác nghiên cứu khoa học về sấy gỗ để tìm chế độ sấy thích hợp có thể rút ra từ bài toán TNTC giữa VLS và TNS Cho đến nay ở Việt Nam thời gian sấy thường được xác định bằng thực nghiệm

0.2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Xuất phát từ thực tiễn và công nghệ sấy gỗ hiện nay đề tài được thực hiện với hai mục đích như sau:

1 Xây dựng được cơ sở lý thuyết của phương pháp xác định thời gian sấy

gỗ

2 Khảo sát bằng thực nghiệm một số chế độ sấy gỗ trong các thiết bị sấy cụ thể để có cơ sở đối chứng

Đề tài sử dụng gỗ keo tai tượng độ tuổi 10÷15 năm, đường kính trung bình 20÷50 cm, được khai thác ở Lâm trường Lương Sơn - tỉnh Hoà Bình

Trong thí nghiệm chúng tôi sử dụng thiết bị sấy của trung tâm thí nghiệm trường Đại học lâm nghiệp và Trung tâm thực nghiệm chuyển giao công nghệ công nghiệp rừng trường Đại học lâm nghiệp

0.3 Tóm tắt nội dung đề tài

Luận văn được trình bày theo các chương sau đây:

Phần mở đầu Phần này chúng tôi đề cập tính cấp thiết của vấn đề được giải

quyết trong đề tài, đồng thời đưa ra một cách nhìn tổng quan về nội dung và phương pháp giải quyết vấn đề đã chọn

Chương 1 Truyền nhiệt truyền chất và công nghệ sấy gỗ Trong chương này

chúng tôi trình bày các khái niệm cơ bản về TNTC và công nghệ sấy gỗ nhằm đưa

ra các kiến thức tổng quan ngắn gọn về các vấn đề liên quan

Chương 2 Nghiên cứu giải tích bài toán truyền nhiệt truyền chất với điều

kiện biên loại ba trong tấm phẳng Ở đây chúng tôi đi sâu vào giải quyết tính đồng

dạng về mặt toán học của bài toán TNTC và khuếch tán ẩm, xây dựng phương pháp mới xác định thời gian sấy

Chương 3 Mô hình thực nghiệm và phương pháp xử lý số liệu Trong

chương này chúng tôi trình bày mô hình sấy thực nghiệm trên một số TBS cụ thể

Chương 4 Kết quả thực nghiệm và so sánh kết quả thực nghiệm với mô hình

lý thuyết Như tên gọi chúng tôi đã tiến hành làm thí nghiệm ở 3 lò sấy với 3 chế

độ khác nhau và tính toán thời gian sấy theo phương pháp đã trình bày ở chương 2 Cuối chương tác giả đã so sánh kết quả tính thời gian sấy bằng lý thuyết với thời gian sấy thực tế

Chương 5 Kết luận và kiến nghị Ở đây chúng tôi tóm lược các kết các kết

quả đã đạt được của đề tài và đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo

Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết những nhiệm vụ mà đề tài đặt ra trên đây chúng tôi sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Cụ thể chúng tôi đã tiến hành:

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá TNTC để làm cơ sở xây dựng phương pháp xác định thời gian sấy Đồng thời chúng tôi tiến hành thí nghiệm ở 3

lò sấy với 3 chế độ sấy khác nhau nhằm làm cơ sở để so sánh với thời gian tính

bằng lý thuyết

CHƯƠNG 1 TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT VÀ CÔNG NGHỆ SẤY GỖ

1.1 Tổng quan quá trình truyền nhiệt truyền chất trong sấy gỗ

Quá trình sấy nhằm mục đích giảm trọng lượng chi tiết, công trình gỗ; đảm bảo được chất lượng dán keo và trang sức bề mặt Ngoài ra công nghệ sấy gỗ còn làm cho gỗ không bị mốc, mục, mọt, mối xâm hại; giữ được ổn định hình dạng kích thước, giảm cong vênh, nứt nẻ lúc gia công, sử dụng…

Để nghiên cứu quá TNTC trong gỗ cần xem xét các loại gỗ, các dạng liên kết và năng lượng liên kết trong vật liệu sấy

1.1.1 Các dạng liên kết và năng lượng liên kết

Độ ẩm tồn tai trong vật liệu gỗ dưới hai dạng chủ yếu: liên kết hoá lý (nước

liên kết) và liên kết cơ lý (nước tự do) Nước tự do là nước nằm trong các khoang bào, ruột tế bào gỗ tức là nằm trong hệ thống mao quản gỗ, nên còn gọi là nước mao quản Nước tự do dễ dàng thoát ra khỏi gỗ thông qua hệ thống mao quản của gỗ với một năng lượng nhỏ Nước liên kết là nước nằm trong vách tế bào gỗ, giữa các bó cellulose và một phần liên kết hoá học qua cầu hydro giữa các phân tử nước và phân

tử cellulose Nước này rất khó thoát ra khỏi gỗ vì vậy muốn tách nước liên kết ra khỏi gỗ ta cần cấp một năng lượng khá lớn Ranh giới giữa hai loại nước nói trên quyết định bởi điểm bão hoà thớ gỗ

1.1.2 Quá trình truyền nhiệt truyền chất trong vật liệu sấy

Quá trình sấy là quá trình vật liệu nhận năng lượng từ một nguồn nhiệt để ẩm

từ trong lòng vật dịch chuyển ra bề mặt và đi vào môi trường Như vậy quá trình TNTC được dựa vào định luật Fourier về dẫn nhiệt và định luật Fich về khuếch tán

