Древесинноведческие аспекты технологических режимов и оборудование для микроволновой сушки пиломатериалов (31.08.2009)

Автор: Галкин Владимир Павлович

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:

, †††††††††††††††††††††??

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:

, (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:

, (15)

где аm и ? – обычные коэффициенты влагопроводности и термовлагопроводности; КР - коэффициент молярного переноса; ?0 – плотность абсолютно сухой древесины; Р – давление паровоздушной смеси; u – влагосодержание.

Графики значений давления насыщенного пара достаточно хорошо аппроксимируются зависимостью:

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

При x=?/2

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

для одиночного сортимента и:

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: 20*130*620 мм и 43*96*620 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:

?????????

???????????но 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:


загрузка...