Для промышленного использования отведены диапазоны микроволн со следующими номинальными значениями частот: 460, 915 и 2450 МГц. Микроволновая (СВЧ) энергия, быстро проникая в глубь обрабатываемого материала, превращается в тепловую. Поскольку микроволновая техника обеспечивает возможность безынерционного прогрева всего объема, она стала довольно широко применяться в быту и промышленности [1]. Однако микроволновая техника могла бы более широко использоваться в технологиях сушки, пропарки, отверждения модифицирующих составов и клеев, а также декоративных покрытий.

Основная причина, препятствующая широкому распространению микроволновых технологий в деревообработке, - сложность достижения равномерного распределения микроволновой энергии по всему объему обрабатываемого материала. Вопросы облучения листовых материалов на конвейерных установках были решены нами ранее [2]. Такие установки могут обеспечивать требуемое распределение микроволновой энергии и защиту обслуживающего персонала от ее вредного воздействия.

Большой интерес представляют промышленные установки для сушки пиломатериалов, сформированных в штабель, в которых сложнее обеспечить требуемое распределение электромагнитной энергии. При достижении границы штабеля меньшая часть электромагнитной энергии отражается, а основная * проникает в штабель. По мере распространения электромагнитных волн от границы штабеля в его глубь количество энергии, выделяемое в пиломатериале, уменьшается по экспоненциальному закону -e^2αZ, где α - постоянная затухания материала (коэффициент затухания). Следовательно, зоны материала, расположенные ближе к излучателю, получают большее количество энергии, а значит, и сильнее нагреваются.

Однако для высококачественной сушки древесины необходимо иметь как можно более равномерное температурновлажностное поле во всем объеме штабеля. Показатель затухания электромагнитной энергии является сложной функцией, зависящей в основном от содержания влаги, температуры, плотности древесины и направления вектора напряженности электрического поля. Для диэлектрика с малыми потерями (tgδ≤1) величина α приближенно определяется из выражения [3]:

(1)

где λ₀ - длина волны (при заданной частоте излучения) в свободном пространстве;

ε₀ - относительная диэлектрическая проницаемость;

tgδ - коэффициент диэлектрических потерь.

Как видно из выражения (1), α обратно пропорциональна λ₀. Поэтому с увеличением частоты излучения глубина проникновения в материал электромагнитной энергии уменьшается. При этом изменение температуры (град./с) в направлении распространения электромагнитных волн выражается в виде [1]:

(2)

где Р - мощность, поглощаемая материалом;

с - удельная теплоемкость материала;

ρ - плотность материала.

Если предположить, что электрическое поле во всем объеме материала однородно, то для нагрева материала массой m на ∆T град. [3] необходима мощность (кВт):

Р = 4,186*с*m*∆T

Затухание электромагнитных волн принято характеризовать относительным уменьшением энергии на единицу длины (погонное затухание). Следует отметить, кроме того, что α зависит от поляризации электромагнитной волны. Минимальное погонное затухание имеют волны, вектор поляризации электрического поля которых расположен вдоль штабеля.

Для аналитических расчетов погонного затухания микроволновой энергии по ширине штабеля была разработана математическая модель, учитывающая влажность древесины, частоту энергии, а также толщину досок и прокладок [4]. В этой модели матрицы передачи слоя, заполненного диэлектриком (древесиной), использованы для расчета матрицы передачи многослойного волновода с волнами типа Le_оп и Lm_оп. Для расчета дисперсии такого волновода сначала диэлектрические потери принимаются равными нулю и определяется исходная величина α. Затем она используется в расчете величины а для материала с потерями. Дисперсионное уравнение для такого материала решается методом оптимизации.

С целью выявления адекватности методики расчета были проведены эксперименты, моделирующие процессы, возникающие в реальном штабеле пиломатериалов. Расчетные и экспериментальные значения показателя затухания энергии в штабеле пиломатериалов в зависимости от толщины прокладок, влажностного состояния древесины и частоты микроволнового излучения приведены в таблице.

В эксперименте использовались сосновые доски толщиной 20 мм. Сухие доски имели среднюю влажность 10 - 12%, а сырые - 60 - 65%. Как видно из таблицы, на частоте 915 МГц при любой толщине прокладок экспериментально выявленный показатель затухания энергии несколько меньше расчетного и довольно значительно снижается с увеличением толщины прокладок. На частотах 460 и 2450 МГц расчетные значения несколько меньше экспериментальных - что, вероятно, обусловлено существенно иным (в сравнении с первым вариантом) распределением электромагнитных полей в испытательных камерах.

На каждой из трех частот в эксперименте использовались разные камеры. В испытательной камере существуют электромагнитные волны разной поляризации. При малой толщине прокладок в глубь штабеля проникают в основном такие электромагнитные волны, вектор поляризации которых Е расположен в плоскости, параллельной доскам штабеля. Поэтому в эксперименте с увеличением толщины прокладок наблюдается снижение величины затухания.

Чтобы обеспечить требуемую равномерность температурного поля, величина а в штабеле пиломатериалов не должна превышать 2 дБ. При одностороннем облучении на частоте 460 МГц такому условию удовлетворяет штабель шириной не более 500 мм, на частоте 915 МГц 380 мм, а на частоте 2450 МГц - 110 мм. При двустороннем облучении ширину штабеля можно увеличить в 2 раза и более.

Выводы

1. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать показатель затухания микроволновой энергии в штабеле пиломатериалов.
2. Выполнена экспериментальная проверка адекватности математической модели во всех диапазонах промышленных частот.
3. Определены диапазоны рабочих частот установок для сушки пиломатериалов.
4. Разработаны рекомендации по укладке пиломатериалов в штабель для сушки в установках СВЧ.
5. Требуемая равномерность температурного поля на частоте 2450 МГц наблюдается до глубины 110 мм. Следовательно, частоты этого диапазона целесообразно использовать только в конвейерных установках для сушки единичных досок.
6. Наиболее перспективными для сушки пиломатериала, сформированного в штабель, являются частоты 460 и 915 МГц.
7. В установках с номинальными значениями частоты 915 и 460 Мгц штабель предпочтительно формировать на прокладках толщиной 60 и 40 мм соответственно.

Список литературы.

1. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности / Под ред. Э.Окресса. М.: Мир, 1971. Т.2.
2. Пат. 2056601 РФ, МКИ 6 F26 В 3/347 с приоритетом от 22.01.93. Установка непрерывного действия комбинированной сушки пиломатериала / ВЛ.Галкин, В.НТромыко, В.А.Ашмарин. - 1996. - Бюл. № 8.
3. Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот. - М.: Энергия, 1968.
4. Егоров Ю.В. Частично заполненные прямоугольные волноводы. М.: Советское радио, 1967. - С. 4757.