Quá trình bay hơi trên bề mặt gỗ: Hiện tượng bay hơi của nước trên bề

mặt chỉ xảy ra khi không khí xung quanh chưa đạt đến trạng thái bão hòa, tức là khi

ϕ < 100% Độ ẩm của không khí xung quanh càng bé thì quá trình bay hơi càng dễ dàng, nước bay hơi ra càng nhanh, càng mạnh Tốc độ bay hơi của nước trên bề mặt nước tự do còn phụ thuộc vào mức độ chênh lệch áp suất hơi của lớp sát trên bề mặt nước tự do (thường ở trạng thái bão hòa hơi nước) và phân áp suất hơi nước trong

không khí ở xa bề mặt Bên trên bề mặt nước tự do luôn luôn phủ một lớp không khí mỏng bão hòa hơi nước, lớp đó dày hay mỏng là do tốc độ luân lưu và di chuyển của không khí quyết định Tốc độ tuần hoàn của không khí trên bề mặt nước hoặc trên bề mặt vật ướt càng nhanh thì nước bay hơi càng mạnh Từ đó ta thấy rằng, tốc độ chuyển động của không khí là nhân tố thứ 2 quyết định cường độ bay hơi trên bề mặt nước tự do cũng như trên bề mặt gỗ ướt

Định luật Fourier về dẫn nhiệt: theo [5] định luật fourier trong trường hợp

không đẳng hướng được viết dưới dạng

Trong (1.1): - J1i, (i= 1,3) tương ứng là dòng nhiệt theo ba chiều x, y,z

- λij (i,j = 1,3) là các thành phần của tenxơ dẫn nhiệt

Rõ ràng quan hệ (1.1) có thể xem như là ảnh hưởng của các dòng trên trục toạ độ có tính đến hiệu ứng chéo Hiệu ứng chéo là ảnh hưởng lẫn nhau giữa các phương, chẳng hạn ảnh hưởng của dòng nhiệt theo trục x đối với trục y,z và ngược lại Với quan điểm này có thể xem λij (i ≠ 0,j = 1,3) thoả mãn quan hệ đối xứng Onsager sau đây:

λ12=λ21

λ13=λ31

λ23=λ32 (1.2) Như vậy tenxơ dẫn nhiệt có thể xem là tenxơ đối xứng

Nếu ký hiệu J1,∇t và λ bởi các vecter và ma trận sau:

Ta xem xét một số trường hợp riêng Khi bỏ qua ảnh hưởng chéo, nghĩa là:

λ ij= 0 (i≠j) thì tenxơ dẫn nhiệt λ trở thành tenxơ chéo

λ =

11

22 33

0 0

0 0

0 0

λλ

Định luật Fich về khuếch tán: Tương tự như dẫn nhiệt dòng khuếch tán

trong môi trường không đẳng hướng có dạng

Trong (1.6) J2i( i=1,3) tương ứng là dòng khuếch tán theo 3 chiều x,y,z

Dij ( i,j = 1,3) là các thành phần tenxơ khuếch tán, C là nồng độ của vật chất khuếch tán Cũng như dẫn nhiệt, nếu xem tenxơ khuếch tán thoả mãn quan hệ tương

hỗ Onsager thì các hệ số chéo từng đôi một bằng nhau nghĩa là:

Dij= Dji , ( i,j =1,3, i≠j) (1.7) Hơn nữa, nếu bỏ qua các ảnh hưởng chéo thì (1.7) sẽ lấy dạng:

Và rõ ràng, nếu môi trường là đẳng hướng nghĩa là D11= D22=D33=D thì quan

hệ (1.7) lấy dạng Fich quen thuộc

1.1.3 Tính chất dẫn nhiệt của gỗ

Để giải thích và tính toán hệ số biến đổi nhiệt độ theo thời gian sấy, ta phải

nghiên cứu nhiệt dung riêng của gỗ

Theo kết quả nghiên cứu của F.Dunlap nhiệt dung riêng của gỗ hoàn toàn khô không có quan hệ với loại gỗ và khối lượng thể tích khác nhau (γ = 0,23÷1,10 g/cm3), mà chỉ có quan hệ với nhiệt độ

Mối quan hệ đó được biểu thị bằng công thức sau:

C = 0,266 + 0,00116t ( kcal/kg0C) (1.10) Trong đó: C- nhiệt dung riêng (kcal/kg0C)

t- nhiệt độ gỗ (oC)

Khi nhiệt độ thay đổi từ 0÷100oC nhiệt dung riêng bình quân của gỗ hoàn toàn khô được tính bằng công thức trên là 0,324 kcal/kg0C

Nếu Cx là nhiệt dung riêng trung bình của gỗ, Cw là nhiệt dung riêng của nước, ωa là độ ẩm của gỗ (độ ẩm tương đối), Co là nhiệt dung riêng của gỗ hoàn toàn khô thì:

Cx = ωa Cw + (1- ωa) Co (1.12) Nhưng độ ẩm của gỗ thường lấy độ ẩm tuyệt đối làm chuẩn nên:

1

ωω

Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến nhiệt dung riêng còn có thể xác định bằng công thức thực nghiệm sau:

sự biến đổi của nhiệt độ

Trong việc phơi sấy gỗ để áp dụng các biện pháp có hiệu quả nhất cũng cần biết nhiệt dung riêng của không khí và của hơi nước

Do cấu tạo rỗng nên sức dẫn nhiệt của gỗ kém Gỗ rất nhẹ theo Orchoma tính dẫn nhiệt tương đương như amian, mùn cưa,… Đặc điểm này của gỗ được lợi dụng rất nhiều, nhất là trong xây dựng

