Деревообрабатывающая промышленность. Изделия из древесины. Переработка отходов. ДСП. Фанера. Лесопильная продукция (Мебельная промышленность- см. 684)

сушка древесины, в частности пиломатериалов, является одним из самых сложных и энергозатратных процессов в деревопереработке, практически полностью определяющим качество продукции, изготовляемой из древесины. конвективная сушка пиломатериалов, во всем многообразии ее разновидностей, на сегодняшний день остается самой распространенной. компьютерное моделирование процессов сушки древесины обычно проводится на основе решения систем, дифференциальных уравнений тепломассообмена. Методы решения подобных систем, как аналитические, так и численные, достаточно глубоко изучены и проработаны. однако важнейшим методическим вопросом является корректное формулирование граничных условий, которые определяют процесс взаимосвязанного тепломассообмена на границе раздела фаз (древесина – влажный воздух). Для конвективной сушки традиционно использовались граничные условия III рода академика а.В. лыкова, для которых характерно достаточно близкое соответствие потоков массы, движущейся из глубины древесины и на границе раздела фаз. Данное соответствие характеризуется величиной так называемого массообменного критерия Био. Для проверки высказанных предположений был проведен вычислительный эксперимент, позволивший определить возможную управляемость процесса влагоудаления при низкотемпературной конвективной сушке условного пиломатериала режимами трех- и бесступенчатой структуры. помимо этого исследовалось влияние процесса влагоудаления на динамику внутренних напряжений в древесине. Результаты показали, что бесступенчатые режимы, с одной стороны, обеспечивают существенное повышение качества сушки практически без потери производительности лесосушильных камер, а с другой стороны, обладают более высокой управляемостью. Результаты ранее проведенных исследований позволили предложить общие принципы, а затем запатентовать коренным образом отличающуюся от ранее известных систем управления сушкой древесины систему автоматического управления влагообменом при сушке древесины. Данная система управляет процессом сушки за счет регулирования соотношения внешнего и внутреннего влагообмена, а не величины параметров среды в камере. система управления влагообменом при конвективной сушке пиломатериалов является ограниченно управляющей: полностью стабилизировать значения массообменного критерия Био она не позволяет. однако ее применение поддерживает определенный баланс между внутренним и внешним влагообменом, обеспечивает требуемое качество сушки и практически полностью исключает возникновение брака. Для цитирования: Гороховский А.Г., Шишкина Е.Е., Агафонов А.С. конвективная сушка пиломатериалов на основе управляемого влагообмена // Изв. вузов. Лесн. журн. 2022. № 1. с. 166–172. DOI: 10.37482/0536-1036-2022-1-166-172.

Термическая обработка широко применяется для изменения свойств древесины (механических, физико-химических, теплофизических, биологических и др.). Одним из видов термического воздействия является сушка. Для определения оптимальных режимов сушки и минимизации энергетических затрат необходимо разработать математические модели процессов, протекающих в древесине при тепловом воздействии. При математическом описании тепломассообмена при сушке стоит задача описания внутренних источников теплоты и массы. Удаление влаги рассматривается как сложный многостадийный физико-химический процесс. Стадийность процесса сушки обусловлена наличием в древесине влаги, имеющей связи с древесным веществом. Разрушение связей происходит в своих (разных) диапазонах температур. Отдельные стадии рассматриваются как параллельные, независимые химические реакции и описываются кинетическими уравнениями. Для исследования кинетики удаления связанной влаги в древесине была разработана и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая проводить термогравиметрические эксперименты в среде с контролируемой влажностью. Образцы для исследования имели разную начальную влажность при различной относительной влажности среды. Результаты термогравиметрических экспериментов обрабатывали с использованием метода, позволяющего разделить процесс на отдельные стадии. Установлено, что удаление связанной влаги из древесины протекает в семь стадий. Для каждой стадии были определены энергия активации, предэкспоненциальный множитель и начальная относительная масса. Изучена зависимость кинетических параметров от относительной влажности среды. Сделано допущение, что только энергия активации зависит от влажности сушильного агента. Получены эмпирические зависимости энергии активации от относительной влажности среды для первой, второй и третьей стадий; проведены термогравиметрические исследования кинетики сушки древесины с начальной влажностью, превышающей предел насыщения клеточных стенок, т. е. при наличии свободной влаги; получены постадийные кинетические параметры.

Для плоских изделий применяются бесконтактные и контактные методы контроля плоскостности. При проведении бесконтактного контроля используют оптические системы. Контактный контроль поверхности подразумевает применение механических систем измерения или специальных преобразователей физических величин материала. Контактные методы, основанные на исследовании физических параметров материала, позволяют контролировать потерю плоской формы равновесия объекта и изменение остаточных напряжений. Образующиеся остаточные напряжения имеют наибольшее значение в области периферии диска из-за повышенного нагрева данной зоны пилы. Отклонение от плоскостности диска вследствие потери им плоской формы равновесия носит несимметричный характер. Нами предлагается применять метод акустической тензометрии для контроля плоскостности плоских круглых пил. Суть метода акустической тензометрии заключается в изменении скорости распространения ультразвуковых колебаний в материале при изменении величины остаточных напряжений. Предлагаемый способ подразумевает разбиение диска на кольцевые зоны с их последующим сканированием в окружном направлении. Отклонения кольцевой зоны от плоскостности характеризуются наличием деформации в сканируемой зоне и сравниваются с нулевыми показателями не эксплуатируемой ранее пилы. Представленная в работе экспериментальная установка предназначена для контроля плоскостности круглых пил методом акустической тензометрии и прямого измерения с помощью индикатора часового типа. Дополнительно перед проведением эксперимента контролируемые пилы подвергались химическому анализу для подтверждения соответствия заявленной марки стали у всех пил. Для возбуждения ультразвуковых колебаний на контролируемом участке использовался пьезоэлектрический преобразователь DA-501 с рабочей частотой 5 МГц, измерения проводились эхо-методом. В результате предварительного опыта было установлено, что полученные экспериментальные данные имеют нормальное распределение. Проведение основного эксперимента опиралось на полный факторный план с тремя варьируемыми параметрами, на основании результатов которого была принята теоретическая зависимость и доказана возможность использования данного метода для контроля плоскостности круглых пил.

В связи с значительным повышением требований к экологической безопасности лесосплава, исключению потерь древесины при транспортировке ее по воде существенно возрастает важность правильной оценки прочностных характеристик лесотранспортных единиц, прежде всего их первичных элементов – пакетов круглых лесоматериалов, лесосплавных пучков. Актуальность темы также обусловлена появлением новых перспективных лесотранспортных единиц – пакетных пучков, прочностная оценка которых невозможна без основательного подхода к рассмотрению этого вопроса. Представленная в литературе информация по данной теме свидетельствует, что предлагаемые формулы имеют преимущественно эмпирический характер, неточно отражают физическую сущность явлений. Эмпирические формулы учитывают зависимость отдельных прочностных характеристик от тех или иных определяющих факторов, но не позволяют получить целостную картину. Результаты расчетов по различным формулам иногда существенно отличаются. Критерии прочностных характеристик пакета, по мнению автора, требуют пересмотра. При выполнении работы использован теоретический метод исследований с фрагментарной проверкой полученных аналитических зависимостей и положений на той части имеющегося материала экспериментального происхождения, которая наиболее достоверна. В результате проведенных исследований разработаны теоретические основы оценки прочностных характеристик плавающего пакета круглых лесоматериалов, получены аналитические зависимости для определения натяжений как в верхних, так и в нижних ветвях его обвязок. Взамен используемых прочностных характеристик плавающего пакета введены понятия его поперечной и продольной прочности, которые определяют прочность пакета в целом, предложен комплексный критерий для оценки продольной прочности плавающего пакета, получена аналитическая формула для его определения, даны рекомендации по его практическому применению. Результаты работы следует использовать при подборе обвязок пакетов круглых лесоматериалов, пучков и назначении геометрических параметров этих сплоточных единиц в целях обеспечения надлежащих прочностных характеристик. Кроме того, полученные материалы являются базой для разработки подхода к оценке прочностных характеристик новых сплоточных единиц – пакетных пучков.

В качестве параметра контроля и прогнозирования работоспособности круглопильного оборудования предлагается использовать температуру нагрева дереворежущих круглых пил. В реальных условиях процесса лесопиления температуру режущего инструмента указанного типа станков можно измерять методом инфракрасного теплового контроля. Основной проблемой этого метода является высокая вероятность появления методической погрешности измерения, величина которой при определенных условиях делает его непригодным. Поэтому целью проведенного исследования являлось установление способа компенсации методической погрешности, снижающего разницу между инструментальной и фактической температурами до минимальных значений. Методическая погрешность при дистанционном измерении температуры радиационными пирометрами определяется точностью учета коэффициента теплового излучения объекта. Значение коэффициента теплового излучения зависит от многочисленных факторов, основные из которых – материал и температура объекта, а также температура окружающего пространства. При выполнении теоретических изысканий было установлено, что в справочных и методических источниках отсутст-вуют достоверные сведения о величине и характере изменения коэффициента излуче-ния инструментальных низколегированных сталей, применяемых для корпусов пил. Поэтому было принято решение о проведении эксперимента с использованием метода тепловой стимуляции. В результате эксперимента было установлено, что коэффициент теплового излучения корпусов круглых пил снижается при увеличении температуры нагрева от +30 до +100 оС и повышается при увеличении температуры рабочего пространства пил от +10 до +20 оС. Коэффициент теплового излучения для указанных температурных диапазонов при измерении пирометрами частичного излучения в спектре 8…14 мкм изменяется от 0,20 до 0,34. В ходе регрессионного анализа ре-зультатов эксперимента были установлены аналитические зависимости коэффициента теплового излучения от температуры нагрева и воздушной среды в зоне инфракрасного контроля для круглых пил, изготовленных из инструментальных сталей марок 9ХФ и 80CrV2. Применение регрессионных уравнений позволяет компенсировать методическую погрешность при радиационном температурном контроле на уровне, не превышающем 5 %. Они могут быть использованы при настройке пирометров частичного излучения для производства измерений.

Представлены результаты исследования процессов термической переработки древесных отходов: приведена классификация и энергетические характеристики древесных отходов как биотоплива, рассмотрена кинетика процесса прямоточной газификации древесины, представлено аппаратурное оформление процессов термической переработки древесных отходов.

Представленная диссертационная работа посвящена разработке методов расчета и аппаратурном оформлении конвективной сушки древесины в разреженной среде теплоносителя с учетом свойств высушиваемого материала.