Гидротермическая обработка древесины

Гидротермическая обработка древесины

Введение

Под гидротермической обработкой древесины понимаются процессы воздействия на нее тепла, влажного газа или жидкости, предназначенные для изменения температуры и влажности древесины или введения в нее веществ, улучшающих ее технологические и эксплуатационные характеристики.

Гидротермическая обработка древесины характеризуется изменением лишь физико-механических свойств обрабатываемого материала без нарушения структуры и химических свойств древесинного вещества.

Процессы гидротермической обработки древесины основаны на физических явлениях теплообмена и массообмена древесины с окружающей средой, относящихся к классу явлений переноса.

Процессы гидротермической обработки древесины по своим особенностям и назначению разделяются на три группы:

а) процессы тепловой обработки, назначением которых является нагревание древесины и поддержание ее температуры в течение определенного времени на заданном уровне;

б) процессы сушки, назначением которых является снижение влажности древесины;

в) процессы пропитки, назначением которых является введение в древесину веществ, изменяющих ее свойства.

Тепловая обработка древесины. Повышение температуры древесины вызывает изменение некоторых ее физико-механических свойств. При тепловой обработки происходит:

снижение усилий и улучшения качества резания древесины за счет оттаивания или нагревания сортиментов перед их механической обработкой;

увеличение пластичности древесины при нагревании для улучшения условий ее гнутья или прессования;

интенсификация процессов склеивания, что обеспечивает ускорением высыхания и затвердевания клеевых веществ, нанесенных на древесину, при повышении ее температуры.

Сушка древесины. Сушкой называется процесс удаления влаги из материала различными способами. Сушкой достигается:

уменьшение или предупреждение формоизменяемости и размероизменяемости деталей древесины в процессе обработки и изделий из древесины при их эксплуатации;

предохранения от загнивания (повышение биологической стойкости);

уменьшение массы при одновременном увеличении прочности и долговечности древесины;

улучшение качества склеивания и отделки;

снижение гигроскопичности

Пропитка древесины. Из различных технологических целей пропитки наибольшее значение имеют консервирование и огнезащита древесины.

Консервирование - обработка древесины, на длительное время повышающая ее стойкость к поражению грибами и насекомыми. Для этого в древесину необходимо вводить защитные вещества

Сушка предохраняет древесину от загнивания лишь при условии, если она во время эксплуатации не подвергается повторным увлажнением. Когда же древесина используется в изделиях и сооружениях, находящихся на открытом воздухе или в грунте, ее надлежащая стойкость против загнивания может быть обеспечена только консервированием.

Защита огнезащиты - предохранить сооружения, в которых используется древесина, от разрушения огнем. Для этого ее пропитывают специальными огнезащитными составами.

Консервирование и огнезащиту древесины применяют главным образом в строительстве, железнодорожном хозяйстве и горно - рудной промышленности.

В отдельных случаях пропитку применяют для изменения некоторых физических свойств древесины в направлениях, желательных для тех или иных конкретных условий ее практического использования. Например, древесину пропитывают для глубокого окрашивания, повышения ее электрического сопротивления или электрической прочности, придания ей гидрофобных свойств (модификация древесины).

Процессы гидротермической обработки древесины, особенно сушка и пропитка, имеют колоссальное значение для деревообрабатывающей промышленности и для народного хозяйства в целом.

Несвоевременная или неполноценная сушка древесины приводит к большим потерям материала при транспортировке, резкому сокращению сроков службы деревянных сооружений и громадному перерасходу древесины.

Пропитка древесины значительно увеличивает продолжительность службы сортиментов, используемых в горнорудной промышленности, железнодорожном строительстве и т.д. Следовательно, сокращается и ежегодная потребность в древесине для замены этих сортиментов, измеряемая миллионами кубометров.

Процессы гидротермической обработки древесины очень ответственны и требует сложного и дорого оборудования, рациональная эксплуатация которого невозможна без специальных знаний и высокой квалификации обслуживающего персонала. В связи с этим участки и цехи гидротермической обработки древесины являются наиболее ответственными на деревообрабатывающих предприятиях.

Задача № 1

Воздух, состояние которого характеризуется температурой t1 и степенью насыщенности φ1, смешивается с воздухом, имеющим параметры t2 и φ2. Пропорция смеси определяется отношением масс компонентов: .

Определить аналитическим расчетом основные параметры смеси (d, I, t, φ).

Эту же задачу решить путем графического построения Id - диаграмме и сравнить результаты графического решения с аналитическим расчетом. Графическое решение следует представить на Id - диаграмме. Допустимы расхождения в результатах аналитического и графического решений в значениях dсм и Iсм в 3-5 единицах, tсм на 1-2 градуса и 0,02-0,03 в значениях φсм.

