CC BY
71
УДК 674.048.5
И.В. Григорьев, О.А. Куницкая, Г.В. Григорьев, Г.Ю. Есин С.-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова
Григорьев Игорь Владиславович родился в 1973 г., окончил в 1996 г. С.-Петербургскую государственную лесотехническую академию, доктор технических наук, профессор кафедры технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ. E-mail: [email protected]
Куницкая Ольга Анатольевна окончила в 1996 г. С.-Петербургскую государственную лесотехническую академию кандидат технических наук, доцент кафедры технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ. E-mail: [email protected]
Григорьев Глеб Владимирович родился в 1975 г., окончил в 1997 г. С.-Петербургскую лесотехническую академию, доцент кафедры водного транспорта леса и гидравлики СПбГЛТУ. E-mail: [email protected].
Есин Григорий Юрьевич родился в 1987 г., окончил в 2010 г. С.-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, аспирант кафедры технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ. E-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ЦЕНТРОБЕЖНОЙ ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ
Проведены экспериментальные исследования центробежной пропитки образцов древесины различных пород. Получена зависимость положения фронта пропитки от времени (скорости пропитки) при различных угловых скоростях платформы центрифуги. Установлено влияние отношения длины сортимента к радиусу платформы центрифуги за время пропитки.
Ключевые слова: центробежная пропитка, роторное оборудование, скорость пропитки.
Одним из наиболее распространенных способов модификации древесины в целях повышения ее эксплуатационных свойств (био- и огнестойкость) является пропитка древесины водными растворами различных солей. В настоящее время активно ведутся исследования по использованию для пропитки древесины синтетических и природных полимеров. Известны различные способы пропитки: вымачивание древесины, пропитка в барокамерах, пропитка древесины в пьезопериодическом поле в режиме «вакуум - давление - вакуум - давление», автоклавный способ пропитки по методу «давление - сброс - давление», пропитка на центробежных установках [2, 3]. Центробежный способ апробирован и дает при обработке древесины хорошие результаты [1]. Этот способ обеспечивает равномерную сквозную пропитку, что позволяет в дальнейшем проводить механическую обработку пропитанных заготовок.
Однако, несмотря на значительный объем проведенных исследований, центробежная пропитка древесины исследована недостаточно. Чтобы применить на практике существующие модели центробежной пропитки, требуются дополнительные экспериментальные данные. Отсутствуют методика и сравнительно простые зависимости, позволяющие на практике определять рациональные режимы работы центрифуг для пропитки при варьировании длины и породы обрабатываемых сортиментов. Все это сдерживает развитие технологии модификации древесины путем пропитки и ограничивает практическое применение данного способа.
Целью наших исследований является выявление зависимости положения фронта пропитки от времени (скорости пропитки) при различных угловых скоростях платформы центрифуги. Сложность строения древесины затрудняет поиск аналитического решения задачи, поэтому для
Л
■ ^ т
@ Григорьев И.В., Куницкая О.А., Григорьев Г.В., Есин Г.Ю., 2013
определения искомой зависимости использовали экспериментальную установку кафедры технологии лесозаготовительных производств (рис. 1).
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1 - карусель; 2 - корпус; 3 - крепежные полукольца; 4 - стакан; 5 - вал; 6 - пульт управления
Центрифуга имеет стальной сварной корпус 2 в виде вертикально стоящего цилиндра с прослойкой песка между внешней и внутренней обечайками. Внутри корпуса расположен электродвигатель мощностью 2,6 кВт, на валу 5 которого закреплен рабочий орган, представляющий собой вращающуюся карусель 1. На нее горизонтально при помощи хомутов (полуколец) 3 установлены два герметично закрывающихся стакана 4 с пропитываемыми образцами. Управление установкой осуществляют с пульта 6. Частота вращения n вала двигателя плавно изменяется от 450 до 2700 об/мин и градуирована через 150 об/мин за счет редуктора.
Образец длиной L размещен в стакане с пропиточной жидкостью, стакан соединен с каруселью (угловая скорость ю). Расстояние от края платформы до оси ее вращения R = 0,55 м, расстояние от нижнего (погруженного в жидкость) торца образца до края платформы 5 = 0,05 м.
Для пропитки использовали образцы древесины четырех пород (сосна, ель, осина и береза) длиной 0,32 м, прямоугольным сечением 25x50 мм. Начальная абсолютная влажность образцов Wa = 10...12 %. Переменные величины представлены в табл. 1.
В ходе эксперимента путем взвешивания измеряли массу поглощенной образцом жидкости. Взвешивание проводили через каждые 30 с до тех пор, пока не прекращался прирост массы образца.
Эмпирические зависимости получены с использованием метода наименьших квадратов. В качестве приближающей функции для прироста массы (масса впитанной жидкости) выбрана следующая зависимость:
Am = a0t + oijln (t + a2 ), (1)
на основании которой рассчитывали ряд дополнительных величин.
Отношение k объема впитанной жидкости к объему порового пространства образцов определяли по формуле
k=_^m_
р bhL| 1 |
Рж I 1540)
где AmK - максимальный суммарный прирост массы образца;
рж - плотность жидкости; робр - средняя плотность образца до начала пропитки.
Таблица 1
Уровни варьирования факторов
Фактор Уровни варьирования Интервал
Нижний Основной Верхний
л * Д , м п, об/мин 0,1 450 0,2 900 0,3 1350 0,1 450
* Расстояние от нижнего торца образца, погруженного в жидкость, до поверхности жидкости в стакане.
Обозначим
Г Р Л £ = р Ък! 1 ,
Рж I 1540)
тогда положение фронта пропитки (при допущении о ее равномерности) определится как
Дт^ )
При этом скорость фронта
) =
Ух ( х) =
кБ
dx(t) й Дт($ )
& кБйх
На основании теоретических исследований [4, 5] было сделано предположение, что скорость фронта пропитки может быть определена из выражения
:( х) = /"
Р2
х (t) Р (х)'
где f— постоянная величина, индивидуальная для каждой породы.
Для проверки этой гипотезы по результатам каждого опыта рассчитывали значение функции
К = ■
Р2
Ух (х)х^)Р(х)
(3)
Решая (3), находим выражение для определения времени т, когда фронт пропитки достигнет положения х:
2К
х = ■
1 х4 +1 х3 (2Я - 25- 2Д)
ржш 2 Д2 (2Я - 25 - Д)
2
(4)
Во всех опытах масса впитанной жидкости определяется по выражению (1). Например, для ели прирост массы иллюстрирует график, приведенный на рис. 2.
Далее, используя полученные выражения для массы впитанной жидкости, рассчитывали «мгновенное» значение функции К(0 для каждого опыта. При определении среднего (использовавшегося при дальнейших расчетах) значения функции К применяли известную формулу
1
К = | К ^
(5)
где Т - суммарное время пропитки.
0,11
Дт. г 120 100 80 60 40 20
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 с
Рис. 2. Изменение массы образцов ели при пропитке (п = 900 об/мин, Д = 0,2 м)
Результаты расчетов представлены в табл. 2.
Таблица 2
Значение функции ^•Ю"10 для различных пород древесины
Условия опыта Ель Сосна Осина Береза
Д = 0,1 м; п = 450 об/мин 1,606 1,856 1,344 1,494
Д = 0,1 м; п = 900 об/мин 1,917 1,947 1,301 1,547
Д = 0,1 м; п = 1350 об/мин 2,250 2,262 1,498 2,303
Д = 0,2 м; п = 450 об/мин 1,602 1,778 1,309 1,514
Д = 0,2 м; п = 900 об/мин 1,585 1,881 1,396 1,530
Д = 0,2 м; п = 1350 об/мин 1,650 1,982 1,360 1,682
Д = 0,3 м; п = 450 об/мин 1,618 1,728 1,269 1,380
Д = 0,3 м; п = 900 об/мин 1,725 1,890 1,321 1,501
Д = 0,3 м; п = 1350 об/мин 1,813 2,031 1,409 1,648
Среднее значение 1,752 1,928 1,356 1,622
Выбор интервала интегрирования объясняется тем, что К(0) ^ да исходя вида функции Дт. Это делает интегрирование невозможным. После вычисления К по (4), полагая х = Д, находили расчетное время пропитки:
2К
Т
1 х4 +1 х3 (2Я - 25- 2Д)
расч1 рж ю2 А2 (2 Я - 2 5-А)2
(6)
Второе значение расчетного времени Грасч2 определяли аналогично, но вместо К использовали его среднее значение:
I К,
;=1
Кср = -р п
где п - число опытов.
Величины Д1 и Д2 определяли по следующим формулам:
А1 = Тэксп -Трасч1 100 %; А2 = Тэксп -Трасч2 100 %,
Тэ к сп Тэк сп
где Тэксп - экспериментально определенное значение времени насыщения образца жидкостью.
Результаты вычислений на примере ели, представленные в табл. 3, свидетельствуют, что время пропитки, определяемое с использованием (6) и Кср, близко к экспериментально определенному.
График на рис. 3 иллюстрирует зависимость скорости пропитки \х от времени I, очевидна качественная сходимость кривых.
Таким образом, время пропитки определяется из выражения (6) с использованием данных
табл. 2.
Таблица 3
Расчетное и экспериментальное значения времени пропитки древесины ели
Условия опыта Т ± эксп Трасч1 Трасч2 А: А2
с %
Д = 0,1 м; п = 450 об/мин 630 584 637 7 1
Д = 0,1 м; п = 900 об/мин 180 174 169 3 6
Д = 0,1 м; п = 1350 об/мин 90 91 86 1 4
Д = 0,2 м; п = 450 об/мин 1320 1276 1395 3 6
Д = 0,2 м; п = 900 об/мин 330 316 349 4 6
Д = 0,2 м; п = 1350 об/мин 150 146 155 3 3
Д = 0,3 м; п = 450 об/мин 2160 2125 2301 2 7
Д = 0,3 м; п = 900 об/мин 570 566 575 1 1
Д = 0,3 м; п = 1350 об/мин 270 265 256 2 5
V,-, м/с "" 0,01 -
0,008 -
0,006 -
0,004 -
0,002 -
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 С, С
Рис. 3. Скорость фронта пропитки образцов древесины ели при п = 900 об/мин, Д = 0,2 м (сплошная линия - график на основе экспериментальных данных с использованием (2),
пунктирная - расчетные данные по (3) при К = Кср)
15 -
12 -
11 ,
6 -
0
1,1 1,4 1,7 2 2,3 2,6 a = R/L
Рис. 4. Влияние отношения а на время пропитки сортимента t
При помощи графика, приведенного на рис. 4, можно проследить влияние отношения радиуса платформы центрифуги к длине сортимента a = R/L за время пропитки
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Базаров С.М., Куницкая О.А., Григорьев И.В. Математическая модель самобалансировки пачки лесоматериалов на вращающейся струне при ротационной сушке и пропитке // Инженер. журн. 2012. № 4. C. 8-15.
2. Новые конструкции и математические модели расчета установок для пропитки древесины в пьезопериодическом поле/ О.А. Куницкая [ и др.] // Науч. обозрение. 2012. № 4. С. 128-136.
3. Обоснование исходных требований математической модели обезвоживания древесины в процессе прессования и сушки / Куницкая О.А. [ и др.] // Лесн. журн. 2012. № 1. С. 70-79.
4. Патякин В.И., Тишин Ю.Г., Базаров С.М. Техническая гидродинамика древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1990. 300 с.
расчетные данные по (3) при К = лср)
5. Расев А.И. Некоторые задачи в области исследования процессов пропитки древесины // Химическая модификация древесины. Рига: Знание, 1975. 372 с.
Поступила 19.12.12
I. V. Grigoryev, O.A. Kunitskaya, G. V. Grigoryev, G. Yu. Yesin Sain-Petersburg State Forest Technical University named after S.M. Kirov
Kinetics of Centrifugal Wood Treatment
Experimental study of the centrifugal treatment of different wood species was conducted. We obtained a relation between the treatment front and treatment time (rate) at different angular velocities of the centrifuge platform. The influence of the ratio between the assortment length and the centrifuge platform radius on the time of treatment was determined.
Key words: centrifugal treatment, rotary equipment, treatment rate.
