Диссертация (Повышение энергоэффективности электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки древесины), страница 6

Кроме этого имеют место ламинарное илитурбулентное гидродинамическое движение паро-газовой смеси (молярныйперенос), молярная и молекулярная диффузии, термодиффузия, эффузия идругие явления [31, 32]. В закрытых порах может происходить циркуляцияпара в силу естественной конвекции [29, 33]. Для элементарных механизмовпереноса выделяют следующие движущие силы: градиенты капиллярного,осмотического, расклинивающего давления, давления пара, двухмерного газаи набухания, концентрации влаги, химического потенциала и температуры.Однако в теории тепломассопереноса в капиллярно-пористых коллоидныхтелах до сих пор остается множество неточностей и противоречивых мнений.Так в [33] отмечается, что концепция эффузионного переноса противоречитсвойству стеночной клетки усыхать на величину, пропорциональную количеству удаленной связанной воды, что исключает возможность существованияв ней пара, а, следовательно, и эффузии.В вакууме влагообмен и влагоперенос зависят от режима течения паровоздушной смеси, который определяется отношением средней длины свободного пробега молекул и линейного размера пространства.

В макрокапиллярах перенос осуществляется диффузионным путём (с соударением молекул), а в микрокапиллярах – эффузионным (без соударения) [34].29Указанные выше механизмы и законы не могут быть применены дляописания суммарного влагопереноса во всем капиллярно-пористом коллоидном теле. Поэтому А.В. Лыковым на основе термодинамики необратимыхпроцессов предложен метод, позволяющий изучить во взаимосвязи переносэнергии и вещества с учетом гидродинамики невязких жидкостей, диффузии,теплопроводности и внутреннего трения. Согласно этому методу в ролиглавных движущих сил влагопереноса на макроуровне выступают градиентыизбыточного давления, температуры и влажности (концентрации влаги). Перемещение влаги происходит в сторону с меньшими температурой, влагосодержанием и давлением, т.е.

против их градиентов под действием механизмов термодиффузии, концентрационной диффузии и молярного (фильтрационного) движения пара.От взаимного направления данных градиентов во многом определяетсяэффективность удаления влаги. Контакт воздуха с влажным материалом приводит к диффузии влаги из поверхностного слоя во внешнюю среду. Интенсивность внешнего влагообмена зависит от разности химических потенциалов материала и среды, растёт с увеличением скорости движения воздуха иснижением его относительной влажности. Постепенно образуется перепадвлагосодержания между центральными и наружными слоями, при этом градиент grad u направлен вглубь материала, а вызванный концентрационнойдиффузией поток влаги jДиф.

– к поверхности (рис. 1.7). При традиционныхспособах сушки тепловая энергия подводится к поверхности материала, еётемпература оказывается выше температуры центральных слоёв. Термодиффузионный поток влаги jТ.-д. устремляется по направлению теплового потокавглубь тела и противонаправлен диффузионному (рис. 1.7, а), снижая общуюскорость сушки. Такая картина свойственна для низкоинтенсивных способовсушки (ниже 100 оС при атмосферном давлении).

При сушке древесины термодиффузией можно пренебречь в силу её малости, тогда весь процесс целиком определяется концентрационной диффузией. Для её ускорения необхо30димо увеличивать перепад влагосодержания, что становиться причиной роставнутренних механических напряжений из-за неравномерной усушки по сечению, образования трещин и снижения качества [12]. Допускается увеличивать перепад в период удаления свободной влаги, так как усушки при этом непроисходит. Таким образом, продолжительность низкотемпературной сушкивсегда высока и достигает нескольких десятков суток.а)б)Рисунок 1.7 – Направление градиентов температуры, влагосодержанияи давления при традиционных а) и диэлектрическом б) способах сушкиПри высокоинтенсивной сушке, когда температура материала достигает температуры кипения воды, парциальное давление пара внутри тела становится больше давления наружного воздуха. Парообразование может происходить как всем объёме материала, так и в отдельных его зонах.

В случаеобъёмного парообразования ближе к поверхности давление релаксируется за31счёт наличия открытых капилляров и возникает градиент избыточного давления grad P , который направлен внутрь тела и способствует конвективнофильтрационному переносу пара к поверхности jФил. (рис. 1.7).

Если происходит зонное парообразование, например, при конвективной или кондуктивной сушке древесины толстых сортаментов, то давление релаксируется к поверхности и к центру тела [35], а градиент имеет переменный знак. Это приводит к негативному перераспределению влаги по сечению со всеми вытекающими последствиями.Высокочастотная диэлектрическая сушка относится к высокоинтенсивным процессам, сопровождаемым парообразованием, но отличается инойвзаимоориентацией движущих сил. Здесь направленный вглубь тела температурный градиент grad T , так же как и градиент давления, способствует перемещению влаги к поверхности (рис.

1.7, б). В тоже время, в результате испарения содержание влаги в середине материала оказывается меньше, чем вповерхностных слоях, поэтому концентрационная диффузия препятствует еёперемещению [1, 29]. Однако продолжительность диэлектрической сушки напорядок меньше традиционной. Это обусловлено тем, что при наличии парообразования в материале основной движущей силой является именно градиент давления.

Данный факт подтверждают многие исследователи[1,36 - 38]. В вакууме влияние градиента давления становиться ещё сильнее[34]. Для диэлектрической сушки характерно начало кипения влаги при температуре ниже 100 0С, что объясняется молекулярным натеканием воздуха помикрокапиллярам и диффузией скольжения в макрокапиллярах [29]. В электромагнитном поле также существует поток влаги, вызванный электродиффузией.

Теоретические аспекты данного механизма переноса пара в капиллярах описаны в [31, 39], но при исследовании диэлектрической сушки древесины он редко учитывается из-за недостаточной практической изученности.Ускорить процесс сушки с сохранением качества материала возможнотолько при условии одновременной интенсификации внешнего влагообмена32и внутреннего влагопереноса, в противном случае неизбежен перепад влагосодержания. Поэтому идеальным считается такой высокоинтенсивный процесс, при котором поле влагосодержания однородно, а внутренний влагоперенос осуществляется за счёт термодиффузии и фильтрации.

Наиболее близкий к такому режим может быть достигнут в вакуумно-диэлектрических камерах, поскольку величины градиентов давления и температуры легко поддаются контролю путём регулирования количества подводимой ВЧ энергии идавления среды в камере [40]. Увеличение давления приводит к уменьшениюизбыточного давления, повышению температуры поверхности и снижениютемпературного градиента, что снижает внешний влагообмен и внутреннийвлагоперенос.

Уменьшение напряженности электрического поля вызываетуменьшение температуры внутренних слоёв и внутреннего парообразования,что также снижает внутренний влагоперенос. Регулировка обладает малойинерционностью и выполняется в малые промежутки времени (несколькоминут).Диэлектрическая сушка может обеспечить очень высокую интенсивность, которая лимитируется газопроницаемостью материала. Эта проблемаособенно свойственна древесине. При достаточной удельной мощности избыточное давление превышает механическую прочность, и появляются значительные дефекты сушки в виде трещин. Из-за этого невозможно реализовать весь потенциал применения токов высокой частоты, но в редких случаяхпроизводится предварительная обработка – пропаривание. Предварительнопропаренная древесина высушивается быстрее и с малым градиентом влагосодержания [41].

Для увеличения газопроницаемости применима и микроволновая обработка, при которой эффект достигается путём разрушениямикроструктур (пор) под влиянием чрезмерного избыточного давления, но,вместе с тем, снижается прочность. Более хороший результат даёт обработкаимпульсными режимами [17].Весь процесс сушки принято делить на несколько этапов [1, 2]. На первом материал прогревается. Продолжительность зависит от способа нагрева и33толщины материала и может составлять от 20 минут (диэлектрический) донескольких часов (конвективный, кондуктивный). Убыли влаги практическине происходит. На втором влагосодержание падает он начального значениядо некоторого критического, после чего начинается третий этап, заканчивающийся достижением конечного значения. В критической точке свободнаявлага полностью удаляется,дальнейшая сушка протекает за счёт убылисвязной, а одни механизмы влагопереноса сменяются другими.

Для древесины этой точкой является предел гигроскопичности (u ≈ 30 %). Второму этапусвойственна постоянная скорость сушки, а на третьем, снижаясь, она асимптотически приближается к нулю. Затем материал остывает, но предварительно может кондиционироваться для выравнивания влажности (четвертыйэтап). Также можно встретить деление процесса сушки на период постояннойскорости сушки (первый и второй этапы) и период падающей скорости сушки (третий и четвёртый этапы) [29].Особенность вакуумно-высокочастотного способа заключается в том,что при сушке до конечного влагосодержания 15-20 % кривые измененияu = f(τ) обычно прямолинейны, т.е.

до транспортной влажности процесс полностью укладывается в период постоянной скорости сушки. Отклонения возможны только при высокой начальной влажности и высокой напряженностиполя, обеспечивающей быстрый подъем температуры выше точки кипения[42]. Таким образом, основной мерой интенсивности процесса является скорость сушкиu, которая для данного способа постоянна, а основные влияτющие на неё факторы – это давление среды, удельная мощность ВЧ нагрева,толщина и влажность пиломатериалов.