Моделирование процессов высокочастотной сушки деревянных опор в вакуумной камере

ЦЕЛЬ. Длительность срока эксплуатации деревянных опор, применяемых на линиях электропередач напряжением до 35 кВ, зависит от качества проведения сушки и последующей пропитки пиломатериала. Сушка заготовок опор в настоящее время осуществляется атмосферным или конвективным способами и является наиболее продолжительным и одним из энергозатратных этапов их производства. В тоже время, существуют перспективные электротехнологические сушильные установки, позволяющие сократить длительность и повысить качество процесса при сопоставимых удельных энергозатратах. К таким установкам следует отнести вакуумные высокочастотные комплексы, широкое внедрение которых осложнено рядом нерешенных научно-технических задач: оптимизацией процесса вакуумно-высокочастотной сушки и обеспечением равномерности электромагнитного поля в заготовках большой длины. Целью данной статьи является получение математического инструментария, позволяющего одновременно описать перекрестное влияние электромагнитных явлений и процессов тепломассопереноса в длинномерном пиломатериале и способствующего дальнейшему решению указанных проблем. МЕТОДЫ. Использованы положения теории электромагнитного поля, тепломассопереноса и тепломассообмена, методы математического моделирования, учтены результаты ранее проведенных исследований в области распределения электромагнитного поля в поперечном и продольном сечениях загрузки рабочей камеры. РЕЗУЛЬТАТЫ. Получена одномерная математическая модель, отражающая влияние волнового характера распределения параметров электромагнитного поля по длине заготовок опор и параметров внешней среды на температуру и влагосодержание материала, отличающаяся возможностью применения простых алгоритмов анализа систем дифференциальных уравнений на основе метода конечных разностей и требующая меньшего количества исходных данных о свойствах высушиваемого материала. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Полученные результаты численного исследования с помощью предложенных модели и методики ее анализа сопоставлены с имеющимися экспериментальными данными, на основе чего сделан вывод об адекватности и большей её эффективности, по сравнению с другими существующими моделями вакуумно-высокочастотной сушки. Дальнейшее использование представленного математического аппарата для оптимизации конструкции и режимов вакуумных высокочастотных комплексов под задачи сушки заготовок деревянных опор позволит в целом повысить надежность воздушных линий электропередач.

1. Гатиятов И.З., Сабитов Л.С. Способы и установки контроля опор из трубчатых стержней, применяемых в энергетическом строительстве при воздействии на них статических и динамических нагрузок // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018. Т.20. № 5-6. С. 93-101.

2. Гатиятов И.З., Сабитов Л.С. Разработка методики и специального стенда ИС-1 для испытания опор контактных сетей электрического транспорта // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017. Т.19. № 1-2. С. 152-163.

3. Медведев И.Н. Разработка технологии и оборудования для получения заготовок шпал и опор линий электропередач из модифицированной древесины // Лесной вестник / Forestry Bulletin. 2018. Т. 22. № 6. С. 102–109.

4. Тимербаев Н.Ф., Сафин Р.Г, Зиатдинова Д.Ф., Степанова О.Т. Конвективная сушка дисперсных материалов перед термохимическим процессом переработки // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т.21. № 5. С. 29-37.

5. Галкин В.П., Курышов Г.Н., Косарин А.А., Моисеев С.А., Деянов Д.И. Сушка крупных пило- и лесоматериалов // Лесной вестник/ Forestry Bulletin. 2018. Т. 2. № 2. С. 59-68.

6. Mohd-Jamil A.W., Zairul A.R. Mechanical Properties of Timber Dried Using Radio FrequencyVacuum System. In: Pradhan B. (eds) GCEC 2017. GCEC 2017. Lecture Notes in Civil Engineering, V. 9. Springer, Singapore. 2017. P. 185-192.

7. Zhao, X., Lee C. (2020). Characteristics of radio -frequency/vacuum combined with mechanical press drying of heavy softwood timbers with longitudinal kerf. Holzforschung , 2020. V. 75. № 1. P. 48–55.

8. Качанов А.Н., Коренков Д.А. Выбор способа сушки древесины по критерию себестоимости // 11 международная научно-практическая интернет-конференция «Энерго- и ресурсосбережение - 21 век». г.Орел, 2013. С. 211-213.

9. Boldor D.А., Sanders Т.Н., Swartzel K.R., Farkas B.E. Model for temperature and moisture distribution during continuous microwave drying // J. of Food Process Engineering. 2005. V. 28. P. 68-87.

10. Марков A.B., Юленец Ю.П. Механизм массопереноса в высокоинтенсивных процессах сушки при наличии внутренних источников тепла // Теор. основы химической технологии. 2002. Т. 36. № 3. С. 268-274.

11. Комаров В.В. Формулировки математических моделей процессов взаимодействия электромагнитных волн с диссипативными средами в СВЧ-нагревательных системах // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2010. Т.13. № 4. С. 57-63.

12. Younsi R., Kadem S., Lachemet A., Kocaefe D. Transient analysis of heat and mass transfer during heat treatment of wood including pressure equation. Thermal Science. 2015. V. 19. № 2. P. 693-702.

13. Горешнев М.А., Казарин, А.Н., Алексеев М.В. Моделирование тепломассопереноса древесины при нагреве в камере с пониженным давлением // Современные техника и технологии: Cборник трудов XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 2010. Т. 3. С. 172 -173.

14. Синютин Е.В., Юленец Ю.П. Автоматизированная система управления оптимальным режимом сушки древесины в высокочастотном электрическом поле // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2008. №8. С. 1-7.

15. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Сафин Р.Г. Математическая модель процесса конвективной сушки пиломатериалов в разреженной среде // Лесной журнал. 2006. № 4. С. 64-71.

16. Chai Hao-jie, Zhao Jing-Yao, Cai Ying-Chun. An analysis of heating uniformity in wood high-frequency drying. Wood and Fiber Science. 2018. Vol. 50. № 3. P. 337-345. DOI: 10.22382/wfs-2018-032.

17. Качанов А.Н., Коренков Д.А. Описание электромагнитного поля в плоском конденсаторе при высокочастотном нагреве длинномерных диэлектриков // Вестник КрасГАУ. 2016. № 10(121). С. 137-143.

18. Качанов А.Н., Коренков Д.А. Математическая модель распределения электромагнитного поля в длинных плоских конденсаторах с диэлектриком из древесины // Промышленная энергетика. 2016. № 9. С. 23 -27.

19. Jia, X. Radio frequency vacuum drying of timber. Mathematical model and numerical analysis [Text] / X. Jia, J. Zhao, Y. Cai // BioResources. 2015. V. 10(3). P. 5440-5459.

20. Koumoutsakos A., Avramidis, S., Hatzikiriakos, S. Radio frequency vacuum drying of wood. I. Mathematical model. DRYING TECHNOLOGY. 2001 V. 19(1). P. 65-84.

21. Liu H.H., Yang L., Cai Y., Hayashi K., Li K. Distribution and variation of pressure and temperature in wood cross section during radio-frequency vacuum (RF/V) drying [Text] // Bio Resources. 2014. V. 9. № 2. P. 3064-3076.