Тепловые свойства древесины

К теплофизическим свойствам древесины относятся теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность и тепловое расширение.

Известно, что теплоемкость материала характеризует его способ­ность аккумулировать тепло. Показателем этого свойства является удельная теплоемкость с, представляющая собой количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть 1 кг массы материала на 1 К (или на 1°С). Удельная теплоемкость измеряется в кДж/(кг·°С).

Процессы распространения (переноса) тепла в материале характери­зуются - коэффициентами теплопроводности и температуропроводности. Первый из них входит в уравнение стационарного теплообмена

, (56)

устанавливающее связь между количеством теплоты Q, распространяю­щейся внутри тела, и площадью сечения F, перпендикулярного тепловому потоку, временем τ, перепадом температур Δt на двух изотермических поверхностях, а также расстоянием между ними Δх. Коэффициент теплопроводности λ, численно равен количеству теплоты, прохо­дящей в единицу времени через стенку из данного материала площадью 1 м² и толщиной 1 м при разности температур на противоположных сторо­нах стенки в 1 °С. Коэффициент теплопроводности измеряется в Вт/(м-°С). При стационарном теплообмене температурное поле в материале остается постоянным во времени.

Второй из указанных выше показателей, характеризует скорость из­менения температуры материала при нестационарном теплообмене (нагре­вании или охлаждении). Коэффициент температуропровод­ности а определяет инерционность материала, т. е. его способность выравнивать температуру. Показатель а, м²/с, численно равен отношению ко­эффициента теплопроводности к теплоемкости единицы объема материала:

, (57)

где ρ - плотность, кг/м.

Экспериментально удельную теплоемкость материала определяют калориметрами. Также прямым методом можно установить коэффициент теплопроводности при стационарном потоке тепла. Однако для древесины, особенно влажной, более удобны нестационарные методы. Один из таких методов, основанный на использовании "мгновенного" источника тепла, достаточно подробно описан в учебном пособии [63].

Теплоемкость древесины. Сухая древесина представляет собой двухфазную систему, включающую в себя древесинное вещество и воздух. Однако доля воздуха (по массе) в древесине крайне мала, и теплоемкость сухой древесины практически равна теплоемкости древесинного вещества.

Поскольку состав древесинного вещества у всех пород одинаков, удельная теплоемкость древесины не зависит от породы и по современным данным [76] при 0°С для абсолютно сухой древесины равна 1,55 кДж/кг·°С. С повышением температуры удельная теплоемкость древесины несколько воз­растает по линейному закону и при 100 °С увеличивается примерно на 25 %.

Значительно сильнее влияет на теплоемкость увлажнение древесины. Например, увеличение влажности древесины от 0 до 130 % приводит к по­вышению теплоемкости примерно в 2 раза.

Одновременное влияние температуры и влажности на теплоемкость древесины можно проследить по диаграмме (рис. 36), построенной П.С. Сер-говским по данным К.Р. Кантера. На этой же диаграмме представлены зна­чения теплоемкости при отрицатель­ных температурах. Замораживание сырой древесины приводит к умень­шению теплоемкости, так как лед имеет вдвое меньшую теплоемкость, чем вода.

Однако главным фактором, влияющим на теплоемкость мерзлой древесины, является не влажность, а температура [74].

Теплопроводность древесины. На способность древесины прово­дить тепло оказывает влияние ее плотность.

На рис. 37 показан график зависимости между коэффициентом теп­лопроводности древесины поперек волокон λ_┴ и ее плотностью в абсо­лютно сухом состоянии ρ₀, построенный автором по данным отечествен­ных и зарубежных исследователей.

Нижний экстраполированный участок кривой отсекает на оси орди­нат отрезок, равный величине теплопроводности воздуха - 0,0253 Вт/(м·°С); верхний участок кривой, продолженный до плотности ρ₀ =1530 кг/м³, дает возможность ориентировочно оценить теплопровод­ность древесинного вещества λ_д.в.┴. Как видим, этот показатель оказывает­ся равным примерно 0,5 Вт/(м·°С). Точные данные о теплопроводности древесинного вещества отсутствуют.

