Вакуумно-конвективное термомодифицирование древесины в среде перегретого пара Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 674.047.3: 66.047.2.001.73

Р. Р. Сафин, Р. Г.Сафин, А. Р. Шайхутдинова ВАКУУМНО-КОНВЕКТИВНОЕ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

В СРЕДЕ ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА

Ключевые слова: древесина, переработка, конвекция, интенсификация, пар.

Раскрыта физическая картина процесса вакуумно-конвективного термомодифицирования древесины в среде перегретого пара, представлено описание экспериментальной установки и математической модели вакуумно-конвективного термомодифицирования пиломатериалов.

Keywords: wood, processing, convection, intensification, steam.

The physical picture ofprocess of vacuum-convective heat-treatment of wood in the environment of superheated steam is opened; the description of experimental installation and the mathematical model of vakuum-convective heat-treatment of lumbers are presented.

В настоящее время во всем мире огромное внимание уделяется развитию технологии термомодифицирования древесины, которая является единственной альтернативой химической обработке и приводит к существенному улучшению свойств древесины, что открывает новые области ее применения.

Модифицированием древесины с целью придания ей повышенных эксплуатационных характеристик, таких как: повышение биологической устойчивости пиломатериалов, придание древесине декоративных свойств, увеличение прочностных характеристик древесины, занимается и кафедра «Переработка древесных материалов» в Казанском государственном технологическом университете [1].

Производство термодревесины представляет собой технологию термической обработки натурального дерева, предназначенную придать ему дополнительную устойчивость к воздействию факторов внешней среды, а также прочность и стабильность геометрических размеров, сохранив при этом его эстетическую привлекательность. Поскольку в технологическом процессе термомодификации пиломатериалов применяется только высокая температура и водяной пар, получаемая продукция является экологически чистой, а значит безопасной в эксплуатации и легко утилизируемой после долголетней службы.

В России в настоящее время наиболее широко известна технология термообработки древесины при кондуктивном подводе тепла в герметичных условиях. Данный способ обработки древесины состоит из удаления воздуха из камеры путем создания вакуума, контактной досушки пиломатериала при высокой температуре до абсолютно сухого состояния и дальнейшего нагрева древесины при кондуктивном подводе тепла в герметичных условиях [2].

Главным недостатком данной технологии является трудоемкость процесса, так как для его проведения необходимы металлические плиты больших размеров, требующие нагрева и перемещения при загрузке и выгрузке. Это влечет за собой энергетические затраты, а также затраты на рабочую силу, обслуживающую процесс [3].

В связи с этим предлагается проведение технологии термомодификации древесины в среде перегретого пара в условиях вакуумно-конвективных аппаратов, при которой устраняется вышеуказанный недостаток.

Для исследования метода вакуумно-конвективного термомодифицирования древесины в среде перегретого пара разработана экспериментальная установка, схема которой приведена на рис.1.

Экспериментальная установка представляет собой герметичную теплоизоли-

рованную камеру 5, которая снабжена калорифером 6 и вентилятором 7. Процесс проводится с использованием пара, воды и высоких температур, ввиду чего оборудо-

вание для термообработки изготавливается из нержавеющей стали. Установка дополнена паро

генератором 11, конденсатором 3 и вакуумным насосом 4.

Рис. 1 - Схема установки для термомодифицирования древесины

Физическая картина термомодифицирования древесины представлена на рис.2,3,4 на которых полный процесс термической обработки древесины условно разделен на 7 основных стадий и представлен графически в виде кривых, показывающих изменение по времени давления среды, температуры и влажности древесины.

В случае работы со свежесрубленной древесиной процесс термомодифицирования целесообразно начинать с вакуумной сушки материала. Удаление инертного воздуха путем создания вакуума способствует более интенсивной конденсации паров влаги ввиду отсутствия фазового сопротивления. В связи с этим на первой стадии процесса осуществляется откачка инертного газа из рабочей полости аппарата с помощью вакуумного насоса 4 через открытый запорный механизм 2, в результате чего происходит интенсивное падение давления, а температура и влажность практически не понижаются.

