Древесиноведческие аспекты технологических режимов и оборудование для микроволновой сушки пиломатериалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Древесиноведческие аспекты технологических режимов и оборудование для микроволновой сушки пиломатериалов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Камерная сушка пиломатериалов является неотъемлемой частью большинства технологических процессов деревообработки. Это достаточно сложный, энергоёмкий и длительный процесс. Одним из основных показателей экономической эффективности режима сушки является интенсивность процесса, обеспечивающая необходимое качество пиломатериалов. Стремление к сокращению продолжительности сушки побуждает специалистов осваивать новые способы обезвоживания древесины.

Важную роль в развитии технологии сушки сыграло открытие Н.С. Селюгина возможности нагрева и обезвоживания древесины с помощью электромагнитных полей (ЭМП), создающих в материале токи высокой частоты (ТВЧ). Этот метод получил достаточно интенсивное развитие. Однако дефицит электрической энергии ограничивал его использование для сушки в чистом виде. Комбинация ВЧ-метода с другими видами обезвоживания позволила не только уменьшить себестоимость, но и дополнительно повысить эффективность процесса. Диэлектрический способ нагрева и сушки нашел определённые области применения: выпускаются вакуумные сушильные камеры, оборудование для склеивания древесины и шпона.

В последние годы в связи с развитием микроволновой (СВЧ) техники появилась возможность применения этого вида электромагнитных излучений для сушки древесины. Однако для решения проблемы необходимо было исследовать особенности поведения древесины при микроволновом воздействии.

Современные условия экономики стимулируют внедрение в промышленность высоких технологий, позволяющих удовлетворять изменчивые запросы потребителей изделий из древесины, которые должны быть изготовлены в минимальные сроки. Разработка древесиноведческих основ технологии микроволнового обезвоживания древесины даёт возможность создать эффективные режимы для высококачественной сушки трудно сохнущего лесоматериала не только отечественных, но и экзотических пород.

На основании результатов проведенных исследований должно быть создано специализированное оборудование для микроволновой сушки пиломатериалов.

Цель и задачи исследования. Попытки интенсифицировать процесс сопряжены с опасностью растрескивания материала или большими остаточными напряжениями. Цель работы состояла в изучении поведения древесины в электромагнитном поле СВЧ, разработке технологии и промышленного сушильного оборудования. В соответствии с поставленной целью в работе должны быть решены следующие основные задачи:

1. Выявить особенности строения древесины, определяющие её поведение как объекта сушки в поле СВЧ.

2. Исследовать явления, определяющие напряженно - деформированное состояние древесины и вызывающие растрескивание материала, а также недопустимые остаточные сушильные напряжения.

3. Разработать режимы сушки на комбинированных установках СВЧ различного типа, обеспечивающие требуемое качество пиломатериалов.

4. Исследовать параметры изменения напряженности ЭМП в древесине и штабеле пиломатериалов и разработать критерии, обеспечивающие допустимое затухание электромагнитной энергии, не влияющее на качество сушки.

5. Разработать методы подвода микроволновой энергии к сортименту и штабелю пиломатериалов, учитывающие неоднородность строения и анизотропию древесины.

6. Разработать и изготовить макетные образцы комбинированных сушильных установок различного типа, пригодные для промышленного тиражирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1. Дано новое представление о механизме усушки древесины, учитывающее роль адсорбционной и микрокапиллярной воды. Установлены сингулярные точки зависимости усушки от влажности древесины.

2. Уточнено представление о пределе насыщения клеточных стенок древесины, отражающее влияние повышенной температуры.

3. Установлены зависимости между усушкой и влажностью, а также их аппроксимации, отражающие сущность явления и обеспечивающие необходимую точность инженерных расчетов.

4. Экспериментально установлено существенное влияние растягивающей нагрузки при достаточно высоких её значениях на коэффициент усушки древесины и разработан уточненный метод расчета сушильных напряжений.

5. Разработаны режимы сушки пиломатериалов на комбинированных СВЧ-конвективных установках.

6. Дано электрофизическое обоснование процесса обезвоживания древесины в единичном сортименте и штабеле пиломатериалов при воздействии микроволновой энергии.

7. Определены удельные энергетические затраты на сушку в зависимости от начальной влажности древесины и соотношения затрат конвективной и микроволновой энергии.

8. Разработаны и изготовлены прототипы комбинированных СВЧ- конвективных установок для промышленного тиражирования: конвейерная сушильная установка, камера периодического действия с односторонним импульсным облучением штабеля, камера периодического действия с импульсным облучением штабеля пиломатериалов из четырёх точек с боковых сторон.

Практическая значимость работы заключается в разработке и внедрении в производство опытных образцов комбинированных СВЧ-конвективных, промышленных конвейерных и высокопроизводительных сушильных установок периодического действия. Результаты научных исследований, полученные в данной работе, могут использоваться в расчетах напряженно- деформированного состояния древесины при сушке, процессов тепло-массопереноса при воздействии микроволновой энергии, в учебном процессе вузов при подготовке специалистов по деревообработке. Технические решения и результаты, полученные в данной работе, позволяют развивать современные технологии и проектировать установки СВЧ для обработки различных материалов, характеризующихся анизотропией и неоднородностью диэлектрических характеристик.

На защиту выносятся:

1. Новая интерпретация понятия «предел насыщения клеточных стенок древесины», значение которого убывает при повышении температуры за счет перехода микрокапиллярной воды в свободную. Это позволяет более правильно исчислять коэффициент усушки, как величину, зависящую от температуры.

2. Уточнённый метод расчета напряжений, учитывающий не только замороженные упруго-эластические деформации, но и зависимость коэффициента усушки от уровня нагрузки.

3. Обоснование специфики процессов тепло-массопереноса в древесине под воздействием электрического поля СВЧ. Обобщенные закономерности процессов диэлектрического нагрева влажной древесины. Порог повышения удельной мощности СВЧ, обеспечивающий сохранение целостности материала.

4. Способ комбинированной конвективной-СВЧ сушки пиломатериалов при импульсном облучении древесины микроволновой энергией. Экспериментальная универсальная комбинированная СВЧ- конвективная конвейерная установка как прототип промышленной сушильной установки. Промышленная комбинированная СВЧ-конвективная сушильная установка периодического действия высокой производительности.

5. Технология и режимы сушки пиломатериалов в комбинированных СВЧ-конвективных конвейерных установках и сушилках периодического действия.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены и обсуждались на:

-Научно-технических конференциях МЛТИ-МГУЛ 1981, 1983, 1984, 1991-1993, 1997, 1999, 2003-2005, 2007, 2008 гг.;

-Научно- технической конференции «Рациональное использование энергетических ресурсов при сушке пиломатериалов», НПО «Силава», Саласпилс, 1983;

-V научно-технической конференции молодых ученых и специалистов лесопильной промышленности, Архангельск, 1983;

-XVI Научно-технической конференции «Основные направления ускорения научно-технического прогресса в деревообрабатывающей промышленности в 12-й пятилетке», Киев, 1986;

-XVII Научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности», Киев, 1989; всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития сушки древесины», Архангельск, 1990;

-XVIII Научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности», Киев, 1991;

-Втором международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины», Москва, 1996;

-I-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов», СЭТТ - 2002, Москва, 2002;

-IV Международном симпозиуме «Строение, свойства и качество древесины - 2004», С-Петербург, 2004;

-II-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии, (сушка и термовлажностная обработка материалов), СЭТТ - 2005», Москва, 2005;

-Всероссийской конференции, посвященной 50-летию Сибирского отделения РАН «Дендрология и лесоведение», Красноярск, 2007;

-III-й Международной научно-практической конференции «Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2008», Москва-Тамбов, 2008.

-Конференции международной академии наук о древесине IAWS-2009, Санкт-Петербург - Москва, 2009.

Реализация результатов работы. Результаты исследований были использованы при проектировании, изготовлении и эксплуатации комбинированной СВЧ-конвективной опытно-промышленной конвейерной установки, а также комбинированных СВЧ-конвективных сушильных установок периодического действия.

Комбинированная СВЧ-конвективная сушильная установка периодического действия, предназначенная для сушки штабеля пиломатериалов объемом 10 м³, была изготовлена и внедрена на фирме «ЛАТХИ», г. Москва. В течение более 6 лет сушильная установка находится в непрерывной эксплуатации.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли отражение в 12 научных отчетах, которые были выполнены в рамках Государственной научно-технической программы «Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья», заданием Федерального агентства по образованию в соответствии с профилем головного совета «Науки о земле» и хоздоговоров между МГУЛ и ЦНИИМОДом.

Результаты работы используются в учебном процессе МГУЛ при подготовке специалистов по курсу дисциплины «ФИЗИКА ДРЕВЕСИНЫ».

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 37 печатных работах, в том числе статей в центральных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАКом - 14, авторских свидетельств - 2, патентов - 5.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений; содержит 316 стр. машинописного текста, исключая приложения; включая 26 таблиц и 109 рисунков. Список литературы включает 338 наименований.

Основное содержание работы

сушка пиломатериал микроволновый древесиноведческий

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе проанализировано состояние вопроса. Рассмотрено строение объекта микроволновой сушки как материала биологического происхождения, включающего, в основном, целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Физические свойства, определяющие поведение древесины во время сушки, зависят не только от интегральной плотности, температурного и влажностного состояния, но и пространственного расположения компонентов древесинного вещества.

Большой вклад в исследования мезо-, макро- и наноструктуры древесины и её компонентов внесли отечественные и зарубежные исследователи: Л.А. Иванов, А.А. Яценко - Хмелевский, Л.М. Перелыгин, С.И. Ванин, В.Е. Вихров, В.Е. Москалёва, З.Е. Брянцева, Е.С. Чавчавадзе, А. Bjцrkman, J. Gravitis, P. Erins и др.

Характер связей между компонентами древесины весьма разнообразен: от слабых - межмолекулярных до сильных - химических. Основную связующую роль в матрице выполняют гемицеллюлозы. Молекулярные цепи гемицеллюлоз короче целлюлозных и тесно связаны с лигнином и целлюлозой химическими связями. В клеточной стенке лигнин и гемицеллюлозы заполняют межфиблярное пространство.

Исследованием физических свойств древесины занимались многие ученые: Л.М. Перелыгин, Н.Л. Леонтьев, В.А. Баженов, Н.Н. Чулицкий, П.С. Серговский, И.В. Кречетов, А.И. Полубояринов, Б.С. Чудинов, Б.Н. Уголев.

Одно из фундаментальных понятий касается содержания связанной воды. Введенное Н. Tiemann понятие, часто используемое в древесиноведческой литературе, «точка насыщения волокна», было заменено в последствии другим названием «точка насыщения клеточных оболочек». Однако в отечественной литературе привилось понятие, предложенное П.С. Серговским, «предел насыщения клеточных стенок древесины» и понятие, предложенное И.В. Кречетовым «предел гигроскопичности древесины». В дальнейшем эти вопросы были рассмотрены в работах Б.С. Чудинова и Б.Н. Уголева. Однако до сих пор оставался неясным вопрос, почему повышение температуры приводит к уменьшению предела гигроскопичности и, якобы, не отражается на пределе насыщения клеточных стенок. Проведенные нами исследования позволяют заключить, что сконденсированную в капиллярах воду нельзя отнести к свободной, хотя ее количество не оказывает влияния на усушку и разбухание древесины. Понятие "предел насыщения клеточных стенок древесины" следует понимать как максимально возможное содержание адсорбционной и микрокапиллярной воды в клеточных стенках древесины, такой же трактовки придерживается Б.Н. Уголев. Это важное обстоятельство играет существенную роль при определении влажности начала усушки древесины.

На рис. 1 приведены экспериментальные зависимости тангенциальной усушки образцов ясеня, высушенных при различной исходной температуре.

Рис. 1. Влияние температуры на зависимость тангенциальной усушки от влажности древесины ясеня (малые образцы размером 4х18х30 мм)

С повышением температуры уменьшается влажность начала усушки. Это происходит в результате снижения количества воды микрокапиллярной конденсации. Наши исследования позволили заключить, что предел насыщения клеточных стенок древесины зависит от температуры и при её увеличении стремится к значению предела гигроскопичности при 100 С, т.е. к пределу содержания адсорбционной воды. Экстраполяция линейного участка приведенных зависимостей до оси абсцисс указывает на количество адсорбционной воды, близкое к 20%. Величина усушки и разбухания зависит от изменения количества адсорбционной воды.

Таким образом, вместо широко применяемой линейной зависимости усушки от влажности должна быть использована криволинейная зависимость с дифференциальным коэффициентом усушки или её аппроксимация ломаной прямой с постоянными коэффициентами. Это обеспечивает достаточную для инженерных расчетов точность.

Математическое описание зависимости усушки от текущей влажности древесины включает 2 диапазона. Начальный диапазон термозависимой усушки от W_ПН до 15% и диапазон усушки, независимой от температуры, от 15% и менее. Усушка равна:

(1)

Здесь и далее коэффициенты имеют соответствующие размерности.

В свою очередь, значение W_ПН определяется выражением:

(2)

Коэффициент усушки К_в определяется следующим выражением:

(3)

Во второй главе рассмотрены явления, возникающие при воздействии на древесину микроволнового электромагнитного излучения. Впервые использование электрических полей высокой частоты (ВЧ) в процессах деревообработки было предложено в России Н.С. Селюгиным в 40-х годах прошлого столетия. Так было положено основание для интенсивного развития технологий прогрева материалов токами высокой частоты (ТВЧ). Изучение взаимодействия электромагнитных полей с древесиной получило развитие, как у нас, так и за рубежом. Были разработаны сушильные камеры и оборудование для склеивания древесины, применяемые и в настоящее время. Среди отечественных наиболее известны работы В.А. Бирюкова, И.П. Бердинских, М.А. Берлинера, А.П. Познаева, К.Ф. Дьяконова, А.А. Горяева, Г.И. Торговникова, В.И. Музалевского и других авторов.

Освоение серийного выпуска мощных излучателей более коротких волн, по сравнению с ВЧ, и выделение для промышленного использования частот микроволнового диапазона вызвало новый интерес к исследованию диэлектрических свойств материалов и созданию соответствующего оборудования. В этом направлении следует отметить работы Г.И. Торговникова. Среди зарубежных, наиболее известны коллективная публикация «СВЧ-энергетика», под общей редакцией Э. Окресса и монография Г. Пюшнера «Нагрев энергией сверхвысоких частот». В настоящее время, исследованию воздействия микроволн на древесину уделяется достаточно большое внимание. Микроволновыми процессами занимаются A. Antti, H. Zhao, I. Turner, G. Brodie, A. Dedic, M. Zlatanovic, Du Guanben, Wang Sigun, H. Lee и другие авторы. В России разработкой промышленных сушильных СВЧ установок занимается А.М. Бомбин, Ф.Х. Гареев, А.И. Расев и другие.

Диапазон СВЧ представляется более привлекательным по сравнению к ТВЧ. Генераторы электромагнитного поля (ЭМП) имеют более высокий КПД. Для ввода микроволновой энергии в рабочую камеру достаточно простого излучателя. Появились разнообразные микроволновые установки для нагрева и сушки различных материалов. Однако создать работоспособные установки для древесины, обеспечивающие достаточно равномерную сушку штабеля пиломатериалов, до последнего времени не удавалось.

Нагревание древесины микроволнами происходит в результате смещения электрических зарядов компонентов древесинного вещества. В отличие от диапазона ВЧ, энергия СВЧ обладает избирательной способностью выделять больше тепла в зонах с повышенными значениями диэлектрических показателей. Чем короче волна, тем меньше геометрические размеры избранной зоны. Тогда, при длине волны ЭМП, значительно превышающей размеры клеток, древесину можно рассматривать как сплошную среду. Если длина волны менее сантиметра, влияние макростроения древесины на диэлектрические характеристики становится существенным.

На комплексные диэлектрические характеристики древесины, в основном, влияют содержание целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина, являющиеся полярными диэлектриками.



Рис. 2. Зависимость соотношения показателей диэлектрических свойств древесины вдоль и поперек волокон от частоты ЭМП (К₁=е_||/е₊ и К₂=tgд_||/tgд₊; f=10ⁿ Гц)

Разница в диэлектрических характеристиках вдоль и поперек волокон наблюдается на всем частотном диапазоне; причем более сильному влиянию подвержен тангенс угла потерь Различие анизотропии диэлектрических свойств можно оценить с помощью коэффициентов К₁=е_||/е₊ и К₂=tgд_||/tgд₊. На рис. 2 приведены зависимости коэффициентов К₁ и К₂ от степенного показателя n частоты ЭМП (F=10ⁿ, Гц) для сухой древесины, построенные нами по обобщенным литературным данным.

Диэлектрические показатели сухой древесины несколько возрастают с увеличением плотности на всем диапазоне частот. Для плотности отечественных древесных пород возрастание е сравнительно невелико. Значения тангенса угла потерь, приблизительно, на два порядка меньше величины диэлектрической проницаемости. Поэтому, даже максимальный пятикратный рост tgд, возникающий на частоте 10⁷ - 10⁸ Гц и достигающий значения 0,035 для древесины плотностью с₀=0,7 г/см³, несущественно сказывается на процессе нагревания сухой древесины микроволнами.

Диэлектрические показатели резко возрастают при увеличении влажности древесины. Это происходит за счет воды, диэлектрическая проницаемость которой, хотя и несколько снижается с увеличением температуры, но сохраняет своё значение на уровне 50-55 при температуре кипения. Значение tg возрастает в 5 - 10 раз, по сравнению с сухой древесиной. Такая разница в диэлектрических показателях сухой и влажной древесины позволяет микроволнам избирательно реагировать на локальную влажность древесины.

Анализируя диэлектрические показатели на промышленных частотах 915 и 2450 МГц, следует заметить, что в то время как, при увеличении влажности выше 30 -40% наблюдается более резкое возрастание е, в том же диапазоне изменения влажности наблюдается снижение tgд. В итоге, интегральная зависимость фактора диэлектрических потерь от влажности древесины, оказывается ближе к линейной.

Для учета влияния на диэлектрические показатели влажности, плотности, температуры и частоты ЭМП приходится использовать несколько графических зависимостей, что значительно усложняет процедуру энергетических расчетов. В связи с этим, необходимо разработать методику расчета диэлектрических показателей древесины, отражающую совместное влияние указанных выше факторов.

В третьей главе рассмотрены процессы тепло- и массообмена, возникающие в древесине при конвективной сушке и воздействии микроволнового электромагнитного излучения.

Формирование качества сушки древесины во многом определяется параметрами окружающей среды и закономерностями распределения влажности по сечению материала. Поэтому изучению процессов тепло - и массообмена в древесине уделяется большое внимание. Одним из первых ученых России, занимавшихся исследованием перемещения влаги в капиллярно-пористых телах, был профессор П.С. Коссович. Позднее А.В. Лыковым была рассмотрена общая теория сушки. Вопросам сушки посвящены работы П.Д. Лебедева, Б.А. Поснова, И.М. Федорова, А.И. Фоломина, И.В. Кречетова, П.С. Серговского, Г.С. Шубина В.А. Баженова и других авторов. Из зарубежных авторов следует отметить работы K. Kroll, H. Kьbler, I. Martley, Ch Skaar, A. Stamm, H. Tiemann, F. Tuttle. Из современных ученых следует отметить работы Н.В. Скуратова, Н.В. Дзыга, P.E. Doe, S. Pang и других.

Между древесиной и водой существуют химические и физические связи. В процессах десорбции следует не только затрачивать энергию на испарение воды, но и дополнительную энергию, необходимую для разрыва связей между влагой и древесиной.

Математическое выражение, определяющее энергию связи воды с древесиной А, после преобразований Г.С. Шубина уравнения, приведенного в работе П.А. Ребиндера, выглядит в следующем виде:

, (4)

где R_П- газовая постоянная водяного пара равная 461,58 Дж/(кг·К); Т - температура, К; ц - степень насыщенности воздуха.



Рис. 3. Зависимость энергии связи влаги от температуры (С) и влажности древесины

Зависимости энергии связи от температуры (С) и влажности древесины, рассчитанные нами по выражению (4), представлены на рис. 3.

Энергия связи резко падает с увеличением влажности древесины. Аналогичные зависимости были получены Г.С. Шубиным, однако наши данные несколько отличаются в диапазоне низкой влажности.

Следует отметить, что при сушке до эксплуатационной влажности 6 - 7%, максимальную энергию связей между древесиной и водой приходится преодолевать на конечном этапе, когда значения энергии составляют от 80 до 150 кДж/кг. При этом сохраняется известная зависимость снижения энергетического взаимодействия при увеличении температуры. С увеличением влажности энергетические связи ослабляются и после достижения древесиной предела насыщения клеточных стенок, совсем исчезают.

На рис. 4 приведены зависимости энергетических затрат на сушку от температуры процесса и влажности древесины.

Разница энергетических расходов процессов при температуре 40 и 100 С, составляет около 200 кДж/кг. При увеличении влажности древесины эта разница несколько снижается и после достижения материалом предела насыщения клеточных стенок, остается на уровне различия в теплоте парообразования, зависящей от температуры.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Зависимость энергетических затрат на сушку от температуры (С) и влажности древесины

Исследованию миграции влаги в древесине посвящены работы многих авторов. Большой вклад в этой области внесли такие ученые как А.В. Лыков, А.И. Фоломин, Ю.А. Михайлов, В.А. Баженов, И.В. Кречетов, П.С. Серговский, Б.С. Чудинов, Г.С. Шубин, А.Н. Обливин, Ю.П. Семенов, F. Kollman и другие.

При сушке суммарный поток массы i-ой компоненты определяется всеми разновидностями потока массы, диффузией, конвекцией и термодиффузией, что характерно для интенсивных процессов:

(5)

Для малоинтенсивных (низкотемпературных) процессов, когда давление внутри материала близко атмосферному, конвективный поток весьма незначителен и им можно пренебречь.

В связи с тем, что в общем потоке массы очень сложно выделить отдельно потоки жидкой и газообразной среды, уравнения массопереноса записывают для суммарного потока, вводя соответствующие коэффициенты, определяемые экспериментально. Величина диффузии характеризуется коэффициентом потенциалопроводности молекулярного и капиллярного переноса влаги (аналога коэффициенту температуропроводности) , м²/с, а термодиффузии, кроме того, относительным коэффициентом термодиффузии д, 1/К. Тогда интенсивный процесс сушки, определяется следующим выражением:

, (6)

где - коэффициент потенциалопроводности молярного переноса пара.

Количество испаряющейся влаги, , кг/м³ с, определяется выражением:

, (7)

Высокоинтенсивная сушка, обеспечивающая необходимое качество материала, возможна в том случае, если внутренний перенос влаги к поверхностным зонам осуществляется при малых градиентах влагосодержания. Для этого необходимо путем диэлектрического нагрева древесины создать внутренний источник энергии, изменив, таким образом, направление термоградиентного переноса. Тогда можно регулировать температуру внутренних зон, управляя процессом выкипания воды и градиентом влажности по толщине материала. Уравнение переноса (6) приобретает вид:

, (8)

При диэлектрическом нагреве высокая интенсивность внутреннего влагопереноса сдерживается внешним влагообменом со средой. Если при достаточной мощности микроволновой энергии, подводимой к материалу, не интенсифицировать влагообмен, в материале возникает отрицательный градиент влажности, влагосодержание поверхностных зон становится выше внутренних. Для интенсификации процесса возникает необходимость комбинации метода с конвективной, либо вакуумной сушкой. В связи с тем, что создавать вакуум в микроволновых сушильных установках затруднительно, предпочтение было отдано конвективному теплообмену.

В связи с повышенной стоимостью микроволновой энергии наиболее экономичным становится процесс сушки, когда энергия СВЧ тратится на внутренний перенос влаги, а испарение воды происходит, в основном, за счет энергии, подводимой к поверхности материала конвективным путем. Избыток мощности СВЧ приводит к перегреву высушиваемого материала. Тогда за счет микроволновой энергии происходит нагревание сушильного агента, процесс становится экономически затратным. Поэтому излучаемая мощность СВЧ энергии должна поддерживаться на уровне, когда температура поверхности материала не достигает температуры окружающей среды.

Поля температур, влагосодержания и избыточного давления определяют механизм внутреннего переноса массы. Хотя экспериментально удается измерить характеристики полей влажности и температуры, возникающие в процессе сушки и подобрать удовлетворительные мощности СВЧ, особый интерес представляет математическое описание процесса переноса.

Закономерности тепло- и массопереноса могут быть описаны следующей системой дифференциальных уравнений А.В. Лыкова:

 (9)

(10)

, (11)

где а - коэффициент температуропроводности; е - критерий фазового перехода; с - теплоемкость древесины; r₀ - скрытая теплота парообразования; Q_V - количество тепла выделяемого в теле; с₀ - плотность абсолютно сухой древесины; а_m - коэффициент массопроводности тела; д - термоградиентный коэффициент; а_р - коэффициент конвективной диффузии.

Решение системы уравнений (9- 11) весьма затруднительно. Поэтому упрощаем рассматриваемую систему до двух уравнений:

(12)

, (13)

и заменяем коэффициенты влагопроводности и термовлагопроводности эффективными значениями, учитывающими суммарное влияние различных факторов на влагопроводность - а_э и термовлагопроводность - д_э. Эти коэффициенты определяются следующими выражениями:

(14)

, (15)

где а_m и д - обычные коэффициенты влагопроводности и термовлагопроводности; К_Р - коэффициент молярного переноса; с₀ - плотность абсолютно сухой древесины; Р - давление паровоздушной смеси; u - влагосодержание.

Давление паровоздушной смеси зависит от влажности древесины. При влажности древесины выше предела насыщения клеточных стенок древесины, пар внутри полостей находится в насыщенном состоянии. Поэтому давление определяется известными зависимостями давления насыщенного водяного пара Р_Н=f(t). Для определения давления паровоздушной смеси при низкой влажности допустимо принять линейную зависимость: .

Графики значений давления насыщенного пара достаточно хорошо аппроксимируются зависимостью:

(16)

Для решения системы уравнений (12 и 13) использована методика Г.С. Шубина.

При избыточном давлении паро-воздушной смеси, коэффициент молярного переноса К_Р подобен коэффициенту воздухопроницаемости древесины К_В:

, (17)

где К_ВО - удельная газопроницаемость; з - абсолютная вязкость паровоздушной смеси.

В отличие от конвективной сушки, при которой энергетический баланс зависит от температуры поверхности тела, энергия СВЧ определяет интенсивность внутреннего парообразования. Поэтому при микроволновой сушке происходит объемное парообразование, интенсивность которого не определяется испарением со свободной поверхности. Это положение находит экспериментальное подтверждение. Увеличение удельной объемной мощности СВЧ при наличии в древесине свободной воды незначительно изменяет температуру древесины. В связи с тем, что подвод тепла при СВЧ нагреве, осуществляется без промежуточных термических сопротивлений, интенсивность сушки значительно возрастает по сравнению с традиционным конвективным процессом.

Следует отметить, что полученные нами значения удельной проницаемости отличаются от общепринятых данных. Газопроницаемость, зависящая от породы древесины, значительно возрастает, даже при кратковременном возникновении молярного переноса. Это подтверждается экспериментальными исследованиями по сравнительной сушке образцов древесины предварительно обработанных СВЧ и не прошедших обработку.

Система уравнений (12- 13) имеет следующие начальные и граничные условия:

При ф=0	u(x,0)=uнач
При x=0 (на оси материала)	;
При x=д/2 (на поверхности)	;	(18)

Для решения вышеуказанной системы использован численный сеточный метод с аппроксимацией уравнений по явно - неявной схеме, устойчивость которой позволяет предусмотреть автоматический выбор шага по времени. Расчет выполнялся итерационно методом Зейделя.

Выше изложенные положения представляют математическую модель процесса сушки в поле СВЧ, которая позволяет определять поля температуры и влажности во время сушки. Программа расчетов по модели написана на языке ПАСКАЛЬ.

На рис. 5 приведены расчетные и экспериментальные профили влажности по толщине материала, возникающие при сушке березовых мебельных заготовок размером 60х120х1600 мм. Сушка выполнялась на комбинированной СВЧ - конвективной камере периодического действия.

Аналогичные данные получены для других древесных пород. Разница между расчетными и измеренными значениями влажности не превышает 20%, что свидетельствует о достаточной адекватности математической модели.

В четвертой главе рассмотрена специфика нагрева материалов электромагнитной энергией диапазона ВЧ и СВЧ. Для промышленных частот разработан метод расчета процессов поглощения энергии СВЧ влажной древесиной и сформулированы критерии облучения отдельных сортиментов и штабеля пиломатериалов. Соблюдение их обеспечивает качество сушки. Для разработки метода расчета энергетических показателей используются экспериментальные данные, полученные Г.И. Торговниковым, а также специалистами МГУЛ и НПО «ИСТОК».

Удельная тепловая мощность Р_уд, Вт/м³, выделяемая в материале электромагнитным полем, определяется следующим выражением:

, (19)

где f -частота ЭМП, Гц; Е -напряженность ЭМП, В/м.

Произведение е tg, входящее в формулы для тепловых расчетов, называют коэффициентом, или фактором потерь К.

На частотах 915 и 2450 МГц, диэлектрическая проницаемость сухой древесины прямо пропорционально зависит от плотности. Экспериментальные зависимости диэлектрической проницаемости, в направлении поперек волокон е=f(с₀), приведены на рис. 7.

На этом рисунке нанесены линейные аппроксимирующие зависимости. Аппроксимация выполнена с достаточно высокой достоверностью - R²=0,9972. Математические зависимости диэлектрической проницаемости от плотности для частоты 915 и 2450 МГц, соответственно, имеют вид:

(20)

(21)

Зависимости тангенса угла потерь, в направлении поперек волокон, от плотности древесины, приведенные на рис. 8, для частоты 915 и 2450 МГц имеют нелинейный характер, особенно в области близкой к плотности древесинного вещества. Здесь же представлены степенные аппроксимирующие зависимости. Достоверность аппроксимации R²=0,9977.

Зависимости диэлектрической проницаемости в направлении поперек волокон от плотности для частот 915 и 2450 МГц, соответственно, имеют вид:

(22)

(23)



Рис. 6. Зависимость диэлектрической проницаемости, в направлении поперек волокон, от плотности древесины с₀ на промышленных частотах 915 и 2450 МГц

Рис. 7. Зависимость тангенса угла потерь в направлении поперек волокон от плотности древесины с₀

Следует отметить, что нелинейность рассматриваемой зависимости достаточно мала. В диапазоне плотности древесины наиболее распространенных пород приемлемая точность достигается и при линейной аппроксимации.

Рис. 8. Зависимость коэффициента потерь, в направлении поперек волокон, от плотности с₀ при различной влажности (f=915 МГц, t=20 С)

На рис. 9 представлены зависимости коэффициента потерь в направлении поперек волокон от плотности, при различной влажности древесины, построенные нами по экспериментальным данным. Коэффициент потерь возрастает с увеличением плотности, и особенно, влажности древесины. Зависимости коэффициента потерь от плотности, при различной влажности древесины, достаточно близки к линейным.

Полученные нами математические уравнения позволяют рассчитывать коэффициенты потерь в зависимости от влажности и температуры, для древесины различной плотности с₀. Для промышленной частоты 915 МГц, уравнения представлены в таблице 1. Аналогичные зависимости получены для частоты 2450 МГц.

 Коэффициент потерь К на частоте 915 МГц

Плотность с0	Коэффициент потерь K
0,4	K=(0,0002-0,000034 W) t+0,0145 W+0,0377
0,5	K=(0,0003-0,000075 W) t+0,0228 W+0,0396
0,6	K=(0,0003-0,000057 W) t+0,0308 W+0,051
0,7	K=(0,0004-0,000066 W) t+0,0423 W+0,0626

Поскольку микроволновая техника обеспечивает возможность безынерционного объемного выделения тепла, она стала довольно широко применяться в быту и промышленности для нагрева различных материалов.

Основная причина, препятствующая широкому распространению микроволновых технологий в деревообработке - сложность достижения равномерного температурного поля в древесине.

Основным условием высококачественного диэлектрического нагрева толстых сортиментов является равномерность напряженности электромагнитного поля в объеме материала.

По мере распространения электромагнитной волны происходит поглощение материалом электромагнитной энергии. Проникновение микроволновой энергии в материал принято оценивать поверхностным эффектом. Абсолютно сухая древесина приближается к идеальному диэлектрику, поглощая весьма незначительную долю энергии. Поверхностный эффект количественно характеризуется так называемой глубиной проникновения, на которой обеспечиваются условия равномерности напряженности ЭМП. Глубина проникновения Д, см - это расстояние, на котором напряженность поля уменьшается в е раз (е=2,7183-основание натуральных логарифмов):

(24)

Здесь f - частота, МГц.

Из приведенной формулы (24) следуют важные закономерности: глубина проникновения снижается при увеличении частоты, диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь. Это обстоятельство следует учитывать при конструкции устройств тепловой обработки материалов.

На рис. 10 приведены зависимости глубины проникновения ЭМП для древесины лиственницы на промышленных частотах 915 и 1450 МГц.

Рис. 10. Зависимость глубины проникновения ЭМП от влажности для древесины лиственницы на частоте 915 и 2450 МГц

Из сравнения глубины проникновения видно, что максимальные геометрические размеры сортимента, обеспечивающие качество сушки на частоте 915 МГц составляют около 200 мм, а на 2450 Мгц, около 60 мм.

Для штабеля пиломатериалов расчеты затухания электромагнитной энергии по ширине были выполнены по методике Ю.В. Егорова, как для частично заполненных прямоугольных волноводов. Математическая модель, описывающая микроволновую проницаемость, была разработана специалистами НПО «Исток». С целью оценки адекватности математической модели были проведены эксперименты, моделирующие процессы распространения микроволн в реальном штабеле пиломатериалов.

Точность расчетов по модели оказалась вполне удовлетворительной, она в основном составляет 25-30%. Как удалось установить, оптимальными по толщине для СВЧ - сушки штабеля пиломатериалов, оказываются межрядовые прокладки толщиной 40 мм. Зависимости затухания микроволновой энергии в штабеле с прокладками толщиной 40 мм и влажностью древесины около 70%.

При облучении штабеля с боковых сторон ширина штабеля не должна превышать на частоте: 360 МГц - 160 см, 915 МГц - 125 см, 2450 МГц - 30 см.

В пятой главе проанализированы причины развития сушильных напряжений. Приводятся результаты исследования физических свойств древесины, ответственных за развитие внутренних напряжений, дан уточненный метод расчета сушильных напряжений, учитывающий особенности зависимости усушки от влажности, а также влияние на усушку растягивающих нагрузок. Кроме того, приводятся результаты экспериментальных исследований на лабораторной установке СВЧ, в которых установлены предельные удельные мощности при прогреве и сушке пиломатериалов на конвейерных установках, влияние микроволновой мощности на эксплуатационную прочность древесины, а также режимы сушки на комбинированных конвейерных и сушильных установках СВЧ периодического действия. Также приведены удельные энергетические затраты на обезвоживание березовых пиломатериалов в зависимости от начальной влажности древесины и соотношения расходов конвективной и микроволновой энергии.

Сушильные напряжения в древесине во многом определяют качество ее сушки. В связи с этим, вопросам образования напряжений и деформациям уделялось и уделяется большое внимание. Процессы развития внутренних напряжений рассматривались в работах Н.С. Селюгина, Н.Н. Чулицкого, Б.А. Поснова, И.В. Кречетова, Ю.М. Иванова, П.С. Серговского. Следует отметить вклад ученых МГУЛа, продолжающих заниматься деформационными, прочностными и другими физическими свойствами древесины Б.Н. Уголева, Ю.Г. Лапшина, Н.В. Скуратова и других.

Первопричиной образования внутренних напряжений является усушка древесины.

Ю.Г. Лапшиным показано, что закон деформирования при стесненной усушке записывается в виде бесконечной суммы малых приращений деформации:

, (25)

где m и г- коэффициенты; W- текущая влажность древесины.

В случае закрепленного стержня деформация е=0. Для нелинейной функции у=(W,е), уравнение расчета напряжений имеет вид:

(26)

Развитие напряжений будем рассматривать на трех стержневой модели, которая представляет собой статически неопределимую систему. Краевые стержни имитируют поверхностные зоны доски, а центральный стержень - внутренние.

На первом периоде сушки высыхают только наружные стержни. Их усушка приводит к возникновению сушильных напряжений. Во втором периоде сохнет средний стержень, а влажность крайних остается постоянной. Усушка центрального стержня уменьшает внутренние напряжения. Второй период сушки заканчивается, когда внутренние напряжения исчезают. Однако, сушка наружных стержней, находящихся в растянутом состоянии, вызвала в них остаточные деформации удлинения. Поэтому, на третьем этапе сушки, когда влажность наружных и внутреннего стержня становится одинаковой, напряжения меняют свой знак и в высушенной модели сохраняются в виде остаточных напряжений.

На первом этапе сушки деформации наружных и центрального стержня определяются следующими выражениями:

; (27)

Если обозначить отношение площадей наружных и центральных стержней как F_Н/F_Ц=A, выражение (25) приобретает вид:

, (28)

, (29)

На втором этапе, когда происходит сушка центрального стержня и напряжения падают, используем теорему теории пластичности и представим напряжения в виде суммы двух составляющих:

; , (30)

где - напряжения в конце первого периода сушки (при увеличении), - напряжения, снимаемые во время разгрузки.

После преобразования уравнения для определения напряжений приобретают вид:

 (31)

(32)

где - перепад влажности в наружных стержнях (здесь =const); - перепад влажности центрального стержня.

Приравняв напряжения к нулю, можно решить обратную задачу, вычислив перепад влажности, соответствующий точке смены знака напряжений, т.е. окончанию второй стадии сушки. Дальнейшее снижение влажности центрального стержня, происходящее на третьей стадии сушки, приводит к образованию остаточных напряжений, которые можно вычислить с помощью следующих уравнений:

(33)

, (34)

где .

Примеры расчетов напряжений в трех периодах по приведенной выше методике свидетельствуют, что остаточные напряжения, приблизительно, равны по абсолютной величине максимальным напряжениям, возникающим на первом периоде сушки. Такое явление, хорошо известное в практике, происходит в результате возникновения квази- остаточных замороженных деформаций. Достаточно хорошо изучено в работах Б.Н. Уголева, Ю.Г. Лапшина, Н.В. Скуратова, Г.А. Горбачевой и других, перерождение (замораживание) части упругих и эластических деформаций в остаточные. Для возникновения замороженных деформаций этого вида необходимо повышение жесткости нагруженной древесины. Чем больше величина действующей нагрузки и диапазон изменения влажности, тем больше остаточные, замороженные деформации, а, следовательно, и остаточные напряжения. Представляло интерес выяснение состава общих замороженных деформаций. Также необходимо было установить зависимость прочности и жесткости древесины при изменении её влажности и температуры.

Для ответа на эти вопросы, была сконструирована специальная установка, представленная на рис. 12. Исследования на растяжение поперек волокон проводили на образцах древесины ясеня сечением 3х17 мм и длиной рабочей части 30 мм. Образец находился в захватах горизонтального нагружающего устройства, расположенного внутри климатической камеры.

Камера оснащена увлажнителем, нагревательным устройством, психрометром и вентилятором. Конструкция установки позволяет сушить и увлажнять древесину, не прерывая процесс измерения влажностных деформаций.

На основании экспериментальных данных были получены математические зависимости, необходимые для расчетов:

(35)

, (36)

где W_Т- текущая влажность древесины; W_ПН- влажность предела насыщения клеточных стенок древесины.

Другие исследования на экспериментальной установке выполнялись с целью установления влияния напряжений на величину усушки древесины. В отличие от свободной усушки новое значение, полученное при усушке под нагрузкой, назвали «редуцированной усушкой». Результаты этих экспериментов представлены в виде графика 1, приведенного на рис. 13 и отражающего влияние нагрузки на степень редуцирования усушки - коэффициента К, представляющего отношение редуцированной усушки в^* к свободной усушке в.

На этом же графике представлена зависимость 2, построенная по данным Н.Н. Чулицкого для древесины бука. Более высокое значение углового коэффициента в зависимости, построенной по данным Н.Н. Чулицкого, можно объяснить двумя причинами. Во-первых, значение усушки измерялось при действии нагрузки и во-вторых, тем, что бук обладает более высокой податливостью, по сравнению с ясенем.

Зависимость редуцированной усушки от относительной нагрузки у/у_ПР можно аппроксимировать ломаной прямой. Тогда математическая зависимость редуцированной усушки от нагрузки определяется следующим выражением:

(37)

В свою очередь, значение W_ПН определяется выражением:

(38)

Коэффициент редуцированной усушки К*_в определяется выражением:

(39)

Разница между свободной и редуцированной усушкой была названа замороженной усушкой.

При снижении влажности поверхностных зон в гигроскопическом диапазоне их усушка сдерживается внутренней зоной. Величина напряжений в поверхностном, наружном стержне определяется модулем, значение которого вычисляется, как среднее Е_СР, между начальным Е₀ и конечным Е_К модулями:

Е_ср=(Е₀+Е_К)/2, (40)

Для определения максимально допустимых напряжений в поверхностных зонах у_П может использоваться упрощенная формула Ю.Г. Лапшина:

(41)

Тогда, напряжения в центральном стержне, с учетом разницы площадей будут:

(42)

Учитывая изменение жесткости при разгрузке, величина усушки доски, при различной влажности стержней, определяется следующим выражением:

(43)

Решая (40) с учетом толщины стержней у_П=4у_В, получаем величину изменения напряжений в поверхностной зоне, возникающее при разгрузке стержня:

 (44)

Таким образом, текущие напряжения поверхности определяются:

-, (45)

где W_I - значение влажности, соответствующее максимальным напряжениям при их росте в поверхностной зоне (при расчете режимов W_ДОП- допустимое значение перепада влажности); W_ТЕК - текущее значение изменения влажности центрального стержня.

В результате увеличения жесткости при разгрузке поверхности, когда начинают усыхать внутренние зоны, происходит снижение и затем смена знака напряжений в наружном стержне.

Наряду с рассматриваемой, нами могут быть предложены модели, учитывающие нелинейную зависимость коэффициента усушки, а также коэффициента редуцированной усушки. Проанализируем результаты расчетов напряжений при одноступенчатом режиме сушки по различным моделям.

При постоянной температуре, в диапазоне изменения влажности W, среднее значение жесткости определяется выражением:

, (46)

а максимальное значение:

, (47)

Предел прочности древесины у_ПР определяется по аналогии с жесткостью:

, (48)

где А, В, А_у, и В_у - известные коэффициенты, отражающие влияние температуры и влажности, рассчитываемые по методу Ю.Г. Лапшина.

В реальных процессах сушильные напряжения всегда меньше предела прочности. Разница между напряжениями и пределом прочности зависит от жесткости режима. Условие, отражающее влияние жесткости режима сушки запишем в виде:

у_П=М у_ПР, (49)

где М - коэффициент, определяющий жесткость режима сушки.

Из совместного решения (41 и 49), вычисляем допустимый перепад влажности W_ДОП в наружном стержне:

, (50)

Для сравнительной оценки различных методов расчета напряжений, возникающих в поверхностной зоне, дубовые доски толщиной 50 мм были высушены при температуре 50 С одноступенчатым режимом. Экспериментально определенное среднее значение сжимающих напряжений, по пяти доскам составило 2,4 МПа. Напряжения в поверхностном слое рассчитывали тремя способами: используя коэффициент усушки, определяемый по линейной зависимости усушки от влажности, в которой усушка возникает при влажности 25%; коэффициент усушки, определяемый по ломаной зависимости, без учета редуцирования (3); используя коэффициент редуцирования усушки (39). Результаты расчетов представлены в графическом виде на рис. 15. Профили влажности не привязывались к реальному времени сушки, поэтому на графике шкала времени носит условный характер.

При использовании коэффициента линейной усушки максимальные растягивающие напряжения в поверхностном стержне составили 3,7 МПа, а сжимающие в конце сушки, около 3,4 МПа. Принимая для расчетов нелинейную зависимость усушки от влажности, коэффициент усушки определяется выражением (3), получили растягивающие напряжения 3,4 МПа и сжимающие, в конце сушки, 1,95 МПа.

В расчетах напряжений, учитывающих замороженную усушку, максимальные растягивающие напряжения составили 2,9 МПа, а сжимающие 2,2 МПа, наиболее точно приблизившись к экспериментальным значениям, 2,4 МПа.

Метод расчёта напряжений, учитывающий влияние замороженной усушки, был положен в основу при разработке режимов процесса микроволновой сушки древесины.

При микроволновой сушке режимы могут строиться в зависимости от сформулированного критерия оптимальности. При быстрой сушке приходится испарять воду, в основном за счет СВЧ, поэтому такой процесс будет наименее продолжительным, но дорогим.

Режимы сушки с использованием энергии СВЧ в установках периодического действия также как и конвективные режимы, подразделяются на высоко- и низкотемпературные.

Наименьшая продолжительность процесса наблюдается при использовании высокотемпературных режимов. При этом, в отличие от конвективных режимов, процесс сушки происходит с малыми перепадами влажности по толщине материала, температура древесины не превышает 106 С, а продолжительность ее воздействия составляет около 40 - 60 часов.

Высокотемпературный процесс сушки состоит из двух ступеней. На первой ступени, от начальной до влажности 20% происходит выкипание свободной воды. Вторая ступень, при снижении влажности до требуемого конечного значения, незначительно отличается от третьей ступени конвективного процесса сушки.

Значение максимальной температуры сушильного агента устанавливается с учетом допустимых сушильных напряжений в случае отключения источника СВЧ. Если камера недостаточно герметична, необходимо максимальную температуру установить экспериментально, измеряя влажность при закрытых вентиляционных заслонках.

Для низкотемпературной сушки используются стандартные режимы, при этом энергия СВЧ создает положительный градиент температуры. Также могут использоваться рекомендации ЦНИИЛ и ВЛТИ по высокочастотной сушке, в соответствии с которыми температура в центральных зонах древесины составляет для мягких, нормальных и форсированных режимов сушки, соответственно 70, 80 и 90 С. При использовании низкотемпературных режимов для сушки березовых мебельных заготовок продолжительность процесса составляла 60- 80 часов.

...