На правах рукописи

Разумов Евгений Юрьевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ

ТЕРМИЧЕСКОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ

ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Казань – 2013 2

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждений высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

(ФГБОУ ВПО «КНИТУ»).

– доктор технических наук, профессор

Научный консультант Сафин Руслан Рушанович;

– доктор технических наук, профессор,

Официальные оппоненты:

Рыкунин Станислав Николаевич ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса», г. Москва, заведующий кафедрой технологии деревоперерабатывающих производств;

– доктор технических наук, с.н.с., Дорняк Ольга Роальдовна ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», г. Воронеж, заведующая кафедрой сопротивления материалов и теоретической механики;

– доктор технических наук, доцент, Угрюмов Сергей Алексеевич ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет», г. Кострома, заведующий кафедрой лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств;

– Северный (Арктический) федеральный универ

Ведущая организация ситет имени М.В. Ломоносова (САФУ), г. Архангельск

Защита диссертации состоится «26» декабря 2013 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, Казань, ул. К. Маркса, д. 68.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Автореферат разослан «» _ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Е.И. Байгильдеева

Общая характеристика работы

В Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года отмечается, что приоритетным направлением является «развитие мощностей по глубокой механической, химической и энергетической переработке древесины».

Актуальность темы. В настоящее время повышение эффективности деревообрабатывающих производств и коэффициента качественного использования самой древесины, приобретает несомненную актуальность как в России, так и в мире. Без инновационных концепций и технологий глубокой переработки проблему не решить даже при использовании современного высокотехнологического импортного оборудования. Необходим ряд новейших разработок, позволяющих пересмотреть использование древесины, в том числе низкосортной для нужд деревянного домостроения и мебельного производства.

Термическое модифицирование древесины позволяет повысить покупательскую привлекательность пиломатериала благодаря снижению гигроскопичности, повышению формоустойчивочти и биостойкости, а также благодаря улучшению декоративных качеств недорогих пород. Исследования в данной области ведутся последние 10-15 лет в таких странах как Финляндия, Франция, Америка, Латвия, Германия. Однако современные способы термомодифицирования имеют существенные недостатки: значительная продолжительность и высокая себестоимость процесса, отсутствие методик расчета процесса и оборудования, что приводит к экспериментальному поиску режимных параметров, в результате не являющихся оптимальными, отсутствие обоснованных рекомендаций по выбору той или иной технологии и оборудования термической обработки применительно к условиям конкретного предприятия. При этом данные о характеристиках самой термомодифицированной древесины серьезно разняться в различных источниках, поскольку нет единого подхода и полноценного изучения физических, механических и химических свойств термодревесины.

Кроме того, следует отметить, что на сегодняшний день различные исследования термомодифицирования находятся на стадии разработки и оптимизации технологий как с экономической, так и с технической точки зрения. При этом одной из наиболее изученных является, так называемая, финская технология (технология Thermowood®), где термообработка древесины осуществляется в среде перегретого пара, которая отличается высокой себестоимостью процесса и дорогостоящим оборудованием, выдерживающим избыточное давление и действие агрессивной паровой среды. Кроме того, существенным недостатком камер, использующих данную технологию и широко представленных в настоящий момент на рынке, является отсутствие возможности предварительной сушки пиломатериала с высокой начальной влажностью в той же камере, что требует организации дополнительного сушильного цеха и исключает возможность использования в рамках небольших предприятий.

Малоизученной технологией остается термомодифицирование древесины в жидкостях, которая отличается экологичностью и является современной альтернативой химическим способам обработки древесины, а благодаря своему конструктивному решению может применяться на малотоннажных производствах. Существующая технология Termoholz, где термообработка происходит в среде органических масел, имеет два существенных недостатка: она отличается значительной продолжительностью процесса за счет охлаждения материала естественным образом и не предназначена для обработки твердых пород древесины. При этом целесообразно предположить, что технология термомодифицирования древесины в жидкостях рациональна именно для твердых пород благодаря их наименьшей пропитываемости.

До сих пор на стадии опытных экземпляров термокамер является технология термической обработки в среде инертных газов. При этом в качестве среды предлагается использование азота, хотя в то же время абсолютно не изученным остается термомодифицирование в среде углекислого газа, который может представлять собой продукты сгорания отходов деревообработки (топочные газы), что может значительно удешевить данный процесс.

Кроме того, до сих пор без внимания оставался контактный метод подвода теплоты к термомодифицируемому пиломатериалу. В то время как подобная технология может конструктивно упростить ведение процесса и позволит реализовать её на небольших предприятиях.

Таким образом, исследование термомодифицирования пиломатериалов с целью разработки новых и усовершенствования существующих технологий и оборудования, поиска рациональных режимных параметров и глубокого изучения свойств готового продукта является актуальной проблемой для деревообрабатывающей промышленности страны.

Настоящая работа выполнена при поддержке: гранта Академии наук Республики Татарстан для молодых ученых № 03-37/2011 «Технология термической обработки древесины в среде топочных газов»; гранта по программе Старт № 10-4-Н3.8- «Создание полупромышленной установки по вакуумно-контактному термомодифицированию древесных материалов».

Степень разработанности проблемы. Проблемам исследования и разработки технологии термомодифицирования древесных материалов посвящены работы в основном зарубежных ученых. Вопросам теплопереноса в технологиях термообработки древесины и математическому моделированию данных процессов посвящены работы ученого Nencho Deliiski (Bulgaria); вопросам влияния термообработки на физико-механические, химические и эксплуатационные свойства древесины – работы Danica Kakov и Frantiek Kak (Slovakia), Ladislav Dzurenda (Slovakia) и Vincent Repellin (France), занимающегося также вопросами закономерностей изменения цветового решения древесины в процессе термомодифицирования; также вопросам термического модифицирования древесины посвящены работы Andreas O. Rapp (Hamburg), Anna Koski (Finland), Michael Sailer (Germany).

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и обоснование энергосберегающих технологий термомодифицирования пиломатериалов, создание метода расчета, определение рациональных режимных параметров и разработки энергосберегающего оборудования, позволяющих получать материал с заданными физико-механическими характеристиками и цветовым решением.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

изучение состояния проблемы термомодифицирования пиломатериалов и анализ процессов, протекающих в древесине при её термообработке;

разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования пиломатериалов в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов;

разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования пиломатериалов в среде топочных газов;

разработка технологии термомодифицирования древесины в жидкостях, позволяющей обрабатывать твердые породы древесины без снижения ее качества и сократить продолжительность процесса путем интенсификации стадии охлаждения;

разработка математических моделей процессов и методик расчета параметров готовой продукции при термомодифицировании пиломатериалов в среде водяного пара, топочных газах, в жидкостях и контактным методом;

моделирование исследуемых процессов с целью выявления рациональных, с позиций качества и энергозатрат, режимов термомодифицирования;

изучение влияния высокотемпературной обработки на физико-механические и химические свойства древесины;

разработка инженерной методики определения необходимой продолжительности стадии термообработки с учетом требуемой степени термомодифицирования древесины, а также разработка компьютерной методики определения цветовой гаммы термодревесины в зависимости от температуры и продолжительности процесса;

разработка энергосберегающей технологии высококачественной предварительной вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла;

разработка технологии предварительной сушки высоковлажной крупномерной древесины в жидкостях;

разработка экспериментальных установок для физического моделирования рассматриваемых процессов, а также исследования свойств термодревесины;

разработка аппаратурного оформления для предложенных технологий термомодифицирования пиломатериалов, а также промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.

Предмет и объект исследования. Предметом исследования являются технологии термомодифицирования древесины различными способами: в среде топочных газов, водяного пара, в жидкостях и контактным методом – с целью сокращения энергозатрат, повышения качества и снижения себестоимости термомодифицированной древесины. Объектом исследования является древесина сосны, березы и дуба и их физико-механические, химические и цветовые характеристики, изменяющиеся в ходе термообработки.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования.

Методологической базой исследования являются теоретические и экспериментальные данные по механизму процессов тепломассопереноса внутри теплоносителя, тепломассообмена с материалом и тепломассопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработки. Для достижения поставленной цели в работе использованы методы математического и физического моделирования. Теоретической базой исследований являлись работы ученых по вопросам сушки и термомодифицирования коллоидных материалов с капиллярно-пористой структурой, влияния высокотемпературной обработки на свойства пиломатериалов, а также исследования физико-механических свойств древесины.

Эмпирическую основу составляли исследования физических и механических свойств объекта обработки, как в процессе высокотемпературной обработки, так и после неё, в частности: кинетические данные по температуре и плотности образца в процессе термообработки, изменение химического состава, механических и сорбционных параметров, цветовых характеристик после термообработки, исследование биостойкости полученной древесины.

Научные результаты, выносимые на защиту. В процессе выполнения работы лично соискателем получены следующие научные результаты:

Энергосберегающая технология сушки и термомодифицирования пиломатериалов в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, не имеющая аналогов.

Энергосберегающая технология термомодифицирования пиломатериалов в среде топочных газов, не имеющая аналогов.

Энергосберегающая технология осциллирующей сушки и термомодифицирования твердых пород древесины в жидкостях, отличающаяся от аналоговой меньшей продолжительностью процесса за счет интенсификации стадии охлаждения.

Усовершенствование технологии термомодифицирования древесины в среде перегретого водяного пара.

Обобщенная математическая модель и алгоритм расчета процессов термомодифицирования древесины, позволяющая определить продолжительность стадий нагрева, термообработки и охлаждения термодревесины в зависимости от требуемых характеристик готовой продукции.

Рациональные режимные параметры ведения процессов термомодифицирования пиломатериалов в среде топочных газов, в насыщенном паре, в жидкостях и контактным методом, полученные по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований и промышленной апробации.

Механизм изменения механических и физических свойств и химического состава древесины вследствие действия высоких температур без доступа воздуха.

Методика определения рациональных режимных параметров процесса термообработки с учетом требуемой степени модифицирования и окраски древесины.

Конструктивные особенности установок для сушки и термомодифицирования пиломатериалов и результаты их внедрения в производство.

Научная новизна результатов работы. Работа содержит научнообоснованные технические и технологические решения, направленные на сокращение энергетических затрат на процесс термообработки и повышение качества термодревесины. Впервые исследованы и обобщены закономерности методов и результатов термической обработки древесины:

Создано обобщенное математическое описание технологических процессов, протекающих при термической обработке пиломатериалов, позволяющее выявить рациональные режимные параметры исследуемой технологии.

По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований выявлены пути снижения энергетических затрат, интенсификации процессов и повышения качества обрабатываемого пиломатериала: получена зависимость темпа повышения температуры пиломатериала от его толщины для стадии нагрева, обеспечивающая надлежащее качество готового продукта, получены рациональные режимные параметры процесса термообработки (температура и продолжительность) в зависимости от требуемой степени термомодифицирования и окраски древесины, предложены рациональные режимы удаления летучих продуктов разложения древесины с целью снижения энергозатрат системой откачки, предложены энергоэффективные схемы проведения стадии охлаждения термодревесины после термообработки; выявлены кинетические закономерности процессов термообработки древесины различными способами.

Разработаны и реализованы абсолютно новые способы термомодифицирования древесины в среде топочных газов и в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, новизна технологий которых подтверждена патентами.

Разработана технология термомодифицирования высоковлажной крупномерной древесины в среде насыщенного водяного пара.

Усовершенствованы технологии термического модифицирования древесины в жидкостях и в среде перегретого водяного пара, новизна которых подтверждена патентами.

Разработаны и реализованы новые способы предварительной вакуумноконвективной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла и осциллирующей сушки крупномерной древесины в жидкостях, новизна которых подтверждена патентами.

Выявлены области рационального использования различных методов термомодифицирования пиломатериалов, разработаны рекомендации по выбору наиболее рациональной технологии в зависимости от целей предприятия и сортамента древесины.

Получены значения теплофизических коэффициентов для термодревесины сосны, березы и дуба в зависимости от степени термомодифицирования; проведено полновесное исследование механических характеристик, химического состава и биостойкости термодревесины сосны, березы и дуба в зависимости от продолжительности и температуры обработки.

Введено понятие – степень термомодифицирования и методика ее определения; установлено, что основное влияние на степень термомодифицирования оказывает температура обработки.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость представленной работы заключается в разработанной обобщенной математической модели, адекватность которой установлена в ходе проведения экспериментальных исследований. Математическое описание позволяет определять физические характеристики объекта исследования в зависимости от режимных параметров процесса термомодифицирования древесины в различных средах; устанавливать влияние отдельных факторов на процессы термообработки.

Практическая значимость полученных научных результатов заключается в создании новых энергосберегающих технологий термомодифицирования в среде топочных газов и в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, разработке технологии термомодифицирования высоковлажной крупномерной древесины в среде насыщенного водяного пара, усовершенствовании существующих технологий термического модифицирования древесины в жидкостях и в среде перегретого водяного пара, а также в разработке, создании и внедрении в производство соответствующего аппаратурного оформления указанных технологий термомодифицирования. Новизна технических и технологических решений подтверждены 13 патентами РФ. Разработана инженерная методика расчета технологических режимов термообработки в зависимости от заданной степени термомодифицирования древесины и толщины пиломатериала.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)», п. «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» и п. «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины» из паспорта специальности 05.21. «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».

Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

на зарубежных международных конференциях: «Chip and chipless woodworking processes 2012» (Зволен, Словакия, 2012 г.); «Innovations in forest industry and engineering design» (София, Болгария, 2012 г.); 14-ом Международном форуме по тепло-массообмену (Минск, Белоруссия, 2012 г);

на международных конференциях: «Математические методы в технике и технологии» (Псков, 2009 г., Саратов, 2010 г., Киев, 2011 г., Волгоград, 2012 г.); «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2009 г.); «СевергеоэкотехУхта, 2009 г.); «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009 г.); «Биоэнергетика и биотехнологии – эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки» (Москва, 2009 г.); «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011» (Москва 2011 г), «Ресурсосбережение в химической технологии» (Санкт-Петербург, 2012 г.);

на всероссийских конференциях «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2009, 2011 гг.); «Жить в 21 веке» (Казань, 2009, 2010 гг.); «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2010г); «Научному прогрессу – творчество молодых»

(Йошкар-Ола, 2010г);

на научных сессиях по технологическим процессам ФГБОУ ВПО «КНИТУ»

(Казань, 2008-13 гг.); ежегодных научных конференциях МарГТУ (Йошкар-Ола, 2008-12 гг.).

Результаты работы экспонировались на Международной выставке научнотехнических достижений в Китае (Шеньян, Китай, 2009 г.), Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2010, 2011 гг.), 7-ой международной специализированной выставке-форуме «Промышленный салон-2008» (Самара, 2008 г.), 10-й Международной выставке-симпозиуме деревянных зданий и конструкций «Drevostavby 2013» (Прага, Чехия, 2013 г.).

Установка термомодифицирования древесины в топочных газах удостоена серебряной медали на Международной выставке научно-технических достижений в Китае. Технология термической модификации древесины удостоена серебряной медали на Х Московском международном салоне инноваций и инвестиций в Москве.

Внедрение установок для термического модифицирования древесины с общим экономическим эффектом 23,7 млн. рублей в год осуществлено на предприятиях ЗАО «Ласкрафт», ООО «НПП «ТермоДревПром», ООО «НТЦ РТО», ООО «Промекс», ООО «Термотехнологии», ООО «ОКБ «Прогресс», ООО «Русская мебель», ООО «Сириус».

Теоретические положения процессов термического модифицирования древесины, методики экспериментальных исследований и программные продукты, разработанные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Гидротермическая обработка и консервирование древесины», «Методы математического и физического моделирования процессов в деревообработке» и «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств».

Личное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора разработаны лабораторные, пилотные и промышленные установки; выполнены эксперименты и проведены опытные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликованы 74 печатные работы, в том числе 2 монографии, 22 статьи в ведущих рецензируемых журналах и 13 патентов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 498 страниц машинописного текста, в том числе 392 страницы основного текста.

Работа содержит 221 рисунков и 25 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса разработки технологии термомодифицирования древесины, в результате которого поставлены задачи по исследованию высокотемпературной обработки древесных материалов в различных средах и анализу свойств полученной термодревесины в зависимости от режимов обработки.

Процесс термомодифицирования древесины представлен как сложная взаимодействующая система с последующим качественным анализом ее структуры, разработкой математического описания и оценкой неизвестных параметров.

Рассмотрены существующие способы термомодифицирования древесины как в России, так и зарубежом. До сих пор выпуск термообработанных сортов дерева ограничен относительно небольшим количеством установок, производственная мощность которых составляет 5-10 тыс. м3 дерева в год. При этом доля российского производителя термодревесины составляет менее 6 %, что объясняется высокими энергетическими затратами на проведение процесса. Решения задач и по снижению энергозатрат видится в разработке новых технологий и оптимизации существующих под узкие конкретные условия производства.

Следует отметить, что и зарубежные производители до сих пор находятся практически на начальном этапе поиска рациональных технологий термомодифицирования, поскольку в каждой отдельной стране развит лишь один из способов термической переработки древесины. При этом наиболее передовыми в этой области являются финские компании с технологией Thermowood.

Теоретическое исследование существующих методов термической обработки древесины выявило общие для всех основные стадии: повышение температуры в камере до 403 – 423 К и досушка материала при высокой температуре до абсолютно сухого состояния; повышение температуры до значений 463 – 533 К в зависимости от технологии и выдержка материала при этих значениях с целью придания древесине требуемых свойств и цвета; снижение температуры и доведение влажности древесины до эксплуатационных значений.

Кроме того, анализ литературных источников позволяет сделать вывод, что термомодифицированная древесина до сих пор остается малоизученным продуктом.

Имеющиеся в литературе данные носят описательный характер и в основной своей массе не являются научно-обоснованными, поэтому требуется глубокое исследование химических, сорбционных, теплофизических, механических и других эксплуатационных параметров термодревесины в зависимости от режимов и степени термообработки.

Во второй главе представлены методики и результаты исследований основных свойств термомодифицированной древесины, необходимые для дальнейшего глубокого изучения процессов, протекающих при термической обработке пиломатериалов и разработке новых технологий и оборудования.

В ходе проведения экспериментальных исследований было выявлено, что термомодифицирование влияет на древесину, изменяя его химический состав. ИКспектральный анализ показал, что воздействие температур в диапазоне до 433 К, продолжительностью до 8 часов практически не вызывает химических превращений в древесине: ИК-спектры натуральной древесины, высушенной по нормальным режимам, и термодревесины, подвергнутой тепловой обработке при 433 К, идентичны.

Заметные изменения в полосе инфракрасного поглощения начинают происходить при воздействии на древесину сосны температуры 473 К более одного часа (рис. 1).

При этом происходит разложение гемицеллюлоз, температура деструкции которых, варьируется в интервале от 473 до 533 К в зависимости от условий процесса.

Transmittance (%) %Transmittance При термическом модифицировании древесины пропорционально температуре обработки наблюдается снижение водорастворимых редуцирующих веществ. Исследованиями установлено, что содержание сахаров для термомодифицированной при 493 К древесины сосны сокращается более чем в 1,6 раза по сравнению с необработанной. Снижение содержания экстрактивных веществ в древесине дуба в зависимости от температуры обработки показано на рис. 2.

Модифицированная древесина была исследована на смачиваемость и гигроскопичность. Исследования показали, что с повышением температуры обработки предел гигроскопичности древесины сосны снижается до 8%, что объясняется замещением ОН-групп в молекулах целлюлозы.

На рис. 3 представлены результаты исследований развития давления набухания, которые характеризуют снижение данного параметра при увеличении температуры обработки древесины.

сэв, Рис.2. Содержание экстрактивных веществ, растворимых в воде (%) в древесине термомодифицированного дуба.

Установлено снижение коэффициентов усушки и разбухания пропорционально увеличению температуры обработки материала (рис. 4).

Рис. 4. Изменение коэффициента усушки (а) и разбухания (б) древесины сосны от При моделировании и решении задачи теплопереноса внутри древесины в процессе термической модификации требуется знание теплопроводных характеристик исследуемого объекта. В связи с чем, была разработана экспериментальная установка, с помощью которой были определены зависимости коэффициентов теплопроводности и температуропроводности исследуемого материала от температуры его обработки (рис. 5).

Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что термомодифицирование оказывает прямое влияние на изменение теплофизических свойств древесины:

чем выше температура обработки, тем интенсивнее снижение коэффициента теплопроводности материала, что объясняется уменьшением его плотности.

Вт/(мК) Рис. 5. Зависимости коэффициентов теплопроводности (а) и температуропроводности (б) от температуры обработки древесины.

В результате чего, для удобства использования в математических расчетах получены выражения теплопроводности (1) и температуропроводности (2) термодревесины в зависимости от ее текущей плотности:

С учетом сохраняющейся текстуры натурального дерева наиболее рациональной формой эксплуатации термодревесины является использование её как отделочного материала. В связи с этим были проведены исследования влияния тепловой обработки на основные механические свойства термодревесины как материала для отделки: твердости и прочности на статический изгиб (рис. 6), которые позволяют сделать вывод о том, что повышение температуры и увеличение продолжительности термомодифицирования древесины ведет к снижению механических характеристик древесины.

Рис. 6. Изменение ударной твердости образцов березы (а) и предела прочности при изгибе дуба (б) в зависимости от времени и температуры обработки.

Однако термомодифициование не только повышает эстетические свойства материала, но и увеличивает его биостойкость. Экспериментально установлено механические характеристики термообработанной древесины, подвергнутой длительной Рис. 7. Изменение ударной твердости повышением температуры термомодифициобразцов сосны в зависимости от рования наблюдается снижение величины температуры обработки: удельной работы резания относительно немоконтрольный; 2 - Тобр = 453К;

термомодифицирование ведет к значительному повышению качества обработки и снижению шероховатости более чем в 2 раза, что объясняется снижением упругоэластических свойств древесины.

В третьей главе приведена физическая картина процессов, протекающих при термообработке пиломатериалов, разработана обобщенная математическая модель термомодифицирования древесины в различных средах и представлены возможные алгоритмы расчета процесса термомодифицирования древесины в жидкости, в водяном паре, в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, а также в топочных газах.

Процесс термомодифицирования древесины можно представить как совокупность стадий прогрева, сушки, непосредственно термического модифицирования и охлаждения (рис. 8).

Рис. 8. Схема ведения процесса термомодифицирования камерно-сухой древесины.

Внутреннюю задачу термомодифицирования древесины целесообразно рассмотреть как одномерную симметричную модель, решение которой сводится к уравнениям переноса энергии в материале (3) и уравнение изменения плотности материала (4):

Начальные условия, характеризующие начало всего процесса Функция изменения температуры поверхности материала в общем случае может быть описана следующим выражением В процессе охлаждения теплоперенос внутри материала описывается дифференциальным уравнением теплопроводности при следующем граничном условии Внешний тепломассоперенос в процессе термомодифицирования пиломатериалов в среде водяного пара. Дифференцированием формулы СенВенана–Венцеля, характеризующей расход пара, поступающего истечением в большой объём под высоким давлением определяем изменение массы пара в данной зоне за бесконечно малый промежуток времени Для определения изменения плотности паров в зоне их входа в аппарат воспользуемся формулой Так как поток полностью заполняет пространство камеры, то можно считать, что теплоноситель одновременно обтекает все отдельные элементы штабеля. Тогда, рассматривая одномерную модель обтекания материала и пренебрегая молекулярной теплопроводностью и диффузией теплоносителя, дифференциальные уравнения переноса энергии и массы в прямоугольных координатах принимают вид Скорость движения потока пара относительно штабеля пиломатериалов определяется из выражения Тепловой баланс процесса прогрева сушильного агента в точке выхода из калорифера можно представить в виде Левая часть уравнения (15) характеризует приток тепла от калорифера, правая часть – изменение внутренней энергии выделенного объема теплоносителя.

Отсюда, получаем зависимость изменения температуры фронта среды при прохождении через калорифер, которая будет являться граничным условием для решения дифференциального уравнения (12) Граничное условие для решения дифференциального уравнения (13) определяется плотностью пара в зоне электронагревателей:

в момент подачи водяного пара из парогенератора после завершения подачи водяного пара (при достижении в аппарате требуемого давления) плотность паров в различных точках аппарата можно считать равной, поэтому расчетом по уравнению (13) можно пренебречь, а скорость в уравнении (12) принять за постоянную величину, определяемую характеристиками вентилятора Внешний тепломассоперенос в процессе термомодифицирования пиломатериалов в жидкостях включает описание стадии нагрева начинается с описания теплопереноса внутри жидкого теплоносителя, которое можно представить, опираясь на дифференциальное уравнение переноса энергии с объемным источником тепла (12), где скорость движения определяется скоростью естественной конвекции В процессе термомодифицирования древесины в жидкостях внутри материала наблюдаются два взаимообратных потока: поток пропитывающей жидкости из окружающей среды, направленный внутрь древесины, и поток парогазовой смеси продуктов разложения из древесины. При этом поток пропитывающей жидкости целеесообразно рассматривать как движение смачивающей жидкости в капилляре с защемленным газом, при котором основное влияние на продвижение жидкости в капилляре оказывают процессы растворения и диффузии находящихся в капилляре газов и водяных паров в пропитывающую жидкость.

Скорость движения жидкости в тупиковом капилляре, скорость растворения и диффузии защемленного в нем газа описывается уравнением Процесс пропитки древесины жидкостью будет происходить лишь в случае, когда скорость движения жидкости в тупиковом капилляре будет больше или равна скорости взаимообратного потока газообразных продуктов разложения, т.е. при выполнении следующего условия В противном случае, парогазовый поток продуктов разложения будет приводить к выдавливанию пропитывающей жидкости.

Скорость потока продуктов разложения может быть определена с помощью уравнения После завершения стадии термической модификации древесины материал следует охладить без доступа кислорода воздуха во избежании самовозгорания термодревесины. В этой связи охлаждение возможно двумя путями:

методом слива обрабатывающей жидкости и одновременной подачи водяного пара в рабочую полость аппарата;

путем непосредственного охлаждения в обрабатывающей жидкости.

Внешний тепломассоперенос в процессе термомодифицирования пиломатериалов в среде инертных газов. В качестве тепловых агентов в процессах термической обработки могут быть использованы такие инертные газы как азот, углекислый газ и т.п. В этом случае математическое описание внешнего теплопереноса в процессе термической обработки древесины аналогично представленному выше описанию термообработки материала в среде водяного пара и может быть представлено дифференциальным уравнением (12) при краевых условиях (5) и (16). При этом если азот для технологических нужд можно получить сепарацией воздуха с соответствующей затратой энергии, то в качестве углекислого газа целесообразно использовать топочные газы, полученные в результате сжигания древесных отходов. Использование топочных газов при термомодифицировании древесины приводит к значительному сокращению энергозатрат на ведение процесса, и позволяет получать тепловую энергию для технологических нужд.

Отсюда, рассмотрим способ термической модификации древесины, осуществляемый путем сжигания древесных отходов, со значением коэффициента избытка воздуха близким 1, с образованием топочных газов, направляемых в камеру для термической модификации древесины, где они используется в качестве агента обработки.

Для этого составим материальный баланс для всей среды, находящейся в камере термомодифицирования древесины где изменение массы среды в камере зависит от изменения содержания массы воздуха, имевшегося в камере в начальный момент времени, массы топочных газов, поступающих в аппарат из топки и удаляемых из аппарата, массы парогазовой смеси, поступающей в аппарат из материала в процессе разложения его компонентов и удаляемой из аппарата.

Тогда, изменение парциальных давлений компонентов среды определяется производительностью топочной камеры и потоком парогазовой смеси из материала, а также производительностью системы удаления газа из аппарата.

Для определения производительности топки найдем объем образующихся влажных топочных газов, который определяется из уравнения материального баланса сжигания древесины Vтг 0,161 0,005W р 0,0074Ар 4,818 0,0472W р 0,0472А р.

Температура топочных газов после теплообменника Граничное условие для решения дифференциального уравнения (12) для случая обработки в среде топочных газов Внешний тепломассоперенос при вакуумно-контактном методе термомодифицирования пиломатериалов. С целью предотвращения самопроизвольного возгорания древесины процесс термомодифицирования проводят в условиях вакуума, для этого в работу включены конденсаторы для улова летучих компонентов и водокольцевой вакуумный насос. Температура 533 – 543 К определяет начало экзотермической реакции, что может привести к неконтролируемому разложению древесины, поэтому температура нагревательных элементов не должна превышать 523 К.

Изменения давления и температуры парогазовой смеси над термомодифицируемым пиломатериалом могут быть определены решением следующих уравнений После окончания процесса термомодифицирования древесину необходимо лишить способности самовозгораться. Для этого древесину необходимо охладить до 393 – 403 К. Понижение температуры продукта осуществляется непосредственно в вакуумно-кондуктивной камере путем подачи водяного пара из парогенератора.

Совместное рассмотрение представленных моделей позволило разработать обобщенную математическую модель процессов термомодифицирования пиломатериалов, блок-схема алгоритма расчета которой представлена на рис. 9. Алгоритм расчета включает восемь блоков, связанных между собой операторами управления.

Рис. 9. Алгоритм расчета обобщенной математической модели процессов В четвертой главе приведены описания созданных экспериментальных установок и результаты математического и физического моделирования исследуемых процессов сушки и термомодифицирования древесины при различных режимах обработки; установлена адекватность разработанной обобщенной математической модели реальному процессу; определены рациональные режимные параметры. Для исследования процессов термического модифицирования древесины были разработаны и использовались: экспериментальная установка вакуумно-кондуктивной сушки и термомодифицирования пиломатериалов, экспериментальная установка для сушки и термомодифицирования древесины в жидкостях, экспериментальная установка для исследования кинетики вакуумно-конвективного термомодифицирования древесины в среде перегретого пара и экспериментальный стенд для исследования термомодифицирования древесины в среде топочных газов.

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной, многие из технических решений, положенных в основу конструкций лабораторных установок, послужили основой для разработки аппаратурного оформления реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ.

Адекватность разработанных математических моделей установлена обработкой результатов измерений, полученных при физическом моделировании, и результатов предсказания модели в идентичных условиях методами математической статистики.

Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий протекания процессов и находится в пределах 18 – 27 %.

Результаты проведенных исследований по термомодифицированию древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов указали на целесообразность контактно-импульсного повышения температуры нагревательной плиты на стадии нагрева, представляющего собой многоступенчатый режим прогрева с периодическим полным отключением нагревательной плиты.

Экспериментальные исследования непосредственно термического модифицирования древесины показали отсутствие влияния плотности древесины на интенсивность потока массы летучих компоненj, ческим составом разных пород древесины. Это предположение подтвердилось исследованием химического состава древесины: была установлена летучих компонентов от процентного содержания пентозанов в составе древесины.

Полученные данные показали, что увеличение текущей температуры обработки и толщины пиломатериала приводит к значительному увеличению количества аккумулированной тепловой энергии внутри материала, а в совокупности с уменьшением плотности породы древесины, вызывающем увеличение газовой фазы внутри пиломатериала, приводит к увеличению выделения парогазовых продуктов разложения древесины и, как следствие, снижению темпа понижения давления в аппарате на стадии вакуумирования, что, в свою очередь, определяет технические характеристики (производительность) и интенсивность режима работы системы вакуумирования.

Применительно к термомодифицированию в жидкостях установлено, что процесс целесообразно осуществлять погружением пиломатериала в холодную жидкость с последующим нагревом, что позволяет получить равномерную по сечению степень модифицирования.

Рис. 11 Зависимость давления на стадии вакуумирования от времени: для различных температур (а); для различных толщин пиломатериала (б).

В результате проведенных исследований для образцов древесины различных пород толщиной более 50 мм установлено, что интенсивность потока пропитывающей жидкости прямо пропорциональна температуре термомодифицирования, при этом глубина проникновения агента обработки в пиломатериал зависит не от пропитываемости натуральной древесины, а от её базисной плотности (рис. 12). Например, пропитываемость натуральной березы выше, чем пропитываемость ядровой зоны натуральной сосны, однако глубина проникновения агента обработки в термомодифицированную сосну оказалась больше, чем в случае с термомодифицированной Рис. 12. Средняя глубина пропитки.

жидкости на проведение процесса и избежать больших потерь материала в процессе его дальнейшей механической обработки.

В результате математического моделирования получено выражение (33) для определения рационального темпа повышения температуры среды, обеспечивающего надлежащее качество материала получаемого в процессе термомодифицирования.

Оценка влияния толщины пиломатериала и температуры обработки на интенсивность процесса термомодифицирования указала на существенную зависимость продолжительности процесса термомодифицирования от данных параметров.

Получено, что с целью снижения энергозатрат на ведение процесса давление в аппарате и производительность системы откачки необходимо регулировать, учитывая изменение потока летучих во времени (рис. 13).

Рис. 13. Изменение взаимообратных потоков летучих (а) и пропитывающей жидкости (б) при термомодифицировании пиломатериала при разных температурах.

В случае термомодифицирования древесины в среде топочных газов стадию нагрева рационально разделить на два этапа: на первом этапе (до температуры среды 443 К) прогрев осуществлять непосредственной подачей топочных газов в камеру термообработки, на втором этапе - при достижении температуры среды 443 К – нагрев материала осуществлять средой, циркулирующей в замкнутом пространстве камеры и нагреваемой топочными газами через разделяющую теплообменную поверхность. По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований было установлено рациональное время стадии нагрева до заданной температуры обработки в зависимости от толщины (рис. 14) и породы древесины (рис. 15).

прогрев, ч Рис. 14. Время прогрева пиломатериала В результате проведенных исследований процесса термомодифицирования древесины в среде водяного пара было установлено, что с целью ускорения процесса прогрева целесообразно варьировать продолжительность периода обработки насыщенным паром в зависимости от начальной влажности и толщины материала (рис. 16).

ты на проведение процесса. Применительно к сухим пиломатериалам процесс термообработки целесообразно начать с нагрева материала до температуры 383 – Рис. 16. Давление в аппарате в момент влагосодержания древесины.

Завершающим этапом процесса термического модифицирования древесины является охлаждение. Данный этап позволяет существенно снизить напряжения, возникшие в пиломатериале в процессе обработки, а также исключить возможное самовозгорание древесины в процессе разгерметизации камеры (напуска воздуха). На рис. 17 и 18 представлены зависимости продолжительности стадии охлаждения готового продукта от породы, температуры обработки (рис. 17) и толщины пиломатериала (рис. 18).

в зависимости от температуры обработки.

В результате проведенных исследований была выявлена целесообразность широкого промышленного использования способа термомодифицирования древесины недорогих пород в среде топочных газов, применительно к модифицированию труднопропитываемых пород в условиях малых производств предложено использовать термообработку в жидкостях. Установлены ниши для рационального использования технологии термического модифицирования пиломатериалов в среде водяного пара и в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов.

В пятой главе приводятся результаты внедрения в производство технических решений, направленных на усовершенствование существующих и создание принципиально новых технологий термической обработки пиломатериалов в рамках различных предприятий.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования термического модифицирования древесины в различных средах позволили определить потенциальные пути развития и интенсификации процесса. На их основе были осуществлены мероприятия, направленные на разработку и промышленную реализацию технологий термомодифицирования пиломатериалов в среде топочных газов, водяного пара и жидкостей, а также вакуумно-контактным методом. На рис. 19 представлен алгоритм выбора различных технологий термомодифицирования в зависимости от вида перерабатываемого древесного материала, его геометрических размеров, влажности и породы. Также в представленном алгоритме предусмотрен выбор оптимального варианта обработки в зависимости от объема производства термодревесины в месяц.