автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование способа сплошной пропитки и уплотнения при производстве торцовой шашки из низкосортной древесины

На прав^сруко^[ди . 2 2

Сугаипов Узум-Хаджи Усманович

ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА СПЛОШНОЙ ПРОПИТКИ И УПЛОТНЕНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТОРЦОВОЙ ШАШКИ ИЗ НИЗКОСОРТНОЙ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.01 -Технология и машины лесного хозяйства тг лесозаго-

товок.

05.21.05 -Технология и оборудование деревообрабатывающих

производств; древесиноведение.

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2000 год

Работа выполнена на кафедре технологии лесозаготовительных производств в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова.

Научный руководитель: Засл. Деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, академик РАЕН,

ПАТЖИНВ.И.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор,

ШЕГЕЛЬМАН И.Р.

Кандидат технических наук,

БЕЛОНОГОВ А Н.А.

Ведущая организация: АО «Лесинвест».

Защита диссертации состоится «28» декабря 2000годав« » часов на заседа-1ши диссертациотюго Совета Д. 063.50.01 в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им. С.М. Кирова (194021 Санкт-Петербург, Институтский пер. 5, Главное здание , зал заседаний).

С д иссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан « »_2000 года.

Ученный секретарь

диссертационного Совета Анисимов Г.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

В процессе лесозаготовительной деятельности предприятий неизбежно образуются отходы лесозаготовок и лесоводства. Эти отходы являются дополнительным вторичным сырьем для переработки их на товары народного потребления. Кроме того, значительные объемы мягколиственной древесины не используются для переработки.

В современных экономических условиях одним из основных направлений совершенствования лесозаготовительного и лесообрабатывающего процесса должно стать комплексное использование биомассы дерева, чтобы каждый заготовленный объем ее был переработан на полезную продукцию. Однако отсутствие необходимых технологий и оборудования для организации производства в условиях лесозаготовительных предприятий, а также высокая доля транспортных расходов в производстве сдерживают решение этой задачи. Для решения возникающих проблем целесообразно на базе нижних складов лесообрабатывающих производств организовывать экологически чистые производства товаров народного потребления из отходов производства и низкосортной древесины хвойных и лиственных пород.

Тема диссертации направлена на решение указанных проблем и являются актуальной.

Цель работы.

Целью работы является совершенствование технологического процесса лесообрабатывающих производств низкосортной древесины и отходов лесозаготовок путем обоснованного применения способов сплошной пропитки (окрашивания) и уплотнения при производстве торцовой шашки.

Научная новизна.

Научной новизной обладают: математическая модель процесса электрокинетической пропитки (окрашивания) при производстве торцовой шашки из низкосортной и лиственной древесины; установленные закономерности и уравнения связи между факторами определяющими процесс подпитки электродов, обуславливающих течение жидкости для стабилизации процесса; использования способа однополярного и биполярного истечения жидкости для целей сплошной пропитки; методика расчета параметров процесса сплошной пропитки; способ формовагаы профильных изделий из древесины и устройство для его осуществления, на который получен патент.

Значимость для науки и техники.

Математическая модель и установленные закономерности процесса сплошной пропитки, а также способ уплотнения древесины расширяют и углубляют представления о процессах обработки древесины и вносят определенный вклад в науку о лесе.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты исследований позволяют широко использовать отходы лесозаготовок и мягко-лиственную древесину для получения материала с заданной плотностью и цветом.

Этот высококачественный материал может найти широкое применение в народном хозяйстве, как у пас, так и за рубежом.

Апробация работы.

Научные положения и результаты исследований докладывались и были одобрены на научно-технических конференциях в Санкт-Петербургской лесотехнической академии, на 4 Минском международном форуме по тепломассообмену в ММФ-2000. а также при выполнении работ по Гранту -99-3.8К-162 «Обоснование технологии и параметров

производства профилированных строительных изделий из низкокачественной древесины в 1999 г.».

Публикации.

По результатам выполненных исследований опубликовано 5 печатных работы и получен патент на способ и устройство.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель электрокинетической пропитки.

2. Установленные закономерности и уравнения связи между факторами, определяющими применение процессов обезвоживания для сплошной пропитки.

3. Способ уплотнения и формования профильных изделий.

4. Регрессионные зависимости между факторами, определяющими процесс.

5. Способы электрокинетической пропитки Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и заключения, списка литературы. Обнцп! объем 120 е., рисунков 30, таблиц 10. Список литературы содержит 85 наименований.

Пользуясь случаем, автор выносит благодарность за помощь п анализе аналитического решения процесса электрокинетической пропитки д. т. н., профессору Базарову С.М.

Содержание работы Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы ее цели, научная новизна, научная и практическая значимость, и основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрены состояние проблемы, объемы и выводы вторичного сырья, которые можно использовать для производства товаров народного потреблешм. Дан анализ существующих способов пропитки и формирования профильных изделий. Делается вывод о том, что для новой более эффективной технологии обработки древесины для производства товаров народного потребления целесообразно использовать электрокинетические процессы движения жидкости по древесине, как капилярно-пористому материалу. Отмечен приоритет ученых Санкт-Петербургской лесотехнической академии по направлению исследований диссертации, а также других ученных П.Н. Хухрянского, М.С. Мовнина, А.Б. Израилита, П.Н. Модина, Б.И. Огаркова, П.Н. Житкова, Л.И. Кондратова, В.И.Патякина, И.Р. Шегельмана, Г.М. Шутова, В.Ф. Петровца и др.

