автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Совершенствование центробежного способа пропитки лиственной древесины

па правах рукописи>

ГРИГОРЬЕВ Глеб Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СПОСОБА ПРОПИТКИ ЛИСТВЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Петрозаводск 2013 год

005539240

005539240

на правах рукописи

ГРИГОРЬЕВ Глеб Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СПОСОБА ПРОПИТКИ ЛИСТВЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Петрозаводск 2013 год

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Куницкая Ольга Анатольевна,

кандидат технических наук, доцент

Мануковский Андрей Юрьевич,

доктор технических наук, профессор кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Марков Владимир Иванович,

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой промышленного транспорта и геодезии ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»

ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет»

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.190.03 при ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет» по адресу: 185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан «12» ноября 2013 г.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного Совета

Роман Владимирович Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Пропитка древесины мягколист-венных пород различными химическими соединениями как способ повысить ее эксплуатационные свойства нашла широкое применение как в нашей стране, так и за рубежом. Известны различные способы пропитки древесины, среди них особый интерес представляет способ пропитки в поле центробежных сил. Этот способ отличается сравнительно низкой энергоемкостью, позволяет достичь высокой степени насыщения древесины жидкостью за короткое время.

Исследованшо и совершенствованию процесса центробежной пропитки древесины посвящено значительное количество научных работ К настоящему времени разработаны технические решения по балансировке платформ центрифуг, позволяющие осуществлять на центрифугах пропитку достаточно длинных (до нескольких метров) образцов древесины. Проведены обширные экспериментальные исследования, касающиеся процесса насыщения древесины жидкостью; разрабатываются новые составы для пропитки древесины на основе синтетических и органических олигомеров.

Вместе с тем, дальнейшее совершенствование процесса центробежной пропитки древесины требует более детальных исследований. Анализ литературных источников по теме работы показывает, что существующие на сегодняшний день модели пропитки древесины в поле центробежных сил описывают кинетику центробежной пропитки с позиции линейного закона фильтрации Дарси, то есть связь напора пропиточной жидкости и скорости движения фронта пропитки считается прямо пропорциональной. Однако на практике это справедливо далеко не при всех параметрах процесса пропитки и свойствах пропиточной жидкости, что подтверждено экспериментально. Модели, построенные на основании зависимостей, учитывающих отклонение закономерности фильтрации жидкости образцом древесины, от соотношений, следующих из закона Дарси (далее - при нелинейных законах фильтрации), пригодные для практического применения, отсутствуют, что затрудняет или же делает невозможным научно обоснованный подбор рациональных конструктивных параметров, а также режимов работы центрифуг для пропитки древесины.

Таким образом, дальнейшее исследование процесса центробежной пропитки древесины представляется актуальной практической задачей.

Степень разработанности темы исследования. Теоретическое описание процесса центробежной пропитки древесины основано на использовании положений линейного закона фильтрации Дарси. Накоплены экспериментальные сведения, подтверждающие некорректность применения линейного

закона фильтрации при ряде значений параметров процесса центробежной пропитки. Нелинейные законы фильтрации пропиточной жидкости в древесине применительно к центробежной пропитке ранее не рассматривались.

Цель работы: обоснование рациональных режимов технологического процесса центробежной пропитки древесины мягколиственных пород с учетом нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости. Задачи исследования:

1. провести теоретические исследования процесса центробежной пропитки древесины в условиях нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости;

2. составить модель, раскрывающую кинетику пропитки образца древесины при нелинейном законе фильтрации пропиточной жидкости;

3. составить методику экспериментального определения параметров нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости образцом древесины;

4. экспериментально определить влияние свойств древесного образца и параметров процесса центробежной пропитки на закон фильтрации пропиточной жидкости;

5. экспериментально определить параметры нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости при центробежной пропитке древесины осины и березы;

6. дать рекомендации по определению режимов работы и конструктивных параметров оборудования для центробежной пропитки древесины осины и березы.

Научная новизна. Модель фильтрации пропиточной жидкости образцом древесины при центробежной пропитке, отличающаяся учетом нелинейной связи скорости движения фронта пропитки и напора пропиточной жидкости, расширяющая научные представления о процессе центробежной пропитки древесины и позволяющая подобрать рациональные конструктивные параметры и режимы работы оборудования для центробежной пропитки древесины в условиях нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости древесным образцом.

Теоретическая значимость работы. Построенная модель насыщения древесины жидкостью в ходе пропитки на центрифуге расширяет теоретические представления о движении пропиточной жидкости в древесине. Полученные на основе реализации модели соотношения устанавливают в общем виде влияние параметров процесса центробежной пропитки на время пропитки.

Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные значения параметров нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости

древесным образцом могут быть использованы на практике при определении рациональных с точки зрения времени режимов пропитки древесины осины и березы центробежным способом.

Положения, выносимые на защиту:

1. модель, раскрывающая кинетику центробежной пропитки древесины при нелинейном законе фильтрации пропиточной жидкости образцом;

2. методика экспериментального определения параметров нелинейного закона фильтрации жидкости образцом древесины при центробежной пропитке;

3. результаты экспериментальных исследований по определению влияния влажности древесины осины и березы на параметры нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости;

4. полученные на основе реализации модели пропитки древесины в поле центробежных сил зависимости, устанавливающие рациональные с точки зрения времени обработки режимы работы и конструктивные параметры центрифуг при пропитке древесины осины и березы. Методология и методы исследования. Теоретической основой исследования явились работы ведущих отечественных ученых по тематики про-дитки древесины. В работе использованы базовые методы научно-технического познания, математического моделирования, гидравлики, измерения и обработки экспериментальных данных.

Автор в своих исследованиях опирался на фундаментальные работы ученых в области теории и технологии пропитки древесины - 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, ЦНИИМЭ.

