VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Введение

Предпосылкой сушки срубленной древесины перед дальнейшей обработкой является предотвращение ее гниения. Основной целью сушки является почти полное удаления влаги, что способствует улучшению технологических свойств древесины. В промышленности используют различные способы сушки древесины, различающиеся как применяемым оборудованием, так и особенностями передачи тепла высушиваемому материалу.

Классификация видов и способов сушки обычно и базируется на методах передачи тепла, по которым можно выделить четыре вида сушки: конвективную, кондуктивную, радиационную и электрическую. Каждый вид сушки может также иметь несколько разновидностей в зависимости от типа сушильного агента и особенностей применяемого оборудования.

Существуют также комбинированные способы сушки, в которых одновременно применяют различные виды передачи тепла (например, конвективно-диэлектрическая) или совмещаются другие признаки различных видов сушки.

Используемое в лесном хозяйстве оборудование не соответствует мировым стандартам, что предопределяет потери сырья, энергоресурсов, затрудняет экспортные возможности, повышает себестоимость продукции. В целом снижается эффективность всей отрасли. В торговле древесиной особое внимание сейчас обращается на качество деловой древесины. В деревообработке самый энергоемкий процесс – это сушка. Сушка является сложным процессом, требующим больших финансовых затрат и длительного времени обработки. Чтобы сократить продолжительность сушки, снизить себестоимость и повысить качество древесины, необходимы исследования и внедрение в производство прогрессивных технологий в этой области.

В настоящее время, наряду с паровоздушной сушкой в конвективных сушильных камерах, широкое распространение получают альтернативные способы сушки древесины, в том числе и электроосмотическая.

Физическая сущность электроосмоса

Объяснение природы электрокинентических явлений, в частности электроосмоса, было дано Г. Квинке на основании предположения о наличии на границе раздела двух фаз (твердой и жидкой) электрического двойного слоя [1,…,4].

Позднее Гуи (1910 г.), Чопмен (1913 г.) независимо друг от друга объяснили ионную природу двойного электрического слоя. Гуи исходит из положения, что на границе раздела фаз действуют противоположно направленные силы. С одной стороны, это действие электростатических сил избытка ионов одного знака, в результате которого ионы противоположного знака притягиваются, а одноименные – отталкиваются. С другой стороны, это действие молекулярного теплового движения в растворе, которое направлено к равномерному распределению ионов так, чтобы в единице объема было равное количество ионов разных знаков. В результате взаимодействия этих сил создается диффузное распределение ионов наружного слоя с постепенным убыванием плотности избыточных зарядов, аналогично атмосферному распределению газовых молекул в пространстве, в гравитационном поле.

Это положение развито Штерном (1924 г.). Таким образом, возможны два пути образования двойного электрического слоя: адсорбция ионов из жидкой фазы и диссоциация молекул поверхности слоя твердой фазы.

Оба явления характерны и для древесины [2,3] . Схема образования двойного электрического слоя в древесине и распределения зарядов представлены на рис. 1. Движение жидкости происходит вследствие того, что вблизи поверхности и наружной части дифузного слоя имеется избыток ионов одного знака заряда.

Приложение электрического слоя к капилляру, не заполненному жидкостью, заставляет избыточные ионы сдвигаться к противоположно заряженному полюсу. Ионы внутренней обкладки двойного слоя, находящиеся непосредственно на стенке так же, как и ионы первого слоя противоионов не перемещаются. Для преодоления электростатических сил, действующих в молекулярном конденсате, необходимо приложить огромное напряжение, неосуществимое в реальных условиях (рис. 2).

Рис. 1. Схема образования двойного электрического слоя в древесине

Рис. 2. Схема расположения ионов двойного электрического слоя

В средней части капилляра ионы обоих знаков распределяются в одинаковом количестве и объеме. Поэтому при наложении электрического поля ионы разного знака движутся в противоположных направлениях со скоростями V, соответствующими их подвижности (коэффициенту электроосмоса Кэ) и градиенту потенциала φ

V = Кэ grad φ (1)

Таким образом, около стенки капилляра создается направленный поток, представляющий собой цилиндрическую оболочку из избыточных ионов диффузного слоя, движущихся к противоположно заряженному полюсу. Перемещаясь, оболочка увлекает остальную массу жидкости в капилляре за счет сил молекулярного сцепления.

