CC BY
41
УДК 536.2
К. В. Кутовой, С.Ю. Осипов, Ю.Р. Осипов
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ ДИСПЕРСНОГО
МАТЕРИАЛА
В статье предложена методика исследования процесса термообработки дисперсного материала, представлены результаты экспериментальных исследований сушки дисперсного материала с применением СВЧ-полей, выявлены эмпирические ■зависимости удельной поглощенной мощности СВЧ-излучения и кинетики процесса сушки от заполнения волновода исследуемым материалом.
Тепломассообмен, сушка, СВЧ, древесина, опилки, дисперсный материал.
The paper suggests a technique of studying the process of heat treatment of disperse material, presents experimental study of disperse material drying using microwave fields, demonstrates empirical dependence of the specific absorbed power of microwave radiation and the kinetics of the drying process on the test material filling the pipe.
Heat and mass transfer, drying, microwave, wood, sawdust, disperse material.
Современный лесопромышленный комплекс является поставщиком не только ценной готовой продукции, но и сырья, эффективное использование которого является важной задачей.
Продукцию из опилок целесообразно классифицировать по двум основным признакам: по способам производства и по назначению [4].
По способам производства продукция из опилок подразделяется на шесть основных групп:
1. Продукция, для производства которой требуются органические вяжущие материалы и, как правило, прессующее оборудование (тырсолит, древесно-опилочные, армированные и экструзионные плиты и Т.д.).
2. Материалы и изделия, получаемые методом формования с применением минеральных вяжущих материалов (цемент, гипс, каустический магнезит).
3. Продукция, изготавливаемая методом прессования без применения вяжущих материалов (лигно-углеводные древесные пластики, пьезотермоштасти-ки, вибролит, брикеты, пеллеты).
4. Продукция, получаемая химической и энергохимической переработкой опилок (моносахариды, смолы, летучие кислоты, кокс, углеводистые корма для сельского хозяйства).
5. Удобрения, получаемые биологической переработкой опилок.
6. Продукция, получаемая механической переработкой опилок, или использование опилок, без дополнительной обработки или переработки.
По назначению продукцию из опилок можно подразделить на пять основных групп:
1. Различные строительные материалы и изделия из опилок, используемые в строительстве.
2. Продукция, применяемая в прочих отраслях промышленности.
3. Продукция, используемая в сельском хозяйстве.
4. Продукция, используемая в виде брикетов в
технологических целях и как топливо.
5. Различные изделия культурно-бытового назначения (художественные изделия, футляры, игрушки).
При производстве продукции из опилок различных видов, за исключением получаемых биологической переработкой, требуется сырье с влажностью 8-40 % [4]. Достижение требуемой влажности осуществляется за счет введения в технологию производства этапа сушки. В настоящее время этот этап является одним из самых затратных, поэтому необходимо больше внимания уделять вопросам интенсификации процесса теплообмена и энергосбережения при термообработке дисперсного материала. Для изучения и решения этих вопросов были проведены опыты на экспериментальной лабораторной установке с регулируемой мощностью электромагнитного излучения от 0 до 50 кВт [6].
В качестве испытуемого образца использовалась упаковка смеси древесных опилок хвойных пород (преимущественно сосна и ель). Фракционный состав соответствует опилкам, полученным при распиловке на рамных и ленточнопильных станках: частицы более 10 мм - 0,6 %; от 5 до 10 мм - 2,6 %; от 2 до 5 мм - 63,6 %; от 1 до 2 мм - 20,2 %; менее 1 мм -13,0% [4].
Параметром управления является ток магнетрона. В процессе сушки необходимо знать мощность СВЧ-поля или напряженность. Мощность СВЧ-поля, зависящая от тока магнетрона, определялась по температуре воды на выходе из волноводной камеры. Температура в образцах измерялась с помощью хромелько-пелевых термопар и автоматического электронного потенциометра КСП-4. Температура на поверхности образца измерялась с помощью инфракрасного пирометра. Для определения влажности образцов использовали лабораторные весы и электровлагометр.
В процессе сушки в волноводной камере образец
помещался в центр волновода, где напряженность поля имеет максимум. Включалась подача нагретого воздуха и СВЧ-энергии. Через каждые 180 с отключали подачу СВЧ-энергии и определяли температуру на поверхности и внутри образца, вес образца. Процесс сушки продолжался до достижения влажности 8 - 10 % [5]. После СВЧ-сушки образцы помещали в сушильный шкаф для сушки до абсолютно сухого состояния.
Опыты показали, что процесс сушки делится на два этапа:
- нагрев древесины от начальной температуры до температуры кипения воды;
- выпаривание влаги из древесины.
В зависимости от удельной поглощенной мощности эти этапы могут протекать как последовательно, так и одновременно [7].
При интенсивном подводе СВЧ-энергии, когда удельная поглощенная мощность превышает величину 4 МВт/м3 [3], выдавливание влаги в жидкой фазе начиналось на этапе нагрева. Это объясняется тем, что свежесрубленная древесина с влажностью 80 % имеет пустоты, заполненные воздухом на 40 % от объема древесины. При нагреве воздуха образуется избыточное давление, которое начинает выдавливать воду от середины образцов к поверхности. В середине образца образуется зона с меньшей удельной теплоемкостью, температура материала в этой зоне быстро поднимается.
В процессе опытов в середине образцов температура росла быстрее, чем на поверхности. При достижении древесиной температуры кипения воды она выравнивалась и составляла 375 - 378 К.
В процессе сушки температура поверхности образца была ниже на 10°, чем внутри образца. При подводе СВЧ-энергии с удельной поглощенной мощностью менее 1 -МВт/м3 удаление воды в жидкой фазе не наблюдается.
При анализе результатов экспериментов было выявлено следующее: скорость сушки зависит от заполнения волновода материалом и от его влажности, что характеризуется коэффициентом поглощения древесиной СВЧ-энергии (рис. 1).
0,20 0,15
0,10 0,05
0 20 40 60 80 IV, %
Рис. 1. Зависимость коэффициентов поглощения древесиной СВЧ-энергии от влажности материала:
1 - упаковка размером 40 х 60 х 450 мм; 2 - 40 х 80 х х 450 мм; 3 - 40 х 100 х 450 мм
Рассмотрим кинетику сушки образцов размером 25 х 60 х 450 мм при различных средних плотностях потока СВЧ-энергии. При средней плотности потока мощности р = 29 кВт/м2 время сушки до влажности 10 % составляет 1800 - 2700 с, при р = 46 кВт/м2 -1080 - 1440 с, при р = 64 кВт/м2 - 600 - 900 с. Увеличение средней плотности потока мощности от 29 до 64 кВт/м2 сокращает время сушки в 3 раза. При средней плотности потока мощностью 15 кВт/м интенсивность сушки существенно снижается и при влажности менее 25 % еще более замедляется. Из экспериментов также видно, что с уменьшением влажности уменьшается скорость сушки. Это связано с уменьшением коэффициента поглощения (рис. 1) и означает, что с уменьшением влажности уменьшается удельная поглощенная мощность.
Коэффициент поглощения древесиной СВЧ-энергии зависит не только от влажности, но и от заполнения волновода (рис. 2).
дг МВт
''пог, -
М
1,00
0,75' )
0,50
0,25
0 10 20 30 40 50 IV, %
Рис. 2. Зависимость удельной поглощенной мощности от заполнения волновода:
1-60 мм; 2-80 мм; 3 - 100 мм
Рис. 1 и 2 похожи друг на друга. Из этого следует, что скорость сушки в волноводной камере зависит от удельной поглощенной мощности. Удельная поглощенная мощность в процессе сушки, в отличие от подведенной мощности, является величиной непостоянной и зависит от коэффициента поглощения.
Опыты также показали, что чем выше начальная влажность древесины, тем выше средняя скорость сушки. Это объясняется тем, что древесина с более высокой влажностью имеет больший коэффициент диэлектрических потерь, чем материал с меньшей влажностью. При пониженной влажности уменьшается доля влаги, удаляемой в жидкой фазе.
Основными факторами, влияющими на качество древесины в процессе диэлектрической сушки, являются избыточное давление в начале сушки, неравномерность сушки и перегрев древесины в конце сушки, когда влажность древесины ниже предела гигроскопичности.
Еще одним фактором, влияющим на качество сушки, является температура. Изменение температуры в древесине в процессе СВЧ-сушки показано на рис. 3.
В процессе СВЧ-сушки температура в древесине не превышала 102 - 105 °С. Когда влажность древе-
3 \ Г
\ У / \
2 Л о
1 и 1
У /X
сины уменьшалась ниже предела гигроскопичности, температура, в зависимости от удельной поглощенной мощности, постепенно повышалась.
Разложение древесины начинается при температурах, немного превышающих 100 °С, но в пределах до 150 °С оно происходит настолько медленно, что не может быть использовано на практике для получения каких-либо ценных продуктов [1]. Большое значение имеет длительность воздействия температуры. Так, при нагреве до 150 °С в течение 1 ч древесина почти не изменяет своих физических свойств, а при нагревании до 100 - 105 °С при продолжительном воздействии до нескольких недель древесина не только теряет всю гигроскопическую, но и часть химической связанной влаги, т.е. начинается распад древесины.
120 100 80 60 40 20
0 120 240 360 480 600 720 т, С
Рис. 3. Изменение температуры в древесине в процессе СВЧ-сушки:
1 - 60 мм; 2-80 мм; 3-100 мм
Воздействие на древесину температуры ниже 60 °С независимо от длительности обработки практически не снижает ее эксплуатационной прочности. Воздействие более высоких температур начинает сказываться, если продолжительность обработки превышает при / = 80 °С 40 - 50 ч, при ? = 100 °С 4 -5 ч, при / = 120 °С 2 - 3 ч. В интенсивных процессах сушки максимальная температура составляет 120 -130 °С, а длительность ее воздействия - 30 - 60 ч. При этих условиях прочность древесины снижается при статическом изгибе, растяжении и сжатии на 5 -10 %, при скалывании и динамических нагрузках на 15 -25% [5].
В древесине, высушенной в электрическом поле СВЧ, отмечено некоторое снижение гигроскопичности, которое объясняется также относительно невы-
сокими температурами нагрева и непродолжительным сроком ее действия [2]. С возрастанием температуры и продолжительности воздействия эффект снижения гигроскопичности возрастает. Свойство древесины снижать гигроскопичность в результате температурной обработки является необратимым.
Плотность древесины при СВЧ-сушке несколько повышается, что объясняется более полной усушкой, определяемой у некоторых образцов даже визуально. Боковые поверхности сортиментов после сушки имеют значительный прогиб внутрь образца [2].
Из вышесказанного следует, что продолжительное воздействие высоких температур незначительно влияет на физические свойства древесины. В процессе СВЧ-сушки температура в центре древесины поддерживается на уровне 101 - 105 °С. При этом продолжительность сушки не должна превышать 5 - 6 ч.
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что значительное замедление процесса сушки упаковок древесных опилок и повышение температуры внутри упаковок связано с влиянием разности капиллярных потенциалов между опилками и внутри отдельной опилки [7]. Так как диаметр капилляров внутри одной древесной частицы меньше диаметра капилляров между опилками, то выпаренная из опилок и переместившаяся в капилляр упаковки влага устремляется обратно в опилки. Чтобы избежать эффекта «запирания» влаги в опилках, необходимо реализовать особые условия процесса сушки, при которых влага макрокапилляров должна как можно быстрее удаляться из упаковки.
Список литературы
1. Ананьин, П.И. Высокотемпературная сушка древесины / П.И. Ананьин, В.Н. Петри. - М, 1963.
2. Горяев, A.A. Вакуумно-диэлектрические сушильные камеры / A.A. Горяев. - М.: Лесная промышленность, 1985.
3. Дьяконов, К.Ф. Сушка древесины токами высокой частоты / К.Ф. Дьяконов, A.A. Горяев. - М.: Лесная промышленность, 1981.
4. Коротаев, Э.И. Использование древесных опилок / Э.И. Коротаев, М.И. Клименко. - М.: Лесная промышленность, 1974.
5. Кречетов, И.В. Сушка древесины / И.В. Кречетов. -М.: Лесная промышленность, 1972.
6. Кутовой, КВ. Исследование процесса сушки древесных опилок в СВЧ-поле / К.В. Кутовой, С.М. Щекин // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: материалы Междунар. научно-техн. конференции. - Вологда: Во-ГТУ, 2007.-С. 64-66.
7. Лыков, A.B. Теория сушки / A.B. Лыков. - М.: Энергия, 1968.
