Диссертация (Повышение энергоэффективности электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки древесины), страница 8

Для сушки вконвективных аппаратах такие акты утверждены уже давно [54, 55]. В итогеследует вывод, что фундаментальные законы влагопереноса при вакуумновысокочастотной сушке требуют дальнейшего исследования.Неравномерное высыхание материала приводит к неравномернойусушке, из-за чего возможны коробление, растрескивание, большой разбросконечной влажности и другие дефекты.

В свою очередь, неравномерное вы38сыхание может быть вызвано как неправильным режимом (разная интенсивность внутреннего влагопереноса и внешнего влагообмена), так и неравномерным подводом тепловой энергии из-за несовершенства конструкции сушильного оборудования. Некоторые дефекты, вызванные разбросом конечной влажности и большими остаточными напряжениями, поддаются устранению.

Для этого проводится термовлагообработка, что связано с дополнительными энергозатратами. В конвективных камерах данная проблема возникает из-за разной скорости циркуляции теплоносителя по длине и высотештабеля. При этом одновременное повышение скорости сушки и снижениетехнологического брака за счёт выравнивания потока теплоносителя позволяет сэкономить 15-20 % энергии [56].

Для всех типов ВЧ камер причина состоит в неравномерном распределении электромагнитного поля, как подлине, так и по сечению штабеля (для вертикальной двухэлектродной схемы(рис. 1.3, а) особенно). Это относится и к ВВК, в которых качество сушкивыше [13], чем в конвективных, благодаря низкому проценту растрескиванияпри оптимальном режиме, но разброс конечной влажности в ряде случаевостаётся большим [2].Нагрев в поле токов высокой частоты считается равномерным, еслимощность по длине конденсатора изменяется не более чем на 5-10 % [10, 14].Для этого необходимо, чтобы длина волны λ превышала габариты конденсатора в 10-20 раз. По условиям мелкосерийных производств сушке могут подлежать пиломатериалы разной длины. Для внутреннего рынка и экспортадлина сортаментов стандартизирована и составляет от 1,00 до 6,50 м с градацией 0,25 м.

Чаще производится сушка пиломатериалов с максимальной длиной, поэтому в выпускаемых камерах предусматривается возможность загрузки таких штабелей (табл. 1.1). На частоте 13,56 МГц при температуресоснового образца 20 оС и влагосодержании 0,1 кг/кг длина электромагнитной волны равна 14 м [51] и уменьшается по мере их роста. В виду этогодлина волны и размеры загрузки соизмеримы, а электромагнитное поле инагрев сильно неравномерны. В этом случае конденсатор можно рассматривать как длинную линию с установившейся в ней стоячей волной и характеризующуюся наличием узлов и пучностей электрического и магнитного по39лей.

Нагрев материалов с низкой проводимостью наиболее интенсивно происходит в местах пучностей электрического поля, а материалов с относительно высокой проводимостью – в местах пучностей магнитного поля [9].Известны разные способы снижения негативного влияния стоячихволн. В самом простом из них ВЧ генератор подключается к электроднымпластинам по центру или в нескольких точках одновременно. Благодаря этому конденсатор разбивается на несколько коротких участков, представляющих собой самостоятельную линию с распределенными параметрами. Этотже эффект достигается при подключении к пластинам дополнительных индуктивностей, настроенных в резонанс с каждым участком [10, 14]. Так какотношение длины волны к длине участка увеличивается, равномерностьнагрева повышается. Однако опыт эксплуатации показывает, что длина соединительных проводников должна быть не меньше длины электродов, чтозатруднительно реализовать в условиях ограниченного пространства герметичных камер.

Использование же большого числа высоковольтных вакуумных вводов при расположении основной части длины проводников вне камеры снижает надежность и существенно увеличивает стоимость установки.Дополнительные индуктивности так же не обеспечивают равномерность, поскольку усложняют согласование генератора и создают необходимость ихпостоянной подстройки в процессе сушки на резонансный режим. На решение проблемы равномерности нагрева направлены малочисленные технические предложения [57 - 59]. Они требуют усложнения конструкции камеры идополнительных затрат, поэтому прежде чем их внедрять, для вновь проектируемых сушильных устройств следует определить оптимальную частотугенератора с учетом размера системы и увеличения длины волны по мересушки. Для этого необходима соответствующая расчетная база.

В связи сэтим разработка математических моделей и применение современных пакетов прикладных программ (COMSOL Multiphysics, Ansys, Elcut) для исследования зависимости качества сушки от режимных параметров, характеристикВЧ генератора, габаритов и свойств материала является актуальной научнойзадачей.40Выводы:Проведен сравнительный анализ вакуумно-высокочастотного способасушки с другими.

Показано, что данный способ обладает большой перспективой, но имеет недостатки, из-за которых не находит широкого применения.Самый главный недостаток – повышенный удельный расход электроэнергии.В результате литературного поиска по оборудованию, физическим процессами общим проблемам вакуумно-высокочастотной сушки выявлены следующиепути повышения энергоэффективности ВВК:- снижение потерь электроэнергии в ВЧ тракте за счет разработки ивнедрения более совершенного оборудования для генерации, автоматического согласования и передачи ВЧ энергии на базе новых схемных решений, радиокомпонентов и микропроцессорной техники;- развитие фундаментальной теории и проведение дальнейших исследований тепломассопереноса в капиллярно-пористых коллоидных телах, помещенных в ВЧ поле, с целью разработки режимов сушки толстых сортаментов и твердых пород пиломатериалов, обеспечивающих высокие скоростьпроцесса и качество продукта;- совершенствование систем контроля и автоматизации процесса сушки;- разработка расчётных методик, технических решений и технологических рекомендаций, направленных на повышение равномерности распределения основных параметров электромагнитного поля в рабочем конденсаторедля снижения дефектов сушки и брака продукции.На основе последнего пункта сформулированы идея, цель и задачи исследования, перечисленные во Введении.412 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ТЕПЛОВЫХИ ПОЛЕЙ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ПРИ ВАКУУМНОВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СУШКЕ2.1 Распределение электромагнитного поля в поперечном сечении штабеляОбщее описание электромагнитного поля базируется на уравненияхМаксвелла [60]:D rot H  τ  J  Jст ;B; rot E  τ div D  ρ  ρ ст ; div B  0 ,(2.1)где H – вектор напряженности магнитного поля, А/м; E – вектор напряженности электрического поля, В/м; D – вектор электрического смещения,Кл/м2; B – вектор магнитной индукции, Вб/м2; J – плотность тока проводимости, А/м2; Jст – плотность сторонних токов, А/м2; ρ – объёмная плотностьэлектрических зарядов, Кл/м3; ρ ст – объемная плотность сторонних электрических зарядов, Кл/м3; τ – время, с.В каждом конкретном случае система (2.1) видоизменяется в зависимости от характера поля.

Характер переменных полей в материальных средахопределяется родом этих сред и частотой электромагнитных колебаний. Еслидлина волны λ велика по сравнению с размерами тела (среды) L, то такое поле называется квазистационарным [61]. В диэлектрике длина волны находится по формуле [62]:42λ2π,β(2.2)где β – коэффициент фазы, 1/м.Коэффициент фазы является мнимой составляющей волнового коэффициента, который в диэлектрической среде без магнитных потерь равен:k  i  2π f ε a  μ a  i  2π f ε 0  μ 0  ε(1  i  tg )  α  i  β,(2.3)где i  1 – мнимая единица; f – частота электромагнитных колебаний, Гц;ε a и μ a – комплексные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды; ε0и μ0 –диэлектрическая и магнитная постоянные, ε и tgδ - относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь среды(материала); α – коэффициент затухания, 1/м.Чтобы обосновать допустимость применения уравнений квазистационарного электрического поля для анализа его распределения в поперечномсечении штабеля на рис.

2.1 показан характер влияния плотности (породы)сухого пиломатериала и базового размера штабеля на отношение λ/B. Дляпостроения использованы диэлектрические свойства древесины поперёк волокон по данным [3, 63]. Базовым размером служит высота штабеля B, максимальная величина которой для ВВК не превышает 2 м.Из графика на рис. 2.1 видно, что условие квазистационарности(λ/B > 10) выполняется для любой породы при высоте штабеля меньше 1,5 м.При большей высоте условие может быть соблюдено, если генератор подключить к середине электродов.

Большее влияние по сравнению с частотойи плотностью на диэлектрические свойства и длину волны оказывают влажность и температура, что показано на рис. 2.2. График построен на основефункциональных связей диэлектрических свойств с температурой и влажно-43стью, полученных путем двухмерной интерполяции в программе Mathcad поданным [64].Рисунок 2.1 – Зависимость отношения λ/B от породы древесиныи высоты штабеля B на частоте 13,56 МГцРисунок 2.2 – Зависимость отношения λ/B от влагосодержаниядревесины и высоты штабеля B на частоте 13,56 МГц при t = 20 оCС ростом влажности длина волны резко уменьшается.

Условие(λ/B > 10) в этом случае соблюдается при гораздо меньшем значении характерного размера (B < 0,6 м), что на практике имеет место быть, когда генератор подключен к электродам посередине. Таким образом, электромагнитное44поле в поперечном сечении штабеля с большой степенью достоверностиможно считать квазистационарным с двумя допущениями:- высота штабеля не превышает 1,2 м;- подключение генератора к электродам выполнено посередине.В связи с этим принято, что переменное магнитное поле, создаваемое токомэлектродов, не вызывает изменения электрического. Тогда правая часть вовтором уравнении (B) системы (2.1) приравнивается к нулю, а электричеτское поле подчиняется тем же законам, как и при постоянном стационарномтоке [10, 65].

Так как rot E  0 , то электрическое поле является потенциальным и для сухой древесины описывается уравнением Лапласа в силу малойпроводимости среды. Такой подход к моделированию электрического поляпри ВЧ нагреве использован в [66]. В случае вакуумно-высокочастотнойсушки наиболее просто задача расчета поля в поперечном сечении штабеляформулируется при следующих дополнительных допущениях:- корпус камеры имеет прямоугольную форму;- пиломатериал уложен без прокладок максимально плотно, воздушныезазоры отсутствуют;- влияние подштабельной тележки на распределение поля не учитывается.Эскиз исследуемого объекта в выбранной системе координат проиллюстрирован на рис. 2.3.В области решения 1 (воздушное пространство камеры) диэлектрические свойства среды однородны и изотропны, поэтому уравнение Лапласадля неё может быть записано в наиболее простой форме: φ1 (x, y)  0,где  – дифференциальный оператор Лапласа;45(2.4)φ – потенциал электрического поля, В.Рисунок 2.3 – К расчету электрического поляв поперечном сечении штабеляВ области 2 (материал загрузки) свойства также однородны, но обладаютанизотропией.