автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Сушка лиственничных пиломатериалов с заданными потребительскими свойствами в камерах периодического действия

Введение.

1 Состояние вопроса и задачи исследований.

1.1 Механизм и особенности конвективной сушки лиственничных пиломатериалов.

1.2 Структура, химический состав древесины лиственницы и их изменения в процессах гидротермической обработки.

1.2.1 Строение древесины лиственницы.

1.2.2 Химический состав и ультраструктура клеточной стенки.

1.2.3 Изменение химического состава древесины в процессе сушки.

1.2.4 Изменение микроструктуры древесины при сушке.

1.3 Снижение прочности древесины в процессе сушки.

1.4 Режимы камерной сушки пиломатериалов.

1.5 Прогнозирование внутренних напряжений в пиломатериалах в процессе сушки.

1.6 Цели и задачи исследований.

2 Теоретическое обоснование исследований.

2.1 Структура режимов сушки лиственничных пиломатериалов в камерах периодического действия.

2.2 Модель снижения прочности древесины в процессе сушки.

2.2.1 Выбор факторов и диапазонов их варьирования.

2.2.2 Обоснование выбора вида механических испытаний.

2.3 Метод прогнозирования распределения полей влажности в лиственничных пиломатериалах при сушке в камерах периодического действия.

3 Методика экспериментальных исследований снижения прочности древесины и проведения опытных сушек лиственничных пиломатериалов.

3.1 Анализ погрешностей измерений при проведении исследований.

3.2 Исследование влияния тепловой обработки на изменение прочности древесины лиственницы.

3.2.1 Опытный материал.

3.2.2 Определение объема выборки для исследований.

3.2.3 Гидротермическая обработка образцов при стабильной влажности.

3.3 Исследование изменения химического состава древесины лиственницы после тепловой обработки.

3.3.1 Методика исследования.

3.3.2 Обработка результатов опытов.

3.4 Опытные сушки пиломатериалов.

3.4.1 Отбор образцов.

3.4.2 Экспериментальная установка.

3.4.3 Определение влажности материала.

3.4.4 Определение внутренних напряжений.

4 Экспериментальное исследование снижения прочности древесины и результаты опытных сушек пиломатериалов.

4.1 Исследование снижение прочности.

4.1.1 Статистический анализ полученных результатов.

4.1.2 Интерпретация результатов исследований.

4.2 Исследование изменения химического состава древесины лиственницы при тепловой обработке.

4.3 Выводы по результатам исследований снижения прочности древесины лиственницы в процессе тепловой обработки.

4.4 Опытные сушки лиственничных пиломатериалов.

4.5 Выводы по результатам опытных сушек пиломатериалов.

5 Разработка и проверка модели снижения прочности древесины лиственницы в процессе сушки.

5.1 Программа расчета полей влажности и величины снижения прочности древесины в процессе сушки.

5.2 Экспериментальная проверка методов прогнозирования снижения прочности древесины и развития внутренних напряжений в пиломатериалах.

6 Разработка и экспериментальная проверка режимов сушки.

6.1 Разработка режимов сушки.

6.1.1 Критерий оптимизации.

6.1.2 Ограничение варьирования входных данных.

6.1.3 Решение оптимизационной задачи.

6.2 Экспериментальная проверка режимов сушки.

Для решения поставленных задач были проведены теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку режимов сушки лиственничных пиломатериалов до эксплуатационной влажности с за данными потребительскими свойствами. При выполнении работы получены следующие основные результаты:

1. Установлены общие закономерности снижения прочности древесины лиственницы в процессе гидротермической обработки.2. Проведены исследования послойной прочности пиломатериалов, ко торые показали, что нет статистически доказуемого различия в прочности центральных и поверхностных слоев досок после камерной сушки. Снижение прочности поверхностных слоев доски, из-за механической деструкции ана томических элементов, компенсируется снижением прочности в центральной зоне, вызванное гидролитической деструкцией компонентов древесины.3. Проведены механические испытания древесины лиственницы в соот ветствии с планом многофакторного эксперимента.Существенное влияние на прочностные показатели древесины при любой (14,5 %) обнаружено у образцов, влажность которых на протяжении всего процесса тепловой обработки оставалась более 30 %.5. Экспериментально установлено, что при воздействии температуры снижение содержания трудногидролизуемых полисахаридов. Это объясняет ся тем, что в процессе гидролиза частично разрушается кристаллическая часть целлюлозы и появляется возможность доступа кислоты к гемицеллюлозам находящимся в этой области. Гидролитическая и окислительная дест рукция приводит к нарушению связей между компонентами в клеточной стенке и как следствие этого снижается прочность самой древесины.6. Получена и экспериментально проверена математическая модель, позволяющая прогнозировать снижение прочности древесины лиственницы в процессе сушки в зависимости от начальной влажности материала, продол жительности процесса и температуры сушильного агента.7. Проведены опытные сушки лиственничных пиломатериалов толщи ной 25, 32, 40 и 50 мм, в которых исследовалось распределение влажности и внутренние напряжения по толщине досок, а также величина снижения прочности древесины.Установлено, что характер кривых распределения влажности по тол щине пиломатериалов, при их сушке в камерах периодического действия, не имеет принципиальных отличий от характера кривых распределения влажно сти в камерах непрерывного действия. Расхождение экспериментальных дан ных с расчетными, по существующей методике расчета полей влажности при сушке пиломатериалов в камерах непрерывного действия, отмечены для вы сокой начальной влажности древесины и в конце процесса сушки.8. Внесены дополнения в методику экспериментального определения внутренних напряжений, позволяющие повысить его точность. В процессе сушки, при определении модуля упругости образца, для пролета между опо рами 100 мм и более, необходимо ступени нагружения изменять от 2,5 до 10,0 Н, в зависимости от влажности древесины, при этом стрела прогиба образца должна составлять от 0,10 до 0,30 мм.Получено уравнение регрессии, позволяющее пересчитывать величину внутренних напряжений поверхностного слоя в относительную деформацию зубцов силовой секции и затем определять качество сушки, не изготавливая последнюю.9. Предложена новая структура многоступенчатых режимов сушки ли ственничных пиломатериалов, позволяющая учитывать снижение прочности древесины в зависимости от ее начальной влажности. Количество ступеней зависит от начальной влажности древесины. При начальной влажности пи ломатериалов более 70 % - 10 ступеней. Переход на последующую ступень сушки производится по влажности древесины 70; 60; 50; 40; 30; 25; 20; 15; 10 %.Чем меньше начальная влажность, тем меньше число ступеней и выше тем пература сушильного агента.10. Разработан и экспериментально проверен метод расчета полей влажности в лиственничных пиломатериалах при сушке в камерах периоди ческого действия.11. Выбран основной критерий оптимизации - продолжительность процесса сушки и приняты ограничения при разработке режимов сушки.9. Получены оптимальные параметры режимов сушки лиственничных пиломатериалов с заданными потребительскими свойствами в камерах пе риодического действия. По степени снижения прочности древесины в про цессе сушки, разработаны режимы, регламентирующие: сохранение ее при родной прочности; снижение до 5 или 10 %.10. Проведена проверка разработанных режимов, которая подтвердила надежность аналитических методов расчета полей влажности и внутренних напряжений, развивающихся в пиломатериалах в процессе сушки. Примене ние предлагаемых режимов позволяет сократить продолжительность процес са сушки на 5 - 15 % в зависимости от толщины и начальной влажности пи ломатериалов по сравнению с нормативными режимами.Внедрение разработанных режимов сушки позволит получать пилома териалы высокого качества, сократить потери древесины и более широко ис пользовать древесину лиственницы в производстве изделий из массивной древесины.