Математическая модель термической обработки измельченной древесины в аппаратах барабанного типа Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Р. Р. Сафин, Р. Р. Хасамшим, Р. В. Данилова МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗМЕЛЬЧЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

В АППАРАТАХ БАРАБАННОГО ТИПА

Ключевые слова: термомодифицирование, древесное сыпучее сырье, математическое описание.

В статье предложен способ термической обработки древесного сыпучего сырья в аппаратах барабанного типа для повышения качества и устойчивости к внешним воздействиям, приведено математическое описание процесса термомодифицирования древесного сыпучего сырья

Keywords: termomodifitsirovanie, wood granular material, mathematical description.

The paper proposed a method of heat treatment of wood raw materials in bulk drum type apparatus for improving the quality and resilience, is given a mathematical description of the bulk material timber termomodifitsirovaniya

Введение

В России ежегодно образуется порядка 70 млн. тонн древесных отходов (стружка, опилки), которые практически не используются и не перерабатываются, а просто «гниют» на местах [1]. Решением этой проблемы было создание композитов, состоящих из древесного наполнителя (древесных отходов) и полимеров.

Для повышения качества и устойчивости древесного сырья к различным воздействиям предлагается применение термической обработки древесного сырья в среде инертных газов [2, 3].

Предложенный способ термической обработки лучше всего проводит в камерах барабанного типа, поскольку они нашли широкое применение в деревообрабатывающей

промышленности. Это объясняется тем, что процессы тепло- и массообмена протекают в них достаточно интенсивно и экономично благодаря хорошему контакту между обрабатываемым сыпучим материалом и газообразным агентом, а также благодаря возможности использования высоких температур газов при параллельном движении их с материалом. Основными достоинствами барабанных аппаратов являются: большая единичная производительность, простота конструкции и эксплуатации, возможность высокой степени механизации и автоматизации процесса.

1. Термомодифицирование древесного сыпучего сырья

Термомодифицирование древесного

сыпучего сырья проводят в аппарате термомодифицирования барабанного типа, внутри которого расположены лопатки и оснащенного термоэлектрическими нагревателями. Процесс термической обработки материалов является непрерывным. Стадия нагревания древесного сырья характеризуется процессами теплопереноса по всей толщине материала за счет разности значений температур в поверхностных и внутренних слоях материала. Попадая в аппарат, материал нагревается, происходит термическое разложение компонентов древесины (гемицеллюлозы). В

результате продукты разложения выходят из древесины в среду аппарата, тем самым выделяя тепло. Таким образом, температура в аппарате изменяется по длине.

Исследуемый способ термо-

модифицирования древесного сыпучего сырья можно представить в следующем виде. Древесное сырье загружают в аппарат барабанного типа, куда подают топочные газы, в среде которых происходит термическая обработка. Подвод тепловой энергии к древесному сырью происходит как в полете, так и в завале.

Стадия нагревания древесного сырья характеризуется процессами теплопереноса по всей толщине материала за счет разности значений температур в поверхностных и внутренних слоях материала.

В процессе нагревания материала происходит теплообмен с потоком теплоносителя. Несмотря на то, что способ термической обработки материала является конвективным, подвод тепла в завале характеризуется контактным методом обработки.

Благодаря вращению аппарата и лопаткам внутри камеры, древесное сырье постоянно перемешивается, что позволяет провести равномерную термическую обработку материала. Объем частиц, находящихся в лопатке, определяется формой и размером лопаток.

В результате теплового контакта материала с горячими стенками и лопастями барабана появляется слой высушенного материала, толщина которого постепенно растет. А в высушенном состоянии дисперсный материал по теплопроводным свойствам не так уж далек от свойств теплоизоляционных материалов. С этим связано то, что основное сопротивление теплопередаче сосредоточено в зоне материала, контактирующего с теплоотдающей поверхностью.

Пересыпание части материала в барабане происходит вверху с одной лопасти на другую или на слой материала, находящийся в нижней части барабана, остальной же материал остается неподвижным, т.е. лежит на нагретой поверхности. В зоне контакта этого материала с поверхностью происходит передача теплоты и за счет этого

термомодифицирование пристенного слоя. Все частицы материала этого слоя находятся в контакте с нагретыми элементами барабана до следующего цикла пересыпания.

Рис. 1 - Схема расположения материала в процессе термомодифицирования: 1 - влажный материал; 2 - нагретая стенка; 3 - лопасть; 4 -слой высушенного материала

При достижении необходимой степени термомодифицирования производят выгрузку материала из аппарата. После выгрузки древесное сырье охлаждается.

2. Математическое описание процесса термомодифицирования древесного сыпучего сырья в барабанных аппаратах

Анализ процесса термомодифицирования древесного сыпучего сырья показал, что совокупность физических явлений, составляющих исследуемый способ термообработки, следует рассматривать, решая внешнюю - теплоперенос в среде и её теплообмен с материалом, и внутреннюю задачу - теплоперенос внутри материала [4].

Для одномерной картины термической обработки древесных частиц и установившегося процесса и, пренебрегая теплопроводностью среды, вследствие достаточно высокой скорости ее движения, уравнение энергии для среды можно представить в следующем виде

ат

111 _ Ч.' ср

W,£ =-4Тср - Ту ]f* + k • р • q

al

(і)

Тепловой баланс для частиц, находящихся в

полете:

СІО! - СІ02 = dQз, (2)

где dQ1 - теплоотдача от потока к летучим

частицам; dQ2 - теплоотдача тепла в среду с

продуктами разложения; dQ3 - изменение

внутренней тепловой энергии.

Тепловой баланс для частиц в завале:

СО4 - СОб = СОб (3)

где dQ4 - теплопроводность от стенки к частицам в завале; dQ5 - теплоотдача тепла в среду с продуктами разложения; dQ6 - изменение

внутренней тепловой энергии.

Отсюда, тепловые балансы запишем в следующем виде:

нт

а(Т - Т )Р* - к • р • а = V с р — W (4)

1 ср 1 м/1 Км л ''др^дргдр —I

- Л—Б - к • р • а = V с р —W (5)

ах ^ ч "др^дрКдр

После некоторых преобразований получаем изменение температуры материала по длине барабана для частиц, находящихся:

- в полете

ат а(Тср- Тм )р* +к • рм • а

w„

al

c • р • V

Г * Д|

в завале

W ^ = --

Дч- a <

л • S

• р • V

Др

др гдр и дрвзавале

ат

ax c др • р др • Vgp

(6)

к•р•q (7)

Изменение средней температуры частиц по длине барабана можно представить в следующем виде:

dT m dl

dl

дрвполете I ^мвполете |+ mдрвзавале | ^мвзавале

dl

(8)

дробщ V у 'дробщ

Изменение плотности материалов по длине:

(9)

W^ ^ = к • рм

д dl

Масса ссыпающейся древесины равна массе древесины, находящейся в ковше:

атс

тз

!ВШ (10)

ат т

Время нахождения частиц в ковше зависит от угловой скорости и угла поворота осыпания:

т _-^0_ (11)

180 • и>

Отсюда, масса древесных частиц, ссыпающихся с ковша за единицу времени,

атссып.др-ны _ тзагр.вковш •180 • ^ (12)

ат па

где а - угол поворота осыпания (равен углу между гранью ковша и горизонтом). Угол поворота осыпания больше или равен углу естественного откоса древесных частиц.

Для нахождения количества частиц, находящихся в полете, необходимо определить высоту падения (рис. 2). Среднюю высоту падения частиц находим как площадь сегмента, деленную на основание этого сегмента. Для этого интегрируем уравнение окружности относительно величины

У:

^Vr7—x2

jUp г-** \ N \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \

ill I- н / / / / / '1 у / / / ✓ /

"ГШ,f'™ >-Ч

^ W _ г~> /л \

a = R'(1-Cos I Рис. 2 - Схема для расчета средней высоты осыпания частиц

Находим площадь, заключенную между левой крайней точкой окружности и вертикальной

прямой, проходящей через точку, в которой происходит полное опустошение ковша. р2

S„ =-

2

arcsin(- Cosa) - Cosav/ 1- Cosa +

п

(13)

Отсюда средняя высота падения древесных

частиц

F_Si_R

а 2

п • arcsin—Cosa) Cosa

(14)

2(1- Cosa) Vi- Cosa _

Определив время падения частиц по

формуле,

находим массу частиц, находящихся в полете:

9т...._ __ _и..

(15)

m _ т заг,вковш • 180 • щ ^ т (16)

вполете

вполеіе

от na

m взавале _ m общ m вполете

Заключение

(17)

Представленная система уравнений позволяет описать процесс термомодифицирования древесного сыпучего сырья и определить

продолжительность стадии прогрева и термомодифицирования древесных частиц, а также выявить рациональные режимные параметры исследуемого процесса.

Литература

1. Коротаев Э.И. Использование древесных опилок / Э.И.

Коротаев, М.И. Клименко. - М.: Лесная

промышленность, 1974. - 143 с.

2. Разумов Е.Ю., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Р., Оладышкина Н.А. Термомодифицирование древесины в среде топочных газов // Вестник Московского государственного университета леса «Лесной вестник» 2010г. №4 (73), С. 95-99.

3. Хасаншин Р.Р., Данилова Р.В. Предварительная термическая обработка древесного наполнителя в производстве ДПКМ // Вестник Казан. технол. ун-та. -2012. - Т. 15, №7. - С. 62-63.

4. Сафин Р.Р., Разумов Е.Ю., Герасимов М.К., Ахметова Д. А. Исследование вакуумно-кондуктивного процесса модифицирующей термообработки древесины // Деревообрабатывающая промышленность 2009 г. №3, С. 9-11.

2

т

© Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ Р. Р. Хасаншин -канд. техн. наук, доц. той же кафедры; Р. В. Данилова - асс. той же кафедры, reginka.danilova@mail.ru.