Исследование возможности использования свч установок малой мощности для сушки оцилиндрованных бревен

(ВГЛТА, г. Воронеж, РФ) vgltawood@yandex.ru

При строительстве домов из оцилиндрованных бревен в настоящее время до 95 % бревен сушатся естественным способом на открытом воздухе (атмосферная сушка). Процесс сушки в атмосферных условиях продолжается от 1 до 2 лет, но избежать трещин при этом способе не удается.

Использование наиболее распространенной конвективной сушки бревен и брусьев в сушильных камерах значительно сокращает продолжительность процесса, но при этом так же не удается избежать образования трещин и ухудшения внешнего вида материала.

Обычно передача тепла осу­ществляется за счет конвекции, теплопроводности и излучения. Отсюда неизбежен температурный градиент (перепад) от поверхности в глубину материала, причем тем больший, чем меньше теплопровод­ность. Уменьшить или почти устра­нить большой градиент температур можно за счет увеличения времени обработки. Во многих случаях только за счет медленного нагрева удается избежать перегрева поверхностных слоев обрабатываемого материала. С помощью СВЧ энергии можно не только равномерно нагревать диэлектрик по его объему, но и по­лучать по желанию любое заданное распределение температур. Поэтому при СВЧ нагреве открываются воз­можности многократного ускорения ряда технологических процессов [1].

Конструктивно СВЧ сушильные камеры комплектуются с одним СВЧ источником или с не­сколькими СВЧ источниками. Если в первом варианте применяются мощные промышленные магнетро­ны с рабочей частотой 433 и 915 МГц, с мощностью 25-100 кВт, то во втором варианте в качестве ис­точника СВЧ энергии используются маломощные магнетроны от бытовых СВЧ печей, работающие на частоте 2450 МГц с мощностью 0,6-0,8 кВт.

Пожалуй, самым веским аргументом неэффективности применения СВЧ магнетронов работающих на частоте 2450 МГц яв­ляется малая глубина проникновения электромагнитных волн в древесину 12,6 см. Для сравнения - при частоте 915 МГц и 433 МГц глубина проникновения равна соответствен­но 35 см и 70 см. На основании чего делается заключение об их полной непригодности.

Однако при сушке оцилиндрованных бревен, большое влияние на качество высушенного материала оказывает сама древесина. Зачастую исследователи не в полной мере учитывают особенности анизотропного строения древесины, особенности усушки бревен. И в этом аспекте, когда требуется индивидуальный подход к каждому высушиваемому бревну, применение магнетронов малой мощности может иметь определенные преимущества. К другим несомненным достоинствам этих магнетронов является возможность работы от двухфазной сети 220 V, малая стоимость, ремонтоспособность.

Для установления возможности применения СВЧ магнетронов с рабочей частотой 2450 МГц для сушки оцилиндрованных брёвен были проведены экспериментальные исследования. Свежесрубленные деревья сосны с начальной влажностью 116-120 % были оцилиндрованы диаметром 12-16 см.

Одной из задач эксперимента было исследование характера распределения влажности полей в материале в зависимости от степени проникновения СВЧ волн в древесину.

На рис. 1 представлены результаты опытной сушки оцилиндрованного бревна диаметром 14 см при поддержании температуры 125 ºС в центре бревна, в течение 14 часов, на оси магнетрона и при отклонении на 250 мм (рис. 2).

Полученные результаты подтверждают возможность эффективного проникновения СВЧ энергии в древесину на глубину 11-12 см при использовании магнетронов работающих на частоте 2450 МГц (кривая 2 рис. 1). При смещении от оси магнетрона на 250 мм эффективность распространения СВЧ энергии по радиусу бревна снижается. Это хорошо видно на примере распределения влажности по радиусу бревна (кривая 1 рис. 1).

Общий вид кривой 1 свидетельствует о наличии положительного градиента температуры в материале. Во внутренней части бревна аккумулируется большая часть выделяемого тепла. Причем её распределение по длине бревна имеет относительно равномерный характер. Об этом свидетельствует и примерно одинаковая величина влажности во внутренней части бревна независимо от оси излучения магнетрона на рассматриваемом участке. Тем не менее, при удалении от оси излучения магнетрона происходит заметное снижение интенсивности поглощения тепла поверхностью материала, о чем свидетельствует характер кривой 1 рис. 1.

Таким образом, результаты экспериментов показали принципиальную возможность применения СВЧ магнетронов малой мощности работающих на частоте 2450 МГц даже при одностороннем нагреве оцилиндрованных строительных бревен диаметром до 12-14 см.

Однако, в деревянном домостроении указанный диаметр бревен применяется для межкомнатных перегородок. Наружные стены строений изготавливают из бревен диаметром 22-24 см. Для равномерного нагрева бревен большего диаметра необходимо обеспечить равномерный нагрев по всему сечению. Этого можно достичь периодическим поворачиванием бревен в процессе сушки. Что и было осуществлено во второй серии экспериментов. Для уменьшения перепада влажности по сечению бревна была уменьшена температура нагрева его до 90 ºС. Это позволило существенно уменьшить аккумулирование тепла в центральной части бревна. Опыты проводились на бревнах диаметром 16-17 см. Результаты второй серии экспериментов представлены на рис. 3.

Анализ кривых распределения влаги по радиусу бревна показывает, что в результате периодического вращения бревна удалось достичь более равномерного распределения тепла в материале. Наибольший положительный эффект от вращения отмечается на некотором удалении от оси магнетрона. Здесь величина перепада влажности уменьшилась почти в два раза.

Снижение температуры в центральной части бревна позволило исключить пересушивание внутренней части бревна, по сравнению с первой серией экспериментов. Средняя конечная влажность бревен соответствовала 18-20 % влажности.

Как отмечает ряд исследователей, из-за конструктивных недоработок возможны локальные перегревы высушиваемого материала и возгорание древесины даже при малых удельных мощностях. Падающая на древесину СВЧ-волна не только поглощается древесиной, но и образует поверхностные волны. Они распространяются как вдоль материала, так и вдоль прокладок, что приводит к концентрации СВЧ-энергии в определенных точках сушильного пространства и перегреву древесины. По этой причине невозможно поднять удельную мощность до расчетного уровня, что приводит к увеличению срока сушки древесины и, соответственно, к увеличению затрат энергии на сушку.

Это явление возможно при статичном положении высушиваемого материала. Периодическое вращение бревна в процессе сушки позволяет существенно уменьшить негативное влияние упрощенной конструкции сушильной установки на распространение СВЧ энергии в сушильной установке. По всей длине высушиваемых бревен не было отмечено участков с резким локальным перегревом материала.

Как показали результаты экспериментов, при сушке оцилиндрованных бревен диаметром до 24 см могут быть применены магнетроны малой мощности, работающие на частоте 2450 МГц при определенной их компоновке в конструкции сушильной установки.

Библиографический список