Древесиноведческие аспекты технологических режимов и оборудование для микроволновой сушки пиломатериалов

Расход электроэнергии, затраченной на сушку, измерялся экспериментально, раздельными электросчетчиками. Один счетчик измерял потребление электроэнергии конвективной камерой, а другой, суммарное потребление СВЧ частью. В связи с тем, что расход электроэнергии значительно зависит от начальной, конечной влажности пиломатериалов и соотношения энергии, затраченной конвективной и СВЧ частью, анализировать энергетические затраты удобнее, пересчитывая их удельные затраты на испарение 1 кг воды.

В целом, можно отметить, что энергетические затраты на сушку твердых лиственных древесных пород при высокой начальной влажности вполне сопоставимы со стоимостью традиционной конвективной сушки. Целесообразно также разделять сушку на две стадии, когда первая ступень выполняется на установке СВЧ, а затем материал досушивается в конвективной камере.

В шестой главе приводится описание установок СВЧ, рассмотрены конструктивные решения подвода микроволновой энергии к материалам, показаны схематические и оригинальные решения, реализованные в разработанных нами конвейерной установке и сушильных установках периодического действия. Также рассмотрены вопросы измерения параметров конвективного агента сушки и температуры древесины в условиях воздействия микроволнового излучения.

Наибольший интерес представляют более экономичные комбинированные СВЧ - конвективные установки. Разработанная нами конвейерная установка состоит из двух основных частей: замкнутого воздуховода для конвективного нагревания древесины и СВЧ камеры. Для перемещения материала установка оснащена транспортным роликовым транспортером. На внутренних стенках камеры СВЧ смонтированы отражатели для равномерного облучения досок сверху и снизу, со стороны пласти. В средней части камеры находятся устройства для прохождения досок, выполненные в виде заграждающих фильтров, препятствующих выходу СВЧ энергии в окружающее пространство. Внутри микроволновой камеры материал перемещается по направляющим, изготовленным из радиопрозрачного материала. Низ камеры сделан в виде конуса, опущенного в резервуар с водой, которая поглощает энергию при отсутствии материала в камере. Конструкция камеры запатентована.

Для равномерного прогрева анизотропного материала с неравномерными диэлектрическими характеристиками необходимо осуществлять импульсный подвод микроволновой энергии. Протяженность импульса и паузы должно выбираться таким образом, чтобы элементы макростроения древесины, обладающие повышенными и пониженными диэлектрическими показателями и поэтому получающие различное количество энергии успевали выравниваться по температуре при отсутствии излучения.

Схема циркуляции агента сушки показана стрелками. Направление потока СВЧ показано пунктиром.

Эксперименты, выполненные при промышленной эксплуатации сушильной СВЧ установки, позволили найти технические решения для облучения штабеля пиломатериалов с боковых сторон, что обеспечивает значительное увеличение объема высушиваемого материала. Новизна метода и технического решения подтверждена патентами России.

В установке объемом загрузки 10 м³ реализована схема облучения штабеля пиломатериалов микроволновой энергией, генерируемой одним источником СВЧ, из четырех точек.

Установка выполнена из утепленных металлоконструкций и имеет верхнее расположение теплового и циркуляционного оборудования - между перекрытием и ложным потолком камеры. Там же смонтирована система волноводов с тройниками, позволяющими распределять СВЧ энергию.

Микроволновая энергия, поступающая от магнетрона по одному волноводу, разделяется на четыре равные части и поступает в отдельные волноводные трубы. Эти волноводы спускаются вниз, до середины высоты штабеля и направляют микроволны на антенны, смонтированные на боковых стенах камеры. Антенны синхронно сканируют относительно вертикальной оси, формируя перемещающиеся, возвратно - поступательно вдоль штабеля, вертикальные лучи микроволновой энергии. Блок питания, блок магнетрона и прочее оборудование смонтировано в технологическом помещении, примыкающем к камере.

Для дистанционного контроля температуры древесины, находящейся в сушильной установке СВЧ, нами, совместно с ФИРЭ и НПО «ИСТОК», г. Фрязино, был разработан многоканальный волоконно-оптический измеритель температуры (МВОИТ). Это устройство для контроля температуры в условиях воздействия мощных электромагнитных полей. Термочувствительный элемент (датчик) находится в стеклотекстолитовой трубке, диаметром 2 мм и соединен с прибором оптическим волокном. Для измерения температуры, в досках сверлят 2-х миллиметровые отверстия на нужную глубину, в которые плотно вставляют датчики.

Для измерения параметров агента сушки на установке СВЧ используется психрометр, термопреобразователями которого служат металлические термометры - сопротивления. Со стороны сушильного пространства камеры термопреобразователи экранированы металлической сеткой. Обслуживается психрометр из подсобного помещения.

