Повышение энергоэффективности электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки древесины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат наук Коренков Дмитрий Андреевич

• Коренков Дмитрий Андреевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Коренков Дмитрий Андреевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Сравнительный анализ диэлектрических технологий сушки

1.2 Оборудование для вакуумно-высокочастотной сушки

1.3 Анализ физических механизмов и факторов, влияющих

на процесс сушки

1.4 Пути повышения энергоэффективности ВВК

Выводы:

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ТЕПЛОВЫХ И ПОЛЕЙ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ПРИ ВАКУУМНО-ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СУШКЕ

2.1 Распределение электромагнитного поля в поперечном

сечении штабеля

2.2 Распределение электромагнитного поля вдоль штабеля

2.3 Модель высокочастотного нагрева и сушки древесины

Выводы:

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ И ВЛАГОСО-ДЕРЖАНИЯ ПРИ ВАКУУМНО-ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СУШКЕ ДРЕВЕСИНЫ

3.1 Исследование влияния геометрических размеров рабочего конденсатора на распределение электромагнитного поля

3.2 Исследование волнового характера распределения электромагнитного поля в древесине

3.3 Экспериментальная проверка адекватности математической модели распределения поля в длинном конденсаторе с диэлектриком из древесины

3.4 Верификация моделей нагрева и сушки

2

Выводы:

4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ РАВНОМЕРНОСТИ СУШКИ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

4.1 Численное исследование равномерности процессов нагрева и сушки по длине пиломатериалов

4.2 Разработка рекомендаций и технических решений по повышению равномерности сушки

4.3 Расчет технологической себестоимости сушки

4.4 Экономический эффект при использовании результатов работы

Выводы:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Копия патента на изобретение

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Копия свидетельства о государственной регистрации

программы на ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Программа обработки результатов расчета

распределения напряженности электрического поля в среде Е1си

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Программа моделирования высокочастотного

нагрева и сушки древесины в вакууме

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Результаты моделирования

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Копия акта внедрения результатов

исследования в ГУ «ОрелРЦЭ»

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Копия акта внедрения результатов исследования в учебный процесс

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение энергоэффективности электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки древесины»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Экономический рост, наблюдаемый не только в России, но и во всём мире за последние годы, сопровождается увеличением потребления топливно-энергетических ресурсов. Однако их количество ограничено. Постепенно возникает необходимость разрабатывать новые труднодоступные месторождения полезных ископаемых, что отражается на объёме производства и стоимости ТЭР. Следует также отметить старение генерирующих мощностей, их вывод и неуменьшающийся экспорт энергоресурсов. Всё это приводит к увеличению дефицита ТЭР. В свою очередь нехватка ресурсов является сдерживающим фактором повышения экономических показателей страны в целом.

Среди важнейших параметров, определяющих энергетическую эффективность национальной экономики, находится энергоёмкость валового внутреннего продукта, которая в значительной степени влияет на конкурентоспособность отечественных товаров. Несмотря на то, что за последние годы отмечается улучшение данного показателя, между энергоёмкостью российской экономики и энергоёмкостью экономик европейских стран остаётся большой разрыв. Так энергоемкость ВВП России в 2,5 раза выше среднемирового уровня и в 2,5-3,5 раза выше, чем в развитых странах, а «уровни энергоемкости производства важнейших отечественных промышленных продуктов выше среднемировых в 1,2-2 раза».

В настоящий момент имеются два пути достижения экономического роста. Первый заключается в наращивании объёмов добычи ТЭР, строительстве новых объектов генерации. Такое решение требует больших капиталовложений и имеет серьёзные последствия, в том числе и экологические. Второй путь - повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, которое стало одной из главных государственных задач после принятия федерального закона Российской Федерации от

23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической

4

эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». В 2010 году была утверждена Государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», в рамках которой поставлена задача снижения энергоёмкости ВВП на 40 % к 2020 г.

Достижение поставленных целей невозможно без внедрения инновационных энергосберегающих технологий во всех секторах экономики, неотъемлемой частью которой является деревообрабатывающая промышленность. Несмотря на то, что Россия имеет богатейшие лесные ресурсы (25% от общемировых), вклад данной отрасли в ВВП страны на данный момент составляет не более 1 %. По оценке Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН этот показатель может быть увеличен до 5 %. Для этого уже сейчас руководством страны принимаются меры по улучшению ситуации в деревообрабатывающей промышленности. К примеру, была объявлена политика, направленная на сокращение экспорта необработанной древесины (круглого леса), в результате чего был увеличен экспорт пиломатериалов.

Производство пиломатериалов - сложный технологический процесс, включающий транспортировку, сортировку, тепловую обработку, окорку, распиловку, сушку. Последняя занимает особое положение, поскольку является наиболее продолжительной и энергозатратной операцией, от которой во многом зависит качество пиломатериала. В результате сушки из природного сырья получается продукт, обладающий большей полезностью для конечного потребителя. Обезвоженная древесина имеет более высокие прочностные качества, повышенную формо- и размеростабильность, устойчивость к поражению грибками. Удаление влаги также обеспечивает снижение затрат на последующую транспортировку.

Дальнейшее повышение энергоэффективности существующего сушильного оборудования и внедрение новых энергосберегающих технологий для сушки пиломатериалов позволит добиться существенной экономии ТЭР

во всей деревообрабатывающей отрасли. К перспективным технологиям от-

5

носится вакуумная высокочастотная сушка, которая характеризуется высокой скоростью процесса и другими преимуществами, недоступными для других технологий. К недостаткам относится повышенный удельный расход электроэнергии, из-за чего этот метод остается узкоспециализированным и нерентабельным для сушки тонких сортаментов пиломатериалов и малоценных пород древесины, несмотря на то, что существует уже две трети века. Однако потенциал энергосбережения существует и должен быть реализован. При этом условии вакуумно-высокочастотная сушка станет хорошим решением для мелкосерийных деревообрабатывающих производств и мебельных фабрик, нуждающихся в высокоскоростном сушильном оборудовании, позволяющем быстро реагировать на постоянно меняющиеся условия рынка.

С учетом всего вышеуказанного тема исследования является актуальной.

Степень разработанности темы исследования. Среди соотечественников, которые внесли значительный вклад в развитие теории и практики ваку-умно-высокочастотной сушки, следует выделить А.И. Расева, А.А. Горяева, Н.Ю. Попова, А.В. Нетушила. Благодаря их трудам разработаны конструкции вакуумно-высокочастотных камер, отлажены режимы сушки отдельных пород древесины, научно обоснована возможность применения комбинированной конвективно-вакуумно-высокочастотной сушки. Также следует отметить зарубежных учёных S. Avramidis, A. Koumoutsakos, N.H. Lee, работа которых направлена на изучение различных аспектов протекания тепломассо-переноса в древесине при наличии внутренних источников теплоты и низком давлении среды. За последние двадцать лет количество зарубежных исследователей увеличилось (K. Hayashi, Y. Cai, J. Zhao), что указывает на интерес научного сообщества к данной технологии сушки.

Цель исследования - повышение энергоэффективности электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки древесины за счет снижения непроизводительных потерь энергии, сокращения технологического брака при уменьшении себестоимости сушки 1 м3 пиломатериалов.

6

Идея работы состоит в разработке комплекса технических решений и рекомендаций, направленных на повышение равномерности распределения основных параметров электромагнитного поля по объему штабеля древесины для повышения технико-экономических показателей электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки.

Задачи исследования. В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

1. определить пути повышения энергоэффективности работы электротехнических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки;

2. выявить закономерности влияния геометрических размеров рабочего конденсатора на характер распределения основных параметров электромагнитного поля в поперечном сечении штабеля;

3. разработать математические модели для расчета распределения основных параметров электромагнитных и тепловых полей, а также влагосо-держания по длине пиломатериала с учетом особенностей технологического процесса вакуумно-высокочастотной сушки;

4. выявить возможности использования численных методов для решения задач расчета распределения основных параметров электромагнитных, тепловых полей, а также влагосодержания по длине штабеля для разных частот и вариантов подключения ВЧ генератора к электродам рабочего конденсатора;

5. Разработать комплекс рекомендаций и технических решений, направленных на повышение технико-экономических показателей работы электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки;

6. Проведение технико-экономического анализа эффективности работы электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки с учетом результатов исследований.

Научная новизна.

- С использованием компьютерного моделирования в программной среде ELCUT разработана методика исследования влияния геометрических

7

размеров рабочего конденсатора на характер распределения основных параметров электромагнитного поля в поперечном сечении штабеля.

- Разработана математическая модель распределения основных параметров электромагнитного поля по длине штабеля в рабочем конденсаторе, отличающаяся учетом распределения температуры, влагосодержания по длине пиломатериала, с достаточной степенью точности описывающая электромагнитное поле вблизи узлов напряжения.

