Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ современного представления о термообработке древесины 20
1.1. Анализ способов термообработки древесины 20
1.2. Химизм процесса термомодифицирования древесины процесса термической переработки древесины 30
1.3. Анализ свойств термомодифицированной древесины как объекта обработки 36
Выводы 43
Глава II. Исследование свойств термомодифицированной древесины 46
2.1. Качественный анализ термомодифицированной древесины 47
2.2. Исследование физических свойств образцов древесины, подвергнутых термическому модифицированию 59
2.3. Исследование механических свойств термомодифицированной древесины 88
2.4. Исследование термомодифицированной древесины на биостойкость 104
Выводы 108
Глава III. Разработка методов расчета процессов термического модифицирования пиломатериалов 110
3.1. Физическая картина процесса 110
3.2. Формализация процесса 121
3.3. Математическое описание процессов термической обработки плоских древесных пиломатериалов 122
3.3.1. Тепломассоперенос в условиях внешней задачи 124
3.3.1.1. Тепломассоперенос в процессе термомодифицирования пиломатериалов в среде перегретого водяного пара 124
3.3.1.2. Тепломассоперенос в процессе термической обработки древесины в жидкостях 132
3.3.1.3. Тепломассоперенос в процессе термической обработки древесины в среде инертных газов 140
3.3.2. Тепломассоперенос в условиях внутренней задачи 148
3.4. Алгоритм расчета процесса термомодифицирования древесины 151
Выводы 163
Глава IV. Экспериментальное исследование и математическое моделирование процессов термомодифицирования древесины 164
4.1. Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих при вакуумно-кондуктивном термомодифицировании древесины 165
4.1.1. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процессов модифицировании древесины в кондуктивных аппаратов 168
4.2. Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих в процессе сушки и термомодифицирования древесины в жидкостях 181
4.2.1. Математическое моделирование и экспериментальное исследование термомодифицирования древесины в жидкостях 184
4.3. Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих в процессе сушки и термомодифицирования в газообразных средах 204
4.3.1. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процесса термомодифицирования древесины в среде топочных газов 210
4.4. Исследования процессов вакуумно-конвективного термомодифицирования древесины в среде водяного пара 222
4.4.1. Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих при вакуумно-конвективном термомодифицировании древесины в среде перегретого водяного пара 222
4.4.2. Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих при термомодифицировании древесины в среде насыщенного водяного пара 227
4.4.3. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процессов, протекающих при термомодифицировании древесины в среде водяного пара 231
Выводы 249
Глава V. Опытно-промышленная апробация результатов исследований процессов сушки и термомодифицирования пиломатериалов 251
5.1. Пути использования различных технологий термомодифицирования древесины 251
5.2. Опытно-промышленная апробация контактного метода термомодифицирования пиломатериалов 253
5.2.1. Пилотная установка вакуумно-кондуктивной сушки и термомодифицирования пиломатериалов 253
5.2.2. Результаты опытно-промышленного термомодифицирования пиломатериалов в пресс-вакуумной камере 256
5.2.3. Технико-экономический анализ эффективности внедрения вакуумно-кондуктивных камер термомодифицирования древесины 266
5.3. Опытно-промышленная апробация термомодифицирования древесины в жидкостях 268 .
5.3.1. Пилотная установка термомодифицирования древесины в жидкостях 268
5.3.2. Инженерная методика расчета физико-механических свойств древесины дуба, термомодифицированной в жидкостях 272
5.3.3. Технико-экономический анализ эффективности технологии термомодифицирования древесины в жидкостях 281
5.4. Опытно-промышленная апробация термомодифицирования древесины в среде топочных газов 283
5.4.1. Пилотная установка по термическому модифицированию древесины в среде топочных газов 283
5.4.2. Результаты испытаний пилотной установки по термическому модифицированию древесины в среде топочных газов 286
5.4.3. Промышленная установка по термическому модифицированию древесины в среде топочных газов 290
5.5. Аппаратурное оформление процесса термомодифицирования и сушки пиломатериалов в среде перегретого водяного пара 298
5.5.1. Опытно-промышленные испытания вакуумно-конвективной камеры термомодифицирования пиломатериалов в среде перегретого пара 305
5.6. Аппаратурное оформление процесса термомодифицирования и подсушки пиломатериалов в среде насыщенного водяного пара 310
5.6.1. Пилотные испытания термомодифицирования и подсушки оцилиндрованных бревен в насыщенном водяном паре 316
5.7. Анализ экономической эффективности внедрения промышленных установок термомодифицирования в среде водяного пара 319
Выводы 323
Глава VI. Усовершенствование смежных технологических процессов и оборудования на базе исследований термомодифицирования древесины 325
6.1. Разработка и исследование вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепловой энергии 326
6.2. Разработка и исследование процессов осциллирующей сушки древесины в жидкостях 327
6.3. Исследование свойств композиционных материалов, созданных на основе термомодифицированной древесины 339
6.4. Разработка газогенератора для газификации влажного топлива 342
Выводы 348
Заключение 349
Условные обозначения 354
Литература 359
Приложения 393
- Анализ способов термообработки древесины
- Тепломассоперенос в процессе термомодифицирования пиломатериалов в среде перегретого водяного пара
- Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих при термомодифицировании древесины в среде насыщенного водяного пара
- Разработка газогенератора для газификации влажного топлива
Введение к работе
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-НЗ.8-0085 «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 Kacikova и Frantisek Kacik (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 О. 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 термомодифициро-ванной 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 сорбци-онных 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 научно-обоснованные 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 вакуумно-конвективной 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. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» и п. 4 «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 05.21.05 «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 теп-ло-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.); «Севергеоэкотех-2009» (Ухта, 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, 20Юг);
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 научно-технических 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 X 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 «HI111 «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.
Анализ способов термообработки древесины
Как известно, все процессы по термической модификации древесины происходят при температурах от 160 до 260 С в бескислородной среде в специальных камерах [8, 63, 99, 157, 183]. Основные отличия технологий по всему миру - это среда, в которой происходит процесс термического модифицирования древесины: водяной пар, масло, инертная среда и т.д. Исследования в области технологий и оборудования термомодифицирования древесины, позволяющие значительно улучшить качественные характеристики материала без применения химических средств, последние 10 лет ведутся во многих ведущих в деревообработке странах, в том числе России, Финляндии, Франции, Канаде, Германии [5, 8, 18, 45, 99, 105, 156, 181-183, 192, 203, 234, 237-241, 267].
Первые исследования по термической обработке древесины были проведены в 30-е годы XX века в Германии, затем в 40-е - в США. В результате было установлено, что при воздействии на древесину температуры 180 - 230С, в ее биологическом составе происходят необратимые изменения, влияющие на ее свойства [183].
В настоящее время наиболее широко известны следующие технологии термомодифицирования древесины:
1. До середины 1990-х годов самой передовой технологией высокотемпературной обработки древесины была финская термообработка. Однако, нагревание древесины по этой технологии приводило к ее почернению (поскольку обработка производилась в среде с кислородом). Позднее, для препятствия горению и понижения концентрации кислорода в Финляндском Государственном Исследовательском Центре VTT стали использовать водяной пар, который нагнетался в камеру - Финская технология Thermowood (рис. 1.1) [181, 182]. Разработчиками и производителями данного оборудования являются финские компании Lunawood Оу, Stellac Оу, Tekmaheat Оу, Valutec Оу[182].
Особенность данной технологии Thermowood состоит в том, что термическое модифицирование древесины ведется в среде водяного пара при температурах 185 - 212 С, продолжительность - 42-98 часов. Процесс проходит в три основных этапа: на первом этапе при нагревании древесины подается водяной пар, одновременно повышающий давление и температуру до 180 С, на втором этапе - производится сушка древесины и на заключительном этапе - окончательное придание необходимых ей свойств (более темные цвета, меньшая гигроскопичность и теплопроводность, повышенная биостойкость) [182].
Недостатком данного способа обработки древесины является то, что эта технология не предусматривает работу с твердолиственными породами, такими как дуб, бук, ясень.
2. По аналогичной финской технологии Thermowood работает голландская фирма PLATO-Wood [182], где технологический процесс отличается значительной продолжительностью (120-180 часов) (рис. 1.2).
Название технологии PLATO происходит от сокращения: Providing Lasting Advanced Timber Option - Предлагаем Долговечную Прогрессивную Древесину на Выбор. Ее особенностью является проведение термомодификации путем цикличного термогидролиза древесины при температурах 150 24 180С и давлении до 1,6 МПа, т.е. происходит многоступенчатая обработка «Влага-Тепло-Давление» [183, 245].
Технология термического модифицирования древесины PLATO состоит из девяти отдельных этапов процесса:
1) разогрев древесины до температуры термомодификации в автоклаве;
2) термогидролиз древесины в автоклаве в водяной среде, нагретой до температуры 150-180С при избыточном давлении;
3) охлаждение древесины с последующей перегрузкой в конвективную сушильную камеру;
4) высушивание древесины в конвективной сушильной камере;
5) разогрев древесины в конвективной сушильной камере до температуры «лечения»;
6) «лечение» древесины в конвективной сушильной камере при температуре 150-190С в воздухе с низкой относительной влажностью и при атмосферном давлении;
7) охлаждение древесины в конвективной сушильной камере до температуры кондиционирования;
8) кондиционирование древесины в конвективной сушильной камере с целью поднятия влажности древесины до заданного уровня, обычно 6-8%.
9) охлаждение древесины до температуры 30-40С.
3. Также по аналогичной технологии Thermo wood работает австрийская фирма MIRAKO, где процесс термической обработки древесного материала проходит в насыщенном паре и отличается расширенным ассортиментом обрабатываемых пород древесины (ясень, бук, ель, дуб, береза, грецкий орех, клен, платан, акация, слива, яблоко) [220, 221, 268, 99].
4. В Горном институте (Ecole Nationale Superiere des Mines), Centre SPIN, в г. Сент-Этьене, Франция, в 70-80 г.г разработана технология термической модификации древесины в инертном газе Retification (рис. 1.3) [183]. Особенность данной технологии в том, что процесс проходит в среде инертного газа - азота, а сама термомодификация ведется при температуре 200-260С. Общая продолжительность процесса составляет 7-16 часов.
Тепломассоперенос в процессе термомодифицирования пиломатериалов в среде перегретого водяного пара
При проведении процесса термомодифицирования пиломатериалов в среде перегретого пара после удаления инертного газа из рабочей полости аппарата в камеру подают водяной пар из парогенератора и одновременно с этим включают электрокалориферы для перегрева пара и вентилятор для его принудительного движения (рис. 3.6).
Принимая во внимание, что поступающий в аппарат пар попадает в зону с теплообменным оборудованием, температура пара Тп в выражении (3.8) в первом приближении может приниматься равной температуре поверхности калориферов Ткал. Давление паров в этой зоне определяется температурой поверхности калорифера и плотностью паров на предыдущей итерации и может быть найдено из уравнения состояния Менделеева-Клапейрона
Таким образом, насыщенный водяной пар, поступающий в горячую зону электрокалориферов камеры термообработки, не конденсируясь, полностью идет на создание паровой среды, повышая давление в данной зоне аппарата (рис. 3.6). Перепад давлений вызывает движение водяного пара в рабочую зону - начинается прогрев пиломатериала. Для движущейся парогазовой среды дифференциальные уравнения переноса энергии и массы в прямоугольных координатах принимают вид
При этом, если осуществляется термообработка материалов, не подвергавшихся сушке в этой же камере, то начальная температура древесины, равная температуре окружающей среды, вызывает конденсацию водяного пара на поверхности плоского материала в виде тонкой пленки жидкости [189], т.е. прогрев древесины протекает при наличие фазовых переходов теплоносителя. Тогда, функции стока тепла и массы могут быть определены следующими выражениями где F - удельная поверхность материала - характеризует поверхность про греваемых пиломатериалов, приходящуюся на 1 м3 теплоносителя, который находится в сушильной камере.
Таким образом, одновременно с нагревом материала происходит его частичное увлажнение. Перемещение влаги из пленки конденсата вглубь древесины осуществляется за счет градиентов температуры и влагосодержа-ния, тогда поток влаги от поверхности массообмена определяется соотношением [195]
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, уравнения (3.10) и (3.11) с учетом выражений соответственно (3.12) и (3.13) запишутся в виде где плотность потока конденсирующегося водяного пара определяется из равенства потоков теплоты при фазовом переходе и конвективном теплообмене
Коэффициент теплоотдачи в уравнении (3.18) может быть определен по следующему выражению для случая конденсации пара на горизонтальной поверхности [68, 190]
В уравнении (3.19) в качестве определяющего геометрического размера Ьм устанавливается размер материала, совпадающий с направлением движения теплоносителя: при продольном обтекании штабеля - длина пиломатериала, при поперечном - сумма ширин пиломатериалов в одном ряду штабеля или ширина штабеля.
При достижении поверхности материала температуры выше температуры насыщения водяного пара при данной величине давления в аппарате процесс конденсации заканчивается, и дальнейший нагрев материала осуществляется за счет теплоотдачи. При этом из материала по мере прогрева начинает удаляться содержащаяся в ней влага, легколетучие экстрактивные вещества, а при достижении определенной температуры возникает поток продуктов разложения гемицеллюлоз, содержащий теплоту химической реакции. Отсюда, источниковые члены в уравнениях (3.10) и (3.11) можно представить в следующей виде
В этот момент среда теплоносителя начинает разбавляться продуктами разложения гемицеллюлоз и по составу из чистого водяного пара переходит в смесь водяного пара и продуктов разложения. Тогда, уравнения (3.10) и (3.11) с учетом выражений соответственно (3.20) и (3.21) запишутся в виде
Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих при термомодифицировании древесины в среде насыщенного водяного пара
Для исследования кинетики термомодифицирования древесины при регулировании давления среды, когда в качестве агента обработки используется насыщенный водяной пар, была создана экспериментальная установка, принципиальная схема которой в продольном и поперечном разрезе представлена на рис. 4.63. Внешний вид установки представлен на рис. 4.64.
Экспериментальная установка включает в себя парогенератор 1, тепловым агентом которого является полиэтиленгликоль 9, камеру 3 для термомодифицирования образцов древесины 13, холодильник-конденсатор 6, сборник конденсата 7, вентили 2,4, 5 м патрубки 8, 14.
Камера 3 помещена в теплоизолированный нагревательный кожух. Внутри камеры 3 на специальном штативе 16 устанавливается исследуемый образец 13.
Регистрация температуры среды и материала в ходе эксперимента осуществляется с помощью трех хромель-копелевых термопар, введенных в камеру 3 через электроввод и подключенных к электронному контрольно-измерительному прибору 15 марки ОВЕН ТРМ-1.
Значение давления в камере 3 определяется с помощью манометра 12, в парогенераторе 1 — манометром 11. Внутреннее пространство камеры термомодифицирования 3 соединяется с конденсатором 6 и сборником конденсата 7 с помощью вентиля 4; с парогенератором 1 - через патрубок 14 с помощью вентиля 2.
Процесс термомодифицирования в среде насыщенного водяного пара осуществляется следующим образом. Обработке подвергаются образцы высоковлажной древесины сосны, березы, дуба сечением 50x100 мм, длиной вдоль волокон 200 мм и средним влагосодержанием U = 60 - 80%.
Технологический процесс складывается из следующих основных этапов: продувка камеры паром с целью удаления воздуха при открытых вентилях 2, 4 и 8, повышение температуры и давления в аппарате до заданных планом эксперимента значений путем подачи насыщенного пара из парогенератора при закрытых вентилях 4 и 8 и открытом вентиле 2, выдержка древесины при высокой температуре и давлении среды, охлаждение и подсушка материала созданием разрежения в камере путем включения в работу конденсатора 6.
Высоковлажный, предварительно взвешенный исследуемый пиломатериал 13 (сосна, береза, дуб) устанавливается в камере на штатив 16, исключающий контактный подвод тепла. Для регистрации температуры в центре материала в него вводят одну из хромель-копелевых термопар, две другие регистрируют температуру среды и температуру поверхности материала. Значения указанных температур записываются. Камера герметизируется путем перекрытия вентиля 4. В парогенератор 1 заливается вода и при закрытом вентиле 2 вода в парогенераторе нагревается до заданной температуры.
Процесс начинается с продувки камеры паром. Далее вентиль 4 закрывают и повышают давление в камере до заданного значения. В процессе подачи насыщенного пара значительно повышается влагосодержание в поверхностных слоях древесины. Это происходит в результате того, что поступающий из парогенератора водяной пар конденсируется на холодной поверхности материала, вызывая одновременный его прогрев. Так как среда, находящаяся в камере, представляет собой чистый насыщенный водяной пар, то заданное значение давления пара в аппарате может поддерживаться путем контроля температуры среды. Визуально давление в камере контролируется через каждые 1- 2 мин по показаниям манометра 12.
Температура в термокамере 3 регулируются с помощью вентиля 2, при необходимости расход пара может задаваться также с помощью вентиля 4. В период прогрева часть поступающего водяного пара конденсируется при нагреве стенок аппарата и сырья. Для слива получающегося конденсата используют вентиль 5.
После повышения в камере температуры и давления до заданных экспериментом значений начинается третья стадия процесса - выдержка материала в заданных условиях при постоянном давлении среды с целью термомодифицирования материала по всему сечению. В результате выдержки в древесине происходят химические изменения на молекулярном уровне, придающие ей дополнительные технические и декоративные свойства, а именно потемнение цвета, повышение биологической стойкости и устойчивости к грибку.
После выдержки материала в камере термомодифицирования 3 в течение заданного времени парогенератор выключают, и в работу вступает конденсатор 6, в который подается охлаждающий агент с заданной температурой. Охлаждение материала перед выгрузкой путем вакуумирования осуществляют с целью его подсушки. Подсушка материала происходит за счет предварительно аккумулированной им тепловой энергии, а охлаждение древесины за счет интенсивного испарения из неё влаги. Процесс одновременной подсушки и охлаждения заканчивается при достижении древесиной температуры порядка 30 С.
Таким образом, технология термомодифицирования древесины в среде насыщенного водяного пара позволяет осуществлять термообработку материала высокой влажности без предварительной сушки.
Разработка газогенератора для газификации влажного топлива
В результате исследований процессов термомодифицирования древесины в среде топочных газов было установлено существенное влияние влажности древесных опилок на КПД и устойчивую работу газогенератора. В связи с этим была поставлена задача разработать газогенератор, производящий газ с высокой теплотворной способностью из влажных опилок.
Техническая задача решается тем, что известный газогенератор, включающий прямоугольный бункер, состоящий из двух частей: верхней для подсушки топлива и нижней для пиролиза, соединенный с камерой газификации; загрузочный люк, патрубок выхода газа, патрубок удаления влажного воздуха, воздушный пояс с фурмами и патрубком подачи воздуха, горловину, зольник, дутьевой вентилятор, согласно изобретению, содержит узел загрузки; рекуперативный теплообменник, концентратор кислорода, расположенный перед патрубком ввода воздуха, дополнительные нагревательные элементы, воздушную рубашку в нижней части газификатора, шнек для удаления золы; при этом узел загрузки включает открытую рубашку в верхней части, заполненную сыпучим материалом; загрузочный люк содержит отбортовку с цилиндрической частью, размещаемой внутри рубашки, крышку, соединенную с отбортовкой гофрированным газонепроницаемым рукавом; рекуперативный теплообменник включает патрубок отвода конденсата; патрубки ввода и вывода воздуха; патрубок ввода влажного воздуха и патрубок вывода осушенного воздуха; верхняя часть бункера для подсушки топлива сообщена с узлом загрузки шнековым питателем, изолирована от нижней части бункера для пиролиза лопастным барабанным питателем, содержит дополнительные нагревательные шементы в виде воздушной рубашки и цилиндроконического элемента, расположенного внутри бункера и сообщающегося с воздушной рубашкой; патрубок вывода влажного воздуха сообщается с патрубком ввода влажного воздуха рекуперативного теплообменника; патрубок вывода осушенного воздуха расположен соосно внутри патрубка вывода воздуха, воздушная рубашка в нижней части газификатора сообщается с воздушным поясом через два диаметрально расположенных штуцера, содержит внутри два кольцевых затвора с возможностью вертикального перемещения. 344 Решение технической задачи позволит повысить теплотворную способность газа.
Предложенная конструкция газогенератора для переработки влажного сырья изображена на рис. 6.14. Газогенератор содержит прямоугольный бункер 1, включающий верхнюю зону 2 для подсушки топлива и нижнюю 3 -для пиролиза, соединенную с камерой газификации 4, узел загрузки 5 с загрузочным люком, теплообменник 6, концентратор кислорода 7, расположенный перед патрубком ввода воздуха 8, патрубок выхода газа 9, патрубок удаления влажного воздуха 10. воздушный пояс 11с фурмами 12, воздушную рубашку 13, горловину 14, зольник 15, дутьевой вентилятор 16 и шнек для удаления золы 17.
Газогенератор для переработки влажного сырья работает следующим образом. Древесные отходы в виде технологической щепы поступают в узел загрузки 5 и закрываются крышкой 18, соединенной с отбортовкой 19 гофрированным газонепроницаемым рукавом 20, при этом отбортовка содержит цилиндрическую часть 21, размещаемую внутри открытой рубашки 22, заполненной сыпучим материалом, что позволяет изолировать верхнюю часть бункера от окружающей среды. По мере уменьшения технологической щепы в узле загрузки крышка опускается вниз, создавая эффект подпрессовки.
Далее отходы с помощью шнекового питателя 23 поступают в верхнюю зону 2 для подсушки, в которой установлены дополнительные нагревательные элементы в виде воздушной рубашки 24, осуществляющей прогревание сырья по периферии, и цилиндроконического элемента 25, осуществляющего прогревание щепы изнутри бункера. Полость цилиндроконического элемента сообщена с воздушной рубашкой через трубки 26. Верхняя зона 2 бункера для подсушки топлива изолирована от нижней зоны 3 лопастным барабанным питателем 27, который не позволяет проходить пиролизным газам, образовавшимся в нижней зоне бункера, в верхнюю зону бункера.
Воздух, подаваемый с помощью дутьевого вентилятора 16, проходит через концентратор 7, обогащается кислородом, затем поступает в рекуперативный теплообменник 6, где нагревается за счет конденсации влажного горячего воздуха, отводимого из верхней зоны бункера, и выводится через патрубок 28.
Влажный горячий воздух из сушильной зоны 2 попадает в рекуперативный теплообменник через патрубок ввода 29, где охлаждается, осушается и транспортируется за счет эжектирования через патрубок 30, расположенный соосно внутри патрубка вывода воздуха 28. Образовавшийся конденсат через патрубок отвода конденсата 31 попадает в конденсатосборник 32.