Степень достоверности и апробация результатов обеспечивается применением современных методов исследования, обоснованностью принятых допущений, обоснованностью методов расчета и моделирования, а также подтверждается экспериментальными исследованиями процесса пропитки древесины центробежным способом.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: IX международной научно-практической Интернет-конференции «Леса России в XXI веке» (СПб, 2012 г.); МНТК «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2012 г.); МНТК молодых ученых и специалистов «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка» (СПб, 2011 г.); МНТК «Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (Кострома, 2012 г.); и ежегод-

ных НТК СПбГЛТУ в 1997 - 2013 гг. Часть материалов работы получена при выполнении НИР № 01201255482 «Разработка теоретических основ сквозных технологических процессов и модульных систем машин лесозаготовительного производства». Исследования выполнялись в створе Перечня Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ, (от 07.07.2011 г.) пункт «Рациональное природопользование».

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

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, приведены сведение о научной новизне и практической значимости диссертационной работы, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Состояние вопроса и задачи исследования

Рассмотрено состояние вопроса, проведен анализ литературных источников, посвященных тематике пропитки древесины. Показана практическая значимость, рассмотрены перспективы совершенствования центробежного способа пропитки мягколиственной древесины.

Рассмотрены известные модели процесса центробежной пропитки древесины. Проанализированы накопленные экспериментальные данные по кинетике центробежной пропитки древесины, а также существующие модели, раскрывающие влияние параметров процесса центробежной пропитки (угловая скорость и радиус платформы центрифуги, порода и влажность обрабатываемой древесины, физические свойства пропиточной жидкости) на проникновение жидкости в древесину.

На основании анализа научных работ по исследуемой проблематике установлено, что в реальных условиях кинетика насыщения древесины пропиточной жидкостью при центробежной пропитке в ряде случаев существенно отличается от закономерностей, следующих из линейного закона фильтрации Дарси, традиционно используемого для построения моделей центробежной пропитки древесины.

2. Теоретические исследования процесса центробежной пропитки

древесины

В теоретической главе работы предложена модель пропитки древесины при нелинейном законе фильтрации пропиточной жидкости.

Расчетная схема рассматриваемого процесса представлена на рисунке 1. После включения привода центробежной установки под действием возникающей при вращении платформы центробежной силы жидкость 1 в пропиточной емкости займет показанное на рисунке положение. Примем коорди-

натную ось г, направленную к оси вращения, начало которой совместим с погруженным в пропиточную жидкость торцом образца древесины 2. В некоторый момент времени пропиточная жидкость заполнит область 3 внутреннего пространства образца древесины. Границу 5, разделяющую заполненную пропиточной жидкостью область образца и его не пропитанную область 4 будем называть фронтом пропитки, при этом введем допущение о том, что фронт пропитки представляет собой прямую линию. Расстояние от погруженного в жидкость торца образца древесины до фронта пропитки, отсчитываемое по оси г, обозначим а (положение фронта пропитки).

На рисунке 1 также использованы обозначения: И - расстояние по оси г от погруженного в пропиточную жидкость торца образца древесины до уровня жидкости в пропиточном стакане;— расстояние по оси г от погруженного в пропиточную жидкость торца образца древесины до оси вращения платформы центробежной установки.

Рисунок 1. Схема центробежной пропитки образца древесины: 1 - пропиточная жидкость; 2 - образец древесины; 3 - пропитанная область образца; 4 -непропитанная область; 5 - фронт пропитки Рассмотрим заполнение жидкостью некоторой области образца 0<г<а. Напор пропиточной жидкости определим так:

Н(г) = — г + — ра' а 2

О)

где р - плотность пропиточной жидкости, со - угловая скорость платформы центрифуги, Ра - давление, обусловленное действием сил при взаимодействии древесины и пропиточной жидкости.

Для выражения скорости V фронта пропитки используем соотношение:

¿/Я(г)

V = /{К,п)

с1г

(2)

где п - параметр нелинейного закона фильтрации, значение которого определяется как породой пропитываемой древесины, так и прочими параметрами

процесса центробежной пропитки; К - линейный коэффициент фильтрации, зависящий от породы древесины; ЛК, п) - некоторая функция фильтрационных характеристик К и п.

Для дальнейшего рассмотрения заполнения жидкостью области образ-

ан{г)

ца 0<г<а найдем выражение для ¿г продифференцировав (1) по г, тогда:

= (3)

аг 2а 2

Выражение для скорости фронта пропитки V получим после подстановки в формулу (2) выражения (3).

Жидкость будет заполнять образец древесины до тех пор, пока скорость фронта пропитки не станет равной нулю, таким образом, очевидно равенство:

2 Р„ рсо2

(4)

Поскольку скорость фронта пропитки зависит от его положения, время т, за которое фронт пропитки достигнет положения г = а, определится из выражения:

т = (5)

о v

Тогда после подстановки в формулу (5) выражений (2), (3), получим:

Т =

f{K,n)l

-da

(6)

Использование отличных от 1 значений п делает взятие интеграла по (6) в элементарных функциях невозможным, поэтому далее для анализа будем использовать численные методы. Зададимся исходными данными (таблица 1).

фактор уровни варьирования факторов интервал

нижний уровень основной уровень верхний уровень

S, м 0,5 4 7,5 3,5

his 0,2 0,5 0,8 0,3

р, KT/Mj 750 1000 1250 250

а>, с"1 75 112,5 150 37,5

Ра, Па -20000 0 20000 20000

Графики на рисунках 2, 3 показывают качественную зависимость скорости фронта пропитки от его положения относительно уровня пропиточной

жидкости в цилиндре. Графики построены по уравнениям (2), (3) для показателя степени п - (0,5, 1,5) (исходные данные для построения графиков: 5=1 м, к = 0,1 м, со = 50 с"1, р = 750 кг/м3, Рл = 0 Па, V* обозначена скорость фронта пропитки при величине п = 0,5 и а = 0,125И).

Кривые, показывающие положение фронта пропитки в зависимости от времени пропитки в относительных величинах, представлены на рисунке 4.

Рисунок 2. Качественная зависимость скорости фронта пропитки в зависимости от его положения при п = 0,5

Рисунок 3. Качественная зависимость скорости фронта пропитки в зависимости от его положения при п = 1,5

т*

Рисунок 4 Качественная зависимость поло- Рисунок 5. Зависимость а* от Т* (п = 0,5) жения фронта пропитки от времени про- 1 - участок интенсивного насыщения дре-питки: 1 - п = 0,5; 2 - п = 1; 3 - и = 1,5 весины пропиточной жидкостью; 2 - участок медленного насыщения древесины пропиточной жидкостью Графики на рисунках 2, 3 показывают, что с увеличением значения параметра нелинейного закона фильтрации п в уравнении (2) скорость фронта пропитки V в начале процесса заметно увеличивается (рисунок 3), при этом отмечается ее дальнейшее интенсивное снижение относительно начального значения.

Для графиков на рисунке 4 характерны два участка, на каждом из которых зависимость положения фронта пропитки от времени близка к линейной. На рисунке 5 представлена зависимость относительного положения фронта пропитки а* (отношение положения фронта пропитки а к атах) от относительного времени пропитки V (отношение времени г, затраченного на достижение фронтом пропитки положения а времени к времени Т, требующему-

ся для полной пропитки образца). Из схемы видно, что насыщение древесины жидкостью во времени на первом участке идет более интенсивно, чем на втором, при этом у прямых 1 и 2 есть точка пересечения (на рисунке 5 обозначена А). Время Т* соответствующее абсциссе точки А на графике является концом участка интенсивного насыщения образца жидкостью. Линеаризуем функцию а*(Т*) на участках 1 и 2:

а*(т*)= /,т*,0 >Т*< Т'г (7)

а * (Г *) = /2Т*,Т; >Т*<Т (8)

где Тк* - относительное время пропитки, соответствующее кощу участка интенсивного насыщения древесного образца пропиточной жидкостью; /¡, /2 -коэффициенты линеаризации.

После статистической обработки значений Тк* и соответствующих им значений положения фронта пропитки (ак*) при различных исходных данных получены следующие регрессионные зависимости:

,а\= 0,3836«-'036 (9)

Для времени Тк* получим:

Т^О.ОЗби-4'423 (10)

Выражения (9), (10) определяют рациональную с точки зрения времени степени пропитки сортимента при различных значениях параметра нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости древесным образцом.

Для составления методики определения параметра нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости расчетные данные о положении фронта пропитки от времени аппроксимированы в виде степенной зависимости:

а = А(11) где обозначено: Ао, А\ - некоторые постоянные для заданных параметров процесса пропитки коэффициенты.

Интерес представляет коэффициент Аъ поскольку именно он определяет качественный вид зависимости положения фронта пропитки от времени пропитки образца древесины (рисунок 4). Статистическая обработка полученных значений позволила составить следующее уравнение для определения коэффициента А\ в формуле (11) для положения фронта пропитки древесины в зависимости от времени пропитки при различных значениях параметра нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости:

[о,674л2+9я-1,37] (12)

Л, =1,18 +

0,0451^ -0,00787^ + 0,146

Предлагаемая методика определения параметра нелинейного закона фильтрации заключается в следующем. Поскольку формула (12) получена путем аппроксимации расчетных данных при определенных значениях пара-

метра я, можно решить и обратную задачу: построить зависимость значений показателя п от значения А\.

[-0.00232Л,2 +0,0665^,-0,072]

п = 0,116 +

-2,39^ +0,021^—1 + 12

(13)

Тогда для определения параметра нелинейного закона фильтрации по экспериментальной кривой пропитки образца древесины нужно вначале по результатам экспериментов построить зависимость положения фронта пропитки от времени в виде функции (11), а затем, после подстановки значения А\ в уравнение (13), определить, какому значению параметра и соответствует рассчитанное значение А\.

3. Методика проведения экспериментальных исследований Экспериментальные исследования центробежной пропитки мяпсолист-веиных пород древесины в условиях нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости проводились в лаборатории кафедры Технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ им. Кирова.

К контролируемым независимым параметрам относились: порода древесины, использовавшейся при проведение экспериментов; геометрические параметры экспериментальных образцов (сечение 45x45 мм, длина 330 мм); температура пропиточных составов, использовавшихся при проведении опытов (20 °С); уровень пропиточной жидкости в емкости (металлический цилиндр), где размещались экспериментальные образцы (300 мм).

Для пропитки использовались следующие пропиточные составы: Ю-% водный раствор хлорида калия (плотность р - 1063 кг/м3, контролировалась при помощи ареометра); 2-% водный раствор тетрабората натрия (буры) (плотность р = 1024 кг/м3, контролировалась при помощи ареометра); креозот (плотность р = 1073 кг/м3, контролировалась при помощи ареометра);

Уровни и интервалы варьирования управляемых параметров при проведении экспериментов представлены в таблице 2.

Фактор Обозн. Ед. изм. Значение при соответствующем уровне варьирования Интервал варьирования, Д

-1 0 1

Влажность образца \¥ % 10 40 70 30

Частота вращения ротора центрифуги N об/мин 450 600 750 150

Суммарное время пропитки 1 с 30 - 630 30

При проведении исследований процесса центробежной пропитки древесины использовалась экспериментальная установка кафедры Технологии лесозаготовительных производств, схема представлена на рисунке 9а, б.

а - Схема экспериментальной установки: 1 - карусель; 2 - корпус; 3 - крепежные полукольца; 4 — пропиточная емкость; 5 - ось вращения; 6 - пульт управления; б - Схема размещения образца в емкости: 1 - карусель; 2 - пропиточная емкость; 3 - пропиточная жидкость; 4 - образец древесины; 5 — корсет;

Суть проводимых опытов заключалась в следующем.

