Резонансные явления сушки древесины в микроволновых лесосушильных камерах

Сегодня активно развивается сушка древесины в микроволновых СВЧ сушильных камерах. Процесс сушки с применением энергии электромагнитного СВЧ поля наиболее эффективен для сверхвысоких частот. Проводилось изучение фундаментальных свойств древесины, процессов, происходящих в древесине при обработке электромагнитными полями различной частоты, а также модели поглощения микроволновой СВЧ энергии единичными образцами пиломатериалов. Исследователями рассмотрены теплофизические вопросы сушки древесины, в том числе технологический процесс контроля сушки и электрофизические явления.

Современное оборудование позволяет осуществлять контроль и автоматическое управление процессом сушки древесины. Отсутствие автоматического контроля за процессом сушки может привести к таким негативным проявлениям, как повышение температуры и электрический пробой в лесоматериале, к деформации и короблению высушиваемого леса.

В отличие от сушки пиломатериалов классическим способом процесс в СВЧ камерах резонаторного типа с использованием сверхвысоких частот микроволновой энергии имеет свои особенности, характеризующиеся резонансными электрофизическими явлениями. Явления, происходящие в резонаторе, могут быть рассмотрены на основе базовых положений электродинамики.

Использование систем автоматического управления СВЧ установками позволяет получить возможность осуществлять измерение и контроль процесса сушки пиломатериалов. Учитывая электрофизические явления, свойственные резонатору СВЧ сушильной камеры пиломатериалов в процессе сушки древесины при сверхвысоких частотах, используются аналитические выражения баланса мощностей, коэффициенты, позволяющие устанавливать оптимальный режим сушки лесоматериалов.

Преимущества СВЧ энергетики для сушки пиломатериалов

В промышленной практике СВЧ-энергетики прослеживаются ее основные преимущества. В частности, возможность сосредоточения большой электромагнитной энергии в малых объемах и возможность ее локальной концентрации. Такая особенность, сама по себе является основой разработки новых энергосберегающих технологий для лесоперерабатывающей промышленности.

Микроволновое нагревание СВЧ излучением применяется не только в лесосушильных камерах, но и в других технологических процессах различных отраслей промышленности, а также в бытовых и специализированных промышленных установках. Изучение фундаментальных свойств пиломатериалов, физических процессов, происходящих в древесине при воздействии электромагнитного поля СВЧ диапазона, а также модели поглощения микроволновой СВЧ энергии образцами пиломатериалов раскрывает основные теплофизические процессы сушки древесины.

Измерение мощности в сушильных СВЧ-установках

Сушка пиломатериалов в СВЧ-сушильной камере сопровождается невозможностью измерения электрических параметров напряжения U и тока I, которые в разных пространственных точках имеют различное значение. Поэтому в СВЧ-диапазоне пользуются показателем напряженности электромагнитного поля E.

В СВЧ установках используют сигналы импульсной формы, характеризующиеся средней мощностью и импульсной мощностью. В СВЧ-лесосушильной камере измеряют поглощаемую пиломатериалами мощность или мощность, подводимую к нагрузке. Для этих целей используют ваттметры поглощаемой и проходящей мощности. Поглощаемую мощность измеряют при определении мощности, отдаваемой источником в нагрузку.

При измерении мощности в СВЧ диапазоне определяющую роль имеет согласование полных сопротивлений при передаче энергии. От этого зависит уровень мощности, получаемой от генератора или усилителя, значение отражений в волноводе, поглощение нагрузкой. Если нагрузка с полным сопротивлением подключена к СВЧ генератору непосредственно, то генератор с внутренним сопротивлением отдает в эту нагрузку максимальную мощность. Эта мощность называется располагаемой мощностью генератора.

Если пиломатериалы подключаются к генератору СВЧ излучения через линию передачи, то согласование усложняется. Электромагнитная энергия СВЧ поля передается от генератора к нагрузке по однородной линии, определяющей ее волновое сопротивление. Для упрощения расчетов полагают, что такие линии вносят потери настолько малые, что ими можно пренебречь.

Согласование линий передачи СВЧ энергии

Если волновое сопротивление линии передачи СВЧ излучения согласовано с сопротивлением нагрузки, то коэффициент отражения равен нулю и к нагрузке поступает максимальная мощность. Измерение поглощаемой мощности лесоматериалами калориметрическим методом является точным измерением СВЧ мощности больших и средних значений на любой частоте. Калориметрический метод основан на преобразовании электромагнитной энергии в тепловую.

В реальных промышленных установках при использовании резонаторной СВЧ-сушильной камеры не удается получить полное согласование генератора СВЧ энергии с нагрузкой. Существует падение мощности из-за отраженной волны, которая распространяется в обратном направлении, отразившись от лесоматериала в сушильной камере.

Для измерения проходящей мощности используется метод ответвления, выполняемый с помощью измерительной линии, состоящей из волновода с направленными ответвителями. Направленные ответвители с одинаковыми характеристиками и противоположными ориентациями включены последовательно в линию передачи СВЧ энергии. Ответвленные мощности измеряются поглощающими ваттметрами. Результат измерения анализируется.

Диэлектрические свойства древесины, влияющие на процесс сушки в СВЧ камере

При анализе процессов сушки пиломатериалов в объемных резонаторах полагают, что диэлектрик, заполняющий объем резонатора, идеален и потери в металле отсутствуют. При заполнении резонатора воздухом, предположение об идеальности СВЧ резонатора близко к истине.

В случае СВЧ-сушильной камеры для сушки пиломатериалов картина меняется. Древесина является природным биокомпозитным материалом, содержащим множество разнородных органических и неорганических веществ с различными диэлектрическими характеристиками. Конструктору необходимо учитывать начальную и конечную проводимость древесины, являющуюся нагрузкой сушильной камеры, которая изменяется в процессе сушки.

Энергия потерь в сушильных СВЧ камерах

Практически, в реальных условиях объемный резонатор сушильной СВЧ камеры обладает потерями. Потери мощности на нагревание пиломатериалов оценивают добротностью. Это понятие применено для оценки потерь энергии в объемных резонаторах СВЧ-сушильных камер.

Добротность представляет собой отношение энергии, запасенной в колебательной системе, к теряемой в этой системе в течение периода колебаний энергии.

Энергию потерь можно выразить как произведение суммарной мощности потерь в диэлектрике пиломатериалов и металле объемного резонатора, на время периода колебаний, соответствующее резонансу. Период колебаний связан с частотой колебаний.

Таким образом, полная энергия СВЧ поля представляет собой сумму мгновенных значений энергий магнитного и электрического полей. В колебательной системе СВЧ резонатора происходит непрерывное преобразование электрической энергии в магнитную энергию и обратно. Максимальному значению магнитного поля соответствует нулевое значение электрического поля и наоборот. Вместо суммы мгновенных значений магнитной и электрической энергии можно использовать их максимальные значения.

Потери на нагревание пиломатериалов, обусловленные взаимодействием микроволновой энергии с материалом и связанные с поглощением мощности СВЧ излучения, определяются по с учетом того, что энергия электромагнитного поля, запасенная в объеме резонатора сушильной камеры, определяется для электрической составляющей поля. Магнитная составляющая поля, определяющая потери в металле корпуса сушильной СВЧ камеры, имеет малые значения.

Активная и реактивная составляющие СВЧ энергии

Среднее значение амплитуды мгновенной реактивной мощности источника СВЧ энергии для сушильной камеры за период равно нулю, так как она связана с колебательным характером движения энергии.

В течение четверти периода реактивная энергия переходит из источников в электромагнитное поле и поглощается активным сопротивлением резонатора. В течение следующей четверти периода энергия возвращается из электромагнитного поля в источник СВЧ и поглощается активным сопротивлением генератора. Это соотношение, представляющее баланс реактивных мощностей, показывает, что реактивная мощность источника СВЧ определяется разностью средних значений энергий магнитного и электрического полей в определенном объеме и части потока через поверхность, ограничивающую объем. &

Допустим, что резонатор лесосушильной камеры является изолированным объемом, для которого поток сквозь ограничивающую ее поверхность равен нулю. Тогда для изолированного объема вид активной и реактивной составляющих соответствует режиму согласования комплексного источника с нагрузкой резонатора лесосушильной камеры. Реактивная энергия вся находится в замкнутом объеме.

Если средние значения энергий электрического и магнитного полей в объеме сушильной камеры равны, то мощность генератора СВЧ активна и в изолированной области произойдет резонанс.

Оптимальное согласование генератора с резонатором в СВЧ сушильной установке

В процессе высушивания древесины снижается удельная диэлектрическая проводимость пиломатериалов. При уменьшении проводимости материала, увеличивается напряженность поля в сушильной камере. Это объясняется тем, что добротность и тангенс угла диэлектрических потерь являются обратными величинами. Таким образом, удельные потери остаются неизменными в процессе сушки, пока принудительно не изменить подводимую мощность генератора.

Добротность нагруженных резонаторов СВЧ сушилок может быть определена в соответствии с методикой определения добротности ненагруженного резонатора. Если резонатор нагружен, то к средней мощности потерь в резонаторе следует прибавить среднюю мощность, отдаваемую резонатором в нагрузку, так как нагрузкой СВЧ камеры являются диэлектрические потери в пиломатериалах, загруженных в резонансную сушильную камеру.

Таким образом, в СВЧ-лесосушильной камере резонаторного типа следует обеспечивать оптимальное согласование генератора с резонатором и поддерживать его в процессе сушки лесоматериалов. Добротность нагруженного резонатора СВЧ-лесосушильной камеры позволяет осуществлять измерение и контроль текущей влажности древесины в процессе сушки, а также согласование источника СВЧ энергии с потребляемой нагрузкой.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании