Введение к работе
Актуальность темы исследования обусловлена необходимостью повышения энергоэффективности существующего сушильного электрооборудования и внедрения новых энергосберегающих технологий для сушки, как наиболее продолжительной и ресурсозатратной операции производства пиломатериалов. Так как сокращение экспорта круглого леса и увеличение экспорта пиломатериалов объявлено новой политикой в этой отрасли экономики, то снижение затрат на сушку обрезной древесины позволит добиться существенной экономии ТЭР во всей деревообрабатывающей отрасли, снизить энергоемкость и себестоимость производства пиломатериалов, а значит, увеличить прибыль от их экспорта. К перспективным технологиям относится вакуумная высокочастотная сушка, которая характеризуется высокой скоростью процесса и другими преимуществами, недоступными для остальных технологий, но обладает относительно большим удельным расходом электроэнергии. 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.
Тема диссертации направлена на решение научно-технических задач, способствующих исполнению федерального закона РФ от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…», в свете требований государственной программы «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», согласно которой поставлена задача снижения энергоёмкости ВВП на 40 % к 2020 г.
Степень разработанности темы исследования. Среди соотечественников,
которые внесли значительный вклад в развитие теории и практики вакуумно-
высокочастотной сушки, следует выделить А.И. Расева, А.А. Горяева,
Н.Ю. Попова, А.В. Нетушила и др. Благодаря их трудам разработаны конструк
ции электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки,
отлажены режимы сушки отдельных пород древесины, научно обоснована воз
можность применения комбинированной конвективно-вакуумно-
высокочастотной сушки. Также следует отметить зарубежных учёных S. Av-
ramidis, A. Koumoutsakos, N.H. Lee, работы которых направлены на изучение
различных аспектов протекания тепломассопереноса в древесине при наличии
внутренних источников теплоты и низком давлении среды. За последние два
дцать лет количество зарубежных исследователей увеличилось (K. Hayashi, Y.
Cai, J. Zhao), что указывает на интерес научного сообщества к данной техноло
гии сушки.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются электротехнологические комплексы вакуумно-высокочастотной сушки древесины.
Предмет исследования – энергоэффективность электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки древесины и способы её повышения.
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.
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:
-
Определить пути повышения энергоэффективности работы электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки.
-
Выявить закономерности влияния геометрических размеров рабочего конденсатора на характер распределения основных параметров электромагнитного поля в поперечном сечении штабеля.
-
Разработать математические модели для расчета распределения основных параметров электромагнитных и тепловых полей, а также влагосодер-жания по длине пиломатериала с учетом особенностей технологического процесса вакуумно-высокочастотной сушки.
-
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.
-
Разработать комплекс рекомендаций и технических решений, направленных на повышение технико-экономических показателей работы электротехнологических комплексов вакуумно-высокочастотной сушки.
-
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 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 распределе
ния электромагнитного поля и фильтрационного механизма движения влаги.
Практическая значимость.
- Получены аналитические выражения и графические зависимости сред
него значения напряженности электрического поля в древесине и коэффициен
та неоднородности от размеров воздушных зазоров и шпаций, позволяющие
выбрать оптимальный способ укладки штабеля при вертикальной двухэлек-
тродной 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.
Установлена графическая зависимость себестоимости сушки 1 м3 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 Elcut.
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 ГУ «Орловский региональный центр энергосбережения» при разработке энер-
госберегающих мероприятий для деревообрабатывающих и мебельных производств с годовым экономическим эффектом 450 тыс. руб., а также 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 ваку-умно-высокочастотной сушки.
Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на XI-ой и XIII-ой международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - ХХI 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, из который 3 – в изданиях по группе специальностей 05.09.00, 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.