МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

ШОСТАЧУК Андрій Миколайович

УДК 621.3.036.282

НАПРУЖЕНИЙ СТАН І РУЙНУВАННЯ ДЕРЕВИНИ ДУБА ПРИ

КОНВЕКТИВНО-НАДВИСОКОЧАСТОТНОМУ СУШІННІ

Спеціальність 01.02.04 –

механіка деформівного твердого тіла

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Житомирському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

ГРАБАР Іван Григорович, Житомирський державний технологічний університет, перший проректор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

ЧАУСОВ Микола Георгійович, завідувач кафедри опору матеріалів Національного аграрного університету (м. Київ);

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник

ГАЛАТЕНКО Григорій Васильович, Інститут механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України, старший науковий співробітник відділу механіки руйнування матеріалів.

Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” (м. Київ), кафедра динаміки і міцності машин та опору матеріалів.

Захист відбудеться “19 ” грудня 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 58.052.01 в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001,
м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий “12 ” листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук Шелестовський Б.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Доцільність впровадження конвективно-надвисокочастотного нагріву в технологічний процес сушіння деревини на промислових підприємствах пояснюється великим ККД процесу перетворення енергії НВЧ-поля в тепло та можливістю отримання необхідного температурного градієнта в поперечному перерізі, при цьому конвективно-надвисокочастотний спосіб дозволяє скоротити тривалість сушіння твердолистяних порід у порівнянні з традиційним конвективним сушінням в десятки разів.

Основним видом браку при цьому засобі, що стримує його застосування на деревообробних підприємствах, є наявність внутрішніх тріщин. Це пояснюється тим, що на даний момент практично відсутні результати досліджень напруженого стану деревини та процесу утворення тріщин під час сушіння.

Дослідженню процесу утворення і росту тріщини присвячені праці Ю.М.Работнова, В.З. Партона, В.В. Панасюка, В.А. Стрижало, Є.М. Морозова, Соколовського Я.І., Угольова Б.М. Проте залишається недостатньо дослідженим вплив особливостей конвективно-надвисокочастотного сушіння та капілярно-пористої структури деревини на величину та характер внутрішніх напружень, роль вологовмісту деревини на її тріщиностійкість в процесі сушіння. Створення методик розрахунку напруженого стану і процесу утворення тріщин в деревині при сушінні дозволить значно підвищити якість висушених матеріалів при значному скороченні тривалості сушіння у порівнянні з традиційним конвективним засобом.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дисертаційна робота є складовою частиною досліджень, що виконувались в Житомирському державному технологічному університеті:

-

-

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення якості сушіння деревини дуба внаслідок врахування впливу будови деревини і НВЧ-нагріву на напружений стан пиломатеріалів та утворення тріщин.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані та вирішувались такі задачі:

1. встановлення закономірностей розвитку напруженого стану деревини під час сушіння в залежності від інтенсивності нагріву та масштабного фактору;

2. встановлення закономірностей впливу вологості деревини, масштабного фактору та інтенсивності нагріву на розвиток вологісної тріщини та її орієнтацію;

3. створення методики розрахунку напруженого стану та процесу утворення та росту тріщин в деревині в процесі сушіння.

Об’єктом дослідження є процес руйнування деревини дуба в процесі конвективно-надвисокочастотного сушіння.

Предметом дослідження є напружений стан та тріщиностійкість деревини дуба в процесі конвективно-надвисокочастотного сушіння.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проводились з використанням методів механіки деформівного твердого тіла, зокрема механіки руйнування. В експериментальних дослідженнях застосовували метод тензометрії, стандартні методики з визначення тріщиностійкості та залишкових напружень в деревині. В якості дослідного сушильного обладнання використовували конвективно-надвисокочастотну піч.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

-

-

-

-

Достовірність отриманих результатів забезпечується використанням обґрунтованих методик, задовільною відповідністю виконаних розрахунків з експериментальними результатами, одержаними особисто автором та даними інших дослідників.

Практичне значення отриманих результатів:

-

-

-

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які становлять суть дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. В публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: в роботі [1] – результати дослідження впливу інтенсивності нагріву на тривалість конвективно-надвисокочастотного сушіння, в роботі [10] здобувачем виконано дослідження кінетики конвективно-надвисокочастотного сушіння деревини дуба.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались та були схвалені на V міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій 40-річчю польоту людини в космос, - Житомир: ЖІТІ, 2001 р.; на міжнародній науково-технічній конференції “Аэрокосмический комплекс: конверсия и технологии”, - Житомир: ЖІТІ, 1995 р. Робота в повному обсязі доповідалась на наукових семінарах в Інституті проблем міцності НАНУ, Тернопільському державному технічному університеті та Луцькому державному технічному університеті МОН України.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 10 наукових праць, із них 8 – у фахових виданнях, 1 - у матеріалах конференції, 1 – у тезах конференції.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи становить 155 сторінки, в т.ч. 61 рисунок, 6 таблиць та список використаних джерел із 102 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дана загальна характеристика роботи, обґрунтовано актуальність теми, розглянуто доцільність проведення дослідно-експериментальних робіт з визначення напруженого стану та руйнування деревини дуба в процесі конвективно-надвисокочастотного сушіння, перспективність впровадження, за умови успішного розв’язання поставлених задач, результатів роботи у технологічний процес сушіння деревини на виробництві.

В першому розділі зроблено огляд відомих засобів сушіння, їх переваг та недоліків. Розглянуто стан сучасних досліджень напруженого стану деревини при сушінні. Показано, що напружений стан деревини в процесі сушіння визначається нерівномірністю розподілення вологи по товщині висушуваного матеріалу. Дано аналіз залежності пружних характеристик деревини від вологості та температури.

Дано огляд критеріїв утворення тріщин та обгрунтувано застосування коефіцієнта інтенсивності напружень К1 для прогнозування процесу утворення тріщин в деревині дуба при сушінні.

В другому розділі обґрунтовано постановку плоскої задачі теорії пружності при дослідженні напруженого стану деревини при сушінні. Враховуючи те, що довжина висушуваних пиломатеріалів (координата z) в 10-30 більша розміру поперечного перерізу, то при відсутності нерівномірності НВЧ-нагріву пружні деформації будуть функціями x і y:

,

де kx, ky – коефіцієнти всихання деревини у напрямку відповідно х і у, - коефіцієнт поперечної деформації, - дотичні напруження, G – модуль зсуву, - кутові деформації.

Для того, щоб отримати чисельний розв’язок методом кінцевих різниць, необхідно замінити вираз для похідних відповідними різницевими рівняннями. Для похідних 1-го, 2-го та 4-го порядку похідних маємо:

; ;

.

Замінюючи таким чином вирази для похідних другого і четвертого порядків їх різницевими аналогами, отримуємо систему алгебраїчних рівнянь:

А•(F8 - 4•F7 + 6•F6 +F8) + C•(F16 - 4•F11 + 6•F6 - 4•F1 + F26) +В• 8•F6 – 4• (F7 + F7 + F11 + F1) + 2•(F2 +F20 + F12 + F12)=K1 ;

. . .

. . .

A•(F22 - 4•F23 + 6•F24 – 4•F25+F36) + C•(F14 - 4•F19 +6•F24 - 4•F19 + F14) + B• 8•F24 - 4• (F23 +F25+ F19 + F19) + 2•(F18 F20 +F20+ F18)=Kn ,

в якій коефіцієнти А, В і С обчислюються відповідно:

; ; .

Співставлення чисельного розв’язку плоскої задачі з експериментальними даними показало, що дане рішення не відображає особливостей конвективно-надвисокочастотного сушіння і структури деревини, оскільки відносна похибка знаходиться в межах від 50 до 150 %.

