Электрокинетическая сушка пиломатериалов при энергетическом воздействии скрещенных электрических и магнитных полей

АННОТАЦИЯ

Представлен электрокинетический способ обезвоживания и сушки древесины с учетом ее капиллярной структуры за счет электрического воздействия различных электрических полей: постоянные, переменные, скрещивающиеся, с использованием физико-химических эффектов электрокинетических явлений.

ABSTRACT

The electrokinetic method of dehydration and drying of wood is presented taking into account its capillary structure by means of electrical action of different electric fields: fixed, variable, crossed, with the use of physical and chemical effects of electrokinetic phenomena.

Технологическая операция сушки древесины предназначена для преобразования природного сырья в материал широко потребляемый деревоперерабатывающей промышленностью и в быту. При этом преследуются цели по коренному улучшению ее биологических, физико-механических, технологических и потребительских свойств товарной древесины.

Об актуальности и значимости данной технологической операции в деревообрабатывающей промышленности говорит и экономическая составляющая, где затраты на сушку древесины составляют около 60% стоимости уже как промышленного материала. Определяющим критерием сушки является процесс внутреннего влагопереноса. Экономическая эффективность данного процесса во многом может быть решена за счет интенсификации удаления влаги из древесины посредством различных способов обезвоживания, обеспечивающих за счет механического и теплового воздействия эффективность сушки древесины.

Начало нового века определило новые тенденции в лесосушильной отрасли. Острая конкуренция среди зарубежных производителей лесосушильных камер, новые разработки в области сушки лесоматериалов.

В последнее время наблюдается некоторый подъем в области научных исследований, связанных с сушкой древесины. Такие исследования проводятся в Московском государственном университете леса (МГУЛ), Санкт-Петербургской лесотехнической академии (С-ПбЛТА), Уральском лесотехническом университете (УЛТИ), Архангельском государственном техническом университете (Арх. ГТУ), Государственном научном центре лесопромышленного комплекса (ГНЦ ЛПК), Но в тоже время необходимо отметить отсутствие координации научных исследований в области сушки древесины. Работы ведутся разрозненно, не выделены приоритетные направления по созданию современных отечественных лесосушильных камер, не отработаны каналы связи и экономические механизмы передачи результатов научных разработок производителям лесосушильной техники [1].

Подбор оборудования и оценку вариантов построения технологического процесса сушки пиломатериалов необходимо производить с учетом анализа следующих критериев: применяемые способы обезвоживания; виды энергетических воздействий; энергоэффективность оборудования и методов сушки; автоматизация процесса сушки; простота и доступность в эксплуатации.

Безусловно, в современном мире вопрос роста производительности химико-технологических процессов (ХТП) и продвижение инновационных энергоресурсосберегающих технологий сушки может быть решен только опосредованно через решение инновационных научных и технических задач, по продвижению инновационных энергоресурсосберегающих технологий. На базе чего, разработка и трансфер инновационных эффективных технологических способов и приемов решения задач экономического развития отрасли путем снижения энергоемкости и материалоемкости процессов воздействия на агент сушки есть та основа увеличения производительности оборудования и снижение энергозатрат.

Исходя из анализа методик обезвоживания древесины сведена классификация способов сушки древесины, что представлено в виде структурированной схемы способов обезвоживания древесины (рисунок 1)

Рисунок 1. Способы обезвоживания древесины

Результаты проведенного анализа свидетельствуют о том, что существующие способы оказывают существенное влияние на процессы взаимодействия обрабатываемой среды с видом воздействия, зарождая и трансформируя различные физико-химические эффекты. Эти процессы идут во изменение физико-химических свойств фаз и содержащихся в них включений с возможностью активации их поверхности взаимодействия, в результате их реализация приводят к изменению энергетического состояния обрабатываемой среды. Изменения, характерные для каждого энергетического воздействия и используются в различных способах сушки древесины, так можно констатировать, что исходя из их энергоэффективности приоритет принадлежит электрокинетическому способу, который заключается как раз в использовании физико-химических эффектов электрокинетических явлений.

Рассматривая капиллярную структуру древесины, существование на границе раздела фаз двойного электрического слоя (ДЭС) дает представление о механизме электрокинетических явлений в капилярнопористой структуре. Диполи способны ориентироваться по отношению к межфазной границе , что и дает представление о механизме формирования ДЭС. Избыточное количество ионов одного знака определяет заряд слоя и может продуцировать диффузные слои при распространении вглубь фаз, на всю массу жидкости, заполняющую капилляры. При воздействии электрического поля ионы сформированного диффузного слоя приходят в движение, и увлекаеют при этом в виду внутреннего трения всю жидкость капилляра. Вследствии такого физического эффекта осуществляется влагоперенос.

Электрокинетическое обезвоживание характеризуется количеством перенесенной жидкости в зависимости от тока, а от сечения капиллярной системы и длины капилляров не зависит, но возрастает с уменьшением концентрации электролита. Движение жидкости через капилляры или пористые диафрагмы при наложении внешнего электрического поля - это электроосмос, как одно из основных электрокинетических явлений. Электроосмотические методы широко используют при осушении стен подвалов и заболоченных участков.

Применение электроосмоса для обезвоживания древесины впервые исследовалось еще А.А.Власовым и Н.А.Крыловым, что дало основание говорить о низкой эффективности электрокинетического обезвоживания для заключения о неэффективности электрокинетического обезвоживания. Однако последние исследования говорят о достойной конкурентоспособности электрокинетической сушки другим современным способам сушки древесины.

Использование электротехнологий возможно ввиду силового действия электрических полей различной структуры: постоянные, импульсные, переменные, скрещивающиеся [2]. Сам ХТП подразделяется на две группы процессов, и наблюдаются следующие эффекты:

- электродиализ, электроосмос – фактор силового действия поля - сушка, экстракция, кристаллизация -  как интенсифицирующий фактор действия электрического поля.

Исходя из основополагающих характеристик воздействия электромагнитных полей подразделяются:

- по частоте (промышленной высокой, сверхвысокой);

- по напряжению, силе тока и длительностью воздействия.

Воздействие электрического поля на дипольные молекулы жидкостей и газов продуцирует пондеромоторные силы, вызывающие на границе раздела силовое действие F = E²(ε₁-ε₂)S/2. При этом их направление,  определяется разностью диэлектрических проницаемостей сред (ε1-ε2) . Силовое значение прямо пропорционально квадрату напряженности внешнего поля (E²) и значению активной поверхности фаз (S)[2].

Прохождение электрического тока через растворы электролитов приводит к электролизу, разложению воды. В капиллярно-пористых телах коллоидные системы подвергнуты воздействию электротехнологического влияния, наблюдается ряд электрокинетических процессов (электрофорез, электроосмос, электродиализ, электрокоагуляция, ионофорез). Непосредственное прохождение электрического тока по обрабатываемому материалу способствует их нагреву и пробою при высоких напряжениях.

Таким образом, характерными эффектами взаимодействия электрического поля с обрабатываемой средой можно кратко характеризовать по их направлениям реакции сред:

- разделение сред – электросепарация;

- перенос частиц – электрофорез;

- перемещение жидкости вдоль стенок капилляра - электроосмос;

- генерация ударных волн - эффект Юткина;

- сближение и укрупнение взвешенных частиц - электрокоагуляция;

- химические превращения - электролиз;

- выделение тепла - электронагрев.

Магнитное воздействие - аналогично электрическому и характеризуется изменениями электрических и механических характеристик агента воздействия.

Эффектами взаимодействия магнитного поля с обрабатываемой средой по направлениям ее реакции как:

- увеличение теплопроводности среды - эффект Риги-Ледюка;

- разделение сред по магнитной проницаемости - магнитосепарация;

- движение электропроводной жидкости в магнитном поле - магнитогидродинамический эффект;

- изменение свойств путем омагничивания - магнитофизикохимические эффекты.

Электротехнологии прежде всего, подразумевают электрическое и магнитное воздействия вызывающие классические физико-химические эффекты в капиллярах древесины определяющие процесс влагопереноса и влагоудаления.

Таким образом, необходимо выделить приоритетные направления научных и опытно-конструкторских разработок в области сушки древесины, найти формы их координации и экономические механизмы передачи результатов производителям лесосушильной техники. Эти работы должны акцентироваться на разработку модуля для создания гаммы лесосушильных камер, отвечающих специфики лесных районов России. Наиболее эффективны и востребованы в настоящее время вакуумные сушки. Сравнительные характеристики даны в таблице 1.

Таблица 1

Характеристики вакуумных сушилок

В предлагаемом варианте для устранения напряжения между внутренним и внешними слоями древесины, технологически создаем электрические поля определенной конфигурации, при определенных энерго-временных параметрах, что позволит максимально выполнить условие влагообмен = влагопереносу, и следовательно, сушка будет проходить без напряжений и деформаций. Рассмотренный механизм осуществляется за счет того, что в установке реализуются принципы электрокинетической сушки, поляризации и разделения зарядов, при этом в обрабатываемой среде протекают физико-химические процессы, определяющие влагоперенос и влагообмен, характеризующихся рядом эффектов (электросепарация, электрофорез, электроосмос, эффект Юткина, электрокоагуляция, электрохимические, эффект Риги-Ледюка, магнитохимические, и др. эффекты).

Применение предлагаемой технологии позволит вести значительную экономию электроэнергии до 25-80 раз от существующих энергозатрат современных установок сушки древесины, что безусловно скажется на снижение себестоимости деловой древесины, т.к. сушка в структуре себестоимости деловой древесины составляет до 60% стоимости. Снижение транспортных издержек и влияние их на стоимость древесины ввиду возможности размещения сушильных установок непосредственно в месте лесозаготовок. Снятие напряжений и деформаций во время сушки, это значительное повышение качества деловой древесины и изделий из нее, и как следствие рост рынка отечественной продукции.

Технический результат достигается посредством электротехнологического устройства, содержащее систему электродов, систему источников напряжения и сам осушаемый материал. Устройство работает по принципу электроосмотического насоса, который состоит из регулируемого по амплитуде и частоте высоковольтного источника питания (ВИП), самого осушаемого материала (капилярнопористое вещество – как основная часть электроосмотического насоса), и системы электродов, присоединенных к ВИП. Чтобы устройство обеспечивало адсорбирование и эвакуацию продуктов процесса влагообмена и влагопереноса (холодного пара или жидкости) требуется как компановочное решение так и схемное решение по организации синхронизации и автоматизации процесса.