Анализ процесса гидродинамического воздействия на сырье из отходов лесозаготовок при получении древесной массы

Проект «Разработка и внедрение эффективной технологии комплексной переработки лесосечных отходов» проведен при поддержке Красноярского краевого фонда науки».

АННОТАЦИЯ

В работе представлены результаты исследования возможности использования кавитационного эффекта при производстве древесной массы из отходов лесозаготовок. Выполнен анализ процесса возникновения кавитационного эффекта. Выполнен анализ существующих конструкций машин, создающих кавитационный эффект для получения древесноволокнистого полуфабриката из отходов растительного происхождения. Обоснована возможность использования кавитационного эффекта при производстве древесноволокнистой массы из щепы, полученной в результате переработки отходов лесозаготовок.

ABSTRACT

The paper presents the results of the study of the possibility of using the cavitation effect in the production of wood pulp from logging waste. The analysis of the process of occurrence of the cavitation effect is performed. The analysis of existing designs of machines creating cavitation effect for production of wood-fiber semi-finished product from waste of plant origin is carried out. The possibility of using the cavitation effect in the production of wood-fiber mass from chips obtained as a result of processing of logging waste is substantiated.

Ключевые слова: кавитация, древесноволокнистый полуфабрикат, размол, кавитатор, фибриллирование, комбинирование.

Keywords: cavitation, wood-fiber semi-finished product, grinding, cavitator, fibrillation, combination.

В процессе лесозаготовок образуются древесные отходы, составляющие примерно 39%. Очень важно перерабатывать древесину комплексно. Это можно осуществить путем вторичного производства, где в качестве сырья будут использоваться отходы лесозаготовки. Одним из  направлений является производство древесноволокнистого полуфабриката. Основной операцией в данном производстве является размол, который может осуществляться различными способами (ножевой и безножевой).

Размол в ножевом способе осуществляется в одну ступень, либо в две ступени, в зависимости от способов производства и исходного состояния сырья. Ножевой способ заключается в передаче энергии волокнам посредством силового прямого контакта от лежащих друг напротив друга жестких рабочих элементов к защемленному между ними[1], деформируемому слою волокнистого материала.На первой ступени размола осуществляется термогидролитическая обработка щепы, происходит ослабление связей между волокнами в результате пластификации срединной пластинки и в дальнейшем под действием ножей размалывающей гарнитуры разделение щепы на волокна. На второй ступени происходит выравнивание фракционного состава и разделение не размолотых пучков при атмосферном давлении.

Сущность безножевого способа можно рассмотреть на примере установки типа «Струя-преграда», в которой происходит передача энергии посредством силового воздействия физических процессов и явлений на волокна, свободно движущиеся в жидкой среде. К силовым факторам данного типа воздействия относятся: кавитация, пульсации гидродинамического давления, усилия сдвига в градиентном потоке, трения волокон друг о друга, а также о жесткие элементы машин, напряжения, носящие турбулентный характер [2].

Процессом, оказывающим значительное воздействие на качество древесного волокна в безножевом способе, является процесс кавитации. Данный процесс можно использовать, как ключевой фактор усовершенствования процесса размола [3].

Кавитация (холодное кипение) – явление образования паровых каверн в жидкости при достаточном понижении давления, развития и последующего их замыкания при повышении давления. От обычного кипения кавитация отличается тем, что при ней процесс предопределяется изменением давления вне каверны, а при кипении давление растет внутри каверны.

Рассмотрим уравнение Бернулли для двух точек линии тока идеальной несжимаемой жидкости

                                           (1)

где γ – удельный вес, g– ускорение силы тяжести.

Уравнение Бернулли отражает частный случай закона сохранения энергии. Вдоль линии тока сумма Е энергии давления и кинетической энергии c²/2g и энергии положения h единицы веса жидкости остается неизменной. Если в процессе движения жидкости происходит нарастание скорости или жидкость поднимается, увеличивая энергию положения, то в соответствии с уравнением Бернулли давление р уменьшается и может достичь такой величины p_d, при которой данная жидкость при данной температуре вскипает, переходит в газообразное состояние. Процесс вскипания происходит за очень малые промежутки времени и носит характер взрыва. Сплошность потока нарушается, однофазная среда превращается в двухфазную. В жидкости образуются и составляют в ней существенный объем полости, заполненные паром, так называемые паровые каверны.

Если паровые каверны движутся вместе с потоком, то они попадают в зону повышенного давления. Происходит практически мгновенная конденсация пара в каверне, каверна замыкается, создавая весьма значительные давления, высокие температуры, электрические разряды, свечение, активизируя химические, в частности коррозионные, процессы.

Мощный гидравлический удар, сопровождающий замыкание кавитационной каверны (таблица 1) приводит к разрушению материала, находящегося в радиусе действия и направления. При определенной степени развития кавитации характер течения настолько трансформируется, что заметно меняются внешние интегральные характеристики течения.

Таблица 1.

Развитие кавитационного пузырька в схлопывающегося в виде каверны

Схематичноеизображение
Фаза	Образование ядра	Расширение	Достижение максимального радиуса	Коллапс	Взрыв
Описание процесса фазы	Разрыв сил сцепления в жидком континууме образования пустоты	Рост пустот при постоянной подаче энергии	Максимальный рост пустот при постоянной подаче энергии	Разрушение пустоты (полости) при удалении источника энергии	Высвобождение энергии

Следует отличать паровую кавитацию от газовой, когда рост кавитационного пузырька происходит за счет уменьшения внешнего давления, не доходящего до давления парообразования, и диффузии газа из внешнего потока. Газовая кавитация развиваетсямедленно и, хотя сопутствует паровой кaвитации, не влияет практически на ее характер[4].

Таким образом, в ходе исследований было установлено, что кавитационный эффект целесообразно использовать при производстве древесноволокнистого полуфабриката из щепы, полученной в результате переработки отходов лесозаготовок. Использование комбинированной машины в производственных условиях позволит исключить вторую ступень размола щепы и вовлечь в производство дополнительный ресурс в виде порубочных остатков.

Список литературы:
1. Степанов В. И., Мезина Н. А. Отходы лесной промышленности и их использование в национальном хозяйстве // Вестник Российского экономического университета им. Г.В. Плеханова. – 2012. – №3. – С. 26-32.
2. Зырянов М. А., Чистова Н. Г., Алашкевич Ю. Д. Основные тенденции развития производства древесноволокнистой массы // Лесосибирский филиал СибГТУ. – Лесосибирск, 2011. – 9 с. – Деп в ВИНИТИ 14.02.11, № 68-В2011
3. Ласкеев П.Х. Производство древесной массы: учеб. для вузов. – М.: Лесн. Пром-сть, 1967. – 580 с.
4. Булаев Е.В., Зырянов М.А., Сыромятников С.В. Анализ силовых факторов процесса ножевого размола // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красноярск, 2018. – С. 137-139.