автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Совершенствование технологии пропитки лиственных и тонкомерных хвойных лесоматериалов

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОПИТКИ ЛИСТВЕННЫХ И ТОНКОМЕРНЫХ ХВОЙНЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

05.21.01 — «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск - 2013

4 ЯНВ 2314

005544462

ЕСИН Григорий Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОПИТКИ ЛИСТВЕННЫХ И ТОНКОМЕРНЫХ ХВОЙНЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск - 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Научные руководители: Куницкая Ольга Анатольевна

кандидат технических наук, доцент Земцовский Алексей Екимович

кандидат технических наук, профессор

Минаев Александр Николаевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Водного Официальные оппоненты — транспорта леса и гидравлики

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Барабанов Виктор Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры Водного транспорта леса и гидравлики Северного (Арктического) федерального университета

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Братский государст-

венный университет»

Защита диссертации состоится 18 декабря 2013 г. в 11 часов 30 минут на заседании диссертационного Совета 212.008.01 при Северном (Арктическом) федеральном университете по адресу: 163002, Архангельск, набережная Северной Двины 17, ауд.1220..

С диссертацией можно ознакомиться можно ознакомиться в научной библиотеке С(А)ФУ.

Автореферат разослан 18 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Земцовский Алексей Екимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одним из наиболее распространенных способов модификации древесины мягколиственных пород, а также тонкомерной хвойной древесины, с целью повышения ее эксплуатационных свойств, таких как, например, биостойкость и огнестойкость является пропитка древесины водными растворами различных солей. В настоящее время активно ведутся также исследования применительно к использованию для пропитки древесины, помимо водных растворов, синтетических и природных полимеров. Известны различные способы пропитки: вымачивание древесины, пропитка в барокамерах, пропитка древесины в пьезопериодическом поле в режиме «вакуум - давление - вакуум - давление», автоклавный способ пропитки древесины по методу «давление - сброс - давление», пропитка в центробежных установках. Способ пропитки на центрифуге (центробежный способ) известен, апробирован и дает при обработке древесины хорошие результаты. Для указанного способа характерна возможность обеспечить равномерную сквозную пропитку, что позволяет в дальнейшем проводить механическую обработку пропитанных заготовок.

Однако, несмотря на значительный объем проведенных исследований, вопрос центробежной пропитки древесины исследован не полно. Существующие модели центробежной пропитки древесины требуют значительного объема дополнительных экспериментальных данных для их применения на практике. Вопрос кинетики центробежной пропитки исследован недостаточно, отсутствуют сравнительно простые зависимости, позволяющие на практике определить рациональные режимы обработки древесины на центробежных установках. Отсутствует методика, позволяющая установить рациональные режимы работы центрифуг для пропитки при варьировании дойны и породы обрабатываемых сортиментов. Все это сдерживает развитие технологии модификации древесины путем пропитки и ограничивает практическое применение данного способа.

Таким образом, дальнейшее исследование процесса пропитки древесины мягколиственных пород и тонкомерной хвойной древесины в поле центробежных сил, дальнейшее совершенствование технологии пропитки лесоматериалов является актуальной практической задачей.

Степень разработанности темы исследования. Процесс центробежной пропитки древесины описан в общем виде. Отсутствуют необходимые для практических расчетов экспериментальные данные о фильтрационных характеристиках древесины. В научной литературе не приводится методика обоснования рациональных режимов работы оборудования (центрифуг) для пропитки древесины мягколиственных пород и тонкомерной хвойной древесины при варьировании длины пропитываемых сортиментов.

Цель работы. Повышение эффективности процесса центробежной пропитки лесоматериалов мягколиственных пород и тонкомерной древесины хвойных пород.

Задачи исследования. Задачи, требующие решения для достижения поставленной цели:

1. Построить теоретическую модель процесса насыщения древесины жидкостью, позволяющую описывать кинетику центробежной пропитки при варьировании длины сортимента.

2. Проанализировать влияние основных параметров процесса центробежной пропитки на время пропитки сортимента.

3. Разработать методику экспериментальных исследований и опытную установку для изучения центробежной пропитки.

4. Провести экспериментальные исследования центробежной пропитки древесины лиственных пород (осина, береза) и тонкомерной хвойной древесины (ель, сосна).

5. Экспериментально определить степень заполнения жидкостью внутреннего пространства древесины при центробежной пропитке в зависимости от породы древесины.

6. Экспериментально определить фильтрационные характеристики при пропитке древесины центробежным способом в зависимости от породы.

7. Разработать рекомендации по определению рациональных с точки зрения времени режимов работы и конструктивных параметров центрифуг для пропитки при варьировании длины сортимента.

Научная новизна. Разработанные и исследованные модели процесса центробежной пропитки лиственных и тонкомерных хвойных лесоматериалов, расширяющие представления о теории движении жидкости в древесине, и устанавливающие рациональные конструктивные параметры и режимы работы оборудования для пропитки при варьировании длины и породы пропитываемого сортимента.

Теоретическая значимость работы. Разработанные математические модели процесса пропитки лесоматериалов в поле центробежных сил развивают теоретические представления о процессе центробежной пропитки древесины, позволяют проанализировать влияние основных параметров процесса центробежной пропитки на время обработки сортимента.