- Разработана математическая модель процессов тепломассопереноса в длинномерных пиломатериалах, протекающих при вакуумно-высокочастотной сушке, отличающаяся учетом зависимости внутренних источников теплоты от температуры и влагосодержания древесины, волнового характера распределения электромагнитного поля и фильтрационного механизма движения влаги.

Практическая значимость.

- Получены аналитические выражения и графические зависимости среднего значения напряженности электрического поля в древесине и коэффициента неоднородности от размеров воздушных зазоров и шпаций, позволяющие выбрать оптимальный способ укладки штабеля при вертикальной двухэлектродной схеме рабочего конденсатора.

- Разработана «Программа расчёта электромагнитных и тепловых полей в процессе диэлектрического нагрева влажной древесины в плоском конденсаторе при наличии волновых явлений» для выбора оптимальных параметров ВЧ генератора, обеспечивающих требуемую равномерность и высокую скорость нагрева при безопасном значении напряженности электрического поля в материале.

- Даны рекомендации по повышению равномерности распределения электромагнитного поля в поперечном сечении штабеля. Предложен способ повышения равномерности сушки по длине штабеля путем подключения высокочастотного генератора к электродам в трех точках через коммутационный блок, осуществляющий циклическое отключение/подключение крайних точек. Установлено, что при параметре переключения 0,45 коэффициент неоднородности поля влагосодержания принимает минимальное значение 1,11.

8

- Установлена графическая зависимость себестоимости сушки 1 м пиломатериала от его толщины, позволяющая выбрать оптимальный вариант сушки древесины.

- Разработан способ непрерывного контроля влажности древесины в электротехнологических комплексах для вакуумно-высокочастотной сушки древесины.

Методология и методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались положения теории электромагнитного поля, методы теории планирования экспериментов, методы математического и компьютерного моделирования, вычислительные и натурные эксперименты. Программная реализация математических моделей осуществлялась в средах Mathcad и Е1си1

Достоверность полученных результатов подтверждается соответствием результатов вычислительных и натурных экспериментов, а также непротиворечивостью результатов теоретических исследований и накопленных теоретико-практических знаний в области эксплуатации электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки древесины.

Реализация работы. Полученные результаты исследований использованы в ГУ «Орловский региональный центр энергосбережения» при разработке энергосберегающих мероприятий для деревообрабатывающих и мебельных производств, внедрены в учебный процесс направления подготовки бакалавров 13.03.02 - «Электроэнергетика и электротехника» ФГБОУ ВО «ОГУ имени И.С. Тургенева» в форме лабораторных и практических работ по дисциплине «Электротехнологии».

На защиту выносятся следующие положения:

- пути повышения энергоэффективности работы электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки.

- методика исследования влияния геометрических размеров рабочего конденсатора на характер распределения основных параметров электромагнитного поля в поперечном сечении штабеля, основанная на компьютерном моделировании в программных средах Mathcad и ELCUT.

- математическая модель расчета напряженности электрического поля, учитывающая распределение температуры, влагосодержания, а также электромагнитного поля вблизи узлов напряжения по длине пиломатериала.

- математическая модель процессов тепломассопереноса в длинномерных пиломатериалах, учитывающая зависимость внутренних источников теплоты от температуры и влагосодержания древесины, волновой характер распределения электромагнитного поля, а также фильтрационный механизм движения влаги.

- результаты исследования распределения параметров электромагнитных и тепловых полей, а также влагосодержания по длине пиломатериала для разных частот и вариантов подключения ВЧ генератора к электродам рабочего конденсатора, на основе которых разработаны технические рекомендации по повышению энергоэффективности электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки.

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на Х1-ой и ХШ-ой международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI век» (Орёл, «ГУ-УНПК» в 2013, 2015 г.г.), 2-ой Международной конференции с элементами научной школы «Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических системах» (Тамбов, «ТГТУ» в 2015 г.).

Научные публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 6 работ в ведущих рецензируемых научных изданиях из перечня ВАК России, 1 патент и 1 зарегистрированная программа на ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 109 наименований и 7 приложений. Общий объем диссертации - 155 страниц. Основная часть изложена на 133 страницах, включает 37 рисунков и 13 таблиц.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Сравнительный анализ диэлектрических технологий сушки

Для интенсификации процессов сушки материал необходимо нагревать. По способу нагрева сушка классифицируется на конвективную, кондук-тивную (контактную), радиационною и диэлектрическую (рис. 1.1) [1-6]. Последняя обладает рядом преимуществ благодаря особому механизму нагрева, который основан на явлениях поляризации и релаксации.

Рисунок 1.1 - Классификация способов сушки

К достоинствам относят малую продолжительность сушки, низкие тепловые потери в окружающую среду, отсутствие тепловой инерции нагревателя и возможность безынерционной регулировки мощности и точного поддержания температуры внутри материала на нужном уровне, мало зависящем от температуры поверхности [1, 7, 8]. Выделяемая в материале мощность не зависит от теплопроводности, значение которой у диэлектриков обычно мало, а определяется их диэлектрическими свойствами. Кроме того, нагрев и сушка осуществляются избирательно. В местах с большей влажностью зна-

чения диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь повышены, и здесь выделяется больше тепловой энергии [7].

Поляризация заключается в способности связанных зарядов перемещаться относительно своих начальных положений под действием внешнего электрического поля. При снятии внешнего поля заряды возвращаются в исходное состояние (релаксация). Смена направления поля приводит к переориентации заряженных частиц и выделению некоторого количества теплоты за счет межмолекулярного трения [1, 7, 9]. С ростом частоты поля величина генерируемой в материале тепловой энергии увеличивается. Впервые этот эффект был обнаружен Э.В. Сименсом в 1864 г.

Разные заряды реагируют на изменение поля неодинаковым образом. Например, на частотах в несколько десятков мегагерц ионная и электронная поляризации происходят безынерционно (без трения), и тепло практически не выделяется. В тоже время дипольная и структурная поляризации сопровождаются тепловыми явлениями [9, 10]. Коллоидные капиллярно-пористые материалы обладают большинством видов поляризации, поэтому диэлектрический нагрев эффективен для интенсификации их сушки.

Древесина, являющаяся ярким представителем данного класса влажных материалов, стала первым объектом промышленного применения диэлектрической сушки. Исследования в этой области начались в 30-х годах прошлого столетия как в СССР, так и за рубежом. В 60-х годах широко стали использоваться комбинированные технологии (конвективно-диэлектрическая и ваку-умно-диэлектрическая). Основные этапы развития диэлектрической сушки описаны в [10, 11].

Агентом конвективно-диэлектрической сушки выступает увлажнённый воздух или перегретый пар, а вакуумно-диэлектрической - газо-паровая среда низкого давления высокой степени насыщенности. При пониженном давлении вода закипает при более низкой температуре, поэтому древесина подвергается низкотемпературной обработке, что позволяет уменьшить протекание химических реакций, приводящих к деколоризации и другим необрати-

12

мым изменениям. Снижается расход энергии на нагрев материала, при температурах нагрева 40 и 100 оС разница составляет около 200 кДж/кг [12]. Имеются сведения, согласно которым высокотемпературная обработка древесины приводит к снижению её механической прочности [12, 13]. Отсюда следует, что вакуумно-диэлектрическая сушка обеспечивает сохранение полезных свойств пиломатериалов и поэтому более предпочтительна.

По частоте поля различают высокочастотный (ВЧ) и сверхвысокочастотный (СВЧ) виды сушки (рис. 1). В первом случае древесина помещается между электродами, к которым подводится высокочастотное напряжение до 10 кВ. В качестве источника используются генераторы, главным элементом которых являются трёхэлектродные электронные лампы (триоды) с модуляцией электронного пучка по плотности [14]. Применительно к сушке древесины наиболее распространены следующие стандартные частоты: 5,28 и 13,56 МГц.

Главная особенность СВЧ сушки заключается в том, что энергия распространяется вне проводников, которые только ограничивают пространство и задают направление распространения. Поэтому нагреваемый материал размещается в объёмном резонаторе - замкнутой металлической камере, габариты которой находятся в определённой зависимости от частоты поля. Источниками служат магнетроны с модуляцией электронного пучка по скорости [14], работающие на частотах, 915 и 2450 МГц.

