Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор научных источников и постановка задачи 8
1.1. Необходимость поиска новых способов сушки древесины 8
1.2. Режимы сушки древесины токами высокой частоты (ТВЧ) и электромагнитной энергией сверхвысокой частоты (ЭМЭ СВЧ), предложенные ранее 10
1.3. Древесина как объект сушки ЭМЭ СВЧ 15
1.4. Возникновение напряжений в древесине в процессе сушки 21
1.5. Мореная древесина дуба его особенности и режимы сушки 23
1.6. Сушка древесины ЭМЭ СВЧ и задачи исследований 27
Глава 2. Теоретические и экспериментальные методики исследования процессов сушки древесины дуба ЭМЭ СВЧ 32
2.1. Теоретические основы влаготеплопереноса в процессе сушки древесины ЭМЭ СВЧ и теоретический расчет продолжительности сушки 32
2.2. Описание промышленно-экспериментальной установки для сушки древесины ЭМЭ СВЧ 40
2.3. Методика определения распределения температуры и послойной влажности древесины дуба в процессе сушки ЭМЭ
СВЧ : 46
2.4. Методики определения усушки, усадки и влагопоглощения древесины дуба после сушки ЭМЭ СВЧ и естественной сушки 47
2.5. Методика исследования микроструктуры древесины дуба после сушки ЭМЭ СВЧ 50
2.6. Методика определения остаточных напряжений в древесине дуба после сушки ЭМЭ СВЧ 51
2.7. Методика определения прочности древесины дуба после сушки ЭМЭ СВЧ 53
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований сушки древесины дуба ЭМЭСВЧ 56
3.1. Экспериментальные исследования сушки древесины дуба ЭМЭ СВЧ в производственно - экспериментальной установке 56
3.2. Распределение температуры по толщине и ширине и влажности по толщине заготовки дуба в процессе сушки ЭМЭ СВЧ 58
3.3. Усушка, влагопоглощение и усадка древесины дуба после сушки ЭМЭ СВЧ и естественной сушки 65
3.4. Микроструктура древесины дуба после сушки ЭМЭ СВЧ 68
3.5. Остаточные напряжения в древесине дуба после сушки ЭМЭ СВЧ 70
3.6. Прочность древесины дуба после сушки ЭМЭ СВЧ 72
Глава 4. Теоретические и экспериментальные исследования сушки мореной древесины дуба, торцевых срезов и прессованной древесины ЭМЭ СВЧ 77
4.1 Способ сушки мореной древесины дуба ЭМЭ СВЧ 77
4.1.1 Режимы сушки мореной древесины дуба ЭМЭ СВЧ 77
4.1.2. Микроструктура мореной древесины дуба после сушки ЭМЭ СВЧ 79
4.1.3.Определение наличия металлов в мореной древесине дуба 81
4.2. Сушка торцевых срезов древесины ЭМЭ СВЧ 84
4.2.1.Описание лабораторной установки для сушки торцевых срезов древесины ЭМЭ СВЧ 84
4.2.2. Методика и результат исследования зависимости продолжительности сушки торцевых срезов дуба, сосны и березы от средней мощности источников излучения и толщины среза Г. 86
4.3. Теоретические и экспериментальные исследования сушки прессованной древесины ЭМЭ СВЧ 95
Глава 5. Сравнение производительности и затрат электроэнергии установки для сушки древесины дуба ЭМЭ СВЧ и конвективной установки 106
Заключение 117
Библиографический список используемой литературы 122
- Режимы сушки древесины токами высокой частоты (ТВЧ) и электромагнитной энергией сверхвысокой частоты (ЭМЭ СВЧ), предложенные ранее
- Описание промышленно-экспериментальной установки для сушки древесины ЭМЭ СВЧ
- Распределение температуры по толщине и ширине и влажности по толщине заготовки дуба в процессе сушки ЭМЭ СВЧ
- Сушка торцевых срезов древесины ЭМЭ СВЧ
Режимы сушки древесины токами высокой частоты (ТВЧ) и электромагнитной энергией сверхвысокой частоты (ЭМЭ СВЧ), предложенные ранее
Носителем сорбционных свойств клеточных стенок является система непостоянных капилляров, их максимальная внутренняя удельная поверхность оценивается в 200-400 м /г. Основная масса гигроскопической влаги в набухшей клеточной стенке находится в пленочном состоянии в виде полимолекулярных слоев адсорбционной воды, обволакивающих коллоидные частицы. Адсорбция [42] протекает на межфазной поверхности, сначала образуются мономолекулярные, а затем полимолекулярные слои воды и далее капиллярный конденсат. Ограниченность набухания целлюлозы и древесины обусловлена наличием кристаллических областей (до 70 %), играющих роль поперечных сшивок. Молекулы воды, проникая в аморфные участки надмолекулярной структуры клеточной стенки древесины, площадь которых предположительно около 30 %, связываются водородными - связями с доступными гидроксильными группами. Исходя из принятой фибриллярной структуры волокна автор [ПО] предполагает существование, по крайней мере, трех систем капилляров в клеточной стенке древесины.
"Свободные от инкрустов каналы между фибриллами, имеющие радиус 30-40 нм, вода в этих каналах обволакивает гранулы инкрустов, в этих капиллярах наряду с адсорбционной водой, возможно, может располагаться небольшое количество капиллярно-конденсационной воды, но объем таких постоянных капилляров незначителен.
Система каналов в клеточной стенке между микрофибриллами, образована непостоянными капиллярами размером 2-3 нм, капилляры заполнены адсорбционной водой. Третья система капилляров находится внутри элементарной фибриллы в аморфных ее областях, поперечный размер этих капилляров одна-две молекулы воды. Микрофибриллы если и набухают, то незначительно. Основной объем микрокапилляров в набухшей клеточной стенке составляют каналы между микрофибриллами. „ . В клеточной стенке различают четыре основные оболочки [91]. Тонкая срединная пластинка (М), состоящая из лигнина (60-90 %), гемицеллюлоз и пектинов, имеющая аморфную (изотропную) структуру, по обе стороны от которой располагаются сравнительно тонкие первичные оболочки (Р) двух соседних клеток, в которых кроме лигнина, гемицеллюлоз и пектина содержится небольшое количество целлюлозы. Структура этой оболочки состоит из переплетающихся друг с другом микрофибрилл, на внутренней поверхности они расположены почти в поперечном направлении, образуя угол около 70 по отношению к оси волокна. Наибольший объем и массу имеет вторичная оболочка (S), в которой преобладает целлюлоза в виде ориентированных микрофибрилл, находящихся в аморфном матриксе. В свою очередь вторичную оболочку разделяют на три слоя: тонкий внешний слой (Si), состоящий из 4-6 ламелл; далее относительно толстый средний слой (S2) (от 30 до 150 ламелл); и внутренний слой (S3) до 6 ламелл. Самый мощный слой (S2) характеризуется высоким содержанием целлюлозы (около 50%), микрофибриллы в нем ориентированы в основном параллельно продольной оси клетки, образуя угол от 5 до 30 в зависимости от того в какой ламелле они расположены. Благодаря этому слой (S2) имеет резко выраженную анизотропию. Последняя оболочка клеточной стенки (W) состоит из мембраны и бугорчатых образований, имеет аморфную, местами гранулярную структуру.
Основным носителем сорбционных свойств древесины можно считать вторичную оболочку клеточной стенки [42], а именно ее толстый слой (S2), толщина последнего в 10 раз превышает толщину других слоев. По мнению авторов на долю вторичной оболочки приходится не менее 90% от общей величины набухания и усушки.
В работе [68] при изучении усадки дубовых пиломатериалов отмечено, что усадка увеличивается с увеличением температуры и влажности сушильного агента.
Рассмотрение древесины как многокомпонентного вещества необходимо учитывать при определении ее диэлектрических характеристик. В абсолютно сухом состояние древесина является неоднородным полярным диэлектриком, а влажная древесина по своим электрическим свойствам ближе к полупроводникам [90, 86].
Древесина как диэлектрик обладает способностью к поляризации под действием внешнего электрического поля. Общая поляризованность является суммой всех видов поляризованное.- электронной, ионной, дипольно-релаксационной, миграционной и электролитической. Электронная и ионная поляризации относятся к деформационной поляризации и не вызывают возникновения диэлектрических потерь [85, с. 106]. При нахождение влажной древесины в переменном электрическом поле, наиболее существенными видами поляризации [39, 86] являются ориентационная (или дипольная) и миграционная. Время релаксации дипольной поляризации для воды т=1,5-10"и с, для древесинного вещества х =2-10" с [85, 86]. Относительно весьма высокое значение диэлектрической проницаемости воды (для частоты 2,45-109 Гц при температуре 0 С є =82, при 65 С є =64 [86]), связано с малыми размерами ее молекулы.
Определяющими свойствами древесины при сушке ЭМЭ СВЧ, является диэлектрическая проницаемость є и тангенс угла диэлектрических потерь tg 5.
Физическая сущность диэлектрического нагрева заключается в том [39], что при повороте дипольных молекул вслед за изменением электрического ПОЛЯ, появляются дополнительные молекулярные микротоки, взаимодействие возникающих электрических микрополей сопровождается потерями электрической энергии и превращением ее в тепловую. Угол 5, дополняющий сдвиг фаз между токами и напряжением до 90, называется углом диэлектрических потерь tg8=Ia/Ip, где выражение 1а/1р -отношение активного и реактивного токов.. Древесинное вещество в абсолютно сухом состояние имеет диэлектрическую проницаемость є =1,6-2 [86]. Воздух имеет диэлектрическую проницаемость равную є =1,002[86]. Древесина с влажностью ниже точки насыщения волокна можно рассматривать как смешанный диэлектрик, когда одна фаза растворена в другой. При влажности выше 30 %, когда в макрокапиллярах находится свободная влага, древесину можно рассматривать как двухслойный диэлектрик. При переходе через точку насыщения волокна могут наблюдаться экстремумы є и tg 5 [85, 86].
Описание промышленно-экспериментальной установки для сушки древесины ЭМЭ СВЧ
Для получения, сравнительной характеристики хода процесса увлажнения древесины дуба, после СВЧ и естественной сушки, проводят испытания согласно ГОСТ 16 483.19-72 [25]. Образцы изготавливают из заготовок, высушенных в СВЧ камере, и для контроля в естественных условиях, в виде прямоугольной призмы с основанием 20x20 мм и высотой вдоль волокон 10 мм. После высушивания в бюксах образцов до абсолютно сухого состояния, их взвешивают с точностью до 0,001г. На дно эксикатора наливают насыщенный раствор соды (ЫагСОз ЮНгО) , что обеспечивает относительную влажность воздуха над раствором ср = 92 %. Образцы укладывают боковой поверхностью на вставку эксикатора. Периодически извлекают образцы из эксикатора для взвешивания через 1, 2, 3, 6, 9, 13, 20 и 30 суток. По результатам взвешивания определяют текущую влажность образца с погрешностью не более 0,1% и строят график «влажность древесины - время выдержки». Для сравнения этих характеристик после СВЧ и естественной сушки проводят статистический анализ и достоверность различия данных величин по ГОСТІ 6483.0-89[22] на стандартном пакете программы STATISTICA.
Плотность образцов определяют согласно ГОСТ 16 483.1-84 (СТ СЭВ 388-76) [24]. Древесина. Метод определения плотности.
Отбор образцов и расчет минимального количества образцов для исследования выполняли по ГОСТІ6483.0-89 (СТ СЭВ 6470-88) [22]. Минимальное количество образцов вычисляли по формуле V2t2 nmi„= -f-, (2.27) Р У где V-коэффициент вариации свойства древесины, %; ty -квантиль распределения Стьюдента; PY- относительная точность определения выборочного среднего с доверительной вероятностью у. Для усушки минимальное количество образцов рассчитываем, подставляя в формулу (2.27) значение V= 28 %[22], =1,171 [22] при Ру=10 % [22]: nmin=(282 l,7172)/102 22 шт. Для плотности минимальное количество образцов подставляя в формулу (2.27) V= 10 %[22], ІІ=2,ЩЩ при Ру=5 %[22] будет: Птт=(Ю2 2,112)/52 18шт. Для влагопоглощения минимальное количество образцов вычисляем подставляя в формулу (2.27) V= 10%[25], =2,11 [22] при PY=5 % [22] будет: птіп=(102 2,112)/52 18шт
Удаление связанной влаги сопровождается изменением размеров древесины и вызывает усушку образца (уменьшение линейных размеров). При реализации стесненной усушки возникают напряжения, которые вызывают образования деформаций растяжения и сжатия, уравновешивающих друг друга. В пиломатериалах наблюдается явление усадки, представляющей собой разницу между свободной усушкой и деформацией с учетом знака соответствующей зоны.
В процессе сушки древесины дуба, в производственно-экспериментальной установке планируется измерение тангенциальной и радиальной усадки. Заготовки древесины дуба тангенциальной распиловки размером 32x100x3000 мм, маркируют и наносят линии для измерения радиального и тангенциального размера в 100 мм от торцов. Перед началом сушки в СВЧ камере, измеряют начальные размеры заготовок и периодически в процессе сушки проводят измерения до достижения древесиной конечной влажности. По итогам измерений вычисляют радиальную и тангенциальную усадку по формуле (2.28) и строят график «радиальная и тангенциальная усадка - время сушки». Ус(Г)1) = 100 (анач -акон )/ анач, (2.28) где Ус(Гд)- усадка древесины, %, анач, акон_ начальные и конечные размеры заготовки, мм.
В процессе сушки происходит воздействие тепла и влаги на древесину. При этом в зависимости от величины этих параметров происходит изменение микроструктуры древесины.
Работа посвящена изучению микроскопического строения древесины после сушки в камере с помощью ЭМЭ СВЧ. Из заготовок древесины дуба, высушенных в СВЧ установке вырезают образцы сечением 5x5 мм и длиной вдоль волокон 30 мм и помещают в раствор в составе: спирт- глицирин- вода, в соотношение частей: 1-1 1. Выдержка образцов в данном растворе способствует пластификации древесины дуба и получению микросрезов высокого качества.
Микросрезы в поперечном направлении изготавливают на микротоме МС- 3 (толщина срезов 20-25 мкм). После отбора тонких и не порванных срезов их промывают 70 % раствором спирта и в течение 3-5 минут производят окраску раствором сафранина. После этого раствор сафранина удаляют фильтровальной бумагой и промывают 70 % спиртом, а затем помещают в 1%-ный спиртовой раствор нафтолового зеленого на 1-2 минуты. Затем срезы промывают 96%-ным спиртом до тех пор, пока спирт не перестанет окрашиваться. После этого срезы обезвоживают 25 %-ым карбоксилолом, затем срезы промывают чистым ксилолом и заключают в пихтовый бальзам [109]. Исследование микросрезов производят под микроскопом JENAMED, микрофотографии изготавливают с применением микрофотонасадки МФН.
Распределение температуры по толщине и ширине и влажности по толщине заготовки дуба в процессе сушки ЭМЭ СВЧ
Зависимость температуры и влажности древесины дуба от времени при сушке ЭМЭ СВЧ В течение процесса сушки относительная влажность воздуха в камере соответствовала такому значению, при котором равновесная влажность древесины была несколько ниже величины текущей влажности древесины. Скорость циркуляции воздуха не превышала 1 м/с.
Распределение по толщине и ширине температуры и влажности по толщине заготовки дуба в процессе сушки ЭМЭ СВЧ При толщине 40 мм заготовки прогреваются равномерно на всю толщину, так как глубина проникновения СВЧ электромагнитной энергии с частотой 2,45 ГГц в древесину с влажностью 55...8 % составляет 45...230 мм соответственно [86].
На рисунках 3.4 и 3.5 показано изменение влажности и температуры соответственно, заготовки дуба в процессе сушки [60]. 60
Качество заготовки после сушки соответствовало 1 категории. Конечная влажность составила 8 %. Перепад влажности по толщине заготовки не превысил 1,2 % (по нормам не более 2%). Относительная деформация зубцов силовой секции не превысила 1,1 %.
Температура на поверхности древесины значительно ниже, чем на толщине заготовки Уг и 1А. Это можно объяснить тем, что при нагреве древесины по всему объему вследствие интенсивного испарения влаги поверхность охлаждается, и температура наружных слоев становится ниже по сравнению с температурой в центре.
На рисунке 3.6 представлена диаграмма изменения распределения послойной влажности заготовки в процессе сушки.
Изменение послойной влажности заготовки в процессе сушки Секции для определения послойной влажности раскалывали согласно РТМ на пять слоев и измеряли влажность каждого слоя отдельно по ГОСТ 16483.7-71 [27]. Слои 1 и 5 соответствуют крайним слоям заготовки, а слой 3 центральный слой. Этапы сушки согласно средней влажности и продолжительности сушки соответственно: 1- 36,10 %; 2- 27,37 %; 3- 20,49 %; 4- 17,05 %; 5- 8%.
При СВЧ сушке, обеспечивающей равномерный прогрев заготовок на всю толщину, основной закон перемещения влаги будет определяться уравнением (2.2) и приближаться к идеальному виду. Экспериментальные данные, приведенные на рисунке 3.5, подтверждают наличие перепада температуры, направление которого способствует выходу влаги из древесины. Так как давление влаги обычно пропорционально температуре и влажности, то перепад давления также будет способствовать выходу влаги из древесины. Приведенные на рисунке 3.6 экспериментальные данные по изменению послойной влажности заготовок в процессе СВЧ сушки показывают практическое отсутствие перепада влажности по толщине заготовки и даже наличие незначительного отрицательного перепада влажности, обусловленного тем, что при больших положительных перепадах температуры и давления глубинные слои заготовок высыхают несколько быстрее, чем более близкие к поверхности. Однако, величина этого перепада незначительна и практически не влияет на скорость и качество сушки. СВЧ электромагнитная энергия больше поглощается более влажными участками древесины, происходит выравнивание влажности по сечению материала, что снижает отрицательный перепад влагосодержания и уменьшает внутренние напряжения.
Так же провели исследование распределения температуры по ширине доски. Измеряли температуру на Уг по ширине заготовки на поверхности, на Ул и Уг толщины заготовки, а также в этих же точках по толщине, но на Ул ширины заготовки. Размеры заготовок были 40 х 180 х 500 мм. Результаты опытов показали сходное распределение температур по толщине материала, как для Уг заготовки, так и для Ул ширины заготовки. Изменение влажности заготовки дуба в процессе сушки согласно с рисунком 3.7. На рисунке 3.8 представлено распределение температуры в заготовке в процессе сушки.
Сушка торцевых срезов древесины ЭМЭ СВЧ
Одним из ранее невостребованного вида сырья является дуб, длительное время находившийся в воде на дне рек и водоемов и получивший название мореной древесины дуба. Изделия из мореной древесины дуба имеют красивый цвет и текстуру. Несмотря на свои достоинства, применение такой древесины ограничивается сложностью сушки традиционными методами.
Наиболее известные способы сушки для дуба и мореной древесины дуба рассмотрены в 1 главе и необходимость поиска новых способов сушки дубовых заготовок, в том числе мореного дуба очевидна, поэтому с участием автора предложен способ сушки дубовых заготовок [79] с помощью ЭМЭ СВЧ и получен патент (приложение Г). Способ сушки заключается в том, что дубовые заготовки применяя прокладки укладывают в штабель на постамент, укрывают штабель со всех сторон влагонепроницаемой (например, полиэтиленовой) пленкой и сушат в установке с помощью ЭМЭ СВЧ. Использование пленки сокращает время прогрева заготовок и исключает необходимость регулировать относительную влажность воздуха в установке за пределами пространства, ограниченного пленкой. Прогрев заготовок осуществляют при общей мощности СВЧ- генераторов 15 кВт до достижения температуры сушки 58-60 С. Необходимое время прогрева до такой температуры составляет 2,5-3,5 часа. После отключают установку и удаляют пленку со штабеля. При мощности 5 кВт сушат заготовки до влажности 30 %. После этого снижают мощность СВЧ- генераторов до 4 кВт и сушат до влажности 20 %, затем снижают мощность до 3 кВт, и сушат до влажности 12 %, после чего снижают мощность до 2 кВт и сушат до конечной влажности 8 %. Снижение мощности позволяет поддерживать температуру на требуемом уровне. При снижении влажности древесины снижается величина диэлектрической проницаемости, а глубина проникновения ЭМЭ СВЧ значительно увеличивается с потерей влажности. При потере влаги древесиной необходимо меньшее количество СВЧ- энергии и времени на нагрев того же объема заготовок.
Для определения оптимальных температур сушки заготовки из древесины мореного дуба размером 25 х 100 х 320 мм с начальной влажностью 105 % сушили при различных температурах. Результаты эксперимента [7] приведены в таблице 4.1. Таблица 4.1 - Показатели сушки мореной древесины дуба с помощью ЭМЭ СВЧ
Из таблицы видно, что при температуре ниже 56 С образуются трещины на пластях и торцевые трещины. Это можно объяснить тем, что при низких температурах, когда ЗМЭ СВЧ недостаточно для прогрева заготовки на всю глубину, процесс сушки идет как при конвективных или традиционных способах сушки, прогрев заготовки происходит от поверхности к центру. При температуре сушки выше 62 С образуются внутренние трещины, что можно объяснить большими перепадами температуры и влажности между центром и поверхностью и быстрым продвижением влажности от центра к поверхности.
По результатам эксперимента оптимальными температурами сушки для мореной древесины дуба толщиной 25 мм являются от 58 до 60 С.
Также был проведен ряд сушек мореной древесины дуба на промышленно-экспериментальной установке. Заготовки размером 25 х 150 х 6000 мм и начальной влажностью 105 % укладывали в штабель с прокладками 30 х 30 мм на постамент. Затем закрывали штабель со всех сторон полиэтиленовой пленкой. Подавали ЭМЭ СВЧ мощностью 15 кВт. Прогрев заготовок до температуры сушки 60 С продолжался в течение 3 часов. Затем удаляли пленку и снижали мощность СВЧ генераторов до 5 кВт. Через 48 часов влажность составила 30 %, после чего мощность СВЧ генератора снижали до 4 кВт. Через 26 часов влажность составила 20 %, и мощность снижали до 3 кВт и сушили 28 часов до влажности 12 %, после чего мощность уменьшили до 2 кВт и сушили до 8 % в течение 6 часов. Продолжительность сушки составила 111 часов.
Заготовки из мореной древесины дуба размером 40 х 150 х 6000 мм и влажностью 105 %. Укладывали штабель с прокладками толщиной 30 мм на постамент. Укрывали штабель со всех сторон полиэтиленовой пленкой. Подавали СВЧ энергию в камеру и прогревали материал до температуры 60 С мощностью 15 кВт в течение 4 часов. После удаления пленки древесину сушили в течение 92 часов при мощности ЭМ генератора 5 кВт до влажности 30 %, после чего снижали мощность СВЧ генераторов до 4 кВт и сушили при этой мощности до влажности 20 % в течение 64 часов, затем сушили до влажности 12 % при мощности 3 кВт в течение 58 часов и до влажности 8 % при 2 кВт в течение 32 часов. Суммарная продолжительность сушки составила 240 часов. При этом доля брака не превысила 3,5 %.
Использование данного способа позволяет снизить время сушки дуба и мореной древесины дуба и получить материал по 1 категории качества сушки.
Мореная древесина дуба при нахождение в течение длительного времени в воде меняет свою структуру. У образцов черного цвета [13] стенки сосудов, волокон либриформа и сердцевинных лучей окрашены в светло-коричневый цвет, а полости клеток сердцевинных лучей, волокон либриформа и особенно паренхимных клеток заполнены темно-коричневым пигментом. В стенках волокон либриформа имеются трещины в большом и небольшом количестве. В работах [115, 123] отмечают уменьшение целлюлозы в клеточных стенках. На рисунке 4.1 представлена структура сырой древесины мореной древесины дуба черного цвета без сушки (место добычи дуба река Воронеж Рамонского района Воронежской области). Микроскопическая структура мореной древесины дуба сильно изменена, стенки крупных сосудов разрушены, мелкие сосуды имеют неправильную форму.
