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 | 2 || 4 |

Сушка древесины в электромагнитном поле сверхвысоких частот

-- [ Страница 3 ] --

Критерии Нуссельта вычислялись по уравнениям подобия, при турбулентном режиме (Redэ,ж>5 105):

(19)

для одиночного сортимента и:

(20)

для штабеля пиломатериалов ().

Коэффициент массообмена рассчитывали с учетом потока Стефана, по термодиффузионной аналогии.

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.

Для проверки работоспособности модели выполняли эксперименты по сушке одиночных образцов на лабораторной установке и штабеля пиломатериалов на промышленной установке. Эксперименты выполняли на древесине сосны, ели, березы и дуба. На рис. 5 приведены зависимости влажности от времени сушки еловых образцов. Образцы разной толщины сушились с одинаковой скоростью и расчетные данные, достаточно хорошо согласуются с экспериментальными.

Рис. 5. Зависимость текущей влажности древесины ели от времени сушки. Размеры образцов: 20130620 мм и 4396620 мм. Удельная мощность излучения, Руд=1Вт/см3.

На рис. 6 приведена расчетная зависимость средней влажности березовых мебельных заготовок размером 60х120х1600 мм. Сушка выполнялась на комбинированной СВЧ – конвективной камере периодического действия.

На этом же рисунке показаны значения влажности, определенные экспериментально, весовым методом. Разница между расчетными и измеренными значениями влажности не превышает 20 %, что свидетельствует о достаточной адекватности математической модели.

Рис. 6. Расчетная зависимость средней влажности березовых заготовок от времени сушки. Отдельными точками показаны значения влажности, определенные экспериментально, - о - эксперимент; — - расчет

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 Руд, Вт/м3, выделяемая в материале электромагнитным полем, определяется следующим выражением:

, (21)

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

Произведение 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 =f(0), 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:

(22)

(23)

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:

(24)

(25)

Рис. 7. Зависимость диэлектрической проницаемости, в направлении поперек волокон, от плотности древесины 0 на промышленных частотах 915 и 2450 МГц

Рис. 8. Зависимость тангенса угла потерь в направлении поперек волокон от плотности древесины 0

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

Рис. 9. Зависимость коэффициента потерь, в направлении поперек волокон, от плотности 0 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 0. Для промышленной частоты 915 МГц, уравнения представлены в таблице 1. Аналогичные зависимости получены для частоты 2450 МГц.

Таблица 1

Коэффициент потерь К на частоте 915 МГц

Плотность 0 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 – анизотропия и неоднородность диэлектрических показателей древесины.

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 допустимой глубиной проникновения, на которой обеспечиваются условия равномерности напряженности ЭМП. Допустимая глубина проникновения , см - это расстояние, на котором напряженность поля уменьшается в е раз (е=2,7183-основание натуральных логарифмов):

(26)

Здесь f - частота, МГц.

Из приведенной формулы (26) следуют важные закономерности: глубина проникновения снижается при увеличении частоты, диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь. Это обстоятельство следует учитывать при конструкции устройств тепловой обработки материалов.

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

На рис. 10 приведены зависимости допустимой глубины проникновения ЭМП для древесины лиственницы на промышленных частотах 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». Однако проверка адекватности модели показала, что расчетные и экспериментальные значения отличаются на 25-30 %. Поэтому были проведены эксперименты, моделирующие процессы, возникающие в реальном штабеле пиломатериалов. 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 %, на различных промышленных частотах, представлены в виде графиков на рис. 11.

Ширина штабеля, см

Рис. 11. Зависимости показателя затухания электромагнитной энергии, на промышленных частотах, от ширины штабеля пиломатериалов WСР=65 %

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. В связи с тем, что влажность при сушке распределена неравномерно, возникают напряжения от недопущенной усушки.

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

, (27)

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

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

(28)

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:

; (29)

Если обозначить отношение площадей наружных и центральных стержней как FН/FЦ=A, выражение (27) приобретает вид:

, (30)

, (31)

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

; , (32)

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

После преобразования уравнения для определения напряжений приобретают вид:

(33)

(34)

где - перепад влажности в наружных стержнях (здесь =W1=W-W1=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:

(35)

, (36)

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 (на рис. 12 камера снята и видна на втором плане).

 Экспериментальная установка -64

Рис. 12. Экспериментальная установка

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:

, (37)

, (38)

где WТ- текущая влажность древесины; WПН- 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 * к свободной усушке .

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.

 Влияние величины нагрузки на-69

Рис. 13. Влияние величины нагрузки на степень редуцирования усушки, древесина ясеня, тангенциальное направление, температура 80 °С

1 – экспериментальные данные, древесина ясеня, t=80 °С;

2 – по данным Н.Н. Чулицкого, древесина бука, 20 °С.

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

(39)

В свою очередь, значение WПН определяется выражением:

(40)

Коэффициент редуцированной усушки К* определяется выражением:

(41)

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 ЕСР, между начальным Е0 и конечным ЕК модулями:

Еср=(Е0+ЕК)/2, (42)

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

(43)

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

(44)

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

(45)

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

(46)

Таким образом, текущие напряжения поверхности определяются:

-, (47)



Pages:     | 1 | 2 || 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.