Гидротермическая обработка и консервирование материалов

 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

Р. Р. Сафин, А. И. Шагеева

ГИДРОТЕРМИЧЕСКАЯ 

ОБРАБОТКА 

И КОНСЕРВИРОВАНИЕ 

МАТЕРИАЛОВ

Практикум

Казань

Издательство КНИТУ

2020

УДК 674.04(076)
ББК 37.130.3я7

С12

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук Е. Ю. Разумов
канд. техн. наук П. А. Кайнов

С12

Сафин Р. Р.
Гидротермическая обработка и консервирование материалов : практикум / Р. Р. Сафин, А. И. Шагеева; Минобрнауки России, Казан. нац. 
исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. – 96 с.

ISBN 978-5-7882-2865-5

Приведены краткие теоретические сведения по процессам гидротермической 

обработки и консервирования материалов, описание материальной части лабораторных установок, методики проведения, порядок обработки результатов эксперимента и требования к оформлению отчета.

Предназначен для бакалавров направлений подготовки 35.03.02 «Технология 

лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств», 08.03.01 «Строительство» и 29.03.04 «Технология художественной обработки материалов».

Подготовлен на кафедре архитектуры и дизайна изделий из древесины

ISBN 978-5-7882-2865-5
© Сафин Р. Р., Шагеева А. И., 2020
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2020

УДК 674.04(076)
ББК 37.130.3я7

В в е д е н и е

Под гидротермической обработкой материалов понимаются про
цессы воздействия на них тепла, влажного газа или жидкости с целью 
изменения температуры и влажности материала или введения веществ, 
улучшающих его технологические и эксплуатационные характеристики.

Процессы гидротермической обработки базируются на физиче
ских явлениях переноса, в частности, на явлениях тепло- и массообмена 
материала с окружающей средой. По своим особенностям и назначению они разделяются на три группы:

1. Процессы тепловой обработки, связанные с нагреванием мате
риала и поддержанием его температуры в течение определенного времени на заданном уровне.

2. Процессы сушки, связанные со снижением влажности материала.
3. Процессы пропитки, связанные с введением в материал ве
ществ, изменяющих его свойства.

Предметом настоящего курса является изучение основ теории 

и методов решения задач по процессам тепловой обработки, сушки 
и пропитки.

3

Л а б о р а т о р н а я  р а б о т а 1

П О С Т Р О Е Н И Е  Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н О Й  К Р И В О Й  

Н А Г Р Е В А Н И Я

Цель работы: приобретение навыков расчета процессов нагрева
ния бетона и древесины в жидкостях или насыщенном паре.

Описание экспериментальной установки

Нагревание образцов бетона и древесины производится в специ
альных установках, температура пара и воды в которых автоматически 
поддерживается на заданном уровне. Устройство установок, форма 
и размеры образцов могут быть различными.

Рассмотрим устройство установок и методику проведения лабора
торной работы, принятые в КНИТУ.

В лабораторной работе применяются ультратермостаты, обеспечи
вающие поддержание с высокой точностью температуры в широком 
диапазоне как положительных, так и отрицательных (совместно с аккумулятором холода) значений, парильная и сушильная камеры (рис. 1.2).

Ультратермостат имеет следующие технические характеристики:

– питание
220 в 50 Гц

– номинальная потребляемая мощность
1900 Вт

– диапазон регулирования мощности нагрева
от 600 Вт
до 1500 Вт

– диапазон номинальных температур
от –50
до +200 °С

– точность регулирования температуры
 0,05 °С

– производительность насоса
7 л/мин

– емкость бака термостатируемой жидкости
15 л

– вес нетто
27 кг

Ультратермостат состоит из двух основных узлов: узла бака тер
мостатируемой жидкости и расположенного над ним узла нагрева и 
управления (рис. 1.1). Бак 1 служит в качестве емкости термостатирующей жидкости. Корпус бака 2 имеет форму прямоугольного параллепипеда, в нижней части которого расположен сливной кран. 

Рис. 1.1. Конструкция ультратермостата (а) и зажимного

устройства (б): 1 – бак термостатируемой жидкости; 2 – корпус 

бака; 3 – основная плита; 4 – вороток подъемного устройства; 
5 – насос-смеситель; 6 – корпус; 7 – выключатель нагревателя; 

8 – выключатель насоса-смесителя; 9 – контрольная лампа «прибор 
под напряжением»; 10 – контрольная лампа нагревателя; 11 – ползун 

регулятора мощности; 12 –нагреватель; 13 – контактный 

термометр; 14 – магнитная головка контактного термометра; 

15 – контрольный термометр; 16 – образец; 17 – нижняя пластина 

зажимного устройства; 18 – верхняя пластина зажимного 

устройства; 19 – датчик температуры; 20 – зажимная гайка

Основная плита 3 является несущей конструкцией для большинства 

узлов ультратермостата. Прибор оборудован подъемным устройством, 
расположенным в полости бака 1, которое служит для перемещения в нем 
опытных образцов. Глубина погружения устанавливается воротником 4. 
Над основной плитой 3 расположен нагревательный узел и электродвигатель насоса-смесителя 5, закрытые корпусом 6. На его лицевой панели 
находятся: выключатель нагревателя 7; выключатель насоса-смесителя 8; 
контрольная лампа «прибор под напряжением» 9; контрольная лампа 
нагревателя 10; ползун регулятора мощности нагрева 11.

Нагревательный узел состоит из системы разогрева и системы стаби
лизации температуры, которые выполнены на полупроводниках. Система 

разогрева обеспечивает максимальную интенсивность нагрева жидкости в 
баке 3 нагревателем 12 с момента его включения до времени достижения 
заданной температуры. После достижения заданной температуры система 
автоматически переключается таким образом, что мощность, потребляемая регулятором, зависит от положения ползуна потенциометра 11.

Система стабилизации температуры работает по сигналам кон
тактного термометра 13, представляющего собой обычный ртутностеклянный термометр, в капилляр которого введен подвижной контакт 
в виде тонкого проводника. Вторым контактом является ртуть термометра. Перемещение подвижного контакта при установке заданной температуры осуществляется поворотом магнитной головки 14. В результате благодаря магнитному полю происходит поворот винта, посаженного во вращающихся, но закрепленных от продольного перемещения 
упорах. Подвижный контакт перемещается по гайке, соединенной 
с винтом. Пока температура термостатируюмой жидкости не достигнет 
заданной, ртуть не доходит до подвижного контакта, расположенного 
сверху, и нагреватель остается включенным. При достижении заданной 
температуры контакты замыкаются, и регулятор вырабатывает сигнал 
на отключение нагревателя. Температуру термостатируемой жидкости 
показывает контрольный термометр 15.

Приводимый от низкооборотного двигателя насос-смеситель обеспе
чивает выравнивание температуры по всему объему термостатируемой 
жидкости. Температура древесины измеряется при помощи термоэлементов (термопар). Действие термопар основано на возникновении термоэлектродвижущей силы в контуре, составленном из двух различных металлов 
(или сплавов) со спаями, нагретыми до разных температур (эффект Пельтье). Величина сигнала для каждой пары металлов зависит только от температуры спаев. Наиболее распространенными являются термопары медьконстантановые, хромель-копелевые, хромель-алюмелевые. В лабораторной работе используются широко применяемые в технике гидротермической обработки древесины хромель-копелевые термопары, устойчиво работающие в окислительной среде и имеющие линейную градуировочную 
кривую (зависимость меду температурой и развиваемой термопарой термоэлектродвижущей силой) при температуре до 100 °С. Термопара развивает термоэлектродви-жущую силу, пропорциональную разности температур между горячим спаем, помещенным в измеряемую среду (в нашем 
случае древесина), и так называемым холодным спаем. Цепь термопары 

состоит из двух термоэлектродов и вторичного прибора, включенного в 
разрыв одного из них.