После определения массы и влажности образца, экспериментальный образец древесины 4 (рисунок 66) размещался в пропиточной емкости 2. Образец фиксировался в емкости при помощи корсета 5. Емкость заполнялась пропиточной жидкостью 3 до уровня 300 мм, герметично закрывалась крышкой (на рисунке условно не показана). Далее емкость с образцом древесины закреплялась на платформе центрифуги 1 (рисунок 6а) при помощи хомутов 3.

Включался привод установки, после выхода на установившийся режим вращения (в среднем 4-5 с) образец пропитывался в течение 30 с. Далее образец древесины извлекали из пропиточной емкости и взвешивали, после этого образец вновь помещался в пропиточную емкость и вновь подвергался пропитке (30 с в установившемся режиме вращения); пропитку и взвешивание образцов древесины проводили до тех пор, пока суммарное время пропитки в установившемся режиме вращения платформы центрифуги не достигало 630 с (всего 21 цикл пропитка-взвешивание. Число повторений каждого опыта равнялось пяти.

По полученным данным о массе пропиточной жидкости, поглощенной образцом древесины, при помощи метода наименьших квадратов строились корреляционные уравнения вида:

Дт = Л'"' (14)

Далее по средним значениям показателя Л] с использованием полученной в главе 2 зависимости (13) определяли значение параметра закона фильтрации п.

После составления уравнений регрессии для параметра п нелинейного закона фильтрации переходили к определению функции ДАТ, п) в выражении для скорости фронта центробежной пропитки (2). После подстановки выражения для скорости фронта пропитки в формулу для определения времени в зависимости от положения фронта пропитки, получим:

1

-¿¡а

т= |_________-п„„

° /(^."(¿^(Л-вХ^-в-А)" (15)

Тогда при известном значении параметра п численное значение функции ДАТ, и) определится так:

/(к,п) = -

}г--^а

—ра?{к — а)(2.1 - а - й) 2 а

(16)

г

Для расчетов по формуле (16) использовалось значение параметра и, полученное из регрессионных зависимостей вида (15). Величины 5 и Л в расчетах постоянны (0,5 и 0,3 м соответственно), плотность пропиточной жидкости и угловая скорость платформы центрифуги принималась в соответствии с номером опыта, результаты которого обрабатывали.

При определении значения использовано допущение о равномерности распределения пропиточной жидкости во внутреннем пространстве древесного образца, а также результаты выполненных ранее экспериментальных исследований устанавливающие степень заполнения Q свободного внутреннего пространства древесины при центробежной пропитке (77 и 72 % для осины и березы соответственно), тогда:

а^Я^Ш, (17)

Р

где С - пористость образца при заданной влажности; р - плотность образца; рД1! - плотность древесинного вещества; Р - площадь поперечного сечения образца.

Расчеты по формуле (16) проводились при всех замеренных значениях прироста массы в каждом опыте, после чего определялось среднее арифметическое значение полученного после интегрирования числа для каждого опыта при определенной породе древесины и пропиточной жидкости. После этого строилась регрессионная зависимость следующего вида:

/(.К,п) = Кпс°, (18)

где К - линейный коэффициент закона фильтрации пропиточной жидкости; С0 - некоторый постоянный численный коэффициент.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования были проведены исходя из методики, изложенной в главе 3 настоящей работы.

После обработки данных о массе впитанной образцом жидкости с использованием формул (13), (14), (15), (16) - (18) составлены следующие уравнения регрессии для определения параметров нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости:

(19); АК,п) = Кп-,,л,К = 3,П66-Ю-]0 (25)

(20); /{К, п) = К ■ л"'3-93, К = 2,8308 • 10"10 (26)

(21); /(К, = К- л"10'21, К = 3,9488 • 10'10 (27)

(22); /(К,п) = К-п-'у5\К = 2,9339-Ю-10 (28)

(23); /(К, п) = К -л"14'35, ЛГ = 2,5665 -Ю-'0 (29)

(24); ДК,п) = К-л-'0'", К = 3,1964-10"10 (30) где Р - давление жидкости на уровне погруженного торца образца [атм.].

Сводные данные о воспроизводимости результатов экспериментов, адекватности составленных моделей и их коэффициентах детерминации представлены в таблице 3.

Таблица 3. Сводные данные по уравнениям регрессии (22) - (33)

Номер уравнения Ср Л2. ^расч Номер уравнения Я2

(19) 0,1755 0,91; 0,89 1,56 (25) 0,98

(20) 0,1401 0,92; 0,89 1,39 (26) 0,99

(21) 0,1681 0,93; 0,91 1,05 (27) 0,99

(22) 0,1539 0,90; 0,87 1,73 (28) 0,99

(23) 0,1660 0,91; 0,88 1,54 (29) 0,98

(24) 0,1462 0,93; 0,91 1,10 (30) 0,98

Значение параметра нелинейного закона фильтрации зависит как от породы пропитываемой древесины, так и от состава пропиточной жидкости (рисунок 7).-

- осина, 10 %

раствор хло- л = 1,539? 0 04 "Ж^0958 рида калия:

-осина, 2% . 42брМИ11р-о.1оя

раствор буры " >у

- осина, кре- ^ _ ] _49 „о.отру-о.юб* озот '

- береза, 10

% раствор и _ , Оо,««2;г{л-0,0935

хлорида ка> лия:

-береза, 2% . .-,„0,078(^-0.1002 раствор буры " ~ ж

- береза, кре- ^ _ ] 0у2ро.о8й^-о.ю85

750 700 650

600 Jf'

об/мин 550

500

450

10 20 30 40 50 60 70 W,%

я 1.05-1.15 " 1,15-1.25 • 1,25-1.35 а 1.35-1,4

» ' i ш ■

" ' ' л ¡Iii я 1 Ш §з

Г. J £ Я 1

, . - ял 1 в Ii в

вяяя ¡ISIS й ШШ Ш&Ш Ü шщ

•TV". ч 1510 ■ = с ЦщЕЩ = ■■.--■

10 20 30 40 50 60

ш о/

а 0,7-0,8 ' ■ 0,8-0,9

i ■ ята ISflSP WMitW IK; ыш-т

j MM ''Ш ;Jggg ИМиш ■ИИ ■В1В ШЬШ : : ( Ш шяяя

и Я ' „ в й

HB а

750 700 650

600

N,

об/мин 550

500

450

10 20 30 40 50 60 70

W, %

»1-1,1 «1,1-1,2 »1,2-1,3 в 1,3-1,35

J

¡¡п tu

pi i я /

f & ■ ■

a в В я

: Я ' " j'-i '

/50 700 650

600 дг_ об/мин

550

500 450

10 20 30 40 50 60 70

W,%

в 0.95-1.05 В 1.05-1.15 в 1.15-1.25 в 1.25-1.35

750

700

650

600

N,

55(рб/мин 500 450

1,4-1,45 /50

700

650

600

N,

550об/мин 500 450

1 Ш ■■н ¡¡и ев - . . »л шш

_ ШШВ и 811 н

щвштя шшшм V SB

V'. ./.V В шщш ШШ* f ЗШЖ Ш

■ 9 i и

1 яа и т

10 20 30 40 50 60 70 а 1,1-1,2 ■ 1,2-1,3 »1,3-1,4 »

~ ДИВ

шЯНб ш ж

ЯШ 1 в

а

■Яй ДЩ

шшш i я

10 20 30 40 50 W, %

я 0,7-0,8 ■ 0,8-0,9

60 70

в 0,9-1

Рисунок 7. Зависимость параметра нелинейного закона фильтрации от влажности образца древесины и частоты вращения платформы центрифуги (а - осина, раствор хлорида калия; б - осина, раствор буры; в - осина - креозот; г - береза, раствор хлорида калия; д - береза, раствор буры; е - береза, креозот)

Анализ результатов опытов показывает, во всех опытах закономерность фильтрации пропиточной жидкости отличалась от следующей из линейного закона. Зависимости, близкие к следующим из закона Дарси (п~ 1), получены при пропитке сухих (10 - 20 %) образцов осины и березы при частоте вращения платформы цнтрифуги от 650 об/мин, а также пропитке заготовок из свежесрубленной древесины креозотом при частоте вращения платформы центрифуги 450 - 500 об/мин (см. рисунок 8).

Удовлетворительные сведения об адекватности и значения коэффициентов детерминации позволяют предложить полученные зависимости для расчета времени пропитки древесины осины и березы исследованными жидкостями. После подстановки соответствующих выражений (19) - (30) в уравнение для времени пропитки при нелинейном законе фильтрации пропиточной жидкости придем к следующим зависимостям:

"г 715,2 у0,0619

г= /2,238-10'р^&.г,»^^ (31)

О. 713,93 ^0,0811

/7,88-10 '-^¿аЛ^^ш (32)

710,21 у-0,0825

г = /1,09-106 —^ = (33)

<•• 715'56 ^0,0625

/2,74-10 (34)

а1 у 14,35 у0,078

/1,45-10 (35)

710,55 тг0,086

= (36)

где =

а

На рисунке 8 представлен пример расчета времени пропитки древесных образцов по полученным формулам в зависимости от угловой скорости и радиуса платформы центрифуги (в примере влажность образцов 10 %, длина образцов 2м, уровень пропиточной жидкости в цилиндре 2 м).

- осина, пропитка 10 % раствором хлорида калия:

- осина, пропитка 2 % раствором буры

- осина, пропитка креозотом:

- береза, пропитка 10 % раствором хлорида калия:

- береза, пропитка 2 % раствором буры

- береза, пропитка креозотом:

ИщччЖа . ■ i 1м11

" '"И & Я Е9Я||

г. . 1 щ

-. ¡я®

L тэь.

И "Щ

2.9

2.75

2.6

s, м

2.3

450 500 550 ,600, 650 700 750 N, об/мин

иО-Ю 4 10-20 э20-30 »30-40 S40-50

2.9

2.75

2.6

2.45 s, м

2.3 2.15

, - ■ - - ■--■■■ 2.9

' ' '

:

2.6

^ ' ■ - 2.45

^^^Гг" -^^''- ' 2.3 '

450 500 550 600 650 700 750 /V, об/мин

»0-10 «10-20 а 20-30 »30-40 =40-50

йРЯ ЯШ ¿SIIL. , .. . . ... : ч ^ : к1, Шяш! - -чя

ИЯк. ■

¡•ii-.T.'^j'v rj.-'Ä"-, ^ 1 ЩУйЦИШ)

2.9

2..

2.6

2.. 5, М

2.3

2..

450 500 550 600 650 700 750 в 0-10 в Ю-Ж, славйв »30-40 и 40-50

2.

2.

2.

2.

s, м

2.

ц 11 i и

■ Я я ■ ¡¡¡¡р Ди

. ' 'Я "1 ни

вун Им ¡¡¡¡У

■ÜL ВВшвШ

т

450 500 550 600 650 700 750 ■ 0-10 « 10-2^' "30-40 »40-50

2.9 2.75 2.6 2.45 2.3S'м 2.15 V 2

450 500 550 600 650 700 750 ■ 0-10 ■ ЮЯОо&ЙИвО ■ 30-40 в 40-50

¡И!

рр ' >•>,, ЯИ 91 ЯВИ»

В 1

. ; J : р'". 1

ВЯВЯ :! ¡gll Hfe, ш

шш щм 1.....

