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 : практи-
кум / 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 лабора-
торных установок, методики проведения, порядок обработки результатов экспе-
римента и требования к оформлению отчета.

Предназначен для бакалавров направлений подготовки 35.03.02 «Технология 

лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств», 08.03.01 «Стро-
ительство» 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 назначе-
нию они разделяются на три группы:

1. Процессы тепловой обработки, связанные с нагреванием мате-

риала и поддержанием его температуры в течение определенного вре-
мени 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 акку-
мулятором 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 термостатирую-
щей жидкости. Корпус бака 2 имеет форму прямоугольного параллепи-
педа, 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 электродвига-
тель 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, потребляе-
мая регулятором, зависит от положения ползуна потенциометра 11.

Система стабилизации температуры работает по сигналам кон-

тактного термометра 13, представляющего собой обычный ртутно-
стеклянный термометр, в капилляр которого введен подвижной контакт 
в виде тонкого проводника. Вторым контактом является ртуть термо-
метра. Перемещение подвижного контакта при установке заданной тем-
пературы осуществляется поворотом магнитной головки 14. В резуль-
тате благодаря магнитному полю происходит поворот винта, посажен-
ного 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 термоэлемен-
тов (термопар). Действие термопар основано на возникновении термоэлек-
тродвижущей силы в контуре, составленном из двух различных металлов 
(или сплавов) со спаями, нагретыми до разных температур (эффект Пель-
тье). Величина сигнала для каждой пары металлов зависит только от тем-
пературы спаев. Наиболее распространенными являются термопары медь-
константановые, хромель-копелевые, хромель-алюмелевые. В лаборатор-
ной работе используются широко применяемые в технике гидротермиче-
ской обработки древесины хромель-копелевые термопары, устойчиво ра-
ботающие в окислительной среде и имеющие линейную градуировочную 
кривую (зависимость меду температурой и развиваемой термопарой тер-
моэлектродвижущей силой) при температуре до 100 °С. Термопара разви-
вает термоэлектродви-жущую силу, пропорциональную разности темпе-
ратур 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 авто-
матический самопишущий потенциометр типа КСП-4. Потенциометр 
имеет систему компенсации погрешности от непостоянства темпера-
туры холодных спаев термопар, расположенных на водных клеммах 
прибора. Запись измеряемых температур производится на диаграмную 
ленту циклично отпечатываемыми точками и стоящими рядом циф-
рами, указывающими номера измерительных каналов. Кинематическая 
схема привода печатающего барабана устроена так, что значения тем-
ператур конкретного канала печатаются через 144 с (2,4 мин), незави-
симо от скорости перемещения диаграмной ленты.

В лабораторной работе измеряется температура внутри цилиндриче-

ских образцов материалов диаметрами 30–35 мм, длиной 120–160 мм. Из-
мерение температуры в камере пропаривания осуществляется за счет хро-
мель-копелевой термопары, которая соединяется с многоканальным изме-
рителем температуры. Для определения температуры внутри древесины 
горячие спаи термопар, вмонтированные в металлические защитные кор-
пуса, 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 ра-
бочую 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 отверстие 
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 рассчитывают 
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 темпера-
туре (105±5) °С. Сухой образец взвешивается и по данным о массе об-
разца в начале эксперимента 𝐺н, в течение ТВО G1, после пропаривания
G2 и после сушки 𝐺Кнаходится влагосодержание бетона в соответству-
ющие 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. Ве-
личина 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 бу-
маге строится кривая нагревания 𝑡 = 𝑓(𝜏).

Построение расчетной кривой нагревания

Основные положения. Расчетная кривая нагревания древесины 

строится на основании аналитической зависимости между температу-
рой t в определенной точке и временем 𝜏. Как известно, эта связь выра-
жена дифференциальным уравнением теплопроводности, которое ис-
пользуется 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 теплоем-
кость; 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, распределе-
нии 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 – темпе-
ратура 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. От-
сюда граничные условия при интенсивном теплоподводе (ГУ I рода, яв-
ляющиеся частным случаем ГУ III рода):

𝑡п = 𝑡𝑐.
(1.5)