CC BY
112
УДК 691-419.8
А. Р. Шайхутдинова, Н. Р. Галяветдинов, А. Х. Шаяхметова
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ ДРЕВЕСИНЫ В СРЕДЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА
Ключевые слова: древесина, термомодификация, сушка.
Впервые показана возможность проведения технологии термомодифицирования свежесрубленной древесины без предварительной сушки, для чего предложено осуществление процесса в условиях насыщенного водяного пара высокого давления с последующей подсушкой путем вакуумирования за счет аккумулированной материалом энергии. Создана экспериментальная установка для термомодифицирования высоковлажной древесины в среде насыщенного пара высокого давления, которая позволила получить рекомендации по режимным параметрам ускоренного термомодифицирования древесины в насыщенном водяном паре без проведения предварительной сушки.
Keywords: wood, thermal modification, drying.
The possibility of the technology of thermal modification of green wood without pre-drying is shown for the first time in the article. For this purpose carrying out the process under conditions of saturated steam of high pressure, followed by drying by vacuum at the expense of the accumulated material energy has been proposed. An experimental setup for thermal modification of high moisture wood in an environment of saturated steam of high pressure, which allows us to obtain the recommendations on regime parameters of accelerated thermal modification of wood in a saturated water vapor without prior drying has been created.
Введение
Во всем мире в последние годы происходит развитие новых технологий в области строительных материалов, в частности, древесины, которые направлены главным образом на то, чтобы улучшить физико-механические и декоративные свойства исходного материала, сделать его более прочным [1], упругим, долговечным [2].
Древесина, как строительный материал, обладает множеством положительных свойств, однако относительно недолгий срок эксплуатации, сравнительно малая стабильность формы, а также наличие в ней грибковой инфекции [3] снижают ее конкурентоспособность по сравнению с металлами и синтетическими материалами.
До недавнего времени для изменения свойств древесины и борьбы с грибком самым распространенным был метод химической обработки древесины путем пропитки или поверхностной обработки органическими или неорганическими солями, токсичное действие которых прекращает развитие грибка, но при этом оказывает негативное воздействие на окружающую среду. В связи с этим, одним из передовых направлений в технологии переработки древесины в последнее время является термомодифицирование древесины, в результате которого получается экологически чистое термодерево, обладающее биостойкостью, долговечностью [2], стабильностью геометрических размеров [4], а также привлекательным эстетическим видом [5]. Термомодифицирование древесины позволяет предлагать потребителям продукцию, отвечающую самым высоким запросам, а также дает возможность производить термодерево с заданными свойствами.
Общей характеристикой известных способов термомодифицирования древесины можно назвать температурный диапазон термообработки от 180 до 240°С, что объясняется физико-химическими про-
цессами, протекающими в древесине при данной температуре, способствующими изменению цвета материала и его физико-механических характеристик. К принципиальным отличиям относятся время 16-180 часов и среда обработки: в защитной атмосфере перегретого водяного пара (Termowood, PLATO-Wood, WEST-WOOD), в защитной атмосфере инертного газа - азота (Ratification), в среде органических масел (Thermoholz) [6].
Признанным лидером по производству термодревесины в мире является финская компания VTT, разработавшая технологию термомодифицирования древесины в перегретом паре Thermowood® [7]. Кроме этого, наиболее крупными мировыми производителями термодревесины являются компании Valutec Oy и Tekmaheat Oy (Финляндия); Baschild (Италия); «Superior Thermowood» (Канада); «Muhlbock-Holztrocknungsanlagen» (Австрия), Tre Timber (Эстония). В числе основных российских компаний следует выделить «Проминвест ДИАРС» и ООО «Вест-Вуд Рус» [7].
