Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Кайнов Павел Александрович
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ В СРЕДЕ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ
05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Казань - 2012
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждений высшего профессионального образования Казанский национальный исследовательский технологический университет (ФГБОУ ВПО КНИТУ).
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Сафин Руслан Рушанович;
Официальные оппоненты: - Рыкунин Станислав Николаевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Московский государственный университет леса, г. Москва, заведующий кафедрой технологии лесопиления и деревообработки;
- Мазуркин Петр Матвеевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО Поволжский государственный технологический университет, г. Йошкар-Ола, заведующий кафедрой природообустройства;
Ведущая организация - Волжско-Камский научно-исследовательский институт лесной промышленности (ВКНИИЛП), г. Казань.
Защита диссертации состоится л_20_ декабря 2012 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.080.12 при ФГБОУ ВПО Казанский национальный исследовательский технологический университет по адресу:
420015, Казань, ул. К. Маркса, д. 68.
С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО Казанский национальный исследовательский технологический университет.
Автореферат разослан л_19_ ноября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Екатерина Игоревна Байгильдеева
Общая характеристика работы
В современных условиях при наблюдаемой тенденции роста тарифов на энергоносители, особенно актуальной становится проблема энергосбережения в производственно-хозяйственной деятельности предприятий.
В тоже время в деревоперерабатывающей промышленности наблюдается повышение интереса к энергоемкому процессу термомодифицирования древесины, что объясняется введением Еврокомиссией с начала 2004 года запрета на применение химически обработанных пиломатериалов, а также уникальными свойствами получаемой продукции, такими как низкая равновесная влажность, экологичность, повышенная биостойкость, долговечность, широкая цветовая гамма.
Актуальность исследования. На сегодняшний день технология термомодифицирования находится на стадии разработки и оптимизации, как с экономической, так и с технической точки зрения. Исследования в данной области ведутся последние 10-15 лет в таких странах, как Финляндия (технология - Thermowoodо), Франция (Retification), Америка (WEST-WOOD), Латвия (Vacuum Plus), Германия (Thermoholz). Однако современные способы термомодифицирования имеют общий существенный недостаток: высокие энергозатраты, поскольку в качестве агента обработки зачастую используется дорогостоящий водяной пар, кроме того, являющий еще и агрессивной средой для оборудования.
В то же время на стадии опытных экземпляров термокамер остается технология термической обработки в среде инертных газов. При этом в качестве среды предлагается использование азота, хотя с экономической точки зрения рациональнее было бы использование углекислого газа, который может представлять собой продукты сгорания отходов деревообработки (топочные газы), что может не только значительно сократить энергозатраты на введение процесса, но и получать тепловую энергию для технологических нужд и обогрева производственных площадей.
Поэтому актуальной представляется разработка технологии термического модифицирования древесины в среде топочных газов, позволяющей сократить энергетические затраты и получить термодревесину, отличающуюся высоким качеством и меньшей себестоимостью.
Настоящая работа выполнялась при поддержке гранта Академии наук РТ для молодых ученых № 03-37/2011 Технология термической обработки древесины в среде топочных газов.
Степень разработанности проблемы. Проблемам исследования и разработки технологии термомодифицирования древесных материалов посвящены многие работы зарубежных ученых. Вопросам теплопереноса в технологиях термообработки древесины, теплофизических свойств древесины, математического моделирования процессов тепло- и влагопереноса древесины посвящены работы ученого Nencho Deliiski (Bulgaria); вопросам влияния термообработки на физико-механические, химические и эксплуатационные свойства древесины - работы Danica Kakov и Frantiek Kak (Slovakia), Ladislav Dzurenda (Slovakia) и Vincent Repellin (France), занимающегося также вопросами закономерностей изменения цветового решения древесины в процессе термомодифицирования; вопросам термомодифицирования древесины - работы Andreas O.
Rapp (Germany); вопросам обработки древесины в среде органических масел - работы Anna Koski (Finland), Michael Sailer (Germany). При этом исследования, касающиеся термомодифицирования древесины в среде топочных газов, ранее не проводились.
Цель и задачи исследования состоят в разработке и исследовании энергосберегающей технологии термического модифицирования древесины в среде топочных газов, позволяющей получать материал с улучшенными физико-механическими характеристиками и разнообразным цветовым решением при низких энергозатратах.
