автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение эффективности использования тонкомерной мягколиственной древесины путем обоснования технологии центробежного обезвоживания и пропитки

На правах рукописи

Костин Иван Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОНКОМЕРНОЙ МЯГКОЛИСТВЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ ПУТЕМ ОБОСНОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И ПРОПИТКИ

05.21.01 — Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

Архангельск - 2011

005005264

На правах рукописи

Костин Иван Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОНКОМЕРНОЙ МЯГКОЛИСТВЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ ПУТЕМ ОБОСНОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И ПРОПИТКИ

05.21.01 — Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск - 2011

Работа выполнена на кафедре технологии лесозаготовительных производств Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета имени С. М. Кирова

Научный руководитель: доктор технических наук, заслуженный

деятель науки и техники РФ, профессор Патякин Василии Иванович кандидат технических наук, доцент Земцовский Алексей Екимович

доктор технических наук, профессор Минаев Александр Николаевич

Кандидат технических наук, доцент Рымашевский Вячеслав Ларгиевич

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Братский Государственный университет»

Защита диссертации состоится 22 декабря 2011 г. в 13 часов на заседании диссертационного Совета 212.008.01 в Северном (Арктическом) федеральном университете по адресу: 163002, Архангельск, набережная Северной Двины 17, главный корпус, ауд. 1220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «21» ноября 2011 г.

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Ученый секретарь диссертационного Совета

А.Е. Земцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из направлений развития лесной отрасли является комплексное и эффективное освоение каждого кубометра сырья путем внедрения наиболее эффективных процессов обработки древесины с целью получения конкурентоспособной продукции.

Повышение эффективности процессов обработки и вовлечение ма-лоиспользуемой древесины приобретает большое значение, это требует поиска новых технических и технологических решений в области использования тонкомерной мягколиственной древесины (ТМЛД).

Под тонкомерной древесиной понимают древесину, диаметр которой не превышает 13 см (в верхнем торце от 4 до 13 см включительно). Основную массу тонкомерной древесины представляют молодая древесина рубок ухода и лесосечные отходы, главным образом хвойно-лиственных пород. Подсчитано, что в европейской части РФ ежегодно можно заготавливать 20 млн. м3 тонкомерной древесины от рубок ухода. Количество же лесосечных отходов, оставляемых на вырубках в виде недорубок и отходов лесозаготовок, которые также необходимо заготавливать, составляет значительно большую цифру — почти 100 млн. м3 древесины.

К мягколиственным породам деревьев относятся: осина, ольха, берёза, тополь, ива, липа.

Применение различных способов пропитки открывает широкую возможность для комплексного подхода использования древесного сырья. Эффективная защита древесины от воздействия различных разрушающих факторов является - насыщение (пропитка) различными жидкостями, например, синтетическими и органическими полимерами. Применение новых технологических процессов с использованием тонкомерных лиственных пород и низкосортной древесины в ближайшее время создаст серьезную конкуренцию в значительной мере для хвойных пород.

Перспективной обработкой ТМЛД являются механические способы обезвоживания и пропитки материалов. Применение центробежного способа обезвоживания стало возможным только после того, как группой ученых во главе с заслуженным деятелям науки и техники Р.Ф., д.т.н. В.И. Патякиным, к.т.н. В.И. Шаплыко, Э.П. Полесским было создано, конструктивное решение самобалансирующейся центрифуги, не имеющей аналогов в отечественной и зарубежной практике.

Цель работы. Повышение эффективности использования тонкомерной древесины путем обоснования технологии центробежного обезвоживания и пропитки.

Объекты исследований. Тонкомерная мягколиственная древесина основных лесорастительных пород - осина, ольха.

Предмет исследования. Процесс обезвоживания и пропитки ТМЛД.

Значимость для теории и практики. Разработанная и исследованная математическая модель обезвоживания и пропитки тонкомерной древесины мягколиственных пород, позволяющая прогнозировать основные показатели процесса, углубляет теорию движения жидкости в поровом пространстве древесины.

Созданная экспериментальная установка центробежного типа для обезвоживания и пропитки древесины различных пород, позволяет получать - закономерности распределения влаги по длине обезвоженного или пропитанного образца; закономерности обезвоживания, определяемые комплексным показателем - фактором обезвоживания, объединяющим размеры заготовки и угловую скорость вращения; закономерности пропитки - состав и количество применяемой жидкости, ее вязкость, фактор разделения и другие свойства. Конструктивные особенности экспериментальной установки позволяют осуществлять процесс обезвоживания и пропитки одновременно.

Модернизированная технология производства продукции из ТМЛД позволяет существенно повысить эффективность использования в условиях лесопромышленных предприятий, а также качество получаемой продукции.

На защиту выносятся следующие положения:

1. математическая модель обезвоживания и пропитки тонкомерной мягколиственной древесины.

2. закономерности распределения влаги по длине обезвоженного образца и закономерности влияния пропиточной жидкости на заготовку;

3. конструкция экспериментальной установки центробежного типа для обезвоживания и пропитки древесины различных пород.

4. модернизированная технология и состав производств продукции тонкомерной мягколиственной древесины различными пропитывающими жидкостями.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: подтверждается адекватностью математической модели обезвоживания и пропитки, и проведением экспериментальных исследований в лабораторных условиях за счет хорошей сходимости экспериментальных и теоретических дашгых.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались, и получили одобрения на заседаниях кафедры ТОЖ ПетрГУ и ТЛЗП СПбГЛТУ, на второй международной научно-практической Интернет конференции «Леса России в XXI веке» (СПб, 2010 г.) и конференциях профессорско-преподавательского состава Петр-ГУ 2008-2011 и СПбГЛТУ в 2011 годах. Центробежная установка проверена на патентную чистоту, получен патент РФ № 106732 от 20.07.2011 года,

а также получено положительное решение на способ для сушки древесины № 2011139653 от 30.09.2011 г.

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 8 печатных работ, а также имеется 2 статьи принятые к печати. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объем работы 141 с. Диссертационная работа содержит 40 рисунков, 35 таблиц (включая 22 таблицы приложений). Список литературы содержит 100 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, обоснована научная новизна, отмечена значимость результатов исследований для теория и практики.

Первый раздел. Состояние вопроса и задачи исследования. Рассмотрено состояние использования процессов обезвоживания и пропитки тонкомерной мягколиственной древесины, дана характеристика проблемы рационального использования тонкомерной древесины, а также отходов лесозаготовок, по результатам анализа литературных источников сформулированы задачи исследования.

Одним из актуальных направлений развития лесной отрасли является создание новых технологических процессов обезвоживания и пропитки, а также возможного модифицирования с целью повышения ее качественных и потребительских свойств. Большое внимание сконцентрировано на решении важных вопросов, таких как разработка и внедрение новых технических и технологических решений повышающих эффективность процессов обработки древесин лиственных пород, за счет обезвоживания и пропитки.

Большой вклад в развитие науки, теоретические и практические исследования, эксперименты, технические и технологические задачи и процессы сушки, обезвоживания и пропитки внесли их работы отечественные ученые В.И. Патякин, П.С. Серговский, И.В. Кречетов, H.A. Оснач, С.М Базаров, А.К. Редькин, Б.Н. Уголев, А.И Расев, В.И. Соколов, А.И Мига-чев, В .И. Марков, В.А. Баженов, В.А. Шамаев, O.A. Куницкая, Б.С. Чуди-нов, В.П. Кожин и другие ученые МГУЛ, СПбГЛТУ, ВГЛТА, УГЛТУ, ПетрГУ, САФУ, БрГУ, ЦМИИМЭ и другие.

Анализ работ показал, что в настоящее время процессы обезвоживания и пропитки в полях центробежных сил считаются эффективными и экономически выгодными, что подтверждают работы отечественных ученых. Однако к настоящему времени не разработана модель движения жидкости в поровом пространстве древесины при центробежном обезвоживании и пропитке древесины мягколиственных пород.

На основании анализа сформулированы выводы и следующие задачи исследования:

• провести теоретический анализ и экспериментальные исследования параметров и показателей тонкомерной мягколиственной древесины;

• разработать модель движения жидкости в поровом пространстве древесины при центробежном обезвоживании и пропитке древесины мягколиственных пород;

• экспериментальным путем проверить адекватность модели движения жидкости в поровом пространстве древесины мягколиственных пород;

• исследовать процесс центробежного обезвоживания и пропитки тонкомерной мягколиственной древесины с жидкостями различными физико-механическими свойствами;

• обосновать технологию и состав оборудования для эффективного использования тонкомерной мягколиственной древесины включения операции обезвоживания и пропитки.

Во втором разделе изложены теоретические основы физической механики древесины и гидродинамики древесных капилляров: движения жидкости в поровом пространстве древесины при центробежном обезвоживании и пропитке. Рассмотрена математическая модель движения жидкости в поровом пространстве ТМЛД, описана кинетика центробежной пропитки с целью ее придания физико-механических и потребительских свойств.

Рассматривая древесину как систему эквивалентных капилляров, определим количество влаги удаляемой из образца в единицу времени

/14 0)

¿I -

где — скорость обезвоживания капилляра;

&>пр - площадь фильтрации;

/ - расстояние от оси вращения до центра мениска. Количество влаги, остающееся в образце и определяющее текущее значение плотности древесины равно

где

?=1Н ' • (3)

(4)

На основании решения уравнения обезвоживания, предложенного В.И. Патякиным, при определенных допущениях с оценкой степени погрешности получено выражение

Далее решение уравнения течения жидкости в капиллярах круглого сечения в стационарном поле получено значение максимальной скорости ни оси капилляра в виде

_«--1

Л 4м

Сравнивая выражения (5) и (6) видим, что они характеризуются одними и теми же параметрами и отличаются численным значением. Это дает основание в дальнейшем использовать уравнение (5) для составления уравнения снижения плотности древесины при обезвоживании.

Используя уравнения (2), (3), (5), а также имея в виду, что площадь живого сечения фильтрующего потока жидкости равна

л, Л^Т.'!' ПЛ

ржЯ ' . V)

& УАс

и выражая скорость изменения плотности — = -у, получим зависимость

С'; "Я-«. ^

или

ар (Яг

где

т-ц (8)

—М(9)

(10)

16р. к ' После интегрирования уравнения (9) и нахождения постоянных, получим уравнение

Ме» (12)

На основании уравнения при /—»со получено предельное значение плотности древесины при обезвоживании

Рг^Р^Р.-Р/Ц1-^' (13)

где рг - плотность древесины при гигроскопической влажности.

Кинетика центробежной пропитки ТМЛД. Построим решение задачи заполнения жидкостью капилляра, расположенного перпендикулярно направлению действия центробежных сил. Во вращающейся камере с пропиточным составом внешнее центробежное давление определяется зависимостью предложенной В.И. Патякиным

РА (Н)

где 05 — угловая скорость вращения;

гд'в - координаты полного заполнении камеры пропиточной жидкостью.

В дальнейшем примем хе=0.

При пуазейлевском законе заполнения дугового капилляра скорости пропитки будет равна

где 1/ш — максимальная скорость оси капилляра; ее можно определить из интегрального уравнения скорости

(16)

где 1} — динамическая вязкость жидкости; г - радиус капилляра.

С целью уточнения задачи, а также предполагая преимущественно свободный выход воздуха в процессе пропитки, и пренебрегаем влиянием давления защемленного воздуха будем строить решение в форме степенного закона

Учитывая это, а также исходя из уравнения (16) получаем следующее уравнение

(17)

в п

из которого показатель степени будет равен 2^=0^=—; а постоянная

■> 1 _ 1(0X1

СГ=~-, 1Ш1а=--рг. (18)

16 у

Тогда выражение для максимальной скорости заполнения капилляра примет следующий вид:

(19)

•V?

При этом пуазейлевский профиль скорости будет определяться уравнением

(20)

Теперь произведем оценку параметров: время заполнения капилляра и скорость поперечной пропитки при фильтрационном законе движения жидкости в древесине.

^Г— (21)

(22)

При этом общее время пропитки и скорость фильтра-

ционной пропитки в центробежном поле

В третьем разделе изложена методика и оборудование экспериментальных исследований обезвоживания и пропитки.

Было проведено планирование эксперимента с целью оптимизация количества опытов, после проведения, которых можно получить достовер-

ный результат и рекомендации для испытания в производственных условиях.

Отбор образцов для экспериментальных исследований проводился по следующей схеме: образцы изготовлены из свежесрубленной тонкомерной древесины мягколиственных пород вершин стволов деревьев диаметрами от 6 до 13 см в соответствии с ГОСТ 23827-79 «Сырье древесное тонкомерное. Технические условия» и ГОСТ 17462-84 «Продукция лесозаготовительной промышленности». В процессе раскряжевки заготовок был осуществлен поперечный, а также продольный и радиальный распилы сечений.

Испытуемые образцы согласно ГОСТ 17462-84 «Продукция лесозаготовительной промышленности» имели следующие размеры:

Рис. 1. - Испытуемые образцы древесины: а - ширина; Ь - глубина; с - длина; №1. 25x25x300; №2. 35x35x300; №3.

45x45x300; №4. 60x60x300; №5. 80x80x300 мм

Влажность заготовок перед центробежным обезвоживанием определялась весовым методом по ГОСТ 16588-71 а также с помощью прибора -электронного универсального влагомера марки МГ-4. Начальная влажность образцов составляла в пределах 75-95%. В настоящее время удаление влаги из древесины в подавляющем большинстве осуществляется путем испарения ее в сушильных камерах.

На предварительную сушку древесины в сушильных камерах затрачивается большое количество тепловой энергии при большой длительности процесса, что экономически невыгодно. Решение проблемы снижения энергоемкости и трудозатрат предварительной сушки древесины возможно с использованием метода обезвоживания в центробежном поле. Основными факторами, влияющими на процесс обезвоживания заготовок образцов, являются следующие;

а) управляемые факторы: радиус вращения контейнера с исследуемыми образцами; время вращения контейнера центрифуги; число оборотов ротора центрифуги;

б) неуправляемые (контролируемые) факторы: порода древесины; начальная влажность образцов;

Метод центробежного обезвоживания основан на вытеснении смачивающей жидкости из образца в поле центробежных сил.

Капиллярное равновесие обеспечивается равенством капиллярного давления и давления, центробежных сил, равного 4я2рп2№, где р - плотность жидкости; п - частота вращения ротора центрифуги; Я - средний радиус вращения; И - высота жидкости в образце.

Выходными параметрами, характеризующими процесс обезвоживания, являются: конечная влажность исследуемых образцов; конечная плотность исследуемых образцов;

Учитывая, конструктивные особенности установки, пропитывающая жидкость будет распределяться следующим образом, как показано на рис. 2. Пропитка производилась встречно-центробежным или обратным способом, который нашел в практике большее признание. При этом способе пропитки в центробежное поле помещается пропиточная емкость с пропитывающей жидкостью. В него загружают материал и начинают вращение, в результате чего создается гидростатическое давление. Под действием этого давления пропитывающая жидкость движется по капиллярам навстречу жидкости, удаляемой из него под действием центробежных сил. Вследствие градиента давления происходит встречное движение, т. е. вытеснение жидкости из капилляра и заполнение его пропитывающей жидкостью.

Глубина проникновения и концентрация пропиточной жидкости зависит от способа и цикла времени пропитки, состава пропиточного реагента, от породы древесины и ее начальной влажности.

Рис. 2. Схема обратного способа пропитки древесины: 1 - капилляр; 2 - емкость с пропитывающим составом; 3 - пропитывающая жидкость; 4 - древесина (образец); 5 - центрифуга; Рцп , Гцо - центробежная сила пропитки и обезвоживания; со - угловая скорость вращения; ха, хк - координаты заполнения камеры пропиточной жидкостью.

Для исследований процесса обезвоживания и пропитки древесины использовалась лабораторная установка, на которую получен патент РФ № 106732.

Предварительно перед началом процесса пропитки испытуемые образцы обезвоживались центробежной установкой. Согласно ГОСТ 20022.6 - 93 «Защита древесины. Способы пропитки» предпропиточная влажность заготовок (образцов) из древесины различных пород в зависимости от способа пропитки должна составлять !¥„р„_=25-60%. Процесс пропитки древесины характеризуется следующими параметрами:

а) контролируемые факторы: порода древесины; предпропиточная влажность древесины; температура древесины; вязкость пропитывающего состава;

б) управляемые факторы: число оборотов ротора центрифуги; время вращения ротора центрифуги; радиус вращения контейнера с образцом; геометрические размеры образцов;

в) выходные параметры: конечная плотность древесины; общее количество поглощенного вещества.

При вращении внутреннего барабана (кассеты) центрифуги и находящейся в древесины (образцы) возникает центробежная сила. Величина центробежной силы, действующей на вращающееся тело массой от и весом в

С=— - — = (24)

где С — в Н; \»— жЫЪО — окружная скорость в м/с; Я—внутренний радиус барабана в м; § — ускорение свободного падения в м/с ; п — частота вращения барабана в об/мин. При вращении тела весом С=1 Н, С=п2Я/900. Одним из основных критериев оценки эффективности работы центрифуги является фактор разделения

ф (25)

а та' ( '

где V! = 7т/30 — угловая скорость барабана.

Фактор разделения показывает, во сколько раз центробежное ускорение, развиваемое в данной центрифуге, больше ускорения свободного падения. Чем больше фактор разделения, тем интенсивнее происходит процесс центрифугирования.

Конструктивные особенности установки позволяют одновременно осуществлять процесс обезвоживания и пропитки.

Описание конструкции установки центробежного типа. Центрифуга полуавтоматизированная представляет собой скоростную машину периодического действия с приводом от индивидуального электродвигателя.

Корпус центрифуги представляет собой тонкостенную конструкцию цилиндрической формы, закрепленную на жесткой платформе - раме.

Верхняя часть корпуса установки - съемная, крепится к корпусу винтами, имеет загрузочное отверстие и углубление для фиксации крышки от горизонтального перемещения в закрытом положении.

Панель электроприборов и управления смонтированы на корпусе центрифуги и защищены коробом.

В основе конструкции центрифуги лежит привод, в состав которого входят, фланцевый электродвигатель, две полумуфты, соединяющие вал электродвигателя с валом привода внутреннего барабан, одна из которых центробежная разгонная фрикционная муфта с дисковой тормозной накладкой, противовес, подшипниковый узел и поликлиновой ремень. На расположенном вертикальном валу привода закрепляется специальная внутренняя кассета (барабан) из нержавеющей стали, являющийся основным рабочим органом центрифуги, крепится при помощи комплекта гаек на вертикальном валу привода.

Для предупреждения доступа к вращающемуся барабану корпус центрифуги в верхней части оборудован закрепленной в кронштейне подпружиненной крышкой. Открывание крышки при остановленной центрифуге осуществляется вручную ее горизонтальным перемещением по часовой стрелке.

В конструкции применен частотный преобразователь, который позволяет обеспечить плавный разгон и торможение внутреннего барабана (кассета с заготовками) центрифуги, снизить расход электроэнергии, а также обеспечивает возможность подключения центрифуги к однофазной сети 220 В.

В целях обеспечения безопасной эксплуатации на центрифуге предусмотрены следующие блокирующие устройства:

• предусмотрено дополнительное блокирующее устройство - тормоз;

• исключающее включение двигателя при открытой крышке корпуса;

• препятствующие открыванию крышки при вращающемся барабане;

• отключающие электродвигатель в случае неравномерной загрузки;

Принцип действия работы центрифуги. Центробежная установка

предназначена для удаления влаги из древесины различных пород и ее пропитки различными пропитывающими реагентами. Основным источником возникновения центробежных сил является вращающий ротор (внутренний барабан). При вращении внутреннего барабана (кассеты) и находящихся в нем заготовок древесины, возникает центробежная сила, которая способствует удалению одной жидкости (влаги) и поглощению другой жидкости (пропиточной).

Технические характеристики установки - центрифуги: Габаритные размеры (длина-ширина-высота), мм: 1035x840x1030; Масса установки, кг: 345; Номинальная мощность, кВт: 2.7; Загрузочная масса, кг: 20-25; Частота вращения, об/мин: 1500; Вид управления: полуавтоматический; Фактор разделения, Гг: 800 - 1000; Напряжение электросети, В(50Гц): 220/380;

Удельный расход электроэнергии, кВт. ч/кг: 0.07 Время цикла работы, мин: 1 - 10; Время разгона оборотов центрифуги, мин: 0.2 - 1.5; Остаточная влажность после обезвоживания, %: 15 — 47.

Рис. 3. Центробежная установка (патент № 106732) - 1. основание - плита; 2 - ротор; 3 - барабан; 4 - электродвигатель; 5 - корпус установки; 6 - резервуар для отвода жидкости; 7 - патрубок отвода жидкости

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований центробежного обезвоживания и пропитки древесины.

В результате экспериментальных исследований образцов (заготовок) определены основные параметры и показатели, характеризующие и влияющие на весь процесс (до, вовремя и после) обезвоживания:

а). Размерность образцов (мм)

б). Порода древесины: 1. лиственные - осина, береза; 2. хвойные - сосна

в). Вес образцов (£?,кг): 1. до обезвоживания; 2. после обезвоживания

г). Влажность (Ж,%)-. 1. Начальная; 2. конечная

д). Время процесса обезвоживания (/,мин): 1. три; 2. шесть; 3. от двух до шести;

е). Скорость вращения барабана (об/мин); 1. 500; 2. 1000; 3. 1500;

з). Фактор обезвоживания Р0 = шЛ=сопз1, где а - угловая скорость вращения; Я - радиус вращения;

Чем больше для одной и той же породы, тем больше интенсивность процесса обезвоживания и тем быстрее плотность приближается к предельному значению. При этом время достижения конечной плотности зависит от породы: для лиственных пород /=200-480 е., для хвойных /=360-900 с. Разность во времени достижения конечного значения плотности у хвойных и лиственных пород объясняется анатомическими особенностями строения их водопроводящих путей.

Таблица 1 - Результаты центробежного обезвоживания образцов древеси-

Порода Состояние перед обезвоживанием Режим обезвоживания Плотность древесины, кг/м3 Снижение плотности, % Коэффициент интенсивности обезвоживания 103Г Расчетная плотно- стькг/м3 эксперимен-

О 0 я" 1 & § и Н Угловая скорость ю, рад/с Время обезвоживания 1, с | начальная рн 1---— конечная эксперимент. рк э а. § & а> К О к О О. СХ 1 <о « Он в Отклонения расчетной от тальной плотности, %

Береза 1 15 78 240 888 760 14,5 4,60 770 690 1,3

2 15 78 320 890 767 14,0 5,36 768 738 0,3

3 15 125 320 911 780 14,5 10,3 764 756 2,0

4 10 125 320 908 783 13,8 6,63 782 705 0,4

5' 10 78 240 812 788 6,0 4,32 788 731 0,1

Осина .1 15 105 380 823 744 17 3,73 737 641 1,7

2 15 105 420 807 734 13 4,87 741 656 2,2

3 15 105 400 792 664 16 8.9 796 675 1,1

4 15 157 520 778 613 17 5.11 710 628 0,4

5 15 157 560 768 623 19 3,39 717 632 0,3 .

Сосна 1 15 78 800 773 598 22,7 1,65 586 560 2,3

2 15 78 700 804 643 20 1,65 634 560 1,4

3 15 78 620 920 637 30,8 1,65 627 560 1,6

4 15 125 420 966 754 21,1 1,65 762 560 1,1

5 15 125 420 830 652 21,4 3,60 648 596 0,5

иримечание: во втором столбце таблицы цифры означают соответственно: 1, 2, 3 -свежесрубленное состояние; 4 - хранение в воде; 5 - длительное хранение. 2) размеры заготовок: длина от 0,3 до 0,65 м ¡ширина и глубина 1. 25*25; 2. 35x35; 3. 45x45; 4. 60x60; 5. 80x80 мм.

Данные табл. 1 показывают, что при одних и тех же значениях соВ. у лиственных пород абсолютное снижение 14-15%, а у хвойных 17-30%. Это объясняется структурными особенностями водопроводящих путей. Вследствие этого извилистость пор различна у хвойных и лиственных пород. Поэтому при достижении оптимальной скорости вращения заготовок влага из лиственных пород удаляется значительно быстрее. У хвойных время обезвоживания в несколько раз больше, так как гидродинамическое сопротивление выше, а также свойственны особые анатомические свойства этих

пород. Величина конечной плотности для хвойных пород ниже, а абсолютная величина снижения плотности выше. Объясняется это большей объемной пористостью древесины хвойных пород.

Учитывая, конструктивные особенности установки размеры образцов сделаны в соответствии с размерами внутреннего барабана (съемной кассеты). Анатомические особенности и свойства древесины лиственных и хвойных пород в процессе обезвоживания показывают, что из осины и березы достаточно хорошо удаляется как свободная влага по сравнению с сосной. На примере одной размерности получены следующие показатели: размерность - 45x45x300 мм; сосна и осина; время процесса обезвоживания 4 мин; скорость вращения 1000-1500 об/мин; количество заготовок 15 шт/порода.

После обработки результатов имеем следующее:

а) осина 45x45x300 мм, 15 шт, время 4 минуты, конечная влажность Жг=17-23%, нет отклонений в форме заготовок;

б) сосна 45x45x300 мм, 15 шт, время 4 минуты, конечная влажность ^=26-38%, нет отклонений в форме заготовок;

в) сосна 45x45x300 мм, 15 шт, время 6 минуты, конечная влажность $^=23-29%, нет отклонений в форме заготовок;

В качестве пропиточного агента использовались следующие пропиточные жидкости: вода окрашенная, карбамидные смолы и состав из полимерных материалов. Данные жидкости были выбраны в соответствии из того, что: проникающая способность и скорость проникновения воды практически не отличается от водных растворов; карбамидные смолы (КС) широко известны, применяются как защитная жидкость в сферах производства и строительстве (шпалы, телеграфных столбов, деревянных опор и т. д.); состав из полимеров повышает физико-механические свойства, увеличивает срок и условия эксплуатации изделия.

Для удаления влаги и пропитки выше перечисленных жидкостей применялся метод парных образцов. Математическая обработка экспериментальных данных проводилась в соответствии стандартными требованиями и методами.

Сопоставление рассматриваемого способа пропитки в центробежном поле со способом замачивания показывает его производственную эффективность: за одно и тоже время (5-20 мин) при центробежной пропитке образцы повысили свою массу примерно на 47,35 %, а при пропитке способом замачивания -только на 1,25-1,5 %, т. е. меньше почти в 50 раз.

Кроме того, рассматриваемый способ позволяет регулировать расход пропитывающего состава: масса образцов, пропитанных карбамидной смолой, с увеличением по массе на 38% после вращения (центрифугирования в установке без КС) уменьшилась на 14,3% вследствие удаления части карбамидной смолы из образцов после центрифугирования. Следователь-

но, в случае необходимости, часть лишней жидкости впитанной в образцы, может быть удалена из них путем вращения в центрифуге.

Известно, что методы пропитки древесины предусматривают введение в древесину различных полимерных модификаторов, что можно осуществить в результате центробежного способа пропитки. Отсюда, качественные показатели пропитанной древесииы в существенной степени будут определяться такими параметрами как глубина пропитки, количеством введенного вещества и технологией пропитки влажной древесины.

Для пропитки древесины карбамидной смолой КС-1, карбамидофор-мальдегиная смола КФ-МТ-15 (ТУ 6-06-12-88), и фенолоспиртами (ФС) использовались образцы размером (мм) 25x25x300, 35x35x300, 45x45x300, 60x60x300, которые предварительно обезвоживались на центрифуге-установке. Результаты исследований приведены в табл. 2 и 3.

Экспериментальные исследования физико-механических свойств пропитанной ТМЛД показателя водопоглощаемости пропитанной древесины очень важен, так как пропитанная древесина может эксплуатироваться в условиях с высокой влажностью и влагой, снижение которого сможет повысить прочность образца. В результате проведенных исследований и обработки опытных данных составлено уравнение

В0„ =0,00442 1,445 35, (26)

где Всп - водопоглощение пропитанной древесины, %; 5 - содержание карбамидной смолы, %.

Таблица 2. Интенсивность центробежной пропитки образцов древесины разме-

Режим вращения центрифуги Привес смолы, % Влажность древесины,%

Порода древесины Время вращения, с Частота вращения, об/мин Фактор разделения начальна я конечная

1. Осина N»1 240 750 202 25 77 36

2. Осина №3 240 1500 809 29 ■ . 82 44

3. Осина №1 360 750 202 36,5 80 41

4. Осина №3 360 1500 809 48 88 47

5. Береза №1 240 750 202 27 83 49

6. Береза №3 240 1500 809 29 74 43

7. Береза №1 360 750 202 34 73 ' 40

8. Береза №3 360 1500 809 37 78 42

9. Сосна №1 240 750 202 22 79 51

10. Сосна №3 240 1500 809 24 76 45

И. Сосна№1 360 750 202 23 80 46

12. Сосна №3 360 1500 809 30,5 82 43

Примечание: № у породы древесины указывает на испытуемый образец определенного размера: №1. 25x25x300 мм и №3.45x45x300 мм.

Таблица 3. Физико-механические свойства пропитанной древесины

Показатель Значение показателей физико-механических свойств древесины

Ядра сосны естественной Осины

естественной Пропитанной до плотности Рм, кг/м3

480 520 560 600

Разбухание тангенциальное,1^ 4,0 11,1 4,1 5,2 4,4 4,3

Разбухание радиальное,% 2,0 5,7 2,1 2,3 2,8 2,8

Водопоглощение,% 126 151 119 125 90 104

Твердость торцовая, Н/см2 - 5000 6490 7250 8085 8795

Твердость вдоль волокон, Н/см2 - 4340 5140 5350 6130 7030

Ударная вязкость, кДж/м2 41,3 45 51 58 69 78

Примечание: согласно ГОСТ приведены показатели древесины сосны, в качестве сравнения с полученными экспериментальными показателями с древесиной осины.

Пропитка древесины карбамидными смолами значительно улучшает ряд физико-механических свойств. Натуральная древесина осины имеет невысокий предел прочности при сжатии поперек волокон, причем, различные в тангенциальном и радиальном направлениях, так же как и другие породы. Исследования других механических свойств показали, что пропитанная древесина значительно прочнее древесины твердых лиственных пород. Пятый раздел Технологический процесс обработки тонкомерной мягколи-ственной древесины (ТМЛД), методику обоснования технологических параметров и параметров оборудования.

Предлагаемый технологический процесс обработки ТМЛД включает в себя следующие операции: 1. выбор сырья - ТМЛД основных пород; 2. подготовка сырья - окорка, распиловка на заготовки длиной 0,3-0,6 м, подсортировка по диаметру на типоразмеры; 3. центробежное обезвоживание до предпропиточной влажности древесины, центробежная пропитка кар-бамидной смолой или иной пропиточной жидкостью или одновременный процесс обезвоживания и пропитки; 4. формирование из заготовок путем проталкивания заготовок через направляющую в форму с одновременным уплотнением пропитанной древесины; 5. закрепление приданной формы путем подсушки до влажности 10-15% в центрифугах или сушильных камерах вместе с кассетами прессформы и получение готовой продукции.

В условиях лесопромышленного склада сырье по рекомендуемой схеме подготавливается в цехе для выработки балансов и поступает в виде окоренных заготовок длиной до 0,3-0,6 м, распиливается на заготовки, под-сортировывается по диаметру на типоразмера. Маршрутная технология обработки следующая. Заготовки из запаса по продольному транспортеру подаются на торцовочный станок и распиливаются на заготовки нужного типоразмера. Полученные заготовки по транспортеру поступают в контейнеры, которые с помощью тельфера подают к прессам. Заготовки из контейнеров укладывают в загрузочную матрицу и подвижной плитой пресса проталкивают в прессформы, которая находится под загрузочной матрицей. Затем подвижная плита перемещается в верхнее положение, заполненная кассета снимается со стола пресса, укладывается в другой контейнер, а на ее место подается порожняя форма-кассета и цикл повторяется, в состав оборудования входят четыре пресса. Каждый из которых имеет параметры прессформы для определенного типоразмера выпускаемой продукции. Контейнер с заполненными кассетами тельфером переносят в центрифугу или сушильную камеру, где изделия в закрепощенном состоянии проходят сушку до влажности 10-15%. Из сушильной камеры кассеты подаются на упаковочный стол и после разгрузки снова предаются к прессам. Готовые изделия после упаковки складываются в пакет, и транспортируются погрузчиком фронтального типа на склад хранения продукции.

Обоснованию технологических параметров и параметров оборудования подлежат следующие: 1. Параметры типоразмеров; 2. Длины заготовок в каждом типоразмере; 3. Параметры пресса и прессформы; 4. Параметры центробежной пропитки и обезвоживания; 5. Показатели производительности;

Разработанная В.И. Патякиным и В.Ф. Петровцом технология изготовления торцевой шашки методом прессования имела большой успех и получила высокую оценку на выставке в Ганновере. Существенным недостатком технологии является плохие показатели водостойкости и влагостойкости готовой продукции. При попадании на поверхность изделия (продукции) и в его состав воды или иной жидкости, разрушающей свойства древесины происходит процесс разбухания. Вследствие этого недостатка в технолоппо изготовления торцевой шашки вводится новая операция - центробежная пропитка или центробежное обезвоживание и пропитка одновременно.

Проведенные исследования показали, что пропитанная древесина пригодна для замены в промышленности древесины твердых лиственных пород, таких как дуб, ясень, бук, клен и другие. Применение новых технологических процессов с использованием лиственных пород, в ближайшее время, создаст серьезную конкуренцию в значительной мере для твердоли-ственных и хвойных пород древесины. Основные выводы и рекомендации:

1. Математическая модель движения жидкости позволяет определять предельные значения плотности древесины при обезвоживании, подтверждает кинетику пропитки ТМЛД перпендикулярно направлению действия центробежных сил; сокращает оценку допущения степени погрешности при решении задач.

2. С помощью математической модели получены уравнения общего времени пропитки и уравнение фильтрационной пропитки в центробежном поле с учетом фактора разделения.

3. Предложенная методика подтверждает, закономерность распределения влаги по длине обезвоженного образца характеризуется показателями: фактором обезвоживания, установленными управляемыми и неуправляемыми факторами и техническими показателями оборудования.

4. Конструктивные особенности установки - широкий диапазон размерностей заготовок-образцов, универсальность, простота, надежность, возможность сочетания процессов обезвоживания и пропитки одновременно, регулирование количества пропитывающей жидкости и достижение максимальной глубины пропитки путем варьирования показателей времени и скорости вращения, позволяют рекомендовать ее для широкого использования на предприятиях ЛПК.

5. Сопоставление рассмотренного способа пропитки со способом замачивания показало производственную эффективность: за одно и тоже время (5-20 мин) при центробежной пропитке образцы повысили свою массу примерно на 47,35%, а при пропитке способом замачивания - только на 1,25-1,5%, т. е. меньше почти в 50 раз.

6. Физико-механические свойства естественной и пропитанной ТМЛД близки или превышают значения твердолиственных и хвойных пород.

7. В технологии изготовления торцевой шашки из ТМЛД необходимо использовать операцию центробежной пропитки с целью приданий показателей водостойкости и влагостойкости, твердости, ударной вязкости и др.

8. Разработанная методика и оборудование экспериментальных исследований позволяет устанавливать значения технологических параметров и показателей производительности процессов обезвоживания и пропитки.

Основные положения диссертации изложены в работах

1. Патякин В.И., Костин И.В. Методы исследования порового пространства структуры древесины.// Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Сборник докладов молодых ученых на ежегодной научной конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии: Вып. 193 -СПб.; СПбГЛТЛ, 2010. (степень авторского участия 50%)

2. Костип И.В. Обезвоживание и пропитка с использованием центробежных сил.// Ученые записки Петрозаводский государственный университет: серия Естественные и технические науки: № 4, вып. 117 - Петрозаводск; ПетрГУ, 2011.

3. Костин И.В. Некоторые проблемы образования и использования древесной коры в промышленности// Научный периодический журнал Братский государственный университет «Системы. Методы. Технологии»: вып №3(10] - Братск; БрГУ, 2011.

4. Патякин В.И., Костин И.В. Состояние и перспективы направления процесса обезвоживания.// Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ: вып. 8 - Петрозаводск; ПетрГУ, 2010с. 110- 113. (степень авторского участия 55%)

5. Костин И.В. Интенсификация технологических процессов обезвоживания древесины.// Леса Россини в XXI веке: Материалы второй международной научно-практической интернет-конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии имени С. М. Кирова; СПбГЛТА, 2009. - 252 с.

6. Костин И.В. Комплексное использование древесины и ее биомассы.// группа депонирования, Всероссийский институт научной и технической информации РАН и Миннауки России (ВИНИТИ), 2010.

7. Костин И.В. Состояние и перспективы использования древесной коры в промышленности// деп. ВИНИТИ, 2008.

8. Шегельман И.Р., Патякин В.И., Костин И.В. Интенсификация процессов сушки древесного сырья и коры / Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике: материалы IX межд. науч.-техн. конф. - Петрозаводск, 2010. - С. 73-74.(степеш> авторского участия 30%).

9. Шегельман И.Р., Васильев А.С., Костин И.В., Козельский И. В. Лаборатоная установка для обезвоживания древесины. Патент РФ на полезную модель № 106732 опубликован 20.07.2011 Бюл. № 20. (степень авторского участия 65%).

Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д.212,008.01 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 163002, Архангельск, набережная Северной Двины 17 Северный (Арктический) федеральный университет.

КОСТИН ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 17.11.11. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ №283. С 15 а.

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет Издательско-полиграфический отдел СПбГЛТУ 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5.

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Механическое обезвоживание и пропитка древесины

1.1.1 Способы удаления влаги из древесины

1.1.2 Способы пропитки древесины

1.2 Проблема рационального использования мягколиственной древесины

1.3 Анализ результатов выполненных работ

1.4 Обоснование технологии и параметров оборудования обработки тонкомерной мягколиственной древесины

1.5 Методы испытаний и применяемое оборудование

1.5.1 Методы оценки структуры порового пространства древесины

1.5.2 Экспериментальное исследование радиуса гипотетического капилляра древесин

1.5.3 Экспериментальная установка для исследований термомеханического уплотнения тонкомерной древесины и методика обработки опытных данных

1.6 Выводы по результатам анализа литературных источников

1.7 Задачи исследования

2.ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ПОРОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ ЦЕНТРОБЕЖНОМ ОБЕЗВОЖИВАНИИ И ПРОПИТКЕ

2.1 Математическая модель древесины

2.2 Кинетика центробежной пропитки

2.3 Выводы по второму разделу

3. МЕТОДИКА И ОБОРУДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И ПРОПИТКИ

3.1 Отбор образцов для экспериментальных исследований

3.2 Методика экспериментальных исследований процессов обезвоживания и пропитю древесины

3.2.1 Метод центробежного обезвоживания

3.2.2 Метод центробежной пропитки

3.2.3 Оборудование экспериментальных исследований обезвоживания и пропитки

3.3 Математическое планирование эксперимента

3.4 Математическая обработка опытных данных

3.5 Выводы по третьему разделу

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Экспериментальные исследования центробежного обезвоживания и пропитки древесины

4.2 Экспериментальные исследования интенсивности процесса центробежного обезвоживания и пропитки древесины

4.3 Экспериментальные исследования центробежной пропитки древесины пропитывающими жидкостями

4.4 Экспериментальные исследования физико-механических свойств пропитанной древесины

4.4.1 Исследование показателя водопоглащаемости

4.4.2 Исследование механических свойств

4.5 Опытно-промышленная проверка пропитки древесины в центробежном поле

4.6 Выводы по четвертому разделу

5. ТЕХНОЛОГИЯ И ПАРАМЕТРЫ ОБОРУДОВАНИЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ ТОНКОМЕРНОЙ МЯГКОЛИСТВЕНОЙ ДРЕВЕСИНЫ

5.1 Описание технологического процесса

5.2 Методика обоснования технологических параметров и параметров оборудования

5.3 Опытное определение верхней границы допустимых значений

5.4 Выводы по пятому разделу

Актуальность темы. Среди богатств, которые Россию наградила природа, лес является самым значимым и именно этот природный ресурс способен обеспечить процветание страны и благосостояние населения. Однако, экономический потенциал лесного сектора экономики используется, на сегодняшний день, не более чем 10-15%. Отставание России в первую очередь характеризуется низким уровнем дохода с 1 га лесов, который в 10-15 раз ниже чем в странах Европы [Известия СПбГЛТА, 2006].

Древесные ресурсы РФ, несмотря на колоссальный для страны потенциал (сырьевой, промышленный, валютный, финансовый, экологический, социальный и т.д.), используются неудовлетворительно.

Комплексное лесопользование должно предусматривать рациональное и малоотходное производство лесоматериалов, применение современного оборудования, техники, аппаратуры и многоцелевых, природощадящих технологий обработки и переработки древесного сырья.

Исходя из этого, одной из основных проблем, которую необходимо решить лесной промышленности - комплексное освоение и рациональное использование древесины сырья за счет вовлечения в эксплуатацию и переработку в первую очередь древесину мягких лиственных пород и отходов производства. Одним из направлений развития лесной отрасли является комплексное и эффективное освоение каждого кубометра сырья путем внедрения наиболее эффективных процессов обработки древесины с целью получения конкурентоспособной продукции.

Повышение эффективности процессов обработки и вовлечение малоиспользуемой древесины приобретает большое значение, это требует поиска новых технических и технологических решений в области использования тонкомерной мягколиственной древесины (ТМЛД).

Под тонкомерной древесиной понимают древесину, диаметр которой не превышает 13 см (в верхнем торце от 4 до 13 см включительно). Сюда также относятся вершины, сучья и ветви деревьев. Основную массу тонкомерной древесины представляют лесосечные отходы и молодая Ф древесина рубок ухода, главным образом хвойно-лиственных пород. Подсчитано, что в европейской части РФ ежегодно можно заготавливать 20 млн. м3 тонкомерной древесины от рубок ухода. Количество же лесосечных отходов, оставляемых на вырубках в виде недорубок и отходов лесозаготовок, которые также необходимо заготавливать, составляет значительно большую цифру — почти 100 млн. м древесины.

Среди мягких лиственных пород, значительный объем занимает древесина осина, ольха, произрастающая в Европейской части РФ и Сибири. Известно, что осина и ольха обладают низкими физико-механическими свойствами по сравнению с другими лиственными • породами, особенно с твердыми лиственными, что сдерживает ее широкое применение.

К мягколиственным породам деревьев относят: осина, ольха, берёза, тополь, ива, липа.

В настоящее время удаление влаги из древесины осуществляется в основном путем испарения ее в сушильных камерах.

На сушку древесины в сушильных камерах затрачивается большое количество тепловой энергии при большой длительности процесса, что экономически невыгодно.

Решение проблемы снижения продолжительности процесса, его Щ энергоемкости и трудозатрат сушки возможно с использованием метода обезвоживания в центробежном поле.

Перспективной обработкой ТМЛД являются механические способы обезвоживания и пропитки материалов. Применение центробежного способа обезвоживания стало возможным только после того, как группой ученых во главе с заслуженным деятелям науки и техники Р.Ф., д.т.н. В.И. Патякиным, к.т.н. В.И. Шаплыко, Э.П. Полесским было создано, конструктивное решение самобалансирующейся центрифуги, не имеющей аналогов в отечественной и зарубежной практике. Ф Наиболее эффективным способом повышения физико-механических свойств древесины - ее пропитывание различными пропитывающими жидкостями. В связи с этим выбранная тема диссертационной работы несомненно актуальна, так как позволяет повысить свойства пропитанной осины, ольхи до свойств древесины хвойных и твердых лиственных пород, что даст возможность замены их пропитанной осиной в производстве ряда изделий, а еще лучше тонкомерной древесины.

Применение различных способов пропитки открывает широкую возможность для комплексного подхода использования древесного сырья. Эффективная защита древесины от воздействия различных разрушающих

• факторов является - насыщение (пропитка) различными жидкостями, например, синтетическими и органическими полимерами. Применение новых технологических процессов с использованием тонкомерных лиственных пород и низкосортной древесины в ближайшее время создаст серьезную конкуренцию в значительной мере для твердолиственных и хвойных пород.

Цель работы. Повышение эффективности использования тонкомерной древесины путем обоснования технологии центробежного обезвоживания и пропитки.

Объекты исследований. Тонкомерная мягколиственная древесина основных пород - осина, ольха.

Предмет исследования. Процесс обезвоживания и пропитки ТМЛД. Значимость для теории и практики. Разработанная и исследованная математическая модель обезвоживания и пропитки тонкомерной древесины мягколиственных пород, позволяющая прогнозировать основные показатели процесса, углубляет теорию движения жидкости в поровом пространстве древесины.

Созданная экспериментальная установка центробежного типа для обезвоживания и пропитки древесины различных пород, позволяет получать - закономерности распределения влаги по длине обезвоженного или пропитанного образца; закономерности обезвоживания, определяемые комплексным показателем - фактором обезвоживания, объединяющим размеры заготовки и угловую скорость вращения; закономерности пропитки - состав и количество применяемой жидкости, ее вязкость, фактор разделения и другие свойства. Все это углубляет знания об обезвоживании и пропитке. Конструктивные особенности экспериментальной установки позволяют осуществлять процесс обезвоживания и пропитки одновременно.

Модернизированная технология производства продукции из ТМЛД позволяет существенно повысить эффективность использования в условиях лесопромышленных предприятий, а также качество получаемой продукции.

На защиту выносятся следующие положения:

1. математическая модель обезвоживания и пропитки тонкомерной мягколиственной древесины.

2. закономерности распределения влаги по длине обезвоженного образца и закономерности влияния пропиточной жидкости на заготовку;

3. конструкция экспериментальной установки центробежного типа для обезвоживания и пропитки древесины различных пород.

4. модернизированная технология и состав производств продукции тонкомерной мягколиственной древесины различными пропитывающими жидкостями.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: подтверждается адекватностью математической модели обезвоживания и пропитки, и проведением экспериментальных исследований в лабораторных условиях за счет хорошей сходимости экспериментальных и Ф теоретических данных.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались, и получили одобрения на заседаниях кафедры ТОЛК (кафедра Технологии и оборудования лесного комплекса) ПетрГУ и ТЛЗП (кафедра Технологии лесозаготовительных производств) о

СПбГЛТУ, на второй международной научно-практической Интернет конференции «Леса России в XXI веке» (СПб, 2010 г.) и конференциях профессорско-преподавательского состава ПетрГУ 2008-2011 и СПбГЛТУ в 2011 годах. Центробежная установка проверена на патентную чистоту, получен патент РФ № 106732 от 20.07.2011 года, а также получено Щ положительное решение на способ для сушки древесины № 2011139653 от 30.09.2011 г.

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 8 печатных работ, а также имеется 2 статьи принятые к печати материалов. Научная новизна работы заключается в том, что разработана и исследована математическая модель обезвоживания и пропитки древесины мягколиственных пород, позволяющая прогнозировать основные показатели процесса, углубляет теорию движения жидкости в поровом пространстве.

Создана экспериментально-лабораторная установка центробежного типа ф для обезвоживания и пропитки древесины различных пород.

Получен патент РФ № 106732 на изобретение «Лабораторная установка для обезвоживания и пропитки древесины».

Конструктивные особенности установки позволяют проводить процессы обезвоживания и пропитки одновременно за один операционный цикл, регулирование пропитывающей жидкости и достижение максимальной глубины пропитки путем варьирования управляемых факторов. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объем работы 141 с. Диссертационная работа содержит 28 рисунков, 31 таблица (включая 22 таблицы приложения). Список литературы содержит 100 источников.

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Проведенные исследования процессов обезвоживания и пропитки центробежного действия показали эффективность и целесообразность применения этого способа.

Качество и равномерность центробежной пропитки достигается тогда, когда воздух из древесины удален по всему объему пропитываемой заготовки. Этой операции необходимо уделять особое внимание, т.к. недостаточное удаление воздуха из древесины промышленных размеров приводит к тому, что смола (пропиточная жидкость) проникая по обоим торцам заготовки будет сжимать оставшийся воздух в сосудах к центру заготовки и образует воздушную камеру сжатого воздуха, который и будет препятствовать проникновению смолы в центр заготовки. Это приводит к неравномерной пропитке смолой и ее неравномерному распределению и плотности пропитанной древесины по всей длине заготовки. Исследования проведенные на промышленных образцах размером 80 • 80 -300 мм показали достоверность физической сущности этого процесса.

По результатам работы можно сделать следующие основные выводы и рекомендации:

1. Математическая модель движения жидкости позволяет определять предельные значения плотности древесины при обезвоживании, подтверждает кинетику пропитки ТМЛД перпендикулярно направлению действия центробежных сил; сокращает оценку допущения степени погрешности при решении задач.

2. С помощью математической модели получены уравнения общего времени пропитки и уравнение фильтрационной пропитки в центробежном поле с учетом фактора разделения.

3. Предложенная методика подтверждает, закономерность распределения влаги по длине обезвоженного образца характеризуется показателями: фактором обезвоживания, установленными управляемыми и неуправляемыми факторами и техническими показателями оборудования.

4. Конструктивные особенности установки - широкий диапазон размеров заготовок-образцов, универсальность, простота, надежность, возможность сочетания процессов обезвоживания и пропитки одновременно, регулирование количества пропитывающей жидкости и достижение максимальной глубины пропитки путем варьирования показателей времени и скорости вращения, позволяют рекомендовать ее для широкого использования на предприятиях ЛПК.

5. Сопоставление рассмотренного способа пропитки со способом замачивания показало производственную эффективность: за одно и тоже время (5-20 мин) при центробежной пропитке образцы повысили свою массу примерно на 47,35%, а при пропитке способом замачивания - только на 1,25-1,5%), т. е. меньше почти в 50 раз.

6. Поглощение состава из полимеров древесиной возрастет при увеличении фактора разделения и частоты вращения со. При значении 7у=89 и со=78,5 рад/с. привес пропиточного состава составил 29%>. о

Плотность древесины в пределах 530-600 кг/м , что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к пропитанной древесине осины для замены древесины хвойных и твердо лиственных пород.

7. Для пропитки образцов из осины толщиной 80 мм, окрашенной водой и карбамидными смолами, при частоте вращения барабана 1500 об/мин требуется 300 с. (5 мин.), а для полимерных веществ 480 с. (8 мин.), учитывая полностью загрузку барабана до 25 кг за один цикл центрифугирования.

8. Физико-механические свойства естественной и пропитанной ТМЛД близки или превышают значения твердолиственных и некотрых хвойных пород.

9. В технологии изготовления торцевой шашки из ТМЛД необходимо использовать операцию центробежной пропитки с целью придания показателей водостойкости и влагостойкости, твердости, ударной вязкости и др.

10. Разработанная методика и оборудование экспериментальных исследований позволяет устанавливать значения технологических параметров и показателей производительности процессов обезвоживания и пропитки.

1. Ашкенази Е. К. Анизотропия древесины и древесных материалов/ Е. К. Ашкенази. М.: Лесная промышленность, 1978. - 224 с.

2. Белый В. А. Устройство к гидравлическому прессу для изготовления заготовок из древесины способом контурного прессования/ В. А. Белый, В. Ф. Анненков, Екименко Н. А. Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. -№11, 1968.

3. Заречник О. С., Лозовой Б. Л. К вопросу о вычислении величины смачивания твердых поверхностей жидкостями/ О. С. Заречник, Б. Л. Лозовой. Известия высших учеб. заведений. Химия и химическая технология, 1960. Т. 3. - Вып. 1.

4. Ващев Н. В. Древесина мягких лиственных пород в производстве колодок для обуви/ Н. В. Ващев. «Пластификация и модификация древесины», Рига, 1970.

5. Гуревич Л. Э. Основы физической кинетики/ Л. Э. Гуревич. М.: Гостехиздат, 1950. -423 с.

6. Ващев Н. В. Технология изделий из древесины, основы технологии уплотнения древесины/ Н. В. Ващев. Л.: ЛТА им. С. М. Кирова, 1974.

7. Григорьев А.Ф. Пропитка древесины способом центрифугирования/ А. Ф. Григорьев. Йошкар-Ола: Известия ПЛТИ, 1935.-Вып. 4. 1-15 с.

8. Глебов И. Т. О прессовании древесных материалов в замкнутом пространстве/ И. Т. Глебов. Труды Уральского лесотехнического института, вып. 26, 1972.

9. Денисенко В. В. Неметаллические конструкционные материалы. Технология формообразования деталей машин с применением прессованной древесины/ В. В. Денисенко, И. В. Денисенко. Л.: ЛТА им. С. М.Кирова, 1977.

10. ГОСТ 20022.6 93 «Защита древесины. Способы пропитки».

11. Житков П. Н. Определение усилий при контурном прессовании древесины/ П. Н. Житков. Записки Воронежского с.-х. института, том 22, 1949.

12. Зайвий В. А. Сборник «Свойства древесины, и защита и новые древесные материалы»/ В. А. Зайвий. Красноярск, 1968.

13. Серговский П. С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины/ П. С. Серговский, А. И. Расев. М: Лесная промышленность, 1987. - 300 с.

14. Горшин С. Н. Консервирование древесины/ С. Н. Горшин. М.: Лесная промышленность, 1971. - 295 с.

15. Исследование применения малоценных пород древесины для производства паркета. Отчет по НИР ЛТА им. С. М. Кирова. Тема № 1550, № государственной регистрации 66042598, Л., 1967.

16. Лагендорф Г., Айхлер X., Облагораживание древесины (перевод с нем.)/ Г. Лагендорф, X. Айхлер. М.: Лесная промышленность, 1982. - 144 с.

17. Каган Л. М. Способ пропитки лесоматериалов «авторское свидетельство №63133, открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки» №41, 1978 г.

18. Коробов В. В. Переработка низкокачественного сырья. Проблемы безотходной технологии/ В. В. Коробов, Н. П. Рушнов. М.: Экология, 1991.-288 с.

19. Красиков И. Г. Определение усилий при прессовании древесины сосны/ И. Г. Красиков, Н. П. Кондратьев. Записки Воронежского с.-х. института, Том 24, вып. 1, 1952.

20. Крумл Я. Влияние центробежной силы на влажность древесины/ Я. Крумл. Изд. ЦБТИ лесной промышленности. М.: Гослесбумиздат, 1960.

21. Крумл Я. Влияние температуры, скорости циркуляции и относительной влажности воздуха на уменьшение влажности при центробежной сушке древесины/ Я Крумл. Л.: Изд. ВНИПИЭИлеспрома, 1959, №2. -209-220 с.

22. Михайлов Г. М. Пути улучшения использования вторичного древесного сырья/ Г. М. Михайлов, Н. А. Серов. М.: Лесная промышленность, 1988. - 224 с.

23. Мовнин М. С. Исследование метода непрерывного уплотнения древесины/ М. С. Мовнин, А. Г. Ермолович. // Известия вузов СССР «Лесной журнал», № 3, 1971.

24. Мовнин М. С., Кальнинып А. И., Берзинып Г. В. Некоторые вопросы прокатки древесины. Труды ЛТА, № 111, Л., 1968.

25. Модин Н. А. Радиальное прессование сплошных цилиндров из древесины/ Н. А. Модин. Межвузовский сб. научных трудов: «технология и оборудование деревообрабатывающих производств». Д.: ЛТА им. С. М. Кирова, вып. 6. 1977.

26. Модин Н. А. Уплотнение древесины радиальным методом/ Н. А. Модин. Рига: Записки института химии древесины АН Латвийской ССР, 1968.

27. Модин Н. А. Уплотнение древесины методом радиального прессования/ Н. А. Модин. «Пластификация и модифицирование древесины». Рига: Знание, 1970.

28. Соболев Ю. С. Древесина как конструкционный материал/ Ю. С. Соболев. М.: Лесная промышленность, 1979. - 248 с.

29. Нысенко Н. Г., Генель С. В. Пластификация цельной древесины/ Н. Г. Нысенко, С. В. Генель. М. - Л.: Гослесбумиздат, 1958. - 252 с.

30. Патякин В. И. Проблемы повышения плавучести круглых лесоматериалов/ В. И. Патякин. М.: Лесная промышленность, 1976. - 264 с.

31. Патякин В. И., Тишин Ю. Г., Базаров С. М. Техническая гидродинамика древесины/ В. И. Патякин, Ю. Г. Тишин, С. М. Базаров. -М.: Лесная промышленность, 1990. 303 с.

32. Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. С-Петербург, 2003. В. И. Патякин «Проблемы устойчивого лесопользования», 112-118 с.

33. Огарков Б. И., Апостол А. В. Теория и физическая сущность прессования древесины/ Б. И. Огарков, А. В. Апостол. Воронеж: Изд. ВГУ, 1981.-84 с.

34. Вихров В. Е., Пауль Э. Э. Модификация свойств натуральной древесины пропиткой синтетическими смолами/ В. Е. Вихров, Э. Э. Пауль. Сб. «Совершенствование техники и технологии производства». Тезисы научно-технической конференции. Минск, 1967.

35. Пауль Э. Э. «Снижение набухания древесины, пропитанной фенолоспиртов», сб. «Вопросы лесоводства и лесоведения», Минск, 1965.

36. Мигачев А. И. Центробежная сушилка для древесины/ А. И. Мигачев. М.: Деревообрабатывающая промышленность, 1969. № 4. - С. 26.

37. Расев А. И. Об эффективности механических способов обезвоживания древесины/ А. И. Расев. В кн.: Сушка древесины/ труды Всесоюзной юбилейной научно-технической конференции - Архангельск: 1968.-С. 245-251.

38. Петровец В. Ф. Обобщенный вид зависимости между параметрами процесса контурного прессования/ В. Ф. Петровец. Реферативная информация ВНИПИЭИлеспром. -М.: 1992.

39. Петровец В. Ф. Изменение потребной силы давления на заготовку в процессе контурного прессования/ В. Ф. Петровец. Реферативная информация ВНИПИЭИлеспром, М.: 1992.

40. Петровец В. Ф. Обоснование технологии и параметров оборудования, формирования шестигранной торцевой шашки методом контурного прессования/ В. Ф. Петровец. СПб.: автореферат диссертации на соискание ученой степени к. н. т. ГЛТА, 1994, - 26 с.

41. Потай А. А. Обоснование параметров оборудования и режимов уплотнения цилиндрических заготовок из древесины для узлов трения/ А. А. Потай. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к. н. т. Львовский лесотехнический институт, 1987.

42. Применение торцевого паркета в ВНР. Реферативная информация «Механическая обработка древесины» № 9, 1987.

43. Разработка технологии производства изделий из древесины мягких лиственных пород со свойствами ценных пород дерева, Тема № 22 (постановление Госкомитета по науке и технике № 226 от 11.07.1968), ЛТА, 1969.

44. Оснач Н. А. Проницаемость и проводимость древесины/ Н. А. Оснач. М.: Лесная промышленность, 1964. - 178 с.

45. Ханеня Г. П., Шутов Г. М. «Способ изготовления щитового паркета», авторское свидетельство № 477839, «Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», № 27, 1974.

46. Ханеня Г. П. Получение модифицированной древесины с заданными физико-механическими и технологическими свойствами/ Г. П. Ханеня // Сборник «Механическая технология древесины». Минск, выпуск 9, изд-во «Вышэйшая школа», 1979.

47. Хухрянский П. Н. Прессование древесины/ П. Н. Хухрянский. -М.: Лесная промышленность, 1964. -351 с.

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

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

50. Чантурия Г. Н. Применение тонкомерной ольхи для производства паркета/ Г. Н. Чантурия// «Деревообрабатывающая промышленность», № 2, 1985.

51. Черников В. П. Устройство для контурного прессования заготовок из древесины. Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. № 3, 1967.

52. Чудинов Б. С. Вода в древесине/ Б. С. Чудинов. Новосибирск: Наука, 1984.-277 с.

53. Шамаев В. А. Модификация древесины/ В. А. Шамаев. М.: Экология, 1991.- 129 с.

54. Шамаев В. А. Химико-термическое модифицирование древесины/ В. А. Шамаев. Воронеж: изд. ВГЛТА, 2003. - 260 с.

55. Шутов Г. М. «К вопросу о модификации древесины синтетическими смолами на основе фурановых соединений»/ Г. М. Шутов// Материалы научно-технической конференции института леса и древесины АКССР, Красноярск, 1968.

56. Чулицкий Н. Н. Исследование факторов и характеристик режимов сушки древесины/ Н. Н. Чулицкий. М.: Гостезиздат, 1931. -70 с.

57. Холькин Ю. И., Шутов Г. Н., Эрдман И. Э. «Древесно-пластические материалы на основе полимеров фуранового типа»// М.: «Деревообрабатывающая промышленность», № 2, 1972.

58. Шутов Г. М., Ханеня Г. П., Земцова Л. И. «Способ пропитки древесины», авторское свидетельство № 387832, «Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», № 28, 1973.

59. Шутов Г. М., Ханеня Г. П., Земцова JI. И. «Водовлагостойкий материал», авторское свидетельство № 414096, «Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», № 5, 1972.

60. Лыков А. В. Теория сушки/ А. В. Лыков. М.: Энергия, 1968.472 с.

61. Хухрянский П. Н. Инструменты и станки для обработки древесины/ П. Н. Хухрянский. М.: Госстройиздат, 1955. - 180 с.

62. Шаповалов В. М. Технология переработки высоконаполненных композитов/ В. М. Шаповалов, В. Г. Барсуков, Б. И. Купчинов. Гомель: РБ. 2000, - 259 с.

63. Миронов В. П. Исследование закономерностей перемещения влаги в древесине в зависимости от температуры и влажности/ В. П. Миронов // Труды ЦНИИМОД. М.: ГЛБИ, 1950. - 21-30 с.

64. Богданов Е. С. Справочник по сушке древесины/ Е. С. Богданов, В. А. Козлов, Н. Н. Пейч. М.: Лесная промышленность, 1981. - 191 с.

65. Баженов В. А. Водопроницаемость древесины/ В. А. Баженов // Труды института леса. 1953. Т. 9. - 186-204 с.

66. Кречетов И. В. Сушка древесины/ И. В. Кречетов. М.: Лесная промышленность, 1980. - 432 с.

67. Уголев Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения/ Б. Н. Уголев. М.: Лесная промышленность, 1986. - 383 с.

68. Шубин Г. С. Физические основы и расчет процессов сушки древесины/ Шубин Г. С. М.: Лесная промышленность, 1973. - 248 с.

69. Патякин В. И. Взаимодействие потока жидкости с погруженным в нее телом/ В. И. Патякин, А. Н. Минаев, Б. И. угрюмов // Монография. -СПб.: СПбГЛТА, 1999. 92 с.

70. Патякин В. И. Комплексное использование лесных ресурсов/ В. И. Патякин, И. Р. Шегельман, И. В. Скадорва, С. В. Авдашкевич // Учебное пособие. СПб: СПбГЛТА, 2002. 56 с.

71. Полубояринов О. И. Плотность древесины/ О. И. Полубояринов -М.: Лесная промышленность, 1976. 160 с.

72. Лесоводство: Термин и определения. ОСТ 056-108-98.

73. Лесоматериалы круглые лиственных пород. ГОСТ 9462-88.

74. Лесоматериалы круглые хвойных пород. ГОСТ 9463-88.

75. Реймес Н. Ф. Природопользование/ Н. Ф. Реймес. М.: Мысль, 1990.-637 с.

76. Соколов В. И. Центрифугирование/ В. И. Соколов. М.: Химия, 1976.-405 с.

77. Кречетов И. В. Сушка и защита древесины/ И. В. Кречетов. М.: Лесная промышленность, 1987. - 326 с.

78. Шейдегер А. Э. Физика течения жидкости через пористые среды/ А. Э. Шейдегер. -М.: Гостоптехиздат, 1960. 250 с.

79. Липатов Ю. С. Процессы, развивающиеся на границе волокно-связующее/ Ю. С. Липатов. Влияние состояния поверхности на физико-механические свойства композиционных материалов. // Ж. Всес. хим. о-ва им. Д. И. Менделеева, №3, 1978, 305-309 с.

80. Доронин Ю. Г., Свиткина М. М., Мирошниченко С. Н. Синтетические смолы в деревообработке/ Ю. Г. Доронин, М. М. Свиткина, С. Н. Мирошниченко. М.: 1987. - 227 с.

81. Stamm A. J. Thermal degradation off wood and cellulose.- Industr/ Engng. Chem, 1956, 48, 3, 413.

82. Коробов В. В., Брик М. И., Рушнов Н. П. Комплексная переработка низкокачественной древесины и отходов лесозаготовок/ В. В. Коробов, М. И. Брик, Н. П. Рушнов. М.: Лесная промышленность, 1978. - 272 с.

83. Шегельман И. Р. Комплексное использование лесных ресурсов/ И. Р. Шегельман, И. В. Скадорва. Петрозаводск: Изд-во ПетрГу, 2000. - 40 с.

84. Heizemann H. Holz als Roh-und Werkstoff, 1970, Heft 8. S. 295-309.

85. Ширнин Ю. А. Лесной фонд и лесные ресурсы: Учеб. пособие/ Ю. А. Ширнин. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2003. - 204 с.

86. Чамеев В. В. Природно-производственные условия лесного фонда и размерно-качественная характеристика деревьев и хлыстов: Учеб. пособие /В. В. Чамеев, Б. Е. Меньшиков, В. В. Обвинцев. Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2001. - 108 с.

87. Baroth R. Literature review of latest development of wood debaking / R Baroth // University of Oulu, Control Engineering Laboratory. 2005/ № 27. 291. P

88. Ландау Л. Д., Лившиц Е. M. Гидродинамика/ Л. Д. Ландау, Е. М. Лившиц. М.: Наука, 1988. - 732 с.

89. Болотин В. В. Ресурс машин и конструкций/ В. В. Болотин. М.: Машиностроение, 1990, - 448 с.

90. Grinchik N. N., Kozhin V. P. // Modern problems of combustion and it applications. II International school-seminar. Minsk, 1997. P. 93-94.

91. Брич M. А., Кожин В. П., Щитников В. К.//Исследование кинетики процесса пропитки древесины/ М. А. Брич, В. П. Кожин, В. К. Щитников// Моделирование и эксперимент. Инженерно-физический журнал. Минск: 1999. - Том 72. № 4. 618 - 626 с.

92. Курьянова Т. К. Интенсификация процесса сушки древесины твердых лиственных пород / Т. К. Курьянова, А. Д. Платонов // Лес и молодежь ВГЛТА: материалы юбил. науч. внутривуз. конф. Молодых ученых ВГЛТА / ВГЛТА. 2003. С. 242-245.