В.П. Ловецкий (СибТИ) рассчитал коэффициент теплопроводности древесинного вещества, рассматривая древесину как набор пустотелых стержней прямоугольного сечения и используя экспериментальные данные о теплопроводности древесины березы. Подставляя в формулу В.П. Ловецкого вместо ρ_б величину ρ₀ для березы получаем λ_д.в.┴, равную 0,48; для сосны в тангенциальном направлении - 0,53, т. е показатели, близкие к 0,5 Вт/(м·°С).

Увеличение плотности сухой древесины, т. е. повышение доли, за­нимаемой в единице объема древесинным веществом, приводит к возрас­танию теплопроводности древесины. Это объясняется тем, что древесин­ное вещество имеет примерно в 20 раз больший коэффициент теплопроводности λ_д.в.┴, чем воздух. Можно рассчитать теплопроводность древе­синного вещества λ_д.в.║ по теплопроводности древесины λ_║ вдоль волокон, полагая, что тепло передается параллельно по клеточным стенкам и возду­ху, заключенному в полостях клеток. Тогда λ, древесинного вещества ока­зывается для березы 0,94, а для сосны 0,87 Вт/(м·°С).

Поскольку микрофибриллы ориентированы преимущественно вдоль оси клеток, теплопроводность в этом направлении примерно в 1,5-2 раза выше, чем в поперечном направлении.

По радиальному и тангенциальному направлениям поперек волокон коэффициенты теплопроводности λ_r и λ_t могут различаться. Дело в том, что в тангенциальном направлении вытянуты зоны поздней древесины го­дичных слоев. Поздняя древесина, особенно у хвойных пород, более плот­ная, чем ранняя, и следовательно, более теплопроводная.

Расчеты [74, 76] показывают, что теплопроводность древесины в тангенциальном направлении несколько больше, чем в радиальном. Уве­личению теплопроводности в радиальном направлении способствуют сердцевинные лучи с преимущественным расположением микрофибрилл вдоль длины луча. Играет роль и форма сечения анатомических элементов. Все это приводит к тому, что по экспериментальным данным многих ис­следователей у древесины хвойных и большинства лиственных пород практически нет разницы между λ_r и λ_t. Только у лиственных пород с большим объемом сердцевинных лучей (дуб, бук), λ_r больше λ_t, примерно на 15 %

Увлажнение древесины, т. е. замещение содержащегося в ней возду­ха водой, имеющей в 23 раза большую теплопроводность, приводит к воз­растанию теплопроводности древесины По мере заполнения полостей клеток водой скорость изменения функции λ = f (w) постепенно уменьша­ется (рис. 38).

Повышение температуры влажной древесины приводит к еще боль­шему увеличению теплопроводности. Это можно проследить по обобщен­ной диаграмме (рис. 39) для древесины березы [по 54, 76]. На этом же ри­сунке показана диаграмма коэффициентов теплопроводности в области от­рицательных температур [по 74]. Замораживание древесины влажностью выше предела насыщения клеточных стенок ведет к скачкообразному уве­личению ее теплопроводности, так как коэффициент теплопроводности льда при t = 0°С в 4 раза больше, чем воды. При дальнейшем понижении температуры теплопроводность возрастает, что связано главным образом с повышением теплопроводности льда. При влажности ниже W_п.н. фазовые превращения испытывает лишь небольшая часть связанной воды, поэтому таких скачков здесь не наблюдается.

Используя диаграмму на (рис. 39), можно определить, предложен­ным П.С. Серговским методом, теплопроводность древесины других по­род. Для этого, приняв значение λ, для березы (ρ_б =500 кг/м³) за номи­нальное, надо умножить его на коэффициент К_ρ учитывающий плотность древесины данной породы. Ниже приведены коэффициенты К_ρ для разных значений базисной плотности древесины ρ_б:

ρ_б 350 375 400 425 450 475 525 550 575 600

К_ρ 0,80 0,84 0,87 0,90 0,93 0,97 1,05 1,11 1,20 1,28

Для учета влияния направления теплового потока надо найденные значения коэффициента теплопроводности умножить еще на К_х, равный для дуба, бука в тангенциальном направлении 0,87, а вдоль волокон 1,6. Для остальных пород учитывается только различие в теплопроводности вдоль и поперек волокон; при тепловом потоке вдоль волокон К_х = 2,2.

Значения коэффициентов λ у древесины сравнительно невелики, по­этому древесина относится к довольно хорошим теплоизоляционным ма­териалам.

Температуропроводность древесины. Величина коэффициента температуропроводности а определяется по уравнению (57), если извест­ны значения двух других тепловых коэффициентов λ и с. У абсолютно сухой древесины с уменьшением плотности ρ коэффициент температуро­проводности возрастает. Это связано с увеличением в единице объема древесины доли воздуха, имеющего температуропроводность примерно в 100 раз большую, чем древесинное вещество. Влияние влажности на температуропроводность поперек волокон иллюстрирует рис. 38. Увеличение содержания свободной воды (W >W_п.н.) приводит к резкому падению температуропроводности, потому, что воздух в полостях клеток замещается водой, имеющей примерно в 150 раз меньший коэффициент температуропроводности.

В области ниже W_п.н. влияние влажности на величину а практически не наблюдается. Это объясняется тем, что воздуха в клеточных стенках почти нет, и влажная клеточная стенка состоит из двух фаз - древесинного вещества и воды, коэффициенты температуропроводности которых до­вольно близки.

Тепловое расширение древесины. При нагревании твердых мате­риалов, в том числе и древесины, происходит увеличение их объема. Ко­эффициент линейного теплового расширения α' представляет собой изме­нение единицы длины тела при нагревании его на 1°С. Вследствие анизо­тропии древесины коэффициенты α' по трем структурным направлениям различны. Наименьший коэффициент линейного расширения α_║' в направлении вдоль волокон; величина его по данным из разных источников для сухой древесины колеблется в пределах (2,5-5,4)10^-6 1/°С. Тепловое рас­ширение поперек волокон значительно (иногда в 10-15 раз) больше, чем вдоль волокон, причем в тангенциальном направлении оно обычно в 1,5-1,8 раза выше, чем в радиальном. Таким образом, наблюдается известная аналогия с анизотропией усушки (разбухания).

Некоторые данные о коэффициентах линейного расширения абсо­лютно сухой древесины приведены в табл. 22. Коэффициент линейного расширения вдоль волокон древесины составляет 1/3 - 1/10 коэффициен­тов теплового расширения металлов, бетона и стекла. При нагревании влажной древесины кроме теплового расширения поперек волокон, вы­званного повышением температуры, одновременно происходит значитель­но большая влажностная деформация. Изменение влажности на 1 % в об­ласти ниже W_п.н. вызывает деформацию в десятки раз большую, чем изме­нение температуры на 1 °С. Таким образом, усушка и разбухание маски­руют чисто температурные деформации древесины поперек волокон. Если повышается температура свежесрубленной древесины, находящейся в во­де, то при первом нагреве происходит увеличение размеров в тангенциаль­ном направлении и сокращение их в радиальном. При последующих нагре­ваниях наблюдается некоторое уменьшение размеров в обоих направлени­ях.

22. Коэффициенты теплового расширения сухой древесины

Порода	α ^/║·10^6	α ^/r·10^6	α ^/t·10^6	Источник
Сосна Ель Дуб Береза Бук	4,2 2,6 3,6 2,5 5,4	15,0 29,3 29,3 27,2 22,0	29,0 50,2 41,9 30,0 34,8	В. Стивене Я.Н. Рудобельская (Станко) Медисонская лаборатория В. Стивене

В табл. 23 представлены данные Я.Н. Станко (МЛТИ) о коэффици­ентах а ' для сырой и сухой древесины ели; знаки "+" и "-" показывают со­ответственно удлинение и укорочение.

23. Коэффициенты теплового расширения сырой и сухой

древесины ели

Структурное направление	Коэффициенты теплового расширения древесины α'·10^6, 1/^оС
сырой	сухой
Первый нагрев	Последующие нагревы
Радиальное Тангенциальное	-29 +25	-5 -5	+28, +48,0

Причина увеличения деформации при первом нагреве, очевидно, за­ключается в снятии внутренних напряжений роста. В растущем дереве в тангенциальном направлении действуют сжимающие напряжения, поэтому при снятии их обнаруживается удлинение образца в этом направлении. В радиальном направлении происходит обратное явление. Удовлетворитель­ного объяснения причин сокращения образца при последующих нагревах пока еще не найдено.

Показатели, характеризующие тепловые свойства древесины, ис­пользуются для расчета процессов ее нагревания, сушки, оттаивания, за­мораживания, потерь тепла через ограждения из древесины.

Дата добавления: 2015-04-30