В связи с этим в настоящей работе были поставлены следующие задачи:
1. Анализ научных основ и технологий в области термического модифицирования древесины.
2. Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования древесины в среде топочных газов.
3. Разработка математической модели, учитывающей процессы термического модифицирования пиломатериалов и тепломассопереноса в топочных газах.
4. Исследование процессов теплопереноса в газообразной среде и её теплообмена с материалом, и теплопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработки с целью выявления рациональных режимных параметров ведения процесса термомодифицирования в топочных газах.
5. Разработка аппаратурного оформления предлагаемого способа обработки древесины.
6. Промышленная апробация результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.
Предмет и объект исследования Предметом исследования является технология термического модифицирования древесины в среде топочных газов. Объектом исследования являются древесина сосны, березы, дуба и их физико-механические и цветовые характеристики, изменяющиеся в ходе термообработки.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Методологической базой исследования являются теоретические и экспериментальные данные по механизму процесса теплопереноса в газообразной среде и её теплообмена с материалом и теплопереноса внутри самого материала в ходе высокотемпературной обработки. Для достижения поставленной цели в работе использованы методы математического и физического моделирования. Теоретической базой исследований являлись работы ученых по вопросам сушки и термомодифицирования коллоидных материалов с капиллярно-пористой структурой, влияния высокотемпературной обработки на свойства пиломатериалов, а также исследования физико-механических свойств древесины. Эмпирическую основу составляли исследования физических и механических свойств объекта обработки, таких как: температура и плотность, ударная твердость, предел прочности, биостойкость.
Научные результаты, выносимые на защиту. В процессе выполнения работы лично соискателем получены следующие научные результаты:
1. Энергосберегающая технология термического модифицирования древесины в среде топочных газов, не имеющая аналогов.
2. Математическая модель исследуемого процесса, позволяющая определить продолжительность стадий нагрева, термообработки и охлаждения термодревесины.
3. Рациональные режимные параметры ведения процесса термического модифицирования древесины в среде топочных газов, полученные по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований процессов термообработки.
4. Результаты опытно-промышленной апробации результатов теоретических и экспериментальных исследований и конструкторских разработок.
Научная новизна результатов работы. Работа содержит научнообоснованные технические и технологические решения, направленные на обработку древесины термомодифицированием в топочных газах:
1. Впервые исследован процесс термомодифицирования древесины в среде топочных газов. Разработана энергосберегающая технология термического модифицирования древесины в топочных газах.
2. Разработаны математическая модель и алгоритм расчета процессов термического модифицирования древесины в среде топочных газов, позволяющие определить продолжительность стадий прогрева, термомодифицирования древесины и охлаждения готового продукта, а также выявить рациональные режимные параметры исследуемого процесса. Определены рациональные технологические параметры процесса.
3. Впервые экспериментально определены теплофизические свойства термомодифицированной древесины.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость представленной работы заключается в разработке математической модели, которая позволяет определить режимные параметры исследуемого процесса термомодифицирования древесины в топочных газах, устанавливать физические характеристики объекта исследования и влияние отдельных факторов на процессы термообработки;
теоретическая значимость работы также заключается в определении теплофизических свойств термодревесины.
Практическая значимость работы полученная в результате комплексного исследования технологических процессов термического модифицирования древесины в среде топочных газов:
- разработан экспериментальный стенд и методика проведения экспериментов, которые позволяют определить температуру и плотность древесины при термической модификации в среде топочных газов;
- разработаны рациональные технологические режимы ведения процесса термического модифицирования древесины в топочных газах;
- разработана и внедрена в производство пилотная установка для термомодифицирования пиломатериалов в топочных газах; снижение энергозатрат на ведение процесса термического модифицирования до 70% обеспечивается использованием в качестве агента обработки продуктов сгорания отходов деревообработки; новизна подтверждена патентом РФ;
- разработан и внедряется в производство энергосберегающий комплекс для термомодифицирования древесины в топочных газах с возможностью досушки влажного пиломатериала, объемом загрузки 15 м3;
- разработаны новые конструкции оборудования для предварительной сушки пиломатериалов перед процессом термомодифицирования.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют п. 1 Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий), п. 2 Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции и п. 4 Разработка операционных технологий и процессов в производствах: лесопильном, мебельном, фанерном, древесных плит, строительных деталей и при защитной обработке, сушке и тепловой обработке древесины из паспорта специальности 05.21.05 Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки.