прогрев термомодифицирование охлаждение

Рис. 2 - Кривая распределения давления по времени

Рис. 3- Кривая распределения температуры по времени

В виду того, что сушка предварительно непрогретой древесины горячим воздухом может привести к нарушению целостности поверхностных слоев, пиломатериалы должны быть быстро прогреты без испарения из них влаги, для чего в рабочей полости аппарата должна быть создана высокая степень насыщенности среды. С этой целью на второй стадии процесса проводится прогрев материала путем подачи в камеру насыщенного пара с заданными параметрами из парогенератора 11 через открытый вентиль 12. Ввиду того, что начальная температура древесины ниже температуры пара, на холодной поверхности высушиваемого материала образуется конденсат, который вызывает значительное повышение температуры и содержания влаги в поверхностных слоях древесины, что приводит к общему прогреву материала. Несконденсировавшийся пар создает паровую среду, повышая давление внутри камеры сушки.

После повышения давления ориентировочно до 50 кПа подача пара в камеру прекращается и начинается третья стадия процесса - конвективная сушка, во время которой происходит снижение поверхностного влагосодержания материала.

На четвертой стадии процесса происходит постепенное повышение температуры до 130°С и понижение содержания влаги в древесине. Сушка материала при этом происходит в среде перегретого пара. Это самый продолжительный этап термообработки, целью которого является максимальное снижение влаги в древесине перед началом фазы термомодифицирования.

После достижения материалом среднего влагосодержания примерно 6-8 %,

начинается термомодифицирование древесины, которое, в свою очередь, состоит из 2-х

стадии: вначале происходит вторичныи прогрев древесины за счет увеличения мощностей калорифера 6 и повышения температуры среды до 190 - 250°С, затем следует непосредственная термомодификация, при которой происходит выдержка материала при 190 -250 °С при постоянном давлении среды. Это приводит к химическим превращениям в древесном материале, что дает возможность придать древесине дополнительные технические и декоративные свойства.

На последней стадии происходит охлаждение материала при отключенных нагревательных элементах, целью которого является предотвращение самовозгорания древесины. Ввиду того, что древесина нуждается в увлажнении для доведения уровня влаги до равновесного (5-7%), давление в камере понижают до 100 кПа и подают водяной пар из парогенератора 11 через открытый вентиль 12.

В связи с тем, что описываемый способ вакуумно-конвективной термомодификации древесины состоит из 7 основных стадий, целесообразно рассматривать математическое описание также по-стадийно.

При термомодификации древесины в среде перегретого пара в условиях вакуумноконвективных аппаратов воздух из рабочей полости аппарата удаляется в начале процесса. В этом случае объемную производительность водокольцевого вакуумного насоса можно определить, задавая время, в течение которого давление в камере необходимо понизить с барометрического Ратм до рабочего остаточного значения Рост [3].

V P

Пвн = • 1П Ратм (1)

Х0 Рост

Для математического описания процесса прогрева материала в среде насыщенного пара можно использовать уравнения, полученные А.В. Лыковым [4]:

------= аг

дх

Гд 2УЛ

дх

+ ат8

у

Гд 2Тм Л

чдх2 у

дТ

дх

м

чдх у

(2)

(3)

Начальные условия для решения системы дифференциальных уравнений (2) и (3) можно записать в следующем виде:

и ( 0; х ) = ио , (4)

Тм ( 0; х ) ~ Тм.0 (5)

Граничные условия для решения дифференциального уравнения (3) можно представить в виде выражения:

Г • ^

— -к дТм

Р • dt дх

, (6)

х-0

где левая сторона уравнения характеризует подвод тепла от пленки конденсата к поверхности материала, а правая - отвод тепла за счет теплопроводности.