Закономерности движения жидкости через капиллярно-пористое тело исследовались в работах многих ученных: О.Н. Григорова, С.М. Базарова, К.П. Ти-хомоловой, Д.А. Фридрихсберга, А.И. Расева, П.А. Александрова, В.И.Патякина, JI.K. Александровой, H.A. Белоноговой и др. Отмечается, что, несмотря на значительное количество работ в этой области, механизм движения пропитывающей жидкости в древесине под действием различных сил еще недостаточно изучен.

Разработанный JITA и внедряемой технологический процесс производства торцового паркета из вершинной части ствола и тонкомерной древесины имеет ряд недостатков: необходимость калибровки торцовых шашек перед склеиванием; низкая производительность; отсутствие процесса окрашивания древесины, что сужает рынок потребления торцовой шашки.

Исходя го анализа состояния проблемы и путей совершенствования технологического процесса производства торцовых напольных и настенных покрытий, сформулированы следующие задачи исследования

1. Разработать математическую модель процесса электрокинетической пропитки с целыо окрашивания древесины.

2. Обосновать режимы пропитки.

3. Установить факторы определяющие интенсивность и полярность пропитки.

4. Разработать процесс формования профильных изделий и условия стабилизации формы.

5. Провести оценку экономической целесообразности и эффективности полученных результатов исследований.

Во втором разделе приведены теоретические исследования способа электрокинетической пропитки древесного материала.

Известно, что интенсивность и полярность движения жидкости через древесину определяется величиной и знаком £,-потенциала, а также материалом электродов.

Исследования, проведенные А.А. Власовым и Н.А. Крыловым, показали,что однополярное истечение жидкости происходило у катода, прианодная область высыхала, и процесс прекращался при высоком содержании влаги в образце.

Известно, что биполярное истечение жидкости обуславливается материалом анода, вызывающего изменение знака электрокинетического потенциала.

Знак электрокинетического потешщала может изменяться на противоположный при изменении в растворе концентрации потенциалопределяющих ионов или ионов, способных к сверхэквивалентной адсорбции. Следовательно, и биполярное истечение жидкости, обусловленное наличием двух электроос-мотичеекпх составляющих переноса, может наблюдаться при создании по

длине диафрагмы неравномерной концентрации именно таких ионов.

Кроме того, для случая создания биполярного истечения за счет образования двух электроосмотических составляющих переноса, обусловленного сверх эквивалентной адсорбцией иона во внешнюю обкладку двойного электрического слоя, материал электрода является полностью определяющим фактором для создания биполярного течения, так как сверх эквивалентно адсорбируемые ионы поступают в поровое пространство образца за счет процесса анодного растворения металла.

Движение жидкости в древесине определяется ее сложной пространственно-временной структурой. В ней следует выделять макроскопическую структуру, состоящую из сосудов и трахеит, и микроскопическую в форме межмецеллярных и межфибриллярных образований.

Структура строения древесины приводит к различному характеру движения жидкости в продольном, поперечном, а так же радиальном и тангенталь-ном направлениях.

Построение модели поровой структуры начинается с моделирования формы пор. В поперечном сечении поры древесины имеют форму, близкую как к кругу, так и прямоугольнику. Поэтому с позиции гидродинамики древесины следует решать задачи течения жидкости, как в круглых, так и плоских капиллярах.

В плоском капилляре слоистое течение жидкости при наличие электрического поля можно описать системой уравнений

Ы дх Бх ду2' ду др Р 1Х д2у

(1)

Р

-= -— +-+ //-

дг дх 8% ду"

(2)

где: р - плотность жидкости; [1 - вязкость; Р - давление; U, V - скорости вдоль прямоугольных координат X, у соответственно; t - время; рз - плотность заряда; / - сила тока; S - площадь сечения капилляра; % - удельная электропроводность жидкости.

Рассматриваемое движение жидкости можно разделить ira дна характерных режима: разгонное течение, которое возникает из состояния покоя при включении электрического поля и асимптотическое течение в форме «стула», когда осевая скорость равна скорости движения мокослоя, прилегающего к стенке капилляра.

При включении электрического поля разгонное течете будет описываться уравнениями:

dU 1 8Р d2U

-=---+ v —-, (3)

dt р дх ду

8V 1 дР d2U

-■ =---+ V——, (4)

dt р ду ду

где: V - кинематическая вязкость.

Здесь присутствие электрического поля будет представлено как граничное условие в форме движения монослоя жидкости, увлекающего за счет действия силы вязкости, в движение остальную жидкость.

Поставленная задача становится эквивалентной задаче: плоская покоящаяся стенка внезапно приводится в движение с постояшгой скоростью и необходимо выяснить, какое при этом возникает движение.

Выполнив операцию rotor, вместо уравнений (3), (4) получаем уравнение

где завихренность равна

10

дсо _ д2й)

зи дУ

О) =

ду дх

В рассматриваемых условиях справедливо неравенство

еи дУ

»

поэтому можно принять

ду дх ди

СО =

ду

(6)

(7)

(8)

Решение уравнения (5) построено при следующих начальных и граничных условиях:

^ < 0 ; СО = 0 для всех у; £>0; СО = 6У0;

СО — С00 при у = Ь/2,

(9)

где: /? - расстояние между стенками.

Решение уравнения (5) примет вид

/

Ю = —СОг

)ехр(-т|2)с1л

|ехр(-л2)с1л

(10)

Т] =

Лп

2л//~х7' Ь

(П)

Из (10) следует, что разгошюе течение будет описываться выражением

(12)

и = ие - 2л/у~Гшо

} ]ехр(-г|2)сМг| о о

Л

л„

(13)

¡ехр(ц2) V о

Для асимптотического режима течения характерно условие и = ие, поэтому время перехода к этому режиму можно описать формулой

)2 412;

Для определения скорости движения в ассимшотическом режиме по строено уравнение

V.

(14)

Рз1х 8г

¿2и + /л —- = 0.

Из уравнения Пуассона, связывающего плотность заряда с потенциалом электрического поля, следует

(15)

О 2

Рз =-vV

АП ^

где: Б - диэлектрическая проницаемость жидкости.

После подстановки (16) в (15) получаем уравнение

(16)

ГО б2(? й2и

Ц--Т- (П)

ау2 dy2

Общее решение имеет вид

,0Ф г/ \

и=—он)

где: С1 - постоянная, Г(х) - некоторая функция.

Из которого следует значение асимптотической скорости при электроосмотическом течении

ГО / V го с

п с (Ф1 -Ф01)ми Це = (20)

где:£,- потенциал

4 = Ф1-Ф01- (21>

Из формулы (14) следует, что для древесных капилляров размером от 10 ~8 до 10 "4 м время наступления асимптотического режима составляет от 10 ~8 до 10 ~4 с. Поэтому для расчета времени заполнения капилляра пропиточной жидкостью можно воспользоваться формулой

^ =-= -(22)

пр ие ГО£,

Уравнения течения жидкости при электроосмосе в поровом пространстве записаны в виде

ди ди ди . д¥

и--ьу--\-м?— = -и + к —, (23)

ЭХ ЭУ дг ЭХ

д¥ дУ д¥ 1 дГ

и-+ У--\-м>-= -и + к -, (24)

ЭХ ЭУ дг ЭУ

дм дн> дю , дУ

и——Ь V-+ IV— = -IV + к -. (25)

дХ ду дг дг

Для слоистых течений уравнения (23, 24,25) переходит в

т дУ 7 дУ гдУ

и = к -, (26) V = к -, (27) м> = к -, (28)

дХ дУ дг

здесь к - коэффициент электроосмоса к=(1+кэу)кэ\

кэ - коэффициент однополярного электроосмоса; кэу - коэффищ!епт биполярного электроосмоса; V — напряжение электрического поля. При одномерном течении

. ¿V гл . „ ¿V

и -к -= (1 + к )К —, (29)

сГХ э с1Х

учитьшая, что

(IV

= Е, (зо)

¿/X

где Е - напряжённость электрического поля, уравнение (29) принимает вид уравнения Гельмгольца-Смолуховского

и = к Е = {\ + кэу)коЕ. (31)

В совмещённом пьезо-электроосмотическом поле уравнение движения жидкости в древесине примет вид

, с!У 7 ф

и = к--к, —, (32)

с!Хфус1

где кф - коэффициент фильтрации; Р — давление.

В третьем разделе описана методика проведения экспериментальных

исследований, дано описание установок для исследования процессов.

Для проведения экспериментальных исследований процессов элекгро-кинетической пропитки была разработана новая электрическая схема и создана установка.

Установлено, что с целью осуществления процессов электрокинетического течения жидкости необходимо плотное прилегание электродов к поверхностям образцов древесины. Для этого была разработана специальная механическая установка (рис. 1), которая содержала электроды, которые прижимались к поверхностям древесины. Между поверхностью древесины и электродами размешались специальные резиновые прокладки, куда заполнялась подпитывающая жидкость.

Рис.1. Схема экспериментальной установки для электрокинетической пропитки. Условные обозначения: 1- регулятор напряжения; 2-трансформатор; 3-выпрямитель; 4-вольтметр; 5-милиамперметр; 6-электроды; 7-сборник вытекающей жидкости; 8- образец древесины; 9-резшювая прокладка; 10-емкость с подпитывающей жидкостью.

Присутствие жидкости в области электрод-дерево увеличивало площадь контакта в результате заполнения капиляров.

Для биполярной пропитки древесины был разработан специальный бандаж (рис. 2), позволяющий подводить краситель в область, где в образце происходила изменение знака ^-потенциала (изоэлектрическая точка).

В качестве электродов использовались металлы Ш-1У группы периодической таблицы Д.И. Менделеева в виде пластин.

Условные обозначения: 1-специалышй бандаж; 2-корпус; 3-резиновая прокладка: 4-заготовка древесины; 5-электроды; 6-сливная емкость; 7-емкость истекающей жидкости; 8-емкость с пропитывающей жидкостью.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований по однополярной и биполярной пропитке образцов древесины различных пород в электростатическом поле.

Выполненные экспериментальные исследования по виду и цели работ делятся на этапы. Первый этап: исследования процесса однополярной пропитки; выбор материала электрода для организащш процесса однополярной про-

питки различных породах древесины; исследование факторов, определяющих процесс однополярной пропитки.

Второй этап: исследования процесса биполярной пропитки; исследования факторов, определяющих процесс биполярной пропитки; выбор материала электрода для организации процесса биполярной пропитки различных породах древесины; разработка методики расчета параметров биполярной пропитки.

Исследования проводились на образцах квадратного и прямоугольного сечения от 4*4 до 4*6см, длиной от 6 до 30см, а также на образцах круглого сечения длиной от 50 до 100см, диаметром d=5 - 18см.

Исследованы следующие породы древесины: сосна, ель, береза, и

осина.

При исследовании однополярной пропитки в качестве материала анода использовалась красная медь, а в качестве катода- олово, сплав карбида вольфрама с титаном.

Для исследования процесса биполярной пропитки использовались в качестве анода: титан, алюминий, олово, свинец. В качестве катода: алюминий, медь, нержавеющая сталь, титан, олово, углерод.

Данные статистического ряда вносились в ПЭВМ и при помощи таких прикладных программ, как Microsoft Excel 7.0, Statgraf 5.0, Statistica 5.0 и Mathcad 8.0 рассчитывались выравнивающие частоты и регрессионные уравнения.

Анализ результатов исследований показал следующее. При однопо-лярном течение жидкости, когда в качестве анода применяется медь, а в качестве катода олово, процесс быстро прекращается. Это происходит в результате обсушки прианодной области и ростам сопротивления высушенной среды (рис.3).

После прекращения процесса истечения жидкости распределение

влажности по длине образца было неравномерным (рис.4). Содержание жидкости по длине образца нарастало по направлению от анода к катоду.

При подпитке анодной части образца, течение жидкости по длине образца становится практически постоянным, а распределение влажности по длине-равномертшм. Причем величина электрического тока от времени практически не изменяется, процесс стабилизируется.

' . с

Рис. 3. Зависимость величины электрического тока I от времени ^ через диафрагму сосны (медный анод,оловянный катод): 1. - с подпнткпй;2 - бет подпитки

1 ./=-9/О'612+0,00971+244,13 2.1=-0,000212+0,16481+230,98

Скорость истечения жидкости практически постоянна и равняется 8*10"бм/с, при напряженности поля 15в/см.

В результате исследования были установлены следующие значения коэффициента электроосмоса для материала древесины различных пород.

Таблица 1

Порода древесины

„ Л{2 1 Л"? Ель Сосна Береза Осина

сек.в 3 24 96 84

Рис.4. Изменение влажности прианодной части образца (сосна) по длине: / - без подпитки; 2 - с подпиткой

1. \У=-4,08107/ +8,46107Ь5-6,4810614+2,1710313-2,86Н?12+1792,151+24,98

2. \¥=11,446Ь+76,55

В случае подпитки процесса биполярного истечения в область изо-электрической точки происходит биполярная пропитка (рис.5).

Рис. 5. Зависимость силы электрического тока, прошедшего через сосновый образец от времени (анод - сплав карбида вольфрама с титаном; катод - олово): 1- биполярная пропитка; 2 - биполярное обезвоживание

1. 1^0,1 ] + 10'51+4ИГа1^610',213

При этом истечения жидкости, увлекаемой ионами, происходит на оба электрода, плотность и сила тока растут по времени.

Процесс истечения жидкости в основном зависит от материала анода. Кроме того, установлено, что расположение металлов по их эффективности при пропитке сохраняется, как и при обезвоживашш. Однако коэффициенты эффективности по величине меняются, так для березы Кэ=0,7-0,8 при титане, Кэ=0,2-0,3 при олове, Кэ=0,65 при алюминии

В пятом разделе разработана технологическая схема организации производства пропигагаюй и уплотненной торцовой шашки из древесины предлагаемым способом.

Настоящий технологический процесс является базовым и может быть откорректирован в случае использования иной конфигурации производимой продукции и с другими геометрическими размерами.

Рис.6. Устройство для формовашм профильных изделий из древесины. Условные обозначения: 1-матрица; 2-платформа центрифуги; 3-пуансон; 4-вкладыш; 5-заготовка; 6-крышка; 7-рукоятка; 8-фасопные ребра; 9-выступ пуансона; 10; 12-фиксирующие вилки; 11-технологические прорези;

Процесс изготовления торцовой шашки включает этапы: первичный раскрой сырья на заготовки; пропитка заготовок пропитывающей жидкостью в электростатическом поле; формование и термообработка полуфабрикатов.

В этом же разделе дано экономическое обоснование выбора пропитки в электрическом поле, способа формования профильных изделий из древесины и устройство для его осуществления (рис.6.)

Заключепие

Выполненные теоретические разработки и экспериментальные проверки пропитки, уплотнения древесины позволили получить следующие результаты.

1. Математическую модель, позволяющую установить закономерности

однополярной и биполярной пропитки.

2. Характер пропитки порового пространства древесины при наложении

постоянного электрического поля в существенной степени определяется выбором металла электрода, применяемого в качестве анода.

3. При применении ряда материалов в качестве анода (титан, олово, алю-

миний, свинец) т. е., маталлов Ш-1У группы таблицы И.Д.Менделеева имеет место биполярное истечение.

4. При применении в качестве анода меди, а в качестве катода, например

олово, отмечается однополярное истечение.

5. В случае подпитки анода, влажность древесины по длине образца ста-

новится практически постоянной, а истечения через катод свидетельствует о сквозной пропитке материала древесины.

