автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Разработка технологий и оборудования термического модифицирования пиломатериалов

На правах рукописи

Разумов Евгений Юрьевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

5 ДЕК 2013

Казань - 2013

005541429

005541429

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждений высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»),

Научный консультант

Официальные оппоненты: —

Ведущая организация

доктор технических наук, профессор Сафин Руслан Рушанович

Рыкунин Станислав Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса», г. Москва, заведующий кафедрой технологии деревоперерабатывающих производств

Дорняк Ольга Роальдовна

доктор технических наук, с.н.с., ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», г. Воронеж, заведующая кафедрой сопротивления материалов и теоретической механики

Угрюмов Сергей Алексеевич

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет», г. Кострома, заведующий кафедрой лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств

Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова (САФУ), г. Архангельск

Защита диссертации состоится «26» декабря 2013 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, Казань, ул. К. Маркса, д. 68.

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

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Е.И. Байгильдеева

Общая характеристика работы

В Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года отмечается, что приоритетным направлением является «развитие мощностей по глубокой механической, химической и энергетической переработке древесины».

Актуальность темы. В настоящее время повышение эффективности деревообрабатывающих производств и коэффициента качественного использования самой древесины, приобретает несомненную актуальность как в России, так и в мире. Без инновационных концепций и технологий глубокой переработки проблему не решить даже при использовании современного высокотехнологического импортного оборудования. Необходим ряд новейших разработок, позволяющих пересмотреть использование древесины, в том числе низкосортной для нужд деревянного домостроения и мебельного производства.

Термическое модифицирование древесины позволяет повысить покупательскую привлекательность пиломатериала благодаря снижению гигроскопичности, повышению формоустойчивочти и биостойкости, а также благодаря улучшению декоративных качеств недорогих пород. Исследования в данной области ведутся последние 10-15 лет в таких странах как Финляндия, Франция, Америка, Латвия, Германия. Однако современные способы термомодифицирования имеют существенные недостатки: значительная продолжительность и высокая себестоимость процесса, отсутствие методик расчета процесса и оборудования, что приводит к экспериментальному поиску режимных параметров, в результате не являющихся оптимальными, отсутствие обоснованных рекомендаций по выбору той или иной технологии и оборудования термической обработки применительно к условиям конкретного предприятия. При этом данные о характеристиках самой термомодифицированной древесины серьезно разняться в различных источниках, поскольку нет единого подхода и полноценного изучения физических, механических и химических свойств термодревесины.

Кроме того, следует отметить, что на сегодняшний день различные исследования термомодифицирования находятся на стадии разработки и оптимизации технологий как с экономической, так и с технической точки зрения. При этом одной из наиболее изученных является, так называемая, финская технология (технология -Т11егто\\гоос1®), где термообработка древесины осуществляется в среде перегретого пара, которая отличается высокой себестоимостью процесса и дорогостоящим оборудованием, выдерживающим избыточное давление и действие агрессивной паровой среды. Кроме того, существенным недостатком камер, использующих данную технологию и широко представленных в настоящий момент на рынке, является отсутствие возможности предварительной сушки пиломатериала с высокой начальной влажностью в той же камере, что требует организации дополнительного сушильного цеха и исключает возможность использования в рамках небольших предприятий.

Малоизученной технологией остается термомодифицирование древесины в жидкостях, которая отличается экологичностью и является современной альтернативой химическим способам обработки древесины, а благодаря своему конструктивному решению может применяться на малотоннажных производствах. Существующая технология ТеглиЖок, где термообработка происходит в среде органических масел,

имеет два существенных недостатка: она отличается значительной продолжительностью процесса за счет охлаждения материала естественным образом и не предназначена для обработки твердых пород древесины. При этом целесообразно предположить, что технология термомодифицирования древесины в жидкостях рациональна именно для твердых пород благодаря их наименьшей пропитываемости.

До сих пор на стадии опытных экземпляров термокамер является технология термической обработки в среде инертных газов. При этом в качестве среды предлагается использование азота, хотя в то же время абсолютно не изученным остается термомодифицирование в среде углекислого газа, который может представлять собой продукты сгорания отходов деревообработки (топочные газы), что может значительно удешевить данный процесс.

Кроме того, до сих пор без внимания оставался контактный метод подвода теплоты к термомодифицируемому пиломатериалу. В то время как подобная технология может конструктивно упростить ведение процесса и позволит реализовать её на небольших предприятиях.

Таким образом, исследование термомодифицирования пиломатериалов с целью разработки новых и усовершенствования существующих технологий и оборудования, поиска рациональных режимных параметров и глубокого изучения свойств готового продукта является актуальной проблемой для деревообрабатывающей промышленности страны.

Настоящая работа выполнена при поддержке: гранта Академии наук Республики Татарстан для молодых ученых № 03-37/2011 «Технология термической обработки древесины в среде топочных газов»; гранта по программе Старт № Ю-4-Н3.8-0085 «Создание полупромышленной установки по вакуумно-контактному термомодифицированию древесных материалов».

Степень разработанности проблемы. Проблемам исследования и разработки технологии термомодифицирования древесных материалов посвящены работы в основном зарубежных ученых. Вопросам теплопереноса в технологиях термообработки древесины и математическому моделированию данных процессов посвящены работы ученого Nencho Deliiski (Bulgaria); вопросам влияния термообработки на физико-механические, химические и эксплуатационные свойства древесины - работы Danica Kaííková и Frantiäek Kaöik (Slovakia), Ladislav Dzurenda (Slovakia) и Vincent Repeltin (France), занимающегося также вопросами закономерностей изменения цветового решения древесины в процессе термомодифицирования; также вопросам термического модифицирования древесины посвящены работы Andreas О. Rapp (Hamburg), Anna Koski (Finland), Michael Sailer (Germany).

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и обоснование энергосберегающих технологий термомодифицирования пиломатериалов, создание метода расчета, определение рациональных режимных параметров и разработки энергосберегающего оборудования, позволяющих получать материал с заданными физико-механическими характеристиками и цветовым решением.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

■ изучение состояния проблемы термомодифицирования пиломатериалов и анализ процессов, протекающих в древесине при её термообработке;

■ разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования пиломатериалов в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов;

■ разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования пиломатериалов в среде топочных газов;

■ разработка технологии термомодифицирования древесины в жидкостях, позволяющей обрабатывать твердые породы древесины без снижения ее качества и сократить продолжительность процесса путем интенсификации стации охлаждения;

■ разработка математических моделей процессов и методик расчета параметров готовой продукции при термомодифицировании пиломатериалов в среде водяного пара, топочных газах, в жидкостях и контактным методом;

■ моделирование исследуемых процессов с целью выявления рациональных, с позиций качества и энергозатрат, режимов термомодифицирования;

■ изучение влияния высокотемпературной обработки на физико-механические и химические свойства древесины;

■ разработка инженерной методики определения необходимой продолжительности стадии термообработки с учетом требуемой степени термомодифицирования древесины, а также разработка компьютерной методики определения цветовой гаммы термодревесины в зависимости от температуры и продолжительности процесса;

" разработка энергосберегающей технологии высококачественной предварительной вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла;

■ разработка технологии предварительной сушки высоковлажной крупномерной древесины в жидкостях;

■ разработка экспериментальных установок для физического моделирования рассматриваемых процессов, а также исследования свойств термодревесины;

■ разработка аппаратурного оформления для предложенных технологий термомодифицирования пиломатериалов, а также промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.

Предмет и объект исследования. Предметом исследования являются технологии термомодифицирования древесины различными способами: в среде топочных газов, водяного пара, в жидкостях и контактным методом - с целью сокращения энергозатрат, повышения качества и снижения себестоимости термомодифициро-ванной древесины. Объектом исследования является древесина сосны, березы и дуба и их физико-механические, химические и цветовые характеристики, изменяющиеся в ходе термообработки.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой исследования являются теоретические и экспериментальные данные по механизму процессов тепломассопереноса внутри теплоносителя, тепломассообмена с материалом и тепломассопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработки. Для достижения поставленной цели в работе использованы методы математического и физического моделирования. Теоретической базой исследований являлись работы ученых по вопросам сушки и термомодифицирования коллоидных материалов с капиллярно-пористой структурой, влияния высокотемпературной обработки на свойства пиломатериалов, а также исследования физико-механических свойств древесины.

Эмпирическую основу составляли исследования физических и механических свойств объекта обработки, как в процессе высокотемпературной обработки, так и после неё, в частности: кинетические данные по температуре и плотности образца в процессе термообработки, изменение химического состава, механических и сорбци-онных параметров, цветовых характеристик после термообработки, исследование биостойкости полученной древесины.

Научные результаты, выносимые на защиту. В процессе выполнения работы лично соискателем получены следующие научные результаты:

■ Энергосберегающая технология сушки и термомодифицирования пиломатериалов в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, не имеющая аналогов.

■ Энергосберегающая технология термомодифицирования пиломатериалов в среде топочных газов, не имеющая аналогов.

■ Энергосберегающая технология осциллирующей сушки и термомодифицирования твердых пород древесины в жидкостях, отличающаяся от аналоговой меньшей продолжительностью процесса за счет интенсификации стадии охлаждения.

■ Усовершенствование технологии термомодифицирования древесины в среде перегретого водяного пара.

■ Обобщенная математическая модель и алгоритм расчета процессов термомодифицирования древесины, позволяющая определить продолжительность стадий нагрева, термообработки и охлаждения термодревесины в зависимости от требуемых характеристик готовой продукции.

■ Рациональные режимные параметры ведения процессов термомодифицирования пиломатериалов в среде топочных газов, в насыщенном паре, в жидкостях и контактным методом, полученные по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований и промышленной апробации.

■ Механизм изменения механических и физических свойств и химического состава древесины вследствие действия высоких температур без доступа воздуха.

■ Методика определения рациональных режимных параметров процесса термообработки с учетом требуемой степени модифицирования и окраски древесины.

■ Конструктивные особенности установок для сушки и термомодифицирования пиломатериалов и результаты их внедрения в производство.

Научная новизна результатов работы. Работа содержит научно-обоснованные технические и технологические решения, направленные на сокращение энергетических затрат на процесс термообработки и повышение качества термодревесины. Впервые исследованы и обобщены закономерности методов и результатов термической обработки древесины:

■ Создано обобщенное математическое описание технологических процессов, протекающих при термической обработке пиломатериалов, позволяющее выявить рациональные режимные параметры исследуемой технологии.

■ По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований выявлены пути снижения энергетических затрат, интенсификации процессов и повышения качества обрабатываемого пиломатериала: получена зависимость темпа повышения температуры пиломатериала от его толщины для стадии нагрева, обеспечивающая надлежащее качество готового продукта, получены рациональные режимные параметры процесса термообработки (температура и продолжительность) в зависимости от требуемой степени термомодифицирования и окраски древесины,

предложены рациональные режимы удаления летучих продуктов разложения древесины с целью снижения энергозатрат системой откачки, предложены энергоэффективные схемы проведения стадии охлаждения термодревесины после термообработки; выявлены кинетические закономерности процессов термообработки древесины различными способами.

• Разработаны и реализованы абсолютно новые способы термомодифицирования древесины в среде топочных газов и в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, новизна технологий которых подтверждена патентами.

• Разработана технология термомодифицировання высоковлажной крупномерной древесины в среде насыщенного водяного пара.

■ Усовершенствованы технологии термического модифицирования древесины в жидкостях и в среде перегретого водяного пара, новизна которых подтверждена патентами.

»Разработаны и реализованы новые способы предварительной вакуумно-конвективной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла и осциллирующей сушки крупномерной древесины в жидкостях, новизна которых подтверждена патентами.

■ Выявлены области рационального использования различных методов термомодифицирования пиломатериалов, разработаны рекомендации по выбору наиболее рациональной технологии в зависимости от целей предприятия и сортамента древесины.

■ Получены значения теплофизических коэффициентов для термодревесины сосны, березы и дуба в зависимости от степени термомодифицирования; проведено полновесное исследование механических характеристик, химического состава и биостойкости термодревесины сосны, березы и дуба в зависимости от продолжительности и температуры обработки.

■ Введено понятие - степень термомодифицирования и методика ее определения; установлено, что основное влияние на степень термомодифицирования оказывает температура обработки.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость представленной работы заключается в разработанной обобщенной математической модели, адекватность которой установлена в ходе проведения экспериментальных исследований. Математическое описание позволяет определять физические характеристики объекта исследования в зависимости от режимных параметров процесса термомодифицирования древесины в различных средах; устанавливать влияние отдельных факторов на процессы термообработки.

Практическая значимость полученных научных результатов заключается в создании новых энергосберегающих технологий термомодифицирования в среде топочных газов и в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, разработке технологии термомодифицирования высоковлажной крупномерной древесины в среде насыщенного водяного пара, усовершенствовании существующих технологий термического модифицирования древесины в жидкостях и в среде перегретого водяного пара, а также в разработке, создании и внедрении в производство соответствующего аппаратурного оформления указанных технологий термомодифицирования. Новизна технических и технологических решений подтверждены 13 патентами РФ. Разработана инженерная методика расчета технологических режимов термообработки в

зависимости от заданной степени термомодифицирования древесины и толщины пиломатериала.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)», п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции» и п. 4 «Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины» из паспорта специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки».

Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

■ на зарубежных международных конференциях: «Chip and chipless woodworking processes 2012» (Зволен, Словакия, 2012 г.); «Innovations in forest industiy and engineering design» (София, Болгария, 2012 г.); 14-ом Международном форуме по теп-ло-массообмену (Минск, Белоруссия, 2012 г);

■ на международных конференциях: «Математические методы в технике и технологии» (Псков, 2009 г., Саратов, 2010 г., Киев, 2011 г., Волгоград, 2012 г.); «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2009 г.); «Севергеоэкотех-2009» (Ухта, 2009 г.); «Тинчуринские чтения» (Казань, 2009 г.); «Биоэнергетика и биотехнологии - эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки» (Москва, 2009 г.); «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011» (Москва 2011 г), «Ресурсосбережение в химической технологии» (Санкт-Петербург, 2012 г.);

■ на всероссийских конференциях «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2009, 2011 гг.); «Жить в 21 веке» (Казань, 2009, 2010 гг.); «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 20 Юг); «Научному прогрессу - творчество молодых» (Йошкар-Ола, 20 Юг);

■ на научных сессиях по технологическим процессам ФГБОУ ВПО «КНИТУ» (Казань, 2008-13 гг.); ежегодных научных конференциях МарГТУ (Йошкар-Ола, 2008-12 гг.).

Результаты работы экспонировались на Международной выставке научно-технических достижений в Китае (Шеньян, Китай, 2009 г.), Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, 2010, 2011 гг.), 7-ой международной специализированной выставке-форуме «Промышленный салон-2008» (Самара, 2008 г.), 10-й Международной выставке-симпозиуме деревянных зданий и конструкций «Drevostavby 2013» (Прага, Чехия, 2013 г.).

Установка термомодифицирования древесины в топочных газах удостоена серебряной медали на Международной выставке научно-технических достижений в Китае. Технология термической модификации древесины удостоена серебряной медали на X Московском международном салоне инноваций и инвестиций в Москве.

Внедрение установок для термического модифицирования древесины с общим экономическим эффектом 23,7 млн. рублей в год осуществлено на предприятиях ЗАО «Ласкрафт», ООО «НПП «ТермоДревПром», ООО «НТЦ РТО», ООО «Промекс», ООО «Термотехнологии», ООО «ОКБ «Прогресс», ООО «Русская

мебель», ООО «Сириус».

Теоретические положения процессов термического модифицирования древесины, методики экспериментальных исследований и программные продукты, разработанные автором, используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Гид-ротермйческая обработка и консервирование древесины», «Методы математического и физического моделирования процессов в деревообработке» и «Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств».

Личное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора разработаны лабораторные, пилотные и промышленные установки; выполнены эксперименты и проведены опытные испытания. Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.

Публикации. По результатам выполненных исследований автором опубликованы 74 печатные работы, в том числе 2 монографии, 22 статьи в ведущих рецензируемых журналах и 13 патентов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 498 страниц машинописного текста, в том числе 392 страницы основного текста. Работа содержит 221 рисунков и 25 таблиц.

Содержание работы

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

В первой главе проведен анализ состояния вопроса разработки технологии термомодифицирования древесины, в результате которого поставлены задачи по исследованию высокотемпературной обработки древесных материалов в различных средах и анализу свойств полученной термодревесины в зависимости от режимов обработки.

Процесс термомодифицирования древесины представлен как сложная взаимодействующая система с последующим качественным анализом ее структуры, разработкой математического описания и оценкой неизвестных параметров.

Рассмотрены существующие способы термомодифицирования древесины как в России, так и зарубежом. До сих пор выпуск термообработанных сортов дерева ограничен относительно небольшим количеством установок, производственная мощность которых составляет 5-10 тыс. м3 дерева в год. При этом доля российского производителя термодревесины составляет менее б %, что объясняется высокими энергетическими затратами на проведение процесса. Решения задач и по снижению энергозатрат видится в разработке новых технологий и оптимизации существующих под узкие конкретные условия производства.

Следует отметить, что и зарубежные производители до сих пор находятся практически на начальном этапе поиска рациональных технологий термомодифицирования, поскольку в каждой отдельной стране развит лишь один из способов термической переработки древесины. При этом наиболее передовыми в этой области являются финские компании с технологией ТЬегто\Уоос1.

Теоретическое исследование существующих методов термической обработки

древесины выявило общие для всех основные стадии: повышение температуры в камере до 403 - 423 К и досушка материала при высокой температуре до абсолютно сухого состояния; повышение температуры до значений 463 - 533 К в зависимости от технологии и выдержка материала при этих значениях с целью придания древесине требуемых свойств и цвета; снижение температуры и доведение влажности древесины до эксплуатационных значений.

Кроме того, анализ литературных источников позволяет сделать вывод, что термомодифицированная древесина до сих пор остается малоизученным продуктом. Имеющиеся в литературе данные носят описательный характер и в основной своей массе не являются научно-обоснованными, поэтому требуется глубокое исследование химических, сорбционных, теплофизических, механических и других эксплуатационных параметров термодревесины в зависимости от режимов и степени термообработки.

Во второй главе представлены методики и результаты исследований основных свойств термомодифицированной древесины, необходимые для дальнейшего глубокого изучения процессов, протекающих при термической обработке пиломатериалов и разработке новых технологий и оборудования.

В ходе проведения экспериментальных исследований было выявлено, что термомодифицирование влияет на древесину, изменяя его химический состав. ИК-спектральный анализ показал, что воздействие температур в диапазоне до 433 К, продолжительностью до 8 часов практически не вызывает химических превращений в древесине: ИК-спектры натуральной древесины, высушенной по нормальным режимам, и термодревесины, подвергнутой тепловой обработке при 433 К, идентичны. Заметные изменения в полосе инфракрасного поглощения начинают происходить при воздействии на древесину сосны температуры 473 К более одного часа (рис. 1). При этом происходит разложение гемицеллюлоз, температура деструкции которых, варьируется в интервале от 473 до 533 К в зависимости от условий процесса.

22» 2000 1В00 1КО 1400 1200 1000 Ы питЬм («л'1)

а) б)

Рис. 1. ИК-спектры образцов термомодифицированной древесины: а) видоизменение полосы поглощения в области 2800 - 3000 см'1: 1 - 473 К, 3 ч; 2 -473 К, 4 ч; 3 - 493 К, 2 ч; 4 - 513 К, 1 ч; 5 - 533 К, 1 ч. б) видоизменение полосы поглощения в области 1730-1590 см'1: 1 -493 К, 1 ч; 2 -493 К, 2 ч; 3-493 К, 3 ч.

При термическом модифицировании древесины пропорционально температуре обработки наблюдается снижение водорастворимых редуцирующих веществ. Исследованиями установлено, что содержание Сахаров для термомодифицированной при 493 К древесины сосны сокращается более чем в 1,6 раза по сравнению с необработанной. Снижение содержания экстрактивных веществ в древесине дуба в зависимости от температуры обработки показано на рис. 2.

Модифицированная древесина была исследована на смачиваемость и гигроскопичность. Исследования показали, что с повышением температуры обработки предел гигроскопичности древесины сосны снижается до 8%, что объясняется замещением ОН-групп в молекулах целлюлозы.

На рис. 3 представлены результаты исследований развития давления набухания, которые характеризуют снижение данного параметра при увеличении температуры обработки древесины.

Рис.3. Давление набухания древесины в зависимости от температуры обработки.

Рис.2. Содержание экстрактивных веществ, растворимых в воде (%) в древесине термомодифшшрованного дуба.

Установлено снижение коэффициентов усушки и разбухания пропорционально увеличению температуры обработки материала (рис. 4).

к„

%

0,4 0,3 0,2 0,1 0

N

Ч ч /

к ч Кьь %

„ -і ■Л"

-г—-

к„

%

0,5 0.4 0,3 0,2 0,1 0

к.у, %

1

> ч к,,, % к.,% 1

■ N.. % и- ,

~ ■ —

т,к

а)

б)

Рис. 4. Изменение коэффициента усушки (а) и разбухания (б) древесины сосны от температуры термообработки

При моделировании и решении задачи теплопереноса внутри древесины в процессе термической модификации требуется знание теплопроводных характеристик исследуемого объекта. В связи с чем, была разработана экспериментальная установка, с помощью которой были определены зависимости коэффициентов

теплопроводности и температуропроводности исследуемого материала от температуры его обработки (рис. 5).

Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что термомодифицирование оказывает прямое влияние на изменение теплофизических свойств древесины: чем выше температура обработки, тем интенсивнее снижение коэффициента теплопроводности материала, что объясняется уменьшением его плотности.

м/с 1.0

Т„К

1 берет»

...

б)

Рис. 5. Зависимости коэффициентов теплопроводности (а) и температуропроводности (б) от температуры обработки древесины.

В результате чего, для удобства использования в математических расчетах получены выражения теплопроводности (1) и температуропроводности (2) термодревесины в зависимости от ее текущей плотности:

^м(сосна) = 6Е-0,6-р* - 0,0043 -рм +0,816, ( 1 )

а„(сос„а) = (- 63,5 -р^ + 451,1 ■ рм - 336,б)-10"7. ( 2 )

С учетом сохраняющейся текстуры натурального дерева наиболее рациональной формой эксплуатации термодревесины является использование её как отделочного материала. В связи с этим были проведены исследования влияния тепловой обработки на основные механические свойства термодревесины как материала для отделки: твердости и прочности на статический изгиб (рис. 6), которые позволяют сделать вывод о том, что повышение температуры и увеличение продолжительности термомодифицирования древесины ведет к снижению механических характеристик древесины.

н\

дж/см: 1.10

1,00

0,90

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

93 к

V, \ о *..... /Т^, к

........................і

I

120

а)

240

п.

Рис. 6. Изменение ударной твердости образцов березы (а) и предела прочности при изгибе дуба (б) в зависимости от времени и температуры обработки.

Однако термомодифициование не только повышает эстетические свойства материала, но и увеличивает его биостойкость. Экспериментально установлено механические характеристики термообработанной древесины, подвергнутой длительной

выдержке во влажном грунте сохраняются на прежнем уровне и, в конечном счете, становятся выше чем у аналогично выдержанной натуральной древесины, поскольку прочность натуральной древесины падает почти вдвое (рис. 7).

Для определения энергосиловых параметров процесса продольного и поперечного резания и качества обработки поверхности термически модифицированной древесины были проведены экспериментальные исследования процесса ее резания. Выявлено, что с повышением температуры термомодифицирования наблюдается снижение величины удельной работы резания относительно немо-дифицированной древесины как для продольного резания, так и поперечного, что объясняется снижением прочностных свойств термодревесины. Однако установлено, что термомодифицирование ведет к значительному повышению качества обработки и снижению шероховатости более чем в 2 раза, что объясняется снижением упруго-эластических свойств древесины.

В третьей главе приведена физическая картина процессов, протекающих при термообработке пиломатериалов, разработана обобщенная математическая модель термомодифицирования древесины в различных средах и представлены возможные алгоритмы расчета процесса термомодифицирования древесины в жидкости, в водяном паре, в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, а также в топочных газах.

Процесс термомодифицирования древесины можно представить как совокупность стадий прогрева, сушки, непосредственно термического модифицирования и охлаждения (рис. 8).

2 3 4

Рис. 7. Изменение ударной твердости образцов сосны в зависимости от

температуры обработки: 1 - контрольный; 2 - Тф = 453К; 3-То6р = 473К;4-То6р=493К.

термическая обработка ; охлаждение прогрев , выдержка

Т2 Т 2 Тэ Т4 Т*

Рис. 8. Схема ведения процесса термомодифицирования камерно-сухой древесины.

Внутреннюю задачу термомодифицирования древесины целесообразно рассмотреть как одномерную симметричную модель, решение которой сводится к

уравнениям переноса энергии в материале (3) и уравнение изменения плотности материала (4):

с 0 £Ll=

°мРм 5т дх{ы{ дх ат Рм

-q-k-pH>

(3)

(4)

Начальные условия, характеризующие начало всего процесса Тм(0;х) = const,

(5)

рм(0;х) = const. (6)

Функция изменения температуры поверхности материала в общем случае может быть описана следующим выражением

В процессе охлаждения теплоперенос внутри материала описывается дифференциальным уравнением теплопроводности

(7)

х=0

СмР*

зт

м _

мКм &Z дх при следующем граничном условии

— Я.

дх

эт.

(8)

(9)

х=0

Внешний тепломассоперенос в процессе термомодифицирования пиломатериалов в среде водяного пара. Дифференцированием формулы Сен-Венана-Венцеля, характеризующей расход пара, поступающего истечением в большой объём под высоким давлением определяем изменение массы пара в данной зоне за бесконечно малый промежуток времени

dm„, = ц' ■

2 к'+1"

я-d2 2к' о Р ( РУ'_( PV'

4 1 к' + 1 Рпг пг UJ UJ

di +

и'-я-т-аурпг-рпг

2 Р

fc'+l к

xfMi)

к'+1 к

dP р

(10)

Для определения изменения плотности паров в зоне их входа в аппарат воспользуемся формулой

dPnB = Tn-Rn-mn.,-P-V +JLd Рпв V„-R -ТI VCB

(И)

Так как поток полностью заполняет пространство камеры, то можно считать,

что теплоноситель одновременно обтекает все отдельные элементы штабеля. Тогда, рассматривая одномерную модель обтекания материала и пренебрегая молекулярной теплопроводностью и диффузией теплоносителя, дифференциальные уравнения переноса энергии и массы в прямоугольных координатах принимают вид

эт а(уу,т) [ч ".¡пгс ~а(т-ТП0ВМ)]-Р*

^ _ Ср.ср Рср ' ( )

Фср б^.Рср) , х.

+^ -ипге-^^м- (13)

Скорость движения потока пара относительно штабеля пиломатериалов определяется из выражения

V И'РсмК

Тепловой баланс процесса прогрева сушильного агента в точке выхода из калорифера можно представить в виде

к.Л1.риш.ат = ^.Рср.у.эт. (15)

Мер

Левая часть уравнения (15) характеризует приток тепла от калорифера, правая часть - изменение внутренней энергии выделенного объема теплоносителя.

Отсюда, получаем зависимость изменения температуры фронта среды при прохождении через калорифер, которая будет являться граничным условием для решения дифференциального уравнения (12)

=-77- • (16)

Граничное условие для решения дифференциального уравнения (13) определяется плотностью пара в зоне электронагревателей:

■ в момент подачи водяного пара из парогенератора

рп,4=о=р- <17>

■ после завершения подачи водяного пара (при достижении в аппарате требуемого давления) плотность паров в различных точках аппарата можно считать равной, поэтому расчетом по уравнению (13) можно пренебречь, а скорость в уравнении (12) принять за постоянную величину, определяемую характеристиками вентилятора

Внешний тепломассоперенос в процессе термомодифицирования пиломатериалов в жидкостях включает описание стадии нагрева начинается с описания теплопереноса внутри жидкого теплоносителя, которое можно представить, опираясь на дифференциальное уравнение переноса энергии с объемным источником тепла (12), где скорость движения определяется скоростью естественной конвекции

8-

1 + р'(г-29з) ' 1 + Р'(Т„аф.ж-293)

В процессе термомодифицирования древесины в жидкостях внутри материала наблюдаются два взаимообратных потока: поток пропитывающей жидкости из окружающей среды, направленный внутрь древесины, и поток парогазовой смеси продуктов разложения из древесины. При этом поток пропитывающей жидкости целее-сообразно рассматривать как движение смачивающей жидкости в капилляре с защемленным газом, при котором основное влияние на продвижение жидкости в капилляре оказывают процессы растворения и диффузии находящихся в капилляре газов и водяных паров в пропитывающую жидкость.

Скорость движения жидкости в тупиковом капилляре, скорость растворения и диффузии защемленного в нем газа описывается уравнением

ах 2ст'ж-со50-к'.Я.Тм-л/5" 1

= — = -г-ж-м . г- -—¡= с 19

Процесс пропитки древесины жидкостью будет происходить лишь в случае, когда скорость движения жидкости в тупиковом капилляре будет больше или равна скорости взаимообратного потока газообразных продуктов разложения, т.е. при выполнении следующего условия

(20)

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

Скорость потока продуктов разложения может быть определена с помощью уравнения

V/ --

'' ттгг

к' Р„,

к'-1

Рпгс

к'-1

1-

Ч пгс У

(21)

После завершения стадии термической модификации древесины материал следует охладить без доступа кислорода воздуха во избежание самовозгорания термодревесины. В этой связи охлаждение возможно двумя путями:

■ методом слива обрабатывающей жидкости и одновременной подачи водяного пара в рабочую полость аппарата;

■ путем непосредственного охлаждения в обрабатывающей жидкости.

Внешний тепломассоперенос в процессе термомодифицирования пиломатериалов в среде инертных газов. В качестве тепловых агентов в процессах термической обработки могут быть использованы такие инертные газы как азот, углекислый газ и т.п. В этом случае математическое описание внешнего теплопереноса в процессе термической обработки древесины аналогично представленному выше описанию термообработки материала в среде водяного пара и может быть представлено дифференциальным уравнением (12) при краевых условиях (5) и (16). При этом если азот для технологических нужд можно получить сепарацией воздуха с соответ-

ствукнцей затратой энергии, то в качестве углекислого газа целесообразно использовать топочные газы, полученные в результате сжигания древесных отходов. Использование топочных газов при термомодифицировании древесины приводит к значительному сокращению энергозатрат на ведение процесса, и позволяет получать тепловую энергию для технологических нужд.

Отсюда, рассмотрим способ термической модификации древесины, осуществляемый путем сжигания древесных отходов, со значением коэффициента избытка воздуха близким 1, с образованием топочных газов, направляемых в камеру для термической модификации древесины, где они используется в качестве агента обработки.

Для этого составим материальный баланс для всей среды, находящейся в камере термомодифицирования древесины

ашср = ашво,+ашп.+ёшпге, (22)

где изменение массы среды в камере зависит от изменения содержания массы воздуха, имевшегося в камере в начальный момент времени, массы топочных газов, поступающих в аппарат из топки и удаляемых из аппарата, массы парогазовой смеси, поступающей в аппарат из материала в процессе разложения его компонентов и удаляемой из аппарата.

Тогда, изменение парциальных давлений компонентов среды определяется производительностью топочной камеры и потоком парогазовой смеси из материала, а также производительностью системы удаления газа из аппарата.

^_ь..(0топ_Утт0сг)+^.£1, (23)

(24)

1 т т \ ТОП J ТГ ~C.IV -г А-

dx V„ Т dx

dPnrc Fm-R-T'-U n

J — 17 ^ПГС

dt VCB ' ^nrc

dp»Q3 _

J "воз

dx

VCB T dt^

(25)

1 dT Увоз°с.г T dT VCB ,

Для определения производительности топки найдем объем образующихся влажных топочных газов, который определяется из уравнения материального баланса сжигания древесины

= 0,161+ 0,005WP - 0,0074Ар + 4,818а' - 0,0472cc'Wp - 0,0472а'Ар. (26)

Температура топочных газов после теплообменника

гр _ П-гепл Ртг <?тг ^тг ^тепл Д^тета F-геш] ^ (27 )

птепл ртг стг

Граничное условие для решения дифференциального уравнения (12) для случая обработки в среде топочных газов

dTl _ Т -с,.р • pcp(G„e„ - Gcr)+TTr • Стг • • Ртг 2

dx /_q сср • рср • VCB

Внешний тепломассоперенос при вакуумно-контактном методе термомодифицирования пиломатериалов. С целью предотвращения самопроизвольного

возгорания древесины процесс термомодифицирования проводят в условиях вакуума, для этого в работу включены конденсаторы для улова летучих компонентов и водокольцевой вакуумный насос. Температура 533 - 543 К определяет начало экзотермической реакции, что может привести к неконтролируемому разложению древесины, поэтому температура нагревательных элементов не должна превышать 523 К.

Изменения давления и температуры парогазовой смеси над термомодифици-руемым пиломатериалом могут быть определены решением следующих уравнений

* Ч.-Мс и, таг!'

(29)

ат

ск

(«Р • (Тм,пов - т) + ссмЕ • ]П0ВТМП0В + К ■ Д1 • ¥иаг

> Пс

^смХгв^ * Нем

У„

т.

(30)

После окончания процесса термомодифицирования древесину необходимо лишить способности самовозгораться. Для этого древесину необходимо охладить до 393 - 403 К. Понижение температуры продукта осуществляется непосредственно в вакуумно-кондуктивной камере путем подачи водяного пара из парогенератора.

Совместное рассмотрение представленных моделей позволило разработать обобщенную математическую модель процессов термомодифицирования пиломатериалов, блок-схема алгоритма расчета которой представлена на рис. 9. Алгоритм расчета включает восемь блоков, связанных между собой операторами управления.

Зясым яеобходажойствгвжх термоирдифиофоваия

ВхЛор яда ипшяоекютя

I. Елмс расчета прар«в« древесины в еда» п»у«рвтого пара кии ююряад дм»

НЕшжржчепсялгга

улвлеккх кнвртного Г&Э&

X

Ш. Блох расчета прогрев« материала » среда насыщенного пара

VI Елок расчета процесса те пломасго пере коса вгутрж таломатервапа в процесса терхичесяого ждкфхцкровакяя

IV. Елок расчет« прогрева катерна» контагтяым ие годах

( К0Н8Ц ^

Рис. 9. Алгоритм расчета обобщенной математической модели процессов термомодифицирования пиломатериалов.

В четвертой главе приведены описания созданных экспериментальных установок и результаты математического и физического моделирования исследуемых процессов сушки и термомодифицирования древесины при различных режимах обработки; установлена адекватность разработанной обобщенной математической модели реальному процессу; определены рациональные режимные параметры. Для исследования процессов термического модифицирования древесины были разработаны и использовались: экспериментальная установка вакуумно-кондуктивной сушки и термомодифицирования пиломатериалов, экспериментальная установка для сушки и термомодифицирования древесины в жидкостях, экспериментальная установка для исследования кинетики вакуумно-конвективного термомодифицирования древесины в среде перегретого пара и экспериментальный стенд для исследования термомодифицирования древесины в среде топочных газов.

Разработанные экспериментальные установки обладают новизной, многие из технических решений, положенных в основу конструкций лабораторных установок, послужили основой для разработки аппаратурного оформления реальных технологических процессов и были защищены патентами РФ.

Адекватность разработанных математических моделей установлена обработкой результатов измерений, полученных при физическом моделировании, и результатов предсказания модели в идентичных условиях методами математической статистики. Погрешность расчета по разработанным моделям зависит от условий протекания процессов и находится в пределах 18 - 27 %.

Результаты проведенных исследований по термомодифицированию древесины в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов указали на целесообразность контактно-импульсного повышения температуры нагревательной плиты на стадии нагрева, представляющего собой многоступенчатый режим прогрева с периодическим полным отключением нагревательной плиты.

Экспериментальные исследования непосредственно термического модифицирования древесины показали отсутствие влияния плотности древесины на интенсивность потока массы летучих компонентов, что объясняется различным химическим составом разных пород древесины. Это предположение подтвердилось исследованием химического состава древесины: была установлена степенная зависимость между потоком летучих и содержанием пентоза-нов в составе древесины, которая представлена на рис. 10.

Также были проведены исследования величины давления в аппарате на стадии вакуумирования (рис. 11). Полученные данные показали, что увеличение текущей температуры обработки и толщины пиломатериала приводит к значительному увеличению количества аккумулированной тепловой энергии внутри материала, а в совокупности с уменьшением плотности породы древесины, вызывающем увеличение газовой фазы внутри пиломатериала, приводит к увеличению

Рис. 10. Зависимость интенсивности потока

летучих компонентов от процентного содержания пенгозанов в составе древесины.

выделения парогазовых продуктов разложения древесины и, как следствие, снижению темпа понижения давления в аппарате на стадии вакуумирования, что, в свою очередь, определяет технические характеристики (производительность) и интенсивность режима работы системы вакуумирования.

Применительно к термомодифицированию в жидкостях установлено, что процесс целесообразно осуществлять погружением пиломатериала в холодную жидкость с последующим нагревом, что позволяет получить равномерную по сечению степень модифицирования.

а) б)

Рис. 11 Зависимость давления на стадии вакуумирования от времени: для различных температур (а); для различных толщин пиломатериала (б).