Рис. 1.2. Конструкция установки для пропаривания бетона (а) 

и сушильного вакуумного шкафа Memmert Vo 400 (б):

1– нижняя емкость камеры пропаривания; 2 – верхняя емкость 

камеры пропаривания; 3 – крышка камеры пропаривания;
4 – электродвигатель; 5 – многоканальный измеритель 
температуры; 6 – термопары; 7 – исследуемый образец; 

8 – решетка; 9 – розетка; 10 – термополка; 11– дополнительный 

термоподдон; 12 – основной выключатель модуля насоса; 

13 – вакуумный насос

В лабораторной работе для измерения температуры в качестве

вторичного прибора используется многоканальный электронный автоматический самопишущий потенциометр типа КСП-4. Потенциометр 
имеет систему компенсации погрешности от непостоянства температуры холодных спаев термопар, расположенных на водных клеммах 
прибора. Запись измеряемых температур производится на диаграмную 
ленту циклично отпечатываемыми точками и стоящими рядом цифрами, указывающими номера измерительных каналов. Кинематическая 
схема привода печатающего барабана устроена так, что значения температур конкретного канала печатаются через 144 с (2,4 мин), независимо от скорости перемещения диаграмной ленты.

В лабораторной работе измеряется температура внутри цилиндриче
ских образцов материалов диаметрами 30–35 мм, длиной 120–160 мм. Измерение температуры в камере пропаривания осуществляется за счет хромель-копелевой термопары, которая соединяется с многоканальным измерителем температуры. Для определения температуры внутри древесины 
горячие спаи термопар, вмонтированные в металлические защитные корпуса, плотно вставляются в отверстия, заранее высверленные в образцах.

Последовательность работы во время эксперимента

1. Образец древесины взвешивают на технических весах и рассчи
тывают его массу Gн; несколькими замерами определяют его расчетную 
длину lp и диаметр dp для вычисления объема V. Далее по известной 
заранее массе образца в абсолютно сухом состоянии Gсух рассчитывают 
его влажность W и базисную плотность ρб. Все данные заносятся в рабочую тетрадь. Фиксируют и заносят в тетрадь координату точки по 
толщине (рис.1.3), где размещается горячий спай термопары x/R
(x – наименьшее расстояние по радиусу от центра отверстия до боковой 
поверхности, R – радиус цилиндра).

Датчик температуры плотно, но без лишних усилий вводят в отвер
стие в образце. Далее образец 16 вставляют в зажимное устройство (рис.
1.1) между нижней (17) и верхней (18) пластинами так, чтобы выступающая часть датчика 19 попала в прорезь верхней пластины. После этого с 
помощью гайки 20 образец плотно фиксируют в зажимном устройстве. 
Включают потенциометр и одновременно с помощью воротка 4 опускают 
образец в воду так, чтобы ее уровень на 2–3 мм не доходил до его торца.

Опыт заканчивается при полном прогреве древесины (показания 

потенциометра перестают изменяться и становятся равны температуре 
среды tc ). После достижения этого условия установка выключается 
и путем вращения воротка 4 зажимное устройство вместе с образцами 
переводится в верхнее положение.

Рис. 1.3. Схема размещения термопары в образце

2. Образец бетона взвешивается на технических весах и рассчиты
вают его массу 𝐺н; расчетную длину 𝑙𝑝 и диаметр 𝑑𝑝 для вычисления 
объема V. Далее по известной массе образца до пропаривания и объему 
вычисляют плотность бетона 𝜌 (кг/м3). Все данные заносят в рабочую 
тетрадь. Фиксируют и заносят в тетрадь координату точки по толщине 
(рис.
1.3), где размещается хромель-копелевая термопара x/R

(x – наименьшее расстояние по радиусу от центра отверстия до боковой 
поверхности, R – радиус цилиндра).

Хромель-копелевая термопара 6 вводится в исследуемый образец 

бетона 7 и соединяется с измерителем температуры 5 (рис. 1.2). В течение цикла пропаривания каждые 30 мин замеряется масса образца путем взвешивания с точностью 1 г. Для этого установка снабжена электронным секундомером для отсчета времени тепловлажностной обработки (ТВО) и электронными техническими весами с наибольшим пределом взвешивания 10 кг и дискретностью 1 г. Образец вынимается из 
пропарочной камеры и накрывается полиэтиленовой пленкой, для предупреждения испарения влаги с открытой поверхности образца, взвешивается, рассчитывается масса образца в течение пропаривания G1
и устанавливается обратно в камеру. После ТВО образец взвешивается 
на технических весах, рассчитывается его масса G2; делаются замеры 
длины l2, ширины b2 и высоты образца h для вычисления объема V
и плотности бетона 𝜌после пропаривания. Затем образец помещается 
в сушильный шкаф и высушивается до постоянной массы при температуре (105±5) °С. Сухой образец взвешивается и по данным о массе образца в начале эксперимента 𝐺н, в течение ТВО G1, после пропаривания
G2 и после сушки 𝐺Кнаходится влагосодержание бетона в соответствующие моменты времени. Опыт заканчивается при полном затвердении 
образца бетона.

Снимается диаграммная лента. Записанные на ней значения тем
ператур 𝑡𝑥 (первое из которых соответствует начальной температуре 
образца древесины и бетона 𝑡0) переносятся в бланк наблюдений. Величина скорости перемещения диаграммной ленты 𝜔 и тарировочный 
коэффициент 𝐾𝑡 согласовывается с руководителем работы. Интервал 
времени 144 с (2,4 мин).

После окончания опыта руководитель работы подписывает бланк 

наблюдений. На основании бланка наблюдений на миллиметровой бумаге строится кривая нагревания 𝑡 = 𝑓(𝜏).

Построение расчетной кривой нагревания

Основные положения. Расчетная кривая нагревания древесины 

строится на основании аналитической зависимости между температурой t в определенной точке и временем 𝜏. Как известно, эта связь выражена дифференциальным уравнением теплопроводности, которое используется для расчетов.

Дифференциальное уравнение теплопроводности для одномер
ного цилиндра (перенос тепла только по радиусу) имеет вид

𝜕𝑡

𝜕𝜏 = 𝑎 (

𝜕2𝑡

𝜕𝑥2 +

1

𝑥

𝜕𝑡

𝜕𝑥).
(1.1)

Здесь а – коэффициент температуропроводности, равный

𝑎 =

𝜆

𝑐𝜌,
(1.2)

где𝜆 – коэффициент теплопроводности тела; с – его удельная теплоемкость; 𝜌 – плотность; х – координата по направлению радиуса цилиндра.

Краевые условия, необходимые для решения уравнения (1.1) со
стоят из начальных и граничных условий. Наиболее естественные 
начальные условия состоят в равномерном, до нагревания, распределении температуры 𝑡0 по сечению:

𝑡(𝜏 = 0, 𝑥) = 𝑡0 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡.
(1.3)

Граничные условия (ГУ), характеризующие закон взаимодействия 

между средой и поверхностью тела, в общем случае можно записать 
(ГУ III рода) в виде

𝛼(𝑡𝑐 − 𝑡п) = −𝜆 |

𝑑𝑡

𝑑𝑥|

𝑥 = 0,
(1.4)

где 𝛼 – коэффициент теплообмена; 𝑡𝑐 – температура среды; 𝑡п – температура поверхности.

В (1.4) принято, что начало отсчета координаты х находится на 

поверхности. ГУ, записанные в (1.4), показывают то, что температура 
поверхности 𝑡п в процессе нагревания постепенно повышается от 
начальной температуры 𝑡0 до температуры среды 𝑡𝑐.

В воде, также как и в насыщенном паре, процесс нагревания про
исходит весьма интенсивно, коэффициент теплообмена 𝛼 стремится 
к большой величине (в теплофизическом смысле – к бесконечности), 
что при постоянном потоке тепла от поверхности в тело (правая часть 
уравнения (1.4)) приводит к стремлению разности (𝑡𝑐 − 𝑡п) к нулю. Отсюда граничные условия при интенсивном теплоподводе (ГУ I рода, являющиеся частным случаем ГУ III рода):

𝑡п = 𝑡𝑐.
(1.5)