6. Величина силы тока от времени практически не изменяется и процесс

стабилизируется, при этом пропитка происходит практически с постоянной скоростью, равной 8*10"6м/с.

7. Результаты исследования позволили разработать методику расчета од-

нонолярной и биполярной пропитки.

8. Установлено, что в случае подпитки процесса биполярного истечения

путем установки бандажа в область изоэлектрической точки (ИЭТ) происходит биполярная пропитка. При этом истечение жидкости, увлекаемой ионами, происходит на оба электрода.

9. Разработаны режимы однополярной и биполярной электрохашетической

пропитки: время пропитки, напряженность электрического поля, плотность тока, продолжительность токопрохождеиия.

10. Экспериментальные исследования показали что разработанная математическая модель адекватно отражает основной характер электроосмотической пропитки.

11. Разработана технология уплотнения пропитанной древесины.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сугаипов У.У., Патякин В.И., Бирман А.Р. Патент, приоритет №96119108 от 24.09.1996г.

2. В.И.Патякин, С.М Базаров, С.В Авдашкевич., У.У Сугаипов. Электроосмос в капиллярно-пористых телах / IV Минский международный форум. Тепломассообмен ММФ-2000. 22-26 мая 2000г. Сборник докладов. Минск 2000. Т. 8

3. V.I.Patjakin, S.M.Bazarov, S.V.Avdashkevitch, U.U.Sugaipov. Efficiency of electrokinetic phenomena application in technological processes of timber dehydration / Forest sectjr development problems/ Extended Abstracts. Petrozavodsk, 1998.

4. S.V.Avdashkevitch, A.V.Gramaticov, U.U.Sugaipov, V.I.Patjakin. Ecologically save and resources saving technologies in forest industrial cjmplex / The 3rd International Youth Environmental Forum of Baltic Countries ECOBALTICA 2000. 26-30 June 2000. Abstracts Book St. Petersburg. 2000.

5. У.У.Сугаипов, С.М.Базаров. К обоснованию технологии процессов обезвоживания и пропитки лесоматериалов в силовом электрическом поле / Устойчивое развитие региона: лесопромышленный комплекс: Тезисы докладов республиканской научно-практической конференции. Петрозаводск КарНИИЛП 2000г. с.42.

6. У.У.Сугаипов. Математическая модель электроо'смоса в древесной среде / Научные методические проблемы лесопромышленного комплекса: сб. науч. трудов // КарНИИЛП: Петрозаводск. 2000г.стр.23-28.

Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д.063.50.01. или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Лесотехническая академия, Ученый Совет.

Лицензия ЛР № 020578 от 04.07.97.

Подписано в печать с оригинал-макета 24.11.2000. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд.л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 342. С31а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-полиграфический отдел СПбЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Ресурсы отходов лесозаготовок и направление переработки

1.2. Анализ способов переработки низкокачественной древесины

1.3. Анализ отечественной и зарубежной литературы по способам обезвоживания и пропитки древесины

1.4. ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБЕЗВОЖИВАНИЮ

И ПРОПИТКЕ ПАРКЕТНОЙ ЗАГОТОВКИ

2.1. Факторы, определяющие процессы обезвоживания древесины

2.2. Закономерности электрокинетического обезвоживания и пропитки древесины

2.3. Физико-химические основы процессов биполярного обезвоживания

2.4. Математическая модель электроосмоса в древесине.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 62 3.1. Описание существующих экспериментальных установок для исследования процессов | 3.2. Разработка новых экспериментальных установок 3.3. Разработка методики экспериментальных исследований

3.4. Апробация методики экспериментальных исследований

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Установления напряженности тока.

4.2 Методика расчёта однополярной электроосмотической пропитки

4.3 Экспериментальное исследования биполярного электроосмоса 80 4.4. Методика расчёта биполярной электроосмотической пропитки 89 Выводы

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХ11ИКО-Э КОЛ ОМ И Ч ЕСКИ Е

ПОКАЗАТЕЛИ ВИЕДРЕЖШ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

ТОРЦОВОГО ПАРКЕ IА ИЗ ОТХОДОВ ЛЕСОЗАГОТОВОК

5.1 Технологическая схема процесса

5.1.1 Первичный раскрой сырья из заготовок кратной длины

5.1.2 Изготовление цилиндрических заготовок

5.1.3 Технологический процесс электроосмотнческой нронитки цилиндрических заготовок

5.1.4 Формование и термообработка горновых шашек

5.2 Методика расчёта режимов производства горновой шашки

5.3.Разрабогка бизнес плана для организации производства

5.3.1. Идеология бизнеса

5.3.2. Характеристика товара

5.3.3. Рынок сбыта 109 5.3.4.0сноннме конкуренты, анализ конкурентоспособности проекта

5.3.5. Установка для формования торцовой шашки из сырой древесины

5.3.6. Риск проекта

Актуальность темы.

В процессе лесозаготовительной деятельности предприятий неизбежно образуются отходы лесозаготовок и лесоводства. Эти отходы являются дополнительным вторичным сырьем для переработки их на товары народного потребления. Кроме того, значительные объемы мягколиственной древесины не используются для переработки.

