СПОСОБ СВЧ-СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F26B3/347 

Изобретение относится к деревообработке и может быть использовано при СВЧ-сушке древесины (пиломатериалов).

Известен способ СВЧ-сушки древесины [1], который заключается в том, что в конвейерную СВЧ-печь с помощью конвейерной ленты непрерывно подают пристыкованные один к другому пакеты пиломатериалов повышенной влажности. Часть пакета, находящуюся в печи, нагревают до температуры не более 80^oC и поддерживают ее постоянной путем изменения скорости конвейера или мощности печи. После выхода очередного пакета из печи его доски (брусья) кладут с зазорами на стеллаж, где их сушат и охлаждают с помощью воздуха. Измеряют влажность древесины. Охлажденные доски (брусья) собирают в пакет и пристыковывают к последнему пакету, вошедшему одним концом в печь. Такой цикл сушки повторяют многократно до достижения требуемой конечной влажности древесины.

Этот способ СВЧ-сушки малопроизводителен, трудоемок и длителен.

Также известна сушильная установка и способ СВЧ-сушки древесины в штабеле [2]. Этот способ принят за прототип изобретения.

На тележку рядами в виде штабеля поэтажно укладывают через прокладки пиломатериал так, чтобы в горизонтальных слоях было одинаковое количество брусков (досок) одинакового сортимента. Тележку со штабелем вкатывают в сушильную камеру. После этого штабель пиломатериала облучают с двух противоположных боковых сторон СВЧ-излучением в направлении нормали (под нулевым углом падения) к его боковым поверхностям.

Известно, что зависимость коэффициента отражения (R) по электрическому полю при нормальном падении (угол падения равен нулю) электромагнитных волн на границу раздела двух сред, одна из которых имеет относительную диэлектрическую проницаемость, равную единице (воздух), а другая ε , определяется по формуле (1):
.

По этой формуле нетрудно рассчитать, что, например, для сырой дубовой доски ( ε = 10) коэффициент отражения равен 0,52. Энергия электромагнитного поля пропорциональна квадрату амплитуды электрического поля. Поэтому от боковой поверхности дубовой доски отразится 27% падающего СВЧ-излучения, большая часть которого рассеится бесполезно и отрицательно скажется на работе СВЧ-генератора, так как в режиме стоячей волны он не может отдать полную мощность. Эти недостатки свойственны прототипу.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение скорости сушки древесины за счет уменьшения отражения СВЧ-излучения пиломатериала, а следовательно, более эффективного использования энергии излучения и обеспечение работы СВЧ-генератора в режиме бегущей волны. Этот результат достигается в четырех вариантах исполнения изобретения. Кроме того, в двух из них обеспечивается еще и равномерность нагрева за счет облучения штабеля пиломатериала с двух противоположных сторон.

Известно [3], что при падении электромагнитной волны на границу раздела двух сред под углом Брюстера, если ее плоскость поляризации параллельна плоскости падения, волна не отражается от этой границы, а вся проходит через границу раздела (фиг. 5). Этот принцип положен в основу настоящего изобретения.

При формировании штабеля в соответствии с изобретением пиломатериал подбирают по сортименту одинаковых геометрических размеров. Поперек платформы кладут прокладки также одинаковых геометрических размеров с постоянным шагом больше длины волны СВЧ-излучения. На прокладки вдоль платформы кладут доски или бруски для просушки с зазорами между ними меньше четверти длины волны Λ/4 СВЧ-излучения. Поперек первого ряда досок кладут второй ряд прокладок. На эти прокладки и вдоль первого ряда досок кладут второй ряд досок так, чтобы внешние края второго ряда совпадали с внешними краями первого ряда. Таким образом набирают штабель нужной высоты (до 1,8 м).

В случае, когда известна диэлектрическая проницаемость древесины и известна ее зависимость от влажности, облучение штабеля ведут с одной или двух его противоположных сторон под углами падения, равными углу Брюстера. Угол Брюстера (θ) определяют по формуле (2):
,
где
ε_эф - эффективная относительная диэлектрическая постоянная материала штабеля.

Эффективное значение диэлектрической проницаемости штабеля ε_эф может быть рассчитано по формуле Лихтенеккера [4]:
,
где
ε = ε(w) - априорно известная диэлектрическая проницаемость древесины и ее зависимость от влажности - w;
V_возд - объем воздуха в штабеле;
V_штаб - объем штабеля.