Апробация и реализация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались на научных сессиях по технологическим процессам ФГБОУ ВПО КНИТУ (Казань, 2009-12 г), на Молодежной научной конференции по естественным и техническим дисциплинам Научному прогрессу - творчество молодых (Йошкар-Ола, 2010 г), на IV-ой Международной научно-практической конференции Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ-2011 (Москва, 2011г), на Пятой Российской научнотехнической конференции Вакуумная техника и технология (Казань, 2011 г), на Всероссийской школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети Наноинженерия (Казань, 2011 г), на международных конференциях ММТТ-24 (Саратов, 2011 г), Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка (Санкт-Петербург, 2011 г), Ресурсосбережение в химической технологии (Санкт-Петербург, 2012 г), ММТТ-25 (Волгоград, 2012 г), на VI-ой Международной научной конференции Актуальные вопросы современной техники и технологии (Липецк, 2012 г).
Разработана и внедрена в производство в ООО НПП ТермоДревПром пилотная установка для термического модифицирования пиломатериалов в среде топочных газов, объемом загрузки 1,5 м3 пиломатериалов (Патент РФ № 2422266 Способ термообработки древесины).
Разработана и принята к внедрению предприятием ООО Промекс (г.Минск) промышленная камера термической обработки, объемом загрузки 15 м3 (Патент РФ № 2437043 Способ и устройство сушки и термической обработки древесины).
Технология термической модификации древесины удостоена серебряной медали на X Московском международном салоне инноваций и инвестиций в 2010 г.
Материалы диссертации применяются в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторного практикума по дисциплине Гидротермическая обработка и консервирование древесины для студентов, обучающихся по направлению подготовки 250400 Технология лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств.
ичное участие автора состоит в выборе темы и разработке основных идей диссертации, а также в постановке и решении задач теоретического, экспериментального и прикладного характера. При непосредственном участии автора изготовлены экспериментальные стенды для исследования процесса термического модифицирования древесины в среде топочных газов, выполнены эксперименты и проведены промышленные испытания. Автором была разработана и смонтирована пилотная установка для термомодифицирования пиломатериалов в топочной среде. Автор разработал способ термической обработки древесины (Пат. № 2422266) и аппаратурное оформление, необходимое для его осуществления (Пат № 2437043). Автору принадлежат основные идеи опубликованных в соавторстве статей.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 работы, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, и 6 патентов РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит [1, 4, 5] - разработка конструкций промышленных аппаратов; [7, 8, 9, 14, 15, 19, 21] - создание экспериментальной установки, получение и обработка экспериментальных данных; [2, 3, 6, 10, 11, 12, 16, 17, 20] - разработка технологии термомодифицирования древесины в среде топочных газов; [13, 16, 18, 22] - обоснование экономической эффективности аппаратурного решения технологического процесса.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
На всех этапах работы в качестве научного консультанта принимал участие кандидат технических наук, доцент Разумов Е.Ю.
Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель исследований, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.
В первой главе проведен анализ состояния вопроса разработки технологии термомодифицирования древесины, в результате которого можно сделать вывод о том, что на сегодняшний день термообработка древесины является перспективным способом получения уникального материала, отличающегося естественностью, экологичностью, пониженной равновесной влажностью, формо- и биоустойчивостью, а также широкой палитрой оттенков - от светло-желтого до черного. Общей характеристикой известных способов термомодифицирования древесины можно назвать температурный диапазон термообработки от 180 до 240 С, что объясняется физико-химическими процессами, протекающими в древесине при данной температуре, способствующими изменению цвета материала и его физико-механических характеристик. К принципиальным отличиям можно отнести время от 16-180 часов и среду обработки: в защитной атмосфере водяного пара (Termowood, PLATO-Wood, WEST-WOOD), в вакууме (Vacuum PLUS), в защитной атмосфере инертного газа - азота (Retification), в среде органических масел (Thermoholz).
Во второй главе приведен подробный анализ процесса термического модифицирования древесины в среде топочных газов. Приняты основные допущения, на их основе была разработана математическая модель термомодифицирования древесины в топочных газах, представлен алгоритм ее расчета.
