Teoria suszenia – powietrze

Drewno jest materiałem higroskopijnym, który stara się za wszelką cenę utrzymać kruchą równowagę higroskopijną względem otaczającego go środowiska. Jednakże w tym układzie, drewno jest na pozycji podporządkowanej, czyli jego poziom wilgotności zależy głównie od poziomu wilgotności względnej otaczającego go powietrza. Aby właściwie ocenić zjawiska zachodzące w drewnie, należy zacząć od poznania zjawisk zachodzących w powietrzu. Powietrze z punktu widzenia suszarników, składa się z mieszaniny gazów suchych (zwanych dalej powietrzem suchym) oraz pary wodnej. Udział pary wodnej w powietrzu można określać na dwa sposoby. Wilgotność bezwzględna jest to ilość pary wodnej (mw) zawartej w powietrzu suchym (mp). Określa to prosty wzór:

Y = mw / mp [ kg/kg] lub [g/kg]

Często inne zawody korzystają głównie z tego sposobu określania realnej wilgotności powietrza, ale dla stolarzy ważniejszym parametrem jest wilgotność względna. Dlaczego? Ponieważ powietrze jest czynnikiem bardzo dynamicznym, a jego parametry zmieniają się czasami w ciągu kilku minut. Poza tym, przy identycznej wilgotności bezwzględnej, drewno schnie lub pęcznieje z uwagi na różną wilgotność względną powietrza. Czym więc jest wilgotność względna? Jest to dość skomplikowane. Powietrze ma ciekawą właściwość. Jest w stanie przyjąć pewną ilość wilgoci (pary wodnej), ale ilość ta jest ściśle określona. Zależy od temperatury i ciśnienia powietrza. Dlatego przy zmianie temperatury powietrza, zmienia się jego poziom przyswajania pary wodnej. Jeżeli spadek temperatury spowoduje przekroczenie danego poziomu maksymalnej „pojemności” powietrza, następuje wykroplenie. Ogólnie zjawisko to określa się, jako „punkt rosy”. Wilgotność względna powietrza (φ) określana jest, jako stosunek masy wilgoci zawartej w powietrzu (mw) do masy wilgoci, która maksymalnie wysyciłaby powietrze (mn) w danej temperaturze i ciśnieniu. Brak wilgoci w powietrzu określany jest, jako 0% a całkowite wysycenie powietrza określane jest jako 100%. Jeżeli w danym środowisku wystąpi przypadek, iż ilość wilgoci jest większa niż chwilowa pojemność powietrza, to następuje wykroplenie (rosa, mgła, szadź). Zależność tą określa wzór:

φ = ( mw / mn ) x 100 [%]

Wilgotność względna to podstawowy parametr wpływający na poziom wilgotności drewna. To właśnie ona odpowiedzialna jest pośrednio za schnięcie i pęcznienie drewna. Według wilgotności względnej wyskalowana jest popularna tabela wilgotności równoważnej drewna (patrz tom I). Czym więc się różni wilgotność względna od bezwzględnej z punktu widzenia stolarza?. Głównie sposobem przedstawiania stanu faktycznego. Dla stałej wartości wilgotności bezwzględnej (np. 0,01 kg/kg) istnieje cała gama wartości wilgotności względnych (od 0,1 do 100%), zależnych od temperatury powietrza, a właśnie to wilgotność względna wpływa na wilgotność równoważną drewna. Zależności te znakomicie opisuje wykres H-Y zwany wykresem Molliera. Podane dane odnoszą się do powietrza o ciśnieniu 0,1 MPa. Proszę się nie przerażać. To wbrew pozorom prosty wykres i bardzo pomocny w pracy stolarzy. Pozwala na szybkie określenie warunków wilgotności względnej powietrza przy znanych parametrach. W dalszej części książki ukazane zostaną proste sposoby na korzystanie z wykresu H-Y oraz korzyści z tym związane.

Jestem pewien, że wielu czytelników zacznie stosować ten wykres regularnie, gdyż nie wymaga to ani specjalnych umiejętności, ani dokonywania żmudnych obliczeń. Pracę z wykresem zaczniemy od poznania podstawowych danych zawartych na wykresie. Na dole znajduje się podziałka Y (0, 10, 20, …), czyli wilgotność bezwzględna wyrażona w g/kg. Do tej podziałki biegną pionowe linie stałej zawartości wilgoci Y. Po lewej znajduje się podziałka temperatury powietrza. Od podziałki z temperaturą biegną poziome linie stałej temperatury i kończą swój bieg na krzywej obrazującej 100% wilgotności względnej.
I to jest prawie wszystko, co trzeba wiedzieć o wykresie. Znamy już podstawowe parametry zawarte w wykresie, wiec spróbujmy z niego skorzystać.

Zacznijmy od podstaw, czyli od podgrzewania powietrza. Powietrze o parametrach A, czyli o temperaturze 0ºC i wilgotności względnej 100% ogrzewamy aż do uzyskania wilgotności względnej 10%. Ogrzewanie przeprowadza się po linii pionowej stałej zawartości wilgoci Y. Z wykresu wynika, że temperatura powietrza wzrośnie do 38ºC, czyli do punktu B. W ten sposób można sprawdzić, jak zmienią się parametry powietrza w zamkniętej przestrzeni przy zmianie jego temperatury. To zjawisko jest szczególnie widoczne w zimie. Proszę spojrzeć jeszcze raz na wykres H-Y Molliera.

Powietrze zimne o temperaturze w pobliżu zera ma zwykle bardzo wysoką wilgotność względną (okolica punktu A – zazwyczaj 90-98%). Jeżeli uchylimy „lufcik” i wpuścimy go do mieszkania, to chłodne powietrze ulegnie ogrzaniu (na wykresie linia pionowa). Według wykresu, powietrze o parametrach 0ºC i wilgotności około 90%, ogrzane do 20ºC, uzyska wilgotność względną na poziomie około 23%, co jest katastrofą dla parkietów, drzwi, schodów oraz mebli. Według tabeli wilgotności równoważnej, dla podanych parametrów powietrza, wilgotność równoważna drewna to zaledwie niecałe 5%. Oczywiście to powietrze zmiesza się z powietrzem wnętrza i ostateczna wartość wilgotności mieszaniny będzie nieco wyższa, ale o tym później. Jak widać z powyższych przykładów, korzystanie z wykresu jest proste i szybkie, a dokładność jest wystarczająca dla rozważań praktycznych. Podobnie powietrze zachowuje się przy schładzaniu. Obniżanie temperatury powoduje wzrost wilgotności względnej przy stałej wilgotności bezwzględnej. Oziębianie jest odwrotnością ogrzewania, czyli przebiega na wykresie po liniach pionowych od góry w dół. Jest jedno „ale”. Oziębianie przebiega do osiągnięcia wilgotności 100%. Dalsze oziębianie powoduje utrzymanie wilgotności względnej na poziomie 100%, ale przy spadku wilgotności bezwzględnej. Nadwyżka wilgoci ulega wykropleniu. Prosty przykład. Weźmy słoik z zakrętką. Po zakręceniu włóżmy go do lodówki. Na ściankach słoika wykropli się woda. Powietrze w słoiku osiągnie poziom 100% wilgotności względnej, a nadwyżkę wykropli w postaci cieczy. Spójrzmy na wykres. Powietrze o parametrach Z oziębimy o jakiś duży przedział temperatury T1-T2.

