Автореферат (Повышение энергоэффективности электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки древесины), страница 2

1). В итоге фактический расход энергии оказывается существенно больше физического предела.Проведен анализ используемого электрооборудования, физических механизмов и факторов, влияющих на процесс сушки, рассмотрены проблемы, связанные с реализацией данной технологии. На основе этого выявлены возможные способы повышения энергоэффективности вакуумно-высокочастотныхкомплексов (ВВК), структурная схема которых изображена на рис. 1.

К исследованию принят способ, заключающийся в сокращении технологического бракапиломатериалов за счет повышения равномерности распределения основныхпараметров электромагнитного поля в штабеле, и, как следствие, равномерности сушки. Определены задачи исследования.Вторая глава посвящена разработке математических моделей распределения электромагнитных полей (ЭМП) и процессов тепломассопереноса в древесине при сушке в ВВК.При описании ЭМП использована система уравнений Максвелла и символический метод. Показано, что в поперечном сечении рабочего конденсатора(рис. 2) поле допустимо считать квазистационарным. Для влажной древесинынеобходимо учитывать не только токи смещения, но и токи проводимости, длячего введена комплексная проводимость среды:(1)y  σ  i ω ε ,где σ – проводимость,  – круговая частота,  – диэлектрическая проницаемость.На основании сделанных допущений получено уравнение, описывающееЭМП в поперечном сечении рабочего конденсатора:(2)div  y  grad φ m   0 ,где φ m – комплексная амплитуда скалярного потенциала электрического поля.7Рисунок 1 – Структурная схема ВВК:1 – рабочая камера; 2 – ВЧГ; 3 – токопровод; 4 – электроды; 5 – нагреваемыйматериал; 6 – подштабельная тележка; 7 – циркуляционный насос охлаждениягенераторной лампы; 8 – резервуар с дистиллированной водой; 9 – вакуумированный высоковольтный ввод; 10 – вакуумный насос; 11 – обратный клапан;11´ – вентиль; 12 – охлаждающая рубашка; 13 – влагоприёмник; 14 - циркуляционный насос системы конденсации пара; 15 – резервуар с холодной водой;16 – тензометрический датчик; 17 – измеритель веса; 18 – вакуумметр; 19, 22 –датчик температуры среды и материала; 20 – датчик относительной влажностисреды; 21 – массовый расходомер; 23 – блок управленияУравнение (2) решается совместно с условиями на границе раздела двухслабопроводящих сред:E 1τ  E 2τ ;(3)nny 1  E1  y 2  E 2 и граничными условиями на поверхностях высокопотенциального электрода( φ впэ ) и заземленных элементах конструкции рабочей камеры ( φ з ): ;φ впэ  Uк(4)φ з  0, 8 – межгде n и  – нормальные и тангенциальные составляющие векторов; Uкэлектродное напряжение.Рисунок 2 – Поперечное сечение рабочего конденсатора1 – доска; 2 – прокладка; 3 – шпация; 4 – ВЧГ; 5, 6 – высокопотенциальный инизкопотенциальный электроды; 7 – корпус камерыD – диаметр камеры; wд – ширина доски; wшп – ширина шпаций; А – ширинаштабеля; d – воздушный зазор; hд – высота доски; hп – высота прокладки; B –высота штабеляВдоль оси 0z (рис.

3) условие квазистационарности не выполняется, т.е.имеет место волновой характер распределения ЭМП, для описания которого входе литературного анализа были найдены следующие модели:E x  E max cos  β   L  z   ;(5) ik j (L  jΔ) 1  RE x j  Ae;jj, j1(6) 2 E x (z) (7) k(z, t)2 E x (z) = 0 ,2z – коэффициент фазы; k – волновой коэффициент; A – амплитудагде β  Im(k)jпрямой волны на j-том участке длиной Δ; R j, j1 – обобщённый коэффициент отражения на границе j-го и (j+1)-го участков.Диэлектрические свойства древесины, зависят от температуры T и влагосодержания u, поэтому в (7) коэффициент распространения k является функцией координаты и времени: t)  i ω ε μ ε(T(z, t); u(z, t))(1  i  tg (T(z, t); u(z, t))) ,k(z,009(8)Рисунок 3 – Эскиз фрагмента рабочего конденсатора1, 2 – низкопотенциальный и высокопотенциальный и электроды;3 – пиломатериал; 4 – ВЧГгде tg - коэффициент диэлектрических потерь.Для получения частного решения уравнения Гельмгольца (7) в работе предложены следующие граничные условия:E x (L)- на свободном краю:(9)= 0;zE x (0) - в точке подключения ВЧГ:(10) k(0) E x (0)  E max ,zгде E max – максимальное значение напряженности электрического поля, наблюдаемое в ближайшей к точке подключения генератора пучности напряжения.Система (7)-(10) может быть использована для расчета поля при подключении генератора в нескольких точках.

При этом необходимо последовательноеё решить для каждого участка с согласованием граничных условий.Разработана математическая модель высокочастотного нагрева и сушкидревесины в вакууме на базе системы дифференциальных уравнений фильтрационно-диффузионного тепломассопереноса, предложенной А.В. Лыковым.Установлено, что полная система не пригодна для одномерных задач тепломассопереноса в материалах большой длины, поэтому она была упрощена до двухуравнений относительно полей температуры и влагосодержания. Чтобы учестьфильтрационное движение парообразной влаги под действием градиента давления в уравнении баланса массы локальная скорость парообразования заменена среднеинтегральной скоростью сушки, пропорциональной удельной мощности внутренних источников теплоты Qv:T ξ(T, u)  r(T) u QV (z, τ) T (a(T,u);t τ zzc(T,u)τc(T,u)ρ0(11)uTuQ(z,τ) a m (T, u)  δ(T, u)    ξ(T, u) V, τ z zzρr(T)010где at – коэффициент температуропроводности; ξ – критерий фазового превращения; r – удельная теплота испарения влаги; с – удельная теплоемкость материала; 0 – плотность сухого материала; am – коэффициент влагопроводности(диффузии влаги);  – относительный коэффициент термодиффузии влаги.В (11) и (12) учтен характер распределения электромагнитного поля:2(12)Q (z, t)  ωε ε(T(z, t); u(z, t)) tg (T(z, t); u(z, t)) E (z) ,V0xНа начальном этапе сушки осуществляются вакуумирование рабочей камеры идиэлектрический нагрев древесины.

Изменение давления и температуры в камере описываются уравнениями: dP S R TсрQ1 dTср j  Pп  с.п.  п ;VdτVμTdτсвпср св 1 dTср Qс.г.  dPгP ;г dτTdτVсв (13) ср P =P P;пг ср dT α S T(L, τ)  Tср  спS T(L, τ) j R Q + Q с.п.  ср   с.г.Tср , dτ ( μ пpп + μ г pг )сср VсвVсвгде Pп, Pг – давление пара и газа и среды соответственно; S – площадь поверхности материала; R – универсальная газовая постоянная; Vсв – свободный объемкамеры; п, г – молярная масса пара и газа соответственно; Qс.п., Qс.г – производительности систем удаления пара и газа; сп, сср – теплоемкость пара и парогазовой среды соответственно; T(L, ) – температура поверхности пиломатериала; Tср – температура среды.На стадии вакуумирования граничные и начальные условия имеют вид:(14)Tср (0) = Tср 0 ; Pср (0) = Pатм ; T(z, 0) = T0 ; u(z, 0) = u 0 ,  T(0, τ) u(0, τ) 0;zz λ (T, u) T(L, τ)  α (T (τ)  T(L, τ))  r(T)  j + с T(L, τ)  j;tсрп zzT u  ρ 0  a m (T, u)  δ(T, u)  j;zz j = α m ρп (T)(u ср (Pср ,Tср )  u(L, τ)),(15)где λz – теплопроводность вдоль волокон; αt – коэффициент конвективноготеплообмена; αm – коэффициент влагообмена; п – плотность пара; uср –равновесная влажность среды; j – поверхностный поток влаги.После стабилизации давления среды изменяется граничное условие длятемпературы:11T(L, τ) αt (Tср (τ)  T(L, τ))  r(T)  j .(16)zРасчетным путем определено, что при большой длине пиломатериала изменением поля влагосодержания на стадиях вакуумирования и нагрева допустимо пренебречь (u(z, ) = const).

Это приводит к упрощению модели нагрева иизменению начальных условий в задаче сушки.Таким образом, разработан комплекс математических моделей (7)-(16)для описания процессов нагрева и сушки древесины с учетом зависимостивнутренних источников теплоты от температуры и влагосодержания пиломатериала, волновых явлений и фильтрационного механизма движения влаги.В третьей главе изложены результаты численного моделирования, экспериментальных исследований, а также проверки на адекватность и верификации разработанных математических моделей. Для моделирования и экспериментов выбран хвойный пиломатериал (ель, сосна), диэлектрические и теплофизические свойства которого хорошо изучены.Исследовано влияние геометрических размеров рабочего конденсатора(рис 2.) на параметры распределения ЭМП: среднюю напряженность Eср электрического поля в древесине и коэффициент неоднородности kн.о =Emax/Eср.

Путем решения системы (2)-(4) в программной среде «Elcut» согласно плану ПФЭ23 проведены численные эксперименты с варьированием факторов на двухуровнях: D = 2; 2,5 м, d = 0; 2 см, wшп = 0; 2 см.λ z (T, u)Рисунок 4 – Распределение напряженности электрического поляпри D = 2 м, d = 2 см, wшп = 2 смОстальные геометрические размеры на рис. 2 приняты постоянными иравными: wд = 10 cм; B = 96 см; A = 106 см; hд = 5 см; hпр = 2 см. Диэлектрические свойства досок и прокладок определены для значений влагосодержаний120,6 и 0,0 кг/кг соответственно.

Вычисления проведены при частоте 13,56 МГц имежэлектродном напряжении 6 кВ, пример показан на рис. 4. В результате обработки экспериментальных данных получены аналитические выражения зависимости функций отклика от факторов:UE ср  m  4,04  1, 026d 0,652  2, 047w шп 0,352  0, 638  d 0,652  w шп 0,352  ;(17)6k н.о.  1,375  1,131d 0,35  0, 463w шп1,09  0,084d 0,35 w шп1,09 .(18)Проверка адекватности (17), (18) выполнена по критерию Фишера. Его расчетное значение Fр для доверительной вероятности 95 % и степеней свободыn1 = 7 и n2 = 13 составило соответственно 2,136 и 1,406 при табличном Fт = 2,8.На основании этого сделаны выводы об их адекватности. По полученным аналитическим выражениям построены графики (рис. 5, 6), анализ которых позволил дать рекомендации по оптимальному способу укладки штабеля.Рисунок 5 – График поверхностиEср = 1(d, wшп)Рисунок 6 – График поверхностиkн.о.

= 2(d, wшп)Проведено сравнение результатов решения системы (7)-(10) и уравнений(5), (6) при разных соотношениях длины волны λ и длины рабочего конденсатора L с существующими экспериментальными данными. На рис. 7 приведенпример сравнения для частоты 13,56 МГц при длине пиломатериалов 8 м. Изграфика следует, что разработанная математическая модель более точно описывает распределение ЭМП, особенно в узле напряжения, в котором решениеуравнений (5) и (6) приводит к нулевому результату. С целью достовернойоценки адекватности модели (7)-(10) проведены дополнительные экспериментальные исследования. С помощью селективного микровольтметра SMV 8.5измерялось напряжение по длине конденсатора, электроды которого изготовлены из алюминиевой фольги, закрепленной на сосновой доске размером1450 x 100 x 25 мм. Многократные измерения проводились на частоте 100 МГц.13Рисунок 7 – Распределение напряженности электрического поляи напряжения (в отн.