Таблица 1 - Исходные данные для решения задачи № 1.

Решение: Определяем парциальное давление для обоих компонентов смеси, пользуясь приложением 1 [1].

При t1 = 360С             Рн1 = 6123,28 Па;

При t2 = 700С             Рн2 = 31136,1 Па;

                                                                                        (1)

где  - давление насыщенного пара, Па (приложение 1[1]);

 - степень насыщенности

Определяем влагосодержание воздуха до смешивания по формуле

                                                                              (2)

где - парциальное давление соответственно 1-го и 2-го компонента;

- постоянное атмосферное давление, Па

Определяем влагосодержание смеси по формуле

        (3)

где - влагосодержание 1-го и 2-го компонента, г/кг;

 - пропорция смеси

Определяем теплосодержание воздуха до смешивания по формуле

                                                        (4)

где  - температура воздуха 1-го и второго компонента, 0С;

- влагосодержание воздуха до смешивания первого и второго компонента, г/кг

Определяем теплосодержание смеси по формуле

                                                                                  (5)

- пропорция смеси

Температуру смеси определим по формуле (6), которое решается относительно t:

                                                                                    (6)

где - теплосодержание смеси, кДж/кг;

- влагосодержание смеси, г/кг

Определяем парциальное давление смеси воздуха по формуле

                                                                               (7)

где - постоянное атмосферное давление, Па;

- влагосодержание смеси, г/кг

Давление насыщения смеси находим по температуре смеси 450С

При 400 - 7374,6 Па

При 500 - 12336,8 Па

На 100 - 4962,2 Па

Степень насыщенности смеси определяется по формуле

                                                                                  (8)

где  - парциальное давление смеси воздуха, Па;

- давление насыщения смеси, Па

При графическом решении задачи на смешивание воздуха с воздухом на Id-диаграмме соединяются прямой линией точки, характеризующие на диаграмме воздуха состояние 1(t1 и φ1) и состояние 2 (t2 и φ2). Прямую, соединяющую эти точки, делят на n+1 равных частей.

В данной задаче n + 1 = 4. На Id-диаграмме намечаем точки пересечения t1 = 360С, φ1 = 0,40 и t2 = 700С, φ2 = 0,30. Соединяем точки прямой, делим прямую на 4 части. Точка, характеризующая на диаграмме смесь, находится на этой прямой на расстоянии одной части от точки 1, так как воздуха в состоянии 1 до смешивания было в 3 раза больше, чем в состоянии 2.

Для сравнения результатов аналитического и графического решения составляем таблицу 2.

Таблица 2 - Таблица сравнения результатов

,4

,7

,42829

Задача 2

Произвести расчет бассейна для проваривания древесины перед лущением шпона. Заданы: вид и размеры бассейна, агент обработки, характеристика обрабатываемого материала, которая должна быть на поверхности карандаша заданного диаметра. Продолжительность смены принята равной 8 ч.

Требуется рассчитать сменную производительность бассейна и определить расход тепла и пара на обработку древесины в единицу времени. Исходные данные приведены в таблице 3.

Таблица 3- Исходные данные

Рис. 1. Механизированный бассейн для тепловой обработки фанерных кряжей (Гипродревпром)

фанерный древесинный тепловой обработка

Проваривание производят в варочных бассейнах различных конструкций. Для крупных фанерных заводов Гипродревпромом спроектирован механизированный бассейн для проваривания фанерного сырья в кряжах по мягким режимам (рис. 1), размещаемый на открытой площадке.

Собственно бассейн 7 состоит из нескольких железобетонных секций, ширина которых соответствует (с необходимым запасом) максимальной длине обрабатываемых кряжей. Каждая секция разделена парными тумбами 6 на ряд отсеков, в которые кряжи загружаются грейферным захватом 5 консольно-козлового крана 8, передвигающегося по подкрановым рельсам 11.

К дополнительным транспортно-распределительным устройствам бассейна относятся: загрузочный цепной конвейер 2 со сбрасывателями 1; накопители кряжей 3; передвижной перегрузчик 9, перемещающийся по рельсам 12; разгрузочный конвейер 10, транспортирующий обработанные кряжи в разделочно-лущильный цех. В процессе обработки загруженные отсеки бассейна закрыты съемными крышками 4, играющими роль противовсплывных устройств. И уменьшающими теплопотери.