Практическая значимость работы. По результатам исследований установлена степень заполнения внутреннего пространства древесины пропиточной жидкостью, определены фильтрационные характеристики исследованных пород древесины (осина, береза, сосна, ель). Результаты работы позволяют обосновать рациональные режимы работы (частота вращения плат-

формы) и конструктивные параметры (радиус платформы) центрифуг для пропитки лиственной и тонкомерной хвойной древесины при варьировании длины обрабатываемых сортиментов.

Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию производственными, проектными, научно-исследовательскими и учебными организациями лесной отрасли.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель процесса центробежной пропитки лиственной и тонкомерной хвойной древесины.

2. Установленные на основании реализации математической модели численные соотношения, определяющие время обработки древесины и параметры работы оборудования при заданной степени пропитки при варьировании длины и породы обрабатываемого сортимента.

3. Результаты экспериментальных исследований степени (глубины) пропитки древесины в зависимости от ее породы.

4. Результаты экспериментальных исследований по определению фильтрационных характеристик древесины березы, осины, сосны и ели.

5. Методика определения рациональных режимов работы й конструктивных параметров оборудования для центробежной пропитки мягколист-венных и тонкомерных хвойных лесоматериалов.

Степень достоверности результатов исследования. Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена проведением экспериментальных исследований и подтвержденной при помощи методов математической статистики адекватностью полученных моделей.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на международной научно-практической интернет-конференции «Леса России в XXI веке», СПб, 2010; Республиканском научно-практическом семинаре-конференции "Инновационная система и методы использования и воспроизводства лесных ресурсов на базе новых технологий интенсивного лесопользования", Петрозаводск, 2012; МНТК «Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона», Хабаровск 2013; а также на научно - технических конференциях ле-соинженерного факультета Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета имени С.М. Кирова в 2011-2013 гг.

Часть материалов работы получена при выполнении НИР № 01201255482 «Разработка теоретических основ сквозных технологических процессов и модульных систем машин лесозаготовительного производства».

Результаты работы прошли успешную апробацию и используются в технологическом процессе ГП «Борзнянское лесное хозяйство», что подтверждается Актом внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность темы диссертационной работы, определена цель исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Рассмотрено состояние вопроса, способы пропитки древесины. Проанализированы литературные источники, относящиеся к пропитке древесины в поле центробежных сил.

Вопросами пропитки древесины различных пород в промышленности занимались многие ученые, среди них необходимо отметить В.И. Патякина, П.С. Серговского, И.В. Кречетова, H.A. Оснача, С.М. Базарова, А.К. Редьки-на, Б.Н. Уголева, А.И. Расева, В.И. Соколова, А.И. Мигачева, В.И. Маркова, В .А. Баженова, В.А. Шамаева, O.A. Куницкой, Б.С. Чудинова, В.П. Кожина и других ученых МГУЛ, СПбГЛТУ, ВГЛТА, УГЛТУ, ПетрГУ, С(А)ФУ, БрГУ.

Анализ работ показал, что на настоящий момент, несмотря на значительный объем выполненных исследований, вопрос центробежной пропитки древесины исследован недостаточно. В частности, отсутствуют данные, необходимые для обоснования рациональных режимов работы и конструктивных параметров оборудования (центрифуг) для пропитки древесины лиственных пород и тонкомерной хвойной древесины при варьировании длины обрабатываемых сортиментов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ

В главе построена математическая модель процесса пропитки древесины в поле центробежных сил, позволяющая анализировать закономерности процесса пропитки, влияние различных факторов на скорость и глубину пропитки, что необходимо для изучения процесса пропитки в условиях больших скоростей вращения и больших радиусов платформы центрифуги.

Проницаемость древесины для пропиточной жидкости принято определять, основываясь на законе Дарси. Расчетная схема процесса представлена на рисунок 1.

Пропитываемый образец помещен в цилиндр, наполненный жидкостью, и вращается вместе с цилиндром вокруг оси с угловой скоростью со, высота столба жидкости в цилиндре равна Д.

Рисунок 1. Схема пропитки образца встречным способом в поле центробежных сил

Жидкость и сам образец несжимаемы, продольная фильтрация жидкости в образце подчиняется закону Дарси:

, ч лн

"Ь'У= ^ О)

где V - скорость продвижения пропиточной жидкости по направлению х (скорость фронта пропитки), К - коэффициент продольной фильтрации; #(х,<) - гидравлический напор; х - продольная координата, начало оси х совпадает с погруженным в жидкость торцом образца; гидравлический напор находится из формулы:

(2)

и(х,г) -давление в образце; рх - плотность пропиточной жидкости; Л - расстояние от начала оси х до оси вращения;

Коэффициент фильтрации К определяется экспериментально индивидуально для каждой породы, чему посвящены наши экспериментальные исследования.

Давление на торце образца при х=0 составит:

1

■"(О, О = - рж0)2 Д(Я2 - Д) (3)

Рассмотрим заполнение жидкостью некоторой области *б(0, а). Если боковые стенки образца непроницаемы для жидкости, то справедливо дифференциальное уравнение:

д2Н(х,1)

дх:

= 0

Начальные и граничные условия для уравнения имеют вид:

ЖО) = \ржсо2{1 - Д)(2Д - г - д)

(4)

ЯСО = о

Если учитывать силы поверхностного натяжения, то условие (5) необходимо записать так:

Я(0) = \ ржо2{1 ~ А)(2Й -1 - Д) (6)

я(0 = ра

где Ра - давление, обусловленное действием сил поверхностного натяжения, величина и знак которого зависит от параметров смачиваемости системы древесина - пропиточная жидкость и силы взаимодействия молекул этой системы.

В случае, если боковые стенки образца пропицаемы, поток жидкости

через боковую стенку образца определится следующим образом:

. . ржы2{& — у)(2Д — А —х) и(х,£)--

Q(x,t) = -а2

(7)

2

где о? - коэффициент боковой фильтрации.

Рассмотрим заполнение жидкостью некоторой области хе(0, Г). Давление поровой области будет подчиняться следующему дифференцированному уравнению:

d2H(x,t)

——--aH(x,t)-q = 0 (8)

1 (9)

Начальное условие для уравнения имеет вид:

Я(0) = ^ ржа>2 (I — Д)(2Я — Z - Д) (10)

Также необходимо записать и граничное условие:

Н(0 = Ра .01)

Решение дифференциального уравнения (8) с учетом (9), (10), (11) имеет вид:

1 ed{lPa + раЧ1 + 2рюгИ - 2раЩ Х~2 е^-е*

_ 1 ет(2Ра + ра1!1 +2рсог£ - /У Л2 -2ршгт) После дифференцирования (12) по х для скорости:

Тогда для времени пропитки справедливо :

л

(14)

о

Интегрирование выражения (14) в элементарных функциях невозможно, что на практике приводит к значительным вычислительным трудностям. С целью выяснить влияние параметров на время пропитки образца, проведем вычисление интеграла по (14) численно. Поскольку К является постоянной величиной для определенной породы древесины величиной, результаты расчетов представим в виде отношений. По результатам расчетов составлены графики на рисунках 2-5. На рисунке 2 в виде графика показано отношение времени всего цикла пропитки Дш) (т.е. того времени, за которое фронт пропитки достигает величины А) для угловых скоростей 50 — 150 рад/с к параметрам процесса при ш = 25 рад/с - 71(25). С увеличением угловой скорости сокращается время, за которое фронт пропитки достигает уровня жидкости в емкости Л, зависимость при этом нелинейна (рисунок 2) и может быть выражена следующим уравнением:

Г(ш)/Г(25) = 0,00008а)2 — 0,0198« + 1,385 (15)

По результатам расчетов при варьировании коэффициента боковой фильтрации а можно заключить, что этот коэффициент не оказывает существенного влияния на время пропитки (рисунок 3), так, при изменении а от 0 (боковая поверхность непроницаема) до 1 (боковая поверхность так же проницаемая, как и погруженный в жидкость торец), время пропитки сокращается лишь на 7,5 %.

Результаты расчетов при переменной величине поверхностного натяжения жидкости показали его значительное влияние на время пропитки (рисунок 4): с ростом Рй от 1000 до 5000 Па время пропитки сокращается на величину порядка 60 %. Таким образом, очевидна необходимость учета капиллярных сил при описании центробежной пропитки. Принимая во внимание различие в размерах капилляров, оказывающее влияние на величину Ра, у различных пород древесины, можно утверждать о необходимости проведения отдельных экспериментальных исследований для каждой рассматриваемой древесной породы.

Расчеты при переменной величине Л показали, что зависимость времени пропитки в этом случае близка к линейной (рисунок 5), таким образом, длина пропитываемого сортимента не оказывает влияния на скорость продвижения фронта пропитки.

со, рад/с Рисунок 2. Отношение 7(о)/Г(25)

Рисунок 4. Отношение ЦРа)/7'(Ш00)

а

Рисунок 3. Отношение 7'(и)/7~(0)

R, м

Рисунок 5. Отношение T(R)/T(¡)

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В разделе рассматриваются методические положения проведения экспериментов, обработки экспериментальных данных, характеристики исходных материалов и оборудования.

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры Технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ.

Исследования проводились применительно к центробежной пропитке древесины в следующих направлениях:

1. Определение степени заполнения внутреннего пространства древесины пропиточной жидкостью (коэффициент заполнения).

2. Определение коэффициента фильтрации исследуемых пород древесины.

3. Исследование влияния режимов работы оборудования на скорость центробежной пропитки.

Для проведения исследований процесса центробежной пропитки древесины использовалась экспериментальная установка кафедры Технологии лесозаготовительных производств со спроектированной автором дополнительной оснасткой; схема установки приведена на рисунке 6.

1 - карусель; 2 - корпус; 3 - крепежные полукольца; 4 - стакан; 5 - ось вращения; 6 -

пульт управления

Образец длиной Ь размещен в стакане с пропиточной жидкостью, стакан соединен с вращающейся с угловой скоростью ш каруселью 3. Расстояние от края платформы до оси ее вращения обозначено к (0,55 м), ё - рас-

стояние от нижнего (погруженного в жидкость) торца образца до края платформы, 0,05 м.

Пропитывали образцы четырех пород: сосны, ели, осины и березы, и длиной Ь = 0,32 м, сечение прямоугольное Ь — 25 мм, к = 50 мм. Начальная абсолютная влажность составляла = 10-12 %. Поскольку свойства (плотность, вязкость) слабо концентрированных растворов неорганических антисептиков и антипиренов близки к свойствам воды, в качестве пропиточной жидкости использовали окрашенную пирокатехином фиолетовым воду.

Переменные величины представлены в таблице 1.

Таблица 1. Уровни варьирования факторов

Фактор Единица измерения Уровни варьирования Интервал

Нижний Основной Верхний

Д м 0,1 0,2 0,3 0,1

п об./мин 450 900 1350 450

В ходе опытов измерялась масса поглощенной образцом жидкости, данная величина определялась путем взвешивания. Взвешивание осуществлялось через каждые 30 с до тех пор, пока не прекращался прирост массы образца.

Получение эмпирических зависимостей производили по методу наименьших квадратов. В качестве приближающей функции для прироста массы была выбрана зависимость следующего вида:

Ат = аг + Ып(с + с) (16)

после определения которой рассчитывался ряд дополнительных величин.

Отношение объема впитанной жидкости к объему порового пространства образцов определялось по следующей формуле:

АтК

где АтК - максимальный суммарный прирост массы образца, р0бр — средняя плотность образца до начала пропитки.

Введем следующее обозначение:

I Робр

V "1540.

(18)

Тогда положение фронта пропитки (при допущении о ее равномерности) определится так:

Дш(0

Скорость фронта при этом:

(х) _ = с!Ат(1) Л ' Л кБЛс

(20)

На основании теоретических исследований было сделано предположение, что скорость фронта пропитки может быть определена из выражения:

(21)

х(г-)Р(х)'

где/- постоянная величина, индивидуальная для каждой породы.

Для проверки этой гипотезы по результатам каждого опыта рассчитывалось значение следующей функции (значение которой и является коэффициентом фильтрации при пропитке древесины):

К:

(22)

ух(х)х«)Р(х)

Решая (22), находим выражение для времени т, когда фронт пропитки достигнет определенного положения х:

2 К

т = -

4 3 '

____(23)

ржФ2д? (2Л -28 — А)2 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Во всех опытах масса впитанной жидкости качественно определяется выражением вида (28). Например, для ели прирост массы иллюстрируется графиком на рисунке 7. 120-

Атг

Рисунок 7. Изменение массы образцов ели при пропитке (и = 900 об/мин, Д - 0,2 м)

Далее с использованием полученных выражений для массы впитанной жидкости по (22) рассчитывалось «мгновенное» значение функции К{{) для каждого опыта. При определении среднего (использовавшегося при дальнейших расчетах) значения для £ использовалась известная формула для среднего значения функции:

к= I КШг,

(24)

где Т— суммарное время пропитки. Результаты расчетов представлены в таблице 2.

№ п/п Ель Сосна Осина Береза

1 1,606 1,856 1,344 1,494

2 1,917 1,947 1,301 1,547

3 2,250 2,262 1,498 2,303

4 1,602 1,778 1,309 1,514

5 1,585 1,881 1,396 1,530

6 1,650 1,982 1,360 1,682

7 1,618 1,728 1,269 1,380

8 1,725 1,890 1,321 1,501

9 1,813 2,031 1,409 1,648

Среднее значение 1,752 1,928 1,356 1,622

Выбор интервала интегрирования объясняется тем, что ^Г(0) —► со в силу вида функции Дт, что делает интегрирование невозможным. После вычисления К по (24) при помощи формулы:

-*4+-л:3(2Д-2<5-2Д) 4 3

2 К

1расч

(25)

ржФ2£ (211-25- А)2 полагая х = А находили расчетное время пропитки Трасч\. Второе значение расчетного времени Грасч2 находилось аналогично Грасч1 с тем отличием, что вместо А" использовалось среднее значение К^:

2?=1

="

п

где п — число опытов.

Величины Дь Д2 определяли по формулам: Тъ

Аг=

— т

'эксп 1раст?1

100%,д2=

т — т

1эксп драсч2

100%,

(26)

(27)

где Гэксп - экспериментально определенное значение времени насыщения образца жидкостью.

Результаты вычислений на примере ели представлены в таблице 3. Таблица 3. Расчетное и экспериментальное значение времени пропитки (ель)

№ п/п ^ЭКСП9 С ^расчЬ ^ ^расч2) С Ль % А 2,%

1 630 584 637 7 1

2 180 174 169 3 6

3 90 91 86 1 4

4 1320 1276 1395 3 6

5 330 316 349 4 6

6 150 146 155 3 3

7 2160 2125 2301 2 7

8 570 566 575 1 1

9 270 265 256 2 5

Данные таблицы 3 свидетельствуют, что время пропитки, определяемое с использованием (25) и Кср близко к экспериментально определенному (отклонение не превышает 7 %, такое же максимальное отклонение наблюдается при сравнении результатов расчета с опытными данными при пропитке остальных исследованных пород).

График на рисунке 8 иллюстрирует зависимость скорости пропитки от времени, сплошная линия - график на основе экспериментальных данных с использованием (20), пунктирная - расчетные данные по (22) при К = Кср), очевидна качественная сходимость кривых.

Время пропитки определяется из выражения (25) с использованием

Рисунок 8. Скорость фроота пропитки образцов ели (п = 900 об/мин, Д = 0,2 м)

Таким образом, предложенная методика расчета времени пропитки и определенные значения коэффициента фильтрации К пригодны для практического использования.

Проследить влияние частоты вращения, а также отношения длины сортимента к радиусу платформы центрифуги а - ШЬ можно при помощи графиков на рисунках 9-12.

а

■■■■■■ п = 450 обомни 1 о = 600 об. мни

111 д«= 750об.'ман —■""п-900о&'мин

—- — п» 1050 об/ыии —а = 1200 о&'иня -"■'■—11=1350 об/мая

а

►я » 450 об мш " а ■ 600 об/мнн

•я = 750 об/мни -——а - 900 ©б/ашн

*п=> 1050 об/мнн -——п=1200 об/'ыин 'П- 1350о6.мпя

а

п <= 450 о&'мнн —п » 600 оо/хиш

——п= 75 3 скэ-'мпн п - 900 об/миа

—п= 1050об/мин -——п= 1200сю/мкм

■■■■■■и = 3350 об/млн

а

■■—"'В - 450 обмяв ——а = 600 с&'ашв

—■п « 750 о&'мин ■ ■ я = 900 об/мин

.......а» 1050об/мйв ■"■""■ я - 1200об/мнн

■—■•—• а= 1350 обмин

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. При использовании для центробежной пропитки жидкостей, по свойствам близких к воде, скорость пропитки сортимента пропорциональна отношению давления пропиточной жидкости на уровне нижнего торца заготовки к массе впитанной жидкости. Экспериментально определенный коэффициент пропорциональности при этом является постоянной величиной и зависит от породы древесины (таблица 2).

2. Проведенные экспериментальные исследования по центробежной пропитке древесины мягколиственных пород и тонкомерной хвойной древесины качественно подтверждают выводы, сформулированные по результатам реализации математической модели пропитки древесины, построенной на положениях закона Дарси.

3. Установлено, что при пропитке лесоматериалов центробежным способом коэффициент боковой фильтрации а не оказывает существенного влияния на время пропитки. Так, при изменении а от 0 (боковая поверхность непроницаема) до 1 (боковая поверхность так же проницаемая, как и погруженный в жидкость торец), время пропитки сокращается лишь на 7,5 % (рисунок 3).

4. Существенное влияние на время пропитки оказывает поверхностное натяжение жидкости. С ростом давления, обусловленного действием сил поверхностного натяжения, от 1000 до 5000 Па время пропитки сокращается на величину порядка 60 % (рисунок 4).

5. Основной объем впитанной жидкости (75-80 % в зависимости от породы) приходится на первую треть цикла обработки. Выражение, устанавливающее связь массы впитанной обрабатываемым сортиментом жидкости с временем обработки, имеет вид (16). Это подтверждает данные, полученные на основании реализации математической модели пропитки о том, что основное насыщение обрабатываемого образца жидкостью (70%) происходит за время, составляющее 1/3 всего цикла обработки.

6. Зависимость, устанавливающая сокращение времени пропитки сортимента с увеличением угловой скорости платформы центрифуги, выражается уравнением (15). Так, при увеличении угловой скорости платформы центрифуги от 25 рад/с до 150 рад/с время пропитки сокращается в 6 раз (рисунок 2).

7. Экспериментально установлено, что при пропитке древесины на центрифуге с частотой вращения в диапазоне от 450 до 1350 об/мин жидкостью заполняется лишь часть внутреннего пространства древесины.

Отношение объема впитанной жидкости к объему порового пространства является постоянной величиной, зависящей от породы древесины, и составляет: для ели - 72%, для сосны (заболонная часть) — 66%, для осины - 77% и 72% для березы.

8. На практике частота вращения платформы центрифуги при заданном отношении радиуса платформы центрифуги к длине сортимента и времени обработки в зависимости от породы пропитываемой древесины может быть определена при помощи графиков на рис. 9-12, либо при помощи полученной зависимости (25) и значений коэффициента фильтрации (таблица 2).

9. Перспективой дальнейших исследований должно явиться изучение прогагтываемости древесины жидкостями, отличными по свойствам (вязкость, плотность) от воды, а также исследование области применимости закона линейной фильтрации Дарси.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих статьях:

1. Куницкая O.A., Базаров С.М., Бурмистрова С.С., Григорьев И.В., Есин Г.Ю. Новые конструкции и математические модели расчета установок для пропитки древесины в пьезоиериодическом поле // Научное обозрение, 2012. № 4. С. 128-136.

2. Куницкая O.A., Ржавцев A.A., Есин Г.Ю. Пропитка древесины в силовых полях для производства материалов с новыми физико-механическими и химическими свойствами // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии, № 193, 2010. С. 247 -256.

3. Куницкая O.A., Григорьев И.В., Григорьев Г.В., Есин Г.Ю. Исследование кинетики центробежной пропитки древесины // ИВУЗ Лесной журнал, № 2,2013. С. 60-70.

4. Григорьев Г. В., Хитров Е. Г., Есин Г. Ю., Гумерова О. М. Кинетика насыщения древесины жидкостью при центробежной пропитке // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии, 2013, № 203, С. 108 -116.

5. Григорьев И.В., Куницкая O.A., Григорьев Г.В., Есин Г.Ю. Исследование кинетики центробежной пропитки древесины И ИВУЗ Лесной журнал. - 2013, № 2, С. 156-162.

6. Куницкая O.A., Кацадзе В.А., Есин Г.Ю. Математическая модель пропитки древесины полимерами с целью получения материалов с новыми физико-механическими свойствами / Материалы четвертой меж-

дународной научно-практической Интернет конференции «Леса России в XXI веке»-СПб.: СПбГЛТА, 2010. С. 169 - 173.

7. Куницкая О.А., Есин Г.Ю., Бурмистрова С.С. Новое устройство для пропитки древесины / Материалы республиканского научно-практического семинара-конференции "Инновационная система и методы использования и воспроизводства лесных ресурсов на базе новых технологий интенсивного лесопользования". Петрозаводск: ПетрГУ, 2012. С. 42-43.

8. Куницкая О.А., Есин Г.Ю., Бурмистрова С.С. Повышение эффективности пропитки лесоматериалов / Природные ресурсы и экология Дальневосточного региона: материалы Международного научно-практического форума. - Хабаровск: ТОГУ, 2013. - с. 111-115.

Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д.212.008.01 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 163002, Архангельск, набережная Северной Двины 17.

ЕСИН ГРИГОРИЙ ЮРЬЕВИЧ АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 14.11.13. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 279. С 22 а.

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

Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет

имени С.М. Кирова

на правах рукописи

04201 452818

ЕСИН Григорий Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОПИТКИ ЛИСТВЕННЫХ И ТОНКОМЕРНЫХ ХВОЙНЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ

05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: кандидат технических наук доцент O.A. Куницкая, кандидат технических наук, доцент А.Е. Земцовский

Санкт-Петербург 2013 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..............10

1.1. Способы модифицирования древесины путем пропитки......................10

1.1.1. Общие замечания...............................................................................10

1.1.2. Способы пропитки древесины...........................................................12

1.1.3. Структура древесины.........................................................................20

1.2. Математические модели пропитки древесины в поле центробежных сил ..........................................................................................................................26

1.3. Выводы и задачи исследования...............................................................30

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ....................................32

2.1. Общая часть..............................................................................................32

2.2. Построение математической модели центробежной пропитки древесины........................................................................................................33

2.3. Реализация математической модели пропитки древесины....................39

2.4. Выводы по главе.......................................................................................46

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................................................................................47

3.1. Общие положения....................................................................................47

3.2. Основное оборудование и приборы........................................................48

3.2.1. Состав пропиточной жидкости..........................................................48

3.2.2. Экспериментальная установка..........................................................49

3.3. Поисковые экспериментальные исследования.......................................51

3.3.1. Методика планирования и проведения поисковых экспериментальных исследований..............................................................51

3.3.2. Методика обработки результатов поисковых экспериментальных исследований................................................................................................53

3.4. Экспериментальные исследования центробежной пропитки древесины ..........................................................................................................................58

3.4.1. Методика проведения экспериментальных исследований по определению скорости центробежной пропитки.......................................58

3.4.2. Методика обработки экспериментальных данных при исследовании .......................................................................................................................59

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................................................................................63

4.1. Результаты поисковых экспериментальных исследований...................63

4.2. Результаты экспериментальных исследований по центробежной пропитке...........................................................................................................65

4.2.1. Результаты экспериментальных исследований по центробежной пропитке ели.................................................................................................65

4.2.2. Результаты экспериментальных исследований по центробежной пропитке сосны............................................................................................75

4.2.3. Результаты экспериментальных исследований по центробежной пропитке осины............................................................................................85

4.2.4. Результаты экспериментальных исследований по центробежной пропитке березы...........................................................................................95

4.3. Определение режимов работы оборудования для пропитки...............106

4.4. Балансировка оборудования..................................................................111

4.5. Выводы по главе.....................................................................................119

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ............................................120

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................122

ПРИЛОЖЕНИЯ К РАБОТЕ....................................................................131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Одним из наиболее распространенных способов модификации древесины мягколиственных пород, а также тонкомерной хвойной древесины, с целью повышения ее эксплуатационных свойств, таких как, например, биостойкость и огнестойкость является пропитка древесины водными растворами различных солей. В настоящее время активно ведутся также исследования применительно к использованию для пропитки древесины, помимо водных растворов, синтетических и природных полимеров. Известны различные способы пропитки: вымачивание древесины, пропитка в барокамерах, пропитка древесины в пьезопериодическом поле в режиме «вакуум - давление вакуум - давление», автоклавный способ пропитки древесины по методу «давление - сброс - давление», пропитка в центробежных установках. Способ пропитки на центрифуге (центробежный способ) известен, апробирован и дает при обработке древесины хорошие результаты. Для указанного способа характерна возможность обеспечить равномерную сквозную пропитку, что позволяет в дальнейшем проводить механическую обработку пропитанных заготовок.

Однако, несмотря на значительный объем проведенных исследований, вопрос центробежной пропитки древесины исследован не полно. Существующие модели центробежной пропитки древесины требуют значительного объема дополнительных экспериментальных данных для их применения на практике. Вопрос кинетики центробежной пропитки исследован недостаточно, отсутствуют сравнительно простые зависимости, позволяющие на практике определить рациональные режимы обработки древесины на центробеж-

ных установках. Отсутствует методика, позволяющая установить рациональные режимы работы центрифуг для пропитки при варьировании длины и породы обрабатываемых сортиментов. Все это сдерживает развитие технологии модификации древесины путем пропитки и ограничивает практическое применение данного способа.

Таким образом, дальнейшее исследование процесса пропитки древесины мягколиственных пород и тонкомерной хвойной древесины в поле центробежных сил, дальнейшее совершенствование технологии пропитки лесоматериалов является актуальной практической задачей.

Степень разработанности темы исследования. Процесс центробежной пропитки древесины описан в общем виде. Отсутствуют необходимые для практических расчетов экспериментальные данные о фильтрационных характеристиках древесины. В научной литературе не приводится методика обоснования рациональных режимов работы оборудования (центрифуг) для пропитки древесины мягколиственных пород и тонкомерной хвойной древесины при варьировании длины пропитываемых сортиментов.

Цель работы. Повышение эффективности процесса центробежной пропитки лесоматериалов мягколиственных пород и тонкомерной древесины хвойных пород.

Задачи исследования. Задачи, требующие решения для достижения поставленной цели:

1. построить теоретическую модель процесса насыщения древесины жидкостью, позволяющую описывать кинетику центробежной пропитки при варьировании длины сортимента;

2. проанализировать влияние основных параметров процесса центробежной пропитки на время пропитки сортимента;

3. разработать методику экспериментальных исследований и опытную установку для изучения центробежной пропитки;

4. провести экспериментальные исследования центробежной пропитки древесины лиственных пород (осина, береза) и тонкомерной хвойной древесины (ель, сосна);

5. экспериментально определить степень заполнения жидкостью внутреннего пространства древесины при центробежной пропитке в зависимости от породы древесины;

6. экспериментально определить фильтрационные характеристики при пропитке древесины центробежным способом в зависимости от породы;

7. разработать рекомендации по определению рациональных с точки зрения времени режимов работы и конструктивных параметров центрифуг для пропитки при варьировании длины сортимента.

Научная новизна. Разработанные и исследованные модели процесса центробежной пропитки лиственных и тонкомерных хвойных лесоматериалов, расширяющие представления о теории движении жидкости в древесине, и устанавливающие рациональные конструктивные параметры и режимы работы оборудования для пропитки при варьировании длины и породы пропитываемого сортимента.

Теоретическая значимость работы. Разработанные математические модели процесса пропитки лесоматериалов в поле центробежных сил развивают теоретические представления о процессе центробежной пропитки древесины, позволяют проанализировать влияние основных параметров процесса центробежной пропитки на время обработки сортимента.

Практическая значимость работы. По результатам исследований установлена степень заполнения внутреннего пространства древесины пропи-

точной жидкостью, определены фильтрационные характеристики исследованных пород древесины (осина, береза, сосна, ель). Результаты работы позволяют обосновать рациональные режимы работы (частота вращения платформы) и конструктивные параметры (радиус платформы) центрифуг для пропитки лиственной и тонкомерной хвойной древесины при варьировании длины обрабатываемых сортиментов.

Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию производственными, проектными, научно-исследовательскими и учебными организациями лесной отрасли.

На защиту выносятся следующие положения:

1. математическая модель процесса центробежной пропитки лиственной и тонкомерной хвойной древесины;

2. установленные на основании реализации математической модели численные соотношения, определяющие время обработки древесины и параметры работы оборудования при заданной степени пропитки при варьировании длины и породы обрабатываемого сортимента;

3. результаты экспериментальных исследований степени (глубины) пропитки древесины в зависимости от ее породы;

4. результаты экспериментальных исследований по определению фильтрационных характеристик древесины березы, осины, сосны и ели;

5. методика определения рациональных режимов работы и конструктивных параметров оборудования для центробежной пропитки мягколист-венных и тонкомерных хвойных лесоматериалов.

Степень достоверности результатов исследования. Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена проведением экспериментальных исследований и подтвержденной при помощи методов математической статистики адекватностью полученных моделей.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях: «Пути и опыт модернизации оборудования лесопромышленного комплекса», СПб, 2010, «Совершенствование и повышение надежности оборудования предприятий целлюлозно-бумажной и лесоперерабатывающей промышленности», СПб, 2011, «Леса России в XXI веке», СПб, 2011 - 2012; а также на научно - технических конференциях ле-соинженерного факультета Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова в 2010-2012 гг.

Часть материалов работы получена при выполнении НИР № 01201255482 «Разработка теоретических основ сквозных технологических процессов и модульных систем машин лесозаготовительного производства».

