Нагрев измельченной древесины в среде насыщенного пара

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Для этого открываются вентили 17 и 20; вентили 14, 15, 16 и 18 закрыты. После снижения температуры в центре материала до 30-35 °С стадия вакуумирования заканчивается. После окончания процесса вакуумирования древесина подвергается воздействию воздушного давления в 2,5 атм на протяжении 10-15 мин. Для этого в работу включается компрессор 11 при предварительно закрытых вентилях 14, 16, 17 и открытом вентиле 18. Далее снова начинается стадия прогрева в гидрофильной жидкости. Таким образом, цикл «нагрев в гидрофильной жидкости - вакуумирование» повторяется несколько раз.

При снижении влажности высушиваемой древесины до 28-35 % в зависимости от породы, т.е. при удалении связанной влаги, стадию нагрева древесины проводят радиационно-контактным способом. Для этого включают насос 7 и калорифер 12 и в рубашку 2 подают теплоноситель из рабочей емкости

6. Стравливание воздуха в системе происходит через вентиль 21. Нагрев теплоносителя осуществляется циркуляцией в замкнутом контуре при открытых вентилях 22 и 23 и закрытом вентиле 24. При этом нижняя часть бревна, контактирующая со стенкой камеры 1, будет получать тепловую энергию контактным способом, остальная часть бревна будет нагреваться тепловым радиационным излучением от нагретых стенок камер и, частично, естественной конвекцией паровой среды, находящейся в камере 1. После достижения температуры в центре материала 80 °С, производится слив теплоносителя из рубашки 2 в рабочую емкость 6, и начинается стадия вакуумирования, после завершения которой цикл «радиационно-контактный нагрев - вакуумирование» повторяется.

После завершения процесса сушки древесины камеру разгерметизируют вентилем 16 и извлекают высушенную древесину.

НАГРЕВ ИЗМЕЛЬЧЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ В СРЕДЕ НАСЫЩЕННОГО ПАРА

Е.И. БАЙГИЛЬДЕЕВА, доц. каф. переработки древ. материалов Казанского ГТУ, канд. техн. наук, Б.М. РЫБИН, проф. каф. технологии мебели и изделий из древесины МГУЛ, д-р техн. наук, С.Н. РЫКУНИН, проф. каф. технологии лесопиления и деревообработки МГУЛ, д-р техн. наук, Р.А. ХАЛИТОВ, проф. каф. переработки древ. материалов Казанского ГТУ, д-р техн. наук, Е.Ю. РАЗУМОВ, доц. каф. арх-ры и дизайна изделий из древесины Казанского ГТУ, канд. техн. наук

shaikhutdinova@kstu.ru

ных направлений реализации метода сброса давления является расщепление технологической щепы с целью получения древесного волокна при производстве древесноволокнистых плит. Процесс получения древесного волокна данным методом включает три этапа: гидротермическую обработку щепы, ее измельчение и сушку полученного продукта.

Гидротермическая обработка щепы насыщенным паром вызывает гидролиз связей эфирного типа, ослабление структуры древесины, в том числе срединной пластинки, соединяющей оболочки древесных клеток и состоящей в основном из лигнина. Толщина пластинки составляет 0,5-10-6 - 1,5-10-6 м. При расщеплении эфирных комплексов появляются свободные гидроксилы, повышающие

В ряде отраслей промышленности для интенсификации технологических процессов измельчения материала применяется сброс давления. Суть способа заключается в кратковременном нагреве материала насыщенным водяным паром под избыточным давлением с последующим его сбросом до атмосферного.

Применение метода сброса давления наиболее эффективно для измельчения коллоидных капиллярно-пористых материалов, легко насыщаемых влагой и претерпевающих структурные изменения под ее воздействием [1]. К таким материалам относится древесина, особенности структуры и свойств которой позволяют с успехом применять данный способ для расщепления. Одним из возмож-

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

143

ДЕРЕВООБРАБОТКА

гидрофильность волокон и связанную с ней пластичность [2].

Согласно справочным данным [2], средняя величина предела прочности при растяжении древесины вдоль волокон для всех пород составляет 130 МПа, а при растяжении поперек волокон - 6,5 МПа. Совместные нагрев и увлажнение щепы при обработке насыщенным паром позволяют снизить прочность древесины в 2 и более раза, а также связанную с прочностью энергоемкость последующего измельчения материала.

Технологическая щепа помещается в стальной автоклав, куда в момент времени т = ij подают насыщенный водяной пар с заданными параметрами. Поскольку начальная температура материала ниже температуры насыщенного пара, происходит конденсация последнего на поверхности частиц в виде тонкой пленки жидкости [3] и выделение теплоты фазового перехода.

Для математического описания процесса нагрева технологической щепы необходимо принять ряд допущений. Все древесные частицы находятся в одинаковых условиях и имеют одни и те же показатели состояния по всему объему автоклава для каждого момента времени. Из этого следует, что для описания процессов нагрева и увлажнения всего объема материала достаточно рассмотреть тепломассоперенос в одной частице. Насыщенный пар в свободном объеме автоклава имеет постоянные термодинамические параметры и находится в равновесии с жидкостью, сконденсированной на поверхности щепы.

В первом приближении толщина пленки конденсата принимается равной приведенной толщине жидкости, образующейся на поверхности [3]

5 =

а температура поверхности материала при конденсации определяется из равенства потоков теплоты при фазовом переходе и конвективном теплообмене [4]

rj - а

или

Т =

м.пв v к ж п ж к

Коэффициент теплоотдачи ак в уравнении (3) может быть определен по формуле

[3] для случая конденсации пара на горизонтальной поверхности

ак = 0,725 ------b_pgri------

\b(THac - Tcm - 273)|

В уравнении (4) геометрический размер b является определяющим.

Одновременно с нагревом щепы происходит ее увлажнение жидкостью. Перемещение влаги из пленки конденсата внутрь пористого материала осуществляется за счет градиента общего давления, при этом образующийся фронт жидкости формирует две зоны: влажную, где свободное пространство материала целиком заполнено влагой, и условно сухую (рис.1).

Большинство аналитических работ, например [5], посвященных исследованию двухфазной модели прогрева или охлаждения пористых тел, используют допущение, предложенное Шуманом, в котором рассматривают течение через пористое тело несжимаемой жидкости и пренебрегают членами, описывающими теплоперенос теплопроводностью в уравнениях энергии.

В пределах влажной зоны уравнения имеют вид

(дТж / дт) + wz(dTx / дz) =

= а

4 в.м. / 4 ж в.м/ v м^ мч 4 /

в которых удельная поверхность материала рассчитывается по формуле [6]

f =

T = T = -

B

Рис. 1. Схема граничных условий для системы: насыщенный пар - пленка конденсата - древесная щепа

144

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009

ДЕРЕВООБРАБОТКА

Для рассматриваемой одномерной задачи дифференциальное уравнение переноса количества движения без учета влияния массовых сил [7] имеет вид

wz

В уравнении (8) Яуд - удельное гидравлическое сопротивление капиллярной системы, оказываемое потоку жидкости [8]

Яуд = ((36,3 / Re3) + 0,45) (f / в3) (w, / 2) p„ (9) где Res - эквивалентный критерий Рейнольдса [8]

Re = 4 рж Wz /f д.

Так как реальный капиллярно-пористый материал имеет сложную структуру, то для описания процесса использована упрощенная модель Козени-Кармана, в которой все капилляры считаются трубками одинакового диаметра. Тогда для вычисления гидравлического сопротивления прямого участка капилляра при ламинарном течении жидкости может быть использована формула

AP / L = k д d2 wz / в3,

в которой k принимается равной 4.5 [9].

Фильтрационное движение жидкости внутрь частицы материала происходит по системе макрокапилляров, средний диаметр которых составляет 3-10"5м [10]. Массовый поток несжимаемой жидкости, при ее ламинарном течении внутри материала по капиллярам данных размеров, можно определить также по известному гидродинамическому уравнению [9]

j = r2 AP / 8 v L.

На основе формул (11) и (12) поток жидкости может быть записан в следующем виде

j =

В условно сухой зоне тепломассоперенос осуществляется под действием градиентов влагосодержания и температуры. Для рассматриваемой одномерной задачи дифференциальные уравнения, описывающие диффузию массы в материал и распределение температуры по толщине зоны, имеют вид [11]

с.м. y v с.м. y v y

Влагосодержание поверхностных слоев материала в момент времени т > т опреде-

лим из условия заполнения капилляров жидкостью в элементарном выделенном объеме U = m / m =

ж с.м. ж с.м.

Расчет системы уравнений (1-16) проводился численным методом конечных разностей [12] при следующих краевых условиях: для момента времени т = 0 начальные условия

T (0, z) = T (0, z) = T ,

в.мЛ 7 у с.мЛ 7 у м.н.

P(0, z) = P ,

v 5 ' атм’

U (0, z) = U (0, z) = U,

Wz

для момента времени т = т начальные условия запишутся в виде

T(V z) = Tj

P = P нас = exp

для системы пар-жидкость z > y + 5 граничное условие

T = T;

для системы жидкость-поверхность материала z = ^ / 2 в сечении y - у граничные условия

Wz = 0

j = 0,

-A

ж ж в.м. в.м. м ж

Влияние молекулярной составляющей левой части равенства на процесс теплопереноса становится преобладающим над диффузионной только при насыщении капилляров древесной щепы влагой.

На границе влажная зона - условно сухая зона в сечении £ - £ граничные условия принимают вид

-A (dr / dz) + a(T - T ) = -A (dT1 / dz), j - р (a (dU / dz) + 5 a (dr / dz)) = 0,

с.м. m т m с.м.

Uc = U = const,

а условия симметрии

(dUc / dz)|z=0 = 0, (dTC ML / dz)|z=0 =

= 0

Для проверки адекватности математической модели реальному процессу были проведены экспериментальные исследования на установке, представляющей собой герметичный автоклав с установленной в нем металлической сеткой, на которую помещалась исследуемая древесная щепа. Температура материала контролировалась с помощью хромель-копелевой термопары и регистрировалась потенциометром. Изменение влагосодержания материала определялось при помощи лабораторных аналитических весов.

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2009

145

ДЕРЕВООБРАБОТКА

T U

м ^

Рис. 2. Экспериментальные кинетические кривые процесса гидротермической обработки древесной щепы: интегральное влагосодержание (1); температура материала

На рис.2 представлены экспериментальные данные по изменениям температуры и влагосодержания в образце древесины, протекавшим при избыточном давлении P = 275 кПа. В процессе термообработки температура по слоям материала изменилась с 293 до 403 К за 300 с. Поскольку перенос влаги в материале осуществлялся с конечной скоростью w = 8,33-10-6 м/с, то установление максимальной температуры во внутренних слоях щепы лимитировалось сопротивлением капиллярно-пористой системы, определяемым по уравнению (9). Интегральное влагосодержание древесной щепы за 300 c при предельном заполнении капилляров увеличилось с 0,1 до 1,42 кг/кг. При дальнейшем заполнении влагой микрокапилляров, пор и отверстий мембран в стенках клеток, а также за счет насыщения влагой межклеточного вещества в последующие 300 с влагосодержание возросло на 0,255 кг/кг. Интегральное влагосодержание рассчитывалось по формуле [6]

и = (йвУв +UCVC)/V, (23) при z = 0 (2), при z = 0,00125 (3), при z = 0,0025 м (4). U, кг/кг; Тм, К; т, с.

— — 1 V

Ue = Ue, йс = - й

VC 0

Представленная математическая модель процесса нагрева древесной щепы насыщенным паром была использована для расчета параметров твердой фазы перед этапом

«сброса» давления, при котором происходит ее измельчение на волокна.

Обозначения

A, B - эмпирические коэффициенты в уравнении Антуана; к - константа Козени-Кармана; 5 - толщина пленки конденсата, м; ц - коэффициент динамической вязкости, Па-с; р - плотность, кг/м3; q - удельный тепловой поток, Дж/кг; гп - скрытая теплота парообразования, Дж/кг; r - радиус капилляра, м; jж - поток жидкости, конденсирующейся на поверхности материала, кг/(м2-с); j - поток жидкости в частице, кг/(м2-с); X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); b - ширина частицы материала, м; s - толщина частицы материала, м; T - текущая температура, K; P - давление, Па; AP - разность давлений по толщине частицы, Па; 5т - относительный коэффициент термодиффузии, 1/K; am - коэффициент массопроводности, м2/с; d - диаметр капилляра, м; s - пористость материала; wz - скорость течения жидкой фазы, м/с; v - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; L - длина капилляра, м; f - удельная поверхность материала, м2/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; a - коэффициент температуропроводности, м2/с; и,U - локальное и интегральное влагосодержания материала, кг/кг; U ,U - средние влагосодержания влажной и условно сухой зон соответственно, кг/кг; c - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); m - масса, кг; V - объем, м3; т - текущее время, с; т1 - время, соответствующее моменту подачи пара в автоклав, с; т2 - время, соответствующее моменту «сброса» давления, с. Индексы: ж - жидкость; н - начальный; пв - поверхность; м - материал; к - конденсация; кв - конвекция; нас - насыщенный; ст - стенка; уд - удельный; э - эквивалентный; атм - атмосферный; с - сухой; в - влажный; z - координата; у - сечение материала на границе конденсат - поверхность материала; £, - сечение материала на границе влажная зона - сухая зона; ср - средний; п - парообразование; т - термодиффузия; 1 - стадия нагрева и увлажнения материала; 2 - стадия взрывного измельчения материала.

146

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009