Сушка древесины в электромагнитном поле сверхвысоких частот (30.11.2010)

Автор: Галкин Владимир Павлович

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

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

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

8. Разработаны и изготовлены макетные образцы 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 древесины 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 1989, 1991-1993, 1997, 1999, 2003-2005, 2007-2010 гг.;

-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;

-VI Международном симпозиуме IUFRO-TUZVO «Строение и свойства древесины», Подбанске, Словения, 2010.

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 7 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 одной монографии, статей в центральных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАКом – 7, патентов - 5.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений; содержит 331 стр. машинописного текста, включая 2 приложения, 26 таблиц, 110 рисунков и библиографии из 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. Bjoerkman, 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 и лигнин. 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, О.И. Полубояринов, Б.С. Чудинов, Б.Н. Уголев.

Одно из фундаментальных понятий физики древесины касается содержания связанной воды. Введенный Н. Tiemann термин, часто используемый в древесиноведческой литературе, «точка насыщения волокна», было заменено в последствии другим термином «точка насыщения клеточных оболочек». Однако в отечественной литературе привился термин, предложенный П.С. Серговским, «предел насыщения клеточных стенок древесины» и термин, предложенный 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. Термин "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.

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.


загрузка...