Gỗ là một vật thể hữu cơ, ngoài vách tế bào còn có nhiều nước, không khí và các chất khác, vì vậy khả năng dẫn nhiệt của nó biến đổi rất nhiều

Gỗ nặng có hệ số dẫn nhiệt cao hơn gỗ nhẹ Khối lượng thể tích bằng nhau loại gỗ nào có độ ẩm cao thì khả năng dẫn nhiệt mạnh

Theo J.D Maclean, quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt, khối lượng thể tích và độ

hở chứa đầy các vật chất khác Chiều xuyên tâm dẫn nhiệt mạnh hơn chiều tiếp tuyến vì có sự tồn tại của tia gỗ

1.2 Những tiến bộ khoa học về sấy gỗ và đặc điểm cấu tạo, tính chất của gỗ keo tai tượng liên quan đến sấy gỗ

Keo tai tượng là một trong những loài cây rừng trồng mọc nhanh Nhưng khả năng chống phá hoại của sinh vật và môi trường sẽ kém hơn gỗ rừng tự nhiên

U Sehmitt và W Liese (Federal Research Centre Frestry and Forest Clermany) (năm 1993) và các công trình nghiên cứu của khoa Chế biến lâm sản, Đai học Lâm nghiệp đã nghiên cứu vấn đề tổn thương và biến màu của gỗ Keo tai tượng sau khi chặt hạ Kết quả nghiên cứu cho thấy sau khi chặt hạ 4 tuần, gỗ Keo tai tượng có hiện tượng biến màu tại vùng tâm gỗ, không bị mối, mọt xâm nhập Các khúc gỗ đã bóc vỏ có hiện tượng nấm xâm nhập trên bề mặt khúc gỗ ở mức độ thấp Do vậy gỗ Keo tai tượng cần được gia công, chế biến trong điều kiện gỗ còn tươi

Những khái niệm về độ ẩm của gỗ: Quá trình sấy gỗ là quá trình rút nước

trong gỗ ra, tức là quá trình làm bay hơi nước trong gỗ Lượng nước trong gỗ tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau Như đã trình bày ở trên trong gỗ tồn tại hai loại nước là nước liên kết và nước tự do

Độ ẩm tuyệt đối của gỗ là hàm lượng nước chứa trong gỗ quy về một đơn

vị trọng lượng gỗ khô kiệt và tính bằng công thức:

Kết hợp (1.18) và (1.19) tỷ số giữa khối lượng gỗ sau khi sấy G2 và trước khi sấy G1 có dạng:

2 2

11

G G

ωω

+

=+ (1.20)

Trong quá trình tính toán, tuỳ theo tình hình thực tế, có thể cần phải biến đổi qua lại giữa hai đơn vị độ ẩm trên dựa vào công thức sau:

Sự biến đổi độ ẩm trong gỗ: Tùy theo lượng nước trong gỗ nhiều hay ít

mà gỗ có tên gọi khác nhau trong sử dụng

Gỗ tươi: là gỗ cây mới chặt hạ, tuỳ theo thời tiết và khí hậu ở mỗi nơi khác

nhau mà độ ẩm gỗ tươi lên xuống thất thường Độ ẩm gỗ tươi thay đổi theo mùa, độ

ẩm cao nhất vào thời kỳ chất dinh dưỡng lưu thơng mạnh Nĩi chung độ ẩm gỗ tươi tăng dần tăng dần từ gốc đến ngọn, từ lõi ra vỏ

Gỗ ướt: Là gỗ ngâm lâu trong nước (gỗ ngâm trong ao hồ, gỗ xuơi bè) Độ

ẩm gỗ ướt cao hơn gỗ tươi

Gỗ phơi khơ: Là gỗ được hong phơi trong khơng khí đến lúc độ ẩm trong gỗ

tương đối ổn định Tuỳ theo nhiệt độ và độ ẩm tương đối khơng khí xung quanh cao hay thấp ta cĩ độ ẩm phơi khơ tương ứng

Độ ẩm gỗ phơi khơ của Đức là 12%, của Liên bang Nga và Trung Quốc là 15% [9] Trong điều kiện nhiệt đới như Việt Nam gỗ phơi khơ cĩ độ ẩm khoảng

15÷18%

Gỗ sấy khơ: Muốn gỗ cĩ tuổi thọ cao và khả năng sử dụng tốt, trước khi

dùng phải đưa vào sấy Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật trong sử dụng mà độ ẩm gỗ sấy

cĩ thể cao hay thấp, nĩi chung đối với yêu cầu chất lượng của sản phẩn độ ẩm tuyệt đối gỗ sấy khoảng 8÷12%

Gỗ khơ kiệt: Sấy gỗ ở nhiệt độ cao trong một thời gian nhất định, nước

trong gỗ bay hơi ra hết, độ ẩm của gỗ gần 0% gọi là gỗ khơ kiệt Trong thực tế sản xuất rất ít khi sấy gỗ khơ đến mức này, nhưng trong phịng thí nghiệm thường sấy đến khơ kiệt

Độ ẩm cân bằng: Nếu để trong mơi trường khơng khí cĩ nhiệt độ và độ ẩm khơng đổi (0% < ϕ < 100%) 2 mẫu gỗ: Ví dụ một mẫu cĩ độ ẩm lớn hơn 30% và một mẫu khác cĩ độ ẩm khoảng 0% Trong quá trình quan sát theo dõi sẽ thấy mẫu

gỗ cĩ độ ẩm cao dần dần khơ

đi và mẫu gỗ khơ bị ẩm dần

lên Quá trình đĩ là quá trình

cân bằng ẩm độ của gỗ

Nhưng quá trình cân bằng

ẩm độ của hai mẫu gỗ trên

tuy ở trong một điều kiện

mơi trường khơng khí như

nhau, vẫn khơng bao giờ

cùng đạt đến một độ ẩm cân

bằng cuối cùng như nhau Vì

2 : quá trình hút ẩm

thế quá trình khô đi của một mẩu gỗ không phải hoàn toàn là một quá trình ngược lại của quá trình hút ẩm của mẩu gỗ ấy Độ ẩm cân bằng quá trình làm khô và quá trình hút ẩm luôn chênh lệch nhau 1 giá trị khoảng 1 ÷ 3%

Quá trình là khô trong môi trường khô khí được biểu diễn đường 1 và quá trình làm ẩm được biểu diễn tên đường 2 trên (hình 1.1)

Điểm bão hoà thớ gỗ: Nếu đặt gỗ tươi, gỗ ướt trong môi trường nào đó (môi

trường không khí hay môi trường sấy…) có nhiệt độ, độ ẩm tương đối của không khí, nước trong gỗ sẽ thoát ra ngoài Khi nước tự do thoát hết, nước thấm còn bão hoà trong vách tế bào Điểm đó gọi là điểm bão hoà thớ gỗ Ngược lại, nếu đặt gỗ khô kiệt hoặc gỗ khô trong môi trường nào đó (môi trường nhân tạo) với nhiệt độ và

độ ẩm không khí nhất định của môi trường, gỗ sẽ hút hơi nước Khi nước thấm bão hoà trong vách tế bào và nước tự do bắt đầu xuất hiện thì điểm đó là điểm bão hoà thớ gỗ và độ ẩm gỗ lúc này là độ ẩm bão hoà thớ gỗ

Nói cách khác điểm bão hoà thớ gỗ là ranh giới giữa nước thấm và nước tự

do Độ ẩm bão hoà thớ gỗ là độ ẩm xác định bởi lượng nước thấm tối đa trong gỗ

Nhiệt độ không khí có ảnh hưởng đến độ ẩm bão hoà thớ gỗ Nhiệt độ tăng,

độ ẩm bão hoà thớ gỗ giảm xuống, từ đó người ta đi đến kết luận: Ở nhiệt độ không khí là 20oC, độ ẩm bão hoà thớ gỗ các loại gỗ bình quân là 30%

Phạm vi biến động của độ ẩm bão hoà thớ gỗ của gỗ Việt Nam, từ

20÷38%[9], với nhiệt độ không khí lúc thí nghiệm là 26oC Nếu nhiệt độ không khí

ở 20oC thì độ ẩm bão hoà thớ gỗ bình quân các loại gỗ nước ta là 30%

Cường độ gỗ, sức co giãn, khả năng dẫn điện v.v… của gỗ chỉ thay đổi khi

độ ẩm gỗ thay đổi trong phạm vi từ độ ẩm 0% đến độ ẩm bão hoà thớ gỗ Cụ thể là khi gỗ khô kiệt bắt đầu hút nước thì hiện tượng giãn nở sản sinh, cường độ gỗ giảm dần, khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tăng lên cho đến lúc độ ẩm gỗ đạt đến điểm bão hoà thớ gỗ Khi đó sức giãn nở đạt đến giá trị tối đa, cường độ chịu nén của gỗ đạt đến mức tối thiểu, khả năng dẫn điện thay đổi rất ít

Từ điểm bão hoà thớ gỗ, độ ẩm tiếp tục tăng lên 50÷100% thậm chí 200% thì thể tích, cường độ, khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt của gỗ cũng không thay đổi Ngược lại, gỗ ướt thoát hơi nước, khi độ ẩm giảm xuống đến dưới điểm bão hoà thớ

gỗ, cường độ gỗ bắt đầu tăng lên, hiện tượng co rút bắt đầu sản sinh, sức dẫn điện, dẫn nhiệt bắt đầu giảm Gỗ khô kiệt, sức co rút và cường độ gỗ đạt đến giá trị tối đa đồng thời gỗ biến thành vật cách điện

1.2.1 Đặc điểm cấu tạo của gỗ keo tai tượng

Điều kiện sinh trưởng, đặc điểm ngoại quan: Keo tai tượng là một trong

hơn 130 loài Acacia, được trồng trên một diện tích rộng thuộc vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới Nơi có diện tích và trữ lượng trồng keo tai tượng lớn là Australia, Malaysia, Philippine,v.v… Keo tai tượng là một loài cây mọc nhanh, tăng trưởng về đường kính có thể đạt 5 cm/năm và chiều cao có thể đạt 5 m/năm trong thời gian từ

1 đến 5 năm tuổi Keo tai tượng phát triển rất nhanh ở độ tuổi 7-8 năm, sau đó tốc

độ tăng trưởng (về thể tích) giảm dần Tốc độ tăng trưởng mạnh nhất cả về chiều cao và đường kính ở 2-4 năm đầu, với mật độ thích hợp là 2mx2m; 2,5mx2,5m Keo tai tượng có thể trồng và phát triển ở nhiều điều kiện địa lý khác nhau kể cả những vùng đất bạc màu, đất khô,v.v…

* Cấu tạo gỗ: Về mặt cấu tạo chúng ta thấy đây là loại gỗ có giác và lõi

phân biệt rõ ràng Những cây ở độ tuổi 10 năm bắt đầu xuất hiện một vùng “gỗ già”, vùng gỗ này gây ra hiện tượng rỗng ruột cho gỗ sau này

Cấu tạo gỗ là nhân tố chủ yếu quyết định đến mọi tính chất của gỗ Cấu tạo được xem như là biểu hiện bên ngoài của tính chất Những biểu hiện bên ngoài về cấu tạo là cơ sở để giải thích các hiện tượng sản sinh trong quá trình gia công chế biến, lựa chọn công nghệ sản xuất phù hợp

