CC BY
154
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 674.04
Р. Р. Сафин, Е. А. Белякова
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ BIKOS-TMT
Ключевые слова: энергосберегающие технологии, древесина, термомодифицирование.
В статье описана энерго- и ресурсосберегающая технология термомодифицирования древесины, представлен анализ древесины при разных температурных режимах обработки.
Keywords: power saving up technologies, wood, thermomodifying.
In article it is described power- and resource-saving technology of thermomodifying of wood, the analysis of wood is presented at different temperature modes of processing.
Введение
Термомодифицирование древесины активно изучается на протяжении последних лет в таких странах, как Финляндия (технология -
Thermowood®), Франция (Retification), Америка (WEST-WOOD), Латвия (Vacuum Plus), Германия (Thermoholz). Популярность данной технологии объясняется ее экологичностью, возможностью получения натурального материала, обладающего высокой биостойкостью, влаго- и водостокойстью, разнообразными цветовыми решениями [1]. Проблемам исследования и разработки технологии термомодифицирования древесных материалов в жидкостях посвящены работы следующих зарубежных ученых Nencho Deliiski (Bulgaria), Anna Koski (Finland), Michael Sailer (Germany).
Принципиальными отличиями современных способов термомодифицирования древесины можно назвать температурный диапазон обработки от 180 до 240°С, время ведения процесса от 16 до 180 часов и среду, например в защитной атмосфере водяного пара, в вакууме, в защитной атмосфере инертного газа - азота, в среде органических масел (BIKOS-TMT).
1. Технология термомодифицирования древесины в жидкостях
Технология термомодифицирования древесины в жидкостях является современной альтернативой химическим способам обработки древесины, таким как окрашивание и антисептирование. Современная технология BIKOS-TMT, где термообработка происходит в среде органических масел, отличается высокой продолжительностью процесса, это объясняется тем, что стадия охлаждения материала протекает естественным образом. Поэтому усовершенствование технологии термомодифицирования древесины в жидкостях с целью обеспечить качество получаемого продукта, а также равномерное цветовое решение по сечению получаемого материала является актуальной задачей. Для ее решения про-
ведены исследования процессов высокотемпературной обработки древесины в гидрофобных жидкостях. По результатам анализа полученных данных предложена энергосберегающая технология термомодифицирования древесины в жидкостях, включающая нагрев до температуры 200-240оС и выдержку древесины при данных температурах в герметичной камере, заполненной гидрофобной жидкостью с температурой кипения выше 260°С, охлаждение путем слива жидкости, вакуумирования древесины, пропаривания ее водяным паром и повторного вакуумирования в течение 2-3 часов.
Применение стадий вакуумирования и пропаривания после термомодифицирования древесины позволяет снизить температуру материала до 120— 130оС и предотвратить самопроизвольное возгорание древесины при заданных высоких температурных режимах, а также уменьшить внутренние напряжения в материале и снизит запах жженой термодревесины в процессе дальнейшей ее эксплуатации [2].
2. Исследование влияния режимов термообработки на древесину
Проведенные исследования термомодифицирования древесины в жидкости позволили определить оптимальные режимные параметры процесса.
В результате исследования стадии нагрева жидкости и погруженной в нее древесины установлено, что при погружении образца в предварительно нагретую жидкость наблюдается неравномерный нагрев материала по толщине, и, напротив, при одновременном прогреве жидкости и помещенного в нее материала наблюдается равномерная по сечению материала термообработка, и соответственно его окрашивание.
Результаты проведенных экспериментальных исследований изменения плотности термомодифицированной древесины показали, что термомодифицирование оказывает прямое влияние на изменение плотности древесины, при этом, чем выше
температура обработки, тем интенсивнее снижение плотности материала. Однако порода древесины не оказывает значительного влияния на изменение данного свойства.
Анализ результатов кинетики относительной массы образцов трех пород (береза, дуб, сосна) при температуре обработки 180-240°С показал, что масса пиломатериала с учетом пропитывающей жидкости изменяется в зависимости от плотности древесины и температуры обработки следующим образом: при относительно невысоких температурах 180°С, 200°С масса образца начинает интенсивно расти с самого начала процесса, что свидетельствует о проникновении агента обработки в пиломатериал, а при более высоких температурах 220°С, 240°С наблюдаются интенсивные потери массы образца в первые 1-3 часа, что свидетельствует об активной стадии выделения продуктов разложения древесины, препятствующих пропитке пиломатериала (рис. 1).
Рис. 1 - Изменение относительной массы образцов древесины толщиной 50 мм при температуре обработки 220°С
На продолжительность процесса и глубину проникновения агента обработки в материал также влияет толщина пиломатериала. При этом глубина пропитки материала увеличивается в меньшей пропорциональной зависимости, чем продолжительность процесса, поэтому термомодифицирование древесины в жидкостях целесообразнее производить для пиломатериалов с большей толщиной.
В процессе термомодифицирования древесины в жидкостях внутри материала наблюдаются два взаимообратных потока: поток пропитывающей жидкости из окружающей среды, направленный внутрь пиломатериала, и поток парогазовой смеси продуктов разложения, направленный из древесины [3].
Анализ полученных результатов для образцов древесины различных пород (береза, сосна, дуб) толщиной 50 мм показал, что интенсивность потока пропитывающей жидкости прямо пропорциональна температуре термомодифицирования, при этом глубина проникновения агента обработки в пиломатериал зависит не от пропитываемости натуральной древесины, а от её базисной плотности.
Таким образом, пропитываемость термодревесины березы ниже, чем пропитываемость термососны,
это можно объяснить тем, что при термомодифицировании древесины происходит высвобождение полостей макроструктурных элементов материала от содержащихся в них веществ, в свою очередь определяющих способность пиломатериала к проницаемости жидкостями (рис.2).
І1 мм
вдоль волокон поперек волокон
Рис. 2- Средняя глубина пропитки древесины в радиальном и тангенциальном направлениях при температуре обработки 240°С
Обработка экспериментальных и теоретических данных выделения из древесины в процессе термомодифицирования парогазовой смеси позволила определить изменение потока летучих во времени, необходимое при расчете системы улова и конденсации продуктов разложения древесины (рис. 3).
ІтсХІО4,
(кг/кг)/м*с
25
Дуб, 50мм
20
15
10
5
■, ^ / 513 К
/ \ \ . 493 К
/ / 473 К
/ 453 К
/Л' ' “ , р** -
0 1 2 3 4 5 т,час Т ¥ 111 ¥ 6 7 8
Рис. 3 - Изменение потока летучих на стадии термомодифицирования
В ходе проведенных исследований также установлено, что производительность системы улова и конденсации должна регулироваться в процессе термообработки в зависимости от температуры процесса термической обработки, толщины пиломатериала и породы древесины.
Результаты моделирования, характеризующие зависимость расхода пара на стадии охлаждения термообработанной древесины показали, что расход пара увеличивается с повышением удельной поверхности материала. Полученные зависимости позволяют контролировать расход водяного пара и постепенно снижать температуру материала до 120-130°С, обеспечивая надлежащее качество получаемой термодревесины.
Заключение
Представленное усовершенствование технологии термомодифицирования древесины в жидкостях позволяет снизить энергозатраты на ведение процесса, улучшить качество термомодифицированной древесины благодаря снятию внутренних напряжений в пиломатериале на стадии охлаждения, получить равномерное окрашивание материала по всей толщине и прогнозировать получаемое цветовое решение.
Литература
1. Белякова Е.А., Хасаншин P.P., Сафин P.P., Разумов Е.Ю. Имитация древесины моренного дуба термомодифицированием Дизайн. Материалы. Технология.
3(14)/2010 С. 95-98.
2. Шубин, Г. С. Сушка и тепловая обработка древесины / Г.С. Шубин. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 336 с.
3. Сафин, P.P. Исследование совмещенной сушки-пропитки массивных капиллярно-пористых коллоидных материалов / P.P. Сафин, P.r. Сафин, H.P. Галяветдинов, P.M. Иманаев // Вест. казан. гос. техн. ун-та. - 2006. -№6. - С.78-85.
© Р. Р. Сафин - д-р техн. наук. проф, зав. каф. архитектуры и дизайна КНИТУ, [email protected]; Е. А. Белякова - асс. каф. архитектуры и дизайна КНИТУ.