Процесс термического модифицирования древесины в топочных газах условно можно представить как совокупность процессов досушки, повышения температуры до заданного значения обработки, термического модифицирования и охлаждения материала. Физическую картину исследуемого процесса можно представить в виде модели, изображенной на рис. 1.
Рассматривая одномерную симметричную задачу, для описания изменения во времени полей температур и концентраций древесины воспользуемся уравнениями, представленными в следующей форме Тм Tм ( 1 ) cмм м q K м.
х х м K м ( 2 ) атм.
dmтг Qтоп Т' Ттг тг Fтепл, dmпгс 5 Fм, Uм, mм T dmп.в Qпар I Рис. 1. Физическая картина термомодифицирования древесины в среде топочных газов:
1 - камера термомодифицирования материала; 2 - пиломатериал; 3 - вентилятор;
4 - теплообменник, 5 - топка; 6 - теплопотребляющее устройство;
7 - насос; 8 - парогенератор.
Начальные условия, характеризующие начало всего процесса Тм(0; х) const, ( 3 ) м(0; х) const. ( 4 ) Граничное условие для решения дифференциального уравнения (1) может быть представлено в следующем виде Тм T Tм х0 q K м м.
( 5 ) х хДля определения производительности топки найдем объем образующихся влажных топочных газов, который определяется из уравнения материального баланса сжигания древесины w р р Vтг 0,161 0,005W 0,0074А 4,818 0,0472 Wр 0,0472 А. ( 6 ) р Рабочая теплотворная способность древесины 100 (Aр Wр ) р ( 7 ) Qн Qо 6Wр.
н 1Предельная температура дымовых газов в топке р Qн Tтг . ( 8 ) (1 'Vвоз) стг Температура топочных газов после теплообменника Qтепл тг с Т К t Fтепл тг тг тепл тепл Т .
( 9 ) тг Q тг с тепл тг Составим материальный баланс для всей среды, находящейся в камере термообработки dmср dmвоз dmтг dmпгс.
(10) где изменение массы среды в камере зависит от изменения содержания массы воздуха, имевшегося в камере в начальный момент времени, массы топочных газов, поступающих в аппарат из топки и удаляемых из аппарата, массы парогазовой смеси, поступающей в аппарат из материала в процессе разложения его компонентов, и удаляемых из аппарата.
Изменение массы топочных газов и парогазовой смеси, поступающих в аппарат, характеризуется соответственно производительностью топки и потоком парогазовой смеси из материала, а также производительностью системы удаления газа из аппарата dтг Vсв тгGтоп yтгGс.г , (11) d dпгс Vсв jпгсFм yпгсGс.гпгс, (12) d dвоз Vсв yвозGс.гвоз. (13) d После преобразований получаем уравнения, характеризующие изменение парциального давления топочных газов, парогазовой смеси и воздуха в аппарате за единицу времени dpтг pтг pтг dT G утг Gс.г , (14) d Vсв топ T d dpпгс Fм R T jпгс упгсGс.г 1 dT pпгс , (15) d Vсв пгс Vсв T d dpвоз 1 dT увозGс.г pвоз . (16) d T d Vсв Для движущейся парогазовой среды дифференциальные уравнения переноса энергии и массы в прямоугольных координатах принимают вид Т wT q K м T Tпов.м Fм . (17) с.ср ср Граничное условие для решения дифференциального уравнения (17) для случая обработки в среде топочных газов Т сср ср Gвен Gс.г Tтг стг G тг dT топ .
(18) d cср ср Vсв Начальное условие для решения уравнения (17) можно представить в виде T(0;) Т0. (19) После завершения процесса термического модифицирования древесины, с целью предотвращения возможного самовозгорания готового продукта, начинается стадия его охлаждения. Понижение температуры продукта осуществляется непосредственно в камере термомомодифирования путем подачи водяного пара из парогенератора. Расход пара, поступающего истечением в большой объём под высоким давлением, можно определить из формулы Сен-ВенанаЦВенцеля. Откуда получаем количество пара, поступающего в камеру, за бесконечно малый промежуток времени 2 k Р P d2 2k k k .
dmп.в пг Рпг (20) d 4 k Рпг Pпг На основе теплового баланса получаем дифференциальное уравнение изменения температуры паровой среды в камере Тм.поз Т Fd cп.в Тп.в dmп.в сп Т dmвых dT .