•J1 ■"""■'................','■■■■■■",..............JINI г 2

450 500 550 600 650 700 750 иО-Ю ■ 10-2ÖоС/МШО «30-40 а 40-50

Рисунок 8. Время пропитки сортиментов мягколиственных пород (а - осина, раствор хлорида калия; б - осина, раствор буры; в - осина - креозот; г - береза, раствор хлорида калия; д- береза, раствор буры; е - береза, креозот)

С использованием полученных зависимостей и графиков определение рациональных параметров работы или конструктивных параметров оборудования для пропитки не вызывает затруднения. Например, требуется пропитать заготовку из древесины осины длиной 2 м на 95 % креозотом за время, не превышающее 20 минут. Тогда с помощью графика на рисунке 8 в определяем, что при частоте вращения платформы центрифуги 550 об./мин необходимый радиус платформы составит 2,9 м. Если при этом радиусе платформы увеличить частоту вращения до 650 об/мин, то пропитка до заданной степени осуществится за 10 минут. При увеличении частоты вращения платформы до 750 об./мин достаточным будет радиус платформы центрифуги 2,25 м (пропитка займет 20 минут), увеличение радиуса платформы до 2,55 м при прочих равных условиях сократит время пропитки до 10 минут.

Полученные выражения (31) - (36) устанавливают еще один важный параметра технологического процесса - скорость подачи жидкости в пропиточный цилиндр, поскольку по степени пропитки к определенному моменту времени можно однозначно установить количество впитанной образцом жидкости. Например, на рисунке 9 представлен график степени пропитки в зависимости от времени (пропитка осины креозотом, влажность образца 10 %, s = 2,55 м, h = 2 м, TV =750 об./мин). Предположим, что площадь поперечного сечения образца составляет 0,02 м2, пористость осины 60 %, степень заполнения порового пространства при пропитке 77 %). Тогда график, Показывающий количество впитанной жидкости к определенному моменту времени, будет иметь вид кривой на рисунке 10.

1

200

150

100

о

о &

S

X

50

0

5 10

г, мин

Рисунок 9. Зависимость степени пропитки осины от времени пропитки

0

Рисунок 10. Количество впитанной жидкости в зависимости от времени пропитки

10

Общие выводы и рекомендации

По результатам исследований процесса центробежной пропитки древесины сформулированы следующие выводы и рекомендации:

1. Предложенная зависимость (2) для скорости фронта центробежной пропитки, учитывающая нелинейную связь скорости фронта пропиточной жидкости, позволяет при варьировании фильтрационных характеристик в рамках одной модели добиться качественного согласования расчетных данных с известными опытными данными, свидетельствующими как о менее, так и о более интенсивном, по сравнению с изменением напора пропиточной жидкости, изменении скорости движения фронта пропитки.

2. В начале процесса пропитки для зависимости положения фронта пропитки от времени характерен участок интенсивного насыщения образца пропиточной жидкостью, продолжительность которого зависит от параметра нелинейного закона фильтрации и находится из формул (9), (10). Полученные выражения устанавливает рациональную с точки зрения времени степень пропитки сортимента при различных значениях параметра нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости.

3. Анализ результатов экспериментов показал, что при пропитке древесины осины и березы (жидкости:, концентрированные водные растворы хлорида калия и буры, креозот) связь скорости фронта пропитки и напора пропиточной жидкости непропорциональна, таким образом, фильтрация жидкости подчиняется нелинейному закону. Зависимости, близкие к следующим из закона Дарси (и ~ 1), получены только при пропитке сухих (10-20 %) образцов осины и березы при частоте вращения платформы центрифуги от 650 об/мин, а также пропитке заготовок из свежесрубленной древесины креозотом при частоте вращения платформы центрифуги 450 - 500 об/мин (рисунок 7).

4. Экспериментально установлено, что параметр нелинейного закона фильтрации при центробеясной пропитке древесины зависит от породы, влажности древесины и типа пропиточной жидкости, зависимости выражается формулами (19) - (24). Прочие фильтрационные характеристики, входящие в уравнение для времени центробежной пропитки, определяются по зависимостям (25) - (30). Адекватность полученных моделей подтверждена методами математической статистки (таблица 3).

5. Результаты экспериментов по определению значения параметра нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости были воспроизводимы во всех опытах, что доказывается расчетным значением критерия воспроизводимости Кохрена (таблица 3). Это подтверждает возможность применения составленной методики определения параметра нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости по виду экспериментальной кривой насыщения образца жидкостью.

6. Время пропитки сортиментов осины и березы при нелинейном законе фильтрации пропиточной жидкости при варьировании степени пропитки и параметров технологического процесса определяется из уравнений (31) - (3 6), полученных на основе выражения (15).

7. В практических расчетах определить рациональную частоту вращения и радиус платформы центрифуги для пропитки сортиментов осины и березы (при варьировании их длины и влажности) в условиях нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости исследованными жидкостями можно после построения графиков, которых пример представлен на рисунке 8.

8. Полученные зависимости для времени пропитки также устанавливают расход пропиточной жидкости и, таким образом, необходимую скорость подачи жидкости в емкость с образцом древесины (пример представлен на рисунках 9,10).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. 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. - Вып. 203. - С. 108-116.

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

3. Григорьев Г.В., Куницкая O.A. Использование нелинейного выражения для связи скорости фронта и гидравлического напора при центробежной пропитке древесины. Технология и оборудование лесопромышленного комплекса: сборник научных трудов. Вып. № 6. / Под ред. В.И. Патякина. - СПб: СПбГЛТУ, 2013. С. 68-71.

4. Патякин В.И., Полищук В.П., Беленов И.А., Григорьев Г.В. Проектирование рейдов и расчет основных параметров сплоточных машин / Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия. -СПб.: ЛТА, 2012. - 56 С.

Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д.212.190.03 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

ГРИГОРЬЕВ ГЛЕБ ВЛАДИМИРОВИЧ АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать с оригинал-макета 05.11.13. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 264. С 15 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

ГРИГОРЬЕВ Глеб Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СПОСОБА ПРОПИТКИ

ЛИСТВЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.01 — «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

на правах рукописи

04201452583

Научный руководитель Куницкая Ольга Анатольевна кандидат технических наук, доцент

Санкт-Петербург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................9

1.1. Пропитка как способ повысить эксплуатационные свойства древесины мягколиственных пород...................................................................................................9

1.2.1. Общие сведения о способах пропитки древесины.........................................11

1.2.2. Центробежная пропитка древесины................................................................20

1.3. Модели пропитки древесины жидкостью.............................................................22

1.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ...................................................................................25

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ МЯГКОЛИСТВЕННЫХ ПОРОД........................................................................26

2.1. Общая часть..............................................................................................................26

2.2. Математическая модель центробежной пропитки при нелинейном законе фильтрации пропиточной жидкости.............................................................................27

2.3. Влияние параметра нелинейного закона фильтрации жидкости на кинетику центробежной пропитки древесины..............................................................................39

2.4. Составление методики определения параметра нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости.............................................................................54

2.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ...................................................................................58

3. МЕТОДИКА ПЛАНИРОВАНИЯ И ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................61

3.1. Общие положения....................................................................................................61

3.2. Аппаратура экспериментальных исследований....................................................62

3.3. Методика проведения экспериментальных исследований..................................63

3.4. Методика обработки результатов экспериментальных исследований...............70

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................75

4.1. Результаты экспериментальных исследований центробежной пропитки древесины мягколиственных пород..............................................................................75

4.1.1. Результаты экспериментальных исследований центробежной пропитки осины.............................................................................................................................75

4.1.2. Результаты экспериментальных исследований центробежной пропитки березы..........................................................................................................................100

4.2. Практические рекомендации по определению рациональных режимов работы и конструктивных параметров оборудования для центробежной пропитки мягколиственных пород древесины............................................................................126

4.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.................................................................................135

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.......................................................138

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Пропитка древесины мягколиственных пород различными химическими соединениями как способ повысить ее эксплуатационные свойства нашла широкое применение как в нашей стране, так и за рубежом [1], [2]. Известны различные способы пропитки древесины, среди них особый интерес представляет способ пропитки в поле центробежных сил. Этот способ отличается сравнительно низкой энергоемкостью [3], позволяет достичь высокой степени насыщения древесины жидкостью за короткое время [3], [4].

Исследованию и совершенствованию процесса центробежной пропитки древесины посвящено значительное количество научных работ. К настоящему времени разработаны технические решения по балансировке платформ центрифуг [5], [6], [7], позволяющие осуществлять на центрифугах пропитку достаточно длинных (до нескольких метров) образцов древесины. Проведены обширные экспериментальные исследования, касающиеся процесса насыщения древесины жидкостью; разрабатываются новые составы для пропитки древесины на основе синтетических и органических олигомеров, например [8], [9].

Вместе с тем, дальнейшее совершенствование процесса центробежной пропитки древесины требует более детальных исследований. Анализ литературных источников по теме работы показывает, что существующие на сегодняшний день модели пропитки древесины в поле центробежных сил описывают кинетику центробежной пропитки с позиции линейного закона фильтрации Дарси, то есть связь напора пропиточной жидкости и скорости движения фронта пропитки считается прямо пропорциональной. Однако на практике это справедливо далеко не при всех параметрах процесса пропитки и свойствах пропиточной жидкости, что подтверждено экспериментально [10], [11]. Модели, построенные на основании зависимостей, учитываю-

щих отклонение закономерности фильтрации жидкости образцом древесины, от соотношений, следующих из закона Дарси (далее - при нелинейных законах фильтрации), пригодные для практического применения, отсутствуют, что затрудняет или же делает невозможным научно обоснованный подбор рациональных конструктивных параметров, а также режимов работы центрифуг для пропитки древесины.

Таким образом, дальнейшее исследование процесса центробежной пропитки древесины представляется актуальной практической задачей.

Степень разработанности темы исследования. Теоретическое описание процесса центробежной пропитки древесины основано на использовании положений линейного закона фильтрации Дарси. Накоплены экспериментальные сведения, подтверждающие некорректность применения линейного закона фильтрации при ряде значений параметров процесса центробежной пропитки. Нелинейные законы фильтрации пропиточной жидкости в древесине применительно к центробежной пропитке ранее не рассматривались.

Цель работы: обоснование рациональных режимов технологического процесса центробежной пропитки древесины мягколиственных пород с учетом нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости. Задачи исследования:

1. провести теоретические исследования процесса центробежной пропитки древесины в условиях нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости;

2. составить модель, раскрывающую кинетику пропитки образца древесины при нелинейном законе фильтрации пропиточной жидкости;

3. составить методику экспериментального определения параметров нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости образцом древесины;

4. экспериментально определить влияние свойств древесного образца и параметров процесса центробежной пропитки на закон фильтрации пропиточной жидкости;

5. экспериментально определить параметры нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости при центробежной пропитке древесины осины и березы;

6. дать рекомендации по определению режимов работы и конструктивных параметров оборудования для центробежной пропитки древесины осины и березы. Научная новизна. Модель фильтрации пропиточной жидкости образцом древесины при центробежной пропитке, отличающаяся учетом нелинейной связи скорости движения фронта пропитки и напора пропиточной жидкости, расширяющая научные представления о процессе центробежной пропитки древесины и позволяющая подобрать рациональные конструктивные параметры и режимы работы оборудования для центробежной пропитки древесины в условиях нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости древесным образцом.

Теоретическая значимость работы. Построенная модель насыщения древесины жидкостью в ходе пропитки на центрифуге расширяет теоретические представления о движении пропиточной жидкости в древесине. Полученные на основе реализации модели соотношения устанавливают в общем виде влияние параметров процесса центробежной пропитки на время пропитки.

Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные значения параметров нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости древесным образцом могут быть использованы на практике при определении рациональных с точки зрения времени режимов пропитки древесины осины и березы центробежным способом.

Положения, выносимые на защиту:

1. модель, раскрывающая кинетику центробежной пропитки древесины при нелинейном законе фильтрации пропиточной жидкости образцом;

2. методика экспериментального определения параметров нелинейного закона фильтрации жидкости образцом древесины при центробежной пропитке;

3. результаты экспериментальных исследований по определению влияния влажности древесины осины и березы на параметры нелинейного закона фильтрации пропиточной жидкости;

4. полученные на основе реализации модели пропитки древесины в поле центробежных сил зависимости, устанавливающие рациональные с точки зрения времени обработки режимы работы и конструктивные параметры центрифуг при пропитке древесины осины и березы.

Методология и методы исследования. Теоретической основой исследования явились работы ведущих отечественных ученых по тематики пропитки древесины. В работе использованы базовые методы научно-технического познания, математического моделирования, гидравлики, измерения и обработки экспериментальных данных.

Автор в своих исследованиях опирался на фундаментальные работы ученых в области теории и технологии пропитки древесины - В.И. Патякина, П.С. Серговско-го, И.В. Кречетова, H.A. Оснача, С.М. Базарова, А.К. Редькина, 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, ЦНИИМЭ.

Степень достоверности и апробация результатов обеспечивается применением современных методов исследования, обоснованностью принятых допущений, обоснованностью методов расчета и моделирования, а также подтверждается экспериментальными исследованиями процесса пропитки древесины центробежным способом.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: IX международной научно-практической Интернет-конференции «Леса России в XXI веке» (СПб, 2012 г.); МНТК «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2012 г.); МНТК молодых ученых и специалистов «Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка» (СПб, 2011 г.); МНТК

«Актуальные проблемы и перспективы развития лесопромышленного комплекса» (Кострома, 2012 г.); и ежегодных НТК СПбГЛТУ в 1997 - 2013 гг. Часть материалов работы получена при выполнении НИР № 01201255482 «Разработка теоретических основ сквозных технологических процессов и модульных систем машин лесозаготовительного производства».

Исследования выполнялись в створе Перечня Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники РФ, (от 07.07.2011 г.) пункт «Рациональное природопользование». 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.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Пропитка как способ повысить эксплуатационные свойства древесины

мягколиственных пород

Актуальность задачи повышения эксплуатационных свойств древесины, в особенности - древесины мягколиственных пород, менее стойких к гниению (таблица 1.1), доказана в работах многих ученых, например [12], [13], [14].

Таблица 1.1

Классы пород древесины по стойкости к гниению [15]

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

Методы модифицирования древесины (под модифицированием понимается целенаправленное изменение ее свойств), условно подразделяют на два класса: физические и химические методы [1].

К физическим методам относится, например, введение в древесину инертных материалов, не проникающих в клеточную стенку (moho-, олиго-, полимеров, масел, металлов и др.).

Химические методы заключаются в изменении состава и свойств материала клеточных стенок за счет воздействия на древесину аминов, ангидридов карбоновых кислот, альдегидов и других веществ, в том числе мономеров и олигомеров.

Оба класса методов предусматривают введение в древесину модификаторов, что может быть осуществлено в результате пропитки. Например, в институте леса и древесины Сибирского отделения Академии наук СССР [16] получена модифицированная фурфуриловым спиртом древесина, имевшая разбухание в 5-6 раз меньше, чем натуральная; при этом значительно снижалось 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 [16] обладает лучшими, по сравнению с натуральной, физико-механическими свойствами. Получило распространение модифицирование древесины термохимическим способом с применением различных синтетических смол и составов на их основе. Модифицированная древесина в 7-10 раз меньше разбухает, чем натуральная [17].

Проведен ряд исследований по модифицированию древесины различных пород фенолоспиртами с последующей их поликонденсацией в древесине под действием повышенной температуры [18], [19], [20]. Исследования показали, что разбухание составило 1,4 и 2,1%, а натуральной (контрольные образцы) - 9 и 12% соответственно в радиальном и тангенциальном направлениях. Климатические испытания модифицированной фенолоспиртами древесины на открытом воздухе в условиях г. Мин-

ска показали хорошие результаты [20]. Древесина достигла влажности 5-8%, размеры поперечного сечения увеличились на 1,2 - 2,0%. Полученные результаты подтвердили возможность эксплуатации ее в открытых атмосферных условиях.

При этом практически все исследователи подчеркивают, что качественные показатели модифицированной древесины в существенной степени будут определяться такими параметрами, как глубина пропитки и количество введенного вещества [1], [17].

1.2.1. Общие сведения о способах пропитки древесины

Классификация существующих способов пропитки капиллярно-пористых структур, к которым относится и древесина, основана на трех основных физических явлениях, происходящих при пропитке: перемещение жидкости под действием капиллярных сил, диффузное перемещение молекул пропитывающего вещества; перемещение жидкости под действием внешнего избыточного давления [21], [22], [23], [24].

Государственными стандартами регламентированы следующие способы пропитки древесины (см. таблицу 1.2).

Таблица 1.2

Способы пропитки древесины [25]

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 - ВАДВ Не более 30 при про-

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

атмосферное давление - вакуум питке водорастворимыми защитными средствами и не более 25 - при пропитке маслами и органикорас-творимыми защитными средствами

Автоклавная пропитка водорастворимыми защитными средствами под давлением ВДВ Не более 30

Диффузионный I - нанесение защитного средства на поверхность изделий -диффузионная выдерж