Рассылка

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



Математическое описание процесса термической обработки древесного наполнителя

Авторы: Р. Р. Хасаншин, Р. В. Данилова

Рассмотрена технология термической обработки древесного сыпучего сырья в аппаратах барабанного типа для повышения качества и устойчивости к внешним воздействиям. Приведена математическая модель процесса термомодифицирования древесного сыпучего сырья.

Ключевые слова: древесное сыпучее сырье, термомодифицирование, математическая модель

The technology of thermal processing of wood raw materials in bulk drum type apparatus for improving the quality and resilience. Given the mathematical model thermal modification of bulk raw wood.

Keywords: wood granular material, thermal modification, mathematical model

В России опилки и станочная стружка практически не используются и в основном направляются в отвалы [1]. При этом в последние годы все более возрастающий интерес приобретают древесно-наполненные композиционные материалы, в которых могут найти свое дальнейшее использование отходы деревообрабатывающих производств. Поэтому актуальной задачей является повышение эксплуатационных свойств композитов, в частности путем модифицирования древесины. Недостатками древесины как композиционного наполнителя является ее низкая биостойкость и достаточно высокая гигроскопичность, что приводит к снижению механических характеристик композиционного материала в целом.

Для повышения качества и устойчивости древесного наполнителя к различным воздействиям предлагается применение термической обработки древесного сырья в среде инертных газов [2, 3].

Предложенный способ термической обработки целесообразно проводить в камерах барабанного типа, поскольку они нашли широкое применение в деревообрабатывающей промышленности. Это объясняется тем, что процессы тепло- и массообмена протекают в них достаточно интенсивно и экономично благодаря хорошему контакту между обрабатываемым сыпучим материалом и газообразным агентом, а также благодаря возможности использования высоких температур газов при параллельном движении их с материалом. Основными достоинствами барабанных аппаратов являются: большая единичная производительность, простота конструкции и эксплуатации, возможность высокой степени механизации и автоматизации процесса.

Термомодифицирование древесного сыпучего сырья проводят в аппарате термомодифицирования, в котором материал нагревается до температуры 200 оС без доступа кислорода воздуха. При этом подвод тепловой энергии к древесному сырью происходит как конвективно (в полете), так и контактным методом (в завале). Повышение температуры материала до заданного значения приводит к термическому разложению компонентов древесины – гемицеллюлозы.

Благодаря вращению аппарата и ковшам внутри камеры, древесное сырье постоянно перемешивается, что позволяет провести равномерную термическую обработку материала. Объем частиц, захватывающихся ковшами, определяется формой и размером последних.

Пересыпание частиц материала в барабане происходит сверху на слой материала, находящийся в нижней части аппарата. В то же время часть материала непосредственно контактирует с нагретой поверхностью. В зоне контакта этого материала с поверхностью происходит передача теплоты и за счет этого термомодифицирование пристенного слоя. Все частицы материала этого слоя находятся в контакте с нагретыми элементами барабана до следующего цикла пересыпания.

По мере продвижения частиц по длине аппарата происходит их полное термомодифицирование. После выгрузки из барабана древесное сырье охлаждается. 

Анализ процесса термомодифицирования древесного сыпучего сырья показал, что совокупность физических явлений, составляющих исследуемый способ термообработки, следует рассматривать, решая внешнюю – теплоперенос в среде и её теплообмен с материалом, и внутреннюю задачу – теплоперенос внутри материала [4].  

Для одномерной картины установившегося процесса термической обработки древесных частиц, пренебрегая теплопроводностью среды, вследствие достаточно высокой скорости ее движения, уравнение энергии для среды можно представить в следующем виде

(1)

Тепловой баланс для частиц, находящихся в полете

dQdQ2 = dQ3, (2)

где dQ1 – подвод теплоты от потока к частицам, находящимся в полете; dQ2 – теплоотдача в среду с продуктами разложения; dQ3изменение внутренней тепловой энергии.

Тепловой баланс для частиц в завале

dQ4dQ5 = dQ6 (3)

где dQ4 – подвод теплоты от стенки барабана к частицам в завале; dQ5 – теплоотдача в среду с продуктами разложения; dQ6 – изменение внутренней тепловой энергии.

Отсюда, тепловые балансы запишем в следующем виде

(4)

(5)

После некоторых преобразований получаем изменение температуры материала по длине барабана для частиц, находящихся

- в полете

(6)

- в завале

(7)

Отсюда, изменение средней температуры и плотности частиц по длине барабана можно представить в следующем виде

 (8)

(9)

Время нахождения частиц в ковше зависит от угловой скорости и угла поворота осыпания (рис. 1)

(10)

Угол поворота осыпания равен углу между линией, проходящей через грань ковша, и горизонтом. Он больше или равен углу естественного откоса древесных частиц.

Отсюда, масса древесных частиц, ссыпающихся с ковша за единицу времени,

(11)

Для нахождения количества частиц, находящихся в полете, необходимо определить высоту падения (рис. 1). Среднюю высоту падения частиц находим как площадь сегмента, деленную на основание этого сегмента. Для этого интегрируем уравнение окружности относительно величины у.

Рис. 1. Схема для расчета средней высоты осыпания частиц

 

Отсюда, находим площадь, заключенную между левой крайней точкой окружности и вертикальной прямой, проходящей через точку, в которой происходит полное опустошение ковша

 (12)

Тогда средняя высота падения древесных частиц

 (13)

Определив время падения частиц по формуле

, (14)

находим массу частиц, находящихся в полете

(15)

Тогда масса частиц, находящихся в завале,

(16)

Представленная система уравнений позволяет описать процесс термомодифицирования древесного сыпучего сырья и определить продолжительность стадий прогрева и термомодифицирования древесных частиц, а также выявить рациональные режимные параметры исследуемого процесса.

 

Список литературы

  1. Коротаев Э.И. Использование древесных опилок / Э.И. Коротаев, М.И. Клименко. – М.: Лесная промышленность, 1974. – 143 с.
  2. Разумов Е.Ю., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Р., Оладышкина Н.А. Термомодифицирование древесины в среде топочных газов // Вестник

УДК 674.04