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:     | 1 || 3 | 4 |

Сушка древесины в электромагнитном поле сверхвысоких частот

-- [ Страница 2 ] --

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, в связи с анизотропией, наличием пороков и неравномерностью строения, создать работоспособные установки для древесины, обеспечивающие высокое качество сушки 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.

 Зависимость соотношения показателей-4Рис. 2. Зависимость соотношения показателей диэлектрических свойств древесины вдоль и поперек волокон от частоты ЭМП (К1=||/ и К2=tg||/tg; 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=||/ и К2=tg||/tg. 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 сравнительно невелико. Значения тангенса угла потерь, приблизительно, на два порядка меньше величины диэлектрической проницаемости. Поэтому, даже максимальный пятикратный рост tg, возникающий на частоте 107 – 108 Гц и достигающий значения 0,035 для древесины плотностью 0=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 , в том же диапазоне изменения влажности наблюдается снижение tg. 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. Kbler, 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 RП- газовая постоянная водяного пара равная 461,58 Дж/(кг·К); Т – температура, К; – 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.

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 , 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; – критерий фазового перехода; с – теплоемкость древесины; r0 – скрытая теплота парообразования; QV – количество тепла выделяемого в теле; 0 – плотность абсолютно сухой древесины; аm – коэффициент массопроводности тела; – термоградиентный коэффициент; ар – 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 – аэ и термовлагопроводность – э. Эти коэффициенты определяются следующими выражениями:

(14)

, (15)

где аm и – обычные коэффициенты влагопроводности и термовлагопроводности; КР - коэффициент молярного переноса; 0 – 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 РН=f(t). Для определения давления паровоздушной смеси при низкой влажности допустимо принять линейную зависимость: .

Графики значений давления насыщенного пара достаточно хорошо аппроксимируются зависимостью:

(16)

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

, (17)

где КВО – удельная газопроницаемость; – 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 =0 u(x,0)=uнач; t(x,0)=tнач
При x=0 (на оси материала) ;
При x=/2 (на поверхности) ; (18)


Pages:     | 1 || 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.