В [15] отмечается, что СВЧ сушка более эффективна за счет высокой плотности потока энергии. Поэтому энергия поглощается материалом значительно интенсивнее. Также длина микроволн меньше, следовательно, меньше расстояние между двумя соседними максимумами, и в результате объект, помещенный в такое поле, может быть высушен более равномерно. Использование СВЧ энергии обеспечивает максимальную скорость нагрева и сушки, но имеет ряд недостатков. К ним относят высокую стоимость магнетронов при низком ресурсе их работы (около 600 ч) по сравнению с триодами (20004000 ч), сложность контроля температуры материала и параметров среды

13

внутри резонаторной камеры в силу специфики СВЧ энергии [2, 15, 16]. На практике электромагнитное поле оказывается неравномерным, что может привести к локальному перегреву и возгоранию материала [8, 16-18]. Для обеспечения равномерного распределения необходимо усложнять конструкции волноводов и резонаторных камер, но это приводит к удорожанию сушильного оборудования. Повысить равномерность можно и другим способом - применением магнетронов с более низкой частотой 915 и 460 МГц. Однако такие сушильные камеры не конкурентоспособны, поскольку серийное производство таких магнетронов не налажено, и на современном этапе их развития себестоимость 1 кВт микроволновой энергии на данных частотах в 10-15 раз выше, чем на частоте 2450 МГц [19]. Ещё один недостаток заключается в низкой глубине проникновения микроволн, что ограничивает возможность их применения для сушки крупных сортаментов пиломатериалов необходимостью исключения прогрева центральных зон только теплопроводностью. По этой же причине поперечные размеры загрузки (штабеля) ограничены, СВЧ камеры разрабатываются на малые объемы загрузки: до

33

7 м для хвойных и до 4 м для трудносохнущих лиственных пород [2]. Объем загрузки также ограничен единичной мощностью магнетронов, хотя нагревательные системы СВЧ камер строятся по принципу применения большого числа магнетронов с меньшей мощностью. Для установок суммарной мощностью до 20 кВт рационально использование микроволновой энергии, для установок свыше 20 и до 200 кВт - высокочастотной [20]. С учетом отмеченных недостатков микроволновая сушка представляет меньший интерес, поэтому в работе рассматриваются только вопросы вакуумной высокочастотной сушки.

К общим недостаткам диэлектрической сушки относят большую стоимость и техническую сложность оборудования, повышенные требования к обслуживающему персоналу, трудность получения равномерного поля в рабочей камере. Отмечается [16], что из-за сложности настройки ВЧ генераторов в процессе сушки древесины их использование в последние годы практически прекратилось. По сравнению с другими способами её себестоимость

14

выше, что объясняется использованием наиболее дорогого энергоносителя и высокими удельными энергозатратами [1-3, 8, 18, 21]. Одной из причин высоких энергозатрат является низкая эффективность получения ВЧ и СВЧ энергии. По разным оценкам КПД магнетронов составляет 30 - 85 % [5, 6], а для ламповых ВЧ генераторов существует мнение, что их верхний порог КПД не превышает 10 % [22].

Прежде чем внедрять вакуумно-диэлектрические камеры рекомендуется проводить технико-экономическое обоснование по условиям конкретного предприятия [3]. В большинстве случаев данная технология рациональна для сушки пиломатериалов больших сечений, ценных и трудносохнущих пород, и когда по технологическому режиму требуется низкотемпературный нагрев для сохранения свойств материала.

1.2 Оборудование для вакуумно-высокочастотной сушки

Общая технологическая схема электротехнологических комплексов ва-куумно-высокочастотной сушки (ВВК) представлена на рис. 1.2.

В их конструкции можно выделить следующие узлы: рабочую камеру; средство перемещения загрузки - подштабельную тележку, систему ВЧ нагрева, систему вакуумирования; систему конденсации пара; систему охлаждения генераторной лампы, средства контроля и управления процессом сушки.

Рабочая камера 1 может изготовляться из металла или железобетона. Металлические камеры чаще всего имеют цилиндрическую форму с размерами 2-3 м в диаметре и до 8 м в длину. Железобетонные выполняются прямоугольными с косыми торцовыми срезами, необходимыми для герметизации загрузочных проёмов под собственным весом дверей. Общими требованиями ко всем видам камер являются герметичность и механическая прочность, достаточная, чтобы выдержать разницу давлений снаружи и внутри 105 Па.

Рисунок 1.2 - Технологическая схема ВВК

1 - рабочая камера; 2 - ВЧ генератор; 3 - токопровод (ВЧ фидер); 4 - электроды; 5 -нагреваемый материал; 6 - подштабельная тележка; 7 - циркуляционный насос охлаждения генераторной лампы; 8 - резервуар с дистиллированной водой; 9 - вакуумированный высоковольтный ввод; 10 - вакуумный насос; 11 - обратный клапан; 11' - вентиль; 12 -охлаждающая рубашка; 13 - влагоприёмник (конденсатосборник); 14 - циркуляционный насос системы конденсации пара; 15 - резервуар с холодной водой; 16 - тензометриче-ский датчик; 17 - измеритель веса; 18 - вакуумметр; 19, 22 - датчик температуры среды и материала; 20 - датчик относительной влажности среды; 21 - массовый расходомер; 23 -блок управления

Система ВЧ нагрева включает рабочий конденсатор, высокочастотный генератор 2 и соединяющие их фидеры 3. Рабочий конденсатор представляет собой два или более плоских металлических электрода 4, между которыми располагается нагреваемый материал 5. Электроды могут быть вертикальными и горизонтальными, от этого зависит их конструкция и способы крепления. Различают высокопотенциальные электроды (подключаются к генератору) и низкопотенциальные (заземляются). Для вертикального расположения существуют две схемы укладки штабеля: двухэлектродная (рис. 1.3, а) и трёхэлектродная (рис. 1.3, б) [23]. По первому варианту все электроды подвешиваются на изоляторах, а по второму - крайние низкопотенциальные подвешиваются, а средний высокопотенциальный может также подвешиваться или крепиться к тележке. Высокопотенциальный электрод имеет каркас из медных труб, обшитый с двух сторон сеткой, низкопотенциальные также имеют каркасы, но обшиваются с одной стороны. Рекомендуется выбирать гладкую тканую сетку из латуни диаметром 0,5 - 1,5 мм с ячейками квадратной формы размером 2 - 6 мм [1]. Расстояние между электродами не превышает 1,1 м. Конструкция тележки 6 обеспечивает надежную изоляцию электродов от её металлических деталей, рельсового пути и корпуса камеры. При вертикальных электродах она изготавливается из сухой древесины, поскольку иные изоляционные материалы обладают низкой механической прочностью. В случае с трехэлектродной схемой с закреплённым на тележке высокопотенциальным электродом применяются дополнительные меры по его изоляции от колес и других металлических деталей тележки.

При горизонтальном расположении (рис. 1.3; в, г) электроды выполняются без каркасов, а тележка может быть металлической, при этом первым на нее укладывается низкопотенциальный электрод. Максимальное расстояние между электродами составляет 50 - 60 см.

а)

б)

в)

г)

Рисунок 1.3 - Способы укладки штабелей а) вертикальная двухэлектродная схема; б) вертикальная трехэлектродная схема; в) горизонтальная укладка без прокладок; г) горизонтальная укладка с

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Коренков Дмитрий Андреевич, 2018 год

- / / -

2(3)

2(3)

2(3)

а -1

2(3)

Е — Еср 10(12) + Еср 11(13) Еср 9

с,

2(3)

Еср 10(12) + Еср 11(13)

(3.11)

2

w.

а _ тах . « _ шп тах

wI

тш шп тт

где Еср 9...Еср 13- среднеарифметические значения функции отклика опытов

9-13 табл. 3.6.

В ходе решения получено: а2 = 0,652; а3 = 0,352.

Переход к истинным значениям факторов с учетом (3.10) осуществлен по формуле:

х.

4 — 4

1 ^>1 ср

— 4 ■

~1 ср ~ 1 тт

(3.12)

ё0,652 - 0,786 wШf - 0,638

А2 _ ^ тслг ' А3

0,786

0,638

(3.13)

После подстановки (3.13) в (3.9) и приведения подобных слагаемых зависимость имеет вид:

Еср _ 4,04 — 1,026ё°, — 2,047w + 0,638 • ё0 652 • w

ср

I 0,652 0,352

(3.14)

Проверка адекватности полинома выполнена по критерию Фишера, для

чего найдена дисперсия адекватности по формуле:

^ = 2XЦЕср■ -Есргр^ад), (3.15)

/V

где Еср. - средняя напряженность в древесине, вычисленная по (3.14), кВ/м;

^ - степень свободы, равная разнице проведенных опытов и найденных по ним коэффициентов; по итогам 13 опытов определено 6 коэффициентов, поэтому Гад = 7.

Расчетное значение критерия Фишера равно отношению дисперсии адекватности и дисперсии воспроизводимости:

Fр = ^ /Я2^ (3.16)

Табличное значение определено по [98] для доверительной вероятности 95 % и степеней свободы п1 = 7 и п2 = 13. Результаты расчетов сведены в табл. 3.7.

Таблица 3.7 - Проверка адекватности полинома

№ опыта по плану л, Е ■, ср 1 ' кВ/м Е ■, ср 1 ' кВ/м (Е . -Е .)2, \ ср1 ср1 / ' х 10-4 Я2 ^ ад Рр Рт (Р = 0,95; й = 7; = 13)

1 4,040 4,058 3,24

2 4,040 4,021 3,61

3 2,428 2,432 0,16

4 2,428 2,422 0,36

5 1,427 1,420 0,49

6 1,434 1,434 0,00

7 1,095 1,115 4,00 1,818 х х10-3

8 1,095 1,073 4,84 2,136 2,800

9 1,605 1,633 7,84

10 1,993 1,986 0,49

11 1,383 1,431 23,04

12 3,014 3,048 11,56

13 1,216 1,236 4,00

X13 (Е . - ¿—Ч = 1\ ср1 Е ■ )2= ср1 ) 63,63

Так как Fт > Fр, то полученная зависимость (3.14) адекватна.

Аналогичные вычисления проведены для коэффициента неоднородности [100]. Окончательная его зависимость от факторов имеет вид:

кно. = 1,375 - 1,13Ы0'35 + 0,463w1'09 -0,084d0'35w1'09. (3.17)

Расчетное значение критерия Фишера Fр = 1,406 не превысило табличного Fт = 2,8, поэтому (3.17) адекватно описывает данные опытов. Графически полученные зависимости представлены на рисунках 3.3 и 3.4.

1

0 0,5 1,0 1,5 2,0 0 0,5 1,0 1,5 2,0

Рисунок 3.3 - Зависимость коэффициента неоднородности от величины воздушного зазора и ширины шпаций

В процессе обработки опытных данных установлено, что коэффициенты полиномов, связанные с фактором D, не существенны. Поэтому гипотеза о влиянии диаметра камеры на параметры электромагнитного поля не подтвердилась.

Из анализа рис. 3.3 следует, что наиболее равномерная сушка может быть проведена в штабеле без шпаций, но при наличии воздушных зазоров. Причем с их увеличением равномерность повышается. Однако слишком большие зазоры приводят к снижению интенсивности сушки. Например, при

их увеличении от 0 до 2 см напряженность электрического поля в древесине уменьшается в среднем в 1,5 раза. Ещё большее влияние оказывает размер шпаций, так как с его увеличением от 0 до 2 см напряженность в среднем падает в 2,3 раза (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 - Зависимость средней напряженности электрического поля в древесине от величины воздушного зазора и ширины шпаций

Дополнительные опыты показали, что зависимость (3.17) справедлива при любом значении напряжения на конденсаторе, а для того, чтобы найти Еср в древесине при другом значении ит в (3.14) необходимо внести поправочный коэффициент:

Е = Цт

ср 6

(4,04 -1,026d0,652 - 2,047w0,352 + 0,638 • d0,652 • w0 352). (3.18)

Следует обратить внимание, что результатом расчета по (3.14) и (3.18) является действующее значение напряженности электрического поля. Анализ полученных результатов проведен в пункте 4.2.

3.2 Исследование волнового характера распределения электромагнитного поля в древесине

В пункте 2.2 рассмотрены три способа математического описания распределения электромагнитного поля вдоль системы, состоящей из электродов и длинной загрузки из древесины: формула (2.56) получена из системы уравнений Максвелла после значительных упрощений; формула (2.62) позволяет вычислить распределение поля в многослойной среде; уравнение Гельмгольца (2.52), дополненное предложенными граничными условиями (2.63) и (2.65). С целью определения наиболее точного способа проведено их сравнение с результатами эксперимента, приведенными в [42]. Эксперимент заключался в измерении напряжения на обкладках конденсатора длиной 8 м при разных частотах источника, подключенного с одного конца (рис. 3.5).

Для построения теоретических кривых тремя способами приняты следующие исходные данные: L = 8 м, f = 1,76; 5,28 и 13,56 МГц. Диэлектрические свойства загрузки из древесины в комнатно-сухом состоянии (и = 12 %) в зависимости от удельного веса и влажности [3, 63] приняты постоянными и равными: 8 = 2,2, tg5 = 0,25.

Рисунок 3.5 - Распределение напряжения на обкладках конденсатора на частоте (а) 1,76 МГц, (б) 5,28 МГЦ, (в) 13,56 МГц по данным [42]

Так как экспериментальные и теоретические кривые имеют разные размерности (В и В/м), результаты следует представить в безразмерной форме. При отсутствии воздушных зазоров напряжение на электродах в произвольной точке z системы пропорционально напряженности электрического поля в этой же точке. Коэффициент пропорциональности в этом случае равен толщине диэлектрического слоя. Если же в системе имеются воздушные зазоры, то при постоянстве диэлектрических свойств коэффициент пропорциональности также постоянен, но вычисляется по формуле:

к' = Ь + d • е.

(3.19)

а безразмерная функция распределения напряжения тождественна безразмерной функции распределения напряженности электрического поля:

Ц » = ВД^ = ВД = Е

и.

Е бк'

(3.20)

где иб и ЕЕ б - базисные значения, принимаемые равными максимальному значению соответствующей функции.

Для наглядного представления на плоскости графиков распределения комплексных функций необходимо взять их модуль. В итоге приведение экспериментальных и теоретических кривых к безразмерной форме выполнено по формулам:

Е» =

Е ф

тах

(I ЕЕ (z)|)

; и» =

Ц ( 2)

тах ( Ц ( 2 ) )

(3.21)

При этом в (2.56), (2.62) и (2.65) величина Етах берется произвольно.

б

Результаты расчетов показаны на рис. 3.6. На частоте источника 1,76 МГц отношение длины волны к длине конденсатора (А/Ц) составляет 14,5 (рис. 3.6, а). Теоретические кривые 1 и 3, полученные по (2.52) и (2.56) полностью совпадают и близки к экспериментальной 4. Расхождение между кривыми 2 и 4 увеличивается по мере удаления от свободного края электродов. На частоте 5,28 МГц величина А/Ц равна 4,8 (рис. 3.6, б). Разница между кривыми 1 и 3 проявлена в большей степени, причем кривая 3 практически совпадает с экспериментальной 4. Для кривой 2 следуют те же выводы, что и на частоте 1,76 МГц. При частоте 13,56 МГц длина волны больше конденсатора всего в 2 раза, т.е. в его длину укладывается одна полуволна. На графике распределения напряжения и напряженности электрического поля (рис. 3.6, в) это отражается наличием узла напряжения. На данном графике также заметно влияние затухания электромагнитных колебаний: разница между относительным напряжением в точках локализации пучностей (в месте подключения генератора и на свободном крае электродов) составляет около 25 % (кривая 4). В случае пренебрежения коэффициентом затухания (кривая 1) эта разница равна нулю. Расчет по (2.62) демонстрирует ещё более неудовлетворительный результат (кривая 2). Затухание волны менее велико по сравнению с экспериментом при решении уравнения (2.52) совместно с граничными условиями (2.63), (2.65), но совпадение форм кривых 3 и 4 в узле напряжения дает основание считать предложенную модель более справедливой. При расчете остальными методами (кривые 1 и 2) в этой точке напряженность рана нулю.

Выполненные вычисления показали, что точность расчетов всеми способами снижается по мере уменьшения А/Ц. Формулы (2.56) и (2.62) рекомендуется использовать при А/Ц > 4 для предварительных расчетов электротехнологических комплексов на стадии их проектирования. Для более точной оценки адекватности предложенной модели потребовались дополнительные опыты, так как сведения об условиях проведения эксперимента [42] неполны.

* * Е П

б)

ъ^ м

X, м

_г, м

4 в)

Рисунок 3.6 - Кривые распределения напряженности электрического поля и напряжения (в отн. ед.) по длине конденсатора на частоте (а) 1,76; (б) 5,28; (в) 13,56 МГц 1 - расчёт по формуле (2.56); 2 - расчёт по формуле (2.62); 3 - решение системы (2.52), (2.63), (2.65); 4 - экспериментальные данные [42]

3.3 Экспериментальная проверка адекватности математической модели распределения электромагнитного поля по длине штабеля

Проверка математической модели (2.52), (2.63), (2.65), осуществлена на экспериментальной установке, общий вид которой показан на рис. 3.7.

Рисунок 3.7 - Общий вид экспериментальной установки 1 - конденсатор; 2 - селективный микровольметр SMV 8.5; 3 - сигнальный кабель; 4 - измерительный кабель

Установка состоит из конденсатора 1 и селективного микровольтметра 2 типа SMV 8.5 со встроенным генератором частот, работающим в диапазоне от 26 до 1000 МГц. Электроды конденсатора изготовлены из алюминиевой фольги, уложенной в несколько слоев, и приклеены на двухстороннюю клейкую ленту к сосновой доске размером 1450 х 100 х 25 мм. Предварительно её пласти были тщательно отшлифованы. Сверху на электроды для механической прочности нанесена односторонняя клейкая лента. С трех сторон они выступают за пределы пластей доски на 10 мм для возможности подключения с помощью зажимов двух кабелей: сигнального 3 и измерительного 4. Перед закреплением электродов прибором МГ4-Д была измерена влажность доски (7 %), а с помощью лабораторных весов ВК-300.1 определена её плотность (413 кг/м ).

Опыты по определению напряжения на электродах в зависимости от расстояния до точки подключения генератора проведены на частоте 100 МГц. Были учтены два основных варианта подключения: с краю и посередине конденсатора. Измерения проведены с шагом 100 мм, а вблизи узла напряжения он уменьшен до 50 мм. Опыты дублировались по два раза, результаты сведены в табл. 3.8

Таблица 3.8 - Результаты измерений напряжения на электродах, dB

№ п/п Расстояние z, см Подключение к краю Подключение посередине

дубль 1 дубль 2 дубль 1 дубль 2

1 0 87,5 87,0 83,0 82,5

2 10 90,0 88,0 83,0 81,5

3 20 91,0 89,0 83,0 81,0

4 30 92,0 89,0 80,0 79,0

5 40 91,0 88,5 76,0 73,0

6 50 89,5 87,5 69,5 67,0

7 60 86,0 86,0 64,0 66,0

8 65 84,0 85,0 68,5 67,0

9 70 83,0 84,0 70,0 67,5

10 75 79,0 82,0 70,0 67,0

11 80 74,0 80,0 68,0 65,0

12 85 65,0 76,0 66,0 65,0

13 90 75,0 68,0 67,0 67,5

14 95 80,0 72,0 72,0 71,0

15 100 83,0 78,0 76,0 72,5

16 110 89,0 85,0 81,0 78,0

17 120 91,0 88,5 83,0 81,0

18 130 91,5 91,0 84,5 82,5

19 140 91,5 91,0 85,0 82,5

20 145 92,0 91,0 85,0 82,5

По измеренным значениям напряжений вычислены значения напряженности электрического поля Е, В/м, для этого показания селективного микровольтметра из «дБ» были переведены в «В» и поделены на толщину доски (Ъд = 0,025 м):

= 2^0^ • и0 = ьд4° ,

(3.22)

где Цдб - показания прибора, дБ; и0 - опорное напряжение, равное 1 мкВ для селективного микровольтметра SMV 8.5.

Затем проведена проверка однородности дисперсий по формулам (3.3), (3.4) и (3.6), в которых N равно 20. Для первого варианта подключения источника расчетное значение критерия Кохрена составило 0,188, для второго получилось равным 0,186. Табличное значение G-критерия для доверительной вероятности 95 % и степеней свободы ^ = 1 и f2 = 20 согласно [98] равно 0,39, следовательно, дисперсии однородны. По средним значениям напряженности путем интерполяции в программе Mathcad построены графики распределения Е^), приведённые на рис. 3.8. Здесь также построены теоретические графики распределения, полученные посредством численного решения математической модели (2.52), (2.63), (2.65). В расчетах диэлектрические свойства древесины определены по [3, 63] согласно ранее измеренным значениям влажности и плотности древесины и приняты равными е = 1,8; tg5 = 0,1.

Из анализа кривых на графиках на рис. 3.8 следует, что теоретический характер распределения напряженности идентичен результатам измерений, то есть выполняется условие непротиворечивости при оценке адекватности модели [101]. Для количественной её оценки использован критерий Фишера. Дисперсия воспроизводимости вычислена по (3.5) и равна 0,029 и 0,003698 для первого и второго вариантов соответственно. Дисперсия адекватности вычислена по (3.16) и соответственно равна 0,024 и 0,003627. Расчетные значения критерия Фишера составили 1,184 и 1,020. Процедура нахождения коэффициентов модели по результатам опытов не проводилась, поэтому степени свободы равны: ^ = 20 и f2 = 20. Табличное значение критерия Фишера для данных степеней свободы и доверительной вероятности 95 % равно 2,1.

Расчетные значения не превышают табличного, поэтому предложенная модель адекватна.

а)

б)

Рисунок 3.8 - Распределение напряженности электрического поля при подключении ВЧ генератора к краю (а) и посередине (б) электродов 1- эксперимент; 2 - расчет по (2.52), (2.63), (2.65)

Рис 3.8, б свидетельствует о том, что если генератор подключается к электродам в одной точке, и эта точка расположена посередине, то электромагнитное поле симметрично относительно этой точки. Это позволяет при

моделировании процессов ВЧ нагрева и сушки проводить вычисления только для одной симметричной части.

Таким образом, модель распределения ЭМП по длине плоского конденсатора, основанная на однородном уравнении Гельмгольца, дополненного предложенными граничными условиями, характеризуется более высокой степенью адекватности. Её универсальность по сравнению с другими моделями заключается в возможности получения функции Е^) при любом виде распределения диэлектрических свойств в материале, поэтому она может быть использована для моделирования процессов ВЧ нагрева и сушки материалов с однородными и неоднородными свойствами, зависимыми от температуры и влажности.

3.4 Верификация моделей нагрева и сушки

Верификация модели тепломассопереноса (2.68)-(2.76) проведена на основе данных экспериментальных исследований [102]. Образцы древесины размером 85 х 12 х 12 см с начальным влагосодержанием 0,58 кг/кг подвергались сушке в вакуумно-высокочастотной камере. Давление среды поддерживалось на уровне 6,7 кПа, нагрев осуществлялся до температуры 60 оС. Регулирование нагрева осуществлялось по значению температуры в центре образца. При достижении 60 оС ВЧ генератор отключался и повторно включался при снижении температуры в этой точке на 2 оС. В работе использовался генератор с частотой 27 МГц и номинальной мощностью 1 кВт при напряжении 1 кВ. Регулированием напряжения между электродами в процессе сушки поддерживалась постоянная удельная мощность, выделяемая в материале.

Решение задачи нагрева (2.68), (2.70), (2.73), (2.75) выполнено методом конечных разностей по явной схеме [103] без учета распределения электромагнитного поля. Программа для реализации модели написана в среде

Mathcad, её фрагмент приведен в Приложении Г. В расчете использованы следующие параметры и свойства:

- время нагрева: 5 ч;

- количество узлов пространственной сетки: 30;

- количество узлов временной сетки: 250;

- начальная температура материала и среды: 24 оС;

- плотность древесины в сухом состоянии: 320 кг/м3;

- коэффициент конвективного теплообмена: 6 Вт/(м2- 0С);

- напряжение на конденсаторе: 170 В;

- зависимость теплоемкости и коэффициента теплопроводности от температуры и влажности по данным [3];

- коэффициент температуропроводности в функции температуры и влажности определен по формуле а^Т, и) = Х2(Т, и)/(с(Т, и)- р0);

- зависимость влагопроводности и относительного коэффициента термодиффузии от температуры и влажности по данным [103];

- зависимость диэлектрических свойств от температуры и влажности по данным [64];

- свойства водяного пара по данным [3].

Из анализа данных [102] установлено, что вакуумирование камеры производилось до начала нагрева материала. Благодаря этому уравнения (2.71) были использованы для вычисления давления и температуры среды независимо от уравнений тепломассопереноса. Объем камеры принят равным 0,29 м исходя из минимального пространства, необходимого для размещения образца указанных размеров, электродов и токопроводов. Производительность системы удаления газа равна 7 10-4 м3/с и соответствует производительности маломощного вакуумного насоса типа VE-115. Графики изменения температуры и давления изображены на рис. 3.9.

Рисунок 3.9 - Графики изменения давления и температуры в рабочей камере на стадии вакуумирования

Вычисления показали, что в камере с заданным объемом при заданной производительности вакуумного насоса установится требуемое давление 6,7 кПа через 10 мин. По окончании вакуумирования температура среды составит 8,8 0С. Далее сделано допущение, что параметры среды поддерживались неизменными на протяжении всего процесса сушки. Исходя из этого, определена производительность системы удаления пара 0,001 м /с.

Для более точной настройки модели нагрева критерий фазового превращения представлен в виде кусочно-ломаной функции от температуры с настроечным параметром £

ОТ =

0; т < с • тн

т - с • т

т наг

т - с • т

наг н

-С • т <т<т

наг н

(3.23)

1; т > т

где тнаг - температура нагрева в контролируемой точке, 0С.

Наиболее точное совпадение экспериментальной и теоретической кривых

нагрева достигается при £ = 0,9 (рис. 3.10).

т, °с

60

50

40

30

20

0

2

3

4

5 т, ч

Рисунок 3.10 - График изменения во времени температуры при ВЧ нагреве древесины в вакууме

1, 2 - температура в центре образца ^ = 0 м); 3,4 - температура в поверхностном слое ^ = 0,415 м); пунктиром обозначены экспериментальные данные [102], сплошной линией - результаты моделирования

Кривые 1, 2 нагрева в центре образца практически совпадают. В поверхностном слое наблюдается расхождение кривых 3 и 4, которое можно объяснить отсутствием сведений о температуре среды в эксперименте, из-за чего были сделаны соответствующие допущения. Расхождение также обусловлено различием исходных условий эксперимента и начальных расчетных параметров. В расчете начальное распределение температуры в образце равномерное (Т^, 0) = Т0), кривые 1 и 3 исходят из одной точки с температурой 24 0С. Согласно эксперименту, рост температуры в центре образца начинается также со значения 24 0С, а в поверхностном слое - со значения 27 0С. Однако по окончании нагрева расхождения температур в двух исследуемых точках заметно уменьшаются, то есть полученное распределение температуры по длине образца, используемое далее в качестве начальных условий в задаче сушки, с достаточной точностью соответствует результатам эксперимента.

После достижения материалом температуры кипения влаги при текущем давлении наступает стадия сушки, что связано с совместным решением уравнений тепломассопереноса (2.68)-(2.73) с начальными условиями (2.76). Численный алгоритм расчета также выполнен в среде Mathcad, фрагмент программы дан в Приложении Г. Для моделирования процесса использовались следующие параметры:

- продолжительность сушки: 50 ч;

- количество узлов временной сетки: 2500;

- равновесное влагосодержание среды: 0,05 кг/кг [95];

- коэффициент влагообмена: 5 10-6 м/с.

Критерий фазового превращения был представлен в виде кусочно-ломаной функции от влагосодержания, состоящей из трех участков: выше предела насыщения волокон он принимает максимальное постоянное значение $2, ниже предела - линейно убывает до нуля при некотором влагосодержании и', ниже которого не изменяется:

ад=

$2; и > 0,3

$2 - $1

и + $1;и'< и <0,3; 0,3 1

0; и < и' (3.24)

и' =

$2 - $1

В ходе вычислений подобраны значения настроечных параметров: $1 = - 0,3; $2 = 0,85. Результаты расчетов показаны на рис. 3.11.

График на рис. 3.11 демонстрирует, что предложенная одномерная модель тепломассопереноса при вакуумно-высокочастотной сушке длинномерных пиломатериалов не только качественно верно описывает реальный физический процесс, но и характеризуется достаточно низким (< 10 %) расхождением с результатами экспериментов. Об этом также косвенно свидетель-

93

ствует график регулирования выходного напряжения ВЧ генератора (рис. 3.12), полученный путем анализа данных моделирования из условия поддержания удельной мощности на одном уровне.

и, кг/кг

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0 10 20 30 40 50 т, ч

Рисунок 3.11 - График зависимости среднего влагосодержания образца

от времени в процессе сушки 1 - расчет по модели (2.68)-(2.71); 2 - результаты экспериментов [102]

и, В 700

550

400

250 100

0 10 20 30 40 50 х,ч

Рисунок 3.12 - График регулирования во времени выходного напряжения ВЧ генератора в процессе сушки

Предел регулирования напряжения не превышает технических характеристик ВЧ генератора, использованного в экспериментах, а форма кривой в достаточной степени соответствует графику [40].

Таким образом, подтверждена работоспособность разработанной математической модели тепломассопереноса, а также возможность её применения для дальнейшего численного исследования.

Выводы:

1) Проведено численное исследование распределения электромагнитного поля в поперечном сечении штабеля. Получены аналитические выражения, позволяющие вычислить среднюю напряженность электрического поля в древесине при заданном напряжении на конденсаторе и оценить неравномерность поля в зависимости от величины шпаций и размеров воздушных зазоров. Установлено, что диаметр рабочей камеры на распределение электромагнитного поля в поперечном сечении штабеля не влияет.

2) Экспериментальные исследования подтвердили адекватность математической модели распределения напряженности электрического поля в длинном конденсаторе с диэлектриком из древесины. Доказано, что предложенная математическая модель по сравнению с известными обеспечивает высокую точность расчета при любых соотношениях длины волны и длины конденсатора и точно описывает характер распределения поля в узлах напряжения

3) Проведена верификация математической модели тепломассопере-носа при вакуумно-высокочастотной сушке древесины на основе имеющихся экспериментальных данных. Установлены значения настроечных параметров, обеспечивающих максимальную сходимость результатов расчета и экспериментальных данных.

4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ РАВНОМЕРНОСТИ СУШКИ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗ

4.1 Численное исследование равномерности процессов нагрева и сушки по длине пиломатериалов

Для численного исследования распределения электромагнитных, тепловых полей и влагосодержания по длине пиломатериала в процессе вакуум-но-высокочастотной сушки использованы:

- математическая модель распределения электромагнитного поля по длине пиломатериала (2.52) с граничными условиями (2.63), (2.64);

- математическая модель тепломассопереноса (2.68)-(2.76) с полученными в ходе верификации зависимостями (3.23), (3.24).

Связь между ними устанавливается выражением (2.66), описывающим распределение внутренних источников теплоты.

Моделирование проведено для частот, широко используемых в производстве: 5,28 и 13,56 МГц. Величина начальной удельной мощности внутренних источников теплоты в обоих случаях задавалась одинаковой и равной 5 кВт/м . Исходя из этого определено выходное напряжение ВЧ генератора: 310 В для частоты 13,56 МГц и 496 В для частоты 5,28 МГц. Были рассмотрены наиболее интересные с практической точки зрения варианты подключения ВЧ генератора к рабочему конденсатору, показанные на рис. 4.1. Продолжительность сушки задана равной 25 ч.

Результаты моделирования в виде графиков распределения удельной мощности внутренних источников теплоты, напряженности электрического поля, температуры и влагосодержания по длине пиломатериалов в различные моменты времени сушки приведены в Приложении Д. Для удобства их анализа построены графические зависимости коэффициентов неоднородности

соответствующих полей, а также среднего влагосодержания от времени (рис. 4.2 - 4.6).

На стадии нагрева наблюдается увеличение коэффициента неоднородности электромагнитного поля кЕ (рис. 4.2), вызванное укорочением длины волны под действием роста температуры. В процессе сушки кЕ плавно убывает, так как уменьшается диэлектрическая проницаемость древесины. Последнее не свойственно для работы комплекса на частоте 13,56 МГц при подключении в одной и двух точках. В этих случаях длина материала оказывается равной длине волны, что сопровождается образованием узлов напряжения на расстоянии L/4 от концов рабочего конденсатора.

Рисунок 4.1 - Исследуемые варианты подключения ВЧ генератора к рабочему конденсатору а) в одной точке по центру; б) в двух точках в) в трех точках

Для первого варианта подключения (рис. 4.1, а) характерно перемещение узлов напряжения в процессе сушки по направлению к точке подключения в

следствие удлинения волны. При подключении по второму варианту (рис. 4.1, б) узлы напряжения локализируются непосредственно в точках присоединения токопроводов. Вблизи узлов температура материала не достигает температуры нагрева, в итоге устанавливается такой градиент, при котором под действием термодиффузии и фильтрации влага перемещается в область с более низкой температурой. Влагосодержание в этой области превышает начальное значение (рис. Д.4, г и Д.5, г), а возрастающие механические напряжения приводят к деформациям и растрескиванию пиломатериала. Оба варианта подключения равнозначны по наличию и расположению узлов напряжения и не рекомендуются при сушке на частоте 13,56 МГц. Наиболее равномерное и стабильное во времени электромагнитное поле обеспечивается на частоте 5,28 МГц при подключении электродов в трех точках

(кЕ = 1,021). Аналогичные выводы могут быть сделаны по графику на

рис. 4.3 для распределения внутренних источников теплоты.

Рисунок 4.2 - Изменение коэффици- Рисунок 4.3 - Изменение коэффициента неоднородности напряженности ента неоднородности внутренних ис-

электрического поля во времени

точников теплоты во времени

По мере удаления влаги удельная мощность внутренних источников теплоты уменьшается (рис. Д.1, б - Д.6, б), а вместе с ней снижается скорость сушки. В связи с этим процесс необходимо регулировать путем изменения выходного напряжения ВЧ генератора. Следует заметить, что вне зависимости от частоты и варианта подключения коэффициент неоднородности внутренних источников теплоты kQ заметно снижается. Это объясняется тем, что сушка в электромагнитных полях является саморегулируемым процессом: в местах с большим влагосодержанием сохраняется высокая интенсивность удаления влаги, в местах с меньшим влагосодержанием процесс замедляется. В итоге распределение внутренних источников становится более равномерным. По этой же причине в конце процесса сушки рост коэффициента неоднородности поля влагосодержания ки останавливается с последующим медленным убыванием (рис. 4.4, кривые 2 и 3). Минимальное значение коэффициента (ки = 1,06) было получено на частоте 5,28 МГц при подключении электродов рабочего конденсатора в трех точках.

Рисунок 4.4 - Изменение коэффици- Рисунок 4.5 - Изменение коэффициента неоднородности поля влагосо- ента неоднородности температурного

держания во времени

поля во времени

Коэффициент неоднородности температурного поля к (рис. 4.5) быстро увеличивается и достигает максимального значения по окончании нагрева, после чего плавно снижается за счет действия механизмов тепломассопере-носа, в первую очередь теплопроводности. При этом время выравнивания температуры тем меньше, чем больше равномерность электромагнитного поля. Так, на частоте 5,28 МГц время выравнивания составляет 1,25 ч при подключении в трех точках и 15 ч - при подключении в одной.

На основе проведенного анализа можно выделить две группы возможных вариантов сушки. Первая включает варианты с низкими коэффициентами неоднородности исследуемых полей:

- сушка на частоте 13,56 МГц с подключением в трех точках (кривые 6 на рис. 4.2 - 4.6.);

- сушка на частоте 5,28 МГц с подключением в двух точках (кривые 2 на рис. 4.2 - 4.6.);

- сушка на частоте 5,28 МГц с подключением в трех точках (кривые 3 на рис. 4.2 - 4.6.).

Вторая группа включает варианты с высокими коэффициентами неоднородности:

- сушка на частоте 13,56 МГц с подключением в одной точке (кривые 4 на рис. 4.2 - 4.6.);

- сушка на частоте 13,56 МГц с подключением в двух точках (кривые 5 на рис. 4.2 - 4.6.);

- сушка на частоте 5,28 МГц с подключением в одной точке (кривые 1 на рис. 4.2 - 4.6.).

Особенно четко справедливость такого разделения видна на графике зависимости среднего влагосодержания от времени (рис. 4.6), из которого следует, что кроме потери качества высушиваемого материала неоднородность элек-

дй

тромагнитного поля приводит к снижению средней скорости сушки —. Для

дт

первой группы —= 0,0130 кг/(кгч), а для второй - —= 0,0060 кг/(кгч), та-дт дт

ким образом, средняя скорость сушки уменьшается в 2,17 раза, что сопровождается увеличением расхода электрической энергии и снижением технико-экономических показателей комплексов в целом.

и, кг/кг 0,6^

Рисунок 4.6 - Зависимость среднего влагосодержания от времени

4.2 Разработка рекомендаций и технических решений по повышению равномерности сушки

Проведенное в пункте 3.1 исследование показало, что для вакуумно-высокочастотных комплексов с системой двух вертикальных электродов при формировании штабеля требуется плотная укладка рядов досок с целью полного исключения шпаций, так как с увеличением их размера снижаются напряженность электрического поля в древесине (рис. 3.5) и равномерность сушки (рис. 3.4). Отсюда также следует, что для сушки в исследуемых электротехнологических комплексах подходят только обрезные пиломатериалы. Для более плотного прилегания досок друг к другу штабель рекомендуется механически уплотнять.

Влияние воздушных зазоров на процесс сушки не однозначно. С одной стороны, с их увеличением повышается однородность электромагнитного поля в поперечном сечении штабеля (рис. 3.4). С другой, снижается средняя напряженность в досках, а значит и интенсивность их сушки. Введение зазоров величиной 2 см приводит к снижению напряженности в среднем в 1,5 раза (рис. 3.5). Однако плотное прилегание электродов к штабелю не желательно. Во-первых, это технически сложно организовать из-за разброса ширины досок. Во-вторых, усушка древесины приведет к образованию воздушных зазоров. В третьих, в местах с неплотным прилеганием электродов возможно возникновение искрения. Оптимальными следует считать зазоры величиной 1 см. В условиях промышленной эксплуатации оборудования допускается их увеличение в случае возникновения искрения.

Из графиков на рис. 3.4 также следует, что даже при оптимальном способе укладки ^ = 0, d =1) невозможно получить равномерное поле. Это, несомненно, является недостатком высокочастотного способа сушки, но такая проблема возникает и в сушильных аппаратах других типов. Например, в конвективных камерах на входе в штабель агент сушки имеет требуемые параметры, но по мере его прохождения через штабель он насыщается влагой, и его полезные свойства снижаются. Поэтому на противоположном конце штабеля древесина имеет повышенную влажность. Похожая картина наблюдается и в ВЧ сушильных установках: вблизи высокопотенциального электрода напряженность электрического поля максимальна и снижается по мере удаления от него (рис. 4.7). График соответствует опыту № 12 табл. 3.6.

Для выравнивания распределения напряженности по ширине штабеля может быть использована система симметричного питания электродов, при которой поверхность нулевого потенциала проходит через его середину. Оптимальная конструкция симметричного питания предложена в [105].

Основной причиной неравномерности являются волновые электромагнитные процессы. Для того чтобы исключить их влияние на равномерность

Е, кВ/м 4000 г-

3000

2000

1,0 А'м

о

0,5

Рисунок 4.7 - Распределение напряженности электрического поля по ширине штабеля в нижнем (1), среднем (2) и верхнем (3) рядах досок

процесса сушки в вертикальном направлении, достаточно подключать ВЧ генератор к электродам на середине их высоты. Наиболее распространенные два способа повышения равномерности распределения электромагнитного поля в продольном направлении штабеля были рассмотрены в первой главе. Они заключаются в подключении ВЧ генератора к рабочему конденсатору в нескольких точках или подключении в тех же точках индуктивностей, настроенных в резонанс. Их применение в вакуумно-высокочастотных комплексах не рационально. Первый способ требует большого числа вакуумиро-ванных высоковольтных вводов, а значит усложнения и удорожания конструкции рабочей камеры. При втором способе необходима постоянная подстройка индуктивностей колебательного контура в резонанс, что также приведет к усложнению конструкции не зависимо от того, как будет осуществляться подстройка: в ручном или автоматическом режиме.

Известен также способ высокочастотной сушки длинномерного материала [106], реализуемый путем создания бегущего электромагнитного поля. Эффект бегущей волны достигается за счет использования большого числа высокопотенциальных электродов малой длины, каждый из которых соединен с коммутирующим блоком, подключенным к ВЧ генератору. Данный

блок поочередно осуществляет переключение электродов так, что в любой момент времени работает только один. Применительно к вакуумно-высокочастотным комплексам способ не может быть полностью использован: для этого требуется ещё большее число вакуумированных высоковольтных вводов. Однако его идея взята за основу, в результате для повышения равномерности сушки предлагается способ, иллюстрированный на рис. 4.8.

Рисунок 4.8 - Способ повышения равномерности сушки по длине пиломатериала

Рисунок 4.9 - Распределение напряженности электрического поля при подключении в трех точках (1) и одной точке по центру (2) на частоте 13,56 МГц

ВЧ генератор подключается к рабочему конденсатору в трех точках: по центру и по краям через коммутационный блок (КБ), располагающийся снаружи камеры вблизи генератора. Блок осуществляет циклическое отключение и подключение двух крайних точек. При этом часть времени цикла переключения рабочий конденсатор оказывается подключенным в трех точках, а другую часть - в одной по центру. Благодаря этому обеспечивается смена узлов напряжения, образующихся на расстоянии около 1,5 м от центра штабеля

при подключении в одной точке по центру, пучностями, образующимися на таком же расстоянии от центра при подключении в трех точках (рис. 4.9). Предложенный способ более эффективен на частоте 13,56 МГц.

Из графика на рис. 4.9 видно, что значения напряженности электрического поля в пучностях, соответствующих разным вариантам подключения не одинаковы, значит, процесс нагрева и сушки в этих зонах будет идти с разной скоростью. Выравнивание скорости можно осуществить путем изменения продолжительности работы ВЧ генератора за цикл при его подключении в трех точках. Для этого введен параметр переключения, равный:

г* _ Т3т

(4.1)

т

ц

где т3т - продолжительность работы ВЧ генератора за цикл при подключении в трех точках, мин;

тц - длительность цикла переключения, мин.

С помощью разработанной математической модели проведено численное исследование зависимости коэффициента неоднородности поля влагосо-держания ки через 25 ч сушки от введенного параметра т*. Вычисления проводились при цикле длительностью 30 мин. Результат показан на рис. 4.10.

к

1,25 1,20

1,15 1,10

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Рисунок 4.10 - График зависимости коэффициента неоднородности поля влагосодержания от параметра т*

Установлено, что наиболее однородное поле влагосодержания (ки = 1,11) обеспечивается при параметре переключения равном 0,45. График распределения влагосодержания по длине пиломатериала для этого случая приведен на рис. 4.11. При его сопоставлении с графиком на рис. Д.3, г можно заметить, что:

- использование предлагаемого способа приводит к существенному повышению равномерности поля влагосодержания, коэффициент неоднородности которого при варианте подключения согласно рис. 4.1, в равен 1,35;

- способ не обеспечивает высокую интенсивность процесса, в данном случае средняя скорость равна 0,0085 кг/(кгч), что занимает промежуточное положение между двумя выделенными группами возможных вариантов сушки.

и, кг/кг

Рисунок 4.11 - График зависимости влагосодержания от координаты и времени сушки на частоте 13,56 МГц с параметром переключения т* = 0,45

Последнее утверждение не совсем корректно, поскольку моделирование для разных частот проводилось при одинаковом уровне удельной мощности внутренних источников теплоты. При выполнении условия постоянства выходного напряжения ВЧ генератора, преимущество имеет сушка на

Си

большей частоте (рис. 4.12). Так, максимальная средняя скорость —= 0,0120

Ст

кг/(кгч) достигается на частоте 13,56 МГц с подключением в 3-х точках при неудовлетворительном коэффициенте неоднородности ки = 1,35. Полная противоположность - сушка на частоте 5,28 МГц с тем же вариантом подключения. Здесь скорость сушки и коэффициент неоднородности минимальны: Си

—= 0,0073 кг/(кг ч); ки = 1,06. Ст

Рисунок 4.12 - Зависимость среднего влагосодержания от времени сушки при одинаковом выходном напряжении ВЧ генератора (310 В):

1 - 5,28 МГц, подключение в 3-х точках;

2 - 13,56 МГц, подключение через коммутационный блок;

3 - 13,56 МГц, подключение в 3-х точках

В качестве оптимального варианта можно было бы рассматривать сушку на частоте 5,28 МГц с более высоким напряжением, однако, компенсация скорости процесса от использования более низкой частоты путём повышения выходного напряжения ВЧ генератора не рекомендуется по следующим причинам:

- происходит увеличение напряженности электрического поля в древесине, что может вызвать её электрический пробой;

- происходит увеличение напряженности электрического поля в воздушных зазорах, в результате возможно появление искрения. Для исключения последнего необходимо увеличить воздушные зазоры, что приведёт к снижению напряженности электрического поля и падению скорости сушки согласно полученному графику на рис. 3.4.

Таким образом, предложен способ повышения равномерности сушки, при котором обеспечиваются оптимальные параметры процесса: ди

—= 0,0081 кг/(кгч); ки = 1,11. Несмотря на то, что коэффициент неоднород-дт

ности на 5 % выше по сравнению с вариантом 1 (рис. 4.12), средняя скорость сушки при реализации предложенного способа в 1,1 раза превышает среднюю скорость сушки на частоте 5,28 МГц с подключением в трех точках. Благодаря снижению продолжительности процесса сушки сокращаются непроизводительные потери электрической энергии.

4.3 Расчет технологической себестоимости сушки

Себестоимость является важным технико-экономическим показателем, с помощью которого производится сравнение и принимаются решения о реконструкции имеющегося на предприятии сушильного оборудования или замене на новое. В работе на базе этого показателя произведено сопоставление двух типов оборудования, представляющих разные технологии сушки: ваку-умно-высокочастотную и наиболее распространенную конвективную. Объем загрузки конвективной камеры подобран как можно ближе к объему вакуум-но-высокочастотного комплекса. Технические характеристики сравниваемого оборудования усреднены и указаны в таблицах 4.1 и 4.2.

Технологическая себестоимость определяется по годовым эксплуатационным затратам, включающим расходы на энергоносители, заработную плату основного и вспомогательного персонала, амортизацию оборудования

и помещений, ремонтные работы и прочие расходы [107]:

108

Таблица 4.1 - Технические характеристики конвективной камеры

№ п/п Технические характеристики Размерность Значение

1 Объем загрузки 3 м 15

2 Размер камер (длина/ ширина/ высота) м 8,2/ 2,45/ 2,25

3 Габариты штабеля (длина/ ширина/ высота) м 6,1/ 1,8/ 2,0

4 Потребляемая тепловая мощность кВт 90

5 Количество вентиляторов шт. 1

6 Мощность вентиляторов кВт 3

7 Скорость агента сушки м/с 1,6-1,8

8 Продолжительность сушки (сосна

толщиной 50 мм с начальным влагосо- ч 121

держанием 0,4 и конечным 0,08 кг/кг)

9 Брак % 8

10 Стоимость оборудования тыс. руб. 1500

Таблица 4.2 - Технические характеристики вакуумно-высокочастотного комплекса

№ п/п Технические характеристики Размерность Значение

1 Объем загрузки 3 м 10

2 Размер камер (длина/ ширина/ высота) м 7,3/ 4,5/ 2,4

3 Габариты штабеля

(длина/ ширина/ высота) м 6/ 1,3/ 1,3

4 Мощность высокочастотного генера- кВт 50

тора

5 Частота МГц 5,28

6 Мощность вакуумного насоса кВт 13

7 Мощность насоса охлаждения генера- кВт 5

тора и камеры

8 Продолжительность сушки

(сосна толщиной 50 мм с начальным влагосодержанием 0,4 и конечным 0,08 кг/кг) ч 24

9 Брак % 5

10 Стоимость оборудования тыс. руб. 8800

С = Фосн + Фвсп + Э + А + р (42)

где Фосн - фонд оплаты труда основного персонала, руб./год; Фвсп - фонд

109

оплаты труда вспомогательного персонала, руб./год; Э - затраты на энергоносители, руб./год; А - амортизация оборудования и помещений, руб./год; р - затраты на ремонт, руб./год; П - годовая производительность камеры, м3/год.

Основной персонал включает операторов камер и укладчиков, поэтому Фосн может быть найден по формуле:

Ф =12Ш • З + N ■ З ), (4 3)

осн V оп оп укл укл/' V /

где Коп и Кукл - число операторов и укладчиков; Зоп и Зукл - месячные заработные платы операторов и укладчиков с учетом социальных отчислений, руб./мес.

Для обслуживания камер при трехсменном режиме необходимо трое операторов и двое укладчиков.

Вспомогательный персонал может включать лаборантов, наладчиков, электрослесарей, подсобных рабочих и т.д. В расчете принято, что на производстве имеется один наладчик, обслуживающий пять установок:

12 ■ З

Фвсп (4.4)

где Знал - месячная заработная плата наладчика с учетом социальных отчислений, руб./мес.

Расходы на энергоносители для вакуумно-высокочастотного комплекса состоят только из потребления электроэнергии:

к1к2к3 У Р ■ тс Э = пц 1 2 уст с ■ Цэ, (4.5)

П

где пц - годовое число циклов сушки; к1 = 0,7 - средний коэффициент загруз-

ки электрооборудования по мощности; к2 = 0,7 - средний коэффициент загрузки электрооборудования по времени; к3 = 0,9 - средний коэффициент одновременности работы электрооборудования; ^ Р - суммарная установленная мощность электрооборудования камеры, кВт; тс - продолжительность сушки, ч; ц = 0,75 - средний КПД электрооборудования; Цэ = 4,5 - стоимость электроэнергии, руб./кВтч.

Расходы на энергоносители для конвективной камеры складываются из потребления тепловой Эт и электроэнергии Ээ. Принято, что тепловая энергия вырабатывается в результате сжигания природного газа в котлах:

3,

кт кт ■ P ■ х =n kl k2 Рт Тс ■ Ц ц 1163 ■ NCV ■ пт

3= nkUk^ ■ Ц,

э ц ^э'

Пэ

(4.6)

где кт = 0,8 и кэ = 0,9 - средние коэффициенты загрузки теплового (теплообменники) и электрооборудования (вентилятор) по мощности; к2 = 0,7 и к2 = 0,7 средний коэффициент загрузки теплового и электрооборудования по времени; Рт - установленная мощность теплового оборудования, кВт; Рэ -установленная мощность электрооборудования, кВт; КСУ = 0,0086 - низшая теплотворная способность природного газа, Гкал/м ; цт = 0,8 и цэ = 0,96 -средний КПД теплового и электрооборудования оборудования; Цт = 4,64 -цена природного газа, руб./м3;

Затраты на амортизацию оборудования, руб./год:

a _ цотп ■ H (4 7)

б _ loo , (4.7)

где ЦОТП - отпускная цена изделия, руб.; H = 10 % - норма амортизации.

Затраты на амортизацию зданий, руб./год:

8П • Кг, • Ц,, • Н, А3 = ———-, (4.8)

3 100 v У

где Б0 - производственная площадь, непосредственно занимаемая оборудованием, м ; Кд = 1,5 - коэффициент, учитывающий дополнительную площадь (на проходы, проезды, служебные и бытовые помещения), приходящуюся на единицу оборудования; Цз = 15000 - стоимость 1 м производственной площади, руб.; Нз = 3 - норма амортизации зданий, %.

Затраты на текущий ремонт и обслуживание оборудования, руб./год:

р = . (4.9)

100 v у

Годовая производительность определяется по формулам [3]: