Influence of humidity fluctuations in the chamber on the calculated values of the moisture diffusion coefficient in wood

• Autorzy: Wicher Anna , Świrska-Perkowska Jadwiga , Pochwała Sławomir

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.150979

Warianty tytułu

PL

Wpływ fluktuacji wilgotności w komorze na obliczeniowe wartości współczynnika dyfuzji wilgoci w drewnie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In civil engineering applications, alongside inherent resistance, the moisture content in wood is one of the most important factors affecting the durability of wood. The moisture content of wood is significantly influenced by the moisture diffusion coefficient. In this study, the impact of considering humidity fluctuations in a climatic chamber during the sorption process on the computational values of functional coefficients in various models of diffusion coefficient variability with material moisture content was analyzed. The dependence of the moisture diffusion coefficient on moisture concentration in wood was assumed in the form of constant, linear, quadratic, and exponential functions. The coefficients in the sought-after functions were found using the error function minimization method based on the kinetics of moisture sorption measurements in samples of Scots pine in the radial and tangential directions at an average air humidity in the chamber of 32%. As a result of the calculations, it was found that taking into account humidity fluctuations in the climatic chamber improved the fitting of computational curves to experimental curves in the case of constant and exponential models. The values of the diffusion coefficient assumed as constant calculated assuming variable humidity conditions in the chamber, differed on average by about 4% compared to the values of these coefficients obtained without considering air humidity fluctuations. In the case of each analyzed sample, the linear descriptions of the variability of the diffusion coefficient had a less steep course when considering air humidity fluctuations in the climatic chamber during the calculation process.

PL

W zastosowaniach inżynierii lądowej, obok naturalnej odporności, zawartość wilgoci w drewnie jest jednym z najważniejszych czynników decydujących o trwałości drewna. Na poziom wilgotności drewna znaczący wpływ ma wartość współczynnika dyfuzji wilgoci. W pracy przeanalizowano wpływ uwzględnienia wahań wilgotności w komorze klimatycznej podczas procesu sorpcji na obliczeniowe wartości współczynników funkcyjnych, występujących w różnych modelach zmienności współczynnika dyfuzji wraz z wilgotnością materiału. Zależność współczynnika dyfuzji wilgoci od koncentracji wilgoci w drewnie przyjmowano w postaci funkcji: stałej, liniowej, kwadratowej i eksponencjalnej. Współczynniki w poszukiwanych funkcjach znajdowano metodą minimalizacji funkcji błędu, w oparciu o pomiary kinetyki sorpcji wilgoci w próbkach sosny zwyczajnej w kierunku radialnym i stycznym, przy średniej wilgotności powietrza w komorze równej 32%. W wyniku przeprowadzonych obliczeń stwierdzono, że uwzględnienie wahań wilgotności powietrza w komorze klimatycznej poprawiło dopasowanie krzywych obliczeniowych do krzywych eksperymentalnych w przypadku modelu stałego i eksponencjalnego. Wartości współczynnika dyfuzji w postaci stałej, obliczone przy założeniu zmiennych warunków wilgotnościowych panujących w komorze, różniły się średnio o około 4% w stosunku do wartości tych współczynników uzyskanych przy pominięciu fluktuacji wilgotności powietrza. W przypadku każdej z analizowanych próbek proste, opisujące zmienność współczynnika dyfuzji, miały mniej stromy przebieg, jeżeli w procesie obliczeń uwzględniano wahania wilgotności powietrza w komorze klimatycznej.

Słowa kluczowe

EN

error minimization; moisture diffusion; sorption kinetics; wood

PL

drewno; dyfuzja wilgoci; kinetyka sorpcji; minimalizacja; funkcja błędu

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 3
• Strony: 205--224
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Wicher Anna

• Opole University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Opole, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-6616-9373

autor

Świrska-Perkowska Jadwiga

• Opole University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Opole, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5571-2748

autor

Pochwała Sławomir

• Opole University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Opole, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8128-5495

Bibliografia

• [1] Wrzesiński, K. Pawluk, M. Lendo-Siwicka, and J. Kowalski, “Analysis of technology, time and costs of three methods of building a single-family house: traditional brick, reinforced concrete prefabrication, timber frame”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 2, pp. 23-39, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.145250.
• [2] D. Kržišnik, B. Lesar, N. Thaler, J. Planinšič, and M. Humar, “A study on the moisture performance of wood determined in laboratory and field trials”, European Journal of Wood and Wood Products, vol. 78, pp. 219-235, 2020, doi: 10.1007/s00107-020-01506-z.
• [3] Z. Jin-Song, L. Yu, Z. Heng-Liang, Y. Yu-Di, and B. Yi-Shun, “Experimental study on fatigue mechanical properties of sandstone after dry and wet cycle”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 4, pp. 377-387, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.143044.
• [4] H. Neuhaus, Budownictwo drewniane, Podręcznik inżyniera. Rzeszów, Polska: PWT, 2008.
• [5] J. Eitelberger and S. Svensson, “The sorption behaviour of wood studies by means of an improved cup method”, Transport in Porous Media, vol. 92, pp. 321-335, 2012, doi: 10.1007/s11242-011-9905-8.
• [6] B. Time, “Hygroscopic Moisture Transport in Wood”, PhD thesis, Norwegian University of Science and Technology, Norway, 1998.
• [7] L. Wadsö, “Studies of water vapor transport and sorption in wood”, PhD thesis, Lund University, Sweden, 1993.
• [8] Y. Liu, Z. Cao, Y. Wang, D. Wang, and J. Liu, “Experimental study of hygro-thermal characteristics of novel cement-cork mortars”, Construction and Building Materials, vol. 271, art. no. 121901, 2021, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121901.
• [9] P. Pérre, Ed. Fundamentals of wood drying. Nancy, France: A.R.BO.LOR., 2007.
• [10] W. Sonderreger, M. Vecellio, P. Zwicker, and P. Niemz, “Combined bound water and water vapour diffusion of Norway spruce and European beech in and between the principal anatomical directions”, Holzforschung, vol. 65, no. 6, pp. 819-828, 2011, doi: 10.1515/HF.2011.091.
• [11] J. Świrska-Perkowska, Adsorpcja i ruch wilgoci w porowatych materiałach budowlanych w warunkach izotermicznych. Warszawa, Polska: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej, Polska Akademia Nauk, 2012.
• [12] H. Garbalińska, “Metoda czasu połówkowego w desorpcyjnych pomiarach współczynnika dyfuzji”, in IX Konferencja Naukowo-Techniczna Fizyka Budowli w Teorii i Praktyce, 23-26 czerwca 2003, Łódź-Słok, Polska. Łódź: Politechniki Łódzka, 2003, pp. 157-163.
• [13] N. Ramos, J. Delgado, and V. de Freitas, “Concentration dependent diffusion in building materials – application of different methods”, Defect and Diffusion Forum, vol. 273-276, pp. 150-155, 2008, doi: 10.4028/www.scientific.net/DDF.273-276.150.
• [14] Z. Perkowski, J. Świrska-Perkowska, and M. Gajda, “Comparison of moisture diffusion coefficients for pine, oak and linden wood”, Journal of Building Physics, vol. 41, no. 2, pp. 135-161, 2017, doi: 10.1177/1744259116673967.
• [15] W. Olek and J. Weres, “Effects of method of identification of the diffusion coefficient on accuracy of modelling bound water transfer in wood”, Transport in Porous Media, vol. 66, pp. 135-144, 2007, doi: 10.1007/s11242-006-9010-6.
• [16] W. Silva, L. Silva, V. Oliveira Farias, C. Silva e Silva, and J. Ataíde, “Three-dimensional numerical analysis of water transfer in wood: determination of an expression for the effective mass diffusivity”, Wood Science and Technology, vol. 47, pp. 897-912, 2013, doi: 10.1007/s00226-013-0544-9.
• [17] W. Kang, Y.H. Lee, W.Y. Chung, and H.L. Xu, “Parameter estimation of moisture diffusivity in wood by an inverse method”, Journal of Wood Science, vol. 55, pp. 83-90, 2009, doi: 10.1007/s10086-008-1006-0.
• [18] W. Olek, P. Perré, and J. Weres, “Implementation of a relaxation equilibrium term in the covective boundary condition for a better representation of the transient bound water diffusion in wood”, Wood Science and Technology, vol. 45, pp. 677-691, 2011, doi: 10.1007/s00226-010-0399-2.
• [19] R. Sargent, S. Riley, and L. Schöttle, “Measurement of dynamic sorption behaviour of small specimens of pinus radiata. Influence of wood type and moisture content on diffusion rate”, Maderas. Ciencia y Tecnologia, vol. 12, no. 2, pp. 93-103, 2010, doi: 10.4067/SO718-221X2010000200004.
• [20] S.Q. Shi, “Diffusion model Based on Fick’s second law for the moisture absorption process in wood fiberbased composites: is it suitable or not?”, Wood Science and Technology, vol. 41, pp. 645-658, 2007, doi: 10.1007/s00226-006-0123-4.
• [21] W. Silva, L. Silva, C. Silva e Silva, P. Nascimento, “Optimization and simulation of drying processes using diffusion models: application to wood drying using forced air at low temperature”, Wood Science and Technology, vol. 45, pp. 787-800, 2011, doi: 10.1007/s00226-010-0391-x.
• [22] D.M. Nguyen, G. Almeida, T.M.L. Nguyen, J. Zhang, P. Lu, J. Colin, and P. Perré, “A Critical Review of Current Imaging Techniques to Investigate Water Transfers in Wood and Biosourced Materials”, Transport in Porous Media, vol. 137, pp. 21-61, 2021, doi: 10.1007/s11242-020-01538-2.
• [23] G. Almeida, S. Gagné, and R.E. Hernández, “A NMR study of water distribution in hardwoods at several equilibrium moisture contents”, Wood Science and Technology, vol. 41, pp. 293-307, 2007, doi: 10.1007/s00226-006-0116-3.
• [24] S.V. Dvinskikh, M. Henriksson, A.L. Mendicino, S. Fortino, and T. Toratti, “NMR imaging study and multi-Fickian numerical simulation of moisture transfer in Norway spruce samples”, Engineering Structures, vol. 33, no. 11, pp. 3079-3086, 2011, doi: 10.1016/j.engstruct.2011.04.011.
• [25] P. Perré, “A review of modern computational and experimental tools relevant to the feld of drying”, Drying Technology, vol. 29, no. 13, pp. 1529-1541, 2011, doi: 10.1080/07373937.2011.580872.
• [26] D. Mannes, W. Sonderegger, S. Hering, E. Lehmann, and P. Niemz, “Non-destructive determination and quantification of diffusion processes in wood by means of neutron imaging”, Holzforschung, vol. 63, no. 5, pp. 589-596, 2009, doi: 10.1515/HF.2009.100.
• [27] H. Garbalińska, S. J. Kowalski, and M. Staszak, “Moisture diffusivity in mortars of different water-cement ratios and in narrow ranges of air humidity changes”, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 56, no. 1-2, pp. 212-222, 2013, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.09.026.
• [28] M. Kamran and K. Sarkar, “Study of the isothermal drying characteristics of normal concrete subjected to low air velocity convection”, Journal of Building Engineering, vol. 61, art. no. 105251, 2022, doi: 10.1016/j.jobe.2022.105251.
• [29] A. Kucharczyk and K. Pawlik, “Modelling and experimental study of moisture transport in wood, taking into account diffusion and the accompanying adsorption of water vapour by cell walls”, MDPI Materials, vol. 14, no. 1, pp. 1-18, 2021, doi: 10.3390/ma14010017.
• [30] W. Kang, W.Y. Chung, C. Eom, and H. Yeo, “Some considerations in heterogeneous nonisothermal transport models for wood: a numerical study”, Journal of Wood Science, vol. 54, pp. 267-277, 2008, doi: 10.1007/s10086-007-0938-0.
• [31] A. Sánchez-Ferrer, M. Engelhardt, and K. Richter, “Anisotropic wood-water interactions determined by gravimetric vapor sorption experiments”, Cellulose, vol. 30, pp. 3869-3885, 2023, doi: 10.1007/s10570-023-05093-z.
• [32] A.A. Chiniforush, H. Valipour, and A. Akbarnezhad, “Water vapor diffusivity of engineered wood: Effect of temperature and moisture content”, Construction and Building Materials, vol. 224, pp. 1040-1055, 2019, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.08.013.