Математическое моделирование процесса пропитки древесины в пьезопериодическом поле

УДК

674.048.5

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2018.5.168

Аннотация

В настоящее время ведутся многочисленные исследования способов модификации древесины в целях получения новых конструкционных и защитных материалов, имеющих лучшие эксплуатационные свойства и технико-экономические показатели их производства по сравнению с существующими материалами аналогичного назначения. Известны способы модификации древесины, позволяющие, например, заменять новым материалом цветные металлы в пáрах трения, использовать модифицированные материалы на основе древесины для защиты от нейтронных потоков и т. д. Одним из наиболее распространенных способов модификации древесины, наряду с уплотнением, является пропитка ее жидкостями с различными свойствами. Для повышения эффективности процесса пропитки разработаны установки, использующие эффект пьезопериодического поля. Скорость пропитки при этом выше, чем у других известных способов, так как заготовки дополнительно подвергаются воздействию импульсного повышения давления. В ранее разработанных математических моделях работы таких установок не были учтены различия параметров, характеризующих фильтрацию в капиллярах и порах древесины. В ходе реализации разработанной математической модели установлено, что за 25 циклов повышения давления происходит пропитка образца на 25...30 см в зависимости от породы древесины, что с учетом времени цикла, составившего 60 с, свидетельствует, что предложенные конструкции установок для пропитки древесины при помощи гидроудара, а также по принципу давление–сброс–давление превосходят уже известные установки. Результаты реализации модели показывают, что вклады поровой и капиллярной фильтраций сопоставимы, при этом первая протекает несколько медленнее, чем вторая. Перспективным направлением дальнейших исследований считаем опыты для получения дополнительных сведений о проницаемости древесины, отдельно по порам и капиллярам. Новые экспериментальные данные позволят решить задачу оптимизации параметров процесса пропитки в целях получения равномерно пропитанных заготовок за минимальное время обработки.

Сведения об авторах

О.А. Куницкая¹, д-р техн. наук, доц., проф.
С.С. Бурмистрова², соискатель
Е.Г. Хитров³, доц.
А.Н. Минаев³, д-р техн. наук, проф.
¹Якутская государственная сельскохозяйственная академия, ш. Сергеляхское, 3-й км, д. 3, г. Якутск, Россия, 677007;
e-mail: ola.ola07@mail.ru
²Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, ул. Тимирязева, д. 8, г. Воронеж, Россия, 394087;
e-mail: sve2091@yandex.ru
³Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, просп. Институтский, д. 5, Санкт-Петербург, Россия, 194021;
e-mail: yegorkhitrov@mail.ru, stl@spbtu.ru

Ключевые слова

гидроудар, пропитка древесины, заполнение капилляра, модель пористого пространства древесины

Для цитирования

Куницкая O.A., Бурмистрова С.С., Хитров Е.Г., Минаев А.Н. Математическое моделирование процесса пропитки древесины в пьезопериодическом поле // Лесн. журн. 2018. № 5. С. 168–180. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.5.168

Литература

1. Григорьев И.В. Технологические процессы лесосечных работ с углубленной обработкой древесины // Февральские чтения: сб. материалов науч.-практ. конф. проф.-преп. состава Сыктывкар. лесн. ин-та по итогам НИР в 2015 г. Сыктывкар, 16–19 февр. 2016 г. Сыктывкар: СЛИ, 2016. С. 121–126.
2. Григорьев И.В. Повышение эффективности освоения лесосечного фонда малой концентрации // Повышение эффективности лесного комплекса: материалы Второй всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, посвященной 65-летию высш. лесн. образования в Республике Карелия, Петрозаводск, 24 мая 2016 г. Петрозаводск: ПетрГУ, 2016. С. 62–65.
3. Куницкая О.А. Моделирование различных способов пропитки древесины полимерами // Вестн. МГУЛ–Лесн. вестн. 2011. № 3. С. 131–135.
4. Куницкая О.А. Обоснование направлений диверсификации обработки низкотоварной древесины на комплексных лесопромышленных предприятиях с использованием инновационных технологий. СПб.: СПбГЛТУ, 2015. 250 с.
5. Куницкая О.А., Базаров С.М., Ржавцев А.А., Григорьев И.В. Конструкция и теория расчета установки для пропитки древесины вязкотекучими компонентами в пьезопериодическом поле // Справ. Инженер. журн. с приложением. 2011. № 1. С. 41–43. Режим доступа: https://elibrary.ru/title_about.asp?id=8233 (дата обращения: 01.06.18)
6. Куницкая О.А., Бурмистрова С.С., Тихонов И.И., Григорьев И.В. Устройство для пропитки древесины: пат. на полезную модель. № 119283; опубл. 20.08.2012.
7. Куницкая О.А., Ржавцев А.А., Григорьев И.В., Соколова В.А. Устройство для пропитки деревянных заготовок: пат. на полезную модель. № 91927; опубл. 10.03.2010.
8. Патякин В.И., Тишин Ю.Г., Базаров С.М. Техническая гидродинамика древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1990. 304 с.
9. Baar J., Pařil P., Rozbořil T., Kúdela J. Colour Stability of Chemically Modified Oak Wood – Nanoiron and Ammonia Treatment // Proceedings of the “Eco-Efficient Re-source Wood with Special Focus on Hardwoods”, Sopron, September 8–9, 2016. Sopron, Hungary, 2016. Pp. 35–36.
10. Grigorev I.V., Grigorev G.V., Nikiforova A.I., Kunitckaia O.A., Dmitrieva I.N., Khitrov E.G., Pásztory Z. Experimental Study of Impregnation Birch and Aspen Samples // BioResources. 2014. Vol. 9, iss. 4. Pp. 7018–7026. Режим доступа: https://bioresources. cnr.ncsu.edu/wp-content/uploads/2016/06/BioRes_09_4_7018_Vladislavovich_VIANGP_ Exper_Impreg_Birch_Aspen_6136.pdf (дата обращения: 06.10.2014).
11. Lisov V.Yu, Grigorev I.V. Determination Coefficient Filtration of Forest Soil // Proceedings of the IV International Research and Practice Conference “European Science and Technology”, Munich, April 10–11, 2013. Munich, Germany: Vela Verlag Waldkrai-burg, 2013. Vol. I. Pp. 268–274.
12. Pařil, P., Brabec M., Maňák O., Rousek R., Rademacher P., Čermák P., Dejmal A. Comparison of Selected Physical and Mechanical Properties of Densified Beech Wood Plasticized by Ammonia and Saturated Steam // European Journal of Wood and Wood Products. 2014. Vol. 72, iss. 5. Pp. 583–591.
13. Pařil P., Dejmal A. Moisture Absorption and Dimensional Stability of Poplar Wood Impregnated with Sucrose and Sodium Chloride // Maderas. Ciencia y tecnología. 2014. Vol. 16, no. 3. Pp. 299–311.
14. Rademacher P., Pařil P., Baar J., Čermák P., Rousek R., Meier D., Koch G., Schmitt U. Improvement of Wood Properties due to Impregnation of Wood with Renewable Liquids from Different Process Residues of Native Origin // Proceedings of the First COST Action FP1307 International Conference – Life Cycle Assessment, EPDs, and Modified Wood, Koper, August 25–26, 2015. Koper, Slovenia, 2015. Pp. 28–30.
15. Sablík P., Giagli K., Pařil P., Baar J., Rademacher P. Impact of Extractive Chemical Compounds from Durable Wood Species on Fungal Decay аfter Impregnation of Nondurable Wood Species // European Journal of Wood and Wood Products. 2016. Vol. 74, iss. 2. Pp. 231–236.

Поступила 01.06.18

Ссылка на английскую версию:

Mathematical Modeling of Impregnation of Wood in Piezo Periodic Field

UDC 674.048.5
DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.5.168

Mathematical Modeling of Impregnation of Wood in Piezo Periodic Field

O.A. Kunitskaya¹, Doctor of Engineering Sciences, Professor
S.S. Burmistrova², External Postgraduate Student
E.G. Khitrov³, Associate Professor
A.N. Minaev³, Doctor of Engineering Sciences, Professior
¹Yakut State Agricultural Academy, sh. Sergelyakhskoye 3 km., 3. Yakutsk, 677007, Russian Federation;
e-mail: ola.ola07@mail.ru
²Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov, ul. Timiryazeva, 8, Voronezh, 394087, Russian Federation;
e-mail: sve2091@yandex.ru
³Saint-Petersburg State Forest Technical University named after S.M. Kirov, pr. Institutskiy, 5, Saint-Petersburg, 194021, Russian Federation;
e-mail: yegorkhitrov@mail.ru, stl@spbftu.ru

Nowadays much research has been done on the methods of wood modification aimed at obtaining new structural and protective materials which have better serviceability and technical and economic features of production in comparison with available materials of similar purposes. There are known methods for modifying wood, which allow replacing non-ferrous metals in friction couples and using modified wood-based materials for protection against neutron fluxes, etc. One of the most common ways of modifying wood along with compaction is impregnating by liquids with different properties. Equipment based on the piezo periodic filed effect for efficiency improvement of wood impregnation was created. The impregnation rate is higher in comparison with the other known methods since the samples are additionally exposed to pulse pressure intensification. The difference of parameters describing the filtration in wood capillaries and pores were not taken into account in previously developed mathematical models of operation of such equipment. The implementation of the developed mathematical model discovered that after 25 cycles of pressure increasing the sample will be impregnated by 25–30 cm depending on wood species. The process takes 60 seconds. This shows that the proposed designs of equipment for impregnation of wood with the use of water hammer as well as pressure – discharge – pressure principle exceed already known equipment. The results of the model implementation show that contributions of filtration in pores and capillaries are comparable. The filtration in pores is not as fast as in capillaries. We consider experiments aimed at obtaining additional data on wood permeability separately in pores and capillaries as a promising area for the further research. New experimental data will allow solving the issue of impregnation optimization in order to obtain uniformly impregnated samples in a minimum of treatment time.

Keywords: water hammer, impregnation of wood, capillary filling, model of pore space of wood.

REFERENCES

1. Grigor’yev I.V. Tekhnologicheskiye protsessy lesosechnykh rabot s uglublennoy obrabotkoy drevesiny [Technological Processes of Logging Operations with Advanced Wood Processing]. Fevral’skiye chteniya: sb. materialov nauch.-prakt. konf. prof.-prep. sostava Syktyvkar. lesn. in-ta po itogam NIR v 2015 g. Syktyvkar, 16–19 fevr. 2016 [Febru-ary readings. Proceedings of the Sci.-Pract. Conf. of the Faculty of the Syktyvkar Forest Institute According to the Research Work Results in 2015, Syktyvkar, February 16–19, 2016]. Syktyvkar, SLI Publ., 2016, pp. 121–126.
2. Grigor’yev I.V. Povysheniye effektivnosti osvoyeniya lesosechnogo fonda maloy kontsentratsii [Improving of Logging Efficiency of Merchantable Volume of Low Concen-tration]. Povysheniye effektivnosti lesnogo kompleksa: materialy Vtoroy vseros. nauch.-prakt. konf. s mezhdunar. uchastiyem, posvyashchennoy 65-letiyu vyssh. lesn. obrazovaniya v Respublike Kareliya Petrozavodsk, 24 maya 2016 g. [Improving of Efficiency of the For-est Complex. Proceedings of the Second National Russian Sci.-Pract. Conf. with Interna-tional Part., Dedicated to the 65th Anniversary of Higher Forest Education in the Republic of Karelia, Petrozavodsk, May 26, 2016], Petrozavodsk, PetrGU Publ., 2016, pp. 62–65.
3. Kunitskaya O.A. Modelirovaniye razlichnykh sposobov propitki drevesiny polimerami [Modeling of Different Methods of Wood Impregnation with Polymers]. Lesnoy Vestnik [Forestry Bulletin], 2011, no. 3, pp. 131–135.
4. Kunitskaya O.A. Obosnovaniye napravleniy diversifikatsii obrabotki nizkoto-varnoy drevesiny na kompleksnykh lesopromyshlennykh predpriyatiyakh s ispol’zovaniyem innovatsionnykh tekhnologiy [Objectivation of the Diversification Directions of Low-Grade Wood Processing at the Integrated Forest Enterprises with the Use of Innovative Technologies]. Saint Petersburg, SPbGLTU Publ., 2015. 250 p. (In Russ.)
5. Kunitskaya O.A., Bazarov S.M., Rzhavtsev A.A., Grigor’yev I.V. Konstruktsiya i teoriya rascheta ustanovki dlya propitki drevesiny vyazkotekuchimi komponentami v p’yezo pole [Design and Calculating Theory of the Equipment for Impregnation of Viscous-Flow Components in Piezo Shock Field]. Spravochnik. Inzhenernyi zhurnal [Handbook. An Engineering Journal]. 2011, no. 1, pp. 41–43. Available at: https://elibrary.ru/title_about. asp?id=8233 (accessed 01.06.18)
6. Kunitskaya O.A., Burmistrova S.S., Tikhonov I.I., Grigor’yev I.V. Ustroystvo dlya propitki drevesiny [Device for Impregnation of Wood]. Useful Model Patent. No. 119283. Published 20.08.2012.
7. Kunitskaya O.A., Rzhavtsev A.A., Grigor’yev I.V., Sokolova V.A. Ustroystvo dlya propitki derevyannykh zagotovok [Device for Impregnation of Wood]. Useful Model Patent. No. 91927. Published 10.03.2010.
8. Patyakin V.I., Tishin Yu.G., Bazarov S.M. Tekhnicheskaya gidrodinamika drevesiny [Technical Hydrodynamics of Wood]. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1990. 304 p. (In Russ.)
9. Baar J., Pařil P., Rozbořil T., Kúdela J. Colour Stability of Chemically Modified Oak Wood – Nanoiron and Ammonia Treatment. Proceedings of the “Eco-Efficient Re-source Wood with Special Focus on Hardwoods”. Sopron, September 8–9, 2016. Sopron, Hungary, 2016, pp. 35–36.
10. Grigorev I.V., Grigorev G.V., Nikiforova A.I., Kunitckaia O.A., Dmitrieva I.N., Khitrov E.G., Pásztory Z. Experimental Study of Impregnation Birch and Aspen Samples. BioResources, 2014, vol. 9, iss. 4, pp. 7018–7026. Available at: https://bioresources.cnr. ncsu.edu/wp-content/uploads/2016/06/BioRes_09_4_7018_Vladislavovich_ VIANGP_ Ex-per_Impreg_Birch_Aspen_6136.pdf (accessed 06.10.2014).
11. Lisov V.Yu, Grigorev I.V. Determination Coefficient Filtration of Forest Soil. Proceedings of the IV International Research and Practice Conference “European Science and Technology”, Munich, April 10–11, 2013. Munich, Germany, Vela Verlag Waldkrai-burg, 2013, vol. I, pp. 268–274.
12. Pařil P., Brabec M., Maňák O., Rousek R., Rademacher P., Čermák P., Dejmal A. Comparison of Selected Physical and Mechanical Properties of Densified Beech Wood Plasticized by Ammonia and Saturated Steam. European Journal of Wood and Wood Products, 2014, vol. 72, iss. 5, pp. 583–591.
13. Pařil P., Dejmal A. Moisture Absorption and Dimensional Stability of Poplar Wood Impregnated with Sucrose and Sodium Chloride. Maderas. Ciencia y tecnología, 2014, vol. 16, no. 3, pp. 299–311.
14. Rademacher P., Pařil P., Baar J., Čermák P., Rousek R., Meier D., Koch G., Schmitt U. Improvement of Wood Properties due to Impregnation of Wood with Renewable Liquids from Different Process Residues of Native Origin. Proceedings of the First COST Action FP1307 International Conference – Life Cycle Assessment, EPDs, and Modified Wood, Koper, August 25–26, 2015. Koper, Slovenia, 2015, pp. 28–30.
15. Sablík P., Giagli K., Pařil P., Baar J., Rademacher P. Impact of Extractive Chemical Compounds from Durable Wood Species on Fungal Decay аfter Impregnation of Nondurable Wood Species. European Journal of Wood and Wood Products, 2016, vol. 74, iss. 2, pp. 231–236.

Received on June 01, 2018

---

For citation: Kunitskaya O.A., Burmistrova, S.S., Khitrov E.G., Minaev A.N. Mathematical Modeling of Impregnation of Wood in Piezo Periodic Field. Lesnoy Zhurnal [Forestry Journal], 2018, no. 5, pp. 168–180. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.5.168