Анализ результатов физического и математического моделирования процесса термического разложения древесины

Анализ результатов экспериментальных исследований

В результате проведенных исследовательских работ по вышеописанным методикам были получены экспериментальные зависимости давления, температуры, плотности и коэффициента проницаемости при термическом разложении древесины с кондуктивным подводом тепла. Выведены зависимости локального избыточного давления в процессе термического разложения древесины по толщине (рис. 3.9), а также пространственного распределения давления в образце в различные моменты времени (рис. 3.10).

Рис. 3.9. Зависимость локального избыточного давления в процессе термического разложения древесины по толщине на глубине:

Рис. 3.10. Пространственное распределение давления в образце в различные моменты времени:

1 - т = 330 с; 2 - т = 600 с; 3 - т = 810 с; 4 - т = 960 с

Достаточно высокие уровни давления внутри образца при термическом разложении являются показателем того, что миграция продуктов термического разложения осуществляется преимущественно фильтрацией за счёт разности давления, что подтверждает верность принятых допущений, сделанных во второй главе при разработке математической модели термического разложения. Пространственное распределение давления в образце в различные моменты времени показывает, что зона максимального избыточного давления продвигается в глубь образца в виде волны с увеличением максимума, несмотря на снижение интенсивности термического разложения внутри образца. Также следует отметить, что рост давления осуществляется до определенного максимума с последующим резким снижением, причём величина данного максимума в локальных областях увеличивается по мере заглубления. Очевидно, данное обстоятельство связано с тем, что мы имеем дело с предполагаемым разрушением части каркаса с образованием дефектов, в результате чего происходит резкий переток продуктов пиролиза за счёт разности давления в окружающую среду. Природа образования данных дефектов, очевидно, состоит в неравномерном тепловом и механическом воздействии на лигноцеллюлозный комплекс древесины, в результате чего возникают внутренние напряжения в клеточной стенке, что приводит к появлению микротрещин и каналов на макроуровне.

Рис. 3.11. Зависимость локальной температуры в процессе термического разложения древесины:

• 1 - на поверхности; 2 - на глубине 5 мм; 3 -на глубине 10 мм;
• 4 -на глубине 15 мм; 5 -на глубине 20 мм; 6 -на глубине 25 мм

Обработка экспериментальных данных по исследованию динамики температур позволила получить картину пространственного распределения температуры в образце, представленную в виде графических зависимостей на рис. 3.11 и 3.12. Представленные зависимости свидетельствуют о том, что прогрев образца по толщине происходит также неравномерно с замедлением темпа прогрева во внутренних слоях, что, очевидно, связано со значительным 60

увеличением термического сопротивления при превращении конденсированной фазы от лигноцеллюлозного комплекса к углистому веществу. Также следует отметить перегибы на температурных кривых, показывающие отчетливые экзотермические эффекты, влияние которых особо заметно во внутренних слоях образца (термопреобразователи № 2 - 5 на рис. 3.11).

Рис. 3.12. Пространственное распределение температуры в процессе термического разложения древесины:

• 1 -т = 0 с; 2 -т = 5 с; 3 — т = 200 с; 4 -т - 600 с; 5 -т - 800 с;
• 6-т = 1000 с; 7-i = 2000 с; 8-т = 3000 с

На основании полученных данных обработки рентгенографического анализа по выражению (3.1) были построены кривые распределения относительной плотности по толщине образца в различные моменты времени (рис. 3.13), которые отображают отчетливую неравномерность плотностей при термическом разложении древесины. По мере продвижения фронта термического разложения древесины скорость изменения плотности и скорость термического разложения уменьшается в связи с увеличением термического сопротивления и снижением скорости подвода тепла в глубь образца. В связи с замедлением скорости реакций равновесие смещается в сторону твёрдых продуктов пиролиза. На рис. 3.14 представлена зависимость изменения относительной массы образца в процессе термического разложения древесины. По изменению относительной массы образца древесины можно судить о замедлении скорости реакции термического разложения, а также о прекращении процесса (кривая становится параллельной оси х).

Рис. 3.13. Распределение относительной плотности по толщине образца в различные моменты времени:

1 -10 с; 2 -120 с; 3 -180 с; 4 -240 с

Рис. 3.14. Изменение относительной массы образца в процессе термического разложения древесины

Также в результате опытов, проведенных на установке по исследованию коэффициента проницаемости (см. рис. 3.4), были построены зависимости изменения расхода газа от разности давления при различных температурах разложения (рис. 3.15). Зависимости изменения расхода газа в исследуемом диапазоне имеют линейный характер, что говорит о допустимости применения закона Дарси [4] при моделировании процессов переноса парогазовой среды в древесине при термическом разложении. Далее на основании обработки экспериментальных данных по выражению (3.2) была получена зависимость коэффициента проницаемости от температуры

Рис. 3.15. Зависимость изменения расхода газа от разности давления:

1-Т = 200°С; 2-Т = 250 °C; 3 -Т = 350 °C; 4 -Т = 500 °C

Рис. 3.16. Зависимость коэффициента проницаемости от температуры термического разложения

Зависимость коэффициента проницаемости от температуры показывает, что коэффициент проницаемости увеличивается при увеличении температуры нелинейно. Причём резкое изменение коэффициентов проницаемости происходит в узком диапазоне температуры (350^-500 °C). Именно в этом температурном интервале и происходят основные реакции термического разложения компонентов древесины с существенными изменениями пористого каркаса.