W pierwszej chwili proces będzie przebiegał po linii pionowej, aż do punktu Z1, gdzie powietrze osiągnie poziom 100% wilgotności względnej. Nadal obniżamy temperaturę aż do poziomu T2. Dalszy proces, (czyli od punktu Z1) przebiega po linii krzywej obrazującej 100% wilgotności względnej, aż do punktu Z2, czyli punktu przecięcia krzywej 100% z prostą poziomą temperatury T2. Przy okazji zmianie uległa wilgotność bezwzględna Y. Ilość wykroplonej wody można łatwo obliczyć z wykresu, odejmując od wartości Y1 wartość Y2. Jeżeli usuniemy skropliny i ogrzejemy powietrze do poziomu T1, to otrzymamy zupełnie inne powietrze niż na początku, czyli o parametrach punktu N.

Wiemy jak ogrzać i jak ochłodzić powietrze. Spróbujemy teraz zmieszać powietrze ciepłe z powietrzem zimnym. Tego typu sytuacje napotkamy tak w mieszkaniach, jak i w suszarkach do drewna.
Powietrze na zewnątrz ma parametry T1,Y1 (punkt A). Powietrze wewnątrz ma parametry T2,Y2 (punkt B). Aby znaleźć parametry mieszaniny należy połączyć punkt A i B odcinkiem. Punkt C znajdziemy na skrzyżowaniu prostej pionowej, przechodzącej przez punkt Y3 i odcinka A-B (punkt C). Położenie punktu Y3 obliczymy ze wzoru:

Y3 = (Y1 x m1 + Y2 x m2) / (m1 + m2) [kg/kg]

Gdzie:
m1- masa powietrza chłodnego [kg] (z punktu A)
m2- masa powietrza ciepłego [kg] (z punktu B)

Znając położenie punktu Y3, możemy określić położenie punktu C oraz temperaturę i wilgotność względną powietrza. Do tej pory przyglądaliśmy się samemu powietrzu. A jak zachowuje się powietrze, gdy suszy drewno? Znowu skorzystamy z wykresu. Na wykresie Molliera zauważymy dodatkowe, równoległe linie, ustawione pod kątem około 45’. Są to linie przebiegu entalpii. Entalpia jest to ilość energii, jaką trzeba zużyć, aby ogrzać 1 kg wody lub pary wodnej od poziomu 0ºC do temperatury wskazanej na wykresie, czyli temperatury chwilowej wody lub pary wodnej. Wartość entalpii wyrażana jest w kJ/kg.

Nawilżanie powietrza, (czyli suszenie drewna) przebiega z niewielkim wzrostem entalpii, ale do obliczeń suszarniczych wystarczy założyć, że proces przebiega przy stałej entalpii (po skośnej linii entalpii na wykresie H-Y). Powietrze suche i ogrzane (punkt A) przemieszcza się przez sztapel tarcicy i następuje zmiana jego parametrów. Wzrasta wilgotność bezwzględna Y2 oraz spada jego temperatura T2 (punkt B). Wzrost wilgotności bezwzględnej możemy policzyć, odejmując od wartości Y2 wartość początkową Y1. Jest to ilość wilgoci odebrana przez kg powietrza podczas jednorazowego przejścia przez sztapel. Reasumując. Powietrze przechodząc przez sztapel, schładza się i nawilża. Znając wilgotność początkową powietrza oraz jego temperaturę początkową i końcową, możemy z wykresu ustalić końcową wilgotność względną powietrza oraz ilość wilgoci odebranej od drewna. Z powyższych rozważań wypływa ważny wniosek. Nie możemy w nieskończoność używać w suszarce tego samego powietrza z uwagi na ograniczoną ilość przyjmowanej wilgoci. Dlatego suszarki działają na zasadzie zassania świeżego, chłodnego powietrza, podgrzewania go do temperatury roboczej (przy czym następuje spadek jego wilgotności względnej) i przepuszczeniu go przez sztapel. Przy okazji część świeżego powietrza miesza się z powietrzem, które odebrało już część wilgoci z drewna. Następnie, ciepłe i wilgotne powietrze usuwa się z suszarki. W ten sposób „wypompowuje” się wilgoć z drewna. Co ciekawe, w ten sam sposób zachowuje się powietrze w mieszkaniach. Jedyna różnica polega na szybkości oraz strumieniu przemieszczanego powietrza. Dlatego w mieszkaniach ogrzewanych centralnie, dochodzi do częstych spadków wilgotności drewna do poziomu poniżej 6%. Takie spadki wilgotności kończą się zniszczeniem lub uszkodzeniem elementów wykonanych z drewna. Formą przeciwdziałania temu niekorzystnemu zjawisku jest montaż nawilżaczy. Utrzymywanie w zimie wilgotności powietrza na poziomie 55% oprócz prawidłowej wilgotności elementów drewnianych ma też i inne dobre strony. Niestety, czasami podniesienie wilgotności powietrza skutkuje wykropleniem wody na szybach lub ścianach z uwagi na zastosowanie „zimnych” szyb lub błędów budowlanych w postaci mostków cieplnych. Korzystanie z wykresu jest najprostszym i najłatwiejszym sposobem sprawdzania przybliżonych parametrów powietrza używanego tak do suszenia drewna, jak i ogrzewania pomieszczeń. Do codziennego stosowania przy analizie parametrów suszenia tego typu dokładność jest w zupełności wystarczająca. Często spotykamy się z pojęciem punktu rosy. Punkt rosy to maksymalna temperatura powierzchni, na której nastąpi wykroplenie (kondensacja) wilgoci z powietrza. Zależy wprost od temperatury powietrza oraz wilgotności względnej powietrza. Poniżej przedstawiono przybliżone temperatury punktu rosy dla warunków średniego ciśnienia atmosferycznego.