Несмотря на высокую стоимость водяного пара и, как следствие, энергоемкость процесса многие производители термодревесины остановили свой выбор на водяном паре, как наиболее оптимальном агенте обработки для получения термоматериала высокого качества, выделяя среди преимуществ высокий коэффициент теплоотдачи, высокую пожаро-безопасность и качество готовой продукции, определяемое однородностью цвета по всему сечению термодерева. Однако, такой фактор, как выбранный многими производителями термодревесины в качестве агента обработки перегретый водяной пар наряду с использованием стадии предварительной длительной сушки материалов, значительно увеличивающий энергозатраты на ведение процесса, сдерживает широкое применение технологии термомодифицирования в среде водяного пара, постепенно вытесняясь менее энергозатратными, не все-
гда обеспечивающими высокое качество продукции методами термообработки [8].
В связи с этим является актуальной разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования высоковлажного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара без предварительной сушки.
Технологический процесс термического модифицирования древесины в насыщенном водяном паре складывается из следующих основных этапов: повышение температуры в аппарате до 180 - 220°С путем подачи насыщенного пара из парогенератора, выдержка древесины при высокой температуре и давлении насыщенного пара в течение 4-8 часов с целью термомодифицирования материала, вакууми-рование для подсушки обработанной древесины (рис. 1).
термомодифицирование нагрев , выдержка
охлаждение
ной подсушки и охлаждения заканчивается при достижении древесиной температуры порядка 20°С. Влажность термомодифицированного материала в результате подобной подсушки может быть снижена на 25 - 35 % в зависимости от породы, начальной влажности и толщины. В случае необходимости дальнейшей сушки пиломатериала цикл «прогрев - ва-куумирование» может быть повторен несколько раз.
Методы и материалы
Для исследования кинетики термомодифицирования древесины в среде насыщенного водяного пара была создана экспериментальная установка, принципиальная схема которой представлена на рис. 2.
Т
Т
1
3
Т
2
Рис. 1 - Схема ведения процесса термического модифицирования древесины
Процесс термомодифицирования начинается с продувки аппарата водяным паром с целью удаления воздуха из рабочей полости, что впоследствии способствует более интенсивному тепло - и массо-обмену между древесиной и агентом обработки ввиду отсутствия фазового сопротивления. Далее следует стадия повышения температуры и, как следствие, давления паровой среды в аппарате. Закон повышения температуры [9] позволяет предотвратить неравномерную термическую обработку по сечению древесины.
После достижения температуры среды 180 -220°С происходит выдержка материала при заданных температурах для достижения необходимой степени обработки. Температура и продолжительность выдержки зависит от требуемых свойств и цвета конечного материала. На данной стадии происходит наибольшее изменение химического состава древесины, вызванное разложением наименее термостойких компонентов, выделением реакционной воды, углекислоты и некоторых других продуктов.
После окончания стадии выдержки в среде водяного пара высокого давления начинается стадия охлаждения, осуществляемая путем сброса давления до атмосферного значения и дальнейшего вакууми-рования, основной целью которой является подсушка материала. Сушка материала происходит за счет предварительно аккумулированной им тепловой энергии, а охлаждение древесины за счет интенсивного испарения из неё влаги. Процесс одновремен-
Рис. 2 - Схема экспериментальной установки термомодифицирования древесины в среде насыщенного водяного пара
Установка включает в себя камеру 1 для термомодифицирования образцов древесины, парогенератор 2, холодильник-конденсатор 3. Обработке подвергаются образцы высоковлажной сосны, березы, дуба сечением 50x100 мм, длиной вдоль волокон 200 мм и средним влагосодержанием и = 60 - 80%.
Созданная экспериментальная установка позволила провести исследование влияния различных режимных и конструктивных параметров на кинетику и динамику процессов.
С целью определения оптимального агента обработки при термомодифицировании древесины, позволяющего интенсифицировать процесс прогрева материала до заданного значения и сделать процесс менее энергозатратным, проведен сравнительный анализ процессов, протекающих при термомодифицировании древесины в насыщенном и перегретом паре. Данные по термомодифицированию пиломатериалов в перегретом водяном паре взяты из работы [10]. В результате моделирования установлена зависимость времени прогрева пиломатериала при 8 = 50 мм до требуемой температуры обработки при прогреве сосны в перегретом и в насыщенном паре (рис.3).
Согласно кривым, представленным на Гж де пререгретый , где насыщенный рис. 3, можно сделать вывод, что с целью ускорения процесса прогрева древесины, необходимо использовать высо-
кую температуру, которая, однако, должна быть выбрана с учетом физико-механических свойств древесины, изменяющихся под воздействием высоких температур. Также видно, что время прогрева материала до требуемой температуры обработки в насыщенном паре является менее продолжительным по сравнению со временем прогрева в перегретом паре, что объясняется высокими теплообменными характеристиками насыщенного пара и хорошими теплопроводными свойствами влажного материала, используемого для данного процесса. Еще одной отличительной особенностью представленной технологии термомодифицирования древесины в среде насыщенного водяного пара являются улучшенные конечные качества материала, а именно отсутствие характерного для термодревесины запаха, что достигается путем многократного пропаривания и ва-куумирования термодерева на стадии охлаждения. В связи с этим, согласно известной методике исследования выделяющихся летучих веществ из материала, были изучены образцы термомодифицированной сосны после проведения нескольких циклов «пропа-ривание - вакуумирование» с целью определения количества летучих веществ, выделяющихся из термодревесины [11].
Рис. 3 - Время повышения температуры в центре образца сосны (при «=50 мм) до требуемой температуры при прогреве в перегретом и насыщенном паре
Результаты и дискуссии
С целью определения влияния толщины образца на интенсивность процесса термомодифицирования проводились экспериментальные исследования по кинетике изменения плотности древесины для различных толщин материала при термомодифицировании в среде перегретого и насыщенного пара. При проведении термомодифицирования в среде насыщенного пара с целью снижения погрешности эксперимента кривая изменения плотности представляет собой усредненное значение и получена в результате серии экспериментов с несколькими идентичными образцами без дефектов и сучков, взятыми из одного бревна, и нагретыми в идентичных условиях, но выдержанными при заданной температуре различное время (1 ч, 2 ч, 3 ч и т.д.). Полученные результаты представлены на рис. 4.
Рис. 4 - Изменение плотности соснового образца в зависимости от толщины материала при термомодифицировании (Тобр = 200°С) в среде перегретого [10] и насыщенного пара
Согласно кривым, представленным на рис. 4, можно сделать вывод, что толщина пиломатериала напрямую влияет на продолжительность обработки. Также видно, что уменьшение плотности материала при термомодифицировании в среде насыщенного пара происходит более интенсивно по сравнению с обработкой в перегретом паре.
В таблице 1 представлены результаты моделирования, показывающие зависимость времени прогрева древесины в насыщенном и перегретом паре до 220°С от толщины материала (40, 50, 60 мм) для трех пород (сосна, береза, дуб).
Из данных, представленных в таблице 1, видно, что чем меньше плотность древесины и толще образец, тем более продолжительной является стадия прогрева. По указанным данным также можно определить рациональный темп повышения температуры среды с целью равномерной окраски материала по сечению.
В результате исследования продолжительности стадии охлаждения термодревесины после термообработки в среде насыщенного пара было определено время снижения до заданной температуры и величина конечного влагосодержания термодревесины. При этом следует отметить, что на продолжительность стадии охлаждения в этом случае оказывает влияние не столько требуемая конечная температура, столько требуемая конечная влажность древесины.
Данные зависимости представлены в табл. 2, из которой видно, что чем меньше требуемая конечная влажность древесины, тем больше
продолжительность данной стадии. Отсюда, при задании значения конечной влажности древесины после термообработки в среде насыщенного пара необходимо руководствоваться его экономической целесообразностью: если обработанная древесина впоследствии будет эксплуатироваться на улице, подвергаясь естественной атмосферной сушке, то продолжительная стадия охлаждения не оказывает существенного влияния.
Таблица 1 - Продолжительность прогрева материала до 220°С в насыщенном и перегретом паре в зависимости от толщины образцов древесины
Насыщенный Перегретый
пар пар
сосна S, mm t, min S, mm t, min
10 41 10 120
20 52 20 132
30 65 30 139
40 76 40 150
50 92 50 162
60 100 60 180
береза 10 35 10 100
20 42 20 112
30 50 30 120
40 61 40 128
50 68 50 135
60 77 60 155
дуб 10 24 10 90
20 30 20 105
30 39 30 110
40 42 40 118
50 51 50 122
60 60 60 130
Таблица 2 - Зависимость конечной влажности материала и продолжительности стадии охлаждения от конечной температуры материала
T mat., C t, min U %
100 50 68
90 53 61
80 57 58
70 60 54
60 65 50
50 70 48
40 73 45
30 77 42
20 80 40
Выводы
Впервые показана возможность проведения технологии термомодифицирования свежесрубленной древесины без предварительной сушки, для чего разработана энергосберегающая технология термомодифицирования высоковлажного крупногабаритного древесного сортамента в среде насыщенного водяного пара с последующей подсушкой для использования в деревянном домостроении, не имеющая аналогов на российском и зарубежном рынке.
Для исследования кинетики термомодифицирования древесины в среде насыщенного пара разработана экспериментальная установка. Определены параметры, влияющие на энергопотребление при ведении процесса термомодифицирования, а также позволяющие получить рекомендации по режимным параметрам вакуумно-конвективного термомодифицирования древесины в среде насыщенного водяного пара.
Литература
1. M. Boonstra, J. Acker, B. Tjeerdsma, E. Kegel, .Annals of Forest Science, 64, 679-690 (2007).
2. M. Boonstra, В. Tjeerdsma, Groeneveld НАС, 1, 13-15 (1998).
3. W.F Calonego, E.T Durgante Severe, E.L Furtado, Bioresour Technol, 101, 9391-9394 (2010).
4. E. Banks, Holz als und werkstoff, 4, 159-163 (1990).
5. P. Bekhta, P. Niemz, Holzforsch, 57, 5, 539-546 (2003).
6. Р.Р. Сафин, Е.Ю Разумов, Деревообрабатывающая промышленность,!, 015-018 (2012).
7. Р.Р. Сафин, Р.И. Фатхулова, Деревоперерабатывающая промышленность, 2, 32-36 (2014).
8. P. Perre, R. Keey, Handbook of Industrial Drying, 36, 821877 (2006).
9. R.G. Safin, R.R. Khasanshin, A.R. Shaikhutdinova, A.V. Safina, World Applied Sciences Journal, 30, 11, 1618-1621 (2014).
10. Р.Р. Сафин, А.Р. Шайхутдинова, Вестник Казанского технологического университета, 6, 93-98 (2011).
11. Н.Р. Галяветдинов, Ф.Г. Валиев, Р.Р. Хасаншин, Вестник Казанского технологического университета, 15, 10, 85-87 (2012).
© А. Р. Шайхутдинова - кандидат технических наук, доцент кафедры архитектура и дизайн изделий из древесины КНИТУ, [email protected]; Н. Р. Галяветдинов - кандидат технических наук, доцент кафедры архитектура и дизайн изделий из древесины КНИТУ, [email protected]; А. Х. Шаяхметова - ассистент кафедры архитектура и дизайн изделий из древесины КНИТУ, [email protected].
© A. R. Shaikhutdinova - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Department Of Architecture and Design of wood products KNRTU, [email protected]; N. R. Galyavetdinov - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Department Of Architecture and Design of wood products KNRTU, [email protected]; A. H. Shayakhmetova - Assistant of Department Of Architecture and Design of wood products KNRTU, [email protected].
