автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Термомодифицирование твердых пород древесины в жидкостях

005009671

Белякова Елена Александровна

ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ПОРОД ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОСТЯХ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

2 5 ЯНЗ 2012

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2012

005009671

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»)

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Сафин Руслан Рушанович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Рудобашта Станислав Павлович Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина, заведующий кафедрой теплотехники и энергообеспечения предприятий

доктор технических наук, профессор Николаев Андрей Николаевич Казанский национальный исследовательский технологический университет, заведующий кафедрой оборудования пищевых производств

Ведущая организация - Волжско-Камский научно-

исследовательский институт лесной промышленности (ВКНИИЛП), Казань

Защита диссертации состоится «17» февраля 2012 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при ФГБОУ ВПО «КНИТУ» по адресу: 420015, г. Казань, К. Маркса, 68.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Автореферат разослан «17» января 2012 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета ' Г Е.И. Байгильдеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (Retifi-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 ла 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 термодрсвесину, 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, тешгофизических свойств древесины, математического моделирования процессов тепло- и влагопереноса древесины посвящены работы ученого Nencho Deliiski (Bulgaria); вопросам влияния термообработки на физико-механические, химические и эксплуатационные свойства древесины - работы Danica Ka£íková и Frantisek Kacík (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 Aima 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 физиюо-механическими характеристиками и разнообразным цветовым решением.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Изучение состояния проблемы термомодифицировапия древесины твердых пород.

2. Разработка технологии термомодифицирования древесины в жидкостях, позволяющей обрабатывать твердые породы древесины без снижения ее качества и сократить продолжительность процесса путем интенсификации стадии охлаждения.

3. Разработка математической модели и алгоритма расчета процессов термомодифицирования древесины в жидкостях.

4. 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.

5. Изучение процесса изменения физико-механических свойств древесины при различных температурах и времени термомодифицирования пиломатериала в гидрофобных жидкостях.

6. 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 суппси 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.

1. Энергосберегающая технология термомодифицирования твердых пород древесины в гидрофобных жидкостях, отличающаяся от аналоговой меньшей продолжительностью процесса обработки за счет интенсификации стадии охлаждения.

2. Математическая модель и алгоритм расчета процессов термомодифицирования древесины в жидкостях, позволяющая определить продолжительность стадий нагрева, термообработки и охлаждения термодревесины.

3. Рациональные режимные параметры ведения процесса термомодифицирования древесины в жидкостях по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований процессов термообработки.

4. Механизм изменения физико-механических свойств древесины при различных температурах и времени термомодифицировштя пиломатериала в гидрофобных жидкостях.

5. 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:

1. 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.

2. Разработана энергосберегающая технология термомодифицирования древесины твердых пород в жидкостях, включающая предварительную осциллирующую сушку пиломатериала в жидкостях, нагрев до температуры 200-240°С и выдержку древесины при данных температурах в герметичной камере, заполненной маслом с температурой кипения выше 260°С, охлаждение путем слива масла, вакуумирования древесины, пропарива-ния ее водяным таром 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.

3. По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований установлено, что предложенная технология целесообразна для твердых пород древесины благодаря их наименьшей пропитываемое™; 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.

4. Установлена кинетическая зависимость потока летучих в процессе термомодифицирования, согласно которой целесообразно регулировать производительность системы откачки.

5. 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, новизна 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 ГХ-ой Международной научно-технической интернет - конференции «Экономика и эффективность организации производства» (Брянск, 2008г); У1-ой Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2008г); УШ-ой Международной научно-технической интернет - конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2009г); Научной сессии ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (2011г); ХХ1У-ОЙ Международной научной конференции «ММТТ-24» (Киев, 2011г); ГУ-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 вдей 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-тенга'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 е введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

На всех этапах работы в качестве научного консультанта активное участие принимал К.Т.Н., доцент Разумов Е.Ю.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В гупвой главе проведен анализ состояния вопроса разработки технологии термомодифицирования древесины, в результате которого можно сделать вывод о том, что на сегодняшний день термообработка древесины является перспективным способом получения уникального материала, отличающегося естественностью, экологичяоетью, пониженной равновесной влажностью, формо- и биоустойчивостью, а также широкои палитрой оттенков - от светло-желтого до черного. Общей характеристикой известных

способов термомодифицирования древесины можно назвать температурный диапазон термообработки от 180 до 240°С, что объясняется физико-химическими процессами, протекающими в древесине при данной температуре, способствующими изменению цвета материала и его физико-механических характеристик. К принципиальным отличиям можно отнести: время от 16 до 180 часов и среду обработки, например: в защитной атмосфере водяного пара (Thermowood, PLATO-Wood, WEST-WOOD), в вакууме (Vacuum Plus), в защитной атмосфере инертного газа - азота (Retification), в среде органических масел (Thermoholz), а также то, что многие из представленных технологий предназначены для термообработки в основном мягких пород древесины.

Поэтому разработка технологии, предназначенной для обработки твердых древесных пород и обеспечивающей качество получаемого продукта, а также равномерное цветовое решение по сечению материала является актуальной задачей на сегодняшний день. В связи с этим в работе были поставлены задачи по исследованию высокотемпературной обработки древесных материалов в гидрофобных жидкостях, анализу влияния высоких температур на древесину, исследованию физических свойств агента обработки (гидрофобной жидкости), физико-механических и химических свойств древесины, как объекта термообработки.

Во втопой главе представлены физическая картина, математическая модель и алгоритм расчета процесса термомодифицирования древесины в жидкости.

Процесс термообработки древесины в жидкой среде можно представить как совокупность стадий нагрева и термомодифицирования пиломатериала, а также охлаждения, которое в свою очередь делится на слив жидкости, вакуумирование, пропарку водяным паром, повторное вакуумирование и выдержку в условиях вакуума (рис. 1).

Рис. 1. Схема ведения процесса морения пиломатериалов термомодифицированием в жидкости

Процесс термомодифицирования древесины в жидкой среде начинают с заполнения рабочей полости камеры гидрофобной жидкостью путем создания разрежения в камере с последующим ее прогревом при давлении, не превышающем атмосферное значение, и постепенным прогревом древесины до 200-240°С. Затем осуществляют ее выдержку в жидкой среде при данной температуре в зависимости от требуемой степени термомодифицирования. При достижении необходимой степени термомодцфицирования производят слив всей жидкости, после чего с помощью вакуумного насоса и конденсатора создают вакуум и осуществляют выдержку материала в условиях вакуума с целью удаления агента обработки из внутренних полостей клеток древесины. Затем подают водяной пар в пространство камеры, где он контактирует с горячим деревом и перегревается, при этом для поддержания в камере заданной температуры среды в работу включается внутренний

конденсатор. После обработки древесины в среде водяного пара в камере снова создают вакуум и выдерживают древесину. Применение стадий вакуумирования и пропаривания после термомодифицирования древесины направлено на снижение температуры материала до 120-130°С и на предотвращение самопроизвольного возгорания древесины при заданных высоких температурных режимах, а также на снятие внутренних напряжений в материале и снижение запаха жженой термодревесины в процессе дальнейшей ее эксплуатации.

Математическое описание стадии нагрева начинается с описания теплоперешса внутри жидкого теплоносителя, которое можно представить, опираясь на дифференциальное уравнение переноса энергии с объемным источником тепла ЗТЖ ЗГ - а ■ (Т -Т )-Р*

* ^у , , Ж _ _У Ж МГЦ)« / и

й & С« Рж (1)

Краевые условия для дифференциального уравнения (1) представлены в следующем

виде

- Тж(О;г) = Тж0> (2)

ТжММт), (3)

где функция повышения температуры среды у поверхности нагревательного элемента

ч К • М - Е. • цж г(т)= Р .V.; • ^

"ж (1.Ж

Для описа1гая изменения во времени поля температуры и плотности по толщине материала используем следующие уравнения

ЭТ 3 / ЗТ \

с"-р"-1Г= (5)

др. - _к ,п

Эх ~ т Р- • (б)

Краевые условия для решения дифференциальных уравнений (5), (6) можно представить в следующем виде

ЗТ„

условие симметрии

бРм

дх

= (7)

(8)

начальные условия т„(0.х)= Тчо, (9)

Р»(Ах) = Р«о _ (¡0)

граничное условие п(Тж-Т„ш,)-ч • =П1)

В процессе термомодифицирования древесины в жидкостях внутри материала наблюдаются два взаимообратных потока: поток пропитывающей жидкости из окружающей среды, направленный внутрь пиломатериала, и поток парогазовой смеси продуктов разложения, направленный из древесины. При этом процесс пропитки представляет собой движение смачивающей жидкости в капилляре с защемленным газом, а основное влияние на ее продвижение оказывают процессы растворения и диффузии парогазовой смеси в пропитывающую жидкость. Скорость движения жидкости в тупиковом капилляре, скорость растворения и диффузии защемленного в нем газа можно описать следующим уравнением

а'к-Я Т

•л/Р _1_

\Гх

"Ч* - г^

< к \1Х , (12)

Скорость потока продуктов разложения может быть определена с помощью форму-

1 - к-г

к Р (Р

2----— -

к-1 рт

(13)

Процесс пропитки древесины жидкостью происходит, когда скорость движения жидкости в тупиковом капилляре, определяемая скоростью растворения и диффузии защемленного в нем газа по уравнению (12), будет больше или равна скорости взаимообратного потока газообразных продуктов разложения, т.е. при выполнении следующего условия

^пгс (14)

В противном случае, парогазовый поток продуктов разложения будет приводить к выдавливанию пропитывающей жидкости из древесины.

После завершения стадии термической модификации материал следует охладить без доступа кислорода воздуха во избежание его самовозгорания. Понижение температуры продукта осуществляется непосредственно в камере путем подачи водяного пара из парогенератора. Расход пара, поступающего истечением в большой объём под высоким давлением за бесконечно малый промежуток времени, определили, продифференцировав формулу Сен-Венана-Венцеля

Г 2 к'+1"|

<3п^ = 0-&Х + -

-7321с'-(к'

Р

к'+1

Н£Г

с1Р

У

. (15)

Изменение температуры паровой среды в камере за счет теплообмена с материалом и внутренним конденсатором можно определить по выражению ат _ 01?, (ти„„. -Т)-К„„ А>.„ ■ Г„, ёт

¡-•Я-Т

IV.-Р-Ц. . (16)

Теплоперенос внутри материала определяем при помощи дифференциального урав-

нения теплопроводности

ЗТ .

д'Т,

дх 7 Эк1 . (17)

Граничное условие для решения уравнения (17) можно представить в виде выражения

а' Омпсв

& и» . (18)

Начальные условия для каждой последующей стадии процесса будут представлять собой поля температур и плотности по сечению материала после предыдущей стадии.

Для расчета процесса термомодифицирования древесины в жидкости разработан алгоритм на базе представленной математической модели. Расчет начинают с ввода исходных данных, представляющих собой сведения о теплофизических свойствах и характеристиках материала и агента обработки, далее в результате расчета первого блока определяют время прогрева древесины в жидкости, во втором блоке производят расчет стадии термомодифицирования древесины, в третьем блоке - расчет стадии охлаждения материала водяным паром.

В третьей главе приведено описание экспериментальной установки; результаты математического и физического моделирования исследуемых процессов сушки и термомодифицирования древесины в жидкости при различных режимах обработки; установлена адекватность разработанной модели реальному процессу; определены рациональные режимные параметры.

В качестве агента обработки при проведении экспериментальных исследований была использована гидрофобная жидкость с температурой кипения более 260 °С - глицерин дистиллированный марки Д-98, ГОСТ 6824-96.

Расхождение расчетных и экспериментальных значений для разных пород и режимных параметров процессов не превысил 18 %, это позволило сделать вывод о возможности использования представленной модели для теоретического исследования процессов термомодифицирования пиломатериалов в жидкостях.

Анализ полученных результатов для образцов древесины различных пород (береза, сосна, дуб) толщиной 50 мм показал, что интенсивность потока пропитывающей жидкости прямо пропорциональна температуре термомодифицирования, при этом глубина проникновения агента обработки в пиломатериал зависит не от пропитываемое™ натуральной древесины, а от её базисной плотности (рис. 2). В частности, пропитываемость натуральной березы выше, чем пропитываемость ядровой зоны натуральной сосны, однако глубина проникновения агента обработки в термососну (сосну, прошедшую термообработку) оказалась больше, чем в случае с термоберезой. Это можно объяснить тем, что при термомодифицировании древесины происходит высвобождение полостей макроструктурных элементов материала от содержащихся в них веществ (например, смол), в свою очередь определяющих способность пиломатериала к проницаемости жидкостями. Поэтому термомодифицирование древесины в гидрофобных жидкостях рациональнее применять для твердых пород, обладающих большей плотностью и, тем самым, меньшей глубиной проникновения агента обработки, что позволит снизить расход гидрофобной жидкости на проведение процесса и избежать больших потерь материала в процессе его дальнейшей механической обработки. В связи с этим, дальнейшие основные исследования были направлены на изучение процесса термомодифицирования дубовых пиломатериалов.

Экспериментальные данные и расчетные кривые нагрева жидкости и погруженной в нее древесины указывают на неравномерность нагрева материала по толщине при погружении образца в предварительно нагретую жидкость, и, напротив, при одновременном прогреве жидкости и помещенного в нее материала осуществляется равномерная но сечению материала термообработка. В результате математического моделирования получено выражение для определения рационального темпа повышения температуры среды, обеспечивающего качество материала (дуб), получаемого в процессе термомодифицирования

1п(4Л= 1,508 - 2,004 -1п ....

V Ат ; . (19)

Результаты проведенных экспериментальных исследований изменения интегральных плотностей термомодифицированной древесины в гидрофобных жидкостях показали, что термомодифицирование 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

Рис. 2. Средняя глубина пропитки древесины

на изменение данного параметра.

Анализ результатов кинетики относительной массы дубового образца при различных температурных режимах обработки показал, что масса пиломатериала с учетом пропитывающей жидкости изменяется в зависимости от температуры обработки следующим образом: при относительно невысоких температурах (180°С, 200°С) масса образца начинает интенсивно расти с самого начала процесса, что свидетельствует о проникновении агента обработки в пиломатериал, а при более высоких температурах (220°С, 240°С) наблюдаются интенсивные потери массы образца в первые 1-3 часа, что свидетельствует об активной стадии выделения продуктов разложения древесины, препятствующих пропитке пиломатериала (рис. 3).

Установлено, что толщина пиломатериала напрямую влияет на продолжительность процесса и глубину проникновения агента обработки в материал. При этом глубина пропитки материала увеличивается в меньшей пропорциональной зависимости, чем продолжительность процесса, поэтому термомодифицирование древесины в жидкостях целесообразнее производить для пиломатериалов с большей толщиной.

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 разложе-1шя древесины (рис. 4). Установлено, что производительность системы улова и конденсации должна регулироваться в процессе термообработки в зависимости от температуры процесса термической обработки, толщины пиломатериала и породы древесины.

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.

Таким образом, проведенные исследования позволили получить рекомендации по режимным параметрам термомодифицирования древесины в жидкостях в зависимости от температуры агента обработки, породы древесины и размеров пиломатериала.

В четвертой главе представлена разработанная опытно-промышленная установка для термомодифицирования древесины в жидкостях, а также результаты исследований физико-механических и хими гских свойств термомодифицированной древесины дуба.

Разработанная опытно-промышленная установка состоит из герметичной камеры с нагревателем, линии вакуумирования и системы охлаждения, включающей емкость для хранения гидрофобной жидкости со встроенным резервуаром заполненным водой, сооб-

Дуб, 50мм

Рис. 3. Кинетика относительной массы образца в процессе термообработки в жидкости

(кгУкгУ&А

25 20 15 10 5 О

Дуб,50им

т-Щ*- "у—N /

■ х • \ /<*>К

X, час

Рис. 4. Изменение потока летучих на стадии термомодифицирования

щающимся 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.

В результате экспериментальных исследований установлено, что термомодифици-рованная 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 термомодифи-цированной древесины дуба показал, что повышение температуры и увеличение продолжительности термообработки древесины ведет к снижению прочностных показателей пиломатериала. Однако тер-момодифицированный дуб превосходит по эксплуатационным характеристикам натуральный море-вый дуб. В частности, предел прочности при изгибе для термодуба на 4-30% больше чем для натурального мореного дуба, а предел прочности при сжатии (рис. 5) на 1-5% больше в зависимости от степени термомодафици-рования, коэффициенты усушки и разбухания (рис. 6) в среднем в пять раз меньше, при этом ударная твердость искусственного мореного дуба несколько ниже, чем у натурального.

Па основании полученных данных также был сделан вывод, что увеличение температуры обработки способствует уменьшению влагопоглощающей способности древесины и, как следствие, повышению ее биостойкости и улучшению физико-механических характеристик.

Получены эмпирические зависимости основных физико-механических параметров термообработанного дуба от температуры, времени и продолжительности процесса.

При термомодифицировании древесины наблюдаются химические процессы, протекающие внутри пиломатериала, сопровождаемые изменением его оттенка по всей толщине. Для унифицирования значений цветовых решений термомодифицированных образцов был использован цветовой режим, в котором изображения описываются с использованием 256 оттенков серого (I.).

Значения оттенков серого, полученные для термомодифицированных образцов, были преобразованы для системы координат от 0 до 1 согласно следующему уравнению

аи,МПа

56,00

54,00

52,00

50,00

48,00

46,00

44,00

42,00

40,00

38,00

• V**

■• ч .................

.......А....... ........А

N ---- Г-

Ж

493 К 513 К

Рис. 5. Кривые изменения предела прочности при сжатии древесины дуба

К„,% 0,7 0,6 0,5 0,4 0.3 0,2 ОД 0

.. К|„=€,65% (м.дуб)

К ь,=0,41% (м.дуб) К^-0,27% (м.дуб)

513 К„„%

т,к

Рис. 6. Кривые изменения коэффициента

УГУШ1ГИ "ПРШ'ГМ111Т ггийя

Ь» - Ч , (20)

что позволило сравнить степень термомодифицирования дуба и получить зависимость, определяющую продолжительность процесса до требуемой степени термомодифицирования Ь от температуры обработки и толщины пиломатериала (рис. 7).

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 технико-экономического анализа установлено, что аналоговая технология «ТЪегтоМг», применяемая российской фирмой «Бикос», целесообразна только в рамках крупных деревообрабатывающих предприятий, что подтверждается низкой окупаемостью малотоннажных производств с использованием камеры термомодифицирования КСД-3. Представленная в работе технология термомодифицирования древесины в жидкостях, напротив, 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.

В приложении к работе приведены результаты статистической обработки полученных данных и результаты расчетов режимных параметров исследуемых процессов термообработки в зависимости от степени термомодифицирования.

Основные результаты работы

Выполненные в работе исследования позволили получить научно-обоснованные рекомендации, направленные на разработку технологии термомодифицирования древесины твердых пород в жидкостях и разработку методики расчета режимных параметров процесса в зависимости от степени термомодифицирования материала.

1. Предложена технология термомодифицирования твердых пород древесины в жидкостях, позволяющая улучшить качество получаемого материала за счет интенсификации стадии охлаждения путем подачи водяного пара и вакуумирования, что позволяет частично удалить агент обработки из внутренних полостей клеток древесины, снять внутренние напряжения в материале и снизить запах жженой термодревесины в процессе ее эксплуатации.

2. На основании анализа разработанной физической картины и формализации рассматриваемого процесса, предложено математическое описание способа термомодифи-цироЕаШ1>. древесины, позволяющее определить "родолжителыюсть стадий нагрева, термообработки и охлаждения термодревесины. Разработан соответствующий алгоритм расчета лгатематической модели.

3. В результате математического моделирования и экспериментальных исследований выявлены рациональные режимные параметры ведения процесса термомодифицирования в зависимости от требуемых характеристик получаемого продукта, таких как:

Т. мин

0 I I I I I I I........|--,4-...1.....

0.15 0,25 0,35 0,45 0,55 0,65 0,75 I.

Рис. 7. Диаграмма зависимости времени термообработки древесины дуба от заданной степени термомодифицирования

цветовое решение и физико-механические свойства. Установлено, что предлагаемая технология термообработки целесообразна для твердых пород древесины благодаря их наименьшей пропитываемости.

4. Установлена зависимость темпа повышения температуры среды на стадии нагрева древесины дуба от толщины пиломатериала, обеспечивающая надлежащее качество получаемого в процессе термомодифицирования материала.

5. Установлена кинетика потока летучих в процессе термомодифицирования, определяющая изменение производительности системы откачки.

6. Установлены закономерности изменения физико-мехапических свойств древесины дуба от температуры и времени термомодифицирования пиломатериала в гидрофобных жидкостях.

7. Введено понятие - степень термомодифицирования, на основе которой разработана инженерная методика расчета продолжительности процесса.

8. Разработана методика определения рациональных режимных параметров процесса термообработки с учетом требуемой степени термомодифицирования древесины, и определены основные физико-механические характеристики получаемого пиломатериала, необходимые для определения области его применения.

9. Созданы экспериментальная и пилотная установки для исследования указанных процессов. Отдельные решения, положенные в основу лабораторных установок, в дальнейшем нашли использование в промышленной камере. Экспериментальные установки используются в учебном процессе в рамках курса «Гидротермическая обработка и консервирование древесины» и позволяют осуществлять всестороннее изучение процессов сушки и термомодифицирования пиломатериалов.

10. Технология термомодифицирования твердых пород древесины в жидкостях удостоена серебряной медали на X Московском международном салоне инноваций и инвестиций в 2010 г.

Условные обозначения

Основные обозначения: Т - температура, К; т - текущее время, с; w - скорость, м/с; а -коэффициент теплоотдачи, Дж/^сК); F* - удельная поверхность, mVm3; F - полная поверхность тепломассобмена, м2; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); р - плотность, кг/м3; К - коэффициент теплопередачи, Дж/(м2-с-К); At - температурный напор, К; р. -молекулярная масса, кг/кмоль; V - объем, м3; X - коэффициент теплопроводности, Дж/(м с-К); q - удельная теплота химической реакции, Дж/кг; kr - константа скорости химической реакции, 1/с; R„ - половина толщины пиломатериала, м; j - поток, кг/(м2 с); D - коэффициент диффузии, м2/с; к - постоянная Генри; Р - давление, Па; m - масса, кг; G - массовый расход, кг/с; р' - коэффициент расхода; d - диаметр паропровода парогенератора, м; к' - показатель адиабаты; R - универсальная газовая постоянная, Дж /(кгК); ат

- коэффициент температуропроводности, м3/с; L - степень термомодифицирования; х, z -координаты; м.

Индексы: ж - жидкость; z - направление по высоте; м - материал; пов - поверхность; пгс

- парогазовая смесь; с.ж. - столб жидкости; жх - жидкость в тупиковом капиляре; п -пар; п.г - парогенератор; г - газ; кон - конденсатор; св - свободный; 0 — начальный; п -текущий; у - уголь.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих публикациях:

В ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК

1. Белякова, Е.А. Выбор оптимального варианта технологического оборудования для деревообрабатывающего производства / Е.А. Белякова, P.P. Сафин, AT. Сабиров, Е.Ю. Разумов // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник - Москва, 2009. 5. - С. 22-25.

2. Сафин, P.P. Имитация древесины мореного дуба термомодифицированием / P.P.Сафин, P.P. Хасашшш, Е.Ю. Разумов, Е.А.Белякова // Дизайн. Материалы. Технология, С.-Петербург, 2010 г. - № 3(14). - С. 95-98.

3. Сафин, P.P. Разработка новой технологии получения термодревесины / Р.Р.Сафин, Е.А. Белякова, Е.Ю. Разумов // Вестник Казанского технологического университета. Казань,-2011.-№ 1,-С. 157-162.

4. Разумов, Е.Ю. Исследование процесса сушки древесины в жидкостях / Е.Ю. Разумов, Е.А. Белякова // Вестник Казанского технологического университета. Казань. -2011.-№11,-С. 39-42.

5. Белякова, Е.А. Экспериментальные исследования термомодифицирования древесины в жидкостях / Е.А. Белякова, P.P. Сафин // Вестник Казанского технологического университета.Казань.-2011.-№ 12,-С. 241-245.

6. Разумов, Е.Ю. Математическая модель процесса термомодифицирования древесины труднопронитываемых пород в жидкости / Е.Ю. Разумов, Е.А. Белякова, Р.Р.Сафин// Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2011. - № 16,-С. 233-240.

В патентах

7. Решение на выдачу патента РФ по заявке № 2010154564 МПК8 В27К5/04 Способ морения древесины и устройство для его реализации / Сафин P.P., Хасашшш P.P., Разумов Е.Р, Сафин Р.Г., Белякова Е.А. и др.; патентообладатель « НИУ КГТУ ».

В статьях и материалах конференций

8. Белякова, Е.А. Пути достижения перспективного развития малого предприятия / Е.А. Белякова, Л.Г. Голубев // 9-я международная научно-техническая интернет-конференция «Экономика и эффективность организации производства» - Брянск, 2008. -С. 133-134.

9. Белякова, Е.А. Методы определения эффективности проектируемого малого деревообрабатывающего предприятия / Е.А Белякова, Л.Г. Голубев II 6-я всероссийская научно-техническая конференция «Вузовская наука - региону», ВГТУ — Вологда, 2008. - С. 239-240.

10. Белякова, Е.А. Оптимизация выбора технологического оборудования для малых деревообрабатывающих предприятий / Е.А Белякова, Л.Г. Голубев // 6-я всероссийская научно-техническая конференция «Вузовская наука - региону», ВГТУ — Вологда, 2008. - С. 237-239.

11. Белякова, Е.А. Морение древесины труднопропитываемых пород / Е.А. Белякова, P.P. Сафин, Т. А. Белякова // Научная сессия, аннотации сообщений. КГТУ. - Казань, 2011.-С. 323-324.

12. Белякова, Е.А. Термомодифицирование древесины дуба в жидкостях / Е.А. Белякова, Хайругдинов С.З., Т.А. Белякова // Научная сессия, аннотации сообщений. КГТУ. - Казань, 2011. - С. 325.

13. Разумов, Е.Р. Исследование процесса морения древесины в жидкостях / Е.Р. Разумов, P.P. Сафин, Е.А. Белякова // Сборник трудов XXIV международной научной конференции «ММТТ-24». - Киев2011.-С. 149-150.

14. Сафин, P.P. Морение древесины трудносохнущих пород в гидрофобных жидкостях / Р.Р.Сафин, Е.А Белякова// Четвертая международная научно-практическая конфе-

ренция «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажно-стная обработка материалов) СЭТТ-2011», Москва. - С. 139-141.

15. Белякова, Е.А. Искусственно мореная древесина / Е.А Белякова, P.P. Сафин II Сборник трудов международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2011», Одесса. - С. 80-81.

16. Белякова, Е.А. Технология морения древесины / Е.А. Белякова, P.P. Сафин // Сборник трудов международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2011», Одесса. - С. 5-6.

17. Белякова, Е.А Химия термомодифицированной древесины / Е.А. Белякова, P.P. Сафин // Сборник трудов международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2011», Одесса. - С. 82-84.

Просим принять участие в работе диссертационного совета ДМ 212.080.12 или выслать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, Казанский национальный исследовательский технологический университет, учёному секретарю, ДМ 212.080.12. Тел.: (843) 231-89-37, 8-917-247-03-00, факс (843) 231-4157. E-mail: elena.aleksandr@mail.ru

Соискатель Е.А. Белякова

Формат 60x84/16 Тираж 100. Подписано к печати 13 .01.2012

Печать офсетная. Усл. п.л. 1,00 Заказ 11

Издательство КГАУ/420015 г. Казань, ул. К.Маркса, д.65 Лицензия на издательскую деятельность код 221 ИД№06342от28.11.2001 г. Отпечатано в типографии КГАУ 420015 г. Казань, ул. К.Маркса, д.65 Казанский государственный аграрный университет

61 12-5/1839

Казанский национальный исследовательский технологический университет

На правах рукописи

Белякова Елена Александровна

ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ПОРОД ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОСТЯХ

Специальность 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор САФИН Р.Р.

Казань - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4 Глава I. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

О ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИИ ДРЕВЕСИНЫ 13

1.1. Анализ способов термомодифицирования древесины 13

1.2. Анализ древесины как объекта термомодифицирования 17

1.3. Анализ методов классификации термомодифицированной древесины 25 Выводы 29 Постановка задачи исследования 30 Глава II. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОСТЯХ 31

2.1. Физическая картина процесса 31

2.2. Формализация процесса 35

2.3. Математическое описание процесса термомодифицирования древесины в жидкостях 36

2.4. Алгоритм расчета процесса термомодифицирования

древесины в жидкостях 49

Выводы 51 Глава III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СУШКИ И ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

В ЖИДКОСТЯХ 53

3.1. Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих при сушке и термомодифицировании древесины

в жидкостях 54

3.2. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процессов, протекающих при сушке

и термомодифицировании древесины в жидкостях 57

Выводы 83

Глава IV. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ТЕРМОМОФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОСТЯХ 86

4.1. Пилотная установка термомодифицирования древесины

в жидкостях 86

4.2. Результаты экспериментальных исследований физико-механических и химических свойств

термомодифицированной древесины дуба 90

4.3. Разработка методики классификации термомодифицированной древесины с помощью цветовой гаммы 108

4.4. Инженерная методика расчета физико-механических свойств термомодифицированной древесины в зависимости от степени термообработки 115

4.5. Технико-экономический анализ эффективности технологии термомодифицирования древесины в жидкостях 120 Выводы 125 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 130 ЛИТЕРАТУРА 133 ПРИЛОЖЕНИЕ 155

ВВЕДЕНИЕ

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 (Ratification), Америка (WEST-WOOD), Латвия (Vacuum Plus), Германия (Thermoholz). 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 термомодифицирование 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 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.

Поэтому актуальной представляется разработка технологии термомодифицирования твердых пород древесины в гидрофобных жидкостях, позволяющей сократить продолжительность процесса обработки и получить термодревесину, 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, теплофизических свойств древесины, математического моделирования процессов тепло- и влагопереноса древесины посвящены работы ученого Nencho Deliiski (Bulgaria); вопросам влияния термообработки на физико-механические, химические и эксплуатационные свойства древесины - работы Danica Kacíková и Frantisek Kacík (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 (Germany); вопросам обработки древесины в среде органических масел - работы Anna Koski (Finland), Michael Sailer (Germany).

Цель h задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и обоснование технологии термомодифицирования твердых пород древесины в жидкостях, позволяющей получать материал с улучшенными физико-механическими характеристиками и разнообразным цветовым решением.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Изучение состояния проблемы термомодифицирования древесины твердых пород.

2. Разработка технологии термомодифицирования древесины в жидкостях, позволяющей обрабатывать твердые породы древесины без снижения ее качества и сократить продолжительность процесса путем интенсификации стадии охлаждения.

3. Разработка математической модели и алгоритма расчета процессов термомодифицирования древесины в жидкостях.

4. 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.

5. Изучение процесса изменения физико-механических свойств древесины при различных температурах и времени термомодифицирования пиломатериала в гидрофобных жидкостях.

6. 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.

1. Энергосберегающая технология термомодифицирования твердых пород древесины в гидрофобных жидкостях, отличающаяся от аналоговой меньшей продолжительностью процесса обработки за счет интенсификации стадии охлаждения.

2. Математическая модель и алгоритм расчета процессов термомодифицирования древесины в жидкостях, позволяющая определить продолжительность стадий нагрева, термообработки и охлаждения термодревесины.

3. Рациональные режимные параметры ведения процесса термомодифицирования древесины в жидкостях, полученные по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований процессов термообработки.

4. Механизм изменения физико-механических свойств древесины при различных температурах и времени термомодифицирования пиломатериала в гидрофобных жидкостях.

5. Методика определения рациональных режимных параметров процесса термообработки с учетом требуемой степени термомодифицирования древесины.

Научная новизна результатов работы. Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на обработку древесины твердых пород термомодифицированием в жидкостях:

1. 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.

2. Разработана энергосберегающая технология термомодифицирования древесины твердых пород в жидкостях, включающая предварительную осциллирующую сушку пиломатериала в жидкостях, нагрев до температуры 200-240°С и выдержку древесины при данных температурах в герметичной камере, заполненной маслом с температурой кипения выше 260°С, охлаждение путем слива масла, вакуумирования древесины, пропаривания 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 стадии охлаждения. Снижение энергозатрат на проведение процесса охлаждения обеспечивается отсутствием необходимости дополнительного подвода энергии на получение водяного пара. Новизна способа подтверждена положительным решением на выдачу патента РФ по заявке № 2010154564, РФ, МПК8 В27К5/04 «Способ морения древесины и устройство для его реализации».

3. 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.

4. Установлена кинетическая зависимость потока летучих в процессе термомодифицирования, согласно которой целесообразно регулировать производительность системы откачки.

5. 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, которая позволяет определить режимные параметры исследуемого процесса термомодифицирования 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, новизна 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 получения 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 1Х-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» (Казань, 2010 г, 2011 г); XXIV-ой Международной научной конференции «ММТТ-24» (Киев, 2011 г); IV-ой Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011» (Москва, 2011г); Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте '2011» (Одесса, 2011г).

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 лекций 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: 6 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 решение на выдачу патента РФ по заявке на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса разработки технологии термомодифицирования древесины, в результате чего поставлены задачи по исследованию процессов высокотемпературной обработки древесных материалов в гидрофобных жидкостях, анализу влияния высоких температур на физико-механические и химические свойства древесины, как объекта термообработки. Во второй главе представлены физическая картина, математическая модель и алгоритм расчета процесса термомодифицирования древесины в жидкости. В третьей главе приведено описание экспериментальной установки; результаты математического и физического моделирования исследуемых процессов сушки и термомодифицирования древесины в жидкости при различных режимах обработки; установлена адекватность разработанной модели реальному процессу; определены рациональные режимные параметры. В

четвертой главе представлены разработан