автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Термомодифицирование древесины в среде водяного пара

На правах рукописи

Шайхутдинова Айгуль Равилевна

ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ В СРЕДЕ ВОДЯНОГО ПАРА

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ч /п? ¿013

Казань-2013

005057580

005057580

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждений высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»),

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Сафип Руслан Рушанович,

доктор технических наутс, профессор

Башкиров Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор, Казанский национальный исследовательский технологический университет, заведующий, кафедрой химической технологии древесины;

Дорняк Ольга Роальдовна,

доктор технических наук,|ст.н.с., Воронежская государственная лесотехническая академия, заведующая кафедрой сопротивления материалов и теоретической механики;

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» (МГУ.11), г. Москва

Защита диссертации состоится «26» апреля 2013 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, Казань, ул. К. Маркса, д 72

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

Автореферат разослан «26» марта 2013 г.

Ученый секретарь .........

диссертационного совета Е.И. Байгильдеева

Общая характеристика работы

Во всем мире в последние годы происходит развитие новых технологий в области строительных материалов, в частности, древесины, которые направлены главным образом на то, чтобы улучшить физико-механические и декоративные свойства исходного материала, сделать его более прочным, упругим, долговечным.

Актуальность исследования

Древесина, как строительный материал, обладает множеством положительных свойств, однако относительно недолгий срок эксплуатации, сравнительно малая стабильность формы, а также наличие в ней грибковой инфекции снижают ее конкурентоспособность по сравнению с металлами и синтетическими материалами.

До недавнего времени для изменения свойств древесины и борьбы с грибком самым распространенным был метод химической обработки древесины путем пропитки или поверхностной обработки органическими или неорганическими солями, токсичное действие которых прекращает развитие грибка, но при этом оказывает негативное воздействие на окружающую среду. В связи с этим, одним из передовых направлений в технологии переработки древесины в последнее время является термомодифицирование древесины, в результате которого получается экологически чистое термодерево, обладающее биостойкостью; долговечностью, стабильностью геометрических размеров, а также привлекательным эстетическим видом. Термомодифицирование древесины позволяет предлагать потребителям продукцию, отвечающую самым высоким запросам, а также дает возможность производить термодерево с заданными свойствами.

Признанным лидером по производству термодревесины в мире является финская компания VTT, разработавшая технологию термомодифицирования древесины в перегретом паре Thermowood®. Кроме этого, наиболее крупными мировыми производителями термодревесины являются компании Lunawood Оу, Valutec Оу и Tekmaheat Оу (Финляндия); Baschild (Италия); «Superior Thermowood» (Канада); <<MUhlb»ck-Holztrocknungsanlagen>> (Австрия), Tre Timber (Эстония). В числе основных российских компаний следует выделить «Проминвест ДИАРС» и ООО «Вест-Вуд Рус».

Несмотря на высокую стоимость водяного пара и, как следствие, энергоемкость процесса многие зарубежные производители термодревесины остановили свой выбор на водяном паре, как наиболее оптимальном агенте обработки для получения термоматериала высокого качества, выделяя среди преимуществ высокий коэффициент теплоотдачи, высокую пожаробезопасность и качество готовой продукции, определяемое однородностью цвета по всему сечению термодерева. Кроме того, абсолютно герметичные условия проведения процесса термообработки снижают вред для рабочего персонала, исключая утечку продуктов разложения древесины из аппарата, обеспечивая, тем самым, позитивную экологическую обстановку в зоне работы термокамеры. Данная технология также может быть эффективной для производств, где имеется дешевый водяной пар.

Однако, несмотря на ряд преимуществ, технология термомодифицирования в среде водяного пара в нашей стране не нашла широкого применения, постепенно вытесняясь менее энергозатратными, не всегда обеспечивающими высокое качество продукции методами термообработки. В связи с чем являются актуальными исследования, направленные на снижение энергозатрат в процессе термомодифицирования в среде водяного пара и нахождение ниш рационального использования водяного пара при термомодифицировании: разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара без предварительной сушки, а также усовершенствование технологии термомодифицирования древесины в среде перегре-

того водяного пара.

Настоящая работа выполнялась при поддержке гранта по программе Старт 1 «Разработка системы улова и утилизации летучих продуктов разложения древесины в процессе ее термической модификации с одновременным получением тепловой энергии для предварительной сушки пиломатериалов» (контракт № 9877р/10441) и государственного контракта № 16.525.11.5008 по теме «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала».

Степень разработанности проблемы. Исследования процессов термомодифицирования древесных материалов проводились как зарубежными, так и российскими учеными. Среди отечественных исследователей можно выделить Ахметову Д.А., разработавшую энергосберегающую технологию вакуумно-кондуктивного термомодифицирования древесины; Белякову Е.А., исследовавшую термомодифицирование твердых пород древесины в жидкостях; Кайнова П.А., создавшего энергосберегающую технологию термического модифицирования материалов в среде топочных газов. Среди зарубежных исследователей, занимавшихся вопросами тепло- и влагопереноса в технологиях термообработки древесины, а также теплофизическими свойствами древесины, можно выделить ученого Nencho Deliiski ■ (Bulgaria); термомодифицированием древесины - ученого Andreas О. Rapp (Germany); вопросами влияния термической обработки на физико-механические, химические и эксплуатационные свойства древесины - Danica KaCfková, Frantiáek Kaüík (Slovakia) и Ladislav Dzurenda (Slovakia). Vincent Repeltin (France) исследовал закономерности изменения цветовой гаммы древесины в процессе термомодифицирования; вопросам обработки древесины в среде органических масел посвящены работы Anna Koski (Finland), Michael Sailer (Germany).

Пель и задачи исследования состоят в изучении и усовершенствовании технологии термомодифицирования древесины с позиций снижения энергозатрат на ведение процесса и нахождения шип рационального использования водяного пара при термомодифицировании.

В связи с этим, в настоящей работе были поставлены следующие задачи:

■ исследование современных технологий термообработки древесины;

■ разработка математической модели процессов термомодифицирования пиломатериалов в среде водяного пара, включающей стадии термической обработки в насыщенном паре, в перегретом паре, охлаждения материала путем пропаривания;

■ исследование процессов тепломассопереноса в паровой среде, ее теплообмена с материалом и тепломассопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработки с целью выявления рациональных режимных параметров ведения процесса термомодифицирования в среде водяного пара;

■ разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара с последующей подсушкой;

" исследование и усовершенствование технологии термомодифицирования древесины в среде перегретого водяного пара;

■ разработка аппаратурного оформления и промышленная реализация предлагаемых способов термообработки древесины в среде водяного пара.

Предмет н объект исследования. Предметом исследования является технология термомодифицирования древесины в среде водяного пара. Объектом исследования является древесина сосны, березы, дуба и их характеристики, изменяющиеся в ходе термообработки.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой исследования являются теоретические и экспериментальные данные по механизму процесса тепломассопереноса в паровой среде и ей теплообмена с материалом, а также тепломассопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработ-

ки. В работе использованы методы математического и физического моделирования. Теоретическую базу исследований составляли работы ученых по вопросам сушки и термомодифицирования коллоидных материалов с капиллярно-пористой структурой, влияния высокотемпературной обработки на свойства пиломатериалов, а также исследования физико-механических свойств древесины. Эмпирической основой являлись исследования физических и механических свойств объекта обработки, таких как: температура, плотность, удельная сила резания, параметр шероховатости Rz и цветовые характеристики.

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

■ анализ современных технологий термообработки древесины;

■ математическая модель процессов вакуумно-конвективного термомодифицирования пиломатериалов в среде водяного пара, позволяющая определить продолжительность стадий вакуумирования, прогрева, непосредственного термомодифицирования древесины и охлаждения готового продукта;

■ технология термомодифицирования высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара с последующей подсушкой;

■ усовершенствованная технология термомодифицирования древесины в среде перегретого водяного пара;

■ разработанные экспериментальные установки для физического моделирования рассматриваемых процессов, а также исследования свойств термодревесины;

■ конструкция пилотной установки термомодифицирования высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара с последующей подсушкой и результаты ее испытаний;

« конструкция промышленной установки вакуумно-конвективного термомодифицирования древесины в среде перегретого пара и результаты ее промышленных испытаний,

Научная иовизна результатов работы. Работа содержит научно-обоснованные технические решения, направленные на обработку древесины термомодифицированием в среде водяного пара:

1.Разработана математическая модель процессов термомодифицирования древесины в среде водяного пара, позволяющая определить продолжительность стадий вакуумирования, прогрева, непосредственного термомодифицирования древесины, охлаждения готового продукта, подсушки.

2. Исследован тепломассоперенос внутри древесины в процессе термомодифицирования в среде водяного пара.

3. Разработана энергосберегающая технология термомодифицирования высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара с последующей подсушкой, при которой обработке подвергается свежесрубленная древесина с вла-госодержанием более 60 %. Технологический процесс складывается из следующих основных этапов: повышение температуры в аппарате до 180 °С путем подачи насыщенного пара из парогенератора, выдержка древесины при высокой температуре и давлении насыщенного пара в течение 4-8 часов с целью термомодифицирования материала на глубину до 50 мм,

вакуумирование для подсушки обработанной древесины.

■^.Усовершенствована технология вакуумно-конвективного термомодифицирования древесины в среде перегретого водяного пара, отличающаяся от аналоговых улучшенными конечными качествами материала ввиду отсутствия характерного для термодревесины запаха, что достигается путем многократного пропаривания и вакуумирования термодерева на стадии охлаждения, а также параллельным проведением сушки пиломатериалов в камере сушки за счет тепловой энергии, высвобождаемой при охлаждении термодревесины.

б

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость представленной работы заключается в разработке математической модели, которая позволяет определять рациональные режимные параметры исследуемого процесса термомодифицирования древесины в среде водяного пара, устанавливать физические характеристики объекта исследования в ходе термообработки и определять влияние отдельных факторов на проведение процесса.

Практическая значимость полученных научных результатов заключается в разработке рациональных технологических режимов ведения процесса термического модифицирования высоковлажной древесины в насыщенном водяном паре, что исключает дополнительные энергозатраты на предварительную сушку древесины, а также в усовершенствовании суще-'ствуюшей технологии термомодифицирования древесины в среде перегретого водяного пара, позволяющей использовать отработанную тепловую энергию на предварительную сушку пиломатериала и исключить жженый залах термодревесины.

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

Аппобапия и реализация результатов диссертации. Основные положения и результаты работы докладывались на научных сессиях по технологическим процессам ФГБОУ ВПО «КНИГУ» (Казань, 2009-2013гг.), на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2008), на Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (Одесса, 2011), на XXIV международной научной конференции «ММТТ-24» (Киев, 2011), на I международной научно-технической интернет-конференции «Лесной комплекс в XXI веке» (Казань, 2013).

Опытно-промышленная установка по термомодифицированию древесины в среде перегретого водяного пара ВУСТД 1, объемом загрузки 10,2 м3 пиломатериалов внедрена на ООО «Русская мебель» (г. Кимры).

Испытания пилотной установки по термомодифицированию высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного пара ВУСТД 2 были проведены в условиях малого предприятия по производству домов из оцюшндрованного бруса ООО «Сириус» (г. Йошкар-Ола).

Материалы диссертации и созданные экспериментальные установки применяются в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторного практикума по дисциплине «Гидротермическая обработка и консервирование древесины» для студентов, обучающихся по направлению подготовки 250400.62 «Технология лесозаготовительных и деревопе-рерабатывающих производств».

Личное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора разработаны лабораторные установки, выполнены эксперименты и проведены промышленные испытания. Автор разработал способ термообработки древесины (Пат. № 2422266) и способ сушки и термической обра-

ботки древесины (Пат. № 2425305). Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 2 патента РФ на изобретение. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит следующее: [1, 11] - исследование влияния термообработки в среде насыщенного и перегретого пара на эксплуатационные характеристики изделий из древесины, [3, 4, 5, 9, 10] - разработка способов и технологий термической обработки и сушки древесины, [2, 7, 8] - разработка экспериментальных установок по вакуумно-конвективному термомодифицированию древесины в среде перегретого пара, получение и обработка экспериментальных данных, [6] - разработка технологии термомодифицирования в среде топочных газов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание изложено на 160 страницах машинописного текста и включает в себя 65 рисунков и 10 таблиц. Список литературы включает 110 наименований цитируемых работ отечественных и зарубежных авторов.

На всех этапах работы в качестве научных консультантов активное участие принимали к.т.н., доцент Разумов Е.Ю. и к.т.н., доцент Кайнов П.А.

Содержание работы

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

В первой главе проведен анализ литературы, показывающий, что возможность получения пиломатериала с улучшенными свойствами (повышенная биостойкость, долговечность, низкая равновесная влажность, красивые декоративные свойства) без воздействия химическими веществами является причиной повышенного интереса к термомодифицированию древесины как в России, так и за рубежом.

Проведено исследование современных технологий термообработки древесины, в результате которого вьивлено, что в качестве агента обработки при термомодифицировании древесины наиболее успешно используется водяной пар, поскольку позволяет интенсифицировать стадию прогрева по сравнению с технологиями термообработки в инертных газах, а также предотвратить поверхностное загрязнение по сравнению с обработкой маслами. В качестве недостатков данной технологии можно отметить энергоемкость и высокую стоимость процесса, что является причиной пребывания российского рынка термодревесины в зачаточном состоянии и определяет цель данной работы.

Во второй главе приведен подробный анализ процесса термического модифицирования древесины в среде водяного пара. Приняты основные допущения, на основе которых разработана математическая модель термомодифицирования древесины в среде водяного пара, представлен алгоритм ее расчета.

Процесс термического модифицирования древесины в водяном паре условно можно представить как совокупность процессов предварительного вакуумирования, прогрева в насыщенном паре, прогрева в перегретом паре, непосредственного термомодифицирования, охлаждения материала путем многократного пропаривания и вакуумирования, а также подсушки в случае необходимости.

При проведении процесса термомодифицирования пиломатериалов в среде перегретого водяного пара с целью повышения теплоотдачи процесс целесообразно начать с удаления

воздуха из рабочей полости аппарата с помощью вакуумного оборудования, после чего в камеру подают водяной пар из парогенератора и одновременно с этим включают ТЭНы для перегрева пара и вентилятор для его принудительного движения (рис. 1).

Рис. 1. Схема осуществления термомодифицирования древесины в среде водяного ]

, -. Т- ----Ї..--..........................1 --------------------------------------

г »IV.. л. і^лслін исущссАялсммм і^рмомодиірициронания древесины В среде ВОДЯНОЮ 1шра.

1 - автоклав для термомодифицирования материала, 2 — дверца для загрузки материала в камеру; 3 - конденсатор; 4 - вакуумный насос; 5 — парогенератор; 6, 11 - запорный механизм; 7 - вентилятор с электродвигателем; 8 - калорифер; 9 - штабель пиломатериалов.

Совместным решением продифференцированных уравнений Сен-Венана-Венцеля и Менделеева-Клапейрона определяем изменение плотности паров в зоне их входа в аппарат

dPn.b

;-P-Vc

Rn

-dTn

1

dmr

(1)

Принимая во внимание, что поступающий в аппарат пар попадает в зону с теплообмен-ным оборудованием, температура пара Тп в выражении (1) в первом приближении может приниматься равной температуре поверхности калориферов Ткал. Давление паров в этой зоне определяется температурой поверхности калорифера и плотностью паров на предыдущей итерации.

Таким образом, насыщенный водяной пар, поступающий в горячую зону электрокалориферов камеры термообработки, не конденсируясь, полностью идет на создание паровой среды, повышая давление в данной зоне аппарата. Перепад давлений вызывает движение водяного пара в рабочую зону - начинается прогрев пиломатериала. Для движущейся паровой среды с учетом функции стоков тепла и массы, происходящих при конденсации водяного пара на холодной поверхности пиломатериала, дифференциальные уравнения переноса энергии и массы для одномерной картины принимают вид

эт, 5(wit)_

ді

(q-jnrc-r-jn)-FM сц.п Рп

dPcp f 5(wlPcp)

дх

СІпгс ~ Jn)"Ff

м >

(2)

(3)

где плотность потока конденсирующегося водяного пара определяется из равенства потоков теплоты при фазовом переходе и конвективном теплообмене

ак(Т-Тмдов) г

При достижении поверхностью материала температуры выше температуры насыщения

Jn :

(4)

водяного пара при данной величине давления в аппарате процесс конденсации заканчивается и дальнейший нагрев материала осуществляется за счет теплоотдачи. При этом из материала по мере прогрева начинает удаляться содержащаяся в ней влага, легколетучие экстрактивные вещества, а при достижении определенной температуры возникает поток продуктов разложения гемицеллюлоз, содержащий теплоту химической реакции. Тогда дифференциальные уравнения переноса энергии и массы для среды запишутся в виде

ЭТ | d(wiТ) = [q ■ jnrc - а(т ~тпов.м)]'fm (5)

са д( сц.ср Рср

Фср S(w^pcpj . * —:-+-—-= Jnrc 'Гм

K-At-FKajI-nCp

* ' а, ^ (6)

Граничным условием для решения дифференциальных уравнений (2) и (5) является выражение

оТ

(=0 Рем ' ^' сц.ср

Граничные условия для решения дифференциальных уравнений (3) и (6) в процессе подачи водяного пара из парогенератора определяются плотностью пара в зоне электронагревателей:

Рп,ср|£=0 = Рп.в (8)

После завершения подачи водяного пара, то есть при достижении в аппарате требуемого давления, плотность паров в различных точках аппарата можно считать равной, поэтому расчетом по уравнению (6) можно пренебречь, а скорость в уравнении (5) принять за постоянную величину, определяемую характеристиками вентилятора.

Начальные условия для решения уравнений (2) и (3) можно представить в следующем

виде

Т(0;/)= соп& (9)

р(0; = сопэ! (Ю)

Начальными условиями дая решения уравнений (5) и (6) являются поля распределения температуры и плотности пара, полученные после расчета по уравнениям (2) и (3).

При решении внутренней задачи термомодифицирования древесины и, рассматривая одномерную симметричную задачу для описания изменения во времени полей температур и плотности древесины по толщине, воспользуемся уравнениями, представленными в следующей форме

смрм^ = А^м^1и.к.рм, (11)

ді Эх І I Зх

% = -к.Рм> (12)

дх

где второй член правой части уравнения (11) характеризуют тепловую энергию, отводимую в результате разложения части материала.

Граничное условие для решения уравнения (11) определяется выражением

а' (Тм.пов ~ Тп ) —Хм д м

* х=0~Я-Рм (13)

Начальные условие для решения уравнения (11) можно представить в следующем виде

тм(°;х)= const (J4j

Рм(°;х)= const (15)

После окончания стадии термомодифицирования древесины начинается стадия охлаждения материала до 60- 100 °С, целью которой является предотвращение возможного самовозгорания термодерева. Охлаждение продукта проводят в той же камере, подавая водяной пар из парогенератора.

Составим материальный баланс для паровой среды, находящейся в камере в процессе охлаждения

усв " Фсм = Gnap^ - Qc.nr 'Рсм^г > (16)

где в левой части представленного уравнения описывается изменение содержания паровой среды, а в правой части уравнения первый член описывает подвод паров из парогенератора, второе слагаемое - отвод паров из аппарата.

После некоторых преобразований получаем уравнение, характеризующее изменение давления в аппарате за бесконечно малый промежуток времени dP_ R-T-Gnap-P-nn.QCJ1[r p.dT

V-Цд "т^Г (17)

Изменение температуры паровой среды находим из теплового баланса

PcMcCMVCBdT = а(тм пов -T)-FMdt-<2с.ггг.РсмссмТЛ , (18)

где левая часть уравнения представляет собой изменение теплосодержания парогазовой фазы; первый член правой части уравнения характеризует теплообмен с поверхностью материала; второй член - отвод тепла с удаляемой в вакуумную линию паровой смесью. Отсюда получим дифференциальное уравнение изменения температуры паровой среды dT_r U-FM-(TMJI0B-T ))R Qcnr ,

d* Р-ДП-СЦ-Vcb X^1 (19>

Для определения продолжительности стадии охлаждения термодревесины до заданного значения производится расчет процесса теплопереноса внутри материала с помощью дифференциального уравнения в следующем виде

д2Ти

<20>

Таким образом, совместное решение представленного математического аппарата позволит определить продолжительность стадий прогрева, непосредственного термомодифицирования древесины и охлаждения готового продукта, а также выявить рациональные режимные параметры и конструктивные особенности исследуемого процесса.

В третьей главе приведено описание экспериментальных установок, представлены объекты исследования, а также методики и результаты исследований свойств модифицированных образцов; результаты математического и физического моделирования исследуемого процесса термомодифицирования древесины в среде водяного пара при различных режимах

обработки; установлена адекватность разработанной модели реальному процессу; определены рациональные режимные параметры.

В результате моделирования установлена зависимость времени прогрева пиломатериала при в = 50 мм до требуемой температуры обработки при прогреве древесины в перегретом и в насыщенном паре (рис.2).

6). ,

береза

береза

ЗЕТ

170 Ш 1» 200 210 220 230 240 ТшЛ

120 140 150

200 220 240Тм«т,Ч

Рис.2. Время повышения температуры в центре пиломатериала (при в=50 мм) до требуемой температуры обработки: а) при прогреве древесины в перегретом паре; б) при прогреве древесины в насыщенном паре.

Согласно кривым- можно сделать вывод, что с целью ускорения процесса прогрева древесины, необходимо использовать высокую температуру, которая, однако, должна быть выбрана с учетом физико-механических свойств древесины, изменяющихся под воздействием высоких температур. Также видно, что время прогрева материала до требуемой температуры обработки в насыщенном паре является менее продолжительным по сравнению со временем прогрева в перегретом паре.

На рис. 3 представлены результаты моделирования, показывающие зависимость времени прогрева древесины в насыщенном и в перегретом паре от толщины материала для различных пород (сосна, береза, дуб). Из графиков видно, что чем толще образец и меньше плотность древесины, тем более продолжительной является стадия нагрева.

а). 3,5

береза

« » >Иш

береза

10 20 30 ад 50 60 70 з/2,м

Рис.3. Зависимость времени прогрева материала до 220 °С от толщины образцов древесины: а) - в перегретом паре; б) - в насыщенном паре

В результате изучения влажности образцов древесины в процессе термомодифицирования в среде насыщенного водяного пара были построены гистограммы, показывающие изменение влажности образцов сосны, березы, дуба при температуре обработки 200 "С (рис.4 а). Видно, что в отличие от образцов сосны конечная влажность образцов березы и дуба ниже их начальной влажности, что позволяет сделать вывод о возможности проведения одновременной подсушки и термомодифицирования высоковлажных пиломатериалов плотных пород в результате термомодифицирования в среде насыщенного водяного пара и последующего ьакуумирования.

Анализ влияния температуры обработки на конечную влажность, представленный в виде гистограмм на рис. 4 б, показал, что с повышением температуры обработки конечное содержание влаги в древесине березы уменьшается.

Рис.4, а) изменение влажности образцов сосны, березы, дуба при температуре обработки 200 С; б) изменение влажности образцов березы при разной температуре обработки. 1 - нач.вл., 2 - вл. после подачи насыщ.пара., 3 - конеч.вл.

В четвертой главе на основе результатов экспериментальных исследований и математического моделирования процесса термического модифицирования древесины в среде водяного пара была разработана и создана установка для реализации вакуумно-конвекгивной сушки и термомодифицирования пиломатериалов в среде перегретого пара объемом загрузки 10,2 м3 пиломатериалов (рис.5). Совместно с ООО «ФерриВатт» (г. Казань) установка внедрена на ООО «Русская мебель» (г. Кимры).

140 береза

120

100

80 СО

40

20

0

Рис 5 Общий вид и схема промышленной установки по термомодифицированию древесины в среде перегретого пара: 1 - корпус камеры; 2 - крышка; 3 - камера термообработки; 4 - ТЭНы; 5 - осевой электровентилятор; 6 - парогенератор; 7 - конденсатор; 8 - вакуумный насос; 9 - перфорированные стенки; 10 - пиломатериал.

Была усовершенствована технология термомодифицирования древесины в среде перегретого водяного пара, отличительной особенностью которой являются улучшенные конечные качества материала, а именно, отсутствие характерного для термодревесины запаха, что достигается путем многократного пропаривания и вакуумирования термодерева на стадии охлаждения.

Согласно известной методике исследования выделяющихся летучих веществ из материала, были изучены образцы термомодифицированной сосны после проведения нескольких циклов «пропаривание - вакуумирование» с целью определения запаха жженой древесины. Термомодифицированные образцы сосны нагревались в стеклянных стаканах, накрытых сверху стеклянными пластинами. В процессе нагрева испаряющиеся из древесины вещества конденсировались на стеклянных крышках. По завершении процесса пластины снимались со стакана, и количество осевших на поверхность стекла летучих веществ определялось путем измерения с помощью блескомера интенсивности отраженного под определенным утлом света. Результаты испытаний представлены на рис.6.

Рис.6. Исследование количества летучих веществ в образцах термомодифицированной сосны в зависимости от количества циклов «пропаривание - вакуумирование».

Приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что количество находящихся в термодревесине летучих веществ уменьшается с каждым новым циклом «пропаривание -вакуумирование», что доказывает целесообразность проведения данной процедуры с целью избавления от характерного для термодревесины запаха.

С целью апробации результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов, протекающих при термомодифицировании древесины в среде насыщенного водяного пара, была создана пилотная установка, испытания которой были проведены в условиях малого предприятия по производству домов из оцилиндрованного бруса ООО «Сириус» (г. Йошкар-Ола).

По полученным результатам опытно-промышленных испытаний предложенного способа термомодифицирования древесины в среде насыщенного водяного пара была построена диаграмма изменения глубины термомодифицирования оцилиндрованного бревна сосны при температуре выдержки 180 °С (рис.7).

Из графиков видно, что термомодифицирование бревна на глубину 2 см начинается с шести часов выдержки в заданных условиях.

Рис.7. Глубина термомодкфицирования оцилиндрованного бревна при температуре выдержки 180 °С

Проведены экспериментальные исследования изменений механических свойств древесины, прошедшей термообработку, целью которых являлось определение энергосиловых параметров процесса поперечного резания термически модифицированной древесины берёзы, сосны, дуба (рис.8) и параметр шероховатости Яг поверхности термомодифициро-ванных и нетермомодифицированных образцов сосны, березы и дуба (Рис. 9).

К ,Дж/м'

160 180 200 220 240 Т, °С

Рис.8. Удельная работа резания термодревесины различных пород в зависимости от температуры обработки.

Яг, мкм

Рис.9. Параметр шероховатости поверхности нетермомодифицированных и тсрмомодифицированных при разных температурах обработки образцов древесины различных пород.

Снижение усилий резания объясняется некоторым снижением плотности термомо-дифицированного материала. Повышение качества обработки также объясняется снижением упруго-эластических свойств древесины, подвергнутой термической обработке.

В приложении к работе даются результаты статистической обработки полученных данных и акты внедрений, подтверждающие практическое использование основных результатов работы предприятиями.

Основные результаты и выводы

1. Проведен анализ изменения химического состава и физических свойств древесины в процессе термической обработки.

2. Исследованы процессы тепломассопереноса в паровой среде, ее теплообмена с материалом и тепломассопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработки. По результатам исследования разработана математическая модель процессов термомодифицирования пиломатериалов в среде водяного пара, позволяющая определить продолжительность стадий прогрева, непосредственного термомодифицирования древесины и охлаждения готового продукта путем вакуумирования, а также выявить режимные параметры ведения процесса термомодифицирования в среде водяного пара: установлены оптимальные продолжительности стадии нагрева пиломатериала до заданной температуры обработки и выдержки в зависимости от породы древесины и толщины материала.

3. Впервые показана возможность проведения технологии термомодифицирования свежесрубленной древесины без предварительной сушки, для чего разработана энергосберегающая технология термомодифицирования высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара с последующей подсушкой для использования в деревянном домостроении, не имеющая аналогов на российском и зарубежном рынке.

4. Усовершенствована технология термомодифицирования древесины в среде перегретого пара, отличающаяся от аналоговых меньшей стоимостью, а также улучшенными конечными качествами материала ввиду отсутствия характерного для термодревесины запаха, что достигается путем многократного пропаривания и вакуумирования термодерева на стадии охлаждения. Технология предусматривает возможность проведения параллельной сушки пиломатериалов за счет тепловой энергии, отводимой при охлаждении готового термоматериала.

5. Разработано аппаратурное оформление предлагаемых способов термообработки древесины. Экономический эффект от внедрения установки для реализации вакуумно-конвекгивной сушки и термомодифицирования пиломатериалов в среде перегретого водяного пара в производство составляет 15,4 млн. руб/год. Предполагаемый экономический эффект при внедрении установки по термомодифицированию высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара составляет 17,1 млн руб/год.

з Основные обозначения: Т - температура, К; О - объемная производительность, м /с; Р - приведенная площадь поверхности п/м, м2/м3; Ки - площадь поверхности п/м, м2; т - масса, кг; - скорость потока, м/с; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг • К); р - плотность, кг/м3; т - текущее время, с; А. - коэффициент теплопроводности, Дж/(м • с • К); ц -удельная теплота химической реакции, Дж/кг; К - коэффициент теплопередачи, Дж/(м2' • с • К); а - коэффициент теплоотдачи, Дж/(м2 • с • К); V - объем, м3; в - массовый расход, кг/с; Р - давление, Па; К - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль • К); j - поток массы, кг/(м • с); ц- молекулярная масса, кг/кмоль; ц' - коэффициент расхода; к' - показатель адиабаты; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; \,у,£ - координаты, м„ к - кон-

станта скорости химической реакции, с"1; г - скрытая теплота парообразования; At - температурный напор.

Индексы: м - материал; кал - калорифер; пг- парогенератор; пов.м - поверхность материала; п - пар; ср - среда; пгс - парогазовая смесь; с.пг. - система удаления парогазовой смеси; см - смесь; св - свободный объем камеры; п.в - количество пара; 0 - начальный; кон - конденсатор.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Шайхутдинова, А.Р. Вакуумно-конвективное термомодифицирование древесины в среде перегретого пара [Текст] / А.Р.Шайхутдинова, Р.Р.Сафин, Р.Г.Сафин // Весгаик Казанского технологического университета. Казань. - 2011. - №.6. - С. 93 - 98.

2 Шайхутдинова, А.Р. Экспериментальные исследования механических свойств термомодифицированной древесины [Текст]/А.Р.Шайхутдинова, М.В.Хузеев, Д.А.Лхметова // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2012. - Т.15.

-№.2.-С. 31-33. „ _

3 Патент № 2422266 РФ, МПК В 27 К 5/00. Способ термообработки древесины / Сафин P.P., Сафин Р.Г., Разумов Е.Ю., Тимербаев Н.Ф., Шайхутдинова А.Р. и др.; патентообладатель ООО «НТЦ РПО»; опубл. 27.06.2011.

4. Патент № 2425305 РФ, МПК F 26 В 5/04. Способ сушки и термической обработки древесины / Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Воронин А.Е, Шайхутдинова А.Р. и др.; патентообладатель ООО «НТЦ РПО»; опубл. 27.07.2011.

5. Шайхутдинова, А.Р. Термомодификация древесины в среде топочных газов [Текст]/А.Р. Шайхутдинова, С.З. Хайрутдинов // Материалы научной сессии. / КГТУ. - Казань.-2010.-С. 287.

6. Шайхутдинова, А.Р. Термомодифицирование древесины в среде перегретого пара [Текст] /А.Р. Шайхутдинова, С.З. Хайрутдинов // Материалы научной сессии. / КГТУ. -

Казань. -2011.-С. 331.

7. Шайхутдинова, А.Р. Термомодифицирование высоковлажной крупномерной древесины в среде насыщенного пара с одновременной подсушкой [Текст]/ А.Р.Шайхутдинова // Деревообрабатывающая промышленность.- 2012.- № 2 - С. 33-35.

8 Шайхутдинова, А.Р. Результаты исследований по вакуумно-конвективному термомодифицированию древесины в среде перегретого пара [Текст] /А.Р. Шайхутдинова, С.З. Хайрутдинов // Материалы научной сессии. / КНИТУ. - Казань. - 2012. - С. 341.

9. Шайхутдинова, А.Р. Технология термомодифицирования высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного пара [Текст]/А.Р. Шайхутдинова // Материалы научной сессии. / КНИТУ. - Казань. - 2013. - С. 339.

10 Шайхутдинова, А.Р. Опытно-промышленные испытания термомодифицирования оцилиндрованных бревен в насыщенном паре [Текст] /А.Р. Шайхутдинова // Лесной комплекс в XXI веке: Матер. I международной науч.-тех. интернет - конф. - Казань,- 2013. -С. 10-14.

11 Шайхутдинова, А.Р. Экспериментальные исследования параметров шероховатости термомодифицированного дуба [Текст] / А.Р. Шайхутдинова // Лесной комплекс в XXI веке: Матер. I международной науч.-тех. интернет - конф. - Казань.- 2013. - С. 18-21.

ФормкМхК/Jt Лшр*м ¡16 nMC—>tB~m*?S.OS.iS<.

Пот о^кпц Уе»ял. ¿И Эми

ИымтскпвКГАУМЙШ) rJCauu, ftXMnt*,*ii Лааыош м юмиоиуа «пинт м lit ИД К0Ш2 от ill) JMI г. Они щи • пмгр»фш КГАУ

«г» и гХшм»,

Кш«п* racymfcnMiml irpapnH* )И0ЦИИИТ

Казанский национальный исследовательский технологический университет

04201358165

Шайхутдинова Айгуль Равилевна

ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ В СРЕДЕ ВОДЯНОГО ПАРА

05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование

деревопереработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор САФИН Р.Р.

Казань 2013

СОДЕРЖАНИЕ

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

Глава I. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О

ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИИ ДРЕВЕСИНЫ............................ 15

1.1. Анализ существующих технологий

термомодифицирования древесины............................ 15

1.2. Теоретические основы термомодифицирования

древесины.................................................................... 24

1.3. Исследование свойств термомодифицированной

древесины.................................................................... 30

Выводы........................................................................ 37

Глава II. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В СРЕДЕ ВОДЯНОГО ПАРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВАКУУМНО-КОНВЕКТИВНЫХ АППАРАТОВ.............................................. 40

2.1. Физическая картина процесса....................................... 40

2.2. Формализация процесса............................................. 45

2.3. Математическое описание процесса вакуумно-конвективного термомодифицирования древесины в среде водяного пара............................................................. 46

2.3.1. Тепломассоперенос в процессе термомодифицирования пиломатериалов в среде водяного пара.............................. 47

2.3.2. Математическое описание стадии охлаждения термомодифицированного пиломатериала........................... 55

2.4. Алгоритм расчета процесса термомодифицирования

древесины в среде водяного пара.................................... 58

Выводы........................................................................ 61

Глава III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВАКУУМНО-КОНВЕКТИВНОГО ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В СРЕДЕ ВОДЯНОГО ПАРА............................... 63

3.1. Описание экспериментальной установки для исследования процессов, протекающих при вакуумно-конвективном термомодифицировании древесины в среде перегретого водяного пара......................................................................................................................64

3.2. Описание экспериментальной установки для исследования процессов, протекающих при термомодифицировании древесины в среде насыщенного водяного пара........................................................................................................................69

3.3. Математическое моделирование и экспериментальное исследование процессов, протекающих при термомодифицировании древесины в среде водяного

пара..........................................................................................................................73

Выводы........................................................................ 90

Глава IV. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ

ТЕРМОМОФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ВОДЯНОМ ПАРЕ....... 91

4.1. Аппаратурное оформление процесса термомодифицирования и сушки пиломатериалов в среде перегретого водяного пара........................................................ 91

4.2. Опытно-промышленные испытания вакуумно-конвективной камеры термомодифицирования

пиломатериалов в среде перегретого пара............................ 98

4.3. Аппаратурное оформление процесса термомодифицирования и подсушки пиломатериалов в среде насыщенного водяного пара.......................................... 103

4.4. Пилотные испытания термомодифицирования и подсушки

оцилиндрованных бревен в насыщенном паре...................... 109

4.5. Экспериментальные исследования изменений механических свойств древесины, прошедшей

термообработку............................................................ 112

4.5.1. Экспериментальные исследования процесса резания термически модифицированной древесины.......................... 113

4.5.2. Экспериментальные исследования параметров шероховатости термически модифицированной древесины...... 115

4.6. Анализ экономической эффективности внедрения промышленных установок термомодифицирования

в среде водяного пара....................................................................... 117

Выводы........................................................................ 120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................

121

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ........................................

123

ЛИТЕРАТУРА............................................................

125

ПРИЛОЖЕНИЯ

140

ВВЕДЕНИЕ

Во всем мире в последние годы происходит развитие новых технологий в области строительных материалов, в частности, древесины, которые направлены главным образом на то, чтобы улучшить физико-механические и декоративные свойства исходного материала, сделать его более прочным, упругим, долговечным.

Актуальность исследования

Древесина, как строительный материал, обладает множеством положительных свойств, однако относительно недолгий срок эксплуатации, сравнительно малая стабильность формы, а также наличие в ней грибковой инфекции снижают ее конкурентоспособность по сравнению с металлами и синтетическими материалами и ограничивают сферы ее возможного применения.

До недавнего времени для изменения физических свойств древесины и борьбы с грибком самым распространенным был метод химической обработки древесины путем пропитки или поверхностной обработки органическими или неорганическими солями, токсичное действие которых прекращает развитие грибка, но при этом оказывает негативное воздействие на окружающую среду. В связи с этим, одним из передовых направлений в технологии переработки древесины в последнее время является термомодифицирование древесины, направленное на улучшение качества, продление срока эксплуатации, а также расширение областей применения изделий из древесины. В результате термообработки получается экологически чистое термодерево, обладающее биостойкостью, долговечностью, стабильностью геометрических размеров, а также привлекательным эстетическим видом. Термомодифицирование древесины позволяет предлагать потребителям продукцию, отвечающую самым высоким запросам, а также дает возможность производить термодерево с заданными свойствами.

Признанным лидером по производству термодревесины в мире является финская компания VTT, разработавшая технологию термомодифицирования древесины в перегретом водяном паре Thermowood®. Кроме этого, наиболее крупными мировыми производителями термодревесины являются компании Lunawood Оу, Valutec Оу и Tekmaheat Оу (Финляндия); Baschild (Италия); «Superior Thermowood» (Канада); «Miihlbock-Holztrocknungsanlagen» (Австрия), Tre Timber (Эстония). В числе основных российских компаний следует выделить «Проминвест ДИАРС» и ООО «Вест-Вуд Рус».

Несмотря на высокую стоимость водяного пара и, как следствие, энергоемкость процесса многие зарубежные производители термодревесины остановили свой выбор на водяном паре, как наиболее оптимальном агенте обработки для получения термоматериала высокого качества, выделяя среди преимуществ высокий коэффициент теплоотдачи водяного пара, высокую пожаробезопасность процесса и качество готовой продукции, определяемое однородностью цвета по всему сечению термодерева. Кроме того, абсолютно герметичные условия проведения процесса термообработки снижают вред для рабочего персонала, исключая утечку продуктов разложения древесины из аппарата, обеспечивая, тем самым, позитивную экологическую обстановку в зоне работы термокамеры. Данная технология также может быть эффективной для производств, где имеется дешевый водяной пар.

Однако, несмотря на ряд преимуществ, технология термомодифицирования в среде водяного пара в нашей стране не нашла широкого применения, постепенно вытесняясь менее энергозатратными, не всегда обеспечивающими высокое качество продукции методами термообработки. В связи с чем, являются актуальными исследования, направленные на снижение энергозатрат в процессе термомодифицирования древесины в среде водяного пара и нахождение ниш рационального использования водяного пара при термомодифицировании: разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования высоковлажного

крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара без предварительной сушки, а также усовершенствование технологии термомодифицирования древесины в среде перегретого водяного пара.

Настоящая работа выполнялась при поддержке гранта по программе Старт 1 «Разработка системы улова и утилизации летучих продуктов разложения древесины в процессе ее термической модификации с одновременным получением тепловой энергии для предварительной сушки пиломатериалов» (контракт № 9877р/10441) и государственного контракта № 16.525.11.5008 по теме «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала».

Степень разработанности проблемы. Исследования процессов термомодифицирования древесных материалов проводились как зарубежными, так и российскими учеными. Среди отечественных исследователей можно выделить Ахметову Д.А., разработавшую энергосберегающую технологию вакуумно-кондуктивного

термомодифицирования древесины; Белякову Е.А., исследовавшую термомодифицирование твердых пород древесины в жидкостях; Кайнова П.А., создавшего энергосберегающую технологию термического модифицирования материалов в среде топочных газов, а также Владимирову Е.Г., разработавшую технологию производства заготовок из термически модифицированной древесины.

Среди зарубежных исследователей, занимавшихся вопросами тепло- и влагопереноса в технологиях термообработки древесины, а также теплофизическими свойствами древесины, можно выделить: ученого Nencho Deliiski (Bulgaria); термомодифицированием древесины - ученого Andreas О. Rapp (Germany); вопросами влияния термической обработки на физико-механические, химические и эксплуатационные свойства древесины - Danica Kacíková, Frantisek Kacík (Slovakia) и Ladislav Dzurenda (Slovakia). Vincent Repellin (France) исследовал закономерности изменения цветовой гаммы

древесины в процессе термомодифицирования; вопросам обработки древесины в среде органических масел посвящены работы Anna Koski (Finland), Michael Sailer (Germany).

Цель и задачи исследования состоят в изучении и усовершенствовании технологии термомодифицирования древесины с позиций снижения энергозатрат на ведение процесса и нахождения ниш рационального использования водяного пара при термомодифицировании.

В связи с этим, в настоящей работе были поставлены следующие

задачи:

1. Исследование современных технологий термообработки древесины;

2. Разработка математической модели процессов термомодифицирования пиломатериалов в среде водяного пара, включающей стадии термической обработки в насыщенном паре, в перегретом паре, охлаждения материала путем пропаривания;

3. Исследование процессов тепломассопереноса в паровой среде, ее теплообмена с материалом и тепломассопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработки с целью выявления рациональных режимных параметров ведения процесса термомодифицирования в среде водяного пара;

4. Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара с последующей подсушкой; исследование и усовершенствование технологии термомодифицирования древесины в среде перегретого водяного пара;

5. Разработка аппаратурного оформления и промышленная реализация предлагаемых способов термообработки древесины в среде водяного пара.

Предмет и объект исследования. Предметом исследования является технология термомодифицирования древесины в среде водяного пара.

Объектом исследования является древесина сосны, березы, дуба и их характеристики, изменяющиеся в ходе термообработки.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой исследования являются теоретические и экспериментальные данные по механизму процесса тепломассопереноса в паровой среде и её теплообмена с материалом, а также тепломассопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработки. В работе использованы методы математического и физического моделирования. Теоретическую базу исследований составляли работы ученых по вопросам сушки и термомодифицирования коллоидных материалов с капиллярно-пористой структурой, влияния высокотемпературной обработки на свойства пиломатериалов, а также исследования физико-механических свойств древесины. Эмпирической основой являлись исследования физических и механических свойств объекта обработки, таких как: температура, плотность, удельная сила резания, параметр шероховатости и цветовые характеристики.

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

1. Анализ современных технологий термообработки древесины;

2. Математическая модель процессов вакуумно-конвективного термомодифицирования пиломатериалов в среде водяного пара, позволяющая определить продолжительность стадий вакуумирования, прогрева, непосредственного термомодифицирования древесины и охлаждения готового продукта;

3. Технология термомодифицирования высоко влажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара с последующей подсушкой;

4. Усовершенствованная технология термомодифицирования древесины в среде перегретого водяного пара;

5. Разработанные экспериментальные установки для физического моделирования рассматриваемых процессов, а также исследования свойств термодревесины;

6. Конструкция пилотной установки термомодифицирования высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара с последующей подсушкой и результаты ее испытаний;

7. Конструкция промышленной установки вакуумно-конвективного термомодифицирования древесины в среде перегретого пара и результаты ее промышленных испытаний.

Научная новизна результатов работы. Работа содержит научно-обоснованные технические решения, направленные на обработку древесины термомодифицированием в среде водяного пара:

1. Разработана математическая модель процессов термомодифицирования древесины в среде водяного пара, позволяющая определить продолжительность стадий вакуумирования, прогрева, непосредственного термомодифицирования древесины, охлаждения готового продукта, подсушки.

2. Исследован тепломассоперенос внутри древесины в процессе термомодифицирования в среде водяного пара.

3. Разработана энергосберегающая технология термомодифицирования высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара с последующей подсушкой, при которой обработке подвергается свежесрубленная древесина с в л агосо держанием более 60 %. Технологический процесс складывается из следующих основных этапов: повышение температуры в аппарате до 180 °С путем подачи насыщенного пара из парогенератора, выдержка древесины при высокой температуре и давлении насыщенного пара в течение 4-8 часов с целью термомодифицирования материала на глубину до 50 мм, вакуумирование для подсушки обработанной древесины.

4. Усовершенствована технология вакуумно-конвективного термомодифицирования древесины в среде перегретого водяного пара, отличающаяся от аналоговых улучшенными конечными качествами материала ввиду отсутствия характерного для термодревесины запаха, что достигается путем многократного пропаривания и вакуумирования термодерева на стадии охлаждения, а также параллельным проведением сушки пиломатериалов в камере сушки за счет тепловой энергии, высвобождаемой при охлаждении термодревесины.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость представленной работы заключается в разработке математической модели, которая позволяет определять рациональные режимные параметры исследуемого процесса термомодифицирования древесины в среде водяного пара, устанавливать физические характеристики объекта исследования в ходе термообработки и определять влияние отдельных факторов на проведение процесса.

Практическая значимость полученных научных результатов заключается в разработке рациональных технологических режимов ведения процесса термического модифицирования высоковлажной древесины в насыщенном водяном паре, что исключает дополнительные энергозатраты на предварительную сушку древесины, а также в усовершенствовании существующей технологии термомодифицирования древесины в среде перегретого водяного пара, позволяющей использовать отработанную тепловую энергию на предварительную сушку пиломатериала и исключить жженый запах термодревесины.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 «Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий)», п. 2 «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с �