Процесс сушки лесоматериалов с применением энергии СВЧ. Продолжение

7 843

Технологический процесс сушки древесины с применением энергии сверхвысоких частот (СВЧ) имеет множество нюансов, которые необходимо учесть. Как сушить древесину с крупным поперечным сечением, и какими бывают установки СВЧ для сушки древесных материалов — об этом пойдет речь в предлагаемом вам материале.

Продолжение. Начало в № 4/2006

Особенности кинетики сушки древесины в ЭПМ высокой частоты
Отличительной особенностью нагрева влажных материалов в ЭМП высокой и сверхвысокой частоты является равномерное выделение тепла во всем объеме этих материалов при условии равномерного распределения влажности и влаготеплоизоляции их поверхностей. Однако в реальных условиях процесса сушки влаготеплообмен с окружающей средой приводит к образованию поля температур по толщине материала, которое в свою очередь вызывает перенос влаги и образование поля влагосодержаний. Поля температур и влагосодержаний влияют на локальные источники тепловыделения, что в конечном итоге приводит к неравномерному нагреву влажного материала.
Нагрев влажного материала токами ВЧ или СВЧ происходит весьма интенсивно, причем количество энергии на единицу объема, как было сказано выше, прямо пропорционально частоте поля, квадрату напряженности электрического поля и диэлектрическим потерям в материале.
При конвективной сушке температурный градиент препятствует перемещению влаги к поверхности материала. При сушке ВЧ или СВЧ температурный градиент направлен от центра к поверхности и создает положительный поток влаги. Однако распределение влагосодержания при определенных условиях может иметь обратный характер: влагосодержание на поверхности больше, чем в центре. Следовательно, концентрационная диффузия влаги направлена от поверхности к центру и оказывает сопротивление переносу влаги на поверхность. Это объясняется не только потоком термодиффузии влаги, но, главным образом, наличием источника пара внутри тела. Испарение воды происходит во всем объеме, причем в центре тела больше, чем на поверхности.
Скорость испарения жидкой влаги во много раз превышает скорость переноса пара внутри капиллярно-пористого тела (древесины). Вследствие этого внутри тела возникает градиент общего давления при температуре материала ниже 100°С. Этому явлению способствует диффузия скольжения в макрокапиллярах и эффузия воздуха в микрокапиллярах, так как температура в центре материала выше, чем на поверхности.
Градиент общего давления является основной движущей силой переноса пара к поверхностям материала.
Распределение температуры по толщине материала описывается параболическим законом. Распределение общего давления не следует закону параболы: в центре тела оно максимально, на поверхности равно давлению воздуха в камере нагрева.
Представляют интерес опыты с импульсным нагревом тела в поле ВЧ. В начале температура материала быстро увеличивается, а затем при температуре, близкой к кипению, ее рост замедляется; вначале избыточное давление равно 0, затем при температуре от 45°С до 95°С в зависимости от скорости нагревания и влагосодержания тела возникает избыточное давление, которое резко возрастает (рис. 1). Возникает и градиент общего давления, который интенсифицирует перенос влаги. Если прекратить нагрев (отключить ЭМП), то избыточное давление быстро релаксируется, но не мгновенно, а с конечной скоростью приблизительно по экспоненте, что свидетельствует о значительном сопротивлении молярному движению парогазовой смеси внутри тела. В то же время температура тела почти не изменяется. На рис. 1 приведено несколько циклов нагревания тела. На основании этих опытов был определен коэффициент конвективной диффузии пара (молярного переноса). Этот коэффициент по расчетам примерно в 100 раз больше коэффициента диффузии влаги при движении ее под действием градиента влагосодержания. Другими словами, циклическое нагревание эффективнее постоянного нагрева.

Рис. 1. Кривые кинетики температуры и давления при импульсной сушке в поле высокой частоты и релаксации избыточного давления при прекращении нагрева.

Недостатками сушки в поле ВЧ или СВЧ являются большой расход электроэнергии, сложное оборудование и обслуживание, необходимость соблюдения персоналом строгих правил по технике безопасности. Поэтому целесообразно использовать этот способ в комбинации с конвективной сушкой нагретым газом. При сушке в высокочастотном поле градиент влагосодержания может препятствовать движению влаги к поверхности.
Изменяя градиент температуры за счет темпа нагревания поверхности материала, можно добиться равномерного распределения влагосодержания внутри материала. Затрачивая энергию ЭМП только на создание необходимого градиента температуры внутри материала, испарение жидкости производят за счет подвода тепла конвекцией (или излучением), что позволяет получить лучшие результаты с точки зрения технологии (качество материала) и снизить расход электроэнергии в 2 и более раза.
Отсюда следует, что температура материала в периоде постоянной скорости сушки должна быть ниже 100°С, чтобы испарение жидкости в основном происходило не внутри материала, а на его поверхности.
Наибольшее влияние поля температур (по исследованию Н. А. Першанова) на перенос влаги наблюдается в первом периоде сушки при больших показателях влагосодержания. Перегрев здесь вреден и с технологической, и с энергозатратной точек зрения.

Особенности сушки пиломатериалов больших поперечных сечений и оцилиндрованных бревен
Известно из многолетней практики, что высушивание брусьев, шпал, бревен и другого сортамента с крупным поперечным сечением представляет существенные трудности. Это объясняется следующими явлениями. Большая толщина и ширина материала создают повышенное гидродинамическое сопротивление движению жидкости и пара в направлении поперек волокон внутри древесины, обусловленное особенностями строения древесины и сложностью влагопроводящих путей, включающих как полости клеток с размерами поперечного сечения от 10 до 100 мкм (макрокапилляры), так и микрокапилляры с радиусом г <100 нм. Скорость сушки за счет лучшей проницаемости древесины вдоль волокон (примерно в 10-20 раз при конвективной сушке) полностью нивелируется достаточно большой длиной сортимента (L > 1 м). Кроме того, большие размеры означают большую разветвленную внутреннюю поверхность, то есть увеличивает энергии связи влаги с древесиной, что также усложняет ее движение в поперечном направлении.
Это значит, что при низкотемпературной конвективной сушке древесины с крупным сечением неизбежно имеется значительный перепад влажности между центром и поверхностью сортимента; это в свою очередь приводит к возникновению существенных внутренних напряжений и нарушению целостности материала (наружные и внутренние трещины, рис 2).

Рис.2. Поперечные трещины сортиментов древесины крупных поперечных сечений.

Вторым явлением, осложняющим процесс сушки, назовем анизотропию усушки, т.е. различие усушки древесины в радиальном и тангенциальном направлениях. Это обстоятельство наиболее сильно проявляется именно при сушке сортиментов крупных размеров поперечного сечения, охватывающих сердцевину.
В конвективных сушильных камерах или на открытом воздухе высушить крупные брусья и бревна (в том числе оцилиндрованные) без трещин невозможно. При этом глубины трещин могут достигать центра сортимента (рис. 2).
Показатель анизотропии, определенный по формуле:

А = (Ут – Ур) %,

где Ут, Ур — коэффициенты усушки в тангенциальном и радиальном направлениях; величина А изменяется в широких пределах от 0,06% для березы до 0,19% для лиственницы (т.е. различаются на два порядка!). Лиственница, пожалуй, наиболее подвержена растрескиванию.
Кроме того показатель А отражает способность различных пород к короблению. Бруски, вырезанные из различных зон поперечного сечения бревна и высушенные в свободном состоянии, вследствие анизотропии усушки теряют ортогональность формы поперечного сечения, приобретая чаще всего ромбовидную форму. Это вызывает дополнительные потери материала при обработке. Вакуумная сушка и ее многочисленные модификации позволяют уменьшить ромбовидность сечения. Проведенный анализ, а также имеющийся опыт показали, что с использованием СВЧ-энергии этот вопрос может быть решен даже более успешно, чему есть следующие предпосылки:

высокий уровень мощности подводимой энергии ЭМП, позволяющий быстро превратить ее в тепловую энергию;

возможность получения мощных потоков влаги из центра сортимента на его поверхность за счет общего избыточного давления и температурного градиента, направленных в одну сторону;

возможность управления темпом нагрева (в том числе использования импульсного нагрева) и регулирования температуры на поверхности (комбинированная конвективно-высокочастотная сушка), посредством чего можно добиться минимального градиента влажности по толщине сортимента, а, следовательно, минимальных внутренних напряжений в сушимом материале;

при использовании СВЧ-энергии коэффициент влагопроводности древесины вдоль волокон значительно увеличивается (в 10-16 тысяч раз), поэтому управление потоком влаги вдоль волокон может значительно ускорить процесс сушки.

Принципы проектирования СВЧ-сушилок
Использование СВЧ для сушки древесины эффективнее, чем ВЧ-энергии, так как мощность, передаваемая диэлектрику электромагнитным полем, пропорциональна частоте, квадрату напряженности электрического поля и коэффициенту диэлектрических потерь.
В США для использования СВЧ-энергии при сушки материалов отведены частоты: 916, 2460, 5800 и 22500 МГц. В России для промышленного использования отведены диапазоны микроволн со следующими значениями частот: 460, 915 и 2450 МГц. Выбор частот определяется характеристиками материала, подлежащего сушке. Поглощение и преобразование в тепло СВЧ-мощности в диэлектрическом материале с потерями рассчитывается в зависимости от комплексной диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь (K = eў. tgd).
Влажная древесина имеет наибольшую величину К.
При использовании СВЧ-энергии для сушки пиломатериалов следует принять во внимание ряд преимуществ, присущих только данному виду энергии:

возможность сконцентрировать на единице объема древесины высокую тепловую мощность, что невозможно при традиционных способах сушки;

возможность получить избирательный нагрев древесины и нужное по технологии распределение температур в материале при малой инерционности процесса;

высокий кпд преобразования СВЧ-энергии в тепловую, низкие потери энергии в подводящих трактах и рабочих камерах.

Однако ряд причин приводят к неудовлетворительным результатам использования СВЧ-энергии для сушки древесных материалов. К ним следует отнести:

маломощные источники СВЧ, работающие на частотах 2450 МГц, что неприемлемо для сушки пакета пиломатериалов;

одностороннее облучение пакета, что приводит к неравномерному по его ширине нагреву и сушке;

локальные перегревы материала вследствие образования поверхностных волн, приводящих к возгоранию древесины;

неравномерное распределение СВЧ-энергии по штабелю пиломатериалов, неравномерная сушка.

Более подробно эти вопросы рассмотрены ниже.
Для плоской электромагнитной волны плотность падающей мощности, переносимой волной, связана с напряженностью электрического поля. При достижении границ материала часть мощности отражается от его поверхности обратно к источнику. Оставшаяся часть мощности передается материалу, при этом электрическое поле затухает по экспоненте.
Двухстороннее облучение мало влияет экспоненциальный на характер процесса.

Применяют два вида установок СВЧ для сушки древесных материалов.
Установки резонаторного типа целесообразно использовать в качестве сушилок периодического действия. Установки с бегущей волной идеально подходят для сушилок на поточной линии.
В этом случае нагрузка и передающая линия дополняют друг друга, образуется линия с потерями, используемыми для сушки материалов. Такую линию можно представить как каскадное включение отдельных секций. Рассмотрим эти виды сушилок подробнее.

Сушилки резонаторного типа — периодического действия
Из-за относительно высокой стоимости и сложности микроволновые сушилки периодического действия широко применяются для экстренной сушки небольших объемов (в несколько кубических метров) твердых и ценных пород древесины.
При создании сушильных установок с использованием СВЧ-энергии сложнее всего достигнуть равномерной конечной влажности пиломатериалов. При СВЧ-сушке равномерность нагрева штабеля будет зависеть от равномерности поля микроволновой энергии для каждого его элемента. Необходимо обеспечить максимально равномерное облучение поверхности штабеля и максимально равномерного поглощения энергии внутри штабеля.
Эти задачи в значительной степени решаются за счет способа укладки штабеля, так как диэлектрические свойства штабеля зависят от этого фактора. Обычно микроволновая сушильная камера рассматривается как многомодовый слабонагруженный объемный резонатор с одним вводом энергии, в котором устанавливается режим стоячей волны. Распределение энергии в таком резонаторе крайне неравномерно и сильно зависит от степени его нагруженности или коэффициента заполнения (отношение объема загрузки к объему резонатора), геометрической формы объекта облучения и его диэлектрических свойств. Расчеты и экспериментальные данные показывают: в камере с одним вводом энергии равномерная сушка штабеля древесины практически невозможна. Можно улучшить равномерность распределения энергии за счет увеличения количества вводов СВЧ-энергии внутрь камеры.
Однако сохраняется главный порок сушилок с одним мощным СВЧ-генератором: в тех частях камеры, где происходит пересечение когерентных потоков энергии, происходит интерференция микроволн. Возникают местные стоячие волны и обеспечить равномерный нагрев и сушку материалов очень сложно. Больший эффект дает использование достаточно большого числа некогерентных (независимых) сравнительно маломощных СВЧ-генераторов, при этом Рсвч = nPi, где Pi -мощность каждого из них. Для интенсивной сушки древесины (несколько десятков часов) объемом 2-8 м³ нужна Рсвч = 25-100 кВт. Расстояние между излучателями ограничивается необходимой электромагнитной развязкой между соседними генераторами, исключающей эффект “захвата частоты” между ними. Иногда излучатели размещают в шахматном порядке, причем на одной стенке — на “белых полях”, а на противоположной — на “черных”. Эти способы улучшают равномерность распределения СВЧ-энергии по поверхности штабеля.
Равномерность нагрева пиломатериалов внутри штабеля определяется, как сказано выше, способом его укладки, а также шириной штабеля.
Рассматривая поперечный разрез штабеля из пиломатериалов одинакового сечения а і с мм с прокладками толщиной d мм и шпациями шириной в мм, можно сделать вывод, что это композитный материал, определяемый главным образом диэлектрическими параметрами древесины eў и tgd. Если характерный размер неоднородных по влажности и плотности зон древесины не превышает длины волны, то штабель можно представить в виде эквивалентного однородного диэлектрика. Затухание микроволн в диэлектрике по ширине штабеля происходит по экспоненте. Поэтому за счет неравномерного поглощения СВЧ-энергии происходит неравномерный нагрев и сушка пиломатериалов по ширине штабеля. Это обстоятельство усугубляется значительным изменением самих диэлектирических показателей древесины в процессе нагрева и сушки.
Анализ явлений приводит к выводам:
1. Характер затухания микроволн в объеме штабеля пиломатериалов зависит от числа источников излучения и их расположения.
2. Путем подбора этих величин можно осуществить такую укладку штабеля, при которой в процессе сушки будет иметь место достаточная равномерность поглощения СВЧ-энергии каждым элементом штабеля по его ширине. Этого можно достичь, варьируя шириной шпации и толщиной прокладок. Целесообразно при постоянной толщине прокладки варьировать шириной шпации, уменьшая ее до нуля в центре штабеля.
Другие исследования показывают, что в зависимости от частоты облучения, геометрических характеристик штабеля древесины, способа облучения и диэлектрических характеристик древесины можно создать практически равномерное распределение микроволновой энергии по всему объему материала. Это позволяет обеспечить равномерный прогрев материала и проводить сушку его с малыми градиентами влагосодержания, т.е. получить высокое качество продукции. Однако, реальное распределение ЭП в объеме сушильной камеры в результате затухания существенно неоднородно. Вследствие этого камеры сушилок не позволяют высушивать большие объемы древесины, что снижает экономичность процесса сушки.
Были выполнены расчетные и экспериментальные исследования затухания микроволновой энергии в штабеле пиломатериалов с целью определения его оптимальных геометрических размеров и способов укладки в камере. Авторы отметили, что глубина проникновения СВЧ-энергии в штабель зависит от поляризации волны: минимальное погонное затухание имеют волны, вектор поляризации ЭП которых расположен вдоль штабеля. Значения затухания, рассчитанные по математической модели, и усредненные экспериментальные значения приведены в таблице 1.
В эксперименте использовались сосновые доски толщиной 20 мм влажностью 60-65% (мокрые) и 10-12% (сухие).

ДЛЯ сравнения можно указать, что удельная подводимая мощность в конвективной камере составляет около 0,004 Вт/см3. Для обеспечения требуемой равномерности температурного поля, величина затухания в штабеле не должна превышать 2 Дб. При одностороннем облучении этому условию удовлетворяет штабель шириной не более:
при f = 460 МГц — 500 мм
f = 915 МГц — 380 мм
f = 2450 МГц — 110 мм
При этом частоты в диапазоне 2450 МГц целесообразно использовать только в конвейерных установках для сушки единичных досок.
В установках с номинальными значениями частот 915 и 460 МГц предпочтительно формировать штабель на прокладках толщиной 60-40 мм соответственно.
Использование комбинированной сушки пиломатериалов целесообразно, так как скорость ее значительно (во много раз) выше, чем конвективной, а качество высушенных пиломатериалов высокое: перепад влажности по толщине не более 3,0-3,5%, условный показатель остаточных напряжений — не более 1-2%. При этом удельная подводимая мощность энергии не должна превышать 0,1 Вт/см3.
Важным элементом технологии сушки пиломатериалов с использованием СВЧ-энергии является управление выделяемой теплотой в процессе нагрева и сушки. Выделяемая теплота расходуется на нагревание влажной древесины до температуры кипения воды в древесине и на испарение влаги внутри древесины. Так как влага внутри древесины находится в замкнутом пространстве, с повышением температуры и, особенно, с началом кипения воды внутри древесины начинается повышение избыточного давления.
Опасными для древесины с точки зрения ее целостности и потери прочности являются избыточное давление и температура. После превышения избыточным давлением прочности древесины на растяжение поперек волокон происходит разрыв клеточных оболочек. Древесина является анизотропной структурой и ее влагопроводность вдоль и поперек волокон (низкотемпературная конвективная сушка) отличается в 10-15 раз. При использовании СВЧ-сушки у древесины березы это различие составляет 16000 раз (!), поэтому при СВЧ-сушке пиломатериалов под действием избыточного давления, основная масса влаги удаляется через торцы. При этом вода удаляется не только в виде пара, но и в жидкой фазе, что уменьшает затраты энергии на сушку.
Величина избыточного давления в пиломатериале зависит от:

количества выделяемого в древесине тепла;

расстояния до поверхностей;

фазового состава влаги, движущейся по влагопроводящим путям древесины;

температуры, определяющей вязкость жидкой влаги.
При равномерном выделении тепла в древесине внутреннее давление постоянно и асимптотически стремится к предельной величине. Именно это давление должно быть меньше предельно допустимого, выше которого происходит разрыв клеточных оболочек — трещины.

Таблица 1

(Данные для сушки дубовых досок длиной 1200 мм, шириной 190 мм от WH = 55-60% до WK = 7-8%).

Сушильные установки с бегущей волной — сушилки конвейерного типа
Различают следующие виды сушилок конвейерного типа:

сушилки согласного типа (concurrent). В них поток ЭМП и направление движения материала совпадают;

противоточные, встречные сушилки (countercurrent). В них поток ЭМП и движение материала направлены навстречу друг другу.

сушилки с перекрестным движением (crosscurrent). В них направление движения материала и поток ЭМП перпендикулярны друг другу.

Для сушки древесины, шпона, бумаги нашли применение системы волноводов типа «меандр». Оптимизация построения волноводной установки состоит в том, чтобы обеспечить наиболее эффективный процесс сушки в ней, т.е. минимальную продолжительность сушки и минимум энергетических затрат при высоком качестве высушенного материала. Для определения влияния тех или иных параметров установки на эффективность процесса сушки необходимо рассмотреть физические явления, происходящие в волноводе. Падающая на материал ЭМ мощность не полностью им поглощается; часть этой мощности отражается от поверхности материала, часть проходит через него. Та часть, которая поглощается материалом, переходит в его внутреннюю энергию. В результате этого нарушается равновесие термодинамического состояния материала и происходят процессы, направленные на достижение нового устойчивого равновесия, т.е. возникают потенциалы движения влаги из внутренних слоев к поверхностным, тепловлагообмен с окружающей средой, что сопровождается разрушением структуры древесины (расщепление волокон), усадкой и т.д.
Особенности микроволновой сушки древесины отмечены нами выше (возможность безинерционного управления процессом Рпогл за счет изменения Рпад, распределение температуры с максимумом в центре материала, аналогичное ему распределение интенсивности парообразования) приводят к тому, что векторы всех потенциалов, вызывающих перемещение влаги, должны быть направлены в одну сторону — от центра на поверхность. Это обстоятельство существенно ускоряет процесс сушки.
Таким образом, главная задача при проектировании волноводной установки для микроволновой сушки пиломатериалов — получение максимально возможной величины поглощения падающей энергии. Вторая задача — обеспечить реализацию заданного (оптимального) процесса сушки в сочетании с универсальностью установки, позволяющей высушивать древесину разных пород в любом диапазоне влажности. При этом необходимо учитывать ограничения по величине и скорости возрастания внутренней энергии в древесине во избежание отрицательных явлений, отмеченных выше.
Принцип действия волноводных установок основан на том, что допустимо наличие симметричной щели по оси широкой стенки волновода. Такая щель не приводит к изменению геометрии ЭМП в волноводе и параметров распространения волны вдоль него (рис. 3).

Рис. 3. Щель в волноводе; прохождение доски через нее (а) пространственное распределение интенсивности ЭМП в волноводе (б);
L — расстояние между волноводами,
V — скорость движения доски

При совпадении плоскостей введенной в щель доски и вектора напряженности электрического поля Е интенсивность облучения доски СВЧ-энерией максимальна. При движении доски через волновод каждый ее участок получает одинаковую порцию энергии. Вне волновода воздействие энергии на доску отсутствует. Если по ходу движения доски установить несколько волноводов, то с интервалом времени каждый участок доски получит одинаковую порцию энергии. В такой установке реализуется прерывистый или циклический процесс сушки. Анализ показал, что при определенных значениях и при прочих равных условиях циклический режим является менее энергоемким, чем непрерывный.
Это объясняется тем, что в паузах циклического процесса происходит нивелирование прироста внутренней энергии и энергии испарения влаги внутри древесины, что снижает затраты на сушку. В начале процесса сушки высокая влажность и импульсная величина мощности ограничена из-за опасности расщепления волокон. После снижения влажности древесины до 30% к концу 4-го цикла сушки можно увеличить импульсную падающую энергию. При достижении древесиной влажности 16-18%, когда средняя часть доски практически обезвожена, возникает опасность ее перегрева. Поэтому, начиная с 9-го цикла импульсную энергию нагрева уменьшают. Этот пример показывает: если в установке обеспечена возможность управления импульсной падающей энергией для каждого цикла, то такая установка позволяет реализовать оптимальный режим сушки. В противном случае необходимо поддерживать мощность во всех циклах, не превышающую минимальную в оптимальном процессе, что не экономично.
С учетом сказанного можно сделать сравнение двух известных схем построения волноводных установок для СВЧ-сушки древесины: схему “меандр” (рис. 4 а) и схему с параллельно разветвленными прямыми волноводами (рис. 4 б, в).

Рис. 4. (а, б, в). Схемы построения волноводных установок микроволновой сушки древесины:
а — схема “меандр”;
б — схема с параллельно-разветвленными прямыми волноводами при односторонней запитке;
в — то же при двусторонней запитке;
1 — волновод, 2 — доска, Н — нагрузка

Преимущество первой — постепенная передача большей части ЭМ энергии древесине. Но величина импульсной Рпад на каждом i-м цикле зависит от многих факторов (влажности доски, ее длины, сечения и породы), поэтому управлять ею практически невозможно. Оказывается, что во втором цикле Рпад2 /Рпад1 = 0,18, а в третьем эта величина составляет 0,03 (сосновая доска 150 і 43 мм WH = 60%). Это значит, что 2 и 3 волноводные ветви “меандр” в данном случае бесполезны.
При сушке материала с низкими потерями СВЧ-энергии (доска толщиной 25 мм и WHan = 30%) отношение Рпад2 / Рпад1 = 0,84, так что несколько волноводов будут работать с полной отдачей. Но чтобы использовать полностью энергию генератора (до 0,8 Рпад) необходимо иметь в схеме “меандр” до 10 волноводных ветвей. Таким образом эта схема не пригодна для построения универсальной волноводной установки для СВЧ-сушки. В то же время она вполне пригодна для сушки шпона или тонких материалов, в этом случае схема “меандр” обладает бесспорным преимуществом в сравнении с другими схемами.
При использовании схемы с параллельно разветвленными волноводами (рис. 4 б, в) проблем, указанных выше, не возникает. В этом случае каждая волноводная ветвь запитывается от автономного СВЧ-генератора, в каждом цикле можно установить оптимальную импульсную Рпад. При этом для достижения необходимой эффективности сушки древесины достаточно обеспечить возможность групповой регулировки импульсной Рпад, имея по четыре волновода в каждой ветви.
В этой схеме имеется недостаток: гораздо сложнее, чем в схеме “меандр” получить нужную полноту использования падающей мощности. Эту задачу можно решить методом параллельного (одновременного) ввода в установку нескольких рядов досок. Количество рядов будет определяться характеристикой высушиваемой древесины, и ограничиваться только шириной установки (габаритными размерами). Во всех случаях при оптимизации числа рядов сушка древесины будет проходить в оптимальном режиме во всех рядах, но энергозатраты будут превышать минимально необходимые.
При использовании волноводной системы имеется возможность непосредственного измерения поглощаемой материалом СВЧ- энергии [13], что в данном случае позволило определить распределение мощности, переносимой ЭМП по рядам досок установки. По отношению к 1-му по ходу волны ряду досок оптимальное управления процессом обеспечено изначально, по отношению досок второго и последующих рядов задача оптимизации может быть решена двумя способами. Первый — установка настроена на оптимальную сушку первого ряда, а доски второго и последующих рядов высушиваются за второй проход.
Второй — вытекает из закономерности, что Рпад (i+l)-ro ряда меньше, чем Рпад i-того ряда, где i = l, 2, 3 ѕ n. Отсюда следует необходимость уменьшения скорости движения доски через волноводную систему, обеспечивающую пропорциональное возрастание ti и tn (ti — время облучения, tu — время паузы). В этом случае возможна сушка досок всех рядов за один проход, но для реализации этого процесса необходимо иметь индивидуальные автономно управляемые по скорости движения конвейеры для каждого ряда высушиваемых досок. Базовая скорость движения доски через установку V0 = 1,5 м/с (сосновая доска в первом ряду WH = 60-70%), при уменьшении WH скорость можно увеличить пропорционально WH. Скорость во втором и последующих рядах должна быть меньше в 1,5-3,0 раза. Ввод досок в волновод осуществляется под углом 30” к направлению волны.
При 12 волноводных ветвях и трех параллельных рядах досок производительность установки от WH = 60-70% до WK = 8-10% составляет по сосне, ели, кедру, березе, осине — 1,0 м³/час. Удельный расход электроэнергии на сушку 130 кВт .час/м3. Автор отмечает универсальность установки с параллельно разветвленными волноводами для различных требований потребителя за счет унификации ее элементов на любое число рядов одновременно высушиваемых досок.
Для обеспечения устойчивой работы магнетрона должно быть обеспечено качественное согласование высокочастотного тракта сушки с СВЧ-генератором. Качество согласования определяется коэффициентом стоячей волны напряжения — КСВН. Этот коэффициент сильно зависит от влажности древесины, которая может изменяться в процессе сушки в широких пределах (от 100% до 6%). Для обеспечения устойчивой работы магнетрона КСВН должен быть меньше 3,0, однако в процессе сушки он изменяется в пределах 1,5 до 4,0 (при начальной влажности 80%). Это обстоятельство приводит к несогласованной работе магнетрона и нагрузки (СВЧ-тракта ) и ухудшению работоспособности магнетрона, снижению КПД установки.
Для устранения этого явления в установки СВЧ-сушки вводят два элемента: измеритель КСВН и согласующие устройства, которые обеспечивают нормальную работу магнетрона в диапазоне изменения влажности от 100% до 6%. В противном случае приходится ограничивать влажность партии материала или перенастраивать устройство согласования в зависимости от влажности материала и вида сушилки (конвейерная или резонаторная).
В случае рассогласований, приводящих к увеличению мощности сверх допустимой (перегрузка магнетрона), возникает перенапряжение и пробой в устройстве для вывода СВЧ-энергии, а также электронная нестабильность.
Следует выбирать магнетроны, у которых диапазон границ термической и электронной нестабильности больше — тем лучше и универсальнее магнетрон и надежнее его работа.
При выборе магнетронов необходимо учитывать их рабочую характеристику: Ja = j (Ua). В рабочем режиме при колебаниях анодного напряжения анодный ток магнетрона сильно изменяется. Для стабилизации работы магнетрона необходимо поддерживать неизменным анодное напряжение.
Стабильность анодного напряжения можно обеспечить за счет включения в цепь анодного тока активного сопротивления. Однако при его большом значении резко возрастают потери. Лучших результатов можно достичь при подключении установки к сети питания через стабилизатор. Если внешнее магнитное поле создается электромагнитом, то можно регулировать величину ЭМ индукции так, чтобы колебания анодного тока были минимальными. Также необходимо позаботиться о воздушном или водяном охлаждении магнетрона.

Продолжение читайте в следующем номере!

Л. А. Тетерин, Г. П. Паничев

Найдите все свои архитектурные решения через OKNA.ua: Нажмите здесь чтобы зарегистрироваться. Вы производитель и хотите наладить контакт с клиентами? Кликните сюда.

Автор

Журнал ОКНА. ДВЕРИ. ВИТРАЖИ

+380 44 501 XX XX +380 44 501 8736

+380 44 501 XX XX +380 67 467 1426

Издатель

Журнал ОКНА. ДВЕРИ. ВИТРАЖИ