Встановлено залежність напруженого стану деревини в процесі сушіння від діелектричних характеристик, градiєнтiв вологостi та тиску. Як відомо, формула діелектричних втрат має вигляд:

Pпит=, (1)

де f - частота змінного електричного поля; E – середня напруженість змінного поля, - діелектричні характеристики вологої деревини. Вологість деревини в процесі сушіння обумовлює зміну діелектричних характеристик, а, значить, і інтенсивності виділення тепла в деревині.

Введено коефіцієнт Kп, який представляє собою співвідношення значень потужності теплоти, що виділяється в абсолютно сухій і вологій (100%) деревині. При незмінному режимі роботи печі максимум виділення теплоти (максимальне значення коефіцієнта Kп), обумовлений зміною діелектричних характеристик деревини під час сушіння, припадає на час, коли вологість деревини сягає 25-30%, тобто коли починає видалятись гігроскопічна волога і з’являється вірогідність появи внутрішніх тріщин (рис.1).

Рис. 1. Залежність коефіцієнта kп від поточної вологості

Дано аналіз механічних характеристик деревини дуба у трьох напрямках, обґрунтовано вибір показника якості конвективно-надвисокочастотного сушіння – сумарної довжини тріщин в поперечному перерізі Lтр.

В залежності від причин утворення запропоновано класифікацію тріщин, що можуть утворюватись при конвективно-надвисокочастотному сушінні деревини дуба:– 

1-й тип - внутрішня тріщина, утворена під дією тиску випареної вологи; така тріщина можлива, коли об‘єм, що звільняється при русі рідкої вологи по капіляру з внутрішніх шарів деревини до поверхні, є меншим ніж об‘єм пару в капілярі;– 

2-й тип - внутрішня тріщина, утворена внаслідок перепаду вологості по товщині, вологість в центрі поперечного перерізу є меншою 27; – 

3-й тип - зовнішня тріщина, утворена внаслідок перепаду вологості по товщині, тріщина можлива, коли швидкість випарення вільної вологи з поверхні перевищує швидкість видалення вологи з внутрішніх шарів.

В третьому розділі наведено результати експериментальних досліджень процесу конвективно-надвисокочастотного сушіння. Оскільки причиною внутрішніх напружень є нерівномірність видалення вологи при утворенні градієнта температур під час сушіння, результати дослідження температурних полів та інтенсивності видалення вологи дадуть можливість побудувати картину внутрішніх напружень в деревині під час сушіння.

Досліджено адекватність відомих аналітичних рішень температурних полів для тіл внутрішніми джерелами теплоти в умовах стаціонарного температурного режиму. При цьому застосовувалось рішення для тіла з внутрішніми джерелами теплоти типу циліндра (для бруса), та пластини (для дошки). Розбіжність теоретичних і експериментальних результатів у вигляді відносної похибки знаходилась в межах (4,6 – 9,5) %.

Досліджено кінетику конвективно-надвисокочастотного сушіння деревини дуба. Отримані кінетичні криві досить задовільно (рис.2, коефіцієнт кореляції R=0.97…0.99) описуються лінійною залежністю

,

де – час сушіння, W - поточна вологість, W0 – початкова вологість, A1 –емпіричний коефіцієнт, який представляє собою тангенс кута нахилу прямих, якими ми апроксимували отримані експериментальні графіки, і характеризує швидкість видалення вологи. В результаті отримали, що початкова вологість практично лінійно збільшує тривалість сушіння (рис.3).

Рис. 2. Кінетика сушіння Рис.3.Вплив початкової вологості

на тривалість сушіння

Досліджено вплив масштабного фактору на тривалість сушіння для режимів різної інтенсивності. При “м‘якому” режимі нагріву (Е=8,4 В/см) збільшення довжини зразків збільшує час сушіння. Тобто, градієнт температур не є визначальним як у повздовжньому, так і в поперечному напрямках, тому видалення вологи відбувається у напрямку більшої вологопровідності - вздовж волокон. При більш “жорстких” режимах збільшення довжини зразків не впливає на тривалість сушіння (рис.4.а). Очевидно, створюється градієнт температур у поперечному напрямку, який обумовлює переважний рух вологи.

В залежності від інтенсивності нагріву збільшення поперечного розміру практично не впливало на тривалість сушіння або тривалість сушіння зменшувалась; очевидно, при цьому створювався градієнт температур, який підвищував швидкість видалення вологи (рис.4.б). При дослідженні впливу інтенсивності нагріву деревини на тривалість сушіння встановлено, що для будь-яких розмірів деревини ця залежність може бути оцінена за співвідношенням Арреніуса:

0 expU0-(A,)/(kT) ,

де U0 - енергія активації рухомості вологи; (A,) - амплітудно-частотна функція НВЧ-поля; Т - середня температура нагріву деревини.

Таким чином, результати наведених у розділі 3 експериментальних досліджень дали змогу побудувати капілярну структуру деревини дуба при конвективно-надвисокочастотному сушінні та визначити фактори, що обумовлюють процеси видалення вологи.

а) б)

Рис. 4. Залежність тривалості сушіння від довжини зразку (а)

та розміру його поперечного перерізу (б)

У відповідності до прийнятих моделей, в центрі зразку, як зоні найбільш нагрітій, інтенсивно випаровується волога, утворюється стовп пару підвищеного тиску, під дією якого вільна волога рухається до поверхні. Інтенсивність видалення вологи під дією градієнта тиску запропоновано описувати рівнянням Пуазейля.

При описанні процесу видалення зв'язаної вологи останню представлено у вигляді плівки товщиною h, а швидкість зменшення такої плівки запропоновано описувати диференційним рівнянням:

,

де - тривалість сушіння ; h - товщина умовної плівки; k і m - експериментальні коефіцієнти.

В четвертому розділі досліджено закономірності появи та росту тріщин при конвективно-надвисокочастотному сушінні деревини дуба.

В залежності від інтенсивності внутрішніх джерел теплоти сумарна довжина поверхневих тріщин може мати характер експоненти або після досягнення максимуму зменшуватись до 0 (рис. 5).

Досліджено кінетику поверхневої тріщини при сушінні деревини дуба та виявлено наступні особливості (рис. 6):

Рис.5. Кінетика поверхневих тріщи в залежності від інтенсивності нагріву

а) б)

Рис.6. Кінетика поверхневої тріщини (а-дискретний характер,

б-швидкість росту тріщини)–

ступінчастий характер росту тріщин: при сушінні довжина тріщини певний час залишається незмінною, а потім відбувається миттєвий “стрибок”, після якого довжина тріщини певний час є сталою, далі знов відбувається “стрибок”;–

на графіку залежності швидкості росту тріщини від часу сушіння, спостерігається 2 ділянки: 1-а характеризує період зменшення швидкості росту довжини тріщини; 2-а стадію незмінної швидкості росту довжини тріщини.

Досліджено вплив інтенсивності нагріву та розміру поперечного перерізу на запропонований показник якості сушіння – сумарну довжину тріщин в поперечному перерізі. Встановлено, що залежність сумарної довжини тріщин у поперечному перерізі від інтенсивності нагріву буде описуватись експонентою виду

Lтр=L0ekt ,

де Lтр - сумарна довжина тріщин у поперечному перерізі; t- температура нагріву деревини; k- емпіричний коефіцієнт; L0-початкова довжина тріщини. Збільшення довжини зразків також буде, в залежності від інтенсивності нагріву, впливати на величину Lтр (рис.7).

Представлено результати експериментальних досліджень тріщиностійкості деревини дуба після проведення сушіння. Досліджуваним параметром була величина розкриття h. Для вимірювання h використовувався датчик, що складався з двох пружних (сталь 65Г) пластин, на які з обох сторін було наклеєно стандартні тензорезистори номінальним опором 200 Ом.

Рис.7. Залежність сумарної довжини тріщин в

поперечному перерізі від довжини зразків

Досліджувана деформація пропорційна Rа -Rк . Таким чином, показання приладу пропорційні 4R, де R - зміна опору тензорезистора внаслідок деформації пластини. Побудований датчик було протаровано при різних значеннях h. Дані отримували на комп’ютері, що входив до складу програмно-апаратного комплексу. Розміри дослідних зразків становили (480,5)х(500,5)х (80,1) мм, вологість змінювали в межах (8-30)%.

На рис.8 представлено експериментальну залежність розкриття тріщини h в залежності від величини розтягуючої зовнішньої сили.

Рис.8. Вплив величини поперечної сили на розкриття тріщини

Представляючи висушувану деревини, як суцільне тіло, а міжклітинні пори – як початкові тріщини, запропоновано підходи до застосування механіки руйнування при розрахунку утворення і росту тріщин. На рис.9 представлено результати експериментального дослідження коефіцієнта інтенсивності напружень деревини дуба в залежності від вологості.

Рис.9. Залежність К1 від поточної вологості при розташуванні
тріщини вздовж серцевинних променів (графік 1)
та дотично до річних кілець (графік 2)

Як видно, при розташуванні тріщини вздовж серцевинних променів тріщиностійкість деревини дуба зменшується практично по лінійному закону (коеф. кореляції становить 0,9) (графік 1). В напрямку, тангенціальному до річних кілець, картина є іншою (графік 2). Видалення вологи обумовлює підвищення в цьому напрямку тріщиностійкості. Відмінність характеру графіків 1 і 2 пояснюється, очевидно, різною силою зв’язку між клітками серцевинних променів у радіальному і тангенціальному напрямках.

В п’ятому розділі представлено методику розрахунку напруженого стану та процесу утворення тріщин в деревині дуба під час сушіння.

Отримані моделі руху вологи дали можливість побудувати моделі напруженого стану деревини дуба при сушінні в залежності від часу сушіння та координати поперечного перерізу. Результати отримано для різних ступенів наближення до реальних умов сушіння: а) при одночасному видаленні зв’язаної вологи в усьому перерізі; б) при врахуванні видалення вільної вологи (блок-схема програми представлена на рис.10).

Друге наближення (б) дає збільшення внутрішніх напружень в 3,5-4,5 рази (рис.11).

Запропоновано методику розрахунку процесу утворення тріщин, обумовлених градієнтом вологоутримання в поперечному перерізі. Дослідження утворення тріщини показали, що серед названих типів тріщини придатною для проведення розрахунків тріщиноутворення є тріщина типу І, оскільки саме внутрішні напруження, викликані тиском водяних парів або градієнтом вологості, діють в тангенціальному відносно річних кілець напрямку.

Проведені експериментальні дослідження напруженого дали підстави для введення поправочного коефіцієнта, який би враховував особливості конвективно-надвисокочастотного сушіння і капілярно-пористої будови деревини дуба. Цей коефіцієнт відображає відмінність теоретичного напруженого стану, обумовленого градієнтом температур в деревині при сушінні від дійсних напружень, обмовлених градієнтами температури та тиску. Враховуючи вище наведене, поправочний коефіцієнт буде обчислюватись:

,

де - величина внутрішніх напружень, отриманих на основі експериментального дослідження процесів видалення вологи;

- величина теоретичних внутрішніх напружень, отриманих в результаті чисельного розв’язку плоскої задачі теорії пружності методом кінцевих різниць.

Рис.10. Алгоритм розрахунку внутрішніх напружень при врахуванні

процесу видалення вільної вологи (2-е наближення)

а) б)

Рис.11. Напруження в поперечному перерізі при відсутності

(а) та наявності в деревині (б) вільної вологи

Залежність поправочного коефіцієнту від поточної вологості представлено на рис. 12.

Рис. 12. Вплив поточної вологості на величину

поправочного коефіцієнта

Встановлено температури нагріву центральних шарів деревини, при яких є можливість забезпечити рівномірне видалення зв’язаної вологи в усьому перерізі. На рис.13 представлено графіки для прогнозування утворення тріщин (рис.13.а) та розрахунку тривалості сушіння бруса в залежності від якості сушіння (величини напружень розтягнення) та температури нагріву центрального шару (рис. 13.б).