Общие выводы

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

2. Вместо широко применяемой линейной зависимости усушки от влажности, должна быть использована криволинейная зависимость с дифференциальным коэффициентом усушки, или её аппроксимация в виде ломаной прямой. Это обеспечивает достаточную точность для инженерных расчётов.

3. Экспериментально установлено существенное влияние растягивающей нагрузки на коэффициент усушки древесины и разработан уточненный метод расчета сушильных напряжений.

4. Разработана модель расчета текущей влажности древесины при комбинированной сушке с использованием конвективного теплоносителя и микроволновой энергии и показана её адекватность с экспериментальными данными.

5. Для промышленного диапазона частот 915 и 2450 МГц получены математические зависимости для расчета диэлектрических показателей, которые позволяют рассчитывать коэффициенты потерь при различной температуре, влажности и плотности древесины.

6. Разработаны критерии, соблюдение которых обеспечивает равномерный прогрев единичного сортимента и штабеля пиломатериалов на промышленных частотах 450, 915 и 2450 МГц.

8. Разработаны режимы сушки на СВЧ - конвективных установках различного типа.

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

10. Разработаны и изготовлены: лабораторная установка СВЧ для исследования воздействия микроволновой энергии на древесину, опытно - промышленная конвейерная установка СВЧ комбинированного действия, сушильная установка периодического действия с односторонним и высокопроизводительная промышленная комбинированная сушильная установка СВЧ периодического действия с облучением штабеля пиломатериалов объемом 10 м³ из четырех точек, расположенных с боковых сторон штабеля.

11. Разработано и изготовлено оптическое устройство для измерения температуры внутренних зон пиломатериалов и аппаратура для регулирования температуры и влажности агента сушки при воздействии микроволновой энергии.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах

1. Галкин В.П., Громыко В.Н. Повышение эффективности использования микроволновой энергии различных рабочих частот для сушки пиломатериалов. «Деревообрабатывающая промышленность», 1997, вып.4.- с. 20 - 21.

2. Галкин В.П. Качество пиломатериалов и продолжительность процесса сушки при использовании микроволновой энергии. Труды IV Международного симпозиума "Строение, свойства и качество древесины - 2004", II том, С-Петербург 2004, с. 478-480

3. Б.Н. Уголев, В.П. Галкин, Г.А. Горбачева. Технологические аспекты деформационных превращений древесины. Труды IV Международного симпозиума "Строение, свойства и качество древесины - 2004", II том, С-Петербург 2004, с. 539-543.

4. Б.Н. Уголев, Г.А. Горбачева, В.П. Галкин. Исправление дефектов сушки лущеного шпона. Труды II-й международной научно-практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)" СЭТТ - 2005, Москва 2005, Том I, с. 383-385.

5. Уголев Б.Н., Галкин В.П., Горбачева Г.А. Влияние наноструктуры древесины на сушильные деформации. Труды III-й международной научно-практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)" СЭТТ - 2008, Москва-Тамбов 2008, Том II, с. 144-145.

6. Галкин В.П. Особенности комбинированной сушки штабеля пиломатериалов при использовании энергии СВЧ промышленного диапазона. Труды III-й международной научно-практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)" СЭТТ - 2008, Москва-Тамбов 2008, Том II, с. 171-176.

7. Galkin V.P. Certain physical aspects of wood drying process using microwave radiation. 2009, IAWS, plenary meeting and conference. Saint-Petersburg, Russia, 2009, p. 45.

8. Галкин В.П., Богданов Е.С., Уголев Б.Н. Способ определения момента окончания процесса многоступенчатой камерной сушки пиломатериалов. Авторское свидетельство № 1112211, 1984 г.

9. Галкин В.П., Уголев Б.Н. Способ определения момента окончания процесса сушки древесины в штабелях. Авторское свидетельство № 1455189, 1986.

10. Галкин В.П., Громыко В.Н., Ашмарин В.Н. Патент № 2056601. Установка непрерывного действия комбинированнной сушки пиломатериалов, 1995.

11. Галкин В.П., Громыко В.Н. Патент № 2101630. Способ комбинированной сушки пиломатериалов, 1995.

12. Галкин В.П., Громыко В.Н. Патент № 2105943. Установка периодического действия комбинированной сушки пиломатериалов, 1995.

13. Галкин В.П., Серый В.С., Галкина Т.В. Патент на изобретение № 2206840. Способ камерной сушки влагосодержащих материалов, 2001.

14. Галкин В.П., Уголев Б.Н. и др. Патент на полезную модель № 83600. Устройство для камерной сушки влагосодержащих материалов. Заявка Б № 16 с приоритетом от 10.06.2009.

15. Уголев Б.Н., Галкин В.П., Расев А.И. Исследование механизма усушки древесины. Научные труды МЛТИ, 1981, вып. № 131, с.85-88.

16. Уголев Б.Н., Галкин В.П. Влияние микроструктуры и плотности древесины на ее усушку. Сб. «Рациональное использование энергетических ресурсов при усушке пиломатериалов», НПО «Силава», Саласпилс, 1983, с.94-97.

17. Галкин В.П. Некоторые закономерности усушки древесины. Научные труды МЛТИ, 1983, вып. № 141, с.11-14.

18. Галкин В.П. Основные закономерности усушки древесины. Материалы пятой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов лесопильной промышленности. Архангельск, 1983, с.149-152.

19. Уголев Б.Н., Щедрина Э.Б., Галкин В.П. Определение предела насыщения клеточных стенок древесины по ее усушке. Научные труды МЛТИ, 1981, вып. № 161, с.9-12.

20. Галкин В.П. Применение вычислительной техники для определения конечной влажности пиломатериалов по усадке штабеля. Материалы ХVI Научно-технической конференции «Основные направления ускорения научно-технического прогресса в деревообрабатывающей промышленности в 12-й пятилетке». Киев, 1986, с.181.

21. Галкин В.П. Производственные испытания макетного образца устройства дистанционного контроля влажности пиломатериалов. Материалы XVII научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности». Киев, 1989, с.105.

22. Галкин В.П., Постников И.И. Применение энергии электромагнитных СВЧ-излучений для сушки пиломатериалов. Материалы всесоюзной научно-технической конференции. Архангельск, 1990, с.127-128.

23. Галкин В.П. Устройство дистанционного контроля влажности пиломатериалов. Материалы всесоюзной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития сушки древесины». Архангельск, 1990, с.165-167.

24. Галкин В.П., Филатов М.А. К вопросу о закономерности тепло- и массообменных процессов при сушке древесины в поле СВЧ. Научные труды МЛТИ, 1991, вып. № 235, с.41-45.

25. Галкин В.П., Филатов М.А. Экономические аспекты использования энергии СВЧ. Материалы XVIII научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности», Киев, 1991, с.68-69.

26. Галкин В.П., Филатов М.А. Использование электромагнитных СВЧ - излучений для конвейеризации процесса сушки пиломатериалов. Научные труды МЛТИ, 1992, вып. №240, с.42 - 46.

27. Галкин В.П. Применение энергии СВЧ-излучений для сушки черновых мебельных заготовок. Научные труды МЛТИ, 1993, вып. № 254, с.84-86.

28. Галкин В.П., Громыко В.Н. Влияние мощности СВЧ-энергии на качество и прочность древесины. Материалы 2 международного симпозиума «СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И КАЧЕСТВО ДРЕВЕСИНЫ - 96». Труды МГУЛ, 1997, с.148 - 151.

29. Галкин В.П. Затухание микроволновой энергии в штабеле пиломатериалов. Научные труды МГУЛ. -1999. Вып. № 295. -с.51-54.

30. Галкин В.П. Использование микроволновой энергии при сушке березовых мебельных заготовок. Труды 1-й международной научно - практической конференции "Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов)" СЭТТ - 2002, Москва 2002, с.194 - 196.

31. В.П. Галкин, Использование энергии электромагнитного микроволнового излучения при сушке березовых заготовок. Научные труды МГУЛ, выпуск 319, Москва - 2003 г., с. 14 - 17.

32. Галкин В.П., Галкин Д.В. Контроль и регулирование режимных параметров при сушке пиломатериалов с использованием энергии электромагнитного микроволнового излучения. Научные труды МГУЛ. - 2005. Вып. № 331.-с. 66-69.

33. Б.Н. Уголев, В.П. Галкин, Г.А. Горбачева. Деформационные превращения при устранении гофрированности шпона. Сб. Научные труды МГУЛ, вып. 319 «Технология и оборудование для переработки древесины», М.: 2004, с. 5-10.

34. Цветков Г.А., Ашмарин В.А., Галкин В.П. Интенсификация процесса сушки влагосодержащих лесоматериалов и их продуктов. В сб. «Экологические проблемы промышленных регионов», Екатеринбург, 2004., с. 391-393.

35. Уголев Б.Н., Галкин В.П., Горбачева Г.А., Аксенов П.А., Баженов А.В. Изменение наноструктуры древесины при влагозадержанных деформациях растянутых образцов древесины. Научные труды МГУЛ. - 2007. Вып. № 338.-с. 9-16.

36. Уголев Б.Н., Галкин В.П., Горбачева Г.А., Баженов А.В. Влажностные и силовые деформации древесины. Дендрология и лесоведение. Материалы Всероссийской конференции, посвященной 50-летию Сибирского отделения РАН 2-4 сентября 2007 г, Красноярск, с. 163-166.

37. Уголев Б.Н., Галкин В.П. Влияние нагрузки на усушку древесины. Технология и оборудование для переработки древесины // Науч. Тр. - Вып. 342. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. - с. 4-9.

Размещено на Allbest.ru