При работе бассейна одна из секций всегда находится под загрузкой и разгрузкой (в остальных секциях происходит прогрев древесины). Кран и перегрузчик устанавливают против этой секции, а кряжи с загрузочного конвейера сбрасываются в соответствующий накопитель. Грейфер последовательно пере- мещается от накопителя к бассейну, загружая один из отсеков, и от бассейна к перегрузчику, разгружая другой отсек. В тех случаях, когда сырье доставляется на предприятие в перевязанных тросами пучках, необходимость в применении накопителей и грейфера отпадает.

Теплоснабжение бассейна может происходить различными способами. Наиболее простой из них - нагревание воды непосредственно в бассейне посредством впуска в нее пара через трубы с отверстиями. Пар, попадая в воду, конденсируется, и его теплосодержание используется почти полностью. Температура воды регулируется количеством впускаемого пара.

Целесообразна утилизация для обогрева бассейна вторичных тепловых ресурсов предприятий, не используемых для основных технологических нужд. В частности, на фанерных предприятиях имеются технологические устройства (прессы, сушилки и др.), потребляющие пар высокого давления. Образующийся после его использования конденсат температурой значительно выше 1000С направляют в расширители, где его давление снижается. Выделяющаяся при этом теплота перегрева воды вызывает парообразование. Этот пар вторичного вскипания и направляют в бассейн. При необходимости к нему добавляют пар из котельной.

Решение:

1.       Расчет производительности

Производительность бассейна определяется по формуле

                                                                                        (9)

где - продолжительность смены, ч;

 - время цикла тепловой обработки, ч;

- емкость бассейна, м3

А. Время цикла тепловой обработки складывается из продолжительности обработки  и продолжительности загрузки и разгрузки , т.е.

При начальной температуре древесины < 00С и полном оттаивании цилиндрических сортиментов время обработки определяем по формуле

                                                                                              (10)

где  - продолжительность полного оттаивания, ч;

 - дополнительное время на доведение температуры на поверхности карандаша до требуемой, ч.

Действительная плотность

Содержание незамерзшей влаги составляет 23%

Удельная теплоёмкость  при  

Удельный расход теплоты при оттаивании, кДж/м3, складывается из ее затрат на нагревание замороженной древесины от отрицательной начальной температуры до  и на плавление содержащегося в древесине льда, определяется по формуле (57) [2]

                                                          (11)

где  - плотность древесины, кг/м3 (стр.33 [2] );

- удельная теплоемкость замороженной древесины, кДж/м0С (стр. 34 [2]);

- скрытая теплота плавления льда ();

- влажность древесины;

- относительное содержание связанной воды, оставшейся в замороженной древесине в жидком состоянии, % ( зависит от температуры замороженной древесины).

Критерий глубины оттаивания определяется по формуле

                                                                 (12)

Коэффициент теплопроводности для средней расчетной температуры оттаявшей зоны, , определяется по формуле [2]

                                                                                    (13)

где - номинальное значение коэффициента теплопроводности, определяем по диаграмме рис. 14 [2]);

- коэффициент, учитывающий влияние направления теплового потока (табл. 3 [2] );

- коэффициент, учитывающий влияние базисной плотности древесины (стр. 35 [2]).

Продолжительность полного оттаивания определяется по формуле (60)

                                                                                              (14)

где - критерий глубины оттаивания, м2;

- удельный расход тепла на оттаивание, кДж/м3;

- коэффициент теплопроводности для средней расчетной температуры оттаявшей зоны, Вт/м0С;

- температура окружающей среды, 0 С

Дополнительное время, , определяется по формуле (62) [2]

                                                           (15)

где - диаметр чурака, м;

- коэффициент температуропроводности;

- температура обрабатываемой среды, 0С;

- температура на поверхности карандаша, 0С;

- диаметр карандаша, м

Вычисляем коэффициент температуропроводности для . Коэффициент теплопроводности ; удельная теплоемкость  действительная плотность .

                                                  (16)

Общее время обработки, определяется по формуле

                                                                                      (17)

Б. Емкость бассейна (м3)

                                                                                          (18)

где  - габаритный объем сортиментов в бассейне, м3;

- коэффициент заполнения габаритного объема материалом ()

Для бассейна Гипродревпрома                                    (19)

В свою очередь (м),  (м), (м).

.Тепловой расчет бассейна

А. Полезный расход тепла характеризуется общим уравнением:

                                                                     (20)

где  - удельный расход тепла на оттаивание, кДж/м3;

 - плотность древесины при заданной влажности, кг/м3;

 - удельная теплоемкость при этой температуре, 0 С;

 - средняя температура сортимента в конце обработки, 0С;

 - температура на поверхности карандаша, 0С.

Эта формула справедлива при полном оттаивании сортиментов с последующим нагреванием (т. е. при ).

Б. Тепловые потери

Бассейн Гипродревпрома имеет место только потери через ограждения (), в том числе через съемные крышки.

Потери тепла через ограждения определяем по следующей общей формуле:

                                                                (21)

В которой каждый член суммы характеризует теплопотери через ограждения определенного вида (боковые стены, дно, крышки), различающиеся коэффициентом теплопередачи  или температурой окружающей среды .

Коэффициент теплопередачи можно ориентировочно принять одинаковым для всех ограждений и равным .

Расчет площади ограждений выполняем по формулам

                                                                          (22)

                                                                              (23)

                                                                               (24)

где - площадь боковых стен бассейна, м2;

- площадь дна бассейна, м2;

 - ширина бассейна, м, принимается ;

- глубина бассейна, м;

- длина бассейна, м, принимается равной произведению длины одной секции на число секций.

Затраты тепла на испарение воды с поверхности бассейна, кВт, характеризуются выражением (78) [2]

                                                                           (25)

где - площадь теплоотдающей поверхности, м2 (принимается равной площади дна бассейна);

- скрытая теплота парообразования, кДж/кг*0С;

- количество воды, испаряющейся с 1 м2 поверхности в секунду ().

Теплопотери вследствие конвективной теплоотдачи с открытой водной поверхности, кВт, определяем по формуле

                                                                        (26)

где - коэффициент теплообмена (принимается );

- температура обрабатываемой среды, 0С;

- температура окружающей среды, оС (стр.41 [1])

Удельный расход тепла на потери, отнесенный к 1 м3 обрабатываемой древесины определяем по формуле

                                                           (27)

где - производительность бассейна, м3;

- продолжительность смены, ч;

- тепловые потери, кВт

Суммарный удельный расход тепла на обработку, кДж/м3, определяем по формуле

                                                                            (28)

где - тепловой расход тепла, кДж/м3;

- удельный расход тепла на потери, кДж/м3

- коэффициент, учитывающий дополнительные элементы потерь.

Полный расход тепла в единицу времени, кВт, т.е суммарную тепловую мощность установки, определяем по формуле

                                                                                       (29)

Расход теплоносителя в единицу времени определяем по формуле

                                                              (30)

где - температура горячей воды, подаваемой в бассейн, 0С;

- температура обрабатываемой среды в бассейне, 0С

Термический коэффициент полезного действия установки для теплового обработки определяем по формуле

                                                                                       (31)

Задача 3

Требуется выбрать режим и рассчитать продолжительность сушки пиломатериалов и заготовок в камерах периодического действия. Ширину штабеля во всех случаях принимать равной 1,8 м.

Таблица 4 Исходные данные

Решение: Выбираем режим Л-5 (Ф) таблица 11 [2].

Параметры режима сушки зависят от средней влажности древесины, в данном примере влажность равна 80% следовательно значения параметров будут следующими:= 750С

∆t = 30С

φ = 0,87

Продолжительность сушки определяем по формуле

                                                                            (32)

где  - коэффициент замедления сушки;

 - интенсивность циркуляции;

- коэффициент, зависящий от начальной степени насыщенности среды;

- начальная и конечная влажность, %

Расчетная толщина определяется по формуле

                                                                (33)

Множитель Б = 220, рис. 107 [2].

Множитель Б зависит от температуры смоченного термометра по режиму , породы древесины и расчетной толщины пиломатериалов.

Коэффициент замедления сушки С = 1, рис 108 [2].

Степень насыщенности по 1-й ступени режима при  рис 109 [2].

Величина ;

Продолжительность сушки

Продолжительность начального прогрева (для зимних условий: промежуточная и конечная влаготеплообработки , стр. 188 [2]).

Общая длительность цикла сушки:

Табличный метод. Продолжительность цикла сушки (включая начальный прогрев и влаготеплообработку) определяется по табличному методу произведения

                                                                             (34)

где - исходная продолжительность сушки пиломатериалов заданной породы и размеров, принимается равным 189 (табл. 21 [2]);

- коэффициент, учитывающий фактическую категорию режима сушки, принимается равным 1 (стр. 205[2]);

- коэффициент, учитывающий категорию качества сушки, равен 1,15 (стр. 207 [2]);

- коэффициент, учитывающий интенсивность циркуляции, равен 0,98 (табл. 22 [2]);

- коэффициент, учитывающий начальную и конечную влажность древесины, равен 1,43 (табл. 23 [2]);

- коэффициент, учитывающий длину сортимента коэффициент равен 1 (стр. 206 [2]).