а) б)

Рис.13. Визначення якості (а) та тривалості сушіння (б) в залежності від

інтенсивності нагріву; на рис.13.а: графік 4 – залежність К1 від вологості,

графіки 1-3 – залежність К1 від розподілення температур

Залежність К1 від вологості (рис.а) описується графіком 4. Як видно, при сушінні бруса з розміром поперечного перерізу 10 см перепад температур 5 град. дозволить уникнути тріщин (графік 1).

Застосування режимів, при яких перепад температур буде становити 10 і 15 градусів (графіки 2 і 3), недопустиме. Інтервал температур, який обумовлює значне скорочення тривалості сушіння у порівнянні з традиційним конвективним способом і одночасно забезпечує відсутність тріщин, є досить невеликим, особливо для великих поперечних перерізів. Але нами практично доведена можливість забезпечення необхідної температури і отримання висушених пиломатеріалів високої якості.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

АНОТАЦІЇ

Шостачук А.М. Напружений стан і руйнування деревини дуба при конвективно-надвисокочастотному сушінні. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 – механіка деформівного твердого тіла. – Державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2002.

Дисертація присвячена проблемі забезпечення високої якості висушеного матеріалу (відсутності тріщин) при застосуванні НВЧ-нагріву в технологічному процесі сушіння деревини дуба.

Досліджено кінетику конвективно–надвисокочастотного сушіння, вплив інтенсивності нагріву, початкової вологості, розмірів пиломатеріалів та анізотропії вологопровідності на процеси видалення вологи.

Запропоновано та дано обґрунтування вибору одного з показників якості сушіння – сумарної довжини тріщин в поперечному перерізі. Досліджено кінетику появи та розвитку поверхневої тріщини при конвективно–надвисокочастотному сушінні деревини дуба, вплив інтенсивності нагріву та розмірів пиломатеріалів на сумарну довжину тріщин в поперечному перерізі.

Досліджено вплив вологості та масштабного фактору на тріщиностійкість деревини дуба та дано обґрунтування розташування тріщини при сушінні. Запропоновано моделі розрахунку внутрішніх напружень в залежності від часу сушіння та координати поперечного перерізу для різних ступенів наближення до реальних умов сушіння.

На основі проведених експериментальних та теоретичних досліджень уточнено технологію високоякісного конвективно-надвисокочастотного сушіння деревини дуба, що враховує поправочними коефіцієнтами розміри пиломатеріалів, інтенсивність нагріву та поточну вологість.

Ключові слова: сушіння деревини, надвисокочастотний нагрів, внутрішні напруження, тріщина, механіка руйнування.

Шостачук А.Н. Напряженное состояние и разрушение древесины дуба при конвективно-сверхвысокочастотной сушке. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела. – Государственный технический университет им. Ивана Пулюя, Тернополь, 2002.

Диссертация посвящена проблеме обеспечения высокого качества высушенного материала (отсутствия трещин) при использовании СВЧ-нагрева в технологическом процессе сушки древесины дуба.

Исследованы температурные поля при конвективно-сверхвысокочастотном нагреве, влияние текущей влажности древесины на мощность выделения теплоты. При этом установлено, что температуры в поперечном сечении бруса и доски описываются уравнениями стационарной теплопроводности для цилиндра и пластины соответственно, а максимум выделения теплоты, обусловленный изменением диэлектрических характеристик древесины в процессе сушки, приходится на влажность (25-30)%, то есть на период, когда начинается удаление связанной влаги и появляется возможность образования трещин.

Исследована кинетика конвективно–сверхвысокочастотной сушки, влияние интенсивности нагрева, начальной влажности, размеров пиломатериалов и анизотропии влагопроводности на процессы удаления влаги. Выявлено, что, в отличие от конвективного способа сушки, когда удаление влаги определяется градиентом влажности, потенциалом влагопереноса при конвективно-сверхвысокочастотной сушке являются градиенты температур и давления.

Предложено и дано обоснование выбора одного из показателей качества сушки – суммарной длины трещин в поперечном сечении. Исследована кинетика появления и развития поверхностной трещины при конвективно–сверхвысокочастотной сушке древесины дуба, влияние интенсивности нагрева и размеров пиломатериалов на суммарную длину трещин в поперечном сечении.

Предложена капиллярная модель древесины дуба при конвективно-сверхвысокочастотной сушке, которая представляет собой совокупность прямых круглых капилляров эквивалентного радиуса Rэ, и методики расчета удаления влаги. При этом удаление свободной влаги представляется, как движение жидкой влаги под действием градиента давления, а связанная влага представляется в виде цилиндра эквивалентного объема. Предложены модели расчета внутренних напряжений в зависимости от времени сушки и координаты поперечного сечения для разной степени приближения к реальным условиям сушки. При этом внутренние напряжения по второму приближению, учитывающему процесс удаления свободной влаги, оказываются в 3,5-4 раза большими, чем напряжений, рассчитанных по первому приближению.

Предложена классификация трещин, которые могут образовываться при

конвективно–сверхвысокочастотной сушке древесины и условия их образования.

Проведенные исследования поведения поверхностных трещин, а также полученные методики расчета напряженного состояния древесины в процессе сушки дали возможность при моделировании процесса роста трещин применить к древесине, как упругопластическому материалу, подходы механики разрушения. С этой целью была экспериментально исследована трещиностойкость древесины дуба в процессе сушки. Экспериментальная установка представляла собой датчик, соединенный с программно-аппаратным комплексом. Исследовали кинетику раскрытия трещины и определяли значение растягивающей силы при разрыве. Установлено, что кинетика раскрытия трещины имеет дискретный характер, а при удалении связанной влаги от 30% до (6-8)% коэффициент интенсивности напряжений уменьшается в 1,5-2 раза.

На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований уточнена технология конвективно-сверхвысокочастотной сушки древесины дуба, которая учитывает с помощью поправочных коэффициентов размеры пиломатериалов, интенсивность нагрева и текущую влажность древесины.

Ключевые слова: сушка древесины, сверхвысокочастотный нагрев, внутренние напряжения, трещина, механика разрушения.

Shostachuk A.N. Intensification and increasing of the quality of the drying of oak-wood under the conditions of convective super-high-frequency heating. – Manuscript.

Dissertation for a degree of the candidate of technical sciences on the specialty 01.02.04 – The mechanics of deformed solid body. – State Technical Univesity named after Ivan Pulyi, Ternopil.

The dissertation is dedicated to the problem of introduction of microwave frequencies heating in the technological process of oak-wood drying with the purpose of substantial reducing of the duration of process while keeping the high quality of dried material.

The kinetics of convective super-high-frequency drying, the influence of the heating intensity, the initial moisture content, the dimension of lumber and anisotropy of the moisture conductance on the process of moisture removing are investigated. The grounds of one of the drying-quality index choice – total length of cracks in the cross-section are offered and given. The kinetics of appearing and developing of the surface crack under the conditions of super-high-frequency drying of oak-wood, the influence of the heating intensity and the dimensions of lumber on the total length of the cracks in the cross-section are investigated.

The models of the calculation of the internal stress according to the drying time and the cross-section coordinate for the different degrees of approximation to the real drying conditions are offered. The influence of humidity and scale factor on crack resistance of timber of an oak is explored and the substantiation of a disposition of cracks at drying is given.

On the basis of the conducted experimental and theoretical investigations the technology of the high quality convective super-high-frequency drying of oak-wood, which takes into account the dimensions of lumber with the help of correction factors, heating intensity and current moisture of wood is worked out.

Key words: drying of wood, super-high-frequency heating, internal stress, crack, fracture mechanics.