Выражение для влажности поверхности материала можно определить из условий максимально возможного содержания влаги используемой породы дерева:

и — (р дв — Рб ) • р ж (7)

ипов _ \ /

рд.в

Следующая стадия прогрева древесины, осуществляемая вынужденным движением перегретого пара, сопровождается конвективной сушкой пиломатериала при отсутствии конденсации пара. Теплообмен между теплоносителем и материалом, при учете термического

2

сопротивления последнего, происходит в сочетании с теплопроводностью внутри материала. Перенос тепла и влаги внутри частицы в процессе прогрева можно также описать выражением (2), (3).

Граничные условия для данной стадии прогрева можно представить в виде выражений:

аТм -к м

м ах

= а-(Т - Т„о,)-]„о.-г (8)

В левой части уравнения (8) описывается отвод тепла за счет теплопроводности. В правой части уравнения первый член описывает подвод тепловой энергии к поверхности пиломатериала за счет теплообмена с паровой фазой. Второй член характеризует затраты тепла на испарение.

г аи

ат -

ч ах

+ ат -5-аТм

т

ах

(9)

Р^Ррав — Рп )— Р0

/1У /1У

х—0 у

В соотношении (9) левая часть характеризует интенсивность испарения влаги с поверхности влажного материала за счет массоотдачи, а в правой части описывается поток влаги к поверхности материала.

Уравнение материального баланса для паровой среды, при условии, что все пиломатериалы в штабеле находятся в одинаковых условиях, можно представить в следующем виде [5]:

]пов • Р • ^ — Псп • Рсм • ^ — -свdРсм , (10)

где первый член левой части уравнения описывает приток парогазовой смеси в рабочую полость аппарата за счет выделения летучих компонентов, в то время как второй член - отвод парогазовой смеси в систему откачки. Правая часть уравнения определяет изменение массы парогазовой смеси, которая содержится в свободном объёме камеры.

Поток парогазовой смеси с поверхности материала может определяться из выражения:

] — ^лет (11) ■^пов ^1 I— ^ '

dт• Р

Плотность парогазовой смеси в выражении (10) можно определить по правилу аддитивности, используя уравнение Менделеева-Клапейрона:

Рсм — (12)

Подставив уравнение (12) в уравнение (10), получим дифференциальное уравнение, показывающее изменение давления парогазовой смеси над обрабатываемым материалом:

ЬР і . р. р. Т Гп 1 сТ

_ Лпов 1 1 ' 1 Г) сп А ^ 1

- Р -

чЧв ТСг

с Чв -Мс,

Из теплового баланса парогазовой фазы определяем изменение температуры среды:

(13)

Р см С см V св СТ =а(Тм.пов - Т )- р - с Х- Псп Р смссм ТС Х+ (14)

+ с см р - і пов - Тм .пов С ^ К - ^ ^ - рС

В данном уравнении левая часть описывает изменение теплосодержания парогазовой фазы. В правой части уравнения первый член характеризует подвод или отвод тепла,

происходящий за счет теплообмена с поверхностью пиломатериала; второй член - отвод тепла

с удаляемой в вакуумную линию парогазовой смесью; третий - приток тепла из обрабатываемого пиломатериала и четвертый - приток тепла от калорифера.

Преобразованием выражения (14) получаем уравнение для определения скорости изменения температуры паровой среды:

х=0

N = сст

Т Ст

(р- (Тм.пов - Т)+ ссмр- ІповТм.пов + К- М- рнаг )р - Пс С см ЧвР- Мсм Ч

Т (15)

На стадии охлаждения водяным паром за счет высокой температуры поверхности термообработанного пиломатериала происходит перегрев пара, в связи с чем, для интенсификации данной стадии, паровая среда должна охлаждаться путем подачи в калорифер хладагента. Для того чтобы не произошло конденсации водяного пара на холодной поверхности конденсатора и, тем самым, понижения давления в аппарате, температура хладагента в калорифере должна равняться температуре насыщения водяного пара при заданном давлении в камере. В связи с этим, температура хладагента в калорифере может быть определена из уравнения Антуана:

В

Тк°н = Тнас = а _ |п р (16)

Изменение температуры среды на стадии охлаждения можно определить из теплового

баланса парогазовой фазы:

Р пС п V. СТ = а(Тм.пов - Т)- р - Ст- Ккон -Д* кон - ркон Ст , (17)

в котором левая часть уравнения описывает изменение теплосодержания паровой фазы;

первый член правой части уравнения представляет подвод тепловой энергии за счет теплообмена с поверхностью пиломатериала; второй член - отвод теплоты внутренним конденсатором.

Подставив уравнение (12) и после некоторых преобразований получим дифференциальное уравнение, показывающее изменения температуры паровой среды

СТ = ар - (Тм.пов - Т) - Ккон - ^кон - рк,

С^ Сп Vсв - Р -Мп

- Р - Т (18)

Для того чтобы определить продолжительность стадии охлаждения теомомодифицированной древесины до заданного значения, необходимо произвести расчет процесса охлаждения материала с помощью дифференциального уравнения (3), граничным условием, для решения которого в этом случае является выражение, описывающее процесс теплообмена между поверхностью пиломатериала и паровой средой

а-(„о. - Т, )=-Х, ~ 'м

ЭТ.

ах

(19)

х=0

Таким образом, совместное решение представленного математического аппарата позволит определить продолжительность стадий вакуумирования, прогрева,

термомодифицирования древесины и охлаждения готового продукта, а также выявить рациональные режимные параметры исследуемого процесса.

Условные обозначения

Т- температура, К; и - влагосодержание материала, кг/кг; Р, р- полное и парциальное давление, Па; —св - объем аппарата незанятый материалом, м3; т- текущее время, с; ат -коэффициент массопроводности, м/с; 5 - относительный термоградиентный коэффициент, 1/К; Г - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; X - коэффициент теплопроводности, Дж/(м • с • К); ]- поток массы, кг/(м с); Р - коэффициент массоотдачи, м/с; Р - площадь поверхности,

23

м ; д - молекулярная масса, кг/кмоль; т- масса, кг; р-плотность, кг/м ; К- коэффициент

2

теплоперепедачи, Дж/ (м 2сК); К - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль • К); с-удельная теплоемкость, Дж/(кг К); д.в. - древесинное вещество; б - базисная; ж - жидкость; рав - равновесное; 0 - начальный; см - смесь.

Литература

1. Сафин, Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р. Р. Сафин, Р. Г. Сафин // Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2010. - № 4. - С. 120-126.

2. Ахметова, Д.А. Термомодификация древесины при кондуктивном подводе тепла в герметичных условиях / Н. Ф. Тимербаев, Д. Ф. Зиатдинова // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. -

2008. - Т. 51. - Вып. 7. - С. 76-78.

3. Сафин, Р. Р. Вакуумно-конвективная сушка пиломатериалов: монография. / Р. Р. Сафин, Р. Р. Хасаншин, Е. Ю. Разумов. - Казань: Изд-во казан. гос. технол. ун-та. - 2009.-259 с.

4. Лыков, А.В. О системах дифференциальных уравнений тепломассопереноса в капиллярно-пористых телах / А. В. Лыков // ИФЖ. - 1974. - Т.ХХУІ. - № 1.

5. Сафин, Р. Р. Вакуумная сушка пиломатериалов при конвективном теплопроводе / Р. Р. Сафин. -Казань: Изд-во казан. гос. технол. ун-та. - 2006.- 124 с.

© Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. архитектуры и дизайна КГТУ, cfaby@mail.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КГТУ, safin@kstu.ru; А. Р. Шайхутдинова - ассистент каф. переработки древесных материалов КГТУ, aigulsha@mail.ru.