Математическое моделирование процессов термомодифицирования измельченной древесины в барабанной камере

УДК 674.04

Р. Р. Сафин, Р. Р. Хасамшим, Р. В. Данилова,

Д. Р. Хазиева

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ИЗМЕЛЬЧЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ В БАРАБАННОЙ КАМЕРЕ

Ключевые слова: композиционный материал, термомодифицированная древесина.

В статье представлено математическое моделирование в среде Visual Basic for Application, результатом чего является процесс термомодифицирования измельченной древесины в барабанной камере и установление влияния конструктивных параметров оборудования на характеристики обработанного древесного наполнителя.

Keywords: wood-polymer composites, termowoodfiller.

The paper presents a mathematical modeling environment Visual Basic for Application, resulting in a process termomodifitsirovaniya chopped wood drum chamber and to establish the influence of design parameters on the performance of equipment treated wood filler.

Введение

В последние годы активно ведутся исследования в области глубокой переработки древесины с целью получения качественных композиционных материалов. При этом одним из перспективных методов обработки древесного наполнителя рассматривается термообработка при повышенных температурах без доступа кислорода воздуха.

В процессе термического модифицирования древесины происходит разложение гемицеллюлозы на реактивные молекулы меньшего размера, что позволяет существенно снизить гигроскопичность, повысить биостойкость, долговечность, устойчивость к воздействию высокой температуры, добиться отсутствия усушки и снизить величины коробления в условиях переменной влажности.

Известно, что процессы тепло- и массооб-мена в камерах барабанного типа протекают достаточно интенсивно и экономично благодаря хорошему контакту между обрабатываемым сыпучим материалом и газообразным агентом, а также благодаря возможности использования высоких температур газов при параллельном движении их с материалом. Поэтому актуальными представляются исследования процессов термического модифицирования древесного наполнителя в барабанных аппаратах и разработка технологии производства композиционных материалов на основе термомодифицированного древесного наполнителя, позволяющей повысить размерную стабильность, добиться отсутствия мик-ропор, увеличить прочностные характеристики ДПК.

Основная часть

Физическую картину термомодифицирования древесного наполнителя в барабанных аппаратах можно представить следующим образом. Процесс является непрерывным; измельченную древесину загружают в камеру барабанного типа. Циркуляция теплоносителя осуществляется в попутном направлении. Попадая в аппарат, измельченная древесина нагревается, подвергается термическому разложению легкоразлагаемого компонента древесины

- гемицеллюлозы, с выделением в среду продуктов разложения. Температура, до которой осуществляется нагрев древесного наполнителя, зависит от требуемой степени термомодифицирования.

При этом измельченная древесина в аппарате находится как в полете, так и в завале. Основным способом теплопередачи к измельченной древесине в полете является конвекция, подвод тепла к материалу в завале характеризуется контактным методом. При достижении необходимой степени термомодифицирования производят выгрузку древесного наполнителя в шнек 6, где происходит стадия охлаждения обработанного сырья путем теплопередачи хладагенту, циркулирующему в рубашке шнека.

Температура среды на входе в аппарат

3Т_

3т

Т •с о

ср гср\ вен с.г / тг тг топ / тг

с - р -V

ср ср св

В начале процесса, когда наблюдается неус-тановившееся температурное поле по длине аппарата, расчет переноса энергии применительно к одномерной картине и, пренебрегая теплопроводностью среды вследствие достаточно высокой скорости ее движения, может быть осуществлен по уравнению

дТ T

дт+СсрРср ср‘~а

+ СсрРс,^срГд~ =~^\Тср-Тповм]^ +k • Рм  q

где источниковыи член характеризует подвод тепла к поверхности материала за счет теплоотдачи и отвод тепла в среду с продуктами разложения.

Тепловой баланс для частиц, находящихся в

полете

дТ

с -р -Ж = а

м г м мі ^ ' ср м / Гм!

31

бар

Тепловой баланс для частиц в завале

с • р • W

нас.м г нас.м м

дТ,„

31,

- K • At• -

конт бар

'‘'нас.м Ннас.м гг мі ^-^бар v k Рм q

бар

=0

м

Таким образом, изменение средней температуры и плотности частиц по длине барабана можно представить в следующем виде

3Тм

_____м_

Зі

m.

бар

m..

ЗТ..

31б

V бар J

m

m

Зі б

V бар J

W„ -— = к • рм

ч--- їм

Зі,

бар

Время нахождения частиц в ковше и в завале

2 а

а

Для нахождения количества частиц, находящихся в полете, была определена средняя высота их падения, которую находят как площадь сегмента барабана, деленную на его основание

- S . R

h =-^~ = — b 2

ж • arcsin(- Cosa ) Cosa

2(l - Cosa ^ a - Cosa

Тогда время падения частиц

[2к

где удельная теплоемкость насыпного слоя материала определяется по условию аддитивности.

Представленная система уравнений позволяет полностью описать процесс термомодифицирования древесного наполнителя в среде топочных газов в условиях барабанных аппаратов.

На основе разработанного математического описания процесса термомодифицирования древесного наполнителя в среде инертных газов составлен алгоритм расчета, который состоит из пяти основных частей: блок расчета параметров топочных газов; блок расчета неустановившегося режима; блок определения температурного поля среды и материала при установившемся режиме; блок корректировки режимных параметров термомодифицирования в зависимости от требуемой степени обработки материалов; блок расчета стадии термомодифицирования.

Для решения представленной математической модели были экспериментально получены недостающие данные. На рисунке 1 приведены результаты исследования по определению угла естественного откоса образцов при различных температурных режимах и фракциях исследуемых частиц, на основании которых можно сделать вывод, что с увеличением температуры обработки угол естественного откоса образцов уменьшается. Это объясняется тем, что после термообработки измельченная древесина становится менее шероховатой.

отсюда соотношение частиц, находящихся в полете и в завале, определяется как отношение времени их падения к времени нахождения в завале

тм

т„.

т..

т д +т

пад зав

тм

тм

Средняя скорость частиц по направлению основного движения может быть определена из уравнения

W =. Тпа0

т д +т 2

пао за в

где ускорение частиц по направлению основного движения имеет вид

• Cosy =

-+g

^•Рср' /'• Кср + тч •g

Для описания стадии охлаждения термомодифицированных древесных частиц использовано уравнение переноса энергии с источниковым членом, характеризующим теплопередачу хладагенту, циркулирующему в рубашке экструдера

снас .м Рнас .м

ЗТ F

•W— = K^ At ко

Зі...

V„

Д град

S, мм

ию

насыпной плотности древесных частиц при различных температурных режимах и фракциях исследуе-

Рис. 1 - Изменение угла естественного откоса древесных частиц при различных температурах обработки

мых частиц показаны на рисунке 2. Из графиков видно, что с увеличением температуры обработки насыпная плотность также уменьшается.

Для анализа процессов, протекающих в барабанных аппаратах при проведении термического модифицирования измельченной древесины, и установления влияния конструктивных параметров оборудования на характеристики обработанного древесного наполнителя было проведено математическое моделирование в среде Visual Basic for Application.

+

т =

з ав

па д

т

зав

т +т

пад зав

a

2

аі = арез

X

m

Рнас

150 147 5 145 142 5 140 1375 135 132 5

Рис. 2 - Изменение насыпной плотности древесных частиц при различных температурах обработки

В результате математического моделирования зависимости средней скорости древесных частиц от скорости теплоносителя установлена рациональная скорость движения теплоносителя 0,75-1,5 мм/с, обеспечивающая длину барабана не более 8-10 м (рис. 3, 4).

Ь, м

40 35 30 25 20 15 10 5

0 .....

0 5 7,5 _ 10 12,5 15 17,5

Ш , мм/с уудр ’

Рис. 3 - Требуемая длина барабана в зависимости от скорости движения древесных частиц

Заключение

В результате анализ взаимосвязи между диаметром и длиной барабана установлено, что с увеличением диаметра барабана в 3 раза, длина аппарата уменьшается почти в 7 раз. Это объясняется тем, что с увеличением диаметра барабана, возрастает время нахождения частиц в полете, тем самым обеспечивается наилучшее взаимодействие частиц с движущимся газообразным теплоносителем.

Таким образом, представленная математическая модель позволяет выявить рациональные режимные параметры процесса и требуемые характеристики барабанной установки для термомодифицирования измельченной древесины.

Литература

1. Р.Р. Зиатдинов, Р.Р. Хасаншин, Д.Р. Хазиева, К.Р. Кузнецов. Вестник Казанского технологического университета, 19, 142-144, (2013).

2. Р.Р. Хасаншин, Р.В. Данилова. Вестник Казанского технологического университета, 15, 7, 62-63, (2012).

3. Ю.Н. Зиятдинова, Ф.Г. Валиев, Р.Р. Хасаншин, А.Н. Николаев. Вестник Казанского технологического университета, 22, 34, (2011).

4. Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов, Р.Р. Сафин. Вестник Казанского технологического университета, 9, (2010).

5. П.А. Кайнов, Р.Р. Хасаншин, С.В. Ахмадиева, Вестник Казанского технологического университета, 15, 15, 233-234, (2012).

6. Р.Р. Сафин, Е.У. Разумов, Н.А. Оладышкина. Вестник Казанского технологического университета, 5, 543, (2001).

7. Р.Р.Сафин., Р.Р Хасаншин., Р.Г.Сафин. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2006. № 4. С. 64-71.

др

17.5 15

12.5 10

7,5

5

0

, мм/с ’ Ь = 1 мм /

N СП :

! ! / / га с

\ \/ /з = 5 мм К

! > А/у / л н с

! У’ ^ а о

—+— и

2

3

, м/с

5 6

Рис. 4 - Зависимость средней скорости древесных частиц от скорости теплоносителя

4

© Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, cfaby@mail.ru; Р. Р. Хасаншин - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, olambis@rambler.ru; Р. В. Данилова - ассистент той же кафедры; Д. Р. Хазиева - магистрант КНИТУ.