Введение к работе
К термомодифицированной древесине в последние годы проявлен повышенный интерес, что объясняется введением Еврокомиссией с начала 2004 года запрета на применение химически обработанной древесины, а также уникальными свойствами получаемой продукции, такими как экологичность, повышенная биостойкость, долговечность, низкая равновесная влажность, широкая цветовая гамма.
Актуальность исследования. Исследования в данной области ведутся последние 10-15 лет в таких странах, как Финляндия (технология - Thermowood), Франция (Rerifi-cation), Америка (WEST-WOOD), Латвия (Vacuum Plus), Германия (Thermoliolz). Однако современные способы термомодифицирования имеют недостатки, такие как значительная продолжительность и высокая себестоимость процесса; применение в качестве агента обработки перегретого водяного пара, являющегося агрессивной средой для оборудования; обработка в основном только мягких пород древесины.
На сегодняшний день технология термомодифицирования находится на стадии разработки и оптимизации, как с экономической, так и с технической точки зрения. При этом одной из наиболее малоизученных технологий остается термомодифицировапие древесины в гидрофобных 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 пе 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.
Поэтому актуальной представляется разработка технологии термомодифицирования твердых пород древесины в гидрофобных жидкостях, позволяющей сократить продолжительность процесса обработки и получить термодрсвесшгу, отличающуюся высоким качеством и расширенной сферой возможного применения за счет придания ей новых свойств. Настоящая работа выполнялась при поддержке гранта в номинации СТАРТ 10 по теме «Разработка технологии и опытной установки термомодифицирования древесных материалов».
Степень разработанности проблемы. Проблемам исследования и разработки технологии термомодифицирования древесных материалов в жидкостях посвящены многие работы зарубежных ученых. Вопросам теплопереноса в технологиях термообработки древесины, тешюфизических свойств древесины, математического моделирования процессов тепло- и влагопереноса древесины посвящены работы ученого Nencho Deliiski (Bulgaria); вопросам влияния термообработки на фшико-механические, химические и эксплуатационные свойства древесины - работы Danica Кабікота и Frantisek Kacik (Slovakia), Ladislav Dzurenda (Slovakia) и Vincent Repellin (France), занимающегося также вопросами закономерностей изменения цветового решения древесины в процессе термомодифицирования; вопросам термомодифицирования древесины - работы Andreas О. Rapp (Hamburg); вопросам обработки древесины в среде органических масел - работы Anna Koski (Finland), Michael Sailer (Germany).
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и обоснование технологии термомодифицироваяия твердых пород древесины в жидкостях, позволяющей юлучать материал с улучшенными физико-механическими характеристиками и разнообразным цветовым решением.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
-
Изучение состояния проблемы термомодифицирования древесины твердых пород.
-
Разработка технологии термомодифицирования древесины в жидкостях, позволяющей обрабатывать твердые породы древесины без снижения ее качества и сократить продолжительность процесса путем интенсификации стадии охлаждения.
-
Разработка математической модели и алгоритма расчета процессов термомодифицирования древесины в жидкостях.
-
Исследование процессов теплопереноса в жидкой среде и её теплообмена с материалом, и теплопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработки с целью выявления рациональных режимных параметров ведения процесса термомодифицирования в жидкостях.
-
Изучение процесса изменения физико-механических свойств древесины при различных температурах и времени термомодифицирования пиломатериала в гидрофобных жидкостях.
-
Разработка инженерной методики определения продолжительности стадии термообработки с учетом требуемой степени термомодифицирования древесины.
Предмет и объект исследования. Предметом исследования является технология термомодифицирования древесины в жидкостях. Объектом исследования являются древесина дуба, березы и сосны и их физико-механические и цветовые характеристики, изменяющиеся в ходе термообработки.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой исследования являются теоретические и экспериментальные данные по механизму процесса теплопереноса в жидкой среде и её теплообмена с материалом и теплопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработки. Для 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, таких как: температура и плотность, ударная твердость, предел прочности при статическом изгибе и сжатии вдоль волокон, степень усушки и разбухания, способность к водо- и влагопоглощению, цветовые характеристики.
Научные результаты, выносимые на защиту. В процессе выполнения работы лично соискателем получены следующие научные результаты.
-
Энергосберегающая технология термомодифицирования твердых пород древесины в гидрофобных жидкостях, отличающаяся от аналоговой меньшей продолжительностью процесса обработки за счет интенсификации стадии охлаждения.
-
Математическая модель и алгоритм расчета процессов термомодифицирования древесины в жидкостях, позволяющая определить продолжительность стадий нагрева, термообработки и охлаждения термодревесины.
-
Рациональные режимные параметры ведения процесса термомодифицирования древесины в жидкостях по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований процессов термообработки.
-
Мехаїшзм изменения физико-механических свойств древесины при различных температурах и времени термомодифицирования пиломатериала в гидрофобных жидкостях.
-
Методика определения рациональных режимных параметров процесса термообработки с учетом требуемой степени термомодифицирования древесины.
Научная новизна результатов работы. Работа содержит научно-обоснованные технические решения, направленные на обработку древесины твердых пород термомодифицированием в жидкостях:
-
Разработаны математическая модель и алгоритм расчета процессов термомодифицирования древесины в жидкостях, позволяющие определить продолжительность стадий прогрева, термомодифицирования древесины и охлаждения готового продукта, а также выявить рациональные режимные параметры исследуемого процесса.
-
Разработана энергосберегающая технология термомодифицироваиия древесины твердых пород в жидкостях, включающая предварительную осциллирующую сушку пиломатериала в жидкостях, нагрев до температуры 200-240С и выдержку древесины при данных температурах в герметичной камере, заполненной маслом с температурой кипения выше 260С, охлаждение путем слива масла, вакуумирования древесины, пропарива-ния ее водяным паром и повторного вакуумирования в течение 2-3 часов. Предложенная технология позволяет получить термодревесину высокого качества за счет предварительной осциллирующей сушки, обеспечивающей процесс без развития существенных внутренних напряжений, и последующей пропарки, позволяющей снять возникшие в процессе термообработки напряжения, а также сократить продолжительность стадий охлаждения. Снижение энергозатрат на проведение процесса охлаждения обеспечивается отсутствием необходимости дополнительного подвода энергии па получение водяного пара. Новизна способа подтверждена патентом.
-
По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований установлено, что предложенная технология целесообразна для твердых пород древесины благодаря их наименьшей пропитываемости; при этом режимы термообработки зависят от плотности и размеров пиломатериала. Вследствие чего получена зависимость темпа повышения температуры среды от толщины пиломатериала для стадии нагрева древесины дуба, обеспечивающая надлежащее качество получаемого в процессе термомодифицирования материала.
-
Установлена кинетическая зависимость потока летучих в процессе термомодифицирования, согласно которой целесообразно регулировать производительность системы откачки.
-
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 разработке математической модели, адекватность которой установлена в ходе проведения экспериментальных исследований. Математическое описание позволяет определять режимные параметры исследуемого процесса тер-мамодифицирования древесины в жидкостях; устанавливать физические характеристики объекта исследования и влияние отдельных факторов на процессы термообработки.
Практическая значимость полученных научных результатов заключается в усовершенствовании существующей технологии термомодифицирования древесины и ее аппаратурного оформления, новизіа технического и технологического решения подтверждена решением на выдачу патента РФ по заявке № 2010154564, РФ, МПК8 В27К5/04 «Способ морения древесины и устройство для его реализации». 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)» и п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получе-
кия высококачественной и экологически чистой продукции» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на DC-ой Международной научно-технической интернет - конференции «Экономика и эффективность организации производства» (Брянск, 2008г); VI-ой Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2008г); VIII-ой Международной научно-технической интернет - конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2009г); Научной сессии ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (2011г); XXIV-ой Международной научной конференции «ММТТ-24» (Киев, 2011г); IV-ой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термо-влажностная обработка материалов) СЭТТ-2011» (Москва, 2011г); Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2011» (Одесса, 2011 г).
Методика расчета и разработанный технологический регламент термомодифицирования пиломатериалов в жидкостях внедрены на ООО «НПП «ТермоДревПром».
Технология термомодифицирования твердых пород древесины в жидкостях удостоена серебряной медали на X Московском международном салоне инноваций и инвестиций в 2010 г.
Материалы диссертации применяются в учебном процессе при чтении лекции и проведении лабораторного практикума по дисциплине «Гидротермическая обработка и консервирование древесины» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 250400 «Технология лесозаготовительных и 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 установки и выполнены эксперименты. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 научных работ, в том числе: б - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 решение на выдачу па-тента'рФ по заявке на изобретение. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [2, 3, 4, 8, 10, 12] -создание экспериментальной установки, получение и обработка экспериментальных данных- [1 5 6 9, 11, 13, 14] - разработка технологии термомодифицирования древесины твердых пород'в жидкостях; [7, 16, 17] - обоснование экономической эффективности аппаратурного решения технологического процесса.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит^ введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