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Пропитка древесины 1.1.1. Общие замечания

В нашей стране сложились 4 направления модифицирования древесины с целью повышения ее эксплуатационных свойств, что особо актуально для лиственных пород, менее стойких к гниению (см. табл. 1.1), закрепленные в государственных стандартах: термохимическое, термомеханическое, химическое и химико-механическое. Таблица 1.1

Классы пород древесины по стойкости к гниению (ГОСТ 20022.2-80)

Класс Порода древесины

заболонь ядро

Стойкие Обыкновенная сосна, ясень Сибирская сосна (кедр), лиственница, обыкновенная сосна, дуб, ясень

Среднестойкие Ель, сибирская сосна (кедр), лиственница, пихта Ель, пихта, бук

Малостойкие Береза, бук, вяз, граб, дуб, клен Вяз, клен

Нестойкие Липа, ольха, осина Береза, липа, осина, ольха

Термохимическое модифицирование древесины заключается в пропитке сухой древесины мягких лиственных пород синтетическими мономерами и олигомерами (стирол, метилметакрилат, фурановые смолы, фенолос-пирты, полиэфирные смолы, мочевиноформальдегидные смолы и др.) с по-

следующими полимеризацией и отверждением термокаталическим или радиационным способами.

В семидесятых годах возникло, но не получило развития химическое модифицирование древесины ацителированием [60]. Известен способ химико-механического модифицирования древесины, включающий химическую пластификацию аммиаком и последующее уплотнение описан в [60].

Широкое распространение во второй половине XX века получило термомеханическое модифицирование (прессование) древесины, развитое в трудах П.Н. Хухрянского [51-54]. По этому способу древесину уплотняют в пресс-формах до требуемой плотности, затем наполняют антифрикционными составами. Недостаток способа - сложность и мелкая серийность производства и нестабильность материала в среде с переменной влажностью.

Получение модифицированной древесины с определенными физико-механическими свойствами осуществляется в двух направлениях:

а) пропитка натуральной древесины веществами, которые после отверждения или полной сшивки не изменяют химического состава древесины и молекулярного веса макромолекул, а только механически соединяются с компонентами древесины;

б) пропитка натуральной древесины веществами, которые вступают в химическое соединение с компонентами древесины и изменяют ее химический состав и макромолекулярный вес ее компонентов, образуя новый материал или химическое соединение.

В институте леса и древесины Сибирского отделения Академии наук СССР [60] получена модифицированная фурфуриловым спиртом древесина, имевшая разбухание в 5-6 раз меньше, чем натуральная; при этом значительно снизижалось водопоглощение и улучшались потребительские свойства древесины.

Известны исследования по модифицированию древесины термохимическим и радиационно-химическим способами, показавшие, что древесина, модифицированная фенолспиртами, смолой марки 248 и ПН-1 [60] обладает лучшими, по сравнению с натуральной, физико-механическими свойствами. Получило распространение модифицирование древесины термохимическим способом с применением различных синтетических смолам и составов на их основе. Модифицированная древесина в 7-10 раз разбухает меньше чем натуральная, при этом было установлено, что смола проникает в клеточные стенки.

Проведен ряд исследований по модифицированию древесины различных пород фенолоспиртами с последующей их поликонденсацией в древесине под действием повышенной температуры [40, 41, 42]. Исследования показали, что разбухание составило 1,4 - 2,1%, а натуральной контрольной - 912% соответственно в радиальном и тангенциальном направлениях. Климатические испытания модифицированной фенолоспиртами древесины на открытом воздухе в условиях г. Минска показали хорошие результаты [42]. Древесина достигла влажности 5-8%, размеры поперечного сечения увеличились от 1,2 до 2,0%. Полученные результаты подтвердили возможность эксплуатации ее в открытых атмосферных условиях.

1.1.2. Способы пропитки древесины

Государственным стандартом регламентированы следующие способы пропитки древесины (см. табл. 1.1). Таблица 1.1

Способы пропитки [ ]

Способ пропитки Варианты способа и условное обозначение Предпропиточная влажность изделий из древесины, %

Нанесение защитных средств на поверхность Погружение - НПп (индекс п -продолжительность погружения в секундах или минутах); Не более 30

нанесение кистью - НКк (индекс к - кратность обработки);

опрыскивание - НОк (индекс к - кратность обработки)

Вымачивание Вп (индекс п - продолжительность выдержки в часах) Не более 30

Прогрев -холодная ванна I - прогрев и пропитка осуществляются в одной ванне с заменой горячего раствора защитного средства холодным без обнажения изделий из древесины (ПВ) или заполнением ванны холодным раствором защитного средства после прогрева паром (1111В); Не более 30 при пропитке водорастворимыми защитными средствами и не более 25 - при пропитке маслами и органикорас-творимыми защитными средствами

II - прогрев и пропитка осуществляются в одной ванне с оставлением изделий из древесины в горячем растворе защитного средства до остывания (ПВ);

III - прогрев и пропитка осуществляются в двух ваннах с переносом пропитываемых изделий из одной ванны в другую (ПВ)

Вакуум -атмосферное ВАДВ Не более 30 при пропитке водораствори-

Способ пропитки Варианты способа и условное обозначение Предпропиточная влажность изделий из древесины, %

давление - вакуум мыми защитными средствами и не более 25 - при пропитке маслами и орга