В современных экономических условиях одним из основных направлений совершенствования лесозаготовительного и лесообрабатывающего процесса должно стать комплексное использование биомассы дерева, чтобы каждый заготовленный объем ее был переработан на полезную продукцию.

Однако отсутствие необходимых технологий и оборудования для организации производства в условиях лесозаготовительных предприятий, а также высокая доля транспортных расходов в производстве сдерживают решение этой задачи.

Для решения возникающих проблем целесообразно на базе нижних складов лесообрабатывающих производств организовывать экологически чистые производства товаров народного потребления из отходов производства и низкосортной древесины хвойных и лиственных пород.

Тема диссертации направлена на решение указанных проблем и является актуальной.

Цель работы.

Целью работы является совершенствование технологического процесса лесообрабатывающих производств низкосортной древесины и отходов лесозаготовок путем обоснованного применения способов сплошной пропитки (окрашивания) и уплотнения при производстве торцовой шашки.

Научная новизна.

Научной новизной обладают: математическая модель процесса электрокинетической пропитки (окрашивания) при производстве торцовой шашки из низкосортной и лиственной древесины; установленные закономерности и уравнения связи между факторами определяющими процесс подпитки электродов, обуславливающих течение жидкости для стабилизации процесса; использования способа однополярного и биполярного истечения жидкости для целей сплошной пропитки; методика расчета параметров процесса сплошной пропитки; способ формования профильных изделий из древесины и устройство для его осуществления, на который получен патент.

Значимость для науки и техники.

Математическая модель и установленные закономерности процесса сплошной пропитки, а также способ уплотнения древесины расширяют и углубляют представления о процессах обработки древесины и вносят определенный вклад в науку о лесе.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты исследований позволяют широко использовать отходы лесозаготовок и мягко-лиственную древесину для получения материала с заданной плотностью и цветом.

Этот высококачественный материал может найти широкое применение в народном хозяйстве, как у нас, так и за рубежом.

7. Результаты исследования позволили разработать методику расчета одно-полярной и биполярной пропитки.

8. Установлено, что в случае подпитки процесса биполярного истечения путем установки бандажа в область изоэлектрической точки (ИЭТ) происходит биполярная пропитка. При этом истечение жидкости, увлекаемой ионами, происходит на оба электрода.

9. Разработаны режимы однополярной и биполярной электрокинетической пропитки; время пропитки, напряженность электрического поля, плотность тока, продолжительность токопрохождения.

10.Экспериментальные исследования показали, что разработанная математическая модель адекватно отражает основной характер электроосмогиче-ской пропитки.

11.Разработана технология уплотнения пропитанной древесины.

Совершенствованный технологический процесс пропитки (окрашивания) и формования низкосортной древесины может найти практическое применение в деревообрабатывающей промышленности. На его основе могут быть разработаны новые прогрессивные технологические процессы.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлены условия возникновения однополярной и биполярной электроосмотической пропитки (окрашивания) капиллярно-порового пространства древесины, предложен механизм этого явления и установлены его основные закономерности.

Установленные закономерности позволяют в каждом конкретном случае применения электроосмоса для пропитки древесины, определить исходные технические параметры для проектирования необходимого оборудования.

6. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Выполненные теоретические разработки и экспериментальные проверки пропитки, уплотнения древесины позволили получить следующие результаты.

1. Математическую модель, позволяющую установить закономерности од-нополярной и биполярной пропитки.

2. Характер пропитки порового пространства древесины при наложении постоянного электрического поля в существенной степени определяется выбором металла электрода, применяемого в качестве анода.

3. При применении ряда материалов в качестве анода (титан, олово, алюминий, свинец) т. е., маталлов Ш-1У группы таблицы И.Д.Менделеева имеет место биполярное истечение.

4. При применении в качестве анода меди, а в качестве катода, например олово, отмечается однополярное истечение.

5. В случае подпитки анода, влажность древесины по длине образца становится практически постоянной, а истечения через катод свидетельствует о сквозной пропитке материала древесины.

6. Величина силы тока от времени практически не изменяется и процесс стабилизируется, при этом пропитка происходит практически с постоянной скоростью, равной 8*Ш 6м/с.

1. Никинов В.Д. Комплексное использование древесины. М. Лесная промышленность, 1985, 264 с.

2. Комплексное использование древесины при рубках ухода М, Лесная промышленность 1976, 88 с.

3. Матвейко А.П. и др. Пути и эффективность использования древес-но-кустарниковой растительности, свозимой на объектах мелиорации. Минск, БелНИИНТИ, 1978, 66 с.

4. Коробов В.В. Рушнов Н.П. Переработка низкокачественного сырья. Проблемы безотходной технологии. М., Экология, 1991.

5. Ельков В.В. Рациональное использование мелкотоварной древесины для производства втулок и паркета. В кн.: Рациональное и комплексное использование древесины в деревообрабатывающей промышленности, Миск, 1974.

6. Зудина М.В. Использование мягколиственной древесины в паркетном производстве. Реферативная информация. «Экономика и управление», N0 7, 1978.

7. Исследование методов получения и внедрения в производство реечного и щитового паркета из уплотненной древесины мягких лиственных пород.

8. Отчет по НИР ЛТА им. С.М. Кирова. Тема No государственной регистрации 71013867, Л., 1968.

9. Исследование применения малоценных пород древесины для производства паркета. Отчет по НИР ЛТА им. С.М. Кирова. Тема No 1550, No государственной регистрации 66042 598, Л., 1967.

10. Кожевников И.П. Направление использования лиственной древесины в производстве паркетных изделий. «Механическая обработка древесины», No 9, 1979.

11. Разработка технологии производства изделий из древесины мягких лиственных пород со свойствами ценных пород дерева, Тема No 22 (постановление Госкомитета по науке и технике No 226 от 11. 07. 1968), ЛТА, 1968.

12. Цотадзе Г.Л. Производство фрезы из тонкомерного ольхового сырья. Республиканский межвузовский сборник, «Механическая обработка древесины», БТИ, Минск, No 15, 1985.

13. Чантурия Г.Н. Применение тонкомерной ольхи для производства ольхи. «Деревообрабатывающая промышленность», N0 2, 1985.

14. Шамаев В.А. Модификация древесины. Экология, М., 1991.

15. Информация. Полы из деревянных шашек применяемые в строительстве. Нормы ФРГ. BaunmitHolz, No 1, 1974.

16. Информация. Торцовые деревянные полы (ФРГ) Baumeister, No 3,1975.

17. Информация. Полы из деревянных торцовых шашек (ФРГ). Zentrab-latt für industrielan, No 3, 1975.

18. Применение торцового паркета в ВНР. Реферативнаяинформация. «Механическая обработка древесины», No 9, 1987.

19. Винник Н.В. Технология изделий из древесины, основы технологии уплотнения древесины, ЛТА им. С.М. Кирова, Л., 1974.

20. Калиныш А.И. и др. Пластификация древесины с предварительной обработкой аммиаком. «Деревообрабатывающей промышленность», No 5, 1964.

21. Корыстин JI.H. и др. Производство деталей из прессованной древесины в боровичском леспромхозе. ЦБТИ бумажной и деревообрабатывающей промышленности, М., 1966.

22. Мовнин М.С. Винник Н.И., Смоляков А.И. Влияние влажности, плотности и нагрузки на касательные напряжения при трении прессованной древесины по металлу. Лесной журнал, No 3, 1971.

23. Нысенко П.Г., Генель С.В. Пластификация цельной древесины, МЛ., Гослесбумиздат, 1958.

24. Хухрянский П.Н. Прессование древесины, Лесная промышленность, М., 1964.

25. Ващев Н.В. Технология изделий из древесины, Основы технологии уплотнения древесины , ЛТА им. С.М. Кирова, Л., 1974.

26. Model К Vorrichtung zur mecanischen Härtung von Holzwalzen für Makdeln und Kalander. Deutsches Reich Patentschrift, No 64289, 8. 09. 1892.

27. Auspitzer A.J. Verfahren zur Veredelung von Holz. Deutsches Reich Patentschrift, No 441504, 3. 03. 1927.

28. Egner K. Ans den heutigenu Emeuntmesseu, uher Holz vergutung. Chem Zeitung No 69, 1936.

29. Egner K. Neuche Emeuntmesseu, uher die vergutung der Hol-zeigeuschafteu Mittel de Fachanschusses für Holz ragen. Chem zeitung No 18, 1937.

30. Galtier J. Procede de traitement, par mecanigue de bois, har exemple, par laminage. Revue du bois et de ses Applicftions, Volume V., No 1, 1950.

31. Хухрянский П.Н. и др. Контурное прессование древесины методом удара. Реферативная информация «Мебель и деревообработка», No 25, 1965.

32. Хухрянский П.Н. Контурное прессование древесины методом удара. «Лесоэксплуатация и лесное хозяйство» No 31, 1965.

33. Огарков Б.И., Кривельский В.Н. Способ прессования заготовок древесины круглой формы с большой начальной влажностью. «Деревообрабатывающая промышленность», No 2, 1962.

34. Огарков Б.И. Прессованная древесина в народном хозяйстве. Сб. материалов, М., 1964.

35. Модин М.С., Ермолович А.Г. Исследование метода непрерывного уплотнения древесины. Лесной журнал, No 3, 1971.

36. Модин H.A. Радиальное прессованияе сплошных цилиндров из древесины. Межвузовский сб. научных трудов: «Технология и оборудование деревообрабатывающих производств», ЛТА hnI. С.М. Кирова, вып. 6, Л., 1977.

37. Бойцов П.В. Влияние скорости уплотнения на прессование цельной древесины радиальным методом. «Комплексное использование древесного сырья и внедрение безотходной технологии в лесной и деревообрабатывающей промышленности». Ивано-Франковск, 1985.

38. Житков П.Н. Определение усилий при контурном прессовании древесины. Записки Воронежского с.-х. Института, Том 22, 1949.

39. Кондратов Л.И. Определение усилий при прессовании древесины по замкнутому круговому контуру. Записки Воронежского с.-х. Института. Том 25, вып. 1, 1954.

40. Кондратов Л.И. Прессование длинных деревянных стержней по замкнутому круговому контуру. Деревообрабатывающая промышленность, No 11, 1956.

41. Курбатов Б.В. Экспериментальные исследования распирающих усилий и коэффициентов трения при контурном прессовании древесины. Материалы научно-технической конференции МТД ЛТА им. С.М. Кирова, Л., 1971.

42. Курбатов Б.В. Определение распирающих усилий при контурном прессовании древесины. Материалы научно-технической конференции МТД ЛТА им. С.М. Кирова, Л., 1971.

43. Романовский С.Г. Процессы термической обработки и сушки в электромагнитных установках. В кн.: Наука и техника, 1969, 345 с.

44. Кречетов И.В. Сушка древесины. М., Лесная промышленность 1972,440 с.

45. Глуханов Н.П. Федорова И. Г. Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов в машиностроении. Л., Машиностроение 1972, 160 с.

46. Соколов П.В. Сушка древесины. М., Лесная промышленность, 1968,280 с.

47. Jacobsen Н. Holz als Roh-und Werkstoff Bd. 1954, p35.

48. Крумля. Влияние центробежной силы на влажность древесины ЦБТИ, М. Гослесбумиздат, 1960.

49. Расев А.И. Об эффективности механических способов обезвоживания древесины. В кн. Сушка древесины. ЦНИИМОД, 1969, с. 218-296.

50. Григоров О.Н. Электрокинетические явления. Л., изд. ЛГУ им. A.A. Жданова, 1973. 84 с.

51. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. М., "Химия", 1974.352 с.

52. Власов A.A., Крылов H.A. Электроосмотическая сушка древесины. "Коллоидный журнал", 1937, №3, с. 18-22.

53. Александров П.А., Механизм биполярного течения жидкости. В кн.: Новое в технике и технологии лесосплава. Под ред. В.И. Патякина. Л., ЛДНТП, 1976, с. 38-40.

54. Разработать и внедрить новую технологию и оборудование для подготовки к сплаву круглых лесоматериалов, обеспечивающие ликвидацию потерь от утопа и сохранение качества древесины. Научно-исследовательский отчет ЦНИИ лесосплава. Л., 1975. 442 с.

55. Тихомолова К.Г1., Патякин В.И., Левит А.Б., Александров П.А. и др. Журнал прикладной химии. Л., "Наука", т. X IX, вып. 12, 1976, 2705 с.

56. Базаров И.П. Термодинамика. М., ГИФМЛ, 1961, 292 с.

57. Кочин Н.Е., Кибель H.A., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика, ч. 1. М., ГИФМЛ, 1963, 583 с.

58. Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. Изд. АН СССР, 1962,712 с.

59. Meier Н/ Svenst Pappers Tidn. 61,1958, 43 s.

60. Юрьев В.И., Позин С.С., Скурихина Г.М. Л., Тр. ЛТА им. Кирова, вып. 91, 11, 1960.

61. Фридрихсберг Д.А. Курс колоидной химии. Л.,"Химия", 1974, 350с.

62. Власов A.A., Крылов H.A. Электроосмотическая осушка древесины. Коллоидный журн. №3 1937, -с. 34-37.

63. Тихомолова К.П., Левит А.Б., Патякин В.И. и др. Изучение роли перерывов в наложении электрического поля при электрокинетическом обезвоживании древесины. Журн. прикладная химия. №9 1977, с. 2076-2079.

64. Александров H.A. Электрокинетический способ обезвоживания капиллярно-пористых тел (древесины): Дис. к. х. н. Л., 1977, 181 с.

65. Де-Грост С.Р. Термодинамика необратимых процессов. М., Гостехиздат., 1956, 280 с.

66. Скорчелетти В.В. Курс теоретической электрохимии. Л., Химия, 1974, 567 с.

67. Никитин В.M. Химия древесины и целюлозы. Второе издание. М., Л., ЛГУ, 1973, 199 с.

68. Шишканова Л.А., Тихомолова К.П. Исследование закономерностей течения жидкости при наложении электрического поля с различным по знаку дзета потенциалом слоев. Вестн. №4 ЛГУ, 1979, с. 88-92.

69. Шишканова Л.А. Влияние неоднородностей в электроповерхностных свойствах и структуре порового пространства на закономерности электроосмотического течения, не осложненного поляризационными явлениями: Дисс. к. х. н.,Л„ 1979,214 с.

70. Wiese G.R., Hefly T.W. Adsorption of Al(|||) at the Fi02-H20 interface. I/ Colloid dnt. Sci., 1975, vol/51, №3, p. 434-442.

71. Matijevic E. Fhe rôle of complexity in the formation of colloid. I. Of Colloid dnt. Sci., 1977, vol. 58, №2, p. 374-389.

72. Чернобережский 10.M., Быкова Н.И., Янклович A.И. Изучение процесса гидролиза и полимеризации ионов алюминия методом коагуляции. Термодинамика и структура гидрокомплексов в растворах. Л., 1983, с. 152-157.

73. Александрова Л.Н. Кинетика установления равновесного состояния ДЭС в системах кварц-кислые растворы А1С13 и влияние на него внешнего электрического поля: Автореферат дисс. к. х. н. Л., 1985, 13 с.

74. Тихомолова К.П., Александрова Л.К. Модель специфической адсорбции А1 на кварце в аспекте химии комплексных соединений. Колоидный журнал №1 1988, с. 100-107.

75. Юрьев В. И. Исследование обменно-адсорбционных и электрокинетических свойств технических и целлюлозных материалов и их значение в целлюлозно-бумажной промышленности: Дисс. доктора хим. наук., Пт. Л., 1962, 549 с.

76. Чижов Г.И. Влияние солей алюминия на прогностные свойства бумаги: Дисс. к. т. н. Л., 1971, 145 с.