А. Р. Бирман, С. А. Угрюмов, Н. А. Белоногова,
О. М. Матер, Н. А. Вохмянин,
Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова

Традиционно, качественные характеристики выпускаемого лесопромышленными предприятиями биотоплива, пеллет и брикетов, оценивают по параметрам влажности, насыпной плотности, массы и зольности, что позволяет потребителям оценить низшую теплоту сгорания. Такие факторы как твердость, стойкость при истирании и содержание различных примесей также принимаются во внимание, но, как правило, являются вторичными.

Вместе с тем, введение на участках производства биотоплива дополнительной операции по оценке показателя плотности отдельных пеллет или брикетов не только позволит контролировать качество выпускаемой продукции, но и оперативно выявлять отклонения от заданных параметров технологического процесса, вызываемых изменением фракции или влажности исходного сырья или же неправильными настройками оборудования.

Внедрение подобной операции, позволяющей обеспечить соблюдение стабильности качества выпускаемой продукции, сдерживается сложностью определения объема брикетов и гранул при оценке их единичной плотности. 

Разработанное учеными Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета устройство позволяет быстро и эффективно измерить объемы выпускаемой продукции непосредственно на участке производства биотоплива, а конструкция устройства позволяет изготовить его даже своими силами.

Введение

Одной из важнейших физических характеристик древесины является ее плотность ρ, которая определяется отношением массы древесного образца к его объему [1] и выражается формулой:

ρ = m/V, (1)

где m — масса древесины; V — объем древесины.

В международной системе единиц измерения СИ плотность имеет размерность «кг/м³». Различают следующие виды плотности древесины: плотность цельной древесины, плотность ее твердой фракции и плотность древесинного вещества.

Как правило, в технологических измерениях определяется плотность цельной древесины, численное выражение которой показывает, какое количество древесины (вместе с древесным соком) содержится в ее единичном объеме при определенной влажности. На практике влажность древесины изменяется в широких пределах, при этом меняется и масса древесины. Изменение влажности, особенно в интервале предела насыщения клеточных стенок (0–30%), изменяет и объем древесины, вследствие чего для одного и того же образца древесины при испытаниях можно зафиксировать значения плотности, изменяющейся в значительном интервале [2; 3].

В практических расчетах не учитывают температуру древесины, так как она не оказывает существенного влияния на плотность исследуемых образцов. Зная вес и плотность цельной древесины определенной влажности, можно осуществлять учет древесины в кубических метрах плотной массы, что необходимо для определения производительности оборудования, контроля количества отгружаемой потребителю продукции. Также возможно определять и насыпной объем древесины, что важно при расчетах вместимости складских помещений и транспортных единиц при поставках полуфабрикатов или готовой продукции потребителю. В производственных условиях подсчет объема древесины ведут с учетом коэффициента полнодревесности (табличная величина) [4].

Методы определения плотности древесины

Для определения плотности твердых тел существует несколько основных методов — вытеснение воды или ртути, гидростатическое взвешивание, измерение выталкивающей силы при погружении образцов в жидкость, методы пикнометрический, ультразвуковой, вибрационный и т. д. [5–7]. На практике наиболее точным и доступным является способ, основанный на измерениях объема вытесненной воды. При этом отбор необходимого числа образцов цельной древесины или щепы для испытаний проводится в соответствии с отраслевой нормативной технической документацией [8]. Отметим, что масса относится к числу физических величин, значение которых может быть определено непосредственными измерениями посредством взвешивания. Напротив, объем тела определяется путем косвенных измерений. В случае образцов правильной геометрической формы объем находим из измерения линейных размеров.

При определении плотности вещества образцов неправильной формы вычислить объем образца через линейные размеры невозможно.

Наиболее часто измерения плотности твердых тел неправильной формы осуществляются пикнометрическим методом, который осуществляют в следующей последовательности [3]. Пикнометр (стеклянный сосуд, объем которого известен с большой точностью) заполняют дистиллированной водой (до метки) и взвешивают. Масса пикнометра с водой М₀ равна:

М₀ = ρ₀•V_p + m_p, (2)

где ρ₀ — плотность воды; V_p — объем сосуда; m_p — масса сосуда.

Затем взвешивают исследуемый образец. Его масса m равна:

m = ρV, (3)

где ρ — искомая плотность образца; V — объем образца.

Взвешенный образец погружают в пикнометр с водой, излишек воды удаляют, чтобы ее уровень снова совпал с меткой на сосуде пикнометра, и определяют массу M пикнометра с водой и образцом:

M = ρV + ρ₀ (V_p – V) + m_p = m + ρ₀ (V_p – V) + m_p. (4)

Затем, вычитая (4) из (2) и прибавляя (3), определяют массу вытесненной воды и, определив отсюда объем V, получают выражение для искомой плотности:

ρ = m / V= m ρ₀ / М₀ – M + m. (5)

Недостатками этого способа являются значительное число необходимых последовательных операций, потребность в привлечении высококвалифицированного обслуживающего персонала, трудность реализации в полевых условиях.

Но главным недостатком пикнометрического способа, а также всех вышеупомянутых способов, является невозможность их использования для определения плотности образцов, имеющих плотность ниже плотности дистиллированной воды (или иной жидкости, заливаемой в сосуд пикнометра), так как образец, имеющий положительную плавучесть, вытесняет при погружении объем жидкости меньший, чем собственный объем [9]. Данный аспект в полной мере относится к образцам из цельной или измельченной древесины.

Для полного погружения древесных образцов в жидкость плотномера необходимо использовать некий толкатель, попадание которого в жидкость с погруженным образцом искажает результат по измерению объема исследуемого образца [10].

Рис. 1. Снаряженное устройство перед проведением исследований

Разработка новой конструкции плотномера

Нами предлагается новая конструкция плотномера (см. рис. 1), которая лишена недостатков известных плотномеров и может быть использована для точного оперативного определения объема образцов неправильной формы, обладающих как отрицательной, так и положительной плавучестью. При этом прибор может использоваться при исследовании как цельных образцов, так и измельченных, например, щепы.

Прибор включает прозрачный цилиндрический вертикальный сосуд 1 с жидкостью 2 и исследуемым образцом 3, разделенный на две равные по объему полости жесткой перегородкой 4 с отверстием 5. Сосуд 1 снабжен двумя герметичными геометрически одинаковыми пробками 6 с фиксаторами 7, вертикальной линейкой 8 и жестко скрепленными с сосудом 1 двумя наружными цилиндрическими пальцами 9, ось которых проходит через центр тяжести сосуда 1. Пальцы 9 лежат на опорах вращения 10 вертикальных стоек 11 станины 12, снабженной горизонтальным уровнем 13 и регулируемыми по высоте ножками 14.

Установив прибор на горизонтальной поверхности, добиваются горизонтального положения в пространстве его станины 12 с помощью стандартного уровня 13 и регулируемых по высоте ножек 14.

В сосуд 1, вертикально зафиксированный нижним фиксатором 7, со снятой, например, резьбовой верхней герметичной пробкой 6 вливают жидкость 2 в объеме, равном половине емкости сосуда 1. На жесткую перегородку 4 размещают исследуемый образец 3 (или пробу вещества) и герметизируют сосуд 1 пробкой 6. Затем поворачивают сосуд 1 в вертикальной плоскости на 180° на цилиндрических пальцах 9, расположенных на опорах вращения 10 вертикальных стоек 11, и фиксируют вертикальное положение сосуда 1 с помощью фиксатора 7 перевернутой вниз верхней пробки 6.

По завершению вращения сосуда 1 жидкость 2 через отверстие 5 в жесткой перегородке 4 перетекает в ту полость сосуда 1, где и размещен исследуемый образец, или проба вещества. На рис. 2а представлен вид прибора в период проведения исследований с образцом, обладающим отрицательной плавучестью (образец лежит на дне нижней полости сосуда).

Рис. 2. Устройство в период проведения исследований с образцом, обладающим: 
а — отрицательной плавучестью; б — положительной плавучестью

В этом положении в верхней полости сосуда оказывается объем жидкости, вытесненный образцом (или пробой вещества) из противоположной полости сосуда и, очевидно, равный объему образца (или пробы вещества). Величина этого объема определяется визуально по показаниям шкалы вертикальной линейки, градуированной в единицах объема.

Плотность вещества ρ предварительно взвешенного образца 3 с массой m определяется по формуле (1), где V — показания шкалы линейки 8.

По окончании процесса исследования образца (или пробы вещества) поворотом сосуда 1 на 180° возвращают прибор в исходное положение, снимают пробку 7, удаляют образец и приступают к очередному исследованию.

В случае определения плотности образцов с положительной плавучестью образец 3 будет плавать в объеме жидкости нижней полости сосуда 1, а точнее — будет прижат выталкивающей силой к нижней плоскости жесткой перегородки 4 (рис. 2б).

При исследовании проб вещества жесткая перегородка 4 выполняется с одним или большим количеством отверстий для обеспечения свободного перетекания жидкости 2 из одной полости сосуда 1 в его противоположную полость. При этом диаметр отверстий в перегородке 4 должен быть меньше наименьшей из частиц, составляющих пробу вещества.

Условие прохождения оси пальцев 9 через центр тяжести сосуда 1 должно выполняться для обеспечения надежной работы фиксаторов 7. Нижняя герметичная пробка 6 выполнена съемной для возможности периодической очистки сосуда 1.

Жидкость, используемая в устройстве, может быть непрозрачной или подкрашенной с целью более точной визуальной фиксации ее уровня по отношению к рискам градуировки линейки 8. Жидкость подлежит замене в случае ее загрязнения частицами, отделившимися от образца или пробы вещества в период проведения исследований.

Станина 12 устройства может быть установлена на весах, что позволит осуществлять измерение массы образцов или пробы вещества одновременно с определением их объема. Определение емкости сосуда 1 с установленной перегородкой 4 для каждого отдельного устройства предлагаемой конструкции осуществляется перед началом его первой эксплуатации с помощью мерной емкости. Габариты устройства зависят от размеров исследуемого образца (или пробы вещества).

Выводы

Предложенный прибор для определения плотности древесины и иных твердых тел, в том числе неправильной формы, является простым в изготовлении и удобным в эксплуатации, обеспечивает возможность исследования образцов или проб вещества как в лабораторных, так и в полевых условиях, при этом влажность образцов не влияет на результаты измерений.

Список использованной литературы

Библиографическая ссылка: Бирман А. Р., Угрюмов С. А., Белоногова Н. А., Матер О. М., Вохмянин Н. А. Прибор для определения плотности твердых тел // Системы Методы Технологии. 2020 № 1 (45) с. 98–101. 
DOI:10.18324/2077-5415-2020-1-98-101