МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТЕРМОМОМОДИФИЦИРОВАНИЯ ДРЕВЕСНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ
Рассмотрена технология термической обработки древесного наполнителя в аппаратах барабанного типа для повышения качества и устойчивости к внешним воздействиям. Приведена математическая модель процесса термомодифицирования древесного наполнителя.
Древесно-полимерный композит - это современный отделочный материал, появившийся относительно очень недавно, но из-за своих свойств получивший уже достаточно широкое распространение в основном в качестве замены обычным деревянным настилам или обычной керамической плитке. Главными ингредиентами древесно-полимерного композита являются древесные волокна (преимущественно отходы деревообрабатывающего производства: опилки, щепа, древесная мука) и полимеры в качестве связующих веществ. При этом получающийся в итоге материал обладает лучшими свойствами и дерева, и полимера.
Недостатками древесины как композиционного наполнителя является ее низкая биостойкость и достаточно высокая гигроскопичность, что приводит к снижению механических характеристик композиционного материала в целом.
Для повышения качества и устойчивости древесного наполнителя к
различным воздействиям предлагается применение термической обработки
350
древесного наполнителя в среде инертных газов [1].
Предложенный способ термической обработки целесообразно проводить в камерах барабанного типа, поскольку они нашли широкое применение в деревообрабатывающей промышленности. Термомодифицирование древесного наполнителя проводят в камере термомодифицирования, в котором материал нагревается до температуры 200 °С без доступа кислорода воздуха. При этом подвод тепловой энергии к древесному сырью происходит как конвективно (в полете), так и контактным методом (в завале). Повышение температуры материала до заданного значения приводит к термическому разложению компонентов древесины - гемицеллюлозы.
Благодаря вращению аппарата и ковшам внутри камеры, древесное сырье постоянно перемешивается, что позволяет провести равномерную термическую обработку материала. Объем частиц, захватывающихся ковшами, определяется формой и размером последних.
Пересыпание частиц материала в барабане происходит сверху на слой материала, находящийся в нижней части аппарата. В то же время часть материала непосредственно контактирует с нагретой поверхностью. В зоне контакта этого материала с поверхностью происходит передача теплоты и за счет этого термомодифицирование пристенного слоя. Все частицы материала этого слоя находятся в контакте с нагретыми элементами барабана до следующего цикла пересыпания. По мере продвижения частиц по длине аппарата происходит их полное термомодифицирование. После выгрузки из барабана древесное сырье охлаждается.
Согласно физической картине и формализации процессов термомодифицирования древесного наполнителя совокупность физических явлений, составляющих исследуемый способ термомомодифицирования, согласно блочному принципу построения математического описания процесса, следует рассматривать, решая задачу теплопереноса в среде и её теплообмена с материалом
где
В начале процесса, когда наблюдается неустановившееся температурное поле по длине аппарата, расчет переноса энергии применительно к одномерной картине и, пренебрегая теплопроводностью среды, вследствие достаточно высокой скорости ее движения, может быть осуществлено по уравнению (4), где источниковый член характеризует отвод тепла к поверхности материала за счет теплоотдачи и подвод тепла в среду с продуктами разложения
Для решения дифференциального уравнения использовано граничное условие
Тепловые балансы для частиц в полете и в завале запишем в следующем
виде
Температуру поверхности барабана принимаем равной температуре среды в данной области
Таким образом, изменение средней температуры и плотности частиц по длине барабана можно представить в следующем виде
Время нахождения частиц в ковше и в завале зависит от угловой скорости и угла поворота осыпания ОС
Время падения частиц определяем по формуле
тогда соотношение частиц, находящихся в полете и в завале, определяется как отношение времени их падения к времени нахождения в завале, отсюда
Рисунок - Схема для расчета средней высоты осыпания частиц
Далее была определена скорость движения частицы по направлению основного движения в момент ее падения.
Для описания стадии охлаждения термомодифицированных древесных частиц использовано уравнение переноса энергии с Источниковым членом, характеризующим теплопередачу хладагенту, циркулирующему в рубашке экструдера
где удельная теплоемкость насыпного слоя материала определяется по условию аддитивности
Представленная система уравнений позволяет полностью описать процесс термомодифицирования древесного наполнителя в среде топочных газов и определить продолжительность стадий прогрева,
термомодифицирования древесины и охлаждения готового продукта, а также выявить рациональные режимные параметры исследуемого процесса и характеристики оборудования.
Список литературы
1. Хасаншин, Р. Р. Предварительная термическая обработка древесного наполнителя в производстве ДПКМ [Текст] / Р.Р. Хасаншин, Р.В. Данилова // Вестник КГТУ. - 2012. - Т. 15. - № 7. - С. 62-63.
УДК 674.04
