Arhangel'sk, Arkhangelsk, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Shredded wood materials are stored at wood processing enterprises in open areas in formed piles that have various shapes and sizes. The disadvantage of wood mass storage in this way is uncontrolled self-heating of wood chips to critical temperatures under the influence of thermophilic microorganisms. In the absence of proper control over the self-heating process, the useful mass of wood is lost, its quality is significantly deteriorated and there is a risk of wood burning. It is necessary to remove excess thermal energy from the array of ground wood material to prevent negative consequences. The purpose of the work is to study the dynamics of quantitative indicators of the thermophysical characteristics of chopped wood materials (wood chips, sawdust, shavings, and bark) in an environment of bulk pile during storage. During the work, standard thermal analysis methods have been used. The studies have been carried out in the laboratory of fire and technical expertise of building and finishing materials and the central design department of Common Use Center "Arctic", Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov. As a result, a mathematical description of the dependence of the coefficients of thermal conductivity and heat capacity of ground wood materials on humidity and temperature, numerical values of the temperatures of smoldering, ignition and self-ignition of technological wood chips, sawdust, screenings from wood chips and bark has been obtained. The results of experimental studies are used to simulate heat and mass transfer processes in the objects of storage of crushed wood and to improve the technology of safe storage of technological chips.
chopped wood, wood chips, dispersed system, thermal conductivity and heat capacity of the dispersion medium of wood materials, smoldering temperature, autoignition temperature
В технологиях переработки древесины образуется сопутствующий продукт в виде измельченной древесины (щепы, опилок, стружки, и коры). При её неправильном хранении в массиве кучи щепы возникают неуправляемые биотермо-процессы приводящие к самовозгоранию, в результате чего ежегодно безвозвратно теряется значительный объем и существенно снижаются качественные характеристики материала. Необхо-димо из массива кучи измельченной древесины принудительно отводить избыточную тепловую энергию во внешнюю окружающую среду теплоотводящими устройствами с обязательным контролем и управлением процессом хранения. Разработка и практическая реализация эффективных мер по сохранности кондиционных характеристик технологической щепы в процессе хранения её открытым способом требует комплексного учета всех факторов, которые оказывают влияние на процессы, протекающие в среде массива кучи щепы.
Массив кучи насыпных древесных материалов представляет собой сложную дисперсную систему и рассматривается нами как многофазная, многокомпонентная дисперсионная среда. Твердыми компонентами является фракция щепы, примеси и загрязнения. К газовым компонентам относятся элементы воздуха, содержащегося в массиве щепы между фракциями. Воздух вместе с частицами щепы является наиболее важным компонентом среды, поскольку их объемная и массовая доля значительна. Влага помимо пара в составе воздуха может присутствовать в виде свободной воды во фракции щепы в связанном состоянии или в виде жидкой фазы на поверхности частиц щепы. Количество влаги в перечисленных состояниях оказывает ключевое влияние на процессы аккумуляции тепла в среде массива и отвода тепловой энергии из эпицентра нагрева через массив кучи во внешнюю окружающую среду.
На процессы выделения тепла (разогрев щепы в эпицентре) и отвода тепловой энергии существенно влияет насыпная плотность многокомпонентного материала, которая сущест-венно неоднородна по объему кучи. Плотность многокомпонентной древесной смеси наряду с теплоемкостью и теплопроводностью, определяют значение коэффициента температуропроводности массива – основного параметра, характеризующего интенсивность теплообмена в среде смеси.
В научной литературе широко освещен вопрос о тепловых свойствах массивной древесины различных пород [2-7, 10]. Свойства измельченной древесины в дисперсной системе насыпной кучи изучены недостаточно [8, 9, 11].
Пространство между частицами измельченной древесины заполнено воздухом, обладающим отличными от нее теплотехническими свойствами. В массиве кучи между частицами древесины и воздухом происходит непрерывный тепло-массообмен. Значения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости дисперсионной среды древесных материалов в массиве насыпной кучи существенно отличаются от значений, полученных для массивной древесины [2].
