Рассылка

Для того, чтобы получать уведомления о новых номерах журнала, оставьте свой E-mail адрес.



Тепломассоперенос внутри пиломатериала в процессе его термической модификации

Авторы: П.А. Кайнов

Одними из серьезных недостатков готовой продукции из термомодифицированных пиломатериалов является высокая себестоимость и наличие едкого запаха жженой древесины, поэтому перед исследователями стоят задачи по снижению энергозатрат на проведение процесса термообработки и предотвращению неприятного запаха в готовой продукции. Одним из путей решения данных задач является проведение процесса термомодифицирования в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, что позволяет предотвратить потери тепла в окружающую среду и на стадии охлаждения благодаря осциллированию удалить жженый запах. В сообщении представлены результаты проведенных исследований предложенной технологии и методы её расчета.

Ключевые слова: термическая модифицикация, вакуум, жженый запах

One of the serious shortcomings of the finished product thermomodified lumber is high cost and availability of pungent odor of burnt wood, so the researchers are the target of reducing energy costs for carrying out the process of heat treatment and prevention of odors in the finished product. One way to solve these problems is to carry out the process termomodification in a vacuum-conductive devices, which helps prevent heat loss into the environment and on the stage of cooling remove burnt smell. The report presents the results of studies of the proposed technology and methods of calculation.

Keywords: thermal modification, vacuum, the smell of burnt

Базовой инновационной технологией, позволяющей пересмотреть вопросы использования низкосортной древесины для нужд деревянного домостроения и мебельного производства, на сегодняшний день является термомодифицирование, поднимающее продукцию из древесины на новый конкурентоспособный уровень [1]. Рынок потребления термообработанной древесины в последние годы постоянно расширяется, что можно объяснить постепенным сужением возможных областей использования химически обработанной древесины и всё более ужесточающимися требованиями к самим химическим составам, что, в частности, видно из запрета Еврокомиссией применять древесину, обработанную антисептиками, содержащими соли тяжелых металлов [2]. Кроме того, термомодифицирование приводит к значительному повышению эксплуатационных свойств древесины: повышается биологическая стойкость, снижается равновесная влажность, сокращается коэффициент разбухания древесины при увлажнении, существенно уменьшается возможность проникновения воды в материал, улучшаются декоративные свойства и т.д. Однако несмотря на ряд преимуществ данная технология модифицирования древесины в нашей стране не нашла широкого применения вследствие высокой энергоемкости процесса, существенно увеличивающей себестоимость термодревесины. Кроме того, одним из серьезных недостатков готовой продукции из термомодифицированных пиломатериалов является наличие едкого запаха жженой древесины. Таким образом, перед исследователями и производственниками стоят следующие задачи: снижение энергозатрат на проведение процесса термообработки; предотвращение неприятного запаха жженой древесины в готовой продукции.

Известные в настоящее время зарубежные технологии в процессе термообработки для защиты материала от кислорода, а также подвода тепловой энергии используют перегретый водяной пар или жидкую среду. Это, зачастую, приводит к быстрому износу дорогостоящего оборудования вследствие воздействия высокотемпературной агрессивной среды. В то же время в деревообрабатывающем производстве широкое применение нашли вакуумно-кондуктивные сушильные камеры, возможность использования которых для термомодифицирования древесины остается недостаточно исследованной. В то время как использование вакуума позволяет не только избежать воспламенения древесины, но и существенно снизить энергозатраты вследствие предотвращения тепловых потерь в окружающую среду, значительно интенсифицировать процесс вследствие контактного метода подвода тепловой энергии, а также позволяет удалить газообразные продукты разложения древесины из внутренних полостей материала и, тем самым, удалить неприятный запах термодревесины [3].

Кроме того, используемые в настоящее время технологии до сих пор не имеют расчетной базы, позволяющей адекватно оценить процессы термической модификации древесины и массоперенос продуктов разложения внутри материала в процессе производства и дальнейшей эксплуатации. Таким образом, в настоящей работе была поставлена задача: разработать математическое описание процессов тепломассопереноса внутри материала при его вакуумно-кондуктивном термомодифицировании с целью дальнейшего решения вопроса предотвращения запаха жженой древесины в готовой продукции.

Работа выполнялась при поддержке гранта Академии наук Республики Татарстан для молодых ученых № 8-11/2011 (Г).

Для описания изменения во времени полей плотностей и температуры древесины и продуктов её разложения по толщине пиломатериала в процессе термообработки воспользуемся уравнениями тепломассопереноса, представленными в следующей форме:

,(1)

, (2)

, (3)

, (4)

где источниковый член в уравнении (1) характеризует количество тепловой энергии, расходуемое на осуществление эндотермической реакции разложения гемицеллюлоз и подводимое к каркасу материала за счет теплоотдачи от движущихся внутри материала в виде парогазовой смеси продуктов разложения; напротив, источниковый член в уравнении (2) характеризует количество тепловой энергии, выделяющейся с продуктами реакции при осуществлении реакции разложения гемицеллюлоз и отводимое от парогазовой смеси продуктов разложения к каркасу материала за счет теплоотдачи.

Для решения системы дифференциальных уравнений (1) – (4) введем следующие краевые условия:

- начальные условия

, (5)

, ; (6)

- граничные условия

, (7)

. (8)

После завершения стадии термической модификации начинается охлаждение термодревесины. В этом случае дифференциальные уравнения переноса энергии и массы представим в следующем виде:

, (9)

,(10)

; (11)

Начальные условия для решения выражения (9) – (11) представляют собой поля температур и плотности после расчета предыдущей стадии; граничные условия можно представить в виде выражений:

, (12)

. (13)

Для интенсификации массопереноса газообразных продуктов разложения внутри материала стадию охлаждения целесообразно проводить циклически: путем периодической подачи водяного пара в рабочую полость аппарата и создания вакуума. Подобное ведение процесса позволяет создать градиент давления внутри материала и в результате многократного разбавления газообразных продуктов разложения водяным паром существенно сократить, а в некоторых случаях (при небольшой толщине пиломатериала) и полностью предотвратить, неприятный запах термодревесины.

Система уравнений (1) – (13) позволяет математически описать изменение плотности и температуры древесины и продуктов её разложения в процессе термообработки и охлаждения термодревесины при наличии всех соответствующих коэффициентов. Однако термомодифицированная древесина пока остается малоизученным материалом, и поэтому в литературе отсутствуют необходимые для расчета данные. И если теплофизические коэффициенты термодревесины в первом приближении с достаточной для инженерных расчетов точностью можно принять как и для абсолютно сухой натуральной древесины с поправкой на плотность, то константа скорости химической реакции требует предварительного экспериментального определения. В связи с этим, были проведены экспериментальные исследования, результаты обработки которых представлены в виде выражения

. (14)

Для оценки представленной математической модели на адекватность была создана экспериментальная установка для сушки и термомодифицирования древесины контактным методом. В качестве модельных образцов были использованы пиломатериалы разных пород (дуб, сосна, береза), выбор данных пород обусловлен разными плотностями  при этом учитывались имеющиеся в справочной литературе наиболее полные сведения о теплофизических и физико-механических свойствах данных пород. Для проверки на адекватность математической модели термомодифицирования пиломатериалов были проведены математическое моделирование с помощью приложения VBA программы Microsoft Office Excel и экспериментальные исследования.

В результате проведенных исследований установлено, что темп нагревания древесины должен быть подобран таким образом, чтобы обеспечить равномерную по сечению окраску, поэтому. Поскольку резкое повышение температуры поверхностных слоев вызывает существенное различие в цветовой гамме по сечению древесины, а слишком медленное – приводит к значительному увеличению продолжительности процесса, то была поставлена задача определить оптимальный темп нагрева. В результате проведенных исследований получена зависимость:

. (15)

Результаты проведенных экспериментальных исследований изменения интегральных плотностей термомодифицированной древесины показали, что термическая обработка оказывает прямое влияние на изменение плотности древесины, при этом, чем выше температура обработки, тем интенсивнее снижение плотности материала. В то же время порода древесины не оказывает значительного влияния на изменение данного параметра.

Обработка экспериментальных и теоретических данных выделения из древесины парогазовой смеси в процессе термомодифицирования позволила определить изменение потока летучих во времени, необходимое при расчете системы улова и конденсации продуктов разложения древесины. Установлено, что производительность системы улова и конденсации должна регулироваться в процессе термообработки в зависимости от температуры процесса термической обработки, толщины пиломатериала и породы древесины.

 Основные процессы термического модифицирования древесины находятся в пределах эндотермичных реакций и сопровождаются частичным разложением компонентов древесины (целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнина). При более высоких температурах начинаются необратимые процессы разложения древесины, характерные для экзотермических реакций, поэтому термомодифицирование древесины проводится при температурном режиме не превышающем 250 °С.

При достижении необходимой степени термомодифицирования с целью удаления неприятного запаха жженой древесины нами предложено проводить осциллирующую пропарку, сопровождающуюся чередование стадий пропарки и вакуумирования. Подача водяного пара в рабочее пространство камеры и контакте с горячим деревом вызывает перегрев пара, поэтому для поддержания в камере заданной температуры среды в работу включается внутренний теплообменник. После обработки древесины в среде водяного пара камеру вакуумируют с помощью вакуумного насоса и осуществляют выдержку древесины в условиях вакуума. Применение стадий вакуумирования и пропаривания после стадии термообработки древесины, помимо удаления неприятного запаха, направлено на интенсификацию стадии охлаждения древесины. Снижение температуры материала до 120 – 130оС необходимо для предотвращения самопроизвольного возгорания древесины при данных высоких температурных режимах при выгрузке из камеры.

Результаты моделирования, характеризующие зависимость расхода пара на стадии охлаждения термообработанной древесины показали, что расход пара увеличивается с повышением удельной поверхности материала. Полученные зависимости позволяют контролировать расход водяного пара и постепенно снижать температуру материала до 120-130°С, обеспечивая надлежащее качество получаемой термодревесины.

Кроме того, в результате эксперимен-тальных исследований установлено, что термомодифицированная древесина дуба может быть оптимальной заменой натуральной мореной древесины, так как открывает широкие возможности для применения дерева как высокохудожественного материала, превосходящего по качеству естественный мореный дуб благодаря приобретенным новым физико-механическим, эксплуатационным и эстетическим характеристикам. Анализ проведенных исследований свойств термомодифицированной древесины дуба показал, что повышение температуры и увеличение продолжительности термообработки древесины ведет к снижению прочностных показателей пиломатериала. Однако термомодифицированный дуб превосходит по эксплуатационным характеристикам натуральный мореный дуб. В частности, предел прочности при изгибе для термодуба на 4-30% больше чем для натурального мореного дуба, а предел прочности при сжатии на 1-5% больше в зависимости от степени термомодифицирования, коэффициенты усушки и разбухания в среднем в пять раз меньше, при этом ударная твердость искусственного мореного дуба несколько ниже, чем у натурального.

На основании полученных данных была разработана инженерная методика расчета рациональных режимных параметров процесса в зависимости от требуемой степени термомодифицирования и физико-механических характеристик получаемой термодревесины.

В результате проведенных исследований была разработана опытно-промышленная установка термической обработки древесины в жидкостях, которая состоит из герметичной камеры с нагревателем, линии вакуумирования и системы охлаждения, включающей емкость для хранения гидрофобной жидкости со встроенным резервуаром заполненным водой, сообщающимся с камерой при помощи паропровода. После завершения стадии термообработки из камеры в емкость сливают гидрофобную жидкость, где она отдает тепло через стенки внутреннего резервуара воде, в результате чего образуется пар, подаваемый обратно в камеру. Данная операция исключает необходимость дополнительных затрат на образование водяного пара и интенсифицирует процесс охлаждения гидрофобной жидкости перед следующим циклом термомодифицирования. Таким образом, представленная технология термомоди-

фицирования древесины в жидкостях, благодаря своему конструктивному решению, может применяться как крупными, так и малыми деревообрабатывающими предприятиями, при этом снижаются энергетические затраты, улучшается качество термомодифицированной древесины, окрашивание материала происходит равномерно по всей толщине, а цветовое решение может быть спрогнозировано.

Таким образом, в результате аналитических и экспериментальных исследований получен математический аппарат для расчета тепломассопереноса внутри древесины в процессе термомодифицирования, выявлены пути решения эксплуатационных недостатков термодревесины, а также предложено аппаратурное оформление термомодифицирования древесины в жидкостях, которое позволяет существенно интенсифицировать данный процесс.

 

Обозначения

Т – температура, К; rплотность, кг/м3; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К); с – удельная теплоемкость, Дж/(кг·К); e порозность; w – скорость, м/с; q – удельная теплота химической реакции, Дж/кг; D – коэффициент диффузии, м2/с; f – пористость; k – констанста скорости химической реакции, с-1; P – давление, Па; х – координата, м; τ – время, с.

 

Список литературы

1. Сафин, Р.Р. Энергосберегающая установка для сушки и термической обработки древесины / Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов, Н.А. Оладышкина // Вест. казан. гос. техн. ун-та. – 2010. - №9. – С.542-546.

2. Азаров, В.И. Химия древесины и синтетических полимеров: Учебник для вузов / В.И. Азаров, А.В. Буров, А.В. Оболенская. - СПб.: СПбЛТА, 1999. - 628 с.

3. Разумов, Е.Ю. Способ обработки термомодифицированной древесины / Е.Ю. Разумов, Р.В. Данилова // Вест. казан. гос. техн. ун-та. – 2011. - №4. – С.74-78.

 

УДК 674.04