Zunanji snovni upor pri sušenju lesa kot difuzijskem procesu

Slika 12 Porazdelitev koncentracije sladkorjev tik pod površino lesa bora sušenega z dvema sušilnima hitrostma (Kreber in sod., 1998).

Figure 12 Distribution of sugars close to the wood surface, dried at two drying rates (Kreber in sod., 1998).

2.2.2 Zunanji snovni upor pri sušenju lesa kot difuzijskem procesu

Ţe v osnovnih raziskavah difuzivnosti lesnega tkiva so potrdili vpliv lastnosti površin lesa in termodinamskih pogojev ob površinah na transport vode iz lesa. V pogojih naravne konvekcije in pri majhnih hitrostih gibanja zraka ob površini so prav tako, kot pri izhlapevanju proste vode z nasičeno vlaţnih površin, ugotovili prisotnost stacionarnega mejnega sloja nad površino lesa. Ta sloj ločuje površino materiala od okoliškega zraka.

Pojavila se je delitev celotne upornosti proti difuziji vode na notranji snovni upor, določen z dejanskim difuzijskim koeficientom, ter na zunanji snovni upor. Obratno vrednost zunanjega snovnega upora so pri raziskavah difuzivnosti definirali kot koeficient snovne emisivnosti (Rosen, 1978; Siau in Avramidis, 1996). Koeficient snovne emisivnosti s, podobno kot koeficient snovne prestopnosti hm določa hitrost izhlapevanja vode s površine lesa (x = L) v mejni sloj zraka nad njo:

…(32) Oznake:

s koeficient snovne emisivnosti [m s^-1],

up, ur vlaţnost lesa na površini in ravnovesna vlaţnost, definirana z okoliško klimo.

Ta koncept je nastal zaradi enostavnosti določanja robnih pogojev v difuzijski enačbi (Newman, 1931), nima pa dobre fizikalne osnove, saj opisuje zgolj gibanje vodne pare v smeri ravnovesne vlaţnosti v okoliškem zraku. V tem modelu je eden osnovnih problemov določanje površinske in ravnovesne vlaţnosti (ur), ki sta odvisni od temperature, kot tudi od higroskopnih lastnosti lesa. Pri sušenju lesa se namreč temperatura površine večinoma spreminja (Salin, 2007). Pri vlaţnosti lesa nad točko nasičenja celičnih sten je temperatura površine pogosto blizu temperature mokrega termometra, kar je zelo odvisno od pogojev na površini ter od velikosti notranjega snovnega upora. Pri sušenju lesa pod vlaţnostjo nasičenja lesnih vlaken pa se temperatura površine lesa pribliţuje temperaturi suhega termometra, oz. običajni temperaturi okoliškega zraka. Hkrati iz definicije sledi, da ima na izhlapevanje vode s površine lesa velik vpliv tudi notranji snovni upor, odvisen od difuzivnosti, ki denimo določa tudi vlaţnostni gradient tik ob površini izhlapevanja. Poleg tega, pa so v študijah potrdili tudi odvisnost koeficienta snovne emisivnosti od lastnosti zračnega toka nad površino lesa. V splošnem rezultati kaţejo, da koeficient snovne emisivnosti ni niti lastnost lesa niti lastnost zraka v stiku s površino. Tako posledično izračunane vrednosti snovne emisivnosti, določene v postopkih sušenja ali uravnovešanja lesa, izkazujejo tudi veliko variabilnost, celo v razmerju 1 : 500.000 (Söderström in Salin, 1993). Del razlogov za takšna nihanja lahko v nekaterih študijah pripišemo tudi neupoštevanju vpliva morfologije površin in sorpcijskih lastnosti na vlaţnost površine (Faust in Rice, 1986).

Študije v splošnem potrjujejo povečevanje izhlapevanja vode z lesnih površin in s tem tudi naraščanje koeficienta snovne emisivnosti z dviganjem hitrosti gibanja zraka čez lesno površino. Pri tem so hkrati zabeleţili tudi tanjšanje t.i. stacionarnega mejnega filma zraka nad površino lesa (Rosen, 1978; Welty in sod., 1984). Pri sušenju orehovine (Juglans nigra L.) v higroskopskem območju so denimo ugotovili logaritemsko odvisnost razmerja notranjega in zunanjega snovnega upora (S/D) od hitrosti zraka (v) ob površini lesa (Rosen, 1978):

…(33) Tudi študija sušenja hrastovine (Quercus rubra L.) je v higroskopskem območju, pri konstantni temperaturi in variiranju hitrosti zraka ter relativne zračne vlaţnosti, potrdila značilen učinek razmerja snovnih uporov na čas sušenja. V tem primeru se je čas sušenja eksponentno povečeval pri niţanju razmerja snovne emisivnosti in difuzivnosti lesa (Simpson, 1993) (Slika 13). Na snovno emisivnost je vplival tudi način gibanja zraka čez površino preizkušancev, kjer se je denimo snovna emisivnost pri turbulentnem zračnem toku še dodatno povečala zaradi vrtinčenja zraka v mejnem sloju (Avramidis in Siau, 1987;

Cai in Avramidis, 1993). Zaznan je bil tudi pozitiven vpliv temperature in relativne zračne vlaţnosti oz. naraščanja parcialnega tlaka vodne pare na koeficient snovne emisivnosti (Söderström in Salin, 1993).

Slika 13 Odvisnost časa sušenja od razmerja površinske snovne emisivnosti in difuzivnosti lesa (Simpson, 1993).

Figure 13 Relationship between drying time and ratio of surface emission coefficient to diffusion coefficient (Simpson, 1993).

V primeru poznavanja higroskopnih lastnosti lesa lahko s pomočjo znanega snovnega toka vode na površini lesa zapišemo tudi zvezo med koeficientom snovne emisivnosti (s) in snovne prestopnosti (hm):

, …(34)

od koder lahko izrazimo koeficient snovne emisivnosti v obliki:

…(35) Oznake:

νs nasičena koncentracija vodne pare v zraku [kg m^-3], y_s vlaţnost nasičenja [kg kg^-1],

ρz gostota vlaţnega zraka [kg m^-3],

θp, θr relativna zračna vlaţnost zraka ob stiku s površino lesa in v ravnovesju z okolico,

cpz toplotna kapaciteta vlaţnega zraka [J kg^-1 K^-1] in R_u nominalna gostota lesa [kg m^-3].

2.2.2.1 Nastanek površinske difuzijske bariere

Sušenje gostejših ter manj permeabilnih lesnih vrst z ostrimi reţimi sušenja pogosto povzroča velik vlaţnostni gradient po prerezu sortimentov, ki je hkrati tudi posledica velikega notranjega snovnega upora. V teh primerih se pri visoki povprečni vlaţnosti sortimenta, nad vlaţnostjo nasičenja celičnih sten, zunanji sloj hitro suši, kar narekujejo pogoji sušenja v stiku s površino lesa. Tik pod površino lesa se pri tem pojavi velika sušilna hitrost, ki pa se zaradi notranjega snovnega upora globlje v materialu bistveno zmanjša. Pri takšnem sušenju, ko se vlaţnost površine zniţuje pod točko nasičenja celičnih sten prihaja tudi do krčenja lesnega tkiva (Hunter, 2002). Le to je, v primeru ujete proste vode v notranjosti sortimentov, zadrţano, s čimer se po debelini sortimentov ustvarja tudi znatno napetostno polje. Posledica takšnega sušenja so dobro znane površinske razpoke in zaskorjenje, v ekstremnih primerih pa pride zaradi velike kapilarne tenzije tudi do kolapsa porozne lesne strukture (Hart in Darwin, 1971). Nadaljevanje ostrega sušenja povzroča nadaljnje širjenje osušenega površinskega sloja v notranjost lesa. S tem se poleg povečevanja sušilnih napetosti povečuje tudi učinek t.i. difuzijske bariere, saj mora prosta voda iz notranjosti skozi ta sloj lesa proti površini sortimenta preiti izključno difuzijsko.

Tako upočasnjen tok proste vode iz notranjosti sortimentov, podaljšuje sušenje. Pri svetlih lesnih vrstah je kot posledica takšnega sušenja tudi dobro poznano neenakomerno obarvanje lesa, ki se razvije zaradi počasnega sušenja notranjosti sortimentov, kjer obstajajo idealni pogoji za razvoj oksidativno obarvanih komponent. Takšne barvne spremembe so dobro raziskane pri bukovini (Gorišek in sod., 2000). Podoben pojav so zasledili tudi pri sušenju jesenovine (Fraxinus excelsior L.) s povišano temperaturo, ki pa se je pri zelo počasnem sušenju odraţalo tudi z inverznim barvnim profilom po prerezu sortimentov (Straţe in Gorišek, 2001; Straţe in sod., 2003).