ВАКУУМНО-ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СУШИЛКА ДРЕВЕСИНЫ Российский патент 1999 года по МПК F26B3/347 F26B5/04 

Изобретение относится к области использования энергии электромагнитных колебаний в сочетании с вакуумом для нагрева и сушки диэлектрических материалов, а именно древесины, и может быть использовано в деревообрабатывающей, химической промышленности, в сельскохозяйственном производстве, медицине и т.д.

Электромагнитные сушилки, например микроволновые, выполняются, как правило, комбинированными в том смысле, что электромагнитная энергия используется для компенсации потерь тепла, идущего на нагрев древесины и использование влаги, а вынос влаги из зоны нагрева осуществляется сухим горячим воздухом. Являясь перспективными в отношении качества продукции, скорости сушки, удобства эксплуатации микроволновые сушилки древесины остаются достаточно энергоемкими, поэтому возникает проблема повышения их эффективности. Известна микроволновая сушилка (см. А.С. СССР 647898, опубл. 15.02.79), в конструкции которой заложена попытка повысить эффективность сушилки за счет обеспечения более равномерного нагрева материала в осевом и радиальном направлениях. В камере круглого сечения возбