Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1 Обзор и анализ способов улучшения свойств древесины 9
1.2 Обзор способов пропитки древесины 24
1.3 Теоретические и прикладные аспекты промышленного производства прессованной древесины 30
1.4 Цель и задачи исследования 34
2 Теоретическая разработка исследуемого вопроса 36
2.1 Модель пропитки древесины с торца под давлением 36
2.2 Тепловой расчет промышленной установки сушки и прессования 43
2.2.1 Исходные данные 44
2.2.2 Расчет мощности теплогенератора 45
2.2.3 Опредебление количества испаряемой из материала влаги 48
2.2.4 Расчет вытяжного канала 50
2.3 Аэродинамический расчет установки сушки и прессования 59
2.4 Расчет оптимального выхода дестама из лесоматериалов 63
2.4.1 Расчет выхода цилиндров из лесоматериалов 63
2.4.2 Расчет выхода дестама из цилиндров 65
2.6 Выводы 66
3 Методика эксперимента 67
3.1 Экспериментальная установка пропитки древесины с торца под давлением и методика пропитки 67
3.2 Методика получения прессованной древесины на экспериментальной установке 70
3.3 Разработка математических регрессионных моделей процесса пропитки и сушки 74
3.4 Расчет конструкции промышленной установки сушки и прессования древесины 82
3.3.1 Общие положения 82
3.4.1 Расчет боковой стенки камеры 84
3.4.2 Расчет торцевой стенки 86
3.4.3 Расчет крыши камеры 88
3.5 Методика проведения маркетинговых работ реализации продукции 89
3.6 Выводы 92
4 Экспериментальная часть 93
4.1 Разработка технологических режимов пропитки древесины на экспериментальной установке 93
4.2 Математические модели технологического процесса 94
4.3 Многокритериальная оптимизация процесса пропитки 103
4.4 Разработка конструкции промышленной пропиточной установки 104
4.5 Создание промышленной установки сушки и прессования
древесины УПС-6 107
4.6 Отработка режимов технологического процесса производства прессованной древесины 109
4.7 Промышленная технология производства прессованной древесины 112
4.8 Выводы 118
5 Технико-экономическая эффективность производства и применения прессованной древесины 119
5.1 Анализ технико-экономической эффективности производства и примене ния изделий из прессованной древесины 119
5.2 Результаты маркетинговых исследований 132
Общие выводы 165
Список использованных источников
- Теоретические и прикладные аспекты промышленного производства прессованной древесины
- Опредебление количества испаряемой из материала влаги
- Методика получения прессованной древесины на экспериментальной установке
- Многокритериальная оптимизация процесса пропитки
Введение к работе
Древесина - весьма перспективный материал для многих отраслей промышленного производства. Она обладает высокими прочностными свойствами. Древесине легко придавать заданные свойства. Многочисленные опыты, проведенные в различных отраслях народного хозяйства, показали, что прессованная древесина успешно конкурирует со многими материалами, в том числе с цветными металлами [95,99,130].
В настоящее время, несмотря на большие достижения в области производства стали, бетона и искусственных материалов, значение древесины для народного хозяйства с каждым годом возрастает.
Однако древесине присуще и некоторые отрицательные свойства, обусловленные ее растительным происхождением и сложным строением: изменчивость свойств, анизотропность, способность менять форму и размеры под воздействием влаги, низкая биостойкость, способность к возгоранию.
Одним из направлений в решении задачи рационального использования древесины малоценных пород является улучшение ее качественных показателей путем пропитки и прессования [126,143,144].
Для удовлетворения постоянно растущей потребности народного хозяйства в древесине, когда объемы заготовок высококачественной древесины хвойных и лиственных пород подошли к максимальным возможностям использования продуктивных лесов, необходимо вовлечь в сферу применения древесину, которую пока мало используют, - это древесина так называемых малоценных лиственных пород, ресурсы которых весьма значительны (береза, осина, ольха) [53,107,117,120].
Получение прессованной древесины в промышленных масштабах, в частности, в процессе пропитки карбамидом, с последующей сушкой и прессованием представляет весьма актуальную теоретическую и практическую зада чу, решение которой способствовало бы более рациональному использованию природных ресурсов.
Актуальность работы. Используя древесину березы, осины и ольхи, которые относятся к быстро восстанавливаемым лесным ресурсам и малоценным породам, и путем пропитки и прессования можно довести показатели • прочностных свойств до соответствующих показателей древесины дуба.
Целью настоящего исследования является разработка промышленной технологии получения прессованной древесины из древесины мягких лиственных пород путем пропитки, уплотнения и сушки.
Объектом исследования является технология пропитки древесины под давлением и одновременный процесс сушки и прессования древесины.
Методика исследований. Поставленные задачи решались посредством теоретических и экспериментальных исследований. Методика исследований соответствовала общепринятой в деревообработке и соответствует ГОСТам. Полученные данные обрабатывались методами математической статистики с использованием стандартных пакетов прикладных программ для современного персонального компьютера.
Научная новизна работы:
- разработана модель торцовой структуры древесины как объекта пропитки;
- предложено уравнение пропитки сырой древесины мягких лиственных пород с торца под давлением;
- исследованы физико-механические свойства прессованной древесины;
- найдены режимы пропитки сырой древесины с торца под давлением;
- разработана установка для пропитки сырой древесины под давлением;
- получены регрессионные модели для процесса пропитки и прессования древесины.
Значимость для теории и практики. Разработан способ пропитки дре-весины карбамидом под давлением. Найдены математические зависимости
показателей качества пропитки от технологических параметров, что является основой для разработки режимов пропитки. Создана промышленная установка пропитки древесины с торца под давлением. Разработана конструкция промышленной установки УПС-6 для получения прессованной древесины. Положения, выносимые на защиту:
- уравнение для определения времени пропитки сырой древесины с торца под давлением;
- математические модели процесса пропитки и прессования древесины;
- промышленная установка пропитки древесины с торца под давлением;
- промышленная установка получения прессованной древесины;
- технологические режимы производства прессованной древесины;
- промышленная линия производства прессованной древесины;
- экономическая эффективность научных разработок и рекомендации производству.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается адекватностью математических моделей, относительной погрешностью результатов эксперимента, не превосходящей допустимое значение в деревообработке 5%, математической обработкой результатов экспериментальных исследований с применением ЭВМ.
Апробация работы. Научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и одобрены на ежегодных заседаниях кафедры древесиноведения ВГЛТА; на Международной научно-технической конференции (Миасс, 2003 г.), на ежегодных научно-практических конференциях ВГЛТА 2001-2004г; на Международной научно-практической конференции «Интеграция фундаментальной науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины» (Воронеж, 2004 г.);
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, из которых 2 в соавторстве. Получено два патента на изобретения.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Основное содержание работы изложено на 182 страницах машинописного текста, содержит 19 рисунков, 23 таблицы. Список использованных источников включает 146 наименований, в том числе 10 иностранных.
Теоретические и прикладные аспекты промышленного производства прессованной древесины
Получение прессованной древесины марки дестам включает следующие последовательные или совмещенные стадии: пропитка исходной древесины; уплотнение пропитанной древесины; сушка и термообработка уплотненной древесины.
Одной из главных операций данного технологического процесса является пропитка, основная цель которой обеспечить равномерное распределение пропиточного раствора по всему сечению и длине образца. От того, насколько правильно проведена пропитка, зависит качество получаемого материала. Это объясняется, прежде всего, тем, что карбамид является пластификатором древесины и его недостаточное количество приводит к различного рода дефектам при прессовании.
В практике пропитки древесины наряду с наиболее распространенными видами [83] в последнее время применяют пропитку древесины с торца под давлением [82,104]. Однако механизм пропитки практически не изучен.
Разработка оптимальных технологических режимов пропитки древесины с торца под давлением невозможна без учета макро и микроскопического строения древесины.
При производстве прессованной древесины (марки дестам) в качестве основы используют древесину главным образом мягких лиственных пород — березы, осины, ольхи.
Древесина данных пород имеет сложное пористо- сосудистое строение, характеризующееся наличием сосудов, сердцевинных лучей и различного рода микро и макрополостей (полости клеток), соединенных между собой системами пор (рисЛ) [29].
В процессе пропитки древесины первоначально происходит заполнение крупных, макроскопических полостей, непосредственно связанных с окружающей средой, а затем раствор проникает в микрополости, связанные с макрополостями системами пор. Таким образом, на характер и степень пропитки основное влияние оказывают макрополости (сосуды). Сосуды имеются только в древесине лиственных пород и представляют собой составленные из отдельных клеток - члеников длинные трубки с широкой полостью и относительно тонкими стенками. Эти элементы особенно хорошо приспособлены для передвижения воды вдоль ствола дерева.
Каждый сосуд слагается из отдельных клеток - члеников, у которых верхняя и нижняя стенки разрушились частично или полностью. Если образовалось одно (редко, два) круглое или овальное отверстие, то такая перфорация называется простой. При появлении ряда щелевидных отверстий перфорация называется лестничной. Сосуды с ярко выраженной лестничной перфорацией бывают у березы, ольхи. Сосуды с простой перфорацией бывают у осины [84].
Сосуды в стволе отклоняются от вертикали в тангенциальном и отчасти в радиальном направлениях. Благодаря концевым и промежуточным контактам сосудов создается единая пространственно разветвленная водопроводя-щая система.
Объём сосудов в древесине неодинаков; он зависит от породы древесины, плотности, условий произрастания и других факторов. Объём сосудов в древесине различных пород колеблется от 7 до 43 %. Для древесных пород (березы, осины, ольхи) применяемых при производстве дестама, объём сосудов в процентном соотношении в зависимости от плотности приведен в таблице 2.1.[2].
Ольха 540 29,0 Подробнее остановимся на особенностях строения древесины березы, осины, ольхи как основных элементов исследования. БЕРЕЗА
Древесина березы рассеяннососудистая, белого цвета, с легким желтоватым или красноватым оттенком. Сосуды среднего диаметра, относительно немногочисленные, равномерно распределены по всей ширине годичного слоя. Членики сосудов длинные, с острыми короткими или удлиненными клювиками. Перфорационные пластинки сосудов лестничные, расположены на боковых или косопоставленных поперечных стенках. Перекладины перфораций сосудов тонкие, по 16...30 (в среднем по 20...25) перекладин в перфорации [2]. ОСИНА
Сосуды очень многочисленные, тонкостенные, округлые или угловатые, равномерно рассеянные без определенного рисунка по всей ширине годичного слоя. Иногда просвет сосудов (на поперечном срезе) занимают до 50 % площади среза. Членики сосудов короткие, с небольшими тупыми клювиками или без клювиков. Перфорационные пластинки между члениками наклонные, простые с одним круглым отверстием [29]. ОЛЬХА
Древесина рассеяннососудистая. Сосуды одного типа, не очень многочисленные, равномерно распределены по годичному кольцу, слегка уменьшаются в количестве и размерах в направлении к внешней границы, одиночные или в небольших радиальных цепочках и группах по 2...4 (7), в поздней древесине цепочки могут состоять из большого числа (до 15) просветов и непосредственно примыкать к крупным сосудам ранней древесины следующего годичного кольца. Членики сосудов тонкостенные короткие и средней длины (300...500 мкм) с небольшими закругленными или тупыми клювиками, клювики могут отсутствовать.
Опредебление количества испаряемой из материала влаги
Все металлоконструкции УПС-6 (установка прессово-сушильная) теплоизолированные от окружающего пространства и обдуваемые сушильным агентом в процессе прогрева и сушки (элементы внутреннего устройства УПС, стандартно установленные, а также контейнер с пресс-формами); Древесина в виде цилиндрических заготовок, уложенных в прессформа; Воздух, находящийся внутри камеры и используемый на стадии прогрева в качестве сушильного агента
Общая масса теплоизолированной металлоконструкции камеры равна 5000 кг. В камере размещается контейнер массой 1000 кг с 25 пресс-формами. Каждая из них массой 230 кг. Контейнер с пресс-формами устанавливается на тележку, но тележка нагреву не подлежит, т. к. она выкатывается из камеры после снятия с нее контейнера.
Таким образом, нагреваемая металлоконструкция состоит из двух частей: стационарной, массой 5000 кг, и извлекаемой, массой 1000 + (230 25) = 6750 кг. В сумме они имеют массу 11750 кг.
Для стали из [127] принимаем удельную теплоемкость при 100 С равной 0,11 ккал/кгС. Конечная температура нагрева tK по заданию равна 130 С, а начальную хн принимаем равной минимальной температуре окружающего воздуха в цехе в зимнее время +10 С. Коэффициент запаса R учитывает теплопотери и принимается равным 1,1 в соответствии с заданием.
КПД нагревательной установки ц принимаем равным 0,93. Время нагрева х согласно заданию принимается равным 8 ч. Количество теплоты, потребное для нагрева 11750 кг стали от температуры tH = 10 С до температуры tK = 130 С равно: QCT = 1,1-11750-0,11-120 / (0,93-8) = 22931,45 ккал/ч.
Объем закладываемой в контейнер древесины равен 6,5 м . Плотность древесины при WH = 80 % определяем по формуле из [106]: Для березы pwi=Pi2(l + 0,01W,)/1,206=650(1 + 0,01-80)/1,206 = 970 кг/м3 ;(2.10) Для ольхи pw,=pi2(l + 0,01Wi)/l,183=520(1 + 0,01-80)/1,183 = 791 кг/м3, (2.11) Соответственно масса загружаемой в камеру древесины равна: Березы G6ep = 6,5-970 = 6305 кг; Ольхи Оольхи = 6,5-791 =5142 кг. Удельную теплоемкость древесины принимаем равной 3,4 кДж/кгС (для случая WH = 80 % и температуре, равной 100 С) [106]. Или в ккал/кгС -удельная теплоемкость равна 3,4 0,24 = 0,816 ккал/ кгС.
Количество теплоты, потребное для нагрева древесины будет равно: для березы Q6ep = 1,1 -5603 0,816x120/(0,93 8) = 91280,13 ккал/ч; для ольхи Оол = 1,1 3997 0,816 120/(0,93 -8) = 74442,89 ккал/ч.
На стадии прогрева в камере будет находиться примерно 20 м воздуха с паром. Он будет циркулировать по замкнутому контуру как сушильный агент. При плотности 1,293 кг/ м3 [127] он будет иметь массу всего лишь 25 кг при удельной теплоемкости 0,24 ккал/ кгС [98]. Поэтому затратами теплоты на его первоначальный нагрев можно пренебречь.
Итак, для нагрева сушильной камеры, загруженной заготовками из березы, от начальной температуры 10 С до требующихся 130 С потребуется 22931,45 + 91280,13 = 114211,58 ккал/ч.
Выше отмечалось, что расчетные данные нужны для проектирования тепллогенератора. Поэтому вариант с ольхой далее не рассматривается, так как он даст заниженную мощность нагревателей терморегулятора, т. е. в качестве расчетного материала принята береза.
Поскольку в качестве источника тепловой энергии принята электрическая энергия следует выразить мощность теплогенератора в кВт. Для этого воспользуемся соотношением для тепловой мощности: 1 кВт = 860 ккал/ч. В результате получим: р = 114211,58/860 = 125 кВт. Таким образом, электрический нагреватель теплогенератора должен иметь мощность не менее 125 кВт. Исходные данные заданы заданием на проектирование: начальная влажность древесины WH = 80 %; конечная влажность WK = 8 %; температура сушки Т = 130 С; продолжительность сушки т = 56 ч; р - давление атмосферное (0,1 МПа).
Температура 130 С соответствуют высокотемпературная сушка перегретым паром-с насыщенностью равной 0,258 [127]. При этом сушильным агрегатом является пар, выделяющийся из высушиваемого материала при испарении из него влаги. С помощью теплогенератора (электрокалорифера) пар нагревается, вытесняет воздух, заполняет камеру и в перегретом состоянии испаряет из древесины влагу.
Методика получения прессованной древесины на экспериментальной установке
Для получения адекватных реальному процессу прессования древесины математических моделей была проведена серия производственных экспериментов, дающих количественную и качественную информацию о процессе прессования. Активный эксперимент проводился на экспериментальной установке СПК-1 для древесины березы.
Режимы работы установки СПК-1 подбирались с учетом режимов работы аналогичных установок и технических характеристик установки СПК-1.
В основу конструктивного исполнения установки положена сущность совмещенного метода, т.е. необходимость обеспечения единства технологических стадий разрабатываемого процесса, как по месту, так и по времени.
Экспериментальная комбинированная установка (сушильно-прессовая камера СПК-1), общий вид которой представлен на рис.3.2, включает следующие основные узлы: камера сушильная, устройство прессовое, гидроагрегат, пульт управления.
Камера сушильная представляет собой прямоугольный термоизолированный шкаф, установленный на основании прессового устройства. Внутри шкафа на нижней его стороне установлена опорная плита, на которую надвигается прессформа со стопой из брусков, подлежащих сушке и прессованию.
На верхней стороне шкафа выполнены отверстия для ввода в камеру штоков гидроцилиндров прессового устройства, а также отверстия для ввода кабелей и датчиков. На задней (противоположной двери) стене выполнено отверстие для подачи внутрь камеры воздуха от вентилятора.
Техническая характеристика экспериментальной установке СПК-1 представлена ниже. Техническая характеристика экспериментальной установки СПК-1: Напряжение питающей сети, В 380 Частота питающей сети, Гц 50 Установленная мощность, кВт 26,1 Данные гидросистемы: количество гидроцилиндров, шт 2 рабочее давление в гидроприводе, МПа 120 тип масляного насоса НШ-32У-2 Наибольшие размеры загружаемых в установку брусков (досок), мм 65x180x1950 С учетом данных В.А. Шамаева [116] и других авторов для нашего случая целесообразно установить давление на заготовки в пределах 0,8..1,2 МПа.
Для определения продолжительности операции сушки, определения расхода электроэнергии необходимо было провести серию опытов.
Подготовленные согласно ГОСТ 16483-80 образцы (древесина березы) размером 48x90x500-1500 мм (последний размер вдоль волокон) пропи тывались в ваннах с раствором карбамида до конечного содержания карбами да 5, 10, 15 % от массы абсолютно сухой древесины. Показателями качества процесса в эксперименте использовали: среднюю конечную влажность древе сины и сохранение целостности при достижении необходимого увеличения физико-механических свойств. ш Продолжительность операции нагрева постоянна и составляет для на шей установки 2.. .4 ч в зависимости от температуры окружающей среды.
Технологический процесс заключался в следующим. Бруски различной влажности, содержащие пластификатор карбамид в количестве 5... 15 % от массы абсолютно сухой древесины, укладывают в камеру и плотно закрывают. Включают нагрев камеры и температуру доводят до 120 С при достиже ний в камере 120 С начинается процесс подъема давления до 0,8 МПа, кото рое затем постоянно поддерживается в процессе сушки образцов.
Начальная влажность заготовок изменялась в пределах от 35 % до 75 % с интервалом 20 %. Начальная плотность заготовок была постоянна и составляла 650 кг/м3.
Пропитка образцов осуществлялась методом горячехолодных ванн. Факторы, определяющие процесс прессования древесины изменялись согласно установленным требованиям, результаты эксперимента представля лись в виде таблиц, которые обрабатывались статистическими методами [85,96].
В процессе проведения активного эксперимента осуществлялся контроль за входными и выходными величинами. Контролировались такие параметры, как время сушки, расход электро энергии, плотность, предел прочности при сжатии вдоль волокон, объёмное разбухание.
Многокритериальная оптимизация процесса пропитки
В настоящее время по-прежнему в больших объемах используется древесина твердых лиственных пород, обладающая высокими прочностными и декоративными свойствами. Следует отметить, что с каждым годом более чувствительно выявляется дефицит древесины этих пород, полноценным заменителем которых является модифицированная древесина, не уступающая по физико-механическим и декоративным показателям древесине твердых лиственных пород. Поэтому остро стоит вопрос разработки промышленной технологии производства прессованной древесины.
Разработка и внедрение промышленной технологии и комплекта оборудования для производства прессованной древесины марки дестам ведется ООО «ОЛМИ» совместно с учеными Воронежской лесотехнической академии.
Производств прессованной древесины состоит из следующих этапов: 1. Подготовка древесного сырья; 2. Пропитывание карбамидом; 3. Сортировка заготовок по диаметрам; 4. Разрезание заготовок диаметром 150, 180 и 210 мм на полуцилиндры; 5. Сушка и прессование заготовок; 6. Строгание; 7. Калибровка; 8. Обработка торцов технической олифой.
Технологический процесс производства прессованной древесины заключается в следующем. Привезенные свежесрубленные балансы складируются на площадке. Кругляк сортируют на 4 группы по диаметрам и оцилинд-ровывают на оцилиндровочном станке СД-2. После оцилиндровки получают чураки 4 диаметров (120, 150, 180, 210мм). Оцилиндрованные чураки тельфером подаются на пропиточную установку, где они пропитываются с торца под давлением 0,9 МПа. в течение 18 мин 30 % раствором карбамида.
После этого чураки диаметром 150, 180, 210мм перемещаются к ленточ-нопильному станку, где раскраиваются на два равных полуцилиндра (в случае горизонтального размещения плоскости распила чураков получаем после сушки и прессования две доски толщиной равной радиусу и шириной равной двум радиусам чурака) и укладываются вручную в пресс-формы. Собранные пресс-формы тельфером устанавливаются в контейнер, установленный на тележке. Тележка с помощью лебедки по рельсам закатывается в сушильно-прессовую установку УПС-6. С помощью прессового устройства контейнер снимается с тележки и устанавливается на фундаментное основание. Тележка выкатывается, дверь камеры закрывается.
Включаются вентилятор и нагреватели спирального типа, установленные в торцовой стенки установки. Температура сушки составляет 130 С, контролируется с помощью термопар установленных в боковых стенках установки и показания которых выведены на пульт управления. После операции прогрева древесины, составляющей 10 часов, к чуракам прикладывается давление 1,1 МПа. В воздуховодах установлен холодильник для сбора выделяющейся влаги.
После операции сушки и прессования открываются двери, закатывается тележка, контейнер ставится на нее и с помощью лебедки выкатывается. Контейнер разбирается. Полученный брус с размерами 60x120x2300 мм (при исходном диаметре 120 мм) подается на 4-х сторонней фрезерный станок С26-2, где обрабатывается до размеров сечения 50x110 мм.
Далее брус поступает на операцию калибровки на концеравнитель нестандартного исполнения, где торцуется на длину 2200 мм и поступает на склад готовой продукции с укладкой в штабель. Торцы штабеля вручную покрываются слоем олифой для консервации.
На рисунке 4.7 представлена структурная схема технологического процесса промышленного производства продукта марки дестам. Организация ремонта
В целях обеспечения бесперебойной работы оборудования производственного комплекса формируется годовой план проведения ремонтно-профилактических работ, который включает следующие мероприятия:
Межремонтное обслуживание, т.е. повседневный уход и надзор за работой оборудования (смазка, чистка агрегатов, регулировка механизмов и устранение мелких неисправностей). а Профилактические ремонтные операции, проведение мелкого ремонта оборудования. Примечание. Ремонтные работы осуществляются своими силами. Охрана окружающей природной среды При производстве прессованной древесины единственным токсичным агентом является аммиак, выделяемый в результате медленного разложения карбамида в процессе сушки пропитанной древесины при температуре 130 С0.