(21) псп Vсв Для определения продолжительности стадии охлаждения термодревесины до заданного значения производится расчет процесса теплопереноса внутри материала с помощью дифференциального уравнения Фурье Тм 2Тм а, (22) хграничным условием для решения которого в этом случае является выражение Тм Tм.пов Tп м.
(23) х хДифференциальные уравнения математической модели решались методом сеток с помощью неявной разностной схемы с применением алгоритма прогонки. Определение прогоночных коэффициентов осуществлялось с применением метода простой итерации с заданием точности решения.
В третьей главе приведено описание экспериментальной установки; представлены объекты исследования, а также методики и результаты исследований свойств модифицированных образцов; результаты математического и физического моделирования исследуемого процесса термомодифицирования древесины в среде топочных газов при различных режимах обработки; установлена адекватность разработанной модели реальному процессу; определены рациональные режимные параметры.
При моделировании теплопереноса внутри древесины в процессе термической модификации во второй главе было предложено использовать дифференциальное уравнение переноса энергии с внутренним источником тепла, для решения которого требуется знание теплопроводных характеристик исследуемого объекта. Однако анализ литературы, проведенный в первой главе, показал, что практически неизученными остаются теплофизические свойства термомодифицированной древесины. В связи с чем, была разработана экспериментальная установка, с помощью которой были определены зависимости коэффициентов теплопроводности и температуропроводности исследуемого материала от температуры его обработки (рис. 2).
a, м, м2/с Вт/(мК) 0,070 1,береза 0,00,0,00,дуб 0,0сосна 0,береза 0,00,0,0сосна 0,0,0дуб 0,0,00,030 0,433 453 473 493 5433 453 473 493 513 Tср, К Tср, К а) б) Рис. 2. Зависимости теплопроводности (а) и температуропроводности (б) от температуры обработки древесины.
Приведенные данные (рис. 2) позволяют сделать вывод о том, что термомодифицирование оказывает прямое влияние на изменение теплофизических свойств древесины: чем выше температура обработки, тем интенсивнее снижение коэффициента теплопроводности материала, что объясняется уменьшением плотности материала (рис. 3).
В результате чего, для удобства использования в математических расчетах получены математические выражения теплопроводности и температуропроводности термодревесины сосны в зависимости от ее текущей плотности:
м(сосна ) 6E 0,6 м 0,0043 м 0,816, ам(сосна ) 63,5м 451,1м 336,6107.
, кг/м65дуб 5береза 44сосна 30 8 16 24 32 , час Рис. 3. Кинетические кривые изменения плотности древесины в процессе термомодифицирования.
В процессе экспериментальных исследований и теоретических расчетов было получено рациональное время прогрева сухой древесины до требуемой температуры термической обработки (рис. 4).
Как отмечалось выше, завершающим этапом процесса термического модифицирования древесины в среде топочных газов является охлаждение. Данный этап позволяет существенно снизить напряжения, возникшие в пиломатериале в процессе обработки, а также исключить возможное самовозгорание древесины в процессе разгерметизации камеры (напуска воздуха). На рис. 5 представлены зависимости продолжительности стадии охлаждения готового продукта от породы и толщины пиломатериала.
прогрев, ч охл, ч 3, сосна сосна 3, 2,береза береза 2, дуб дуб 1, 1, 2 0, 20 30 40 50 60 S, мм 0 453 473 493 513 Т, К Рис. 5. Время охлаждения пиломатеРис. 4. Время прогрева пиломатериариала в зависимости от толщины и ла до требуемой температуры обрапороды древесины при температуре ботки в зависимости от породы, обработки 493К.
S=50мм.
В четвертой главе на основе результатов экспериментальных исследований и математического моделирования процесса термического модифицирования древесины в среде топочных газов была разработана пилотная установка объемом загрузки 1,5 м(рис. 6), внедренная в ООО НПП ТермоДревПром. Новизна используемого способа по термическому модифицированию древесины в данной пилотной установке подтверждена патентом РФ № 2422266 Способ термообработки древесины.
12 11 2 1 4 5 6 Рис. 6. Общий вид и схема пилотной установки по термомодифицированию древесины:
1 - обечайка; 2 - крышка; 4 - бак с водой; 5 - пиломатериал; 6, 8 - экраны; 7 - вентилятор;
9 - нагнетающий вентилятор; 10 - теплообменник; 11 - топка; 12 - выхлопная труба.