В результате проведенных исследований для образцов древесины различных пород толщиной более 50 мм установлено, что интенсивность потока пропитывающей жидкости прямо пропорциональна температуре термомодифицирования, при этом глубина проникновения агента обработки в пиломатериал зависит не от пропитываемое™ натуральной древесины, а от её базисной плотности (рис. 12). Например, пропитываемость натуральной березы выше, чем пропитываемость ядровой зоны натуральной сосны, однако глубина проникновения агента обработки в термомоди-фицированную сосну оказалась больше, чем в случае с термомодифицированной

березой. Это можно объяснить тем, что при термомодифицировании древесины происходит высвобождение полостей макроструктурных элементов материала от содержащихся в них веществ (например, смол), в свою очередь определяющих способность пиломатериала к проницаемости жидкостями. Поэтому термомодифицирование древесины в гидрофобных жидкостях рациональнее применять для твердых пород, обладающих большей плотностью и, тем самым, меньшей глубиной проникновения агента обработки, что позволит снизить расход гидрофобной жидкости на проведение процесса и избежать больших потерь материала в процессе его дальнейшей механической обработки.

В результате математического моделирования получено выражение (31) для определения рационального темпа повышения температуры среды, обеспечивающе-

Рис. 12. Средняя глубина пропитки.

го надлежащее качество материала получаемого в процессе термомодифицирования.

4^ = 1,58-2,0041.^.^5. (3.)

VДт) 2 р

Оценка влияния толщины пиломатериала и температуры обработки на интенсивность процесса термомодифицирования указала на существенную зависимость продолжительности процесса термомодифицирования от данных параметров. Получено, что с целью снижения энергозатрат на ведение процесса давление в аппарате и производительность системы откачки необходимо регулировать, учитывая изменение потока летучих во времени (рис. 13).

кг/мгс I 1 I КГ/м2'С

а) б)

Рис. 13. Изменение взаимообратных потоков летучих (а) и пропитывающей жидкости (б) при термомодифицировании пиломатериала при разных температурах.

В случае термомодифицирования древесины в среде топочных газов стадию нагрева рационально разделить на два этапа: на первом этапе (до температуры среды 443 К) прогрев осуществлять непосредственной подачей топочных газов в камеру термообработки, на втором этапе - при достижении температуры среды 443 К - нагрев материала осуществлять средой, циркулирующей в замкнутом пространстве камеры и нагреваемой топочными газами через разделяющую теплообменную поверхность. По результатам математического моделирования и экспериментальных исследований было установлено рациональное время стадии нагрева до заданной температуры обработки в зависимости от толщины (рис. 14) и породы древесины (рис. 15).

"сосна

V X береза

[-дуб

"—

-

Рис. 14. Время прогрева пиломатериала до температуры обработки 493 К в зависимости от толщины.

Рис. 15. Время прогрева пиломатериала до требуемой температуры обработки в зависимости от температуры обработки, 5=50мм.

В результате проведенных исследований процесса термомодифицирования древесины в среде водяного пара было установлено, что с целью ускорения процесса прогрева целесообразно варьировать продолжительность периода обработки насыщенным паром в зависимости от начальной влажности и толщины материала (рис. 16).

В результате чего предложено термообработку для высоко влажных крупномерных материалов проводить в среде насыщенного пара высокого давления, что позволяет избежать стадии предварительной сушки и сократить общие энергозатраты на проведение процесса. Применительно к сухим пиломатериалам процесс термообработки целесообразно начать с нагрева материала до температуры 383 - 393 К горячим воздухом с последующим вытеснением воздуха из аппарата водяным паром и его перегревом, что позволит избежать увлажнения материала на стадии нагрева.

Завершающим этапом процесса термического модифицирования древесины является охлаждение. Данный этап позволяет существенно снизить напряжения, возникшие в пиломатериале в процессе обработки, а также исключить возможное самовозгорание древесины в процессе разгерметизации камеры (напуска воздуха). На рис. 17 и 18 представлены зависимости продолжительности стадии охлаждения готового продукта от породы, температуры обработки (рис. 17) и толщины пиломатериала (рис. 18).

%

Рис. 16. Давление в аппарате в момент времени т'г (из рис. 8) в зависимости от влагосодержания древесины.

Ъ* 1 3.5 3.0 2.5 !,0 1.5 1,0 0,5

і

/■ сосна

X /

беря»

¡1)6

нм

Рис. 17. Время охлаждения пиломатериала в зависимости от температуры обработки.

Рис. 18. Время охлаждения пиломатериала в зависимости от его толщины.

В результате проведенных исследований была выявлена целесообразность широкого промышленного использования способа термомодифицирования древесины недорогих пород в среде топочных газов, применительно к модифицированию труднопропитываемых пород в условиях малых производств предложено использовать термообработку в жидкостях. Установлены ниши для рационального использо-

вания технологии термического модифицирования пиломатериалов в среде водяного пара и в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов.

В пятой главе приводятся результаты внедрения в производство технических решений, направленных на усовершенствование существующих и создание принципиально новых технологий термической обработки пиломатериалов в рамках различных предприятий.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования термического модифицирования древесины в различных средах позволили определить потенциальные пути развития и интенсификации процесса. На их основе были осуществлены мероприятия, направленные на разработку и промышленную реализацию технологий термомодифицирования пиломатериалов в среде топочных газов, водяного пара и жидкостей, а также вакуумно-контактным методом. На рис. 19 представлен алгоритм выбора различных технологий термомодифицирования в зависимости от вида перерабатываемого древесного материала, его геометрических размеров, влажности и породы. Также в представленном алгоритме предусмотрен выбор оптимального варианта обработки в зависимости от объема производства термодревесины в месяц.

Рис. 19. Пути использования различных технологий термомодифицрования.

На основе результатов экспериментальных исследований и математического моделирования процесса контактного метода термомодифицирования древесины была разработана пилотная пресс-вакуумная установка (рис. 20) объемом загрузки 2 м , внедренная в ООО «НПП «ТермоДревПром» (г.Казань). Новизна используемого способа термообработки пиломатериалов в данной пилотной установке подтверждена патентом РФ .V» 2425305 «Способ сушки и термической обработки древесины».

Оригинальной частью технологии обработки древесины в данной установке является подвод тепловой энергии, осуществляемый контактным способом от перфорированных металлических пластин, а загружаемая древесина может иметь высокую начальную влажность, после загрузки которой в вакуумную камеру начинается стадия сушки, состоящая из чередующихся стадий нагрева древесины при атмосферном давлении и вакуумирования до достижения влажности древесины диапазона 15-18% с последующей досушкой при постоянном подводе тепловой энергии. После досушки осуществляется нагрев древесины до 473 - 513 К по логарифмическому закону (31) при постепенно повышающемся в камере давлении до атмосферного значения за счет выделяющихся из древесины продуктов разложения. После достижения заданной температуры термического модифицирования производится выдержка и последующее понижение температуры до 373 К путем охлаждения образовавшийся в камере среды внутренним теплообменником.

Г"" О 8 ъ— \7 2 6 6 —ч-ht

['

Рис. 20. Обший вид и схема пилотной пресс-вакуумной установки сушки и термомодифицирования пиломтатериалов: 1 - герметичная камера; 2 - крышка; 3 - кожухо-трубчатый конденсатор; 4 - вакуумный насос; 5 - пиломатериал; 6 - нагревательные плиты; 7 - модуль управления

и регистрации данных; 8 - манометр; 9 - напускной клапан; 10 - парогенератор.

В результате опытно-промышленных испытаний по термомодифицированию пиломатериалов в пилотной пресс-вакуумной установке была получена цветовая гамма термодревесины толщиной 25 мм в зависимости от температуры и продолжительности обработки. Компьютерная обработка полученной текстуры термодревесины позволила определить цветовой код по системе кодировки цвета RGB. Получены уравнения интенсивности красного R (34), зеленого G (35) и синего В (36) цветов в текстуре термодревесины сосны в диапазоне температур 433 — 533 К)

R =

G =

204.1187 - 9.797т -1,58t + 0.1386т2 + 0.003 It2 + 0.0378т • t 1 - 0.056т - 0.008 It + 0.00067т2 +1.66-10-512 + 0.00025т ■ t

157.33 - 8.449т -1,245t + 0.132т2 + 0.002556t2 + 0.032т • t

1 - 0.052т - 0.00846t + 0.000485tz +1. В = -1217.088 + 44.48т + 22.112t

- 10_5t2 -

0.00023т-t

0.3375т2 — 0.118t2 — 0.571т-1 +

+ 0.12т +0.0002t +0.00164т-t -0.00375т

(32)

(33)

С целью апробации результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов термомодифицирования древесины в жидкостях, была создана промышленная установка, испытания которой были проведены на предприятии ООО «НПП «Термотехнологии» (г. Казань). На рис. 21 представлены общий вид и принципиальная схема промышленной установки термомодифицирования древесины в гидрофобных жидкостях, которая защищена патентом РФ № 2453426 «Способ морения древесины и устройство для его реализации».

Рис. 21. Общий вид и схема промышленной установки термомодифицирования древесины в гидрофобных жидкостях: 1 - герметичная камера; 2 - крышка; 3 - прижимная перегородка; 4 - нагреватель; 5 - пиломатериал; 6 - лопастная мешалка; 7 - конденсатор; 8 - вакуумный насос; 9 - напускной клапан; 10 - емкость для хранения гидрофобной жидкости;

11 - паропровод; 12 - модуль управления и регистрации данных.

Технологический процесс складывается из стадий нагрева до температуры 473 - 513 К, выдержки древесины при данных температурах в герметичной камере, заполненной маслом с температурой вспышки выше 533 К, охлаждения путем слива масла, вакуумирования древесины, пропаривания ее водяным паром и повторного вакуумирования в течение 2-3 часов. Снижение энергозатрат на проведение процесса охлаждения обеспечивается отсутствием необходимости дополнительного подвода энергии на получение водяного пара: водяной пар получают вследствие охлаждения агента обработки (масла).

В результате проведенных опытно-промышленных испытаний были получены диаграммы (рис. 22) продолжительности стадии термообработки в зависимости от требуемой степени термомодифицирования для древесины дуба.

450. 400 350 300

150 100

/40ЯК,

12

/ / /'!•

СО • / х У У у / /. /

.....~ > уУ/ 1'' /

„ • 1/1 ...

' * /

.....л....................

.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.00 0,65 0.70 0.75 0.8

Рис. 22. Продолжительность стадии термообработки от степени термомодифицирования древесины дуба.

Разработанная пилотная установка по термическому модифицированию древесины в среде топочных газов рис. 23 с объемом загрузки 1,5 м3, была внедрена на предприятии ООО «Сириус» (г. Йошкар-Ола). Новизна используемого способа по термическому модифицированию древесины в данной пилотной установке подтверждена патентом РФ № 2422266 «Способ термообработки древесины».

Рис. 23 Общий вид и схема пилотной установки по термомодифицированию древесины: 1 - обечайка; 2 - крышка; 4 - бак с водой; 5 - пиломатериал; 6, 8 - экраны; 7 - вентилятор;

9 - нагнетающий вентилятор; 10 - теплообменник; 11 - топка; 12 - выхлопная труба.

Обработка материала начинается с постепенного прогрева пиломатериала до 453 - 513 К в топочных газах, образующихся в результате газификации отходов деревообработки и последующего сжигания синтез-газа с коэффициентом избытка воздуха близким к 1 и охлажденных в теплообменнике до температуры 453 — 513 К, причем излишняя тепловая энергия, отведенная при охлаждении топочных газов, направляется для предварительной сушки древесины. Стадия постепенного нагрева древесины до температуры 433 - 443 К осуществляется путем подачи в камеру дымовых газов, высокой концентрации, и их непрерывной многократной циркуляцией в камере, а по достижении 433 - 443 К происходит подача дымовых газов из топки в теплообменник и дальнейший нагрев до 453 - 513 К осуществляется за счет теплопередачи между парогазовой смесью, циркулирующей в камере, и дымовыми газами, подаваемыми в теплообменник; после достижения средой заданной температуры происходит выдержка древесины при этой температуре обработки, далее осуществляется охлаждение древесины путем пропаривания.

В результате опытно-промышленных апробаций пилотной установки была выявлена целесообразность широкого промышленного использования способа термомодифицирования древесины в среде топочных газов. В связи с чем, была разработана промышленная камера термической обработки, объемом загрузки 15 м (рис. 24), внедренная на предприятии ООО «Промекс» (г. Минск). Новизна технических и технологических решений, заложенных при проектировании промышленной камеры подтверждена патентом РФ № 2437043 «Способ и устройство сушки и термической обработки древесины».

Особенностью установки является то, что дымовые газы через первый газоход подаются в камеру, снабженную внутренним аэродинамическим контуром, обеспечивающим многократную циркуляцию находящейся в камере паровоздушной смеси через уложенную в штабель древесину. При этом внутренний аэродинамический контур снабжен теплообменником и центробежным вентилятором, имеющим сдвоенный кожух-улитку для создания двух потоков парогазовой смеси. Меньший поток

выбрасывается в атмосферу, предотвращая повышение давления в камере за счет поступления дымовых газов из топки, больший поток направляется для последующего разбавления с дымовыми газами и дальнейшей циркуляции через уложенную в штабель древесину. Также оба выхода кожуха-улитки снабжены эжекторами; теплообменник внутреннего аэродинамического контура сообщается с топкой через второй газоход таким образом, что в начале процесса дымовые газы подаются во внутренний аэродинамический контур через первый газоход, а по достижении в камере 433 - 443 К дымовые газы из топки через второй газоход подаются в теплообменник для нагрева парогазовой смеси, находящейся в камере, путем теплопередачи.

0

Рис. 24 Общий вид и схема промышленной камеры термомодифицирования древесины: 1 - теплоизолированная металлическая камера; 2 - створки; 3,4- газоходы; 5, 6 шиберные заслонки; 7 - фальш-пол; 8 - фалып-потолок; 9 - центробежный вентилятор; 10,11 - эжекти-руюшие устройства; 12 - пиломатериал; 13 - топка; 14 - газоход; 15 - специальный кожух-улитка; 16,17 - выходные патрубки; 18 - форсунки водопровода.

В завершении опытно-промышленных испытаний промышленной камеры были получены зависимости расхода топлива на процесс термомодифицирования древесины сосны в летнее и в зимнее время, приходящий на 1 куб. метр термодревесины в зависимости от требуемой степени ее обработки, представленные на рис. 25.

(3, кг/м 500 450 400 350 300 260 200 150 ТОО 50

_ • **

. — •

•

/ , __

__—-

с — '1=

0,5

- в летнее время;

- в зимнее время.

Рис. 25 Расход топлива на процесс термомодифицирования древесины сосны в зависимости от степени ее обработки.

На основе результатов экспериментальных исследований и математического моделирования было предложено усовершенствование технологии термомодифици-

розания древесины в среде перегретого пара, позволяющее улучшить конечное качество материала ввиду отсутствия характерного для термодревесины запаха, что достигается путем многократного пропаривания и вакуумирования термодерева на стадии охлаждения.

Для реализации изучаемой технологии на основе аналитического и патентного исследования была разработана и создана установка для реализации вакуумно-конвективной сушки и термомодифицирования пиломатериалов в среде перегретого пара объемом загрузки 10,2 м3 пиломатериалов, принципиальная схема и внешний вид которой представлены на рис. 26. Совместно с ООО «ФерриВат» данная установка внедрена на ООО «Русская мебель» (г. Кимры). Новизна используемого способа по термическому модифицированию древесины в среде перегретого пара в данной установке подтверждена патентом РФ № 2453425 «Способ термической обработки древесины».

Рис. 26 Общий вид и схема промышленной установки по термомодифицировашпо древесины в среде перегретого пара: 1 - обечайка; 2 - крышка; 3- камера термообработки; 4 - ТЭНы; 5 -вентилятор; 6 - парагенератор; 7 - конденсатор; 8 - вакуумный насос; 9 - перфорированные сетки; 10 - пиломтериал; 11 - напускной клапан.

Согласно известной методике исследования выделяющихся летучих веществ из материала, были изучены образцы термомодифицированной сосны после проведения нескольких циклов «пропаривание - вакуумирование». Результаты испытаний представлены на рис рис. 27. Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что количество находящихся в термодревесине летучих веществ уменьшается с каждым новым циклом «пропаривание -вакуумирование», что доказывает целесообразность проведения данной процедуры с целью избавления от характерного для термодревесины запаха. Причем рациональное количество циклов для пиломатериалов толщиной до 50 мм составляет 3-4 цикла.

С целью. реализации исследуемого способа термомодифицирования древе-

2 3 4 5

ікне звораишмюрарэднк. ю

Рис. 27 Исследование количества летучих веществ в образцах термомодифицированной сосны в зависимости от количества циклов «пропаривание - вакуумирование».

сины

в среде насыщенного водяного пара была разработана технология термомоди-

фицирования высоковлажных оцилиндрованных бревен в среде насыщенного водяного пара с одновременной подсушкой. Обработке подвергалась свежесрубленная древесина со средним влагосодержанием более 60%. Технологический процесс складывался из следующих основных этапов: повышение температуры в аппарате до 453 К путем подачи насыщенного пара из парогенератора, выдержка древесины при высокой температуре и давлении насыщенного пара в течение 2-5 часов с целью термомодифицирования материала на глубину до 50 мм, вакуумирование для подсушки обработанной древесины.

Недостатком данной технологии считается высокое давление в аппарате до 10 атм, что в промышленных условиях значительно повышает металлоемкость оборудования и, как следствие, себестоимость процесса. В связи с этим предлагается конструкция аппарата для термомодифицирования и досушки оцилиндрованных бревен высокой влажности, в которой каждое бревно помещается в отдельную емкость небольшого диаметра, что позволяет значительно уменьшить толщину обечайки.

С целью апробации возможности использования предложенной конструкции аппарата для термомодифицировании и сушки бревна в среде насыщенного пара был создан пилотный элемент установки в виде камеры для единичного бревна (рис. 28), испытания которой были проведены в условиях малого предприятия по производству домов из оцилиндрованного бруса ООО «ОКБ «Прогресс» (г. Волжск).

Рис. 28. Общий вид и схема промышленной установки по термомодифицированию древесины в среде перегретого пара: 1 - обечайка; 2 - крышка; 3- камера термообработки; 4 -ТЭНы; 5 -вентилятор; 6 - парагенератор; 7 - конденсатор; 8 - вакуумный насос; 9 - перфорированные сетки; 10 - пиломтериал; 11 - напускной клапан.

По полученным результатам пилотных испытаний предложенного метода термомодифицирования бревна в среде насыщенного пара была построена диаграмма изменения глубины термомодифицирования оцилиндрованного бревна при температуре выдержки 453 К (рис. 29).

Рис. 29. Глубина термомодифицирования оцилиндрованного бревна при температуре выдержки 453 К.

Таким образом, разработанные технологии термомодифицирование пиломатериалов просшли опытно-промышленную апробатцию и показали экономическую эффективность предложенных решений. Общий экономический эффект от внедрения составил 23,7 млн. рублей в год.

В шестой главе приведены результаты по модернизации существующих или созданию новых технологий и оборудования в смежных областях промышленности, в основе которых лежат проведенные исследования по термомодифицированию древесины.

При рассмотрении физической картины процессов термомодифицирования пиломатериалов была установлена целесообразность разработки новых технологий предварительной сушки древесины перед её термической обработкой, поскольку также классические технологии удаления влаги как вакуумно-кондуктивная сушка и сушка древесины в жидкостях зачастую, не удовлетворяют по качеству при сушке массивной древесины. В связи с этим, учитывая, что при термомодифицировании древесины качество сушки пиломатериала имеет определяющее значение, были предложены технологии вакуумно-кондуктивной сушки с периодическим подводом тепловой энергии к материалу и осциллирующая сушка древесины в жидкостях.

Особенностью предложенных технологий является чередование стадий нагрева древесины и вакуумирования, при этом на стадии нагрева происходит не только накопление внутренней энергии для дальнейшей сушки на стадии вакуумирования, но и релаксация возникающих внутренних напряжений вследствие выравнивания влажности по сечению материала.

Проведенный анализ продуктов сушки по предложенным технологиям указал на возможность высококачественной сушки пиломатериалов вакуумно-кондуктивными методом с периодическим подводом тепловой энергии по сравнению с классическим подходом, и на целесообразность использования осциллирующей сушки в гидрофильных жидкостях применительно к крупномерной древесине (рис. 30).

Ь)

363 К

.—«

353 К

343 К

/

Рис. 30. Кривые осциллирующей сушки (а) и скорости сушки (б) сосновых бревен в гидрофильной жидкости.

Одним из сфер глубокой переработки древесины является использование данного материала в производстве композиционных материалов. Древесина, применяемая как наполнитель в производстве древесно-наполненных композитов, являясь дешевым сырьем, снижает себестоимость готовой продукции. Однако древесный наполнитель имеет неблагоприятные факторы, влияющие на свойства композита: объемно-влажностные деформации, повышенная химическая агрессивность и низкая биостойкость.

В связи с этим, было предложено предварительное термомодифицирование древесного наполнителя в производстве композиционных материалов, что позволяет избежать снижения прочностных характеристик вследствие уменьшения давления

набухания в процессе эксплуатации изделия во влажных условиях (рис. 31). Из представленных графиков видно, что термическое воздействие в диапазоне температур 453 - 483 К существенно увеличивает эксплуатационные характеристики композиционного материала, повышая его влагостойкость.

Новизна предложенного способа по модифицированию древесного наполнителя в производстве композиционных материалов подтверждена патентом РФ № 2464162 «Способ изготовления древесно-наполненного композиционного материала». Для аппаратурного использования данной техологии получен патент РФ № 2422268 «Установка для получения экструзионных древесно-стружечных плит».

Кроме того, в результате исследований процессов термомодифицирования древесины в среде топочных газов было установлено существенное влияние влажности древесных опилок на КПД и устойчивую работу газогенератора. В связи с этим была предложена конструкция газогенератора, которая позволяет повысить теплотворную способность газа за счет предварительной сушки влажной древесной щепы. Новизна конструкции газогенератора подтверждена патентом РФ № 2453768 «Газогенератор для газификации влажного топлива».

В приложении к работе приведены элементы программ расчета исследуемых процессов на ПЭВМ, результаты статистической обработки полученных данных, акты внедрений, подтверждающие практическое использование основных результатов работы предприятиями, и результаты промышленных испытаний.

Основные результаты работы

1. Применение методологического подхода к исследованию технологических процессов термомодифицирования пиломатериалов позволило впервые научно обосновать и разработать единую методику исследования данных процессов, с помощью, которой решены задачи снижения энергозатрат, интенсификации процесса и повышения качества продукции.

2. Разработана обобщенная модель технологических процессов, протекающих при термической обработке пиломатериалов, позволяющая прогнозировать характер

Ос*,

- бе увлаяо- к

ения

увлажнение-

323 373 423 473 Т, К

Рис. 31. Предел прочности на сжатие композита, изготовленного из термомодифицированных диевесных частиц.

протекания процесса, выявить пути его интенсификации, а также обоснованно рассчитать оборудование и рациональные режимные параметры. Предложен алгоритм расчета исследуемых процессов и компьютерная программа для моделирования.

3. Впервые экспериментально определены теплофизические свойства термодревесины в зависимости от ее текущей плотности.

4. Созданы экспериментальные установки для исследования указанных процессов. Отдельные решения, положенные в основу лабораторных установок, в дальнейшем нашли использование в аппаратурном оформлении процессов тепловой обработки древесины. Экспериментальные установки используются в учебном процессе и позволяют оперативно готовить опытные образцы и осуществлять всестороннее изучение процессов термической обработки пиломатериалов.

5. По результатам математического моделирования выданы рекомендации по ведению исследуемых процессов:

■ при вакуумно-контактном способе наиболее равномерное термомодифицирование по сечению образца достигается в процессе контактно-импульсного нагрева, представляющего собой многоступенчатый режим прогрева с периодическим полным отключением нагревательной плиты;

■ при термомодифицировании древесины в жидкостях с целью равномерной по сечению термической обработки материала начальная температура жидкости не должна существенно отличаться от начальной температуры обрабатываемого сырья;

■ при термомодифицировании древесины в среде топочных газов стадию нагрева рационально разделить на два этапа: на первом этапе (до температуры среды 443 К) прогрев осуществлять непосредственной подачей топочных газов в камеру термообработки, на втором этапе - при достижении температуры среды 443 К - нагрев материала осуществлять средой, циркулирующей в замкнутом пространстве камеры и нагреваемой топочными газами через разделяющую теплообменную поверхность;

■ при термомодифицировании древесины в среде водяного пара с целью ускорения процесса прогрева целесообразно варьировать продолжительность периода обработки насыщенным паром в зависимости от начальной влажности и толщины материала;

■ для снижения энергозатрат на ведение процесса термомодифицирования древесины в условиях автоклавов давление в аппарате и производительность системы откачки необходимо регулировать, учитывая изменение интенсивности потока летучих по времени.

6. Предложены методы интенсификации и снижения энергозатрат стадии охлаждения готовой термодревесины. Установлено, что время пропарки термообрабо-танной древесины и расход подаваемого пара повышается с увеличением удельной поверхности материала.

7. Введено понятие - степень термомодифицирования, на основе которой разработаны методики прогнозирования цветовой гаммы термодревесины в зависимости от температуры и продолжительности обработки.

8. Разработаны и реализованы абсолютно новые способы термомодифицирования древесины в среде топочных газов и в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов, новизна технологий которых подтверждена патентами.

9. Предложена технология термического модифицирования твердых пород

древесины в жидкостях, позволяющая интенсифицировать стадию охлаждения без дополнительных энергозатрат путем подачи водяного пара и вакуумирования, кроме того, это позволяет частично удалить агент обработки из внутренних полостей клеток древесины.

10. Впервые показана возможного проведения технологии термомодифицирования свежесрубленной древесины без предварительной сушки, для чего разработана энергосберегающая технология термомодифицирования высоковлажного крупногабаритного древесного сортимента в сред насыщенного водяного пара с последующей подсушкой для использования в деревянном домостроении.

11. Усовершенствована технология термомодифицирования древесины в среде перегретого пара, отличающаяся от аналоговых меньшей стоимостью, а также улучшенными конечными качествами материала ввиду отсутствия характерного для тер-момодифицированной древесины запаха, что достигается путем многократного про-паривания и вакуумирования термодерева на стадии охлаждения.

12. Разработаны и реализованы новые способы предварительной вакуумно-конвективной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла и осциллирующей сушки крупномерной древесины в жидкостях, новизна которых подтверждена патентами.

13. В результате математического моделирования и экспериментальных исследований предложены рекомендации по режимным параметрам исследуемых процессов. Результаты проведенных исследований использованы при проектировании и разработке промышленных установок, внедренных на предприятиях ООО «Сириус» (г. Йошкар-Ола), ООО «Промекс» (г. Минск), ООО «Русская мебель» (г. Кимры), ООО «ОКБ «Прогресс» (г. Волжск), ООО «НПП «ТермоДревПром» (г. Казань), ЗАО «Ласкрафт» (г. Казань), ООО «НТЦ РТО» (г. Казань), ООО «Термотехнологии» (г. Казань). Суммарный ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов исследования составляет свыше 31,8 млн. рублей. Реальный экономический эффект, подтвержденный актами, составляет 23,7 млн. рублей.

Условные обозначения

Т, I - температура, К; Т' - предельная температура дымовых газов, К; т - масса, кг; Р - давление, Па; X - коэффициент теплопроводности, Дж/(м • с • К); а - коэффициент теплоотдачи, Дж/(м2 • с ■ К); а, - коэффициент температуропроводности, м2/с; р - плотность, кг/м3; б - массовый расход, кг/с; К - коэффициент теплопередачи, Дж/(м2 • с • К); х - текущее время, с; q - удельная теплота химической реакции, Дж/кг; х, у, г, £ — координаты; 3 - поток массы, кг/(м2 • с); к - константа скорости химической реакции, сек'1; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг • К); V - объем, м3; \У - влагосодержание, кг/кг; А -зольность, кг/кг; Я — универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль ■ К); ц- молекулярная масса, кг/кмоль; ц' - коэффициент расхода; к' - показатель адиабаты; Д1 - температурный

2 т-*

напор, К; Ь - степень термомодифшшрования; И - площадь поверхности, м ; гм - удельная поверхность материала, м2/м3; Н*« - ударная твердость, Дж/см2; ст - предел прочности, Па; й - диаметр паропровода, м; 4 - коэффициент местного сопротивления; - скорость потока, м/с; § - ускорение свободного падения, м/с2; Р' - коэффициент температурного расширения, 1/К; О - коэффициент диффузии, м2/с; у - массовая доля компонента, кг; П - объемная производительность м3/с; ст' - коэффициент поверхностного натяжения;

cos 9 - мера смачивания пористого тела; г - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; ТМ

- термомодифицирование.

Индексы: м - материал; п.в - входящий пар; пгс - парогазовая смесь; п - пар; св -свободный объем камеры; пов - поверхность; ср - среда; см — смесь; кал - калорифер; нагр.ж - нагреваемая жидкость; кап - капилляр; жх - жидкость в тупиковом капилляре; z

- направление по высоте; с.ж — столб жидкости; эв — экстрактивные вещества; воз — воздух; тг — топочные газы; топ — топка; с.г. — система удаления газа; вен — вентилятор; с.п — система удаления пара; н - начальная; наб - набухание; г - газ; ж - жидкость; изг - изгиб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монографии:

1. Разумов, Е.Ю. Вакуумно-конвективная сушка пиломатериалов: Монография / Е.Ю. Разумов, Р.Р.Сафин, P.P. Хасаншин [Текст]. - Казань: КГТУ, 2009 г. - 260 с. - ISBN 978-5-7882-0770-4.

2. Разумов, Е.Ю. Осциллирующая сушка-пропитка крупномерной древесины в жидкостях: Монография / Е.Ю. Разумов, Н.Р. Галяветдинов Р.Р. Сафин [Текст]. - Казань: КНИГУ, 2011 г. - 92 с. - ISBN 978-5-7882-1131-2.

Статьи в ведущих рецензируемых журналах:

3. Разумов, Е.Ю. Установка для переработки отходов древесных производств / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, А.Е. Воронин [Текст] // Журнал «Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского». Тамбов. - 2009 г. -№5(19). - С. 82-86.

4. Разумов, Е.Ю. Установка для термической переработки отходов / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, И.А. Валеев и [др.] [Текст] // Журнал «Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского». Тамбов. - 2009 г. - №5(19). - С. 95-101.

5. Разумов, Е.Ю. Разработка комбинированной технологии сушки оцилиндрован-ных бревен / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, В.И. Петров и [др.] [Текст] // Вестник Московского государственного университета леса «Лесной вестник». М. - 2009 г. - № 2 (65). - С. 139-143.

6. Разумов, Е.Ю. Термомодифицирование древесины в среде топочных газов / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, P.P. Хасаншин, H.A. Оладышкина [Текст] // Вестник Московского государственного университета леса «Лесной вестник». М. — 2010 г. - № 4 (73). - С. 95-99.

7. Разумов, Е.Ю. Изменение наноструктуры древесных частиц в плазме ВЧ-разряда пониженного давления / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, P.P. Хасаншин [Текст] // Вестник Московского государственного университета леса «Лесной вестник». М. — 2010 г. - № 4 (73). -С. 91-95.

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

9. Разумов, Е.Ю. Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицированию, с помощью ИК-спектрометра / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, П.А. Кайнов, P.P. Хасаншин [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. -2010. -№.10. - С. 100-104.

10. Разумов, Е.Ю. Термомодифицирование измельченной древесины в процессе производства древесно-наполненных композитов / Е.Ю. Разумов [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань.-2010. -№.9. —С. 198-203.

11. Разумов, Е.Ю. Математическая модель кондукгивной сушки коллоидных капиллярно-пористых материалов при давлении ниже атмосферного / Е.Ю. Разумов, P.P. Хасаншин, Ф.Г. Валиев [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2010. - №.9. - С. 463-469.

12. Разумов, Е.Ю. Энергосберегающая установка для сушки и термической обработки древесины / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафнн, H.A. Оладышкина [Текст] II Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2010. - №.9. — С. 542-547.

13. Разумов, Е.Ю. Способ обработки термомодифицированной древесины / Е.Ю. Разумов, Р.В. Данилова [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2011. - №.4. - С. 74-78.

14. Разумов, Е.Ю. Тепломассоперенос внутри древесины в процессе ее термического модифицирования / Е.Ю. Разумов, Р.В. Данилова, П.А. Кайнов [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2011. - №.20. - С. 137-142.

15. Разумов, Е.Ю. Математическая модель процесса термомодифицирования древесины труднопропитываемых пород в жидкости / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, Е.А. Белякова [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2011. - №.16. -С. 233-240.

16. Разумов, Е.Ю. Физическая картина процессов предварительной сушки и тепловой обработки пиломатериалов / Е.Ю. Разумов [Текст] Н Вестник Марийского государственного технологического университета. Серия Лес. Экология. Природопользование. Йошкар-Ола. - 2011

17. Разумов, Е.Ю. Разработка новой технологии получения термодревесины / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, Е.А. Белякова [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань.-2011.-№.1.-С. 157-163.

18. Разумов, Е.Ю. Исследование процесса сушки древесины в жидкостях / Е.Ю. Разумов, Е.А. Белякова [Текст] II Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2011. - №. 11. - С. 39-43.

19. Разумов, Е.Ю. Экспериментальные исследования процесса резания термически модифицированной древесины березы [Текст] / Е.Ю. Разумов // Вестник Московского государственного университета леса «Лесной вестник». М. - 2011 г. - № 3 (79). - С. 125128.

20. Разумов, Е.Ю. Экспериментальные исследования механических свойств термомодифицированной древесины / Е.Ю. Разумов, М.В. Хузеев, ДА. Ахметова, А.Р. Шайхутдинова [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2012. -№.2.-С. 28-31.

21. Разумов, Е.Ю. Математическая модель процессов, протекающих при морении древесины труднопропитываемых пород [Текст] / Е.Ю. Разумов // Вестник Саратовского государственного технического университета. Саратов. -2012. - №. 1 (64). - С. 80-86.

22. Разумов, Е.Ю. Технология раскроя комбинированного пиловочника / Е.Ю. Разумов, Е.В. Мирюкова [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. -2012. -№.15. -С. 248-249.

23. Сафин, P.P. Промышленная установка по термомодифицированию пиломатериалов в среде топочных газов / P.P. Сафин, Е.Ю. Разумов, P.P. Хасаншин [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2013. -№.19. - С. 119-122.

24. Razumov, E.Y. Studies on mechanical properties of composite materials based on thermo modified timber / E.Y. Razumov, R.R. Safin, Stefan Вагснк, Monika Kvietkov, R.R. Khasanshin // Journal "Drvna industrija" ("Wood industry") 64(1) 3-6 Zagreb, CROATIA, 2012, P. 3-8.

Патенты:

25. Патент № 2404238 Российская Федерация, МПК С11В9/02. Способ комплексной переработки древесной зелени / P.P. Сафин, Е.Ю. Разумов, А.Е. Воронин [и др.]; патентообладатель НТЦ РПО. - № 2009113356/13; заявл. 09.04.2009; опубл. 20.11.2010. - 6 е.: ил.

26. Патент № 2413044 Российская Федерация, МПК D21B1/00, D21B1/12. Реактор для непрерывного автогидролиза древесины / P.P. Сафин, Е.Ю. Разумов, Д.Ф. Зиатдинова [и др.]; патентообладатель НТЦ РПО. - № 2009146594/12; заявл. 15.12.2009; опубл.

27.02.2011.-6 е.: ил.

27. Патент № 2386912 Российская Федерация, МПК F26B3/04, F26B5/04. Способ сушки и пропитки древесины / P.P. Сафин, Е.Ю. Разумов, Р.Г. Сафин [и др.]; патентообладатель НТЦ РПО. - № 2009113412/06; заявл. 09.04.2009; опубл. 20.04.2010. - 8 е.: ил.

28. Патент № 2400671 Российская Федерация, МПК F23G5/027, F23G5/14, F23J15/00. Установка для термической переработки твердых отходов / Е.Ю. Разумов, Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев [и др.]; патентообладатель ГОУ ВПО КГТУ. - № 2009113401/03; заявл. 09.04.2009; опубл. 27.09.2010. - 8 е.: ил.

29. Патент № 2422266 Российская Федерация, МПК В27К5/00. Способ термообработки древесины / Е.Ю. Разумов, Р.Г. Сафин, P.P. Сафин [и др.]; патентообладатель НТЦ РПО. - № 2009146406/21; заявл. 14.12.2009; опубл. 27.06.2011.-6 е.: ил.

30. Патент № 2422268 Российская Федерация, МПК B27N3/28. Установка для получения экструзионных древесно-стружечных плит / Е.Ю. Разумов, Р.Г. Сафин, P.P. Сафин [и др.]; патентообладатель НТЦ РПО. - № 2010108189/21; заявл. 04.03.2010; опубл. 04.03.2010.-8 е.: ил.

31. Патент Ха 2425305 Российская Федерация, МПК B27N3/28. Способ сушки и термической обработки древесины / Е.Ю. Разумов, Р.Г. Сафин, P.P. Сафин [и др.]; патентообладатель НТЦ РПО. - № 2010108198/06; заявл. 04.03.2010; опубл. 27.07.2011. - 10 е.: ил.

32. Патент № 2425306 Российская Федерация, МПК F26B9/06, F26B5/04. Установка для сушки древесины / Е.Ю. Разумов, Р.Г. Сафин, P.P. Сафин [и др.]; патентообладатель НТЦ РПО. - № 2009143195/06; заявл. 23.11.2009; опубл. 27.07.2011. - 6 е.: ил.

33. Патент № 2437043 Российская Федерация, МПК F26B3/04, F26B9/06. Способ и устройство сушки и термической обработки древесины / Е.Ю. Разумов, Р.Г. Сафин, P.P. Сафин [и др.]; патентообладатель «НПП «ТермоДревПром». - № 2010113181/06; заявл. 05.04.2010; опубл. 20.12.2011. - 7 е.: ил.

34. Патент № 2453425 Российская Федерация, МПК В27КЗ/02. Способ термической обработки древесины / P.P. Сафин, P.P. Хасаншин, Е.Ю. Разумов [и др.]; патентообладатель ГОУ ВПО «КГТУ». - № 20111011723/13; заявл. 18.01.2011; опубл. 20.06.2012. - 7 с.

35. Патент № 2453426 Российская Федерация, МПК В27К5/04. Способ морения древесины и устройство для его реализации / P.P. Сафин, P.P. Хасаншин, Е.Ю. Разумов [и др.]; патентообладатель ГОУ ВПО КГТУ. - № 2010154564/13; заявл. 30.12.2010; опубл.

20.06.2012.-8 е.: ил.

36. Патент № 2453768 Российская Федерация, МПК F23G5/027. Газогенератор для газификации влажного топлива / P.P. Сафин, Д.Ф. Зиатдинова, Е.Ю. Разумов [и др.]; патентообладатель НТЦ АЭ. - № 2010154606/06; заявл. 30.12.2010; опубл. 20.06.2012. - 6 е.: ил.

37. Патент № 2464162 Российская Федерация, МПК B27N3/18, C08L97/02. Способ изготовления древесно-наполенного композиционного материала / P.P. Сафин, Д.Ф. Зиатдинова, Е.Ю. Разумов [и др.]; патентообладатель ФГБОУ ВПО «КНИТУ». - № 2011105476/13; заявл. 14.02.2011; опубл. 20.10.2012.-5 е.: ил.

Публикации в прочих изданиях:

38. Разумов, Е.Ю. Модифицирование древесных материалов путем обработки ВЧ-плазмой / Е.Ю. Разумов, Р.Р. Сафин, Л.И. Аминов [Текст] // Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития лесного комплекса». Во! ТУ.: Вологда. 2009 г. - С. 121-123.

39. Разумов, Е.Ю. Вакуумно-конвективная сушильная камера с конденсационным оборудованием / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, P.P. Хасаншин, Ф.Г. Валиев [Текст] И Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития лесного комплекса». ВоГТУ.: Вологда. 2009 г. - С. 125-127.

40. Хасаншин, P.P. Исследование изменений химического состава термомодифици-рованной древесины / P.P. Хасаншин, Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, Д.А. Ахмемтова [Текст] // Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития лесного комплекса». ВоГТУ.: Вологда. 2009 г. - С. 123-125.

41. Сафин, P.P. Композиционные материалы на основе модифицированных древесных опилок обработанные ВЧ-плазмой / P.P. Сафин, Е.Ю. Разумов, P.P. Хасаншин, Л.И. Аминов [Текст]//Деревообрабатывающая пром-сть-2009.-№ 1,-С. 24-26.

42. Разумов, Е.Ю. Разработка энергосберегающих технологий в области сушки древесных материалов понижением давления / Е.Ю. Разумов, P.P. Хасаншин, JI.P. Идиятова [Текст] // Материалы научной сессии. - КГТУ.: Казань. - 2009 г. - С. 288.

43. Разумов, Е.Ю. Разработка энергосберегающих технологий в области сушки древесных материалов понижением давления / Е.Ю. Разумов, P.P. Хасаншин, JI.P. Идиятова [Текст] // Материалы научной сессии. - КГТУ.: Казань. - 2009 г. - С. 288.

44. Сафин, P.P. Исследование изменений химического состава древесины подвергнутой высокотемпературной обработке / P.P. Сафин, Е.Ю. Разумов, Л.И. Кашапова, А.И. Ахметзянов [Текст] // Материалы научной сессии. - КГТУ.: Казань. - 2009 г. - С. 281-282.

45. Галяветдинов, Н.Р. Осциллирующая сушка древесины в гидрофильных жидкостях / Н.Р. Галяветдинов, Р.Р. Галимов, Е.Ю. Разумов [Текст] // Материалы научной сессии. - КГТУ.: Казань. - 2009 г. - С. 284.

46. Разумов, Е.Ю. Разработка метода расчета вакуумнокондуктивного термомодифицирования древесных пиломатериалов / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, P.P. Хасаншин [Текст] // Сборник трудов XXII Международной научной конференции «ММТТ-22». -ПЛИ.: Псков. - 2009 г. - С. 18.

47. Сафин, P.P. Исследование изменения цветовой гаммы термодревесины в зависимости от режимов тепловой обработки / P.P. Сафин, Е.Ю. Разумов, Ф.Г. Валиев, Д.А. Ахметова [Текст] // Сборник трудов XXII Международной научной конференции «ММТТ-22». - ПЛИ.: Псков. - 2009 г. - С. 34-36.

48. Разумов, Е.Ю. Разработка математической модели термического модифицирования пиломатериалов в вакуумно-кондуктивных установках / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, ДА. Ахметова [Текст] // Материалы X Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2009». - УхГТУ.: Ухта. - 2009 г. - 42. - С. 241 -244.

49. Разумов, Е.Ю. Энергосберегающие технологии сушки капиллярно-пористых коллоидных материалов / Е.Ю. Разумов, Р.Р. Хасаншин, Ф.Г. Валиев [Текст] // Материалы IV Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения». -КГЭУ.: Казань. - 2009 г. - С. 84-86.

50. Разумов, Е.Ю. Экспериментальное установка для исследования вакуумно-кондуктивной сушки и термомодифицирования древесины / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, Д.А. Смирнова, Д.А. Ахметова [Текст] // Материалы конференции Четвертой Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология». -

КГТУ.: Казань.-2009.-С. 131-133.

51. Разумов, Е.Ю. Использование холодильной техники в вакуумной сушке влажных термолабильных материалов / Е.Ю. Разумов, Р.Р. Хасаншин, Л.Ш. Назмутдинова [Текст] // Материалы конференции Четвертой Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология». — КГТУ.: Казань. — 2009. -С. 127-128.

52. Разумов, Е.Ю. Исследование изменения состава древесины при термообработке / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, Д.С. Смирнова [Текст] // Материалы III Республиканской школы студентов и аспирантов «Жить в 21 веке». - КГТУ.: Казань. - 2009. - С. 27-28.

53. Разумов, Е.Ю. Исследование вакуумно-кондуктивного процесса модифицирующей термообработки древесины / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, М.К. Герасимов, Д.А. Ахме-това [Текст] // Деревообрабатывающая пром-сть.-2009.-№ 3 - С. 9-11.

54. Разумов, Е.Ю. Производство эковаты с добавлением древесной массы / Е.Ю. Разумов, Е.И. Байгильдеева, Н.Ф. Кашапов, В.А. Дашков, Л.Г. Голубев [Текст] И Деревообрабатывающая пром-сть.-2009-№ 4 -С. 9-10.

55. Разумов, Е.Ю. Исследование физико-химических свойств жидкого пиротоплива из отходов древесины и оценка возможности его энергетического использования / Е.Ю. Разумов, А.Н. Грачев, P.A. Халитов, Ю.П. Семенов, Д.В. Тунцев [Текст] // Деревообрабатывающая пром-сть - 2009,-№ 4,- С. 24-26.

56. Разумов, Е.Ю. Выбор оптимального варианта технологического оборудования для деревообрабатывающего производства / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, Е.А. Белякова, А.Т. Сабиров [Текст] // Деревообрабатывающая пром-сть - 2009.- № 5 - С. 22-25.

57. Разумов, Е.Ю. Закономерности структурных изменений древесных материалов при обработке высокочастотной плазмой пониженного давления / Е.Ю. Разумов, Л.И. Аминов, P.P. Сафин, P.P. Хасаншин [Текст] // Материалы Международной научно-практической конференции «Биоэнергетика и биотехнологии - эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки» - Казань. 2009. - С. 56-57.

58. Разумов, Е.Ю. Математическое моделирование кондуктивной сушки пиломатериалов в разреженной среде с периодическим подводом тепловой энергии / Е.Ю. Разумов, Ш.Р. Мухаметзянов [Текст] // Сборник трудов XXIII Международной научной конференции «ММТТ-23».-СГТУ.: Саратов.-2010г.-С. 107-109.

59. Разумов, Е.Ю. Исследование снижения убыли древесины в процессе термомодифицирования / Е.Ю. Разумов, P.P. Хасаншин, P.P. Сафин, Л.И. Аминов [Текст] // Сборник трудов XXIII Международной научной конференции «ММТТ-23». - СГТУ.: Саратов. -2010 г.-С. 37-38.

60. Разумов, Е.Ю. Математическое моделирование процесса термомодифицирования / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, H.A. Оладышкина [Текст] // Сборник трудов XXIII Международной научной конференции «ММТТ-23». - СГТУ.: Саратов. - 2010 г. - С. 38-40.

61. Разумов, Е.Ю. Оптимизация процесса термической обработки древесины / Е.Ю. Разумов, H.A. Оладышкина, P.P. Хасаншин [Текст] II Материалы IV Республиканской школы студентов и аспирантов «Жить в 21 веке». - КГТУ.: Казань. -2010. - С. 10-11.

62. Разумов, Е.Ю. Система очистки газов выделяемых в процессе термомодифицирования древесины / Е.Ю. Разумов, Ш.Р. Мухаметзянов [Текст] // Сборник научных трудов «Актуальные проблемы лесного комплекса». - БГИ.: Брянск. - 2010. - С. 100-101.

63. Разумов, Е.Ю. Массопроводные характеристики древесины применительно к процессам вакуумной сушки / Е.Ю. Разумов, P.P. Хасаншин, П.А. Кайнов, A.A. Семенова [Текст] // Материалы конференции Пятой Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология». - КНИТУ.: Казань. — 2011. - С. 35-38.

64. Разумов, Е.Ю. Константа скорости химической реакции в процессе термомодифицирования древесины / Е.Ю. Разумов, H.A. Оладышкина, Р.К. Садрутдинова [Текст] // Сборник трудов XXIV Международной научной конференции «ММТТ-24». - СГТУ.: Саратов.-2011 г.-С. 14-15.

65. Разумов, Е.Ю. Исследование процесса морения древесины в жидкостях / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, Е.А. Белякова [Текст] // Сборник трудов XXIV Международной научной конференции «ММТТ-24». - СГТУ.: Саратов. - 2011 г. - С. 149-150.

66. Разумов, Е.Ю. Термическое модифицирование древесины в топочных газах и его математическое описание / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, H.A. Оладышкина [Текст] // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011». Москва. -2011 г.-С. 135-139.

67. Разумов, Е.Ю. Массопроводные характеристики древесины применительно к процессам вакуумной сутки / Е.Ю. Разумов, A.A. Семенова, P.P. Хасаншин, П.А. Кайнов [Текст] // Материалы конференции Пятой Российской студенческой научно-технической конференции «Вакуумная техника и технология». - КНИТУ.: Казань. - 2011 г. - С. 35.

68. 4 International Science Conference, Woodworking Techniques, Prague, 2011. E.Y. Razumov, R.R. Safin, Physical picture of processes occurring during pre-drying and heat-treatment of lumber, p. 233-238.

69. Сафин, P.P. Исследование влияния темпа нагревания пиломатериалов на однородность свойств термомодифицированной древесины по толщине / P.P. Сафин, П.А. Кайнов, Е.Ю. Разумов, P.P. Хасаншин [Текст] // Научному прогресс - творчество молодых: Сборник молодежной науч. конф. / МарГТУ. - Йошкар-Ола, 2010. - С. 101-102

70. Разумов, Е.Ю. Исследование термомодифицирования древесины в среде топочных газов / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, [Текст] // Деревообрабатывающая пром-сть,-2012,- №1,- С. 15-18.

71. Кайнов, П.А. Интенсификация стадии охлаждения термомодифицирования древесины / П.А. Кайнов, Е.Ю. Разумов [Текст] // Ресурсосбережение в химической технологии: Сборник трудов Международ, науч. конф. / СПбГТИ(ТУ). - Санкт-Петербург ■ -2012.-С. 121-123.

72. Разумов, Е.Ю. Физическая картина процессов, протекающих при предварительной сушке и термообработке пиломатериалов / Е.Ю. Разумов, Р.В. Данилова, [Текст] // Деревообрабатывающая пром-сть.-2012.-№ 2,-С. 24-29.

73. Разумов, Е.Ю. Тепловая обработка и сушка древесины / Е.Ю. Разумов, P.P. Сафин, [Текст] II Методические указания (тексты, лекций, лабораторный практикум). -Йошкар-Ола.: -, 2012 г. С. 68.

74. Razumov, Evgeny Свойства композиционных материалов на основе термомодифицированной древесины и возможность их использования в деревянном домостроении / Evgeny Razumov, Safin Ruslan, Stefan Barcik, Monika Kvietkov, Vlado Goglia II Sbornik prednasek z odborneho seminare se zahranicni ucasti «Drevostavby 2013» - Ceská republika Praha: -2013. - C. 219-229.

Соискатель

Е.Ю. Разумов

Заказ 2^-Q

Тираж 100 дід

Офсетная лаборатория КНИТУ, 420015, Казань, К.Маркса, 68

Казанский национальный исследовательский технологический университет

На правах рукописи

05201450497 РАЗУМОВ ЕВГЕНИЙ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -доктор технических наук, профессор САФИН P.P.

Казань 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 5

Глава I. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ТЕРМООБРАБОТКЕ ДРЕВЕСИНЫ.............................................. 20

1.1. Анализ способов термообработки древесины.................... 20

1.2. Химизм процесса термомодифицирования древесины процесса термической переработки древесины.......................... 30

1.3. Анализ свойств термомодифицированной

древесины как объекта обработки....................................... 36

Выводы........................................................................ 43

Глава II. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ

ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ.............................. 46

2.1. Качественный анализ термомодифицированной

древесины....................................................................... 47

2.2. Исследование физических свойств образцов

древесины, подвергнутых термическому модифицированию....... 59

2.3. Исследование механических свойств

термомодифицированной древесины..................................... 88

2.4. Исследование термомодифицированной

древесины на биостойкость................................................. 104

Выводы.......................................................................... 108

Глава III. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ

ПИЛОМАТЕРИАЛОВ............................................................... 110

3.1. Физическая картина процесса........................................ 110

3.2. Формализация процесса............................................... 121

3.3. Математическое описание процессов термической

обработки плоских древесных пиломатериалов....................... 122

3.3.1. Тепломассоперенос в условиях внешней задачи............... 124

3.3.1.1. Тепломассоперенос в процессе термомодифицирования пиломатериалов в среде

перегретого водяного пара................................................. 124

3.3.1.2. Тепломассоперенос в процессе термической

обработки древесины в жидкостях....................................... 132

3.3.1.3. Тепломассоперенос в процессе термической

обработки древесины в среде инертных газов......................... 140

3.3.2. Тепломассоперенос в условиях

внутренней задачи............................................................ 148

3.4. Алгоритм расчета процесса термомодифицирования

древесины...................................................................... 151

Выводы........................................................................ 163

Глава IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ.................................. 164

4.1. Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих при вакуумно-кондуктивном

термомодифицировании древесины...................................... 165

4.1.1. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процессов модифицировании древесины

в кондуктивных аппаратов................................................. 168

4.2. Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих в процессе сушки и

термомодифицирования древесины в жидкостях............................ 181

4.2.1. Математическое моделирование и экспериментальное исследование термомодифицирования древесины в жидкостях.................................................................. 184

4.3. Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих в процессе сушки и

термомодифицирования в газообразных средах....................... 204

4.3.1. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процесса термомодифицирования

древесины в среде топочных газов....................................... 210

4.4. Исследования процессов вакуумно-конвективного термомодифицирования древесины в среде водяного пара......... 222

4.4.1. Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих при вакуумно-конвективном термомодифицировании древесины в среде

перегретого водяного пара................................................. 222

4.4.2. Экспериментальная установка для исследования процессов, протекающих при термомодифицировании древесины в среде насыщенного водяного пара....................... 227

4.4.3. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процессов, протекающих при

термомодифицировании древесины в среде водяного пара......... 231

Выводы........................................................................ 249

Глава V. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ СУШКИ И ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ..................... 251

5.1. Пути использования различных технологий термомодифицирования древесины...................................... 251

5.2. Опытно-промышленная апробация контактного метода термомодифицирования пиломатериалов............................... 253

5.2.1. Пилотная установка вакуумно-кондуктивной

сушки и термомодифицирования пиломатериалов................... 253

5.2.2. Результаты опытно-промышленного термомодифицирования пиломатериалов в

пресс-вакуумной камере.............................................................. 256

5.2.3. Технико-экономический анализ эффективности внедрения вакуумно-кондуктивных камер

термомодифицирования древесины....................................... 266

5.3. Опытно-промышленная апробация

термомодифицирования древесины в жидкостях...................... 268 .

5.3.1. Пилотная установка термомодифицирования

древесины в жидкостях....................................................... 268

5.3.2. Инженерная методика расчета физико-механических свойств древесины дуба,

термомодифицированной в жидкостях.................................. 272

5.3.3. Технико-экономический анализ эффективности технологии термомодифицирования древесины в жидкостях...... 281

5.4. Опытно-промышленная апробация

термомодифицирования древесины в среде топочных газов....... 283

5.4.1. Пилотная установка по термическому

модифицированию древесины в среде топочных газов.............. 283

5.4.2. Результаты испытаний пилотной установки по термическому модифицированию древесины в

среде топочных газов........................................................ 286

5.4.3. Промышленная установка по термическому модифицированию древесины в среде топочных газов.............. 290

5.5. Аппаратурное оформление процесса термомодифицирования и сушки пиломатериалов

в среде перегретого водяного пара................................................... 298

5.5.1. Опытно-промышленные испытания вакуумно-конвективной камеры термомодифицирования пиломатериалов в среде перегретого пара.............................. 305

5.6. Аппаратурное оформление процесса термомодифицирования и подсушки пиломатериалов

в среде насыщенного водяного пара............................................... 310

5.6.1. Пилотные испытания термомодифицирования и

подсушки оцилиндрованных бревен в насыщенном

водяном паре................................................................... 316

5.7. Анализ экономической эффективности внедрения промышленных установок термомодифицирования в

среде водяного пара.......................................................... 319

Выводы........................................................................ 323

Глава VI. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СМЕЖНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ НА БАЗЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ.................................................................................................. 325

6.1. Разработка и исследование вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом

тепловой энергии............................................................. 326

6.2. Разработка и исследование процессов осциллирующей

сушки древесины в жидкостях............................................. 327

6.3. Исследование свойств композиционных материалов, созданных на основе термомодифицированной

древесины...................................................................... 339

6.4. Разработка газогенератора для газификации

влажного топлива............................................................ 342

Выводы.......................................................................... 348

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................ 349

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..................................................... 354

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................... 359

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................ 393

ВВЕДЕНИЕ

В Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года отмечается, что приоритетным направлением является «развитие мощностей по глубокой механической, химической и энергетической переработке древесины».

Актуальность исследования. Исследования в данной области ведутся последние 10-15 лет в таких странах, как Финляндия (технология - Ther-mowood®), Франция (Retification), Америка (WEST-WOOD), Латвия (Vacuum Plus), Германия (Thermoholz). Однако современные способы термомодифицирования имеют существенные недостатки: значительная продолжительность и высокая себестоимость процесса, отсутствие методик расчета процесса и оборудования, что приводит к экспериментальному поиску режимных параметров, в результате не являющихся оптимальными, отсутствие обоснованных рекомендаций по выбору той или иной технологии и оборудования термической обработки применительно к условиям конкретного предприятия. При этом данные о характеристиках самой термомодифицирован-ной древесины серьезно разняться в различных источниках, поскольку нет единого подхода и полноценного изучения физических, механических и химических свойств термодревесины.

На сегодняшний день различные исследования термомодифицирования находятся на стадии разработки и оптимизации технологий, как с экономической, так и с технической точки зрения. При этом одной из наиболее изученной является так называемая финская технология термообработки древесины в среде перегретого пара, которая при всей простоте процесса помимо высокой себестоимости процесса отличается дорогостоящим оборудованием, выдерживающим избыточные давления и действие агрессивной паровой среды. Кроме того, существенным недостатком камер, использующих данную технологию и представленных в настоящий момент на рынке, является отсутствие возможности предварительной сушки пиломатериала с высокой начальной влажностью в той же камере, что требует организации допол-

нительного сушильного цеха и исключает возможность использования в рамках небольших предприятий.

Малоизученной технологией остается термомодифицирование древесины в жидкостях, которая отличается экологичностью и является современной альтернативой химическим способам обработки древесины, а благодаря своему конструктивному решению может применяться на малотоннажных производствах. Существующая технология ТегшоЬо^, где термообработка происходит в среде органических масел, имеет два существенных недостатка: она отличается значительной продолжительностью процесса за счет охлаждения материала естественным образом и не предназначена для обработки твердых пород древесины. При этом целесообразно предположить, что технология термомодифицирования древесины в жидкостях рациональна именно для твердых пород благодаря их наименьшей пропитываемости.

До сих пор на стадии опытных экземпляров термокамер остается технология термической обработки в среде инертных камер. При этом в качестве среды предлагается использование азота, хотя в то же время абсолютно не изученным остается термомодифицирование в среде углекислого газа, который может представлять собой продукты сгорания отходов деревообработки (топочные газы), что может значительно удешевить данный процесс.

Кроме того, до сих пор без внимания оставался контактный метод подвода теплоты к термомодифицируемому пиломатериала. В то время как подобная технология может конструктивно упростить ведение процесса и позволит реализовать её на небольших предприятиях.

Таким образом, исследование термомодифицирования пиломатериалов с целью разработки новых и усовершенствования существующих технологий и оборудования, поиска рациональных режимных параметров и глубокого изучения свойств готового продукта является актуальной проблемой для деревообрабатывающей промышленности страны.

Настоящая работа выполнена при поддержке: гранта Академии наук Республики Татарстан для молодых ученых № 03-37/2011 «Технология тер-

мической обработки древесины в среде топочных газов»; гранта по программе Старт № 10-4-НЗ.8-0085 «Создание полупромышленной установки по ва-куумно-контактному термомодифицированию древесных материалов».

Степень разработанности проблемы. Проблемам исследования и разработки технологии термомодифицирования древесных материалов посвящены работы в основном зарубежных ученых. Вопросам теплопереноса в технологиях термообработки древесины и математическому моделированию данных процессов посвящены работы ученого Nencho Deliiski (Bulgaria); вопросам влияния термообработки на физико-механические, химические и эксплуатационные свойства древесины - работы Danica Kacíková и Frantisek Kacík (Slovakia), Ladislav Dzurenda (Slovakia) и Vincent Repellin (France), занимающегося также вопросами закономерностей изменения цветового решения древесины в процессе термомодифицирования; также вопросам термического модифицирования древесины посвящены работы Andreas О. Rapp (Hamburg), Anna Koski (Finland), Michael Sailer (Germany).

Цель h задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и обоснование энергосберегающих технологий термомодифицирования пиломатериалов, создание метода расчета и определение рациональных режимных параметров и разработки энергосберегающего оборудования, позволяющих получать материал с заданными физико-механическими характеристиками и цветовым решением.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Изучение состояния проблемы термомодифицирования пиломатериалов и анализ процессов, протекающих в древесине при её термообработке;

2. Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования пиломатериалов в условиях вакуумно-кондуктивных аппаратов;

3. Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования пиломатериалов в среде топочных газов;

4. Разработка технологии термомодифицирования древесины в жид-

костях, позволяющей обрабатывать твердые породы древесины без снижения ее качества и сократить продолжительность процесса путем интенсификации стадии охлаждения;

5. Разработка математических моделей процессов и методик расчета параметров готовой продукции при термомодифицировании пиломатериалов в среде водяного пара, топочных газах, в жидкостях и контактным методом;

6. Моделирование исследуемых процессов с целью выявления рациональных, с позиций качества и энергозатрат, режимов термомодифицирования;

7. Изучение влияния высокотемпературной обработки на физико-механические и химические свойства древесины;

8. Разработка инженерной методики определения необходимой продолжительности стадии термообработки с учетом требуемой степени термомодифицирования древесины, а также разработка компьютерной методики определения цветовой гаммы термодревесины в зависимости от температуры и продолжительности процесса;

9. Разработка энергосберегающей технологии высококачественной предварительной вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с периодическим подводом тепла;

10. Разработка технологии предварительной сушки высоковлажной крупномерной древесины в жидкостях;

11. Разработка экспериментальных установок для физического моделирования рассматриваемых процессов, а также исследования свойств термодревесины;

12. Разработка аппаратурного оформления для предложенных техно-1 логий термомодифицирования пиломатериалов, а также промышленная реализация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.

Предмет и объект исследования. Предметом исследования является технологии термомодифицирования древесины различными способами: в

среде топочных газов, водяного пара, в жидкостях и контактным методом - с целью сокращения энергозатрат, повышения качества и снижения себестоимости термодревесины. Объектом исследования является древесина сосны, березы и дуба и их физико-механические, химические и цветовые характеристики, изменяющиеся в ходе термообработки.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой исследования являются теоретические и экспериментальные данные по механизму процессов тепломассопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработки. Для достижения поставленной цели в работе использованы методы математического и физического моделирования. Теоретической базой исследований являлись работы ученых по вопросам сушки и термомодифицирования коллоидных материалов с капиллярно-пористой структурой, влияния высокотемпературной обработки на свойства пиломатериалов, а также исследования физико-механических свойств древесины.

Эмпирическую основу составляли исследования физических и механических свойств объекта обработки, как в процессе высокотемпературной обработки, так и после неё, в частности: кинетические данные по температуре и плотности образца в процессе термообработки, изменение химического состава, механических и сорбционных параметров, цветовых ха