Из такого представления механизма электроосмотического переноса становится ясно, что чем больше количество ионов одного заряда находятся в диффузной части двойного слоя. Чем больше величина потенциала, тем большая сила будет приложена в капилляре, и с тем большей скоростью будет происходить перемещение жидкости в капилляре при наложении внешнего поля [4,7,8].

Увеличение концентрации раствора приводит к уменьшению двойного электрического слоя, так как количество зарядов в подвижной части двойного слоя уменьшается. При достаточно высокой концентрации ξ → 0 электрокинетические эффекты исчезают. Распределение линейных скоростей движения жидкости по сечению капилляра претерпевает ряд изменений до установления стационарного состояния. Физическая сущность электроосмоса в древесине объясняется в основном следующим образом. Вода, имеющаяся в древесине, содержит в себе некоторое количество ионов водорода и гидроксида, образовавшихся вследствие диссоциации молекул по схеме

Н2О ↔ Н++ ОН- (2)

Ион гидроксида в воде существует самостоятельно. Ион водорода связывается с молекулой воды, образуя гидроксониевый ион Н3О+.

Вода, наряду с простыми молекулами Н2О, содержит более сложные молекулы типа (Н2О)n.

Такая молекула, соединившись с ионом водорода, образует сложный положительный ион (Н2О)n. Эти ионы под действием электрических сил будут перемещаться к катоду, где, разряжаясь, образуют свободную воду.

Устройство для электроосмотической сушки древесины

В результате проведенного патентно-информационного поиска выявлено устройство, представляющее интерес для его разработки, исследования и внедрения в производство[6]

Электроосмотическое устройство сушки древесины [6] состоит из камеры сушки поз.1, источника напряжения поз.11, устройства вытяжки поз.2, влагоприемника и емкости, соответственно поз. 18,19. В камере сушки поз.1 находится регулируемый электроосмотический насос, содержащий два электрода поз. 9,10, в качестве капилляров которого использованы поры осушаемого материала. Выталкивающий и вытягивающий влагу электрически заряженные электроды выполнены с размерами и площадями равными размерам и площадям торцевых поверхностей осушаемого материала. Причем положительный электрод с небольшим зазором присоединен к одной из поверхностей древесины, а отрицательный электрод плотно присоединен к противоположной поверхности. Вытягивающий влагу электрод (отрицательный) содержит устройство адсорбирования и эвакуации испаренного электрическим полем холодного пара и жидкости из древесины. Устройства адсорбирования и эвакуации жидкости содержит капиллярный материал, перфорированную мембрану и устройство отжима жидкости. Вытягивающий электрод функционально и конструктивно совмещен с вакуумным устройством, которое состоит из вакуумного насоса, емкостьи для сбора жидкости и обратного клапана соединенного с атмосферой. Выталкивающий влагу электрод укреплен сверху осушаемого материала, а вытягивающий электрод с устройством адсорбирования и эвакуации жидкости, устройством плотного обжима материала, емкостью для сбора жидкости укреплены снизу осушаемого материала. Материал размещен непосредственно на электропроводящей ленте транспортера конструктивно совмещенной с вытягивающим электродом, а выталкивающий электрод в виде электропроводящей плоскости размещен над материалом на расстоянии достаточном для предотвращения электрического пробоя электродов. Устройство удаления влаги дополнено устройством отжима влажной адсорбционной ленты этого транспортера, совмещенным с его валками и приемным устройством – емкостью для сбора из материала и отжатой влаги.

Рис. 3. Устройство для электроосмотической сушки древесины [6]

Описание производственного процесса

В качестве исходного материала используются сырые обрезанные пиломатериалы с острыми параллельными кромками и влажностью около 70%.

Через загрузочное устройство (не показано) в камеру сушки поз. 1 ленточным транспортером вводят осушаемый материал – древесину. После загрузки материала в камеру сушки на электроды поз. 9, 10 подают высокие электрические потенциалы и создают электрическое поле в зоне сушки материала. В результате возникновения электроосмоса влага выходит из материала и впитывается в пористый адсорбент поз.16, который отжимается валками поз. 26, 27. Затем влага удаляется из камеры сушки через влагоприемник поз. 18 в специальную емкость поз. 19, а пары влаги из камеры удаляют устройством вытяжки поз. 2.

После этого процесс осушки завершают, а осушаемый материал через выгрузочный бункер (не показан) выводят за пределы камеры и в нее транспортером загружают очередную порцию сырой древесины.

Для обеспечения высокого качества древесины после выгрузки с помощью устройства для измерения влажности древесины измеряют влажность всех досок, причем слишком сырые доски убирают. Остаются только доски с оптимальной влажностью около 15%.

Проектирование подключения электроосмотической сушильной камеры

Полагаем, что электроосмотическое устройство сушки древесины установлено в производственном помещении. Питание на него подается от РЩ2 по трехжильному кабелю с медными жилами.

Мощность электродвигателя (кВт), необходимую для привода ленточного транспортера определяем по формуле:

Р = kQ1000ηm (CL+H), (3)

где k – коэффициент запаса мощности транспортера, равный 1,1-1,25; Q – производительность транспортера, Н/с; L – расстояние между осями концевых барабанов, м; Н – высота подъема грузов, м; ηm – коэффициент полезного действия механизма редуктора (0,7- 0,85); С – опытный коэффициент, зависящий от производительности транспортера и его длины (0,14- 0,32).

Р = 1,2*1001000*0,8 (0,3х15+0,5) = 0,75 кВт.

По каталогу выбираем трехфазный АД АИР80 МА6 (Рн = 0,75 кВт, nн = 910 об/мин, η = 69%, cosφ = 0,72).

Мощность на валу электродвигателя вытяжного вентилятора, кВт, потребляемая из сети:

Р = Рv*Q1000ηвηп , (4)

где Рv – полное приведенное к стандартному давление, Па; Q – производительность вентилятора, м3/с; ηв- КПД вентилятора; ηп- КПД передачи;

Радиальный вентилятор типа Ц4-70 обеспечивает работу вентиляционной системы сушильной камеры. Определим мощность приводного электродвигателя (при Q = 2000 м3/с = 0,55 м3/с, Рv = 800 Па, ηв = 0,6, ηп = 0,98):

Р1 = 800*0,551000*0,6*0,98 = 0,75 кВт.

Определив по таблице коэффициент запаса кз = 1,3, получим

Р2 = кз Р1 = 1,3х0,75 = 0,975 кВт.

По каталогу выбираем трехфазный АД АИР80 МВ6 (Рн = 1,1 кВт, nн = 910 об/мин, η = 72,1%, cosφ = 0,74).

Вывод: разработка, исследование и внедрение в производство электроосмотических устройств для сушки древесины представляется актуальной задачей. Ее решение позволит повысить энергоэффективность производства и улучшить качество готовых изделий.

Литература

1. Александров А. А. Метод микроэлектрофореза в физиологии. — Л.: Наука, 1983. —148с.

1. Беззубцева М.М., Волков В.С. , Пиркин А.Г.- Энергетика технологических процессов в АПК. – СПб: СПбГАУ, 2011. – 265с.

2. Беззубцева М.М. - Электротехнологии и электротехнологические установки. – СПБ: СПБГАУ, 2012.

3. Глинка Н. Л., Общая химия, Л.,1985

4. Духин С. С., Электрофорез, М.,1976

5. Дудышев В.Д. Малозатратная скоростная электросмотическая сушка пористых материалов, например, древесины. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.ntpo.com/izobreteniya-dudysheva/

6. Кройт Г., Наука о коллоидах, пер. с англ., М., 1955

7. Фролов Ю.Г., Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы, М., 1982

Код для цитирования: Скопировать