Theo nghiên cứu của Lê Xuân Tình (1993) [9], gỗ giác của keo tai tượng màu vàng nhạt, gỗ lõi có màu xám đen Khi cây vừa chặt hạ, chúng ta có thể nhận biết giác và lõi một cách rõ ràng Ở độ tuổi 5-10 năm, tỷ lệ trung bình phần gỗ lõi khoảng 75% Vùng tuỷ cây (đặc biệt ở giai đoạn 10 năm) hình thành một vùng “gỗ già” mềm, xốp, làm giảm độ bền cũng như tỷ lệ lợi dụng gỗ Một trong những nhược điểm của keo tai tượng là rỗng ruột Tỷ lệ rỗng ruột chiếm khoảng 35% thể tích của cây ở độ tuổi từ 9 năm trở lên Đây là một đặc điểm cần đặc biệt quan tâm khi quyết định tuổi chặt hạ cũng như lựa chọn công nghệ và sản phẩm

Keo tai tượng là loài cây mọc nhanh của rừng trồng Vòng năm phần gỗ sớm

và phần gỗ muộn phân biệt không rõ ràng Trên mặt cắt ngang chúng ta quan sát theo vòng năm là những vòng tương đối tròn đều và đồng tâm vây quanh tuỷ Tăng trưởng chiều cao phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện địa lý

Keo tai tượng có thớ gỗ tương đối thẳng và thô; mạch gỗ phân tán tụ hợp đơn

và kép xen kẽ, số lượng mạch gỗ nhiều; tia gỗ có số lượng tương đối nhiều, kích thước trung bình Tổ chức tế bào mô mềm nối tiếp nhau thành từng dây dọc theo thân cây, hình thức phân bố trên mặt cắt ngang vây quanh mạch theo đường tròn không kín

1.2.2 Đặc điểm tích chất của gỗ keo tai tượng

* Tỷ lệ giãn nở

- Gỗ giác: Tỷ lệ giãn nở theo phương dọc thớ: 0,28%

Tỷ lệ giãn nở theo phương xuyên tâm: 2,26%

Tỷ lệ giãn nở theo phương tiếp tuyến: 6,72%

Tỷ lệ giãn nở thể tích: 9,47%

- Gỗ lõi: Tỷ lệ giãn nở theo phương dọc thớ: 0,28%

Tỷ lệ giãn nở theo phương xuyên tâm: 1,64%

Tỷ lệ giãn nở theo phương tiếp tuyến: 5,42%

Tỷ lệ giãn nở thể tích : 7,49%

* Tỷ lệ co rút

- Gỗ giác: Tỷ lệ giãn nở theo phương dọc thớ: 0,33%

Tỷ lệ giãn nở theo phương xuyên tâm: 2,63%

Tỷ lệ giãn nở theo phương tiếp tuyến: 6,95%

Tỷ lệ giãn nở thể tích : 10,34%

- Gỗ lõi: Tỷ lệ giãn nở theo phương dọc thớ: 0,3%

Tỷ lệ giãn nở theo phương xuyên tâm: 1,86%

Tỷ lệ giãn nở theo phương tiếp tuyến: 6,04%

Tỷ lệ giãn nở thể tích : 8,18%

* Khối lượng thể tích

- Khối lượng thể tích trung bình : 0,477 g/cm3

- Gỗ giác: Khối lượng thể tích gỗ khô kiệt: 0,53 g/cm3

Khối lượng thể tích cơ bản: 0,47 g/cm3

- Gỗ lõi: Khối lượng thể tích gỗ khô kiệt: 0,45g/cm3

Khối lượng thể tích cơ bản: 0,42g/cm3

1.2.3 Một số tính chất cơ học chủ yếu của gỗ Keo tai tượng

* Ứng suất ép

- Ứng suất ép dọc của gỗ giác: 81,0 MPa

- Ứng suất ép dọc của gỗ lõi : 66,5 MPa

- Ứng suất ép ngang toàn bộ tiếp tuyến của gỗ giác : 4,782 MPa

- Ứng suất ép ngang toàn bộ xuyên tâm của gỗ giác : 5,93 MPa

- Ứng suất ép ngang toàn bộ tiếp tuyến của gỗ lõi : 4,51 MPa

- Ứng suất ép ngang toàn bộ xuyên tâm của gỗ lõi : 5,31 MPa

- Ứng suất ép ngang cục bộ tiếp tuyến của gỗ giác : 7,50 MPa

- Ứng suất ép ngang cục bộ xuyên tâm của gỗ giác : 9,23 MPa

- Ứng suất ép ngang cục bộ tiếp tuyến của gỗ lõi : 6,75 MPa

- Ứng suất ép ngang cục bộ xuyên tâm của gỗ lõi : 6,15 MPa

* Ứng suất uốn tĩnh

- Ứng suất uốn tĩnh của gỗ giác : 94,6 MPa

- Ứng suất uốn tĩnh của gỗ lõi : 87,1 MPa

*Mô đun đàn hồi

- Mô đun đàn hồi của gỗ giác : 9,35 x 103 MPa

- Mô đun đàn hồi của gỗ lõi : 8,24 x 103 MPa

* Độ cứng tĩnh của gỗ

- Gỗ giác: Mặt cắt ngang: 46,20 MPa Mặt cắt tiếp tuyến: 36,97 MPa Mặt cắt xuyên tâm: 34,70 MPa

