Національний лісотехнічний університет України

ОЗАРКІВ

Ігор Мирославович

УДК 674.047.3

НАУКОВО-ТЕХНІЧНІ ОСНОВИ
КОНВЕКТИВНО-РАДІАЦІЙНОГО
СУШІННЯ ДЕРЕВИНИ

Спеціальність: 05.05.07 – Машини та процеси

лісівничого комплексу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Львів – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному лісотехнічному університеті України

Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Білей Петро Васильович,

Національний лісотехнічний університет України,

завідувач кафедри технології деревообробки

та захисту деревини

Офіційні опоненти: Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Іноземцев Георгій Борисович,

Національний аграрний університет, професор кафедри застосування електроенергії у сільському господарстві

доктор технічних наук, професор

Гавенко Світлана Федорівна,

Українська академія друкарства

Міністерства освіти і науки України,

завідувач кафедри технології друкованих видань і паковань

доктор технічних наук, професор

Шостак Володимир Васильович

Національний лісотехнічний університет України,

професор кафедри деревообробного обладнання

та інструментів

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України, кафедра

хімічної інженерії, м. Львів

Захист відбудеться “24” травня 2006р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.072.03 Національного лісотехнічного університету України за адресою: 79057, м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 103, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного лісотехнічного університету України за адресою: м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 101.

Автореферат розісланий “24” квітня 2006р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради П. А. Бехта

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення ефективності виробництв лісопромислового комплексу та його технічне переоснащення є однією із важливих умов успішної реалізації програми розвитку нашої держави. Відомо, що енергоспоживання України є приблизно вдвічі вищим, порівняно із західноєвропейськими країнами. Це пояснюється домінуванням в українській економіці енерго- і матеріаломістких галузей промисловості. Крім того, 90% енергозабезпечення України здійснюється за рахунок технічних джерел енергії. У свою чергу, вичерпання запасів традиційних видів палива (кам’яного вугілля, нафти і т. п.) для отримання технічних джерел енергії вимагає використання нетрадиційних, екологічно чистих й відновлювальних видів теплової енергії, зокрема для сушіння деревини.

Сушіння, як складний технологічний тепломасообмінний процес, повинно базуватись на наукових основах, починаючи від вивчення теплофізичних, фізико-механічних, структурно-механічних та інших властивостей деревини, як об’єкта сушіння, і закінчуючи вибором та обґрунтуванням режимів процесу із подальшим створенням раціональних конструкцій енергоощадних сушильних установок. Тому, використання інфрачервоних променів при перервному опроміненні ними об’єкта сушіння на основі імпульсних режимів набуває особливого значення; адже це дає можливість регулювати і спрямовувати процеси, які визначають перебіг процесу сушіння в середині деревини шляхом зміни механізмів перенесення вологи й тепла в процесі сушіння. Інакше кажучи, розробка нових і вдосконалення існуючих технологій і техніки сушіння регламентуються як інтенсивностями тепловологообміну між джерелом (генератором) тепла та об’єктом сушіння, так і інтенсивностями тепловологоперенесення в середині матеріалу. Тому ціленаправлений пошук шляхів інтенсифікації процесу з використанням конвективно-радіаційного сушіння на основі створення нових прогресивних технологій гостро ставить проблему розроблення універсальних методів синтезу та аналізу залежностей тепломасообмінних характеристик процесу сушіння із теплофізичними та оптичними властивостями деревини, як об’єктом сушіння. Отримані раніше принципово важливі результати у фундаментальних дослідженнях вітчизняних і закордонних вчених не повністю відображають складну багатогранну картину кінетики й динаміки тепломасообмінних процесів наведених вище об’єктів через неврахування зміни оптичних властивостей деревини та їх взаємозв’язку із самими тепломасообмінними процесами.

Вирішення проблеми ресурсозбереження ускладнюється ще й тим, що деревина та деревинні листові матеріали (лущений та струганий шпон) характеризуються високою гідрофільністю та значною мінливістю теплофізичних, оптичних, фізико-механічних і структурних властивостей.

Таким чином, створення науково-технічних основ конвективно-радіаційного сушіння деревини з метою вдосконалення технології та техніки сушіння є актуальною задачею, яка має важливе народногосподарське значення для інтенсифікації процесів сушіння.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною науково-дослідних робіт, які виконувались і виконуються у відповідності з основними напрямками наукової діяльності Українського державного лісотехнічного університету. Роботу виконано в рамках пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки України 04 “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” (підрозділ 2.1.3 “Використання нетрадиційних джерел енергії для сушіння деревини”) та відповідно до плану таких науково-дослідних робіт кафедри технології деревообробки і захисту деревини (ТД і ЗД) УкрДЛТУ:

·

·

·

·

Мета роботи – розроблення та систематизація науково-технічних основ конвективно-радіаційного сушіння деревини шляхом комплексного поєднання оптичних, терморадіаційних та термодинамічних характеристик деревини з її тепломасообмінними характеристиками, що забезпечать підвищення ефективності енергоспоживання та використання нетрадиційних джерел теплової енергії.

Завдання досліджень. Для досягнення мети було необхідно:

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

Об’єктом дослідження є механізм процесів конвективно-радіаційного сушіння деревини.

Предметом дослідження є проведення комплексних фундаментальних досліджень зв’язку оптичних властивостей деревини з механізмом процесу конвективно-радіаційного сушіння та створення енергоощадних конструкцій сушарок.

Методи дослідження. Для аналізу технологічних процесів сушіння та розподілення температурно-вологісних полів у деревині в процесі конвективно-радіаційного сушіння використано такі основні методи досліджень:

·

·

·

·

·

·

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі:

·

·

·

·

·

·

·

·

·

·

Практичне значення одержаних результатів полягає у реалізації досліджень у вигляді інженерних методів, алгоритмів для розрахунку і прогнозування процесів конвективно-радіаційного сушіння зі змінними потенціалами тепломасоперенесення, які є базою для прогнозування інтенсивності сушіння та підставою для розробки й вдосконалення раціональних та енергоощадних як технологій, так і сушильних установок. Практичну цінність роботи представляють нові типи обладнання для використання сонячної теплової енергії в процесах сушіння деревини, розроблені методи визначення тривалості сушіння тонких пило- і листових матеріалів, параметрів променевого теплообміну в процесі сушіння, які є базою для проектування нових конструкцій камер та створення на їх основі енергоощадних технологій сушіння.

Результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі НЛТУУ при читанні таких дисциплін: “Основи аеродинаміки і тепломасообміну”, “Теплові процеси деревообробки”, “Теплові процеси у виробництві деревино-композиційних матеріалів”, “Технологія сушіння і захисту пиломатеріалів”.

Результати теоретичних та експериментальних досліджень зв’язку внутрішнього протікання механізму процесу сушіння в деревині із параметрами зовнішнього тепломасообміну впроваджено для розробки нових і корекції існуючих режимів сушіння деревини й деревинних листових матеріалів на Бродівському меблевому підприємстві „Явір”, підприємствах лісогосподарського об’єднання „Волинь ліс” та ВАТ „Брюховицький ДОК”.

Ступінь достовірності та обґрунтованості наукових положень, сформульованих у роботі. Наукові положення дисертації, результати досліджень, висновки та рекомендації мають достатню обґрунтованість та достовірність. Вони забезпечуються коректністю і відповідністю розроблених наукових положень отриманим результатам, доведенням адекватності запропонованих фізико-математичних моделей, а також відповідністю результатів аналітичних та експериментальних досліджень. Отримані результати не перечать основним положенням науки, а також підтверджуються апробацією і практичною реалізацією.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі стану науково-технічної проблеми; обґрунтуванні та розробці основної ідеї і теми дисертації; формуванні мети та завдань виконаної роботи; виборі фізико-математичного апарату; розробленні імітаційних та аналітичних моделей; обґрунтуванні ефективних енергоощадних технологій і обладнання; розробленні програм і методик досліджень; узагальненні даних; розробленні технічних рішень і науково-практичних рекомендацій. У працях, які написані у співавторстві, здобувачеві належить: [1] – вступ, розділи 1, 5, 6; [10, 11] – методи аналізу, обґрунтування та аналіз закономірностей; [12] – співвідношення для визначення температури поверхні деревини; [13] – обґрунтування, аналіз, синтез співвідношень для визначення коефіцієнту вологопровідності і часу конвективного сушіння; [14, 16] – обґрунтування і методи прогнозування теплоакумулюючих властивостей і співвідношення для визначення температур процесів опромінення деревини; [17] – співвідношення для визначення температури опроміненого шару деревини; [18] – методи синтезу, обґрунтування і співвідношення механізму тепломасоперенесення; [20, 21, 22, 34] – аналіз основних законів тепломасоперенесення, співвідношення для визначення критичного вологовмісту і потенціалу вологопровідності; [29, 30, 33, 35] – методи контролю і прогнозування; [31, 34] – методи прогнозування, експериментальні результати поляризаційних властивостей; [38] – вступ, розділи 1-3, 5, 6, 10, 12.

Апробація роботи. Основні положення дисертації та окремих розділів доповідались, обговорювались та отримали позитивну оцінку на:

Симпозіумі Координаційної ради з сучасних проблем в деревинознавстві “Строение, свойства и качество древесины”, Москва, 1990;

2-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Управління енерговикористанням”, Львів, 1997;

14-ій науковій конференції “Technologia Drewna: Drewno-material wszechczasov”, Варшава 2000;

Міжнародній науковій конференції “Лес-2001”, Брянськ, 2001;

VІ Міжнародній науково-технічній конференції АС ПГП “Промислова гідравліка і пневматика” (17-18 листопада 2005, Львів);

Всесоюзній науково-технічній конференції “Совершенствование сушильной техники и технологии и кооперация в производстве оборудования для сушки древесины”, Архангельськ, 1990;

Науково-технічній конференції молодих вчених та спеціалістів “Совер-шенствование технологии и оборудования лесопильно-деревообрабатывающих производств”, Архангельськ, 1992;

Республіканській науково-технічній конференції “Научно – технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности”, Київ, 1989;

Республіканській науково-технічній конференції “Взаємодія науки та виробництва в лісопромисловому комплексі”, Львів, 1991 рік;

науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Львівського лісотехнічного інституту та Українського державного лісотехнічного університету в період з 1989 до 2005 року;

18-ій науково-технічній конференції “Научно-технический прогресс в лесной и деревообрабатывающей промышленности”, Київ, 1991;

Спеціалізованих виставках машин і обладнання для лісового господарства, деревообробної та меблевої промисловості: “Лісдеревмаш-2002” (м. Київ, 17-20 вересня 2002 р.); “Лісдеревмаш-2003” (м. Київ, 16-19 вересня 2003 р.); “Лісдеревмаш-2004” (м. Київ, 5-9 вересня 2004 р.);

ХІ Міжнародній спеціалізованій виставці “Примус: деревообробна промисловість” (м.Київ, 15-18 квітня 2003 р.);

VI Міжнародній виставці ”Деревообробка” (м. Львів, 19-23 травня 2003 р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано в одній монографії, одному навчальному посібнику, 22 статтях, 7 тезах і 6 патентах на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків та рекомендацій, додатків. Основна частина викладена на 320 стор., з яких 293 стор. основний текст, проілюстрована 56 рисунками і 9 таблицями. Список використаної літератури включає 287 назв.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі проаналізовано стан науково-технічної проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та завдання досліджень, показано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі розглянуто основні закономірності процесу сушіння деревини при постійних режимах, проведено детальний аналіз топології вологісно-температурних полів у деревині в процесі її сушіння, наведено методи досліджень критичного вологовмісту та способи визначення тривалості сушіння масивної деревини й плоских листових деревинних матеріалів, дано аналіз результатів сучасних теоретичних і експериментальних досліджень оптичних та терморадіаційних характеристик деревини як об’єкта сушіння, розглянуто основні властивості сонячного випромінювання як екологічно чистого й дешевого джерела теплової енергії для сушіння пиломатеріалів з одночасним врахуванням теплового балансу території України, проаналізовано конструкції сучасних сонячних сушарок, які успішно використовуються як в Україні, так і за кордоном. Показано, що інтенсифікація тепломасообмінних процесів повинна базуватися на наукових основах технології сушіння, тобто на вивченні оптичних, терморадіаційних, теплофізичних, електрофізичних, фізико-хімічних, структурно-механічних властивостей матеріалу як об’єкта сушіння із безпосереднім пов’язуванням їх з термодинамічними (потенціалом вологоперенесення, питомою масоємністю, хімічним потенціалом, термоградієнтним коефіцієнтом, енергією і формою зв’язку вологи з матеріалом і т.п.) характеристиками, на виборі способів і обґрунтуванні режимів процесів сушіння та створенні на їх основі раціональних енергоощадних технологій сушіння та конструкцій сушильних установок. Це підтверджено дослідженнями О.В.Ликова, А.С.Гінзбурга, Ю. Л. Кавказова, П. Д. Лєбедєва, В. І. Ричкова, П. С. Серговського, Г. С. Шубіна, В. А. Книша, П. В. Білея, Я. А. Долаціса, І. В. Кречетова, В. В. Краснікова та ін.

Відомо, що у вологій деревині мають місце різні форми і види зв’язку вологи з скелетом тіла, оскільки зміна властивостей молекулярної структурної води при взаємодії із сухою речовиною матеріалу впливає на термодинамічні, теплофізичні, масообмінні, структурно-механічні, оптичні характеристики і механізми перенесення вологи в самому матеріалі. Знання цих специфічних властивостей і закономірностей зміни їх при сушінні залежно від параметрів процесу сушіння дає можливість розробити найбільш раціональний спосіб сушіння і обґрунтувати найбільш оптимальний режим проведення процесу сушіння. Крім того, відповідно до поставленої технологічної задачі (прогрівання, сушіння) можна регулювати розподіленням концентрації енергії в різних зонах матеріалу, використовуючи різну пропускну здатність деревини відносно інфрачервоного випромінювання. Разом з тим, поглиблення зони випаровування в середину матеріалу призводить до утворення двох областей, що мають різну вологість і різні властивості: зовнішній „сухий” шар із рівноважною вологістю, яка відповідає параметрам середовища в камері, і внутрішні – вологі шари, в яких волога переміщається у вигляді рідини. Структурні та теплофізичні характеристики сухого шару будуть визначати його гігрометричний опір, у разі, коли останній істотно впливає на інтенсивність процесу сушіння.

Проте, незважаючи на достатньо велику кількість теоретичних і експериментальних робіт з даної наукової проблеми, весь науковий доробок їх був направлений на вирішення конкретних теоретичних та інженерних задач тепломасоперенесення. Тому, створення єдиної узагальненої теоретичної основи конвективно-радіаційного сушіння масивної деревини і, особливо, плоских тонких матеріалів на основі комплексного поєднання оптичних, терморадіаційних і термодинамічних характеристик деревини, як об’єкта сушіння, з кінетичними тепломасообмінними коефіцієнтами, а також узгодження їх із спектральними випромінювальними параметрами джерел теплової енергії вимагало проведення комплексних фундаментальних досліджень зв’язку оптичних властивостей і тепломасообмінних процесів. Крім того, враховуючи те, що значна частина отриманих аналітичних залежностей процесу сушіння для більшості випадків не є достатньо універсальними і, як правило, носять емпіричний або напівемпіричний характер та можуть застосовуватися тільки для окремих часткових випадків, то на основі аналізу стану проблеми нами обґрунтована необхідність проведення досліджень температурно-вологісних полів в деревині зі змінними потенціалами тепловологоперенесення.

Враховуючи вище сказане, нами представлена модель науково-технічних основ конвективно-радіаційного сушіння деревини, що дозволяє комплексно підійти до розв’язання науково-технічної проблеми ресурсозбереження та створення енергоощадних конструкцій сушарок (зокрема геліосушарок).

Вивчення і аналіз роботи існуючих сушильних камер із традиційними джерелами технічної енергії (їх значна енерго- і матеріаломісткість) вимагало розробки теоретичних основ проектування сушильних установок та їх окремих конструктивних елементів (зокрема, конструкцій геліотермічних колекторів, калориферних систем із солями-кристалогідратами) і створення нових сонячних сушарок.

На основі аналізу кінетики процесів низько-і високотемпературного сушіння розкрито особливості їх протікання в поєднанні із тривалістю сушіння в першому і другому періодах, інтенсивністю сушіння, формою кривих швидкості сушіння та кількісним станом вологості для встановлення та оцінки впливу різних факторів на інтенсивність сушіння, розкритий функціональний зв’язок між температурно-вологісними полями деревини (як об’єкта сушіння) з врахуванням специфічних особливостей умов агента сушіння, структурних особливостей самої деревини, способу підведення теплоти і т.п. В роботах, в основному, наводяться тільки результати експериментальних досліджень по вивченню можливості використання променевої енергії для сушіння деревини. Аналізуючи криві сушіння та температурні криві, ми бачимо, що при конвективному сушінні характер цих кривих по товщині матеріалу є плавним із зростанням градієнтів у напрямку до поверхні тіла, а в процесі терморадіаційного сушіння максимум температури має місце не на поверхні матеріалу, а на певній віддалі від неї. Це зв’язано з проникненням інфрачервоних променів на певну глибину.

Показано, що на величину температурних полів в деревині при інфрачервоному опроміненні впливають глибина проникнення променів, товщина об’єкта сушіння, температура й швидкість циркуляції агента сушіння. При цьому важливу роль відіграє співвідношення між рушійними силами вологопровідності та теплопровідності. Доцільним є використання інфрачервоного випромінювання в першому періоді сушіння, коли температура поверхні матеріалу є порівняно невеликою, а інтенсивність променевого теплообміну досягає максимальної величини. Аналіз досліджень показав, що при опроміненні „світлим” джерелом променевої енергії температура шарів деревини, які знаходяться на невеликій глибині від поверхні, порівняно із центральними шарами, піднімалась швидко. При цьому температурні криві не мали явно стабілізованих дільниць. Різний підхід багатьох вчених щодо вибору генератора променів для сушіння, а також протиріччя в рекомендаціях їх для процесів нагрівання та сушіння, як і узгодження оптичних властивостей джерела та деревини приводили до відсутності чіткого уявлення про механізм впливу випромінювання на інтенсивність процесу сушіння.

Критичний вологовміст, який фіксує момент переходу від першого до другого періодів сушіння й відзначає початок усадки деревини, зміну температури поверхні матеріалу та інших тепломасообмінних характеристик, залежить від типу й властивостей капілярної системи, стану вологи в різних структурних елементах деревинної речовини, інтенсивності випаровування вологи з поверхні об’єкта сушіння. Тому знання критичного вологовмісту деревини має важливе практичне значення не тільки для розробки режимів сушіння, але й для розрахунку часу сушіння та проектування сушильних установок.

Аналіз кривих швидкостей сушіння різних порід деревини показав, що режимні параметри на критичний вологовміст впливають по різному. Зокрема, збільшення температури сухого термометра при постійній температурі мокрого термометра свідчить про зростання критичного вологовмісту. Підвищення відносної вологості агента сушіння призводило до зменшення критичного вологовмісту. Збільшення швидкості циркуляції агента в процесі конвективного сушіння викликало значне зростання величини критичного вологовмісту, оскільки зростала швидкість сушіння в першому періоді при сталості потенціалу вологоперенесення й вологовмісту поверхні матеріалу в критичній точці.

Зростання температури поверхні випромінювача (генератора) викликало підвищення критичного вологовмісту в центрі матеріалу та зменшення його на поверхні в критичній точці. Крім того, фактори, що підвищували швидкість сушіння в першому періоді і зменшення потенціалу вологоперенесення, призводили до збільшення критичного вологовмісту в процесі конвективного та конвективно-радіаційного сушіння.

Таким чином, аналізуючи та узагальнюючи теоретичні й експериментальні методи дослідження критичного вологовмісту, ми бачимо, що дана проблема до кінця не розв’язана і вимагає більш детального вивчення. В зв’язку з цим виникла задача отримання загального рівняння, що встановлює зв’язок між критичним вологовмістом і режимними параметрами при конвективному та конвективно-радіаційному підведенні теплоти, оскільки критичний вологовміст значною мірою визначає час сушіння. В свою чергу, отримання такого рівняння вимагало глибшого аналізу сучасних методів визначення часу сушіння та їх узагальнення.

Незважаючи на те, що визначенню часу сушіння деревинних сортиментів для різних умов режимних параметрів і способів підведення теплоти присвячена велика кількість робіт (як теоретичного, так і експериментального характеру), в них отримано лише деякі принципово важливі результати й встановлено вплив різних факторів для часткових випадків та в обмежених діапазонах їх зміни.

Відсутність комплексного підходу щодо зв’язку спадкових середовищ із процесами тепломасообміну спонукала нас до вирішення нами такої важливої проблеми, як розроблення неруйнівного експрес-методу контролю напружено-деформівного стану деревини в процесі сушіння на базі оптичних властивостей деревини, які тісно пов’язані зі спектральним діапазоном довжин хвиль, терморадіаційними характеристиками матеріалу (об’єкта сушіння). В свою чергу, оптичні властивості деревини слід враховувати не тільки при виборі температури поверхні генератора залежно від технологічної задачі, але й для розроблення енергоощадних конструкцій сушарок, що базуються на використанні нетрадиційного та екологічно чистого джерела теплової енергії – сонячного випромінювання. Тому, аналізуючи властивості сонячного випромінювання, які відіграють важливу роль в процесах сушіння, карти теплового (радіаційного) балансу території України, а також сучасні конструкції вітчизняних і зарубіжних геліосушарок можна зробити висновок про доцільність, ефективність та перспективність розвитку техніки та технології сушіння масивної деревини на базі використання сонячної енергії, як відновлюваного джерела теплової енергії.

Загальне завдання дослідження полягає в створенні наукових основ конвективно-радіаційного сушіння як масивної деревини, так і плоских листових деревинних матеріалів, які охоплюватимуть комплексну систему „генератор випромінювання – об’єкт сушіння – кінетика й динаміка процесу сушіння – сушильна установка” і забезпечуватимуть розв’язок відповідних задач при діагностиці та прогнозуванні властивостей деревини (об’єкта сушіння або нагрівання) в процесі конвективного та конвективно-радіаційного сушіння.

В другому розділі розглядаються теоретичні основи оптичної діагностики та прогнозування властивостей деревини в тепломасообмінних процесах, які суттєво поглиблюють основні теоретичні положення про взаємозв’язок спектральних коефіцієнтів відбивання, пропускання й поглинання, що визначають процес поширення енергії випромінювання в типовому поглинаючо-розсіювальному матеріалі (деревині), із процесами тепломасоперенесення. Адже при організації процесу сушіння знання терморадіаційних і оптичних властивостей та закономірностей їх зміни, залежно від режимних параметрів, дає можливість вибрати не тільки найбільш раціональний спосіб сушіння та обґрунтувати найкращі умови проведення процесу, але й регулювати та направляти процеси перенесення вологи за рахунок зміни механізму масоперенесення. Тому, технологічне діагностування тепломасообмінних процесів має важливе значення, оскільки за допомогою діагностуючих ознак (параметрів), які характеризують технологічний стан об’єкта сушіння, можна визначити долю накопиченої (акумульованої) деревиною енергії, температурно-вологісні поля в матеріалі і т.п.

У розділі наведено лінгвістичну (словесну) модель діагностики та прогнозування властивостей деревини в процесах сушіння. Система діагностування властивостей деревини в процесі сушіння включає в себе цілу групу діагностичних ознак (параметрів), які в повній мірі визначають технологічний стан матеріалу та дозволяють визначити долю накопиченої променевої енергії, температурно-вологісні поля в об’єкті сушіння. Дослідження полів температури та концентрації потоків випромінювання в сушильних установках, знання терморадіаційних та оптичних властивостей деревини мають велике значення для створення ресурсоощадних технологій та раціональних конструкцій сушарок, які забезпечують найкращі умови протікання процесу сушіння. Це дозволило нам розробити модель конвективно-радіаційного сушіння деревини, що базується на оптичній діагностиці. Останнє реалізовувалось шляхом аналізу виміряних на різних довжинах хвиль спектральних коефіцієнтів відбивання, пропускання та поглинання випромінювання деревиною.

З метою подальшого розроблення фізико-математичних моделей і методів дослідження показників поглинання та розсіювання проведено аналіз диференціальних і інтегральних методів розв’язання рівняння перенесення енергії інфрачервоного випромінювання в деревині. Як показали результати наших досліджень при опроміненні дифузним потоком променів (типовим видом опромінення в промислових конвективно-радіаційних сушарках) найбільш точним є метод двохкомпонентного наближення. Результати наших досліджень показали, що показник заломлення деревини змінюється зі зміною вологості (коливається в межах 1,38…1,52: наприклад, при W=0…5% n=1,52; W=6…26,7% n=1,42;W>26,7% n=1,38…1,40). На основі розрахунків з використанням відповідних аналітичних виразів при заданих значеннях показника заломлення випромінювання деревиною була побудована номограма визначення дійсних значень коефіцієнтів відбивання та пропускання за експериментально виміряними цими ж коефіцієнтами при дифузному опроміненні.

На основі встановлення зв’язків між терморадіаційними характеристиками та узагальненим законом перенесення енергії в світлорозсіювальних і поглинаючих матеріалах синтезовано два методи визначення показників поглинання і розсіювання деревинною речовиною. Перший метод базується на вимірюванні спектральних коефіцієнтів відбивання і пропускання досліджуваних шарів матеріалу при його дифузному опроміненні. Другий метод оснований на вимірюванні коефіцієнтів відбивання і пропускання при направленому опроміненні поверхні матеріалу.

Вивчаючи поле випромінювання в деревині, як об’єкті нагрівання та сушіння, на основі рівняння перенесення можна отримати інформацію, необхідну для визначення оптичних (показників поглинання і розсіювання) параметрів в цілому та інформацію про їх спектральні залежності. В свою чергу, дослідження спектральних змін коефіцієнтів відбивання, пропускання і поглинання (фотометрична задача) тісно взаємозв’язане з визначенням показників ослаблення потоку променів (спектроскопічна задача) при інтегральному і монохроматичному опроміненні матеріалу. Зміна стану поляризації випромінювання при взаємодії з деревиною, коли оптична активність деревинної речовини тісно пов’язана із зміною кількісного вмісту вологи в матеріалі при його сушінні, є джерелом корисної інформації не тільки про її будову, міграцію променевої енергії при сушінні, але й про напружено-деформативний стан матеріалу. Інакше кажучи, при проходженні через світлорозсіювальний матеріал відбите або розсіяне електромагнітне випромінювання завжди несе в собі інформацію про фізичні властивості розсіювальних центрів (макро- і мікрочастинок) матеріалу й оточуючого середовища, концентрацію даних центрів та їх орієнтації. Максимальну повноту інформації про пучок променів електромагнітного випромінювання забезпечує саме математичний опис процесів взаємодії потоку поляризованого випромінювання з об’єктом опромінення (в нашому випадку деревиною).

Відомо, що самі звичайні джерела світла (сонце, плоскі або лінійні генератори променевої енергії) випромінюють некогерентне та неполяризоване світло, яке представляє собою хаотичну суперпозицію незліченної кількості незалежних збурень, кожне з яких характеризується напрямком поширення, довжиною хвилі та станом поляризації. Тому, розгляд рівнянь, які описують різні стани поляризації як в декартових, так і в сферичних координатах, дозволив отримати співвідношення, що зв’язують параметри Стокса плоскополяризованої хвилі випромінювання із відповідним стовпцем Максвелла для тих випадків, коли має місце змішування двох або більше пучків випромінювання й стан поляризації яких відомий, а потрібно спрогнозувати стан поляризації отриманої суміші пучків випромінювання.

Дослідження температурних полів, як і зон концентрації енергії на поверхні матеріалу при його опроміненні, вимагає узгодження терморадіаційних і оптичних параметрів деревини з аналогічними параметрами генераторів випромінювання. В свою чергу, отримання інформації про температурні поля та області (зони) концентрації поглиненого випромінювання може бути реалізоване шляхом аналізу виміряних на різних довжинах хвиль коефіцієнтів відбивання, пропускання та поглинання деревини, як і спектральних інтенсивностей випромінювання генератора теплової енергії. Інакше кажучи, математична задача зводилась до отримання ряду інтегральних рівнянь за відомих із експериментів значень терморадіаційних характеристик.

Розглянута фізико-математична модель температурних полів в процесі конвективно-радіаційного сушіння, яка дозволила отримати рівняння, що відображають фізичну модель опромінення поверхні деревини і закони перенесення променевого потоку в середину матеріалу.

Розкрито вплив факторів на формування енергетичних полів в геліосушарці, а також розкрито фізичну суть критеріїв ефективності. Показано шляхи керування спектральним складом генератора інфрачервоного випромінювання. Наведені методи усереднення оптичних властивостей конструктивних елементів конвективно-радіаційної сушильної установки. Використання інтегральних характеристик коефіцієнтів відбивання, пропускання та поглинання, які осереднені по 90% спектральному діапазоні енергії випромінювання забезпечує достатню точність інженерних розрахунків та дозволяє скоротити їх трудомісткість.

Проведено моделювання теплообміну випромінюванням в геліосушарці на основі методу електротеплових аналогій з використанням відповідних теплових ланцюгів замкненої системи „випромінювач – прозоре середовище – огородження камери – об’єкт сушіння”.

Для розрахунку променевого теплообміну використано матричні методи для поверхонь теплообміну, що дозволило отримати формули для розрахунку густин теплових потоків або температур поверхонь, що беруть участь у променевому теплообміні.

На основі синтезу основних законів оптики світлорозсіювальних матеріалів у нашій роботі дістали подальший розвиток теоретичні основи взаємодії поляризованого електромагнітного випромінювання з колоїдними капілярно-пористими матеріалами, які дозволяють поглибити та значно розширити основні положення про вплив температурних полів на розвиток напружено-деформівного стану деревини й деревинно-листових матеріалів при їх сушінні. В зв’язку з чим, на основі фізико-математичного методу моделювання із використанням матриць перетворення доопрацьовано метод синтезу пружно-в’язких задач деформування матеріалу при його сушінні, що дозволило розробити неруйнівний спосіб контролю напружено-деформівного стану деревини в процесі сушіння.

У третьому розділі наведено теоретичні дослідження внутрішнього та зовнішнього тепломасообміну в процесах сушіння. Доведено, що, незважаючи на значну кількість класичних та операційних методів розв’язання задач нестаціонарного тепло-і масоперенесення в процесі сушіння, які базуються на теорії термодинаміки незворотних процесів, важливої ваги набувають основні положення теорії перенесення тепла й вологи в процесі сушіння деревини та правильне трактування потенціалів їх перенесення. Обґрунтовано необхідність розгляду таких термодинамічних сил енерго-і вологоперенесення, як хімічний потенціал, вологовміст, потенціал масоперенесення, а для виявлення фізичної суті масообмінних параметрів – розгляду термодинамічних властивостей матеріалу. Розглянуті рівняння молярно-молекулярного тепло-і масоперенесення, які встановлюють зв’язок між тимчасовими та просторовими змінами потенціалів перенесення. Для одночасного знаходження в процесі конвективного і радіаційного сушіння деревини полів розподілення потенціалів (температури, вологості, тиску) на поверхні та всередині матеріалу при заданих початкових умовах і закону взаємодії навколишнього середовища з поверхнею деревини наведені їх рівняння.

Хімічний потенціал, який представляє собою приріст внутрішньої енергії компонента системи при одночасному зростанні маси й відноситься до основних рушійних сил при масообміні, в міру протікання процесу сушіння вирівнюється і в момент рівноважного стану він є однаковим у всіх існуючих фазах, в яких знаходиться об’єкт сушіння.

Сушіння деревини є типовим незворотнім процесом, в якому кількість вологи, що видаляється, змінюється в об’ємі та в часі. В зв’язку з чим сушіння розглядають як комплексний процес одночасного перенесення енергії (тепла) і маси (вологи), які взаємопов’язані між собою та впливають одне на одного. На основі положень теорії тепла і рідини нами розв’язані системи диференціальних рівнянь молекулярно-мольного тепловологоперенесення за відповідних граничних умов, що дозволило описати розподілення потенціалів перенесення температури та вологості. Для одночасного знаходження полів розподілення потенціалів температури, вологості та тиску на поверхні і в середині матеріалу задають початкові умови, геометричну форму об’єкта сушіння та зони взаємодії агента сушіння з поверхнею деревини. Через останні умови проявляється величина впливу на явища перенесення тепла і вологи при конвективному та конвективно-радіаційному способах сушіння. Розв’язання диференційних рівнянь тепло- й волого провідності для чисто конвективного та конвективно-радіаційного сушіння дозволило нам отримати рівняння для визначення волого вмісту та температури в будь-якій точці матеріалу, на поверхні його і в центрі об’єкта сушіння для рівномірного та параболоподібного розподілень вологи й температур. Зокрема, в процесі конвективно-радіаційного сушіння рівняння для визначення:–

локальної температури об’єкта сушіння

; (1)–

температури поверхні

; (2)–

перепаду температур

; (3)–

локального вологовмісту

; (4)–

критичного вологовмісту

; (5)–

швидкості сушіння

. (6)

На основі балансових рівнянь тепломасообміну в процесі конвективного та конвективно-радіаційного сушіння отримані вирази, що дозволяють визначити коефіцієнт тепло-і масообміну.

Зокрема, для комбінованого конвективно-радіаційного сушіння деревини коефіцієнт теплообміну визначається

Вт/(м2град), (7)

де – інтенсивність випаровування вологи з одиниці поверхні матеріалу, кг/(м2с).

Отримано залежності зміни коефіцієнта тепломасообміну від вологості матеріалу для різних режимів конвективного і конвективно-радіаційного сушіння.

Аналіз залежностей критерію Нусельта від терморадіаційного критерію Гухмана при зміні значень останнього в межах 1,07...1,47 вказує на те, що видозмінений критерій Гухмана () характеризує термодинамічні властивості агента сушіння, які не залежать від властивостей об’єкта сушіння та режиму омивання поверхні сушильним агентом. Це говорить про те, що критерієм Гухмана не слід нехтувати, адже він сильно впливає на критерій Нусельта в першому періоді сушіння.

Нами проведено порівняння взаємозв’язку інтенсивності сушіння з інтенсивністю випаровування вологи з поверхні матеріалу в першому періоді, тобто отримано співвідношення виду

, (8)

а також значення цих співвідношень для різних режимів сушіння деревини.

На основі теоретичних досліджень процесів конвективного сушіння нами запропоновано універсальний критеріальний метод визначення тривалості сушіння тонких пиломатеріалів і плоских листових матеріалів при конвективному підведенні теплоти, що дозволяє його успішно використовувати для розрахунку часу сушіння як тарних дощечок, фанери, так і лущеного, струганого шпону та картону.

На основі рівнянь теплового балансу, які описують процеси конвективно-радіаційного сушіння деревини, із врахуванням кінетики нагрівання та сушіння, а також методів варіації сталих Лагранжа, отримано рівняння, що відображає характер зміни температури об’єкта сушіння. Це дозволило отримати математичну модель з метою використання її для конвективно-радіаційних сушильних установок. Запропоновано шляхи врахування променевих потоків в конвективних сонячних сушарках з допомогою радіаційного критерію

, (9)

а також критерію безрозмірної температури И.

Часткова прозорість деревини щодо проникнення інфрачервоних променів на певну глибину матеріалу викликає поглинання променевої енергії на певній глибині, тобто на поверхні тіла і в його середині буде діяти джерело теплоти, яке буде розподіленим по окремих зонах і в часі. У зв’язку з чим, визначення температурних полів на основі кінетики процесу сушіння із врахуванням динаміки тепломасоперенесення в об’єкті сушіння, на основі рівняння перенесення тепла в процесі комбінованого конвективно-радіаційногои сушіння, отримано рівняння для визначення температури поверхневих шарів матеріалу

, (10)

де

; (11)

. (12)

Це дозволило запропонувати графоаналітичний метод визначення температури в першому періоді.

Четвертий розділ присвячено методиці досліджень тепломасообмінних характеристик процесів сушіння деревини. Описано методи дослідження процесів тепломасообміну й розкрито зв’язок між тепло-і вологообміном, який показує , що загальне розв’язання задач процесу сушіння полягає в інтегруванні відповідної системи рівнянь перенесення тепла і маси як в самому матеріалі, так і в середовищі, що оточує об’єкт сушіння.

Розглянуто методи дослідження коефіцієнта вологообміну, як одного з основних потенціалів масоперенесення. Зокрема, для періоду постійної швидкості сушіння коефіцієнт вологообміну, віднесений до різниці вологовмістів на поверхні матеріалу в критичній точці UП.КР і рівноважного Uр, визначається за формулою

, (13)

а для періоду падаючої швидкості сушіння

м/с. (14)

Величина критичного вологовмісту визначається як

. (15)

На основі розгляду фізичної суті критичного вологовмісту в процесі комбінованого (конвективно-радіаційного) сушіння запропоновано методи дослідження критичного вологовмісту та наведено формули для його розрахунку на основі експериментальних досліджень кінетики сушіння деревини. Проаналізовано вплив окремих факторів на величину критичної вологості, потенціалу вологопровідності, а також встановлено причини їх зміни для любої системи капілярів і різних параметрів (коефіцієнта поверхневого натягу, густини рідини, режимів сушіння, визначального розміру матеріалу і т.п.) та запропоновано способи експериментального дослідження. Розглянуто методологічні аспекти побудови графічних залежностей для графоаналітичних способів розв’язання вологопровідності.

Незважаючи на значне відображення розв’язання багатьох питань теорії і практики сушіння шпону, розкриття специфічних особливостей і фізичної суті існуючих способів його сушіння, наявності аналітичних формул для визначення часу сушіння в стрічкових та роликових сушарках, дихальних пресах і розроблених раціональних конструкціях сушильних установок, нами наведена методика побудови кривих сушіння, кривих швидкостей сушіння та визначення на їх основі швидкості сушіння в першому періоді й коефіцієнта сушіння в другому періоді, що дозволяє вивчити коефіцієнти складного конвективно-радіаційного тепло-і вологообміну та потенціалу вологопровідності на основі кривих сушіння і температурних кривих, отриманих для процесів сушіння в стрічковій сопловій конвективно-радіаційній сушарці.

Виконання сформульованих задач зумовило необхідність як вдосконалення існуючих методів досліджень і обробки експериментальних даних, так і розробки нових пристроїв, а також вирішення специфічних задач, пов’язаних з вибором форми та розмірів досліджуваних взірців, схем сушіння і т.п. З метою зменшення попередніх експериментів проведено теоретичне обґрунтування розроблених раніше методик досліджень тепломасообмінних характеристик, що дозволило, в кінцевому результаті, використати та узагальнити наявну в науково-технічній і нормативній літературі інформацію та підвищити ступінь достовірності власних експериментальних досліджень тепломасообмінних процесів.

Велика кількість сонячних днів в році для різних регіонів України вказує на перспективу успішного використання теплової енергії сонячного випромінювання, як відновлюваного та екологічночистого нетрадиційного джерела тепла, для сушіння пилопродукції. Одним із шляхів цього дешевого джерела енергії є використання теплоакумулюючих речовин (солей-кристалогідратів),