Systems. Methods. Technologies 2 (42) 2019

Systems Methods Technologies. G.N. Kolesnikov et al. Simulation of pre-dried … 2019 № 2 (42) p. 73-79 74 of the drying and impregnation processes is highest in their initial stage and quickly decreases with time. The adequacy of the simula- tion results is confirmed by their consistency with the findings of experimental and theoretical studies known in the literature. Taking into account these regularities, it is justified that in order to increase the effectiveness of protective wood treatment according to the technology in question, it is necessary to minimize the time interval between the completion of pre-drying and the start of impregnation. As a result, while improving technologies and equipment, it will reduce the time and, therefore, energy for impregnation of wood with pre-drying. Prospects for the study are based on the differences in the wood of the core and non-core species. The implemented ap- proach to building models of drying and impregnation can be adapted to the analysis of other capillary-porous materials in order to improve the efficiency of their industrial processing technologies and environmental safety. Keywords: wood; drying and impregnation; anthropogenic impact; modeling; drying efficiency with pre-impregnation. Введение Необходимым технологическим звеном при подго- товке древесных заготовок к дальнейшему использова- нию являются повышение их огнестойкости и защита от биодеградации. Ряд стандартных способов огне- и биозащитной обработки древесины и материалов на ее основе хорошо известны [1; 2]. Однако проблема эко- логически безопасной, технологически несложной и экономически целесообразной пропитки древесины сохраняет свою актуальность, что отражено, например, в работах [3–10]. Актуальность проблемы объясняется необходимостью совершенствования технологий, обо- рудования и веществ, предназначенных для обработки древесины, что требует продолжения исследований с учетом современных требований экологической безо- пасности и энергоэффективности. В данной статье внимание фокусируется на двух за- дачах, которые непосредственно относятся к техноло- гиям сушки и пропитки древесины; при этом постанов- ка и методики решения задач ориентированы на уменьшение затрат энергии и на улучшение экологиче- ских характеристик способа пропитки с предваритель- ной конвективной сушкой. Обращаясь к количественным оценкам энергетиче- ской эффективности, заметим, что суммарный расход тепловой и электрической энергии при сушке пилома- териалов в конвективной камере периодического дей- ствия по стандартной технологии может составить 1,807 ГДж на 1 м 3 высушиваемой древесины [11]. Экономическую целесообразность продолжения иссле- дований в рассматриваемой области подтверждают результаты работы [11], в которой обосновано, что суммарный расход энергии на сушку может быть уменьшен примерно в два раза, если использовать ав- томатизированный контроль относительной влажности воздуха в конвективной камере, а также применить рекуператоры и перейти от принудительной циркуля- ции воздуха к естественной циркуляции. При этом обеспечивается высокое качество сушки пиломатериа- лов, но продолжительность процесса сушки увеличива- ется на 20–25 % по сравнению с использованием энер- гоемкой принудительной циркуляции воздуха. Рассматривая экологические аспекты процесса сушки, необходимо принимать во внимание следую- щие обстоятельства. Как известно, в начальной стадии сушки наиболее интенсивно удаляется свободная (капиллярная) влага, заполняющая в древесине пространство между стенка- ми клеток. По мере уменьшения влажности древесины интенсивность удаления свободной влаги уменьшается, но возрастает интенсивность удаления связанной вла- ги, т. е. влаги, содержащейся в стенках клеток. Макси- мальное содержание связанной влаги в древесине составляет около 30 % и мало зависит от породы дре- весины [12]. При сушке из древесины экстрагируются водорас- творимые вещества, в том числе фурфурол и формаль- дегид, которые наиболее опасны для окружающей сре- ды и человека [13]. По классификации ГОСТ 12.1.007, фурфурол и формальдегид относятся соответственно к умеренно опасным и особо опасным веществам соответственно 3-го и 2-го класса опасности по ГОСТ 12.1.005. Указанные поллютанты выделяются с наибольшей интенсивностью на начальной стадии сушки [13], когда из древесины удаляется свободная влага. Анализ известных по литературе данных указы- вает на необходимость более детального обсуждения стадий сушки с учетом фактора времени и затрат энер- гии [11; 13–15]. В данной работе предполагается, что для пропит- ки используется раствор антипиренов и антисепти- ков в жидкостях, не образующих пленку на поверх- ности древесины, но проникающих в ее толщу, вследствие чего формируется приповерхностный защитный слой, т. е., по стандартной терминологии [2], выполняется поверхностная (неглубокая) про- питка. Однако если толщина обрабатываемой заго- товки небольшая и соизмерима с глубиной пропитки, то может иметь место частный случай глубокой про- питки; вероятность такого случая возрастает с уменьшением толщины обрабатываемых элементов, которые предназначены для использования в некото- рых ограждающих строительных конструкциях [16]. Целью настоящей работы является обоснование рекомендаций по совершенствованию технологии по- верхностной пропитки с предварительной конвектив- ной сушкой путем уменьшения затрат энергии и улуч- шения экологических характеристик на основе анализа и обобщения экспериментальных и теоретических дан- ных об особенностях данной технологии на примере осиновых и сосновых образцов. Материалы и методы исследования. Примене- ние метода системного анализа показало, что для обоснования рекомендаций по совершенствованию технологии пропитки после неполной сушки необхо- димо более детально исследовать закономерности изменения интенсивности сушки и пропитки. Древе- сину рассматриваем как капиллярно-пористый мате- риал. В соответствии с целью работы определена ключевая закономерность, выражающаяся в том, что «при отсутствии в древесине свободной влаги коли- чество влаги внутри полостей сосудов, капилляров и пор будет соответствовать ее количеству в окру-