Jak widać z powyższej tabeli, im wyższa wilgotność powietrza tym wyższa temperatura punktu rosy. Identycznie, wzrost temperatury powietrza powoduje wzrost temperatury punktu rosy dla danych parametrów. Dla warunków komfortu cieplnego, patrząc na wskazania tabeli, czyli wilgotności 60% i temperatury 20ºC, temperatura punktu rosy wynosi 12ºC. W takim warunkach w pomieszczeniu wszystkie powierzchnie, które będą miały temperaturę 12ºC i niższą, pokryją się rosą. Bardzo ważnym procesem, zachodzącym przy suszeniu drewna jest przemieszczanie się wilgoci z obszaru mokrego do obszaru suchego. Szybkość tego przemieszczania wpływa na jakość i prędkość suszenia. Jeżeli zasuszymy powierzchniową warstwę drewna, to nie ma siły, żeby w rozsądnym terminie wysuszyć drewno w całym przekroju do zadanego wcześniej poziomu. Zjawisko zasuszania warstw zewnętrznych nazywane jest często zjawiskiem skórki chlebowej. Migracja wody w drewnie przypomina zapełnianie lub opuszczenie dużego biurowca przez pracujących tam ludzi. Czym większy biurowiec (grubsze drewno), tym proces przebiega wolniej. Zbyt szybkie próby opróżniania biurowca doprowadzą do zatoru w windach i wyjściach z budynku. Podobnie jest z wilgocią w drewnie i dla tego ciągle udoskonala się metody suszenia pod względem prędkości suszenia w funkcji jakości i kosztów suszenia.

Dwie butelki. Jedna o temperaturze pokojowej. Druga wyjęta z lodówki. Temperatura butelki schłodzonej osiągnęła poziom punktu rosy, co zaowocowało wykropleniem się wilgoci z powietrza, pomimo wilgotności względnej na poziomie 60%. Co ciekawe, zgodnie z prawem Daltona (mieszanina gazów) to wykroplenie wilgoci powoduje spadek wilgotności względnej i bezwzględnej w całym pomieszczeniu. Właśnie na takiej zasadzie pracują osuszacze powietrza. Wykroplenie następuje na chłodnej powierzchni.

Fragment książki:
Karol Kopeć „Drewno. Właściwości i zastosowanie.” Tom II. Suszenie i odpylanie.