Thành phần hoá học

Theo tác giả R.H.M.J.Lemme [21] thành phần chủ yếu của gỗ keo tai tượng

được thể hiện trong bảng sau:

Trong chương này chúng tôi đã đưa ra được một số nội dung như sau:

- Quy luật TNTC trong vật liệu sấy

- Tổng quan về công nghệ sấy gỗ và các chế độ sấy trong nước và trên thế

giới

- Các cấu tạo và các tính chất cũng như ảnh hưởng của nó đến quá trình sấy

gỗ

VỚI ĐIỀU KIỆN BIÊN LOẠI BA TRONG TẤM PHẲNG

Trong chương này chúng tôi sẽ khảo sát quy luật TNTC của một tấm phẳng đặt trong môi trường tác nhân sấy Gần đúng có thể xem đây là bài toán TNTC của một tấm phẳng với điều kiện biên loại 3 đối xứng (hình 2.1) Ở đây α1, α2 tương ứng là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và hệ số trao đổi ẩm đối lưu trên hai mặt của tấm phẳng với chiều dày 2δ (m) đồng chất và đẳng hướng với hệ số dẫn nhiệt λ có nhiệt độ ban đầu là t0 được đặt trong môi trường có nhiệt độ tf

2.1 Quy luật dịch chuyển nhiệt - chất trong vật liệu sấy

Quy luật dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm trong các VLS là những quá trình không thuận nghịch liên hợp, dòng nhiệt J1 và dòng ẩm J2 tuân thủ quan hệ tuyến tính Ondager

= , (m, n = 1,2) thì rõ ràng các hệ số λm (m,n= 1,2) là các hàm số của các thế dịch chuyển θ1và θ2 Nói các khác, theo nhiệt động học các quá trình không thuận nghịch thì bài toán dịch chuyển nhiệt - ẩm trong các vật liệu sấy luôn luôn là bài toán phi tuyến Tuy nhiên, để đơn giản trong tài liệu [6, 11] bài toán dẫn nhiệt và khuyếch tán ẩm trong vật liệu sấy được xem là tuyến tính

Các hệ số λm(m,n = 1,2) tuy không thỏa mãn quan hệ đối xứng nhưng giữa chúng có mối quan hệ sau đây:

2.2 Hệ phương trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm trong vật liệu sấy

Hiện tượng dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm trong vật liệu là hiện tượng thường gặp trong nhiều quá trình công nghệ Trên cơ sở cân bằng nhiệt lượng và vật chất

người ta đã thiết lập được hệ phương trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm trong vật liệu

Phương trình dẫn nhiệt có thể thu được bằng 3 phương pháp [5, 6], cơ sở của phương pháp thứ nhất là: cân bằng nhiệt và biểu diễn dòng nhiệt tại điểm lân cận dưới dạng khai triển Taylor

Phương pháp thứ hai là dựa trên cơ sở cân bằng nhiệt và nguyên lý Gauss chuyển tích phân bề mặt sang tích phân thể tích

Phương pháp thứ ba từ phương trình dẫn nhiệt thu được trên cơ sở nguyên lý hai của nhiệt động học khi xem quá trình dẫn nhiệt là quá trình không thuận nghịch Sau đây chúng tôi trình bày cách thu được hệ phương trình dẫn nhiệt và khuyếch tán ẩm trong vật liệu sấy theo phương pháp thứ nhất Khi đó, xét cân bằng nhiệt ẩm một phân tố vô cùng nhỏ dxdydz như hình 2.2

Xét nhiệt lượng và lượng ẩm mà phân tố (dxdydz) nhận được do dẫn nhiệt và khuyếch tán ẩm theo hướng OX Khi đó, như trên hình 2.2 ta ký hiệu dòng nhiệt và

dòng ẩm tại điểm (x,y,z) tương ứng J1x và J2x Tương tự, dòng nhiệt và dòng ẩm tại điểm (x+dx) là J1(x+dx) và J2(x+dx) Nếu xem dòng nhiệt và dòng ẩm như là các hàm số của biến x thì theo khai triển Taylor các dòng tại điểm x+dx có thể biểu diễn dưới dạng:

Tương tự, có thể thấy do dẫn nhiệt và khuyếch tán ẩm mà phân tố (dxdydz)

đã nhận được theo hướng Oy và Oz một nhiệt lượng và lượng ẩm tương ứng bằng :

1 1

y y

y y

( 11 1) ( 12 2)

∆ = ∆ +∆ +∆ = ∇⎣ ∇ +∇ ∇ ⎦ (2.14) ∆J2= ∆J2x+ ∆J2y+ ∆J2z = ∇⎡⎣ (λ21 1∇θ ) (+∇ λ22∇θ2)⎤⎦dxdydz (2.15)

Nhiệt lượng và lượng ẩm mà phân tố (dxdydz) nhận được theo nguyên lý cân bằng nhiệt - ẩm, chỉ làm thay đổi nhiệt độ và thế dẫn ẩm theo thời gian Do đó, nếu

ký hiệu C1 và C2 tương ứng là nhiệt dung riêng và ẩm dung riêng thì chúng ta có thể viết:

22 2 2

a x

Kết luận

Khi xét quá trình dẫn nhiệt và khuyếch tán ẩm riêng lẻ trong vật liêu sấy với điều kiện loại 3 chúng ta nhận thấy về mặt toán học nghiệm của bài toán dẫn nhiệt thuần túy với điều kiện biên loại ba (2.20) - (2.21) cũng là nghiệm của bài toán khuyếch tán ẩm (2.24) - (2.26) có cùng dáng điệu, chúng chỉ khác nhau về các hệ số nào đó

Từ mô hình toán học dưới dạng véc tơ ma trận (2.23) - (2.26) có thể khẳng định rằng khi tính đến ảnh hưởng lẫn nhau giữa dẫn nhiệt và khuyếch tán ẩm hoặc không ảnh hưởng lẫn nhau về mặt toán học quá trình dẫn nhiệt và dẫn ẩm liên hợp trong vật liệu sấy nói chung và vật liệu sấy dạng tấm phẳng nói riêng cũng hoàn toàn tương tự nhau Nói cách khác, khi đó dáng điệu của phân bố nhiệt độ và thế dẫn ẩm là như nhau

Trên cơ sở tính tương tự về quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm khi bỏ qua hoặc khi tính đến ảnh hưởng lẫn nhau giữa hai quá trình đó [3], chúng tôi sẽ đề xuất một phương pháp mới xác định thời gian sấy Vấn đề này chúng tôi sẽ trình bày trong phần sau

2.3 Nghiên cứu giải tích bài toán truyền nhiệt truyền chất với điều kiện biên loại ba đối xứng bằng phương pháp biến đổi Laplace

Ta xét một tấm phẳng rộng vô hạn có chiều dày 2δ, nhiệt độ ban đầu t0 được đốt nóng với nhiệt độ tf > t0 hay làm nguội nhờ trao đổi nhiệt đối lưu với môi trường

tà tf và tf < t0 Thực hiện trao đổi nhiệt với môi trường theo định luật Newto, đầu k Bài toán đặt ra là hãy xác định nhiệt độ t(x, τ) nếu biết hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa hai bề mặt tấm phẳng với môi trường tương ứng là α1 và α2 và không thay đổi Nếu môi trường α1 = α2 = α là bài toán đốt nóng và làm nguội đối xứng Trong giới hạn của đề tài chỉ xét bài toán đốt nóng với điều kiện biên loại ba đối xứng

Mô hình toán học của bài toán được thể hiện như sau

2 2

2.3.1 Nghiệm của bài toán

Có nhiều phương pháp giải bài toán (2.28) – (2.31) như: phương pháp biến đổi tích phân Fourier, phương pháp biến đổi tích phân laplace, phương pháp biến phân Bio, phương pháp mạng,… trong đề tai chúng tôi sử dụng phương pháp biến đổi tích phân Laplace

Phương trình (2.28) với các điều kiện đơn trị (2.29) – (2.31) dưới dạng ảnh bằng:

( ) ( )

0 2

− + ⎢ − ⎥

t t A

Nghiệm (2.39) hoàn toàn thỏa nãm điều kiện của định lý khai triển giới thiệu trong phần trên Khi đó để tìm nghiệm của phương trình ψ(s) = 0 chúng ta có thể sử dụng quan hệ chz = cosiz và shz=1/i(siniz) và được:

( ) 0 2

n 2 1

n 0

1 0

2 ,

1 1 n n os Xexp

-n n

∞ +

Phương trình (2.46) là hàm đơn trị của tiêu chuẩn Bi

Như vậy, nghiệm của phương trình (2.45) là hàm của toạ độ không thư nguyên X và các tiêu chuẩn Bi, F0 hay θ = f(Bi, Fo, X) trong thực tế người ta quan tâm chủ yếu là nhiệt độ bề mặt (X=1) và nhiệt độ tâm X=0 Vì vậy dựa vào nghiệm của phương trình (2.45) người ta xây dựng biểu đồ tính toán nhiệt độ trên bề mặt và nhiệt độ ở tâm của tấm phẳng theo Bi và Fo

Như vậy từ việc giải phương trình và phân tích nghiệm của phương trình có thể chứng minh được khi Bi →∞ thì µn = (2n-1)π/2 và nghiệm của phương trình (2.43) sẽ lấy dạng:

( )

( ) ( )1 ( ) ( )2 2

0

0 1

( ) 0 ( )

0 0

0

1 nexp - n

n f

Q(0→τ1)=Qn(0→∞)- Qn(τ1→∞)

Chúng ta tính các nhiệt lượng Qn(0→∞) và Qn(τ1→∞) thông qua sự biến đổi nội năng của tấm phẳng

Nếu gọi F- diện tích của tấm phẳng

C- là nhiệt dung riêng của tấm và t(τ1→ ∞ ) là nhiệt độ trùn bình của vật từ thời điểm τ1 đến thời điểm làm nguôi τ = ∞ thì:

(0 1) 2 (0 f) 2 ( 1 , ) f

Q →τ = δFc t −t − δFc t⎡⎣ τ ∞ −t ⎤⎦

Hay

2.5 Các phương pháp xác định thời gian sấy hiện có

2.5.1 Cơ sở thành lập chế độ sấy

Quá trình sấy là quá trình rút ẩm từ trong gỗ ra sao cho gỗ có được một trạng thái ẩm độ đồng đều trong gỗ, đạt yêu cầu về độ ẩm mong muốn trong sử dụng, bảo đảm chất lượng của gỗ sấy theo yêu cầu của từng hạng chất lượng gỗ sấy, rút ngắn được thời gian sấy đến mức thấp nhất và quá trình sấy kinh tế nhất là một việc làm rất phức tạp [2]

Trên cơ sở phân tích về ứng suất và biến dạng xảy ra trong các giai đoạn của quá trình sấy và tìm hiểu rõ về bản chất của các quá trình dẫn ẩm, thoát ẩm trong gỗ

và yêu cầu về chất lượng của nguyên liệu sấy, có thể đi đến những kết luận sau đây:

Chênh lệch độ ẩm ở các vùng khác nhau trong ván (sự phân bố độ ẩm không đồng đều trên tiết diện ngang của ván) trong quá trình sấy là không thể tránh khỏi

Để giảm bớt ứng suất bên trong gỗ sấy, cần thiết phải hạn chế mức độ bay hơi trên bề mặt gỗ trong giai đoạn sấy đầu khi độ ẩm của lớp gỗ ngoài mặt bắt đầu

hạ xuống dưới điểm bão hòa thớ gỗ, tức là cần thiết phải sử dụng môi trường sấy có

độ ẩm cao trong giai đoạn đầu của quá trình sấy

Để giảm bớt (hoặc thủ tiêu) ứng suất bên trong gỗ ở giai đoạn giữa và giai đoạn cuối của quá trình sấy, tùy theo mức độ yêu cầu cần thiết (chất lượng gỗ sấy) cần xử lý nguyên liệu sấy bằng không khí có độ ẩm cao và nhiệt độ cao, để làm cho lớp gỗ bề mặt của ván dẻo hơn và qua đó sẽ tạo điều kiện dễ dàng làm cân bằng ứng suất bên trong gỗ sấy (xử lý giữa chừng và xử lý cuối)

Những kết luận sơ bộ trên đã đặt ra tiền đề cho việc điều tiết khống chế quá trình sấy, tức là tiền đề để dẫn đến việc thành lập chế độ sấy

Chế độ sấy [12]: qui định những giá trị nhiệt độ và độ ẩm của môi trường sấy

và qui định tuần tự tiến hành điều tiết quá trình sấy Hay nói cách khác, chế độ sấy

là nhiệt độ và độ ẩm của môi trường sấy cho các giai đoạn của quá trình sấy

Chế độ sấy có tốt hay không là ở chỗ có thực hiện được nhiệm vụ sấy cơ bản sau đây hay không : Rút ẩm trong thời gian ngắn nhất mà không làm tổn thương đến

gỗ, tức là bảo đảm yêu cầu về chất lượng của gỗ sấy và yêu cầu kinh tế trong khi sấy gỗ (rút ngắn thời gian sấy gỗ)[8]

Xuất phát từ việc phân tích quá trình dẫn ẩm, thoát ẩm trong gỗ và phân tích hiện tượng ứng suất bên trong gỗ trong quá trình sấy và bảo đảm yêu cầu về chất lượng của gỗ sấy, ta đi đến những nhận xét sau đây làm cơ sở cho việc thành lập chế độ sấy Thường gỗ trước khi sấy đều được làm nóng lên đến nhiệt độ bằng hoặc cao hơn nhiệt độ khi bắt đầu sấy một ít, nhằm mục đích tạo điều kiện cho ẩm ở bên trong gỗ di chuyển từ bên trong ra ngoài mặt gỗ và bay hơi nhanh hơn

Trong giai đoạn đầu của quá trình sấy, không cho phép làm giảm độ ẩm của lớp bề mặt gỗ một cách quá nhanh và đột ngột, bởi vì mức độ chênh lệch độ ẩm của

gỗ ∆ω = ω trong – ω mặt mà quá lớn gỗ sẽ rất dễ bị nứt bề mặt, điều này rất dễ xảy ra khi độ ẩm của gỗ lớn hơn điểm bão hòa thớ gỗ

Nhiệt độ của môi trường sấy có thể tăng dần từ khi bắt đầu sấy cho đến lúc kết thúc sấy Điều ấy là phù hợp và cần thiết để tăng tốc độ sấy ở các giai đoạn sấy

về sau, vì khi độ ẩm của gỗ xuống dưới điểm bão hòa thớ gỗ, thì tốc độ sấy sẽ giảm dần

2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy

Thời gian sấy phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, việc xác định một cách

chính xác thời gian sấy là một việc làm khó khăn và cần được xem xét đánh giá một cách tỷ mỷ và chính xác các tác động của các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy

Ảnh hưởng của loại gỗ: Như ở môn học "khoa học gỗ" đã có dịp đề

cập, các loại gỗ khác nhau thường có cấu tạo và tính chất rất khác nhau, do đó

có ảnh hưởng rất đáng kể đến thời gian sấy Qua kinh nghiệm thực tế cho phép ta điều tiết thời gian sấy thông qua các hệ số điều chỉnh thời gian sấy theo loại gỗ sau đây:

Ảnh hưởng của khối lượng riêng: Thông thường, gỗ có khối lượng

riêng càng lớn thì tốc độ thoát ẩm càng chậm, càng dễ sản sinh khuyết tật sấy

và do vậy thời gian sấy càng kéo dài Khối lượng riêng của gỗ là một chỉ tiêu đặc trưng cho từng loại gỗ và trong kỹ thuật sấy, khối lượng riêng của gỗ cũng là một chỉ tiêu quan trọng làm cơ sở cho việc phân nhóm gỗ sấy, và do

đó có ảnh hưởng đáng kể đến thời gian sấy

Ảnh hưởng của qui cách gỗ sấy: Qui cách ván được xem xét theo 3 chiều: bề dày, bề rộng và chiều dài, trong đó bề dày của ván có ảnh hưởng rất lớn đến thời gian sấy Gỗ càng dày sấy càng lâu khô và nguy cơ sản sinh các khuyết tật sấy càng lớn và do đó phải sấy với chế độ sấy càng mềm và càng kéo dài thời gian sấy

Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ càng cao sẽ làm tăng tốc độ dẫn ẩm

và bay hơi của nước và do đó gỗ càng nhanh khô Tuy nhiên, để có được chất

lượng sấy tốt, tùy theo từng loại gỗ, cần cân nhắc lựa chọn một nhiệt độ sấy

thích hợp để vừa đảm bảo khô nhanh mà không ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng sấy