Окончательно формула для определения угла Брюстера с учетом формул (2) и (3) будет иметь вид (4):
.

Если известна ε и ее изменения от влажности, которую измеряют в процессе сушки, не представляет труда менять угол падения СВЧ-излучения на штабель так, чтобы он оставался от начала до конца процесса равным углу Брюстера, например, путем изменения направления электрической оси излучающей антенны.

В случае, когда диэлектрическая проницаемость древесины неизвестна, облучают СВЧ-излучением одну из сторон штабеля под углом падения, значение которого лежит в интервал от 50 до 70 угл. град., с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной облучаемой поверхности. Принимают той же поляризации излучения, отраженные от облучаемой поверхности штабеля под отрицательным значением того же угла, например, антенной. Изменяют абсолютное значение углов падения и приема в указанном интервале, например, путем изменения положения электрических осей передающей и приемной антенн и добиваются минимального (нулевого) значения интенсивности отраженного излучения. Полученное значение угла падения СВЧ-излучением будет соответствовать значению угла Брюстера для облучаемой поверхности штабеля. В процессе сушки меняется диэлектрическая постоянная древесины ε . С уменьшением влажности ε соответственно уменьшают угол падения СВЧ-излучения так, чтобы отражение от облучаемой поверхности штабеля было минимально, например, путем изменения положения электрической оси передающей антенны.

Сущность изобретения может быть понята из фигур и описания, приведенных ниже.

На фиг. 1 представлен вид на штабель в плане по 1 варианту исполнения изобретения.

На фиг. 2 представлен вид на штабель в плане по 2 варианту исполнения изобретения.

На фиг. 3 представлен вид на штабель в плане по 3 варианту исполнения изобретения.

На фиг. 4 представлен вид на штабель в плане по 4 варианту исполнения изобретения.

На фиг. 5 представлены зависимости модулей коэффициентов отражения электромагнитных волн от плоской границы раздела двух сред, одна из которых - воздух, а другая - диэлектрик с ε = 2,2, от углов падения волн из воздуха на диэлектрик (фиг. 5а) и наоборот, при падении волн на границу со стороны диэлектрика (фиг. 5в).

На фиг.6 представлен вид на штабель в плане в сушильной камере со снятым потолком.

На фиг. 7 представлен вид на штабель сбоку.

На фиг. 1-7 введены обозначения:
1 - штабель пиломатериала (древесины);
2 - сушильная камера;
3 - раскрыв передающей антенны;
4 - раскрыв приемной антенны;
5 - пиломатериал (доска или брус);
6 - прокладка;
7 - платформа тележки штабеля.

θ - угол падения, равный углу Брюстера; θ′ - угол падения, не равный углу Брюстера; ϕ - угол преломления при угле падения θ ; ϕ′ - угол преломления при угле падения θ′ .

Штабель 1 собирается из досок или брусьев.

Сушильная камера 2 выполняется из металла.

Антенны могут быть выполнены рупорными в виде открытых концов волноводов или диэлектрическими с раскрывами 3 и 4, обеспечивающими требуемое распределение амплитуды поля СВЧ-излучения на облучаемой поверхности штабеля.

Пиломатериал 5 изготавливается из древесины, которая предназначена для СВЧ-сушки (доски, брусья).

Прокладки 6 могут быть выполнены из сухого дерева любой породы, их толщина должна быть меньше четверти длины волны СВЧ-энергии.

Платформа 7 выполнена из коррозиестойкого материала (нержавеющая сталь, дюралюминий, пластмасса).

Описание первого варианта исполнения изобретения
Согласно изобретению по этому варианту использования способ СВЧ-сушки древесины состоит в том, что пиломатериал одного сортимента укладывают горизонтально рядами с зазором между досками или брусьями (5) меньше четверти длины волны (Λ/4) СВЧ-излучения, которым намереваются облучать древесину. Одинаковые ряды досок или брусьев укладывают друг на друга этажами через поперечные прокладки (6), толщина которых также меньше Λ/4 (фиг. 7). После этого штабель (1) пиломатериала помещают в сушильную камеру (2) (фиг. 6) и облучают СВЧ-излучением одну из его поверхностей под углом Брюстера с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной облучаемой поверхности штабеля 9 (фиг. 1). Угол Брюстера θ определяют по формуле (4). В процессе сушки изменяют угол падения СВЧ-излучения так, чтобы он оставался равным углу Брюстера.

Отличительные признаки изобретения: пиломатериал укладывают горизонтально одинаковыми рядами с зазором между досками или брусьями меньше четверти длины волны (Λ/4/4) СВЧ-излучения; ряды досок или брусьев укладывают друг на друга этажами через поперечные прокладки, толщина которых также меньше (Λ/4/4) ; облучают СВЧ-излучением одну из поверхностей штабеля под углом Брюстера с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной облучаемой поверхности, значение которого определяют по формуле (4); в процессе сушки сохраняют угол падения равным углу Брюстера.

Этот вариант исполнения изобретения может быть использован, когда известна относительная диэлектрическая проницаемость древесины штабеля, которая в зависимости от ее влажности и вида может изменяться от 1,5 (сухая сосна) до 10 (свежеспиленный дуб).

Описание второго варианта исполнения изобретения
Согласно изобретению по этому варианту исполнения способ СВЧ-сушки древесины состоит в том, что пиломатериал одного сортимента укладывают горизонтально рядами с зазором между досками или брусьями (5) меньше четверти длины волны (Λ/4/) СВЧ-излучения, которым намериваются облучать древесину. Одинаковые ряды досок или брусьев укладывают друг на друга этажами через поперечные прокладки (6), толщина которых также меньше (Λ/4/) (фиг. 7), после чего штабель (1) пиломатериала помещают в сушильную камеру (2) (фиг. 6) и облучают его СВЧ-излучением с двух противоположных боковых или торцевых поверхностей под углом Брюстера с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной боковым или торцевым поверхностям штабеля (фиг. 2). Угол Брюстера θ определяют по формуле (4). В процессе сушки сохраняют углы падения равными углу Брюстера путем, например, изменения направления электрических осей передающих антенн.

Отличительные признаки изобретения: пиломатериал укладывают горизонтально одинаковыми рядами с зазором между досками или брусьями меньше четверти длины волны (Λ/4/) СВЧ-излучения; ряды досок или брусьев укладывают друг на друга этажами через поперечные прокладки, толщина которых также меньше (Λ/4/) ; облучают СВЧ-излучением две противополоные стороны штабеля - боковые или торцевые под углом Брюстера с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной облучаемым поверхностям штабеля, а значение угла Брюстера определяют по формуле (4); в процессе сушки сохраняют углы падения равными углу Брюстера.

Этот вариант исполнения изобретения, как и первый, может быть использован, когда известна относительная диэлектрическая проницаемость древесины штабеля и требуется обеспечить равномерный нагрев штабеля с двух сторон.

В случае, когда такие данные отсутствуют, необходимо применять изобретение по третьему или четвертому варианту исполнения.

Описание третьего варианта исполнения изобретения
Согласно изобретению по этому варианту способ СВЧ-сушки древесины состоит в том, что пиломатериал одного сортимента укладывают горизонтально рядами с зазором между досками или брусьями меньше четверти длины волны (Λ/4/) радиоволн, которыми намереваются облучать древесину. Одинаковые ряды досок или брусьев (5) укладывают друг на друга этажами через поперечные прокладки (6), толщина которых также меньше (Λ/4/) (фиг. 7). После этого штабель (1) пиломатериала помещают в сушильную камеру (2) и облучают СВЧ-излучением одну из его поверхностей под углом падения, значение которого лежит в интервале значений от 50 до 70 угл.град., с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной боковым поверхностям штабеля (фиг. 6). Принимают излучения той же поляризации, отраженные от облучаемой поверхности штабеля, под отрицательным значением того же угла (фиг. 3). Изменяют абсолютное значение угла облучения и приема в указанном интервале, например, путем изменения положения электрических осей передающей и приемной антенн и добиваются минимального (нулевого) значения интенсивности отраженного излучения. Полученное значение угла облучения СВЧ-излучением будет соответствовать значению угла Брюстера для облучаемой поверхности штабеля. В процессе сушки изменяют угол падения СВЧ-излучения так, чтобы интенсивность отраженного излучения была минимальна, путем изменения положений электрических осей передающей и приемной антенн.

Отличительные признаки изобретения по третьему варианту исполнения: пиломатериал укладывают горизонтально одинаковыми рядами с зазором между досками или брусьями меньше четверти длины волны (Λ/4/) радиоволн, которыми намереваются облучать древесину; ряды досок или брусьев укладывают друг на друга этажами через поперечные прокладки, толщина которых также меньше Λ/4; облучают СВЧ-излучением одну из поверхностей штабеля под углом падения, лежащим в пределах 50 - 70 угл.град., с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной облучаемой поверхности штабеля; принимают отраженное излучение той же поляризации и от той же поверхности штабеля, но под отрицательным значением угла облучения и добиваются минимального значения интенсивности отраженного излучения путем изменения угла падения и приема; в процессе сушки изменяют угол падения СВЧ-излучения так, чтобы интенсивность отраженного излучения была минимальна.

Описание четвертого варианта исполнения изобретения
Согласно изобретению способ СВЧ-сушки древесины состоит в том, что пиломатериал одного сортимента укладывают горизонтально рядами с зазором между досками или брусьями (5) меньше четверти длины волны (Λ/4/) СВЧ-излучения, которым намереваются облучать древесину. Одинаковые ряды досок или брусьев укладывают друг на друга этажами через поперечные прокладки (6), толщина которых также меньше Λ/4/ (фиг. 7). После этого штабель (1) пиломатериала помещают в сушильную камеру (2) (фиг. 6) и облучают его СВЧ-излучением с одной боковой или торцевой поверхности штабеля под углом падения, лежащим в интервале значений от 50 до 70 угл.град., с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной боковым или торцевым поверхностям штабеля (фиг. 4, сплошные стрелки). Под отрицательным значением угла падения принимают излучения той же поляризации, отраженные от облучаемой поверхности. Изменяют абсолютное значение углов облучения и приема в указанном интервале и добиваются минимального (нулевого) значения интенсивности принимаемого излучения. Значение такого угла облучения будет соответствовать значению угла Брюстера для облучаемой поверхности штабеля. После этого противоположную поверхность штабеля облучают под тем же углом Брюстера (фиг. 4, пунктирные стрелки). В процессе сушки изменяют углы падения СВЧ-излучения на противоположные стороны штабеля так, чтобы они оставались равными углу Брюстера.

Отличительные признаки изобретения по четвертому варианту исполнения: пиломатериал укладывают горизонтально одинаковыми рядами с зазором между досками или брусьями меньше четверти длины волны (Λ/4/) СВЧ-излучения, которым намереваются облучать древесину; ряды досок или брусьев укладывают друг на друга этажами через поперечные прокладки, толщина которых также меньше (Λ/4/) ; облучают СВЧ-излучением боковую или торцевую поверхность штабеля под углом, лежащим в пределах 50 - 70 угл.град., с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной боковым или торцевым поверхностям штабеля; принимают излучение той же поляризации с облучаемой стороны штабеля, но под отрицательным значением этого угла, получают минимальное (нулевое) значение интенсивности принимаемого излучения той же поляризации путем изменения углов облучения и приема; облучают вторую боковую или торцевую поверхности штабеля под тем же углом - углом Брюстера; облучают противоположную боковую или торцевую стороны штабеля СВЧ-излучением под углом Брюстера; изменяют углы падения СВЧ-излучения на противоположные стороны штабеля так, чтобы углы оставались равными углу Брюстера.

Способ СВЧ-сушки древесины состоит в том, что пиломатериал одного сортимента укладывают горизонтально рядами с зазором между досками или брусьями, ряды укладывают друг на друга через поперечные прокладки, после чего сложенный штабель пиломатериала облучают СВЧ-излучением с одной или двух противоположных сторон штабеля. Зазоры между досками или брусьями в рядах и расстояния между рядами в этажах меньше четверти длины волны Λ/4 облучающего штабель СВЧ-излучения. Поверхности штабеля облучают под углом Брюстера θ с поляризацией излучения, параллельной плоскости падения, перпендикулярной облучаемой поверхности, а значение угла θ определяют по формуле:

где ε - диэлектрическая проницаемость древесины; V_возд - объем воздуха в штабеле; V_штаб - объем штабеля, когда известно значение ε Если это значение не известно, то одну поверхность штабеля облучают под углом падения, значение которого лежит в интервале значений от 50 до 70 угл.град., с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной облучаемой поверхности штабеля, принимают излучения той же поляризации, отраженные от облучаемой поверхности под отрицательным значением того же угла, изменяют абсолютное значение угла облучения и приема в указанном интервале и добиваются минимального (нулевого) значения интенсивности отраженного излучения на всем протяжении сушки. Способ позволяет увеличить скорость сушки древесины за счет уменьшения отражения СВЧ-излучения от штабеля пиломатериала. 4 с.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ СВЧ-сушки древесины, состоящий в том, что пиломатериал одного сортимента укладывают горизонтально рядами с зазором между досками или брусьями, ряды укладывают друг на друга через поперечные прокладки, после чего сложенный штабель пиломатериала облучают СВЧ-излучением с одной из его поверхностей, отличающийся тем, что зазоры между досками или брусьями в рядах и расстояния между рядами в этажах меньше четверти длины волны (λ/4) СВЧ-излучения, кроме того, облучают поверхность штабеля СВЧ-излучением с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной облучаемой поверхности, под углом Брюстера θ, значение которого определяют по формуле

где
ε - диэлектрическая проницаемость древесины;
V_возд - объем воздуха в штабеле;
V_штаб - объем штабеля,
причем в процессе сушки угол падения поддерживают равным углу Брюстера путем изменения направления облучения. 2. Способ СВЧ-сушки древесины, состоящий в том, что пиломатериал одного сортимента укладывают горизонтально рядами с зазором между досками или брусьями, ряды укладывают друг на друга через поперечные прокладки, после чего сложенный штабель пиломатериала облучают СВЧ-излучением с двух противоположных сторон, отличающийся тем, что зазоры между досками или брусьями в рядах и расстояния между рядами в этажах меньше четверти длины волны (λ/4) СВЧ-излучения, кроме того, облучают поверхности СВЧ-излучением с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной облучаемым поверхностям, под углом Брюстера θ, значение которого определяют по формуле

где
ε - диэлектрическая проницаемость древесины;
V_возд - объем воздуха в штабеле;
V_штаб - объем штабеля, кроме того, в процессе сушки углы падения поддерживают равными углу Брюстера путем изменения направления облучения. 3. Способ СВЧ-сушки древесины, состоящий в том, что пиломатериал одного сортимента укладывают горизонтально рядами с зазором между досками или брусьями, ряды укладывают друг на друга через поперечные прокладки, после чего сложенный штабель пиломатериала облучают СВЧ-излучением с одной из его сторон, отличающийся тем, что зазоры между досками или брусьями в рядах и расстоянии между рядами в этажах меньше четверти длины волны λ/4, кроме того, поверхность облучают под углом падения 50 - 70 угл.град. с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной одной из боковых или торцевых поверхностей штабеля, принимают излучения той же поляризации, отраженные от облучаемой поверхности штабеля под отрицательным значением того же угла, изменяют абсолютное значение угла облучения и приема в указанном интервале и добиваются минимального (нулевого) значения интенсивности отраженного излучения, в процессе сушки угол падения поддерживают равным углу Брюстера путем изменения направления облучения. 4. Способ СВЧ-сушки древесины, состоящий в том, что пиломатериал одного сортимента укладывают горизонтально рядами с зазором между досками или брусьями, ряды укладывают друг на друга через поперечные прокладки, после чего одну из сторон сложенного штабеля пиломатериала облучают СВЧ-излучением, отличающийся тем, что зазоры между досками или брусьями в рядах и расстояния между рядами в этажах меньше четверти длины волны (λ/4), кроме того, поверхность облучают под углом падения 50 - 70 угл.град. с поляризацией, параллельной плоскости падения, перпендикулярной боковым поверхностям штабеля, принимают излучение той же поляризации, отраженное от облучаемой поверхности штабеля под отрицательным значением того же угла, изменяют абсолютное значение угла облучения и приема в указанном интервале и добиваются минимального (нулевого) значения интенсивности отраженного излучения, под таким же значением угла падения облучают и противоположную поверхность штабеля, в процессе сушки углы падения поддерживают равными углу Брюстера путем изменения направления облучения.