Материалы и методы
В качестве исследуемого объекта приняты измельченные древесные материалы в дисперсной системе (технологическая щепа, опилки, отсев от щепы, кора) двух хвойных пород: сосны и ели, находящиеся в среде массива кучи.
Ортоборные порции фракции измельчен-ной древесины предварительно высушили до постоянной массы и просеяли через стандартный набор сит. Полученные образцы фракции использованы для дальнейшего исследования. Для щепы размером 20, 10 и 5 мм; для опилок и отсева размером 3, 2 и 1 мм. В соответствии с методикой определения коэффициента теплопроводности фракции выдерживали в сушильном шкафу Binder при температуре агента 40 °С, при достижении которой происходит активизация микробиологи-ческих процессов в дисперсной системе измельчён-ной древесины, интенсифицируется саморазогрев массива кучи, и относительной влажности агента 100 %. Контроль итоговой влажности образцов фракции осуществляли анализатором влажности MS-70 термогравиметрическим методом.
Коэффициент теплопроводности образцов измельченных древесных материалов в дисперсной системе определяли в бюксах на приборе МИТ-1 зондовым методом (ГОСТ 30256-94). Теплоемкость образцов измельченных древесных материалов в дисперсной системе определяли сканирующим калориметром DSC Q2000 методом дифференци-ального термического анализа. Температуру тления, воспламенения и самовоспламенения опре-деляли на установке ОТП по ГОСТ 12.1.044-89.
Результаты и их обсуждение
Математическое описание зависимости коэффициента теплопроводности измельченных древесных материалов в дисперсной системе массива кучи от влажности приведены в табл. 1. На рис. 1 представлена зависимость коэффициента теплопроводности образцов измельченных древес-ных материалов в дисперсной системе массива кучи от влажности среды.
В табл. 2 приведены температурные показатели термической безопасности измельчен-ной древесины в дисперсной системе массива кучи при хранении открытым способом.
В результате анализа результатов экспериментальных исследований можно отметить:
- теплопроводность насыпных древесных материалов в среде массива кучи увеличивается прямо пропорционально повышению влажности среды;
- при W 
0 %
, наименьший коэффициент теплопроводности у щепы (ель) 0,0385 Вт/м °K, наибольший у отсева (ель) 0,0518 Вт/м∙°K;
- при увеличении W до 25 % коэффициент теплопроводности измельченной древесины повышается в 1,4…2,3 раза в сравнении с абсолютно сухим состоянием: наибольшее увеличение наблюдается у отсева (ель), наименьшее у щепы (сосна);
- наименьшие показатели теплопроводности у технологической щепы сосны.
Теплоемкость измельченной древесины зависит от ее температуры, влажности и насыпной плотности в массиве кучи [2, 6].
Результаты экспериментальных исследова-ний динамики изменения теплофизических характеристик измельченной древесины в дисперс-ной системе при кучевом хранении позволяют отметить что, с увеличением температуры до 70…90 °С, её теплоемкость нелинейно возрастает, а при дальнейшем повышении температуры уменьшается.
На рис. 2 приведены экспериментальные зна-чения коэффициента теплоемкости С, кДж/(кг·°С) измельченных древесных материалов в дисперсной системе массива кучи от температуры T, °С. Оценивая характеристики измельченной древесины в дисперсной системе массива кучи установлено, что наибольшие значения коэффициентов теплоёмкости: у коры С = 4,46 кДж/(кг·°С) при температуре 90 °С, у отсева от щепы
С = 2,81 кДж/(кг·°С) при температуре 76 °С, у опилок С = 2,25 кДж/(кг·°С) при температуре 90 °С, у щепы С = 1,82 кДж/(кг·°С) при T = 86 °С.
В случае, когда темп аккумуляции тепла в центре насыпной кучи значительно превосходит скорость отвода тепла из массива в атмосферу температура в эпицентре кучи существенно возрастает и может достигнуть критических значений, при которых древесина деструктируется, терморазлагается и самовозгорается.
Для оценки условий самовозгорания измельченных древесных материалов в среде массива кучи были экспериментально изучены температура тления, воспламенения и самовозгорания щепы, отсева от щепы, опилок и коры (табл. 2). При этом влажность образцов была приближена к влажности измельченных древесных материалов в практике хранения 40…60 %.
Наибольшая температура самовозгорания установлена у щепы сосны 466,2 ± 10,4 °С наименьшая у коры сосны 375,8 ± 14,8 °С. Температура тления в 1,6…2,2 раза меньше температуры самовозгорания.
В целом при проведении экспериментальных исследований относительная ошибка опытов не превышала 1,3…6,0 %, что свидетельствует о приемлемой точности полученных результатов.
Таблица 1
Коэффициент теплопроводности измельченной древесины в зависимости от влажности при кучевом хранении
|
№ |
Вид измельченного материала |
Порода древесины |
Математическое описание зависимости |
r2 |
|
1 |
щепа |
сосна |
λщ.с = 0,0009Wщ.с + 0,0515 |
0,77 |
|
2 |
щепа |
ель |
λщ.е = 0,0013Wщ.е + 0,0385 |
0,76 |
|
3 |
опилки |
сосна |
λо.с = 0,0022 Wо.с + 0,0623 |
0,99 |
|
4 |
опилки |
ель |
λо.е = 0,0018 Wо.е + 0,0511 |
0,97 |
|
5 |
отсев от щепы |
ель |
λот.е = 0,0026Wот.е + 0,0518 |
0,99 |
|
6 |
кора измельченная |
ель |
λк.е = 0,0019 Wк.е + 0,0458 |
0,90 |
Источник: собственные вычисления (разработки)
Рис. 1. Теплопроводность измельченных древесных материалов в зависимости от влажности при кучевом хранении: 1 – щепа (сосна); 2 – щепа (ель); 3 – опилки (сосна);4 – опилки (ель); 5 – отсев от щепы (ель).
Источник: собственные вычисления (разработки)
Рис. 2. Теплоемкость измельченных древесных материалов в зависимости от температуры при кучевом хранении: 1 – щепа (ель); 2 – опилки (ель); 3 – отсев от щепы (ель); 4 – кора (ель).
Источник: собственные вычисления (разработки)
Таблица 2
Показатели термической безопасности измельченной древесины при кучевом хранении
|
Материал |
Порода |
Температура |
Среднее значение температуры T, °С |
Относительная ошибка, % |
|
щепа |
сосна |
воспламенения |
230,0 ± 6,9 |
3,0 |
|
тления |
215,0 ± 6,9 |
3,2 |
||
|
самовозгорания |
466,2 ± 10,4 |
2,2 |
||
|
ель |
воспламенения |
227,6 ± 8,8 |
3,9 |
|
|
тления |
229,0 ± 13,1 |
5,7 |
||
|
самовозгорания |
405,6 ± 5,1 |
1,3 |
||
|
отсев |
сосна |
воспламенения |
276,2 ± 5,0 |
1,8 |
|
тления |
240,7 ± 14,5 |
6,0 |
||
|
самовозгорания |
388,6 ± 10,7 |
2,7 |
||
|
ель |
воспламенения |
218,4 ± 11,2 |
5,1 |
|
|
тления |
195,6 ± 9,5 |
4,9 |
||
|
самовозгорания |
399,2 ± 7,6 |
1,9 |
||
|
опилки |
сосна |
воспламенения |
205,9 ± 4,4 |
2,1 |
|
тления |
247,3 ±13,1 |
5,3 |
||
|
самовозгорания |
416,0 ± 12,4 |
3,0 |
||
|
ель |
воспламенения |
224,4 ± 8,6 |
3,8 |
|
|
тления |
225,3 ± 10,0 |
4,4 |
||
|
самовозгорания |
454,6 ± 11,5 |
2,5 |
||
|
кора |
сосна |
воспламенения |
213,6 ± 2,1 |
1,0 |
|
тления |
225,4 ± 10,7 |
4,7 |
||
|
самовозгорания |
375,8 ± 14,8 |
3,9 |
||
|
ель |
воспламенения |
223,7 ± 1,7 |
0,8 |
|
|
тления |
231,4 ± 5,2 |
2,3 |
||
|
самовозгорания |
421,0 ± 3,3 |
0,8 |
Источник: собственные вычисления (разработки)
Заключение
1. Полученные результаты исследований позволяют прогнозировать динамику процесса самонагрева в массиве кучи измельченной древесины при хранении и своевременно принимать меры по предотвращению потерь полезной массы измельченной древесины, ухудшению её качественных характеристик и снижению риска возгорания древесного материала;
2. Показатель теплопроводности в среде массива кучи измельченной древесины в
2,2...3,6 раза, а теплоемкость в 1,5…2,0 раза меньше соответствующих характеристик цельной древесины;
3. Показатель температуры самовозгорания технологической щепы ели в среде массива 405,6 °С значительно меньше показателя температуры самовозгорания технологической щепы сосны в среде массива 466,2 °С. Наименьший показатель температуры самовозгорания у коры сосны 375,8 °С;
4. Для стабилизации температурно-влажностного режима измельченной древесины в среде массива кучи при хранении необходимо отводить избыточную тепловую энергию в окружающую среду. Для этого предстоит разработать энергоэффективные, экологически безопасные, конструктивные решения тепло-отводящих устройств.
1. Melehov V. I. Eksperimental'noe issledovanie raspredeleniya temperatury i vlazhnosti schepy pri otkrytom sposobe hraneniya / V. I. Melehov, D. A. Bratilov, A. N. Desnev // Izvestiya TulGU. - 2015. - № 5(2). - S. 98-102.
2. Ugolev, B. N. Drevesinovedenie i lesnoe tovarovedenie : uchebnik / B. N. Ugolev. - Moskva : Akademiya, 2004. - 272 s.
3. Kaynov, P. A. Vyyavlenie zakonomernostey termodinamiki drevesiny / P. A. Kaynov, P. M. Mazurkin, Sh. R. Muhametzyanov // Vestnik Kazanskogo tehnologicheskogo universiteta. - 2013. - T. 16. - № 2. - S. 61-63.
4. Issledovaniya teploizoliruyuschey sposobnosti drevesnoy kory / Z. Pastori, I. R. Mohachine, G. A. Gorbacheva, V. G. Sanaev // Lesotehnicheskiy zhurnal. - 2017. - T. 7. - № 1 (25). - S. 157-161.
5. Shepel', G. A. O koefficiente temperaturoprovodnosti drevesiny / G. A. Shepel', V. F. Nadein, N. B. Balanceva // Izvestiya vuzov. Lesnoy zhurnal. - 2007. - № 2. - S. 133-135.
6. Matematicheskaya model' teplomassoobmennyh processov, protekayuschih pri pererabotke drevesnyh othodov / R. G. Safin, D. A. Ahmetova, A. V. Safina, R. R. Ziatdinov, A. R. Habibullina // Vestnik Kazanskogo tehnologicheskogo universiteta. - 2015. - T. 18. - № 3. - S. 161-163.
7. Grishin, A. M. Obschaya fiziko-matematicheskaya model' zazhiganiya i goreniya drevesiny / A. M. Grishin // Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2010. - № 2 (10). - S. 60-70.
8. Timerbaev, N. F. Modelirovanie teplomassoperenosa v drevesnyh materialah i produktah pererabotki / N. F. Timerbaev // Vestnik Kazanskogo tehnologicheskogo universiteta. - 2011. № 2. - S. 89-93.
9. Komyakov, A. N. O teploprovodnosti dispersnyh materialov tipa zamorozhennoy drevesnoy schepy / A. N. Komyakov, A. A. Luk'yanov // Lesnoy vestnik. - 2010. - № 4. - S. 132-136.
10. Ragland, K. W. Properties of Wood for Combustion Analysis» / K. W. Ragland, D. J. Aerts, A. J. Baker // Bioresource Technology. - 1991. - Vol. 37. - P. 161-168.
11. Skogsberg, K. Wood chips as thermal insulation of snow / K. Skogsberg, A. Lundberg // Cold Regions Science and Technology. - 2005. - Vol. 43. - P. 207-218.
