CC BY
83
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Время, час
Трад. 3-х стерж. 3-х стержн. Усушка не лин. По ред. усушке
Рисунок. Напряжения поверхностной зоны доски при сушке одноступенчатым режимом. Дуб, S = 50 мм, t = 50 °С.
Принимая для расчетов дифференциальный коэффициент усушки, получили растягивающие напряжения 3,4 МПа и сжимающие в конце сушки 1,95 МПа. При расчете напряжений по коэффициенту редуцированной усушки максимальные растягивающие напряжения составили 2,9 МПа, а сжимающие - 2,2 МПа, наиболее точно приблизившись к экспериментальным значениям.
Библиографический список
1. Лапшин, Ю.Г. Деформативность и прочность древесины и древесностружечных плит в техно-
логических процессах: дисс. ... д-ра техн. наук / Ю.Г. Лапшин. - М., 1981. - 328 с.
2. Уголев, Б.Н. Контроль напряжений при сушке древесины / Б.Н. Уголев, Ю.Г. Лапшин, Е.В. Кротов.
- М.: Лесная пром-сть, 1980. - 208 с.
3. Уголев, Б.Н. Изменение наноструктуры древесины при влагозадержанных деформациях растянутых образцов древесины / Б.Н. Уголев, В.П. Галкин и др. // Научные труды МГУЛ. - 2007. - Вып. 338.
- С. 9-16.
4. Уголев, Б.Н. Влияние нагрузки на усушку древесины. Технология и оборудование для переработки древесины / Б.Н. Уголев, В.П. Галкин // Науч. Тр. - Вып. 342. - М.: МГУЛ, 2008. - С. 4-9.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОВОЛНОВОЙ ЭНЕРГИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЧАСТОТ ДЛЯ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ
В.П. ГАЛКИН, доц. каф древесиноведения МГУЛ, канд. техн. наук
Поскольку электромагнитная энергия диапазона СВЧ обеспечивает возможность безынерционного нагрева всего объема, она стала довольно широко применяться в быту и промышленности [1]. Основная причина, препятствующая широкому распространению микроволновых технологий в деревообработке, сложность достижения в материале равномерного температурного поля. Вследствие анизотропии, неоднородности строения и наличия пороков древеси-
на представляет собой достаточно сложный объект с хаотическим распределением диэлектрических характеристик. Задача достижения более равномерного температурного поля в материале отчасти решается импульсным облучением материала. Периоды воздействия микроволновой энергии чередуются с периодами отсутствия облучения [2]. С этой целью используется направленное поле СВЧ, перемещающееся вдоль штабеля пиломатериалов [3].
234
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Чтобы обеспечить равномерный по толщине прогрев сортимента, необходимо обеспечить определенные характеристики напряженности электромагнитного поля (ЭМП). По мере распространения электромагнитной волны в материале происходит рассеяние электромагнитной энергии [4]. При направлении волны по координате Z энергия снижается, следуя экспоненциальному закону - е-2“2, где а - коэффициент затухания, определяемый выражением [5]
а «1,48 • 10-8 fyje(Vl + (tg 5)2"+Г. (1)
Скорость распространения электромагнитной волны в материале, называемая фазовой скоростью иф, м/с, становится меньше скорости света с и определяется выражением
4,23 •lO8
yjs^J1 +(tg 5)2 +1
< c.
(2)
Проникновение микроволновой энергии в материал принято оценивать поверхностным эффектом. В идеальном диэлектрике (прозрачном для излучения, т.е. без потерь) электромагнитные волны распространяются без затухания. В идеальный проводник, наоборот, электромагнитное поле совершенно не проникает, и волна полностью отражается от него. Влажная древесина хорошо поглощает электромагнитную энергию. Абсолютно сухая древесина приближается к идеальному диэлектрику. Количественно проницаемость материала характеризуется так называемой допустимой глубиной проникновения, на которой обеспечиваются условия равномерности напряженности ЭМП. Допустимая глубина проникновения А, см определяется выражением [6]
А
С
f/s tg 5
9,55 -103 f •y/s tg 5’
(3)
где f - частота ЭМП, МГц.
Из приведенной формулы (3) следует, что допустимая глубина проникновения снижается при увеличении частоты ЭМП и диэлектрических характеристик материала.
Использование мощных источников ЭМП разрешено только на выделенных «промышленных» частотах. Для диапазона СВЧ
это частоты 460, 915 и 2450 МГц. Из отечественных древесных пород максимальное затухание ЭМП возникает в лиственнице [7]. Рассчитанная по диэлектрическим показателям зависимость допустимой глубины проникновения ЭМП от влажности древесины лиственницы на частоте 915 и 2450 МГц приведена на рис. 1.
Как видно из рис. 1, допустимая глубина проникновения ЭМП на частоте 915 МГц более чем в два раза превышает аналогичный показатель на частоте 2450 МГц, что характерно для любой влажности древесины. Так, например, при влажности древесины 60 % на частоте 915 МГц могут высушиваться с хорошими показателями качества материалы толщиной до 180 мм, а на частоте 2450 МГц - только 70 мм. Следует отметить, что для высококачественной сушки необходимо обеспечить приблизительно одинаковую напряженность ЭМП со стороны пластей сортимента. В конвейерных сушильных установках эта задача решается путем использования отражающих экранов, изменяющих направление вектора напряженности поля СВЧ [8].
Для того чтобы обеспечить условия высококачественной сушки сортиментов в штабеле, необходимо создать приблизительно одинаковые условия для сушки досок, расположенных как снаружи, так и внутри штабеля. Критерием равенства условий выступает напряженность ЭМП. Теоретически рассчитать изменение напряженности при распространении электромагнитной энергии в штабеле пиломатериалов достаточно сложно. Решение подобных задач рассматривается в теории слоистых диэлектриков. Совместно со специалистами НПО «Исток» была разработана математическая модель, основанная на методике Ю.В. Егорова [9] для расчетов процессов затухания электромагнитной энергии в частично заполненных прямоугольных волноводах. Модель позволяла рассчитать затухание ЭМП в зависимости от влажности древесины, частоты микроволновой энергии, а также толщины прокладок, используемых для формирования штабеля. Однако проверка адекватности модели показала недостаточную точность расчетов составляющую 25-30 % [10].
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
235
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Д 915 листв. А 2450 листв.
Рис. 1. Зависимость влажности древесины от допустимой глубины проникновения ЭМП для лиственницы на частоте 915 и 2450 МГц
Рис. 2. Зависимости затухания электромагнитной энергии на промышленных частотах от ширины штабеля пиломатериалов (при толщине прокладок 40 мм и влажности древесины
^СР = 65 %)
С целью уточнения зависимостей затухания электромагнитной энергии были проведены эксперименты, моделирующие процессы, возникающие в реальном штабеле
пиломатериалов. Микроволновая энергия направлялась в волноводную камеру, в которой был сформирован фрагмент штабеля длиной и шириной 1 метр. В первоначальной серии
236
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
ДЕРЕВООБРАБОТКА
опытов использовали сосновые доски толщиной 20, 40 и 50 мм. Влажность досок составляла 10-11 % либо 60-65 %. Доски укладывали на прокладки толщиной 20, 40 и 60 мм. Микроволновая энергия подводилась сбоку экспериментального штабеля. Напряженность ЭМП измерялась по ширине штабеля: на входе в него и различном удалении от входа. Для каждой из трех промышленных частот в экспериментах использовались разные камеры. Было установлено, что затухание напряженности ЭМП снижается при увеличении толщины прокладок и возрастает при увеличении влажности древесины. Влияния толщины доски на затухание микроволновой энергии не обнаружилось. Дальнейшие эксперименты выполняли на сосновых и дубовых досках влажностью 46-65 % и толщиной 25 мм. При одинаковой влажности досок в штабеле из древесины дуба наблюдалось несколько большее затухание энергии СВЧ по сравнению со штабелем из сосновых досок. На расстоянии 1000 мм разница в затухании микроволновой энергии составляла около 0,5 дБ, что пренебрежимо мало.
Увеличение толщины прокладок до 60 мм значительно повышает проницаемость штабеля, но снижает объем загрузки камеры. Поэтому более целесообразной оказалась толщина прокладок 40 мм. Зависимости затухания микроволновой энергии от ширины штабеля пиломатериалов приведены на рис. 2.
При подводе к штабелю электромагнитной энергии с обеих боковых сторон центральные зоны получают суммарную удельную микроволновую мощность от двух облучателей. Пренебрегая напряженностью поля во второй половине ширины штабеля, можно ужесточить критерий равномерности поля, приняв следующее соотношение напряженности Ец в центральной зоне
Ец = > Е0 / 2 (4)
где Е0 - напряженность поля на входе в штабель пиломатериалов.
Такому критерию удовлетворя-
ет показатель затухания 3 дБ, при котором Е0 / ЕЦ=1,99. Как видно из рис. 2, указанное
затухание возникает на ширине штабеля в зависимости от частоты: 460 МГц - 800 мм, 915 МГц - 600 мм и 2450 МГц - 200 мм. Таким образом, при облучении с двух боковых сторон максимальная ширина штабеля не должна превышать на частоте: 460 МГц - 1600 мм, 915 МГц - 1200 мм и на частоте 2450 МГц - 400 мм.
Выводы
Получены параметры влажности древесины, позволяющие определять допустимую толщину отдельных сортиментов, при которой обеспечивается высокое качество микроволновой сушки на частоте 915 и 2450 МГц.
Для промышленных диапазонов частот микроволнового поля определена допустимая ширина штабеля пиломатериалов, при которой может обеспечиваться высокое качество сушки.
Библиографический список
1. Окресс, Э. СВЧ-энергетика. - Т 2. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности / Э. Окресс. - М.: Мир, 1971. - 273 с.
2. Галкин, В.П., Громыко В.Н. Патент РФ N° 2101630. Способ комбинированной сушки пиломатериалов.
3. Галкин, В.П., Громыко В.Н. Патент РФ № 2105943. Установка периодического действия комбинированной сушки пиломатериалов.
4. Конструкции и техника СВЧ Учебное пособие. -Ч. III. / Е.А. Воробьев. - ЛИАП, 1976. - 142 с.
5. Пюшнер, Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот / Г. Пюшнер. -М.: Энергия, 1968. - 163 с.
6. Терещенко, А.И. Работает СВЧ / А.И. Терещенко. - М.: Знание, 1977. - Т 35. - 64 с.
7. Торговников, Г.И. Диэлектрические свойства древесины / Г.И. Торговников. - М.: Лесная пром-сть, 1986. - 128 с.
8. Галкин, В.П., Громыко В.Н., Ашмарин В.Н. Патент РФ № 2056601. Установка непрерывного действия комбинированнной сушки пиломатериалов.
9. Егоров, Ю.В. Частично заполненные прямоугольные волноводы / Ю.В. Егоров. - М.: Советское радио, 1987. - 217 с.
10. Галкин, В.П. Повышение эффективности использования микроволновой энергии различных рабочих частот для сушки пиломатериалов / В.П. Галкин, В.Н. Громыко // Деревообрабатывающая промышленность. - 1997. - Вып.4. - С. 20-21.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2010
237
