Автореферат (Повышение энергоэффективности электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки древесины)

На правах рукописиКОРЕНКОВ ДМИТРИЙ АНДРЕЕВИЧПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВВАКУУМНО-ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫСпециальность: 05.09.10 – «Электротехнология»Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукОрел, 2017ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования обусловлена необходимостью повышения энергоэффективности существующего сушильного электрооборудования ивнедрения новых энергосберегающих технологий для сушки, как наиболее продолжительной и ресурсозатратной операции производства пиломатериалов.

Таккак сокращение экспорта круглого леса и увеличение экспорта пиломатериаловобъявлено новой политикой в этой отрасли экономики, то снижение затрат насушку обрезной древесины позволит добиться существенной экономии ТЭР вовсей деревообрабатывающей отрасли, снизить энергоемкость и себестоимостьпроизводства пиломатериалов, а значит, увеличить прибыль от их экспорта.

Кперспективным технологиям относится вакуумная высокочастотная сушка, которая характеризуется высокой скоростью процесса и другими преимуществами, недоступными для остальных технологий, но обладает относительно большим удельным расходом электроэнергии. Однако потенциал энергосбережениясуществует и должен быть реализован. При этом условии вакуумновысокочастотная сушка станет хорошим решением для мелкосерийных деревообрабатывающих производств и мебельных фабрик, нуждающихся в высокоскоростном сушильном оборудовании, позволяющем быстро реагировать напостоянно меняющиеся условия рынка.Тема диссертации направлена на решение научно-технических задач,способствующих исполнению федерального закона РФ от 23.11.2009 № 261-ФЗ«Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…», всвете требований государственной программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», согласно которойпоставлена задача снижения энергоёмкости ВВП на 40 % к 2020 г.Степень разработанности темы исследования.

Среди соотечественников,которые внесли значительный вклад в развитие теории и практики вакуумновысокочастотной сушки, следует выделить А.И. Расева, А.А. Горяева,Н.Ю. Попова, А.В. Нетушила и др. Благодаря их трудам разработаны конструкции электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки,отлажены режимы сушки отдельных пород древесины, научно обоснована возможностьприменениякомбинированнойконвективно-вакуумновысокочастотной сушки.

Также следует отметить зарубежных учёных S. Avramidis, A. Koumoutsakos, N.H. Lee, работы которых направлены на изучениеразличных аспектов протекания тепломассопереноса в древесине при наличиивнутренних источников теплоты и низком давлении среды. За последние двадцать лет количество зарубежных исследователей увеличилось (K. Hayashi, Y.Cai, J. Zhao), что указывает на интерес научного сообщества к данной технологии сушки.Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются электротехнологические комплексы вакуумно-высокочастотной сушки древесины.3Предмет исследования – энергоэффективность электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки древесины и способы её повышения.Цель исследования – повышение энергоэффективности электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки древесины за счетснижения непроизводительных потерь энергии, сокращения технологическогобрака при уменьшении себестоимости сушки 1 м3 пиломатериалов.Идея работы состоит в разработке комплекса технических решений и рекомендаций, направленных на повышение равномерности распределения основных параметров электромагнитного поля по объему штабеля древесины дляповышения технико-экономических показателей электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки.Задачи исследования.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи:1. Определить пути повышения энергоэффективности работы электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки.2. Выявить закономерности влияния геометрических размеров рабочегоконденсатора на характер распределения основных параметров электромагнитного поля в поперечном сечении штабеля.3. Разработать математические модели для расчета распределения основных параметров электромагнитных и тепловых полей, а также влагосодержания по длине пиломатериала с учетом особенностей технологического процесса вакуумно-высокочастотной сушки.4.

Выявить возможности использования численных методов для решения задач расчета распределения основных параметров электромагнитных, тепловых полей, а также влагосодержания по длине штабеля для разных частот ивариантов подключения ВЧ генератора к электродам рабочего конденсатора.5. Разработать комплекс рекомендаций и технических решений, направленных на повышение технико-экономических показателей работы электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки.6.

Проведение технико-экономического анализа эффективности работыэлектротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки с учетом результатов исследований.Научная новизна.- С использованием компьютерного моделирования в программной средеELCUT разработана методика исследования влияния геометрических размероврабочего конденсатора на характер распределения основных параметров электромагнитного поля в поперечном сечении штабеля.- Разработана математическая модель распределения основных параметров электромагнитного поля по длине штабеля в рабочем конденсаторе, отличающаяся учетом распределения температуры, влагосодержания по длине пиломатериала, с достаточной степенью точности описывающая электромагнитное поле вблизи узлов напряжения.4- Разработана математическая модель процессов тепломассопереноса вдлинномерных пиломатериалах, протекающих при вакуумно-высокочастотнойсушке, отличающаяся учетом зависимости внутренних источников теплоты оттемпературы и влагосодержания древесины, волнового характера распределения электромагнитного поля и фильтрационного механизма движения влаги.Практическая значимость.- Получены аналитические выражения и графические зависимости среднего значения напряженности электрического поля в древесине и коэффициента неоднородности от размеров воздушных зазоров и шпаций, позволяющиевыбрать оптимальный способ укладки штабеля при вертикальной двухэлектродной схеме рабочего конденсатора.- Разработана «Программа расчёта электромагнитных и тепловых полей впроцессе диэлектрического нагрева влажной древесины в плоском конденсаторе при наличии волновых явлений» для выбора оптимальных параметров ВЧгенератора, обеспечивающих требуемую равномерность и высокую скоростьнагрева при безопасном значении напряженности электрического поля в материале.- Даны рекомендации по повышению равномерности распределения электромагнитного поля в поперечном сечении штабеля.

Предложен способ повышения равномерности сушки по длине штабеля путем подключения высокочастотного генератора к электродам в трех точках через коммутационный блок,осуществляющий циклическое отключение/подключение крайних точек. Установлено, что при параметре переключения 0,45 коэффициент неоднородностиполя влагосодержания принимает минимальное значение 1,11.- Установлена графическая зависимость себестоимости сушки 1 м3 пиломатериала от его толщины, позволяющая выбрать оптимальный вариант сушкидревесины.- Разработан способ непрерывного контроля влажности древесины в электротехнологических комплексах для вакуумно-высокочастотной сушки древесины.Методология и методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались положения теории электромагнитного поля, методы теории планирования экспериментов, методы математического и компьютерного моделирования, вычислительные и натурные эксперименты. Программная реализация математических моделей осуществлялась всредах Mathcad и Elcut.Достоверность полученных результатов подтверждается соответствиемрезультатов вычислительных и натурных экспериментов, а также непротиворечивостью результатов теоретических исследований и накопленных теоретикопрактических знаний в области эксплуатации электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки древесины.Реализация работы.

Полученные результаты исследований использованыГУ «Орловский региональный центр энергосбережения» при разработке энер5госберегающих мероприятий для деревообрабатывающих и мебельных производств с годовым экономическим эффектом 450 тыс. руб., а также внедрены вучебный процесс направления подготовки бакалавров 13.03.02 – «Электроэнергетика и электротехника» ФГБОУ ВО «ОГУ имени И.С. Тургенева» в формелабораторных и практических работ по дисциплине «Электротехнологии».На защиту выносятся следующие положения:- пути повышения энергоэффективности работы электротехнологическихкомплексов вакуумно-высокочастотной сушки.- методика исследования влияния геометрических размеров рабочегоконденсатора на характер распределения основных параметров электромагнитного поля в поперечном сечении штабеля, основанная на компьютерном моделировании в программных средах Mathcad и ELCUT.- математическая модель расчета напряженности электрического поля,учитывающая распределение температуры, влагосодержания, а также электромагнитного поля вблизи узлов напряжения по длине пиломатериала.- математическая модель процессов тепломассопереноса в длинномерныхпиломатериалах, учитывающая зависимость внутренних источников теплоты оттемпературы и влагосодержания древесины, волновой характер распределенияэлектромагнитного поля, а также фильтрационный механизм движения влаги.- результаты исследования распределения параметров электромагнитныхи тепловых полей, а также влагосодержания по длине пиломатериала для разных частот и вариантов подключения ВЧ генератора к электродам рабочегоконденсатора, на основе которых разработаны технические рекомендации поповышению энергоэффективности электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки.Апробация работы.

Основные результаты исследования докладывались иобсуждались на XI-ой и XIII-ой международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - ХХI век» (Орёл, «ГУ-УНПК»в 2013, 2015 г.г.), 2-ой Международной конференции с элементами научнойшколы «Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности втехнических системах» (Тамбов, «ТГТУ» в 2015 г.).Научные публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатныхработ, в том числе 6 работ в ведущих рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК России, из который 3 – в изданиях по группе специальностей05.09.00, 1 патент и 1 зарегистрированная программа на ЭВМ.Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 109наименований и 7 приложений. Общий объем диссертации – 155 страниц. Основная часть изложена на 133 страницах, включает 37 рисунков и 13 таблиц.6ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность, сформулирована цель проводимых исследований. Представлены научная новизна и практическая значимостьполученных результатов. Изложены научные положения, выносимые на защиту.

Отражена структура диссертации.В первой главе проведен сравнительный анализ электротехнологий сушки с применением диэлектрического нагрева. Показано, что вакуумновысокочастотная сушка обладает рядом преимуществ перед конвективновысокочастотным и комбинированными СВЧ способами, такими как: более высокий ресурс работы триодов по сравнению с магнетронами; большая глубинапроникновения электромагнитной волны; низкотемпературный режим сушки ивысокая её скорость. Данная технология также характеризуется минимальнымфизическим пределом затрачиваемой энергии, поэтому её можно считатьнаиболее перспективной с учетом общих недостатков, присущих всем методам.Однако в реальности требуется затрачивать дополнительную энергию на компенсацию тепловых потерь, потерь в высокочастотном генераторе (ВЧГ) 2, работу вакуумного 10 и циркуляционного насосов 7, 14 (рис.