Экспериментальные исследования процесса пропитки древесины сосны в поле центробежных сил с учетом соотношения зон ранней и поздней древесины

Аннотация: Представленная статья содержит результаты экспериментальных исследований по тематике пропитки древесины сосны с использованием центрифуг. Исследования проводились в направлении изучения влияния процентного соотношения ранней и поздней древесины в пропитываемых образцах на скорость центробежной пропитки, а также глубины пропитки (отношения объема впитанной жидкости к общему объему порового пространства) ранней и поздней зон пропитываемых образцов древесины. На основании представленных результатов показано, что процентное содержание поздней древесины в образце заметно не влияет на скорость перемещения фронта центробежной пропитки, процентное содержание поздней древесины в образце влияет на степень заполнения внутреннего пространства древесины жидкостью (получена регрессионная модель). Кроме того, показано, что заполнение внутреннего пространства древесины пропиточной жидкостью при пропитке с использованием центрифуг происходит равномерно по мере перемещения фронта пропитки. В заключении приводится перечень перспективных направлений дальнейших исследований по тематике пропитки древесины с использованием центрифуг.

Ключевые слова: древесина сосны, центрифугирование, пропитка, фронт пропитки, центробежный способ, глубокая пропитка, ранняя древесина, поздняя древесина, равномерность пропитки, степень пропитки.

В настоящее время перед лесозаготовительной промышленностью России стоит важная задача — повышение качества и выхода продукции лесопереработки [1,2]. Пропитка древесины различными веществами с целью модификации ее эксплуатационных свойств нашла широкое применение в лесоперерабатывающей промышленности [3,4]. Среди различных способов пропитки древесины представляет наибольший интерес способ пропитки с использованием центрифуг, т.н. «центробежный способ пропитки», «центробежная пропитка», «пропитка в поле центробежной силы». Это обусловлено тем, что с использованием указанного способа достигается глубокая пропитка заготовки (высокая степень заполнения внутреннего пространства древесины пропиточной жидкостью) за сравнительно короткое время. Подробно суть явлений, происходящих при центробежной пропитке, освещена в работах [3−5].

Ранее проводились как экспериментальные [3 — 6], так и теоретические исследования процесса пропитки древесины [7−10], в том числе — центробежной. Однако один из важных вопросов остался практически не исследованным, а именно — вопрос влияния соотношения ранней и поздней древесины на показатели ее пропитываемости. В этой связи на базе лаборатории кафедры Технологии лесозаготовительных производств Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета (СПбГЛТУ им. Кирова) нами проведены дополнительные экспериментальные исследования, целью которых являлось:

• 1. Исследование влияния процентного соотношения ранней и поздней древесины в пропитываемых образцах на скорость центробежной пропитки.
• 2. Исследование глубины пропитки (отношения объема впитанной жидкости к общему объему порового пространства) ранней и поздней зон пропитываемых образцов древесины.

Перечень основного оборудования и приборов, использовавшихся при проведении экспериментальных исследований по изучению влияния процентного содержания поздней древесины на показатели процесса центробежной пропитки древесины, полностью аналогичен рассмотренному в статьях [3 — 6].

Образцы для проведения экспериментальных исследований получены при пилении на круглопильных станках тонкомерной древесины сосны и ели, заготовленной летом 2013 года в Охтинском учебно-опытном лесхозе. В ходе экспериментальных исследований использованы образцы древесины сосны с квадратным сечением 45×45 мм (B = 0,045 м, H = 0,045 м), длиной 200 мм.

Температура раствора (использовался водный раствор метиленовой сини), использовавшегося для пропитки образцов древесины, составляла 20 ⁰С (контролировалась при помощи термометра).

Для проведения исследований отбирались образцы без явных, видимых глазу, пороков (сучки, гниль).

Перед каждым опытом измерялась масса образца m, с использованием измеренного значения массы образца рассчитывалась его плотность с и пористость C.

Для образцов древесины непосредственно перед проведением опытов по исследованию пропитываемости проводилась оценка процентного содержания поздней древесины.

На линии длиной L, проведенной на торцовой поверхности образца в радиальном направлении, с помощью измерительной лупы в каждом годичном слое измеряли ширину поздней зоны у_i (рис. 1).

пропитка древесина сосна центрифуга

Рис. 1. Определение процентного содержания поздней древесины

По полученным размерам у_i и L процент поздней древесины рассчитывался по следующей формуле:

		(1).

где L — общая протяженность годичных слоев, в которых измеряли ширину поздней зоны, N — число слоев.

Суть проводимых опытов заключалась в следующем.

После определения массы и влажности образца, экспериментальный образец древесины 4 (рис. 2) размещался в пропиточной емкости 2. Образец фиксировался в емкости при помощи корсета 5. Емкость заполнялась пропиточной жидкостью 3 до уровня 200 мм, герметично закрывалась крышкой (на рисунке условно не показана). Далее емкость с образцом древесины закреплялась на горизонтальной платформе центрифуги при помощи хомутов (условно не показаны на рисунке).

Рис. 2. Схема к опытам по центробежной пропитке древесины сосны:

1 — платформа центрифуги, 2 — пропиточная емкость, 3 — пропиточная жидкость, 4 — образец древесины, 5 — корсет Включался привод установки, жидкость проникала во внутренне пространство древесины с торца, дальнего от радиуса вращения платформы, за счет создававшегося при вращении градиента давления. После выхода на установившийся режим вращения (в среднем 4−5 с) образец пропитывался в течение 300 либо 600 с. После окончания каждого опыта измерялся прирост массы образцов Дm. Затем образцы раскалывали вдоль волокон и определяли расстояние от погруженного в пропиточную жидкость торца до конечного положения фронта пропитки l.

Затем рассчитывался коэффициент заполнения k внутреннего пространства образца пропиточной жидкостью:

		(2).

где с_Ж — плотность пропиточной жидкости.

Статистическая обработка результатов экспериментов заключалась в проверке результатов наблюдений на наличие анормальных значений, проверке соответствия закона распределения наблюдаемых величин нормальному закону, проверке достаточности числа наблюдений и построении регрессионной модели при помощи метода наименьших квадратов.

В таблицах № 1, 2 представлены расчетные значения величин, необходимых для проверки результатов наблюдений на наличие аномальных значений и соответствие закону нормального распределения.

Таблица № 1

Расчетные данные к проверке результатов наблюдений при исследовании центробежной пропитки образцов древесины сосны на наличие аномально отклоняющихся значений и соответствие закону нормального распределения (время пропитки 10 минут).

В таблице обозначено: — среднее значение наблюдаемой величины, y_min — минимальное значение наблюдаемой величины, y_max — максимальное значение наблюдаемой величины, S — среднеквадратичное отклонение по выборке, S² — дисперсия по выборке, t_min — расчетное значение критерия Стьюдента для минимального значения наблюдаемой величины, t_max — расчетное значение критерия Стьюдента для минимального значения наблюдаемой величины, ч² — расчетное значение критерия Пирсона.

Таблица № 2

Расчетные данные к проверке результатов наблюдений при исследовании центробежной пропитки образцов древесины сосны на наличие аномально отклоняющихся значений и соответствие закону нормального распределения (время пропитки 5 минут).

Сопоставление расчетных значений критерия Стьюдента t_min и t_max, представленных в таблицах № 1, № 2, с табличным значением критерия Стьюдента t_табл = 1,9873 [11] (доверительная вероятность p = 95%, число степеней свободы f = 44) показывает, что результаты наблюдений не содержат аномально отклоняющихся от среднего значений.

Сопоставление расчетных значений ч-критерия, представленных в таблицах № 1, 2, с табличным значением ч-критерия ч_табл = 15,5073 [11] (p = 95%, f = 8) показывает, что закон распределения наблюдаемых величин значимо не отличается от нормального закона распределения случайной величины.

Ввиду изложенного, к полученным экспериментальным данным можно применить методы корреляционного и регрессионного анализа.

Расчетные данные, необходимые для проверки достаточности числа наблюдений исследуемых величин представлены в таблицах № 3, 4.

Таблица № 3

Статистические данные по результатам опытов по центробежной пропитке древесины сосны (пропитка в течение 10 минут).

В таблице обозначено: m — среднее абсолютное отклонение наблюдаемой величины, н — коэффициент вариации наблюдаемой величины, p₀ — показатель точности, [n] - достаточное число наблюдений.

Таблица № 4.

Статистические данные по результатам опытов по центробежной пропитке древесины сосны (пропитка в течение 5 минут).

Данные, представленные в таблицах № 3, 4, показывают, что во всех случаях показатель точности p₀, характеризующий ошибку измерения экспериментальной величины, не превышал величину 5%, при этом в большинстве опытов достаточное число наблюдений n составляло 6 — 7. Это дает основание считать полученные экспериментальные данные удовлетворительно точными, пригодными для получения зависимостей с доверительной вероятностью 95%.

Для древесины сосны уравнения регрессии, описывающие связь процентного содержания поздней древесины q и коэффициента насыщения внутреннего пространства древесины пропиточной жидкостью k за 5 и 10 минут пропитки имеют вид:

При этом описать зависимость конечного положения фронта пропитки l от процентного содержания поздней древесины q с удовлетворительной точностью не представляется возможным ни в одном случае (см. таблицы № 5, 6, в таблицах значения коэффициента корреляции величин r выделены жирным в том случае, если по результатам оценки значимости коэффициент корреляции признан значимым).

Таблица № 5.

Коэффициент корреляции исследуемых величин в опытах по центробежной пропитке древесины сосны (пропитка в течение 10 минут).

Таблица № 6

Коэффициент корреляции исследуемых величин в опытах по центробежной пропитке древесины сосны (пропитка в течение 5 минут).

Данные таблиц № 5, 6 подтверждают тесные линейные связи плотности, прироста массы образцов, а также коэффициента заполнения порового пространства пропиточной жидкостью во всех проведенных опытах, при этом статистически значимая связь процентного содержания поздней древесины в образцах и конченого положения фронта пропитки не выявлена. При этом значения коэффициентов линейной корреляции коэффициента заполнения внутреннего пространства древесины пропиточной жидкостью и процентного содержания поздней древесины в образце, полученные для данных опытов при пропитке в течение 10 и 5 минут у обеих исследованных пород практически равны. Таким образом, можно утверждать, что процесс насыщения образцов древесины сосны жидкостью имел схожий характер.

Вышеизложенное приводит к ряду выводов:

• 1. Процентное содержание поздней древесины в образце заметно не влияет на скорость перемещения фронта центробежной пропитки.
• 2. Процентное содержание поздней древесины в образце влияет на степень заполнения внутреннего пространства древесины жидкостью.
• 3. Заполнение внутреннего пространства древесины пропиточной жидкостью происходит равномерно по мере перемещения фронта пропитки.

По результатам статистической обработки экспериментальных данных получены регрессионные модели, связывающие процентное содержание поздней древесины q [%], плотность образцов древесины с [кг/м³] и степень пропитки образцов k [%]. Для древесины сосны модели представлены следующими формулами:

Также была произведена оценка доверительных (p = 95%) интервалов изменения параметров моделей (5) — (7), результаты представлены в таблице № 7 (в таблице обозначено: a₀ — свободные члены в уравнениях (5) — (7), a₁ — параметры при аргументах).

Таблица № 7.

Оценки и доверительные интервалы коэффициентов регрессионных моделей по результатам опытов по центробежной пропитке древесины сосны.

В заключение, считаем целесообразным привести направления дальнейших исследований, представляющие, на наш взгляд, теоретический и практический интерес:

• 1. Исследование влияния процентного соотношения ранней и поздней древесины в пропитываемых образцах на скорость центробежной пропитки других пород древесины.
• 2. Исследование влияния процентного соотношения ранней и поздней древесины в пропитываемых образцах на скорость центробежной пропитки с учетом вязкости пропиточной жидкости.
• 3. Обоснование энергетической эффективности процесса модификации древесины путем центробежной пропитки в рамках концепции оценки эффективности лесозаготовительного производства, изложенной в [12].

• 1. Шегельман И. Р. Исследование направлений модернизации техники и технологии лесозаготовок / И. Р. Шегельман // Инженерный вестник Дона, 2012, № 2. URL: ivdon.ru/magazine/latest/n2y2012/866/
• 2. Шегельман И. Р. Ресурсные вызовы в области региональной биоэнергетики и пути их преодоления / И. Р. Шегельман, П. О. Щукин, М. А. Морозов // Инженерный вестник Дона, 2012, № 2. URL: ivdon.ru/magazine/latest/n2y2012/819/
• 3. Григорьев Г. В., Хитров Е. Г., Есин Г. Ю., Гумерова О. М. Кинетика насыщения древесины жидкостью при центробежной пропитке // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2013. № 203. С. 108−116.
• 4. Григорьев И. В., Куницкая О. А., Григорьев Г. В., Есин Г. Ю. Исследование кинетики центробежной пропитки древесины // «Лесной журнал». 2013. № 2. С. 156−162.
• 5. Григорьев Г. В., Куницкая О. А. Использование нелинейного выражения для связи скорости фронта и гидравлического напора при центробежной пропитке древесины // Технология и оборудование лесопромышленного комплекса: сборник научных трудов. 2013. № 6. С. 77 — 82.
• 6. Куницкая О. А., Ржавцев А. А., Есин Г. Ю. Пропитка древесины в силовых полях для производства материалов с новыми физико-механическими и химическими свойствами // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2010. № 193. С. 247 — 256.
• 7. Bramhall G. The validity of Darcy’s law in the axial penetration of wood // Wood Science and Technology. 1971. № 5. P. 121−134.
• 8. Drain A., Taverdet J. L. Vergnaud J. Modeling the kinetics of moisture adsorption by wood // Wood Science and Technology. 1974. № 22. P. 11−20.
• 9. Prak A.L. Unsteady — State Gas Permeability of Wood. Wood Science and Technology // 1970. № 1. P. 50−69.
• 10. Resch A. Unsteady — State Flow of Compressible Fluid through Wood // Forest Production Journal. 1967. № 3. P.48−54.
• 11. Гланц С. Медико-биологическая статистика. М.: Практика, 1998. 459 С.
• 12. Григорьев И. В., Григорьева О. И., Никифорова А. И., Куницкая О. А. Обоснование методики оценки экологической эффективности лесопользования // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2012. № 6. С. 72−77.

References

• 1. Shegel’man I. R. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 2. URL: ivdon.ru/magazine/latest/n2y2012/866/
• 2. Shegel’man I. R. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 2. URL: ivdon.ru/magazine/latest/n2y2012/819/
• 3. Grigor’ev G. V., Khitrov E. G., Esin G. Yu., Gumerova O. M. Izvestiya Sankt-Peterburgskoy lesotekhnicheskoy akademii. 2013, № 203, pp. 108−116.
• 4. Grigor’ev I.V., Kunitskaya O.A., Grigor’ev G.V., Esin G.Yu. Lesnoy zhurnal, 2013, № 2. pp. 156−162.
• 5. Grigor’ev G.V., Kunitskaya O.A. Tekhnologiya i oborudovanie lesopromyshlennogo kompleksa: sbornik nauchnykh trudov [Technology and equipment timber industry: collection of scientific papers]. 2013. № 6. pp. 77 — 82.
• 6. Kunitskaya O.A., Rzhavtsev A.A., Esin G.Yu. Propitka drevesiny v silovykh polyakh dlya proizvodstva materialov s novymi fiziko-mekhanicheskimi i khimicheskimi svoystvami [Impregnation of wood in the force fields for the production of materials with novel physical, mechanical and chemical properties] // Izvestiya Sankt-Peterburgskoy lesotekhnicheskoy akademii. 2010. № 193. pp. 247 — 256.
• 7. Bramhall G. Wood Science and Technology. 1971. № 5. pp. 121−134.
• 8. Drain A., Taverdet J. L. Vergnaud J. Wood Science and Technology. 1974. № 22. pp. 11−20.
• 9. Prak A.L. Wood Science and Technology. 1970. № 1. pp. 50−69.
• 10. Resch A. Unsteady Forest Production Journal. 1967. № 3. pp.48−54.
• 11. Glants S. Mediko-biologicheskaya statistika [Biomedical statistics]. M.: Praktika, 1998. 459 p.
• 12. Grigor’ev I.V., Grigor’eva O.I., Nikiforova A.I., Kunitskaya O.A. Obosnovanie metodiki otsenki ekologicheskoy effektivnosti lesopol’zovaniya [Substantiation of environmental performance evaluation of forest management] // Vestnik Krasnoyarskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2012. № 6. pp. 72−77.