CC BY
83
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 674.04
Е. Ю. Разумов, Е. А. Белякова
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОСТЯХ
Ключевые слова: сушка, термомодифицирование в жидкостях, труднопропитываемые породы, режимы
процесса морения.
В статье представлены результаты исследования процессов сушки, даны рекомендации по режимным параметрам процесса морения термомодифицированием древесины в жидкости.
Keywords: drying, thermo modifying in the liquids, difficultly impregnated breeds, modes of process of processing.
In article results of research of processes of drying are presented, recommendations about regime parameters of process of processing by wood thermo modifying in a liquid are made.
Современные технологии предлагают различные решения для получения новых материалов на основе натурального сырья, отличающихся уникальными характеристиками, долговечностью и высокими эстетическими характеристиками. Однако не многие из них отвечают требованиям экологичности, что резко сокращает сферы применения получаемого продукта. В связи с этим были проведены исследования и определены режимные параметры процесса сушки и морения пиломатериалов термомодифицированием в жидкостях, позволяющего получить экологичный материал с заданным цветовым решением.
В ходе эксперимента в качестве модельных образцов были использованы пиломатериалы различных пород (дуб, сосна, береза), при этом учитывались имеющиеся в справочной литературе наиболее полные сведения о теплофизических и физико-механических свойствах данных пород. Дуб (Quercus robur L.) относится к группе пород высокой плотности (720 кг/м3), обладает прочной, твердой и стойкой к гниению древесиной; береза (Betula L.) относится к группе пород средней плотности (630 кг/м3), обладает прочной, мягкой, мало стойкой к гниению древесиной; сосна (Pinus sylvestris L.) относится к группе пород малой плотности (513 кг/м3), обладает древесиной средней прочности и твердости, относительной стойкости против гниения [1].
В качестве агента обработки при проведении экспериментальных исследований была использована гидрофобная жидкость с температурой вспышки более 260°С (глицерин дистиллированный марки Д-98, ГОСТ 6824-96).
Исследования процесса сушки и морения пиломатериалов термомодифицированием в жидкостях проводились на экспериментальной установке (рис. 1) с учетом характерных особенностей процессов, проявляющиеся в условиях контактного нагрева, это позволило в рамках лаборатории исследовать явления, протекающие в промышленных аппаратах [2].
Установка включает герметичную камеру 15, сообщенную с линией вакуумирования, состоящей из вакуумного насоса 4 и конденсатора 7, сетчатый держатель 14, шток 10, крышку камеры 12, манометр 11, вентиль 6, соединяющий вакуум-насос с камерой 15 и напускной клапан 8. Подвод тепловой энергии к обрабатываемому пиломатериалу 13 осуществляется контактным способом от жидкости 16, нагреваемой при помощи термоэлектрического нагревателя 1.
Установка работает следующим образом. В зависимости от плана эксперимента производили предварительную подготовку обрабатываемого материала - при исследовании технологии морения термомодифицированием древесина была предварительно высушена до комнатносухого состояния; в случае проведения
39
экспериментальных исследований предварительной сушки в жидкости обрабатываемый материал обладал высокой естественной влажностью. После подготовки образцов к эксперименту их взвешивали, измеряли линейные размеры и помещали в сетчатый держатель
14, закрепленный на подвижном штоке 10, представляющем собой возвратно-поступательный механизм, способный перемещаться в вертикальном направлении относительно герметичной камеры 15. При помощи устройства для ввода возвратно-поступательного движения со штоком 10 сетчатый кармашек 14, с находящимися в нем образцами 13 погружали в герметичную камеру 15 наполовину заполненную гидрофобной жидкостью 16. При помощи крышки 12 камеру герметично закрывали, в ней создавалось разрежение путем открытия вентиля 6 и включения вакуум-насоса 4.
Рис. 1 - Схема экспериментальной установки для сушки и морения древесины термомодифицированием в жидкости
В результате полного контакта материала с жидкостью, нагревающейся от термоэлектрического нагревателя 1, происходило интенсивное нагревание образца до заданной температуры в течение временного интервала заданного планом эксперимента. Температура нагрева контролировалась при помощи термопары 2 установленной в камере, управляющего электронного устройства 3 и щитка управления 5. Далее образец выдерживали в течение определенного времени, зависящего от породы древесины и температуры агента обработки. После чего шток 10 с пиломатериалами поднимали в верхнее положение, и образец выдерживали в вакууме, затем, разгерметизировав напускным клапаном 6 камеру
15, открывали крышку 12 и извлекали образец для исследований. Цикл нагрева и выдержки повторяли в зависимости от задаваемой продолжительности эксперимента.
На рис. 2 представлены экспериментальные данные и расчетные кривые сушки дубовых образцов толщиной 50мм в жидкости, полученные для первого цикла «прогрев -вакуумирование», когда температура термоэлектрического нагревателя поддерживалась на уровне в 383К, а остаточное давление на стадии вакуумирования было равно 10кПа [3, 4].
Как видно из графиков, среднее влагосодержание древесины, отмеченное штриховой линией, на стадии прогрева изменяется незначительно, а при вакуумировании понижается. При этом повышение влажности средних слоев высушиваемого материала на стадии прогрева
осуществляется за счет термовлагопроводности, вызывающей движение влаги из центральной зоны к средней. На стадии вакуумирования понижение давления происходит по экспоненциальному закону, после чего происходит выдержка при постоянном остаточном значении. Понижение давления вызывает интенсивное удаление влаги из поверхностных слоев древесины и, как следствие, их охлаждение. В то время как температура в центре материала сильно не изменяется, что приводит к образованию положительного градиента температуры.
Рис. 2 - Сравнение экспериментальных данных и расчетных кривых процесса сушки в гидрофобной жидкости дубового пиломатериала
Аналогично были проведены исследования по сушке дубовых, березовых и сосновых образцов толщиной 50мм (рис. 3).
Рис. 3- Экспериментальные данные и расчетные кривые сушки в жидкости сосны, березы и дуба
В результате установлено, что данная технология сушки древесины целесообразна для труднопропитываемых пород древесины как предварительная стадия перед термомодифицированием в жидкостях. В ходе анализа экспериментальных и расчетных данных были определены рациональные режимные параметры ведения процесса термомодифицирования древесины в жидкости, представленные в таблице 1.
Таблица 1 - Режимы процесса морения древесины термомодифицированием в жидкостях
№ операции Наименование операции Агент обработки Режимные параметры Продолжи-
Давление в аппарате Температура агента обработки, тельность операции
1 Нагрев гидрофобной жидкости Масло органическое с температурой вспышки более 240 С 100 кПа 453 - 513 К 2 — 3 ч
2 Выдержка материала при заданной температуре То же 100 кПа 453 - 513 К 2 — 4 ч
3 Слив масла, выдержка под вакуумом - 20 кПа — 15-20 мин
4 Пропаривание материала Водяной пар 100 кПа -313 К 40 - 60 мин
5 Выдержка под вакуумом - 20 кПа — 2 - 3 ч
В результате теоретического исследования процесса термической переработки древесины были выявлены следующие основные стадии процесса: повышение температуры в камере до 130-150°С и досушка материала при высокой температуре до абсолютно сухого состояния; повышение температуры до значений 190-260°С в зависимости от технологии и выдержка материала при этих значениях с целью придания древесине требуемых свойств и цветового решения; снижение температуры и доведение влажности древесины до эксплуатационных значений.
Предлагаемая технология сушки также позволяет исключить развитие значительных внутренних напряжений и больших остаточных деформаций в пиломатериале, что особенно актуально при термообработке твердых лиственных пород, а получаемый материал, отличается стабильными цветовыми характеристиками и высокими физико-механическими свойствами.
Литература
1. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения: Учебник для лесотехнических вузов / Б.Н. Уголев. - М.:МГУЛ, 2001. - 340 с.
2. Сафин, Р.Р. Исследование совмещенной сушки-пропитки массивных капиллярно-пористых коллоидных материалов / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, Н.Р. Галяветдинов, Р.М. Иманаев // Вест. Казан. технол. ун-та. - 2006. -№6. - С.78-85.
3. Бояринов, А.И. Методы оптимизации в химической технологии / А.И. Бояринов, В.В. Кафаров. - М.: Химия, 1975. - 578 с.
4. Шубин, Г.С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г.С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 336 с.
© Е. Ю. Разумов - докторант каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ; Е. А. Белякова - асс. той же кафедры, elena.aleksandr@mail.ru.