Результаты опытно-промышленных испытаний данной камеры представлены на рис. 7, где изображены диаграммы расхода топлива на процесс термомодифицирования древесины сосны в зависимости от степени термомодифицирования. Сплошной линией представлены результаты расхода топлива в летнее время, а штриховой - в зимний период.
В ходе дополнительных исследований было выявлено влияние технологических режимов термомодифицирования древесины на её биостойкость (рис. 8).
Из представленных графиков видно, что хотя механические характеристики термодревесины с увеличением температуры и продолжительности обработки по сравнению с натуральной древесины и снижаются, но при этом существенно возрастает биостойкость материала. Более того, механические характеристики термодревесины после годовой выдержки во влажном грунте становятся выше, чем у аналогично выдержанной натуральной древесины, поскольку прочность натуральной древесины падает почти вдвое, а прочность термодревесины практически не изменяется.
Повышение биостойкости терQ, кг/ммомодифицированной древесины кроме 5U = 50% происходящих в древесине химических 4изменений может объясняться и физиче4скими изменениями. Так, факт того, что U = 30% 3водопоглощение термодревесины намно3U = 10% го меньше, а водоотдача быстрее, чем у 2U = 50% натуральной древесины, способствует 2U = 30% тому, что продолжительность нахожде1ния в наиболее опасной с позиции развиU = 10% 1тия дереворазрушающих грибов влажно50 стной зоне 30-70% у термодревесины 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 L намного меньше, поэтому дереворазруРис. 7. Расход топлива на процесс шающие грибы в термодревесине нахотермомодифицирования дятся в неблагоприятных условиях (рис.
древесины.
9). Таким образом, наиболее рациональной сферой использования древесины, термомодифицированной в среде топочных газов, являются условия эксплуатации с повышенной влажностью, например при отделке прибассейнных территорий, саун, бань.
, изг МПа W,% до грунта после выдержки в грунте (180 сут.) Тобр = 473К Тобр = 453К после выдержки в грунте (360 сут.) контр.
Тобр = 493К 20 Тобр = 513К 0 2 4 24 48 72 144 168 192 216 240 264 288 312 3 ,час 96 ч 1 2 3 198 ч Рис. 8. Изменение прочности при сжатии Рис. 9. Интенсивность изменения влажнообразцов сосны в зависимости от сти древесины в процессе ее увлажнения температуры обработки:
в течении 144 часов и последующей 1 - контрольный; 2 - Тобр = 453К;
сушки.
3 - Тобр = 473К; 4 - Тобр = 493К.
В результате опытно-промышленных апробаций пилотной установки была выявлена целесообразность широкого промышленного использования способа термомодифицирования древесины в среде топочных газов. В связи с чем, была разработана и создается промышленная камера термической обработки, объемом загрузки 15 м3, представленная на рис. 10. Новизна технических и технологических решений, заложенных при проектировании промышленной камеры подтверждена патентом РФ № 24370Способ и устройство сушки и термической обработки древесины.
Кроме того, представлены разработанные конструкции аппаратов предварительной сушки древесины перед ee термомодифицированием, обеспечивающие снижение энергозатрат и повышение качества сушки, новизна которых подтверждена четырьмя патентами РФ на изобретение.
Паропровод Рис. 10. Общий вид и схема промышленной камеры термомодифицирования древесины.
В приложении к работе даются программа расчета процесса на ЭВМ, результаты статистической обработки полученных данных и акты внедрений, подтверждающие практическое использование основных результатов работы предприятиями.
Основные результаты и выводы 1. Проведен анализ современного состояния процесса термического модифицирования древесины.
2. Разработан новый способ термомодифицирования древесины в среде топочных газов.
3. На основе физической картины процесса и принятых допущений создана математическая модель процесса термического модифицирования древесины в среде топочных газов. Получены зависимости, описывающие кинетику и динамику исследуемого процесса, позволяющие оценить влияние режимных параметров и свойств пиломатериалов на различные стадии термомодифицирования.
4. С целью изучения кинетики процесса термомодифицирования был разработан и изготовлен экспериментальный стенд и проведены экспериментальные исследования при различных температурах среды и продолжительностях обработки. Установлены рациональная продолжительность стадии нагрева до заданной температуры обработки в зависимости от породы древесины, выявлен требуемый расход топлива на проведение процесса.
5. Впервые экспериментально определены теплофизические свойства термодревесины в зависимости от ее текущей плотности.
6. В результате математического моделирования и экспериментальных исследований предложены рекомендации по режимным параметрам исследуемого процесса. Результаты проведенных исследований использованы при проектировании и разработке промышленных установок, одна из которых внедрена на производственной базе ООО НПП ТермоДревПром с экономическим эффектом в размере более 1,млн. руб. в год, вторая находится на стадии опытно-промышленных испытаний на ООО Промекс (г.Минск). Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения разработанной установки составит 13,2 млн. руб.
7. Разработаны аппараты предварительной сушки пиломатериалов перед процессом термомодифицирования, обеспечивающие снижение энергозатрат и повышение качества сушки.
Основные обозначения: Т - температура, К; Q - объемная производительность, м3/с;
F - площадь поверхности, м2; U - влагосодержание материала, кг/кг; m - масса, кг;
- скорость потока, м/с; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг К); - плотность, кг/м3;
- текущее время, с; - коэффициент теплопроводности, Дж/(м с К); q - удельная теплота химической реакции, Дж/кг; К - коэффициент теплопередачи, Дж/(м2 с К); - коэффициент теплоотдачи, Дж/(м2 с К); V - объем, м3; Т - коэффициент избытка воздуха;
W - рабочая влажность, кг/кг; А - зольность, кг/кг; G - массовый расход, кг/с; у - массовая доля компонента, кг; Р - давление, Па; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К);
j - поток массы, кг/(м2 с); - молекулярная масса, кг/кмоль; Т - коэффициент расхода;
kТ - показатель адиабаты; t - температурный напор, К; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; L - степень термомодифицирования; х, у, - координаты, м.
Индексы: м - материал; тепл - теплообменник; пар - парогенератор; топ - топка;
г - газ; п - пар; тг - топочные газы; воз - воздух; ср - среда; пгс - парогазовая смесь;
с.г. - система удаления газа; св - свободный объем камеры; вен - вентилятор; п.в - количество пара; 0 - начальный.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Кайнов, П.А. Тепломассоперенос внутри древесины в процессе ее термического модифицирования / П.А. Кайнов, Е.Ю. Разумов, Р.В. Данилова [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2011. - №.14. - №20. - С. 137-142.
2. Сафин, Р.Р. Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицированию, с помощью ИК-спектрометра / Р.Р. Сафин, П.А. Кайнов, Е.Ю. Разумов, Р.Р. Хасаншин [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2010. - №.10. - С. 100-104.
3. Кайнов, П.А. Исследование биостойкости термомодифицированной древесины в условиях воздействия дереворазрушающих грибов / П.А. Кайнов, Р.Р. Хасаншин, С.В. Ахмадиева [Текст] // Вестник Казанского технологического университета. Казань. - 2012. Ц№Т.15. - С. 233235.
4. Патент № 2372569 РФ, МПК F 26 В 5/04. Установка для сушки древесины / Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Кайнов П.А. и др.; патентообладатель ООО НТ - РПО; опубл. 10.11.2009.
5. Патент № 2422266 РФ, МПК В 27 К 5/00. Способ термообработки древесины / Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Разумов Е.Ю., Тимербаев Н.Ф., Кайнов П.А. и др.; патентообладатель ООО НТ - РПО; опубл. 27.06.2011.
6. Патент № 2425305 РФ, МПК F 26 В 5/04. Способ сушки и термической обработки древесины / Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Оладышкина Н.А., Кайнов П.А. и др.; патентообладатель ООО НТ - РПО; опубл. 27.07.2011.
7. Патент № 2425306 РФ, МПК F 26 В 5/04. Установка для сушки древесины / Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Кайнов П.А. и др.; патентообладатель ООО НТ - РПО; опубл. 27.07.2011.
8. Патент № 2437043 РФ, МПК F 26 В 9/06. Способ и устройство сушки и термической обработки древесины / Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Кайнов П.А. и др.; патентообладатель ООО НПП ТермоДревПром; опубл. 20.12.2011.
9. Патент № 2453425 РФ, МПК В 27 К 3/02. Способ термической обработки древесины / Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Кайнов П.А. и др.; патентообладатель ГОУ ВПО КГТУ; опубл.
20.06.2012.
10. Кайнов, П.А. Тепломассоперенос внутри пиломатериала в процессе его термической модификации / П.А. Кайнов [Текст] // Деревообрабатывающая пром-сть. - 2012. - № 1. - С. 7-9.
11. Кайнов, П.А. Математическая модель термомодифицирования древесины в топочных газах / П.А. Кайнов [Текст] // Деревообрабатывающая пром-сть. - 2012. - № 2. - С. 7-10.
12. Кайнов, П.А. Исследование процессов удаления запаха из термодревесины / П.А.
Кайнов, Р.Р. Хасаншин, Р.В. Данилова [Текст] // ММТТ-24: Международ. науч. конф. - Саратов, 2011. - С. 147-149.
13. Хасаншин, Р.Р. Вакуумно-осциллирующая обработка термодревесины / Р.Р. Хасаншин, П.А. Кайнов, Р.В. Данилова [Текст] // Вакуумная техника и технология: Матер. V Рос. науч.техн. конф. / КГТУ. - Казань 2011. - С. 83-84.
14. Кайнов, П.А. Массопроводные характеристики древесины применительно к процессам вакуумной сушки / П.А. Кайнов, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов, А.А. Семенова [Текст] // Вакуумная техника и технология: Матер. V рос. науч.-техн. конф. / КГТУ.- Казань 2011. - С. 35-37.
15. Мухаметзянов, Ш.Р. Использование тепловых насосов при вакуум-осциллирующей сушке древесины / Ш.Р. Мухаметзянов, П.А. Кайнов, Э.И. Валиева [Текст] // Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка: Труды Международ науч.-техн. конф. / СПбГЛТУ. - Санкт-Петербург, 2011. - С. 197-200.
16. Кайнов, П.А. Разработка новой технологии получения термически модифицированной древесины / П.А. Кайнов, Е.Ю. Разумов, Р.Р. Хасаншин [Текст] // Современные проблемы и перспективы рационального лесопользования в условиях рынка: Труды Международ. науч.-техн.
конф. / СПбГЛТУ. - Санкт-Петербург, 2011. - С. 217-220.
17. Сафин, Р.Р. Исследование влияния темпа нагревания пиломатериалов на однородность свойств термомодифицированной древесины по толщине / Р.Р. Сафин, П.А. Кайнов, Е.Ю.
Разумов, Р.Р. Хасаншин [Текст] // Научному прогресс - творчество молодых: Сборник молодежной науч. конф. / МарГТУ. - Йошкар-Ола, 2010. - С. 101-102.
18. Кайнов, П.А. Модификация наноструктуры древесины с целью создания новых композиционных материалов / П.А. Кайнов, Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Ф.Г. Валиев [Текст] // Наноинженерия: Сборник трудов Всероссийской школы-семинара аспиратнов и молод. ученых. / КНИТУ. - Казань. - 2011. - С. 120-123.
19. Кайнов, П.А. Исследование явлений тепломассопереноса внутри древесины в процессе термомодифицирования / П.А. Кайнов, Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, А.Р. Зиятдинова [Текст] // ММТТ-25: Сборник трудов XXV Международ. науч. конф. - Волгоград. - 2012. - С. 49-50.
20. Кайнов П.А. Математическое описание процессов тепломассопереноса внутри древесины при ее термомодифицировании / П.А. Кайнов, Е.Ю. Разумов [Текст] // Материалы научной сессии. / КГТУ. - Казань. - 2009. - С. 290.
21. Хасаншин, Р.Р. Исследование снижения массы древесины в процессе термического модифицирования / Р.Р. Хасаншин, П.А. Кайнов, Ф.Г. Валиев [Текст] // Актуальные вопросы современной техники и технологии: Сборник докладов VI Международ. науч. конф. - Липецк. - 2012. - С. 145-146.
22. Кайнов П.А. Интенсификация стадии охлаждения термомодифицирования древесины / П.А. Кайнов, Е.Ю. Разумов [Текст] // Ресурсосбережение в химической технологии: Сборник трудов Международ. науч. конф. / СПбГТИ(ТУ). - Санкт-Петербург. - 2012. - С. 121-123.
Соискатель П.А. Кайнов
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям