Определение оптимальной температуры нагрева сортиментов
Комиссаров А.П. (УрГСХА, г.Екатеринбург, РФ)
Известны способы определения температуры нагрева на оси сортиментов (см. Чудинов Б.С. Теория тепловой обработки древесины. -М: Наука, 1968. -255с.), где точность расчетов регламентируется и пределах ± 15%.
Так, например, если оптимальная температура на оси сортиментов составляет 60°С то ± 15% будет ±9 °С, тогда как качественная выработка шпона происходит лишь при отклонении температуры не более чем на ±5 °С.
Кроме того, расчет полезных затрат не даёт достаточной точности, т.к. ошибка составляет ±15%, которая обусловлена изменчивостью физико-механических свойств в пределах одной породы.
Исследования зависимости твердости и плотности на примере древесины лиственницы показали, что отклонения физико-механических свойств происходят одновременно либо в строку ±15%, либо в сторону - 15%.
Поэтому введение соотношения объемной твердости к плотности, как оказалось, имеет постоянную безразмерную величину и характеризует степень жёсткости той или иной породы древесины. Это позволяет более точно определить оптимальную температуру нагрева древесины и более точно рассчитывать полезные затраты тепла на пропаривание.
В настоящее время нет четких рекомендаций по значениям оптимальной температуры нагрева на оси сортимента различных пород древесины.
Следовательно, необходимо дать теоретическое обоснование зависимости оптимальной температуры прогрева сортиментов перед строганием (лущением) шпона из древесины различных пород. Оптимальная температура нагрева той или иной породы древесины в большинстве случаев находится в прямой зависимости от ее твердости и плотности. Известно, что чем тверже и плотнее древесина, тем дольше и до более высокой температуры ее необходимо нагревать, чтобы получить необходимую эластичность при строгании шпона. Кроме того, древесину можно охарактеризовать ещё жесткостью, которая является характеристикой каждой породы древесины, определяющей её способность сопротивляться деформации (растяжению, изгибу, кручению, размягчению к т.д.), зависящей от физических свойств материала (модулей упругости). Жесткость - это опосредованная величина, характеризующая особенности каждой породы древесины, оказывающая при размягчении определенное сопротивление воздействию температуры среды. Очевидно, что главными факторами, влияющими на оптимальную температуру нагрева древесины, будут её твердость и плотность. Для этой цели вводится понятие безразмерной величины жесткости, выражающейся отношением «объёмной твёрдости» к плотности, которая характеризует степень сопротивляемости древесины к тепловому воздействию. Известно, что определение по методике Бринелля твердости древесины дает лишь одностороннюю оценку, без учета её анизотропности. Поэтому в отличие от определения твердости однородных металлов сила воздействия полусферы конца пуансона при внедрении в древесину раскладывается на силы воздействующие на торцовую, радиальную и тангенциальную поверхности. Для учета этих сил при определении твердости вводится понятие «объёмной твёрдости», которая определяется по формуле;
s = 3 Р / p R3, кН/м3,
где Р - сила, кH; R- радиус, м.
В настоящее время считается, что наиболее эффективен нагрев древесины в насыщенном паре при температуре агента обработки -100°С в безнапорных пропарочных камерах.
Как показала практика и расчеты, существует прямая зависимость оптимальной температуры oт жесткости древесины, выражающаяся отношением «объемной твёрдости» к её плотности.
Определим постоянную величину - K, характеризующую изменение эластичности от температуры нагрева. Для этих целей используем график модуля упругости при нагревании и охлаждении древесины сосны по Ф. Кольману, из которого можно определить степень влияния температуры среды на модуль упругости. Так, в интервале температур от 0 °С до 100 °С при нагревании модуль упругости изменяется от 1,34 н/см3 до 0,41 н/см3 на величину - 0,93 н/см3 или на один градус - это составит 0,0093 н/см3 .
Исходя, из предположения, что эластичность будет изменяться по такой же закономерности, что и модуль упругости, выразим сопротивление воздействия температуры агента обработки 100 °С через жесткость как безразмерную величину в виде формулы:
Т =К s/g, °С,
где s - объёмна твердость древесины, кн/м3; g - плотность древесины, кн/м3, К=9,3 - коэффициент перевода жёсткости в эластичность древесины на 1°С, где на каждую единицу жесткости древесины осуществляется нагрев на 1°С, чтобы придать ей эластичность, затрачивая при этом эквивалентное тепловому в воздействию усилие в 9,3 кн/м3.
Благодаря введению нового понятия безразмерной величины жесткости и на основании проведенных исследований на древесине лиственницы, березы, ясеня составлены режимы гидротермической обработки брусьев ванчесов в насыщенном паре при температуре 100 °С для 12 пород древесины.
Новизна по определению оптимальной температуры на оси сортиментов заключается в том, что она обеспечивает большую сохранность физико-механических свойств древесины за счет сокращения времени воздействия высокой температуры агента обработки и способствует получению шпона высокого качества, увеличивает выход шпона из сырья на 6...8 %, уменьшает расход тепловой энергии от 10 до 15 %, позволяет более точно рассчитать расход тепловой энергии, затрачиваемой на нагревание древесины.