Сушка древесины электромагнитными волнами

Электромагнитные волны представляют собой движущееся электромагнитное поле - электрическое и магнитное поля, перпендикулярные друг к другу, которые вместе распространяются в пространстве. Изменение поля одного вида возбуждает в соседних областях пространства переменное поле другого вида, и электромагнитная волна продолжает распространяться. Спектр электромагнитных волн очень широк. На одном конце находится электричество в 50 Гц, а на другом - рентгеновское и гамма-излучение.

Для нагрева и сушки древесины применяются в основном электрические колебания промышленной частоты (индуктивный нагрев), радиоволны высоких и сверхвысоких частот (диэлектрический нагрев) и инфракрасное излучение (инфракрасный нагрев).

Индукционный нагрев − это нагрев токопроводящих тел за счет возбуждения в них электрических токов переменным электромагнитным полем. Источниками электромагнитного поля при индукционном нагреве служат индукторы. Для создания переменного электромагнитного поля при индуктивном нагреве используются токи низкой (50 гц), средней (до 10 кгц) и высокой (свыше 10 кгц) частоты. Для питания индукторов токами средней и высокой частоты применяют машинные и статические преобразователи, а также ламповые генераторы. К наиболее распространенным процессам, использующим индукционный нагрев, относятся: плавка металлов, зонная плавка, нагрев под обработку давлением и др. Для сушки древесины индукционным способом в основном применяется промышленная частота 50 гц. Индукционная сушка древесины основана на следующем: штабель пиломатериалов с уложенными между рядами досок ферромагнитными элементами помещают в электромагнитное поле промышленной частоты (50 Гц), образованное во внешнем по отношению к штабелю индукторе-соленоиде. Соленоид монтируется внутри сушильной камеры из проводников больших сечений. Ферромагнитные элементы, нагревающиеся индуктивными (вихревыми) токами, передают тепло древесине путем непосредственного контакта (кондуктивным способом). Соленоид состоит из нескольких секций, которые подключают к сети трехфазного тока последовательно, параллельно, на «звезду» или «треугольник». Температуру нагрева регулируют путем изменения напряженности электромагнитного поля, что достигается различными вариантами включения соленоида.

При этом способе в процессе сушки температура древесины выше, чем температура окружающей среды, в результате чего в штабеле создается положительный температурный перепад, который интенсифицирует процесс удаления влаги из материала. Продолжительность индукционной сушки в два раза меньше по сравнению с камерной сушкой пиломатериалов нормальными режимами. Однако себестоимость индукционной сушки примерно в два раза выше себестоимости камерной сушки. Этот способ не обеспечивает удовлетворительного качества высушенного материала: большая неравномерность высыхания материала, местные перегревы, большие внутренние напряжения.

Инфракрасный нагрев − это нагрев материалов электромагнитным излучением с длиной волны 2 мм - 760 нм (инфракрасное излучение). Инфракрасный нагрев основан на свойстве материалов поглощать определенную часть спектра этого излучения. При соответствующем подборе спектра испускания инфракрасного излучателя достигается глубинный или поверхностный нагрев облучаемого тела, а также его локальная сушка без нагрева всего объекта. Источником энергии при инфракрасном нагреве служат инфракрасные излучатели, состоящие из собственно источника энергии (нагретого тела) и отражателя. В зависимости от степени нагрева источников их условно подразделяют на низкотемпературные, нагреваемые до температур менее 700°С, среднетемпературные − от 700 до 1500°С, и высокотемпературные − выше 1500°С. В качестве источников применяют: трубчатые электрические нагреватели, зеркальные сушильные лампы; электрические нагреватели, состоящие из вольфрамовой спирали, помещенной в герметичную кварцевую трубку, наполненную инертным газом и парами йода, и др. Установки инфракрасного нагрева представляют собой камеры или туннели, размеры и формы которых соответствуют размерам и форме обрабатываемых изделий. Излучатели укрепляют на внутренней стороне установки; расстояние между ними и поверхностью нагреваемых предметов обычно составляет 15 - 45 см. В промышленности инфракрасный нагрев широко применяют для нагрева до сравнительно небольших температур низкими тепловыми потоками (сушка овощей, фруктов; лакокрасочных материалов, нагрев термопластических материалов перед формованием; вулканизация каучука и др.). Из-за малой глубины проникновения инфракрасных волн в древесину данный вид нагрева при сушке древесины широкого распространения не получил.

Радиоволны (с учетом особенностей их распространения, различных частот в пределах Земли и в космическом пространстве) используют для решения конкретных технических задач. Так, на ОНЧ осуществляют подводную и подземную радиосвязь, на НЧ, СЧ, ВЧ и ОВЧ - радиовещание; УВЧ, СВЧ, КВЧ используют в телевидении, радиолокации и мобильной связи; КВЧ и ГВЧ - в спектроскопии твердых и газообразных веществ. В таблице диапазон СВЧ соответствует сантиметровым волнам (Рисунки смотрите в PDF-версии журнала). Однако на практике этим термином определяют диапазон с более широкими границами, который включает в себя волны от метровых до миллиметровых (300 МГц - 30 ГГц).

Диэлектрический нагрев − это нагрев диэлектриков в переменном электрическом поле радиоволн. При наложении переменного электрического поля в диэлектриках появляется ток смещения, вызванный их поляризацией, и ток проводимости, обусловленный наличием в диэлектрике свободных электрически заряженных частиц. Каждое вещество состоит из молекул, обладающих различными электромагнитными свойствами. Эти молекулы легко себе представить в виде овалов с положительным и отрицательным зарядом на противоположных концах. Кроме молекул, в веществе находятся свободные заряды, ионы и электроны. Когда электрическое напряжение отсутствует, диполи ориентированы хаотично и ионы не двигаются. Под воздействием электромагнитного поля диполи начинают вращаться, а ионы перемещаться в направлении поля. Если поменять направление поля, диполи начинают вращаться в другую сторону, и ионы тоже изменяют направление движения. Такая быстрая и часто повторяющаяся смена направления поля приводит к трению между частицами и, следовательно, к выделению тепловой энергии. Этот метод возможен только для нагрева твердых или жидких материалов, газообразные вещества не могут быть нагреты с помощью диэлектрического нагрева, т. к. между молекулами газа имеются значительные расстояния. Из всего вышесказанного ясно, что материалы в твердой и жидкой форме подвергаются нагреву, т. к. их молекулы находятся в близком контакте друг с другом, и поэтому может возникнуть трение. Выделяющаяся удельная мощность пропорциональна напряженности (Е) и частоте (f) электрического поля, а также диэлектрической проницаемости (e) и тангенсу угла потерь (tg δ) диэлектрика. Удельные диэлектрические потери, т. е. мощность, выделяемая в 1 м древесины под воздействием электрического поля, определяется формулой:

В связи с большим количеством формул полный вариант статьи «Сушка древесины электромагнитными волнами» смотрите в PDF-версии журнала.