авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Древесиноведческие аспекты технологических режимов и оборудование для микроволновой сушки пиломатериалов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ГАЛКИН ВЛАДИМИР ПАВЛОВИЧ

ДРЕВЕСИНОВЕДЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ И ОБОРУДОВАНИЕ

ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.21.05 – «Древесиноведение, технология и оборудование

деревообработки»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Леонов Лев Васильевич

доктор технических наук, профессор

Мелехов Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор

Платонов Алексей Дмитриевич

Ведущая организация – Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций (ЦНИИСК) им. В.А. Кучеренко.

Защита диссертации состоится 20 ноября 2009 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.146.03 при ГОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005., г. Мытищи-5, Московская область, 1-я Институтская ул., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета леса.

Автореферат разослан «_____» июля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Б.М. РЫБИН

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

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. Bjrkman, 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 WПН 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 WПН определяется выражением:

(2)

Коэффициент усушки К 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.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.