Введение к работе
Актуальность темы. Одна из проблем, стоящих перед лесной промышленностью, - сокращение потерь древесного сырья в процессе заготовки и переработки. Одним из направлений полного использования биомассы дерева является использование пневой древесины Решение этой проблемы связано с организацией, техникой и технологией заготовки пневого осмола, используемого для получения экстракционной канифоли, скипидара и других химических компонентов Потребность в канифоли промышленностью удовлетворяется только на 60-65%, несмотря на значительные запасы пневого осмола.
В настоящее время заготовка пневого осмола осуществляется механизированным и взрывным способами. Данные способы корчевки пневого осмола не обеспечивают очистку пневой древесины от грунта и крупных твердых фракций, связанных с корневой системой После корчевки пневая древесина содержит 40-50% грунта и крупных твердых фракций от общего веса пня. Возникает также необходимость в отделении от просмолившейся части пня гнили, коры и мелкой корневой системы, практически не содержащих смолистых веществ
Лесная промышленность располагает различными механическими, химическими и другими способами очистки круглых лесоматериалов Однако специфические особенности и строение пневой древесины исключают возможности использования этих способов для очистки пней В настоящее время в отечественной и зарубежной практике лесопромышленных производств делаются попытки применения гидравлической окорки и очистки круглых лесоматериалов Сущность такой гидравлической обработки заключается в воздействии на круглые лесоматериалы гидравлической струи, направляемой под высоким давлением на поверхность, подлежащую обработке Наиболее целесообразным представляется использование в этом случае импульсных гидравлических струй Применение импульсных гидравлических струй позволило значительно снизить энергоемкость окорочных машин и потребности воды для очистки по сравнению со стационарными
Основным сырьем для канифольно-экстракционных и смоло-скипидарных предприятий является технологическая щепа, полученная из пневого осмола Существующий ГОСТ на технологическую щепу, полученную из пневого осмола, предусматривает содержание смолистых веществ в щепе не менее 13%, что не обеспечивается существующим технологическим процессом изготовления технологической щепы на канифольно-экстракционных заводах В связи с этим возникает не-
обходимость в отделении от технологической щепы частиц с содержанием смолистых веществ менее 13% Единственным способом, позволяющим достичь желаемого результата, на наш взгляд, является разделение технологической щепы с помощью электростатического сепаратора
Цель работы. Повышение эффективности лесопромышленного производства на основе разработки технологии получения и сортировки технологической щепы из пневой древесины для рационального использования биомассы древесного сырья, снижения трудовых и энергетических затрат на получение 1 м3 щепы, повышения её качества, улучшения условий труда.
Объект и предмет исследования. Объектами исследования являлись
технология очистки пневой древесины импульсными гидравлическими струями,
технология сортировки технологической щепы, полученной из пневой и некондиционной древесины в электростатическом поле,
спелый и свежий пневой осмол,
технологическая щепа
В границах объекта изучались следующие предметы исследований
- динамические, геометрические, структурные характеристики и на
чальные параметры импульсных гидравлических струй жидкости, исте
кающих в воздушную среду,
процесс отделения от пневой древесины грунта, коры, гнили и мелкой корневой системы в результате воздействия импульсной гидравлической струи,
геометрические и начальные параметры электростатического поля создаваемого в сепараторе свободного падения щепы,
процесс разделения технологической щепы по смолистости в сепараторе свободного падения
Методы исследований. В основу исследования положены научные положения гидродинамики струйных течений (закон сохранения энергии жидкости совместно с уравнением неразрывности, теорема об изменении количества движения, закон теории электричества Кулона и движения диэлектрика в неоднородном электрическом поле), анализ технических и технологических объектов, методы планирования эксперимента При решении экспериментальных задач использована теневая видеосъёмка, применены методы статистической обработки результатов эксперимента и компьютерные средства обработки полученных данных
Проведено сравнение разработанных теоретических положений с результатами натурного эксперимента
Научная новизна. Установлены закономерности воздействия импульсной гидравлической струи на цилиндрические поверхности со сложной образующей применительно к технологии очистки спелого и свежего пневого осмола.
экспериментально определены структурные, динамические, геометрические характеристики свободных импульсных струй жидкости, отличающиеся конструктивными и технологическими особенностями разработанных гидроимпульсаторов,
выведены аналитические зависимости гидродинамического давления импульсной гидравлической струи на твердую неподвижную криволинейную преграду от параметров свободной струи, отличающиеся частотой и скважностью ее формирования,
получены регрессионные зависимости ширины полосы очищенного осмола от грунта, гнили, коры и мелких корней от параметров импульсной гидравлической струи,
разработаны устройства для создания импульсных гидравлических струй, защищенные патентами РФ и авторским свидетельством на изобретение,
Установлены закономерности отклонения технологической щепы в электростатическом поле высокого напряжения применительно к технологии сортировки щепы по смолистости
выведены аналитические зависимости отклонения и траектории движения технологической щепы в электростатическом поле от его начальных параметров, отличающиеся от движения сыпучих материалов в сепараторах свободного падения,
разработан способ и устройство для сортировки технологической щепы по смолистости, защищенные патентами РФ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Аналитические зависимости характеристик гидродинамического давления импульсной гидравлической струи на твердую неподвижную криволинейную преграду от начальных параметров струи, позволяющие рассчитывать динамическое воздействие импульсной струи, создаваемой гидроимпульсатором
-
Аналитические зависимости отклонения технологической щепы в электростатическом поле при свободном падении от его начальных параметров, позволяющие рассчитать параметры электрического сепаратора.
3 Защищенные патентами технические решения конструкций гид-роимпульсаторов для очистки пневой древесины
-
Защищенный патентом способ сортировки технологической щепы для её разделения по смолистости и размеру в зависимости от начальных параметров электростатического поля.
-
Результаты экспериментальных исследований в виде регрессионных зависимостей переработки пневой древесины на щепу, позволяющие произвести расчет основных параметров установок для очистки и сортировки при их проектировании.
6 Технологические схемы переработки пневой древесины в щепу, позволяющие совершенствовать технологический процесс
Научная и практическая значимость заключается в создании технологических схем получения высококачественной щепы из пневой древесины с использованием установок гидроимпульсной очистки и разделки пневого осмола и электростатической сортировки технологической щепы по смолистости Разработанные аналитические зависимости могут быть использованы при проектировании промышленных установок и определении высокоэффективных технологических режимов операций очистки пневой древесины и сортировки технологической щепы Полученные результаты также могут быть использованы для создания технологий переработки пневой древесины с целью более полного использования биомассы дерева и рационального потребления лесных ресурсов
Достоверность и обоснованность выполненных исследований. Научные положения и выводы, изложенные в диссертации, отражают физическую сущность объектов исследования и базируются на фундаментальных законах гидродинамики и электростатики, методах математической статистики Достоверность выполненных исследований подтверждается достаточной сходимостью разработанных теоретических положений с результатами натурных экспериментов и обеспечена применением измерительной аппаратуры, поверенной Марийским комитетом по стандартизации и метрологии
Личное участие автора в получении результатов. Автор участвовал в постановке задачи, составлении программы и методики исследований. Автором собран и обработан экспериментальный материал, сделаны обобщения и сформулированы выводы. Разработаны конструкции устройств для создания импульсных струй жидкости, способ и установка для сортировки технологической щепы по смолистости защищенные патентами Российской Федерации Участвовал в пуско-наладочных работах по монтажу и испытаниях экспериментального образца установки
гидроимпульсной очистки ЛО-48 на Междуреченском лесоперевалочном комбинате.
Практическая реализация работы. Полученные результаты используются в опытно-конструкторских разработках Кировского НИИ лесной промышленности при создании технологических процессов переработки некондиционной и пневой древесины, сортировки технологической щепы Экспериментальный образец установки гидроимпульсной очистки ЛО-48, изготовленный кафедрой водного транспорта леса и гидравлики Марийского политехнического института (МарГТУ) и Минлесбумпромом СССР прошел производственные испытания на Междуреченском лесоперевалочном комбинате Лабораторные установки очистки пневой древесины импульсными струями жидкости и сортировки технологической щепы внедрены в учебный процесс Марийского государственного технического университета, Марийского государственного педагогического института Конструкция гидроимпульсатора использована Йошкар-Олинским автотранспортным предприятием №1 при проектировании гидроустановки МИУ-3 Практическая реализация диссертации подтверждена актами внедрения Внедрение в технологический процесс лесозаготовительных предприятий линии по переработке пневой древесины в технологическую щепу создает ожидаемый чистый доход в размере 12094 тыс. р и чистый дисконтированный доход в размере 6910,4 тыс р
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации, отдельные ее разделы были заслушаны и получили одобрение на научно-технических и научно-практических конференциях Марийского государственного технического университета в 1982-1984, 1987, 1996, 1998, 1999, 2003 годах, Марийского государственного педагогического института в 1997-2003 годах, на координационном совещании в Кир-НИИЛПе по формированию плана НИ и ОКР на 1985 г «Комплексная механизация заготовки осмола и добычи живицы».
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 40 работах (общий объём 38,5 п л), из них 12 работ в соавторстве (2,8 п.л), авторский вклад 50%, в том числе 3 монографии (24,4 п л ), 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования РФ(3,6 п л ), 4 патента РФ (1,2 п л.), авторское свидетельство на изобретение (0,2 п.л).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 250 наименований, 22 приложений Общий объем диссертации составляет 360 с, из них. 290 с основного текста, 38 иллюстраций, 102 таблицы, приложения на 70 с.
