Дослідження сушіння деревини в електромагнітному полі надвисокої частоти з урахуванням її діелектричних властивостей

Abstract

The article investigates the wood drying process in a high-frequency electromagnetic field, with a focus on the physical mechanisms of dielectric heating and the modeling of heat and mass transfer. The work analyzes the operating frequency ranges defined by international standards for industrial processing and the peculiarities of electromagnetic field interaction with moisture in wood. The mechanisms of dipolar, induced, and interfacial polarization, which determine the efficiency of converting electromagnetic energy into heat, are discussed. Theoretical part is based on the derivation and analysis of equations for polarization, complex dielectric permittivity, loss tangent, as well as the dependence of effective dielectric losses on moisture content and material conductivity. The derived relationships allow the calculation of the average power absorbed by the wood volume, currents in the lossy system, as well as power density and system heat capacity. The experimental section focuses on the analysis of moisture migration during drying. It is shown that during the constant-rate phase, capillary transport dominates under the influence of pressure differences, as in the falling-rate phase, moisture transfer becomes diffusion-driven. As moisture content decreases, the dielectric loss coefficient reduces, complicating further heating. Modeling confirms that microwave drying ensures a uniform distribution of temperature and moisture, minimizing the risk of cracking and deformation. Additionally, results comparing multimode applicators of different generations are presented, demonstrating improved field uniformity and heat distribution, which is confirmed by infrared imaging and numerical models. An adaptive control system based on the dielectric properties of wood is proposed, allowing real-time regulation of magnetron power. The results indicate that high-frequency drying significantly reduces process duration, preserves the natural color of wood, decreases biological damage, and ensures uniform moisture distribution. This makes the technology a promising alternative to traditional methods, especially for thick lumber and combined vacuum modes.Досліджено процес сушіння деревини в електромагнітному полі надвисокої частоти, з акцентом на фізичні механізми діелектричного нагрівання та моделювання тепломасообміну. Проаналізовано діапазони робочих частот, визначені міжнародними стандартами для промислової обробки, та особливості взаємодії електромагнітного поля з вологою в деревині. Розглянуто механізми дипольної, індукованої та міжфазної поляризації, що визначають ефективність перетворення електромагнітної енергії в теплову. Теоретична частина базується на аналізі рівнянь для поляризації, комплексної діелектричної проникності, тангенса втрат, а також залежності ефективних діелектричних втрат від вологості та провідності матеріалу. Співвідношення дозволяють розрахувати середню потужність, що поглинається об’ємом деревини, струми в системі з втратами, а також щільність теплової потужності та теплоємність системи. Експериментальна частина зосереджена на аналізі міграції вологи під час сушіння. Показано, що у фазі постійної швидкості домінує капілярний транспорт під впливом різниці тисків, тоді як у фазі зниження швидкості вологоперенесення стає дифузійним. Зі зниженням вологості спостерігається зменшення коефіцієнта діелектричних втрат, що ускладнює подальше нагрівання. Моделювання підтверджує, що надвисокочастотне сушіння сприяє рівномірному розподілу температури та вологості, мінімізуючи ризики тріщиноутворення й деформацій. Додатково подано результати порівняння багатомодових аплікаторів різних поколінь, де показано підвищення рівномірності поля та теплового розподілу, що підтверджується інфрачервоними зображеннями й числовими моделями. Запропоновано адаптивну систему керування на основі діелектричних параметрів деревини, яка дозволяє регулювати потужність магнетронів у реальному часі. Отримані результати свідчать, що надвисокочастотне сушіння забезпечує значне скорочення тривалості процесу, збереження природного кольору деревини, зменшення біопошкоджень і рівномірний розподіл вологи. Завдяки цьому технологія є перспективною альтернативою традиційним методам, особливо для товстих пиломатеріалів і комбінованих вакуумних режимів.