Архангельск, Архангельская область, Россия
Россия
Россия
Хранение измельченных древесных материалов на лесоперерабатывающие предприятия осуществляется на открытых площадках в сформированных кучах, которые имеют различные формы и размеры. Недостатком при хранении древесиной массы таким способом является неконтролируемый самонагрев щепы до критических температур под воздействием термофильных микроорганизмов. При отсутствии должного контроля над процессом самонагревания теряется полезная масса древесины, в значительной степени ухудшается ее качество и появляется риск возгорания древесины. Для предотвращения негативных последствий необходимо из массива измельченного древесного материала отводить избыточную тепловую энергию в окружающую среду. Цель работы – исследование динамики количественных показателей теплофизических характеристик измельченных древесных материалов (технологической щепы, опилок, стружки, и коры) в среде массива насыпной кучи при хранении. При проведении работ использовали стандартные методы термического анализа, исследования проводили в лаборатории пожарно-технической экспертизы строительных и отделочных материалов и ЦКП НО «Арктика» С(А)ФУ имени М.В. Ломоносова. В результате получено математическое описание зависимости коэффициентов теплопроводности и теплоемкости измельченных древесных материалов от влажности и температуры, численные значения температур тления, воспламенения и самовоспламенения технологической щепы, опилок, отсева от щепы и коры. Результаты экспериментальных исследований применены для моделирования тепло-массообменных процессов в объектах хранения измельченной древесины и для совершенствования технологии безопасного хранения технологической щепы
измельченная древесина, щепа, дисперсная система, теплопроводность и теплоемкость дисперсионной среды древесных материалов, температура тления, температура самовоспламенения
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. Мелехов В. И. Экспериментальное исследование распределения температуры и влажности щепы при открытом способе хранения / В. И. Мелехов, Д. А. Братилов, А. Н. Деснев // Известия ТулГУ. - 2015. - № 5(2). - С. 98-102.
2. Уголев, Б. Н. Древесиноведение и лесное товароведение : учебник / Б. Н. Уголев. - Москва : Академия, 2004. - 272 с.
3. Кайнов, П. А. Выявление закономерностей термодинамики древесины / П. А. Кайнов, П. М. Мазуркин, Ш. Р. Мухаметзянов // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16. - № 2. - С. 61-63.
4. Исследования теплоизолирующей способности древесной коры / З. Пастори, И. Р. Мохачине, Г. А. Горбачева, В. Г. Санаев // Лесотехнический журнал. - 2017. - Т. 7. - № 1 (25). - С. 157-161.
5. Шепель, Г. А. О коэффициенте температуропроводности древесины / Г. А. Шепель, В. Ф. Надеин, Н. Б. Баланцева // Известия вузов. Лесной журнал. - 2007. - № 2. - С. 133-135.
6. Математическая модель тепломассообменных процессов, протекающих при переработке древесных отходов / Р. Г. Сафин, Д. А. Ахметова, А. В. Сафина, Р. Р. Зиатдинов, А. Р. Хабибуллина // Вестник Казанского технологического университета. - 2015. - Т. 18. - № 3. - С. 161-163.
7. Гришин, А. М. Общая физико-математическая модель зажигания и горения древесины / А. М. Гришин // Вестник Томского государственного университета. - 2010. - № 2 (10). - С. 60-70.
8. Тимербаев, Н. Ф. Моделирование тепломассопереноса в древесных материалах и продуктах переработки / Н. Ф. Тимербаев // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. № 2. - С. 89-93.
9. Комяков, А. Н. О теплопроводности дисперсных материалов типа замороженной древесной щепы / А. Н. Комяков, А. А. Лукьянов // Лесной вестник. - 2010. - № 4. - С. 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.
