CC BY
166
ДЕРЕВООБРАБОТКА
ти усушки от влажности древесины, отражающие влияние температуры;
- получена зависимость дифференциального коэффициента усушки от влажности древесины;
- получены зависимости модуля упругости и предела прочности от температуры и влажности древесины;
- исследовано влияние растягивающей нагрузки на усушку древесины, введено понятие редуцированной усушки и получены зависимости редуцированной усушки и коэф-
фициента редуцированной усушки от величины растягивающих напряжений.
Библиографический список
1. Уголев, Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения: учебник для лесотехнических вузов - изд.3-е, перераб. и доп. / Б.Н. Уголев. - М.: МГУЛ, 2001. - 340 с.
2. Чудинов, Б.С. Вода в древесине / Б.С. Чудинов. - Новосибирск: Наука, 1984. - 270 с.
3. Чулицкий, Н.Н. Исследование внутренних напряжений в древесине / Н.Н. Чулицкий // Информационный сборник ВИАМ № 13 - М.-Л.: ГосОборон-Издат. - 1938. - С. 3-16.
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ
распространения электромагнитных волн в древесине
В.П. ГАЛКИН, доц. каф древесиноведения МГУЛ, канд. техн. наук
vgalkin@mgul. ac. ru
Переменное электромагнитное поле (ЭМП) характеризуется частотой колебаний f определяемой соотношением
f = 1/T, (1)
где Т - период колебаний.
Длина волны X равна произведению скорости ее распространения с на период колебаний Т
X =с Т. (2)
Длина волны и частота колебаний связаны между собой соотношением
X = с // (3)
Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью света. Скорость распространения волны в среде с диэлектрической в и магнитной р проницаемостью (в системе единиц МКСА) определяется выражением
3 =
1
УР (4)
Для свободного пространства (воздуха) р = 4п 10-7 Гн/м, и в = 1/(4л-9-109) Ф/м, поэтому, согласно выражению (4) (в системе CGS), скорость перемещения электромагнитной волны составляет: и = 3 108 м/с.
Электрическое и магнитное поле связаны соотношением
гВ!мл
e4z = Hjp, отсюда —
Н
А! м
£
= 377 Ом или Е = 377 Н,
где 377 - число, называемое волновым сопротивлением свободного пространства.
В теории поля рассматривают две зоны, возникающие вокруг источника электромагнитных волн: ближнюю - зону индукции и дальнюю - волновую зону, или зону излучения. Зона индукции имеет протяженность менее чем X/2n. В этой зоне нет определенной зависимости между электрической и магнитной составляющей, Е Ф 377 Н. Поле по мере удаления от источника излучения быстро «затухает» (электрическая напряженность падает пропорционально расстоянию в третьей степени, а магнитная - второй). Поэтому в материале, размещенном в ближней зоне излучения, невозможно получить равномерное объемное температурное поле.
В зоне излучения электрическая и магнитная составляющие поля пропорциональны друг другу, волна полностью сформирована и Е = 377Н. Напряженности электрической и магнитной составляющих убывают сравнительно медленно: обратно пропорционально расстоянию в первой степени. Материал, расположенный в рассматриваемой зоне, прогревается достаточно равномерно по объему.
Диапазон радиоизлучений с частотами от 100 кГц до 30 МГц (длины волн от 3 км до 10 м) назван «высокочастотным» (ВЧ), диапазон с частотами 30-300 МГц (длины
212
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2010
ДЕРЕВООБРАБОТКА
волн 10-1 м) - «ультравысокочастотным» (УВЧ), диапазон с частотами 300-300000 МГц (длины волн 1 м-1 мм) - «сверхвысокочастотным» (СВЧ). Вначале за рубежом, а в последнее время и у нас, диапазон СВЧ стали называть «микроволновым» [1].
Впервые использование ЭМП в процессах деревообработки было предложено Н.С. Селюгиным в 40-х гг. прошлого столетия. Это были частоты диапазона ВЧ, впоследствии получившие широкое применение в технологиях нагрева токами высокой частоты (ТВЧ).
Использование мощных источников ЭМП разрешено только на выделенных «промышленных» частотах. Для таких частот освоен выпуск соответствующего оборудования. В диапазоне ВЧ промышленное оборудование может работать на частотах: 13, 15 и 17 МГц, диапазоне СВЧ - на 460, 915 и 2450 МГц.
В таблице приведены основные характеристики электромагнитных волн на промышленных частотах ВЧ и СВЧ.
Диапазон ВЧ нельзя признать удачным для тепловой обработки материалов. Причиной тому служит слишком большая протяженность зоны индукции. Как видно из таблицы, она составляет около 3 м. В связи с ограничением габаритов сушильных установок обрабатываемый материал приходится располагать в ближней зоне, не обеспечивающей равномерность температурного поля. Частично задача по выравниванию напряженности ЭМП решается использованием конденсатора, к обкладкам которого подводится ВЧ. Штабель пиломатериалов размещают между вертикально или горизонтально расположенными пластинами конденсатора. Однако при этом диэлектрические характеристики материала должны быть достаточно равномерными по объему штабеля. Локальное отклонение диэлектрических характеристик вызывает изменение напряженности ЭМП, что является причиной диэлектрических пробоев и возгорания древесины. Следует отметить, что электромагнитные волны ВЧ диапазона имеют длину волны, сопоставимую с длиной обрабатываемого пиломатериала, что препятствует избирательности нагрева. При такой длине волны ЭМП не реагирует на локальное изменение диэлектрических характеристик материала.
Таблица
Основные характеристики электромагнитных волн промышленных частот
Диапазон радиоволн Частота колебаний, МГц Длина волны, м Зона индукции, м
ВЧ 13 23 3,6
15 20 3,2
17 17,6 2,7
СВЧ 460 0,65 0,1
915 0,33 0,05
2450 0,12 0,02
На диапазоне СВЧ процесс нагрева осуществляется в дальней волновой зоне, где наблюдается высокая равномерность распределения в пространстве напряженности ЭМП. Поэтому изменение напряженности ЭМП в объеме сортимента или штабеля пиломатериалов функционально зависит от геометрических размеров и диэлектрических характеристик объекта. Сравнительно короткая длина волны СВЧ, почти на два порядка меньшая чем ВЧ, обладает избирательностью нагрева. Удельное количество выделяемой тепловой энергии увеличивается в зонах материала, обладающих высокими диэлектрическими показателями.
Распространяясь в материале, электромагнитная энергия может вызывать изменение пространственного положения электрически заряженных частиц вещества, называемое поляризацией. При поляризации вещества электромагнитная энергия, расходуемая на создание электрического момента, преобразуется в тепло. Способность вещества к поляризации характеризуется двумя показателями, определяющими диэлектрические свойства материала: тангенсом угла диэлектрических потерь tg5 и относительной диэлектрической проницаемостью в. Тангенс угла потерь характеризуется отношением активного тока к реактивному. Относительная диэлектрическая проницаемость в показывает, во сколько раз сила взаимодействия между электрическими зарядами в данной среде (древесине) меньше, чем в вакууме. Она численно равна отношению емкости конденсатора с прокладкой из древесины к емкости конденсатора с воздушным зазором между электродами.
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 2/2010
213
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Удельная тепловая мощность излучения Р выделяемая в материале электромаг-
уд
нитными волнами, определяется выражением Руд = Е tg5s2rcf (5)
где Е - напряженность поля, В/м.
При размерности: (Р Вт/м3; f Гц; Е, В/м), выражение (5) приобретает вид [2]
f ,g8E (6)
Р™ =
УД 1,8 -1010 Напряженность электромагнитного поля Е может быть рассчитана по выражению (6) путем решения обратной задачи при известной удельной мощности СВЧ, подводимой к материалу.
Скорость повышения температуры материала dt / 5т, °С/мин определяется выражением
— = 8 -10-12 fE2 , (7)
дт pc
где р - плотность материала; с - удельная теплоемкость.
Продолжительность нагрева материала электромагнитными волнами от температуры to до температуры t1 определяется выражением
т = Fpc(ti - Г)/р. (8)
Несмотря на потери, связанные с генерацией и подводом к материалу микроволновой энергии, существует ряд неоспоримых преимуществ, способствующих развитию микроволновых технологий. Их основное достоинство заключается в том, что нагрев происходит одновременно практически по всему объему материала. Комбинируя электромагнитное поле с конвективным теплоносителем, можно регулировать градиенты температуры и влажности по толщине материала.
Электромагнитная энергия находит все большее применение в технологиях деревообработки: гнутье, склеивании, сушке, оттаивании и даже для разрыхления древесины
[3]. При этом время технологической обработки снижается в десятки раз по сравнению с традиционной технологией.
Библиографический список
1. Воробьев, Е.А. Экранирование СВЧ конструкций / Е.А. Воробьев. - М.: Сов. радио, 1979. - 136 с.
2. Воробьев, Е.А. Конструкции и техника СВЧ. уч. пос. ч. III. / Е.А. Воробьев. - М.: ЛИАП, 1976. -142 с.
3. Окресс, Э. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности. СВЧ-энергетика. - Т 2. / Э. Окресс. - М.: Мир, 1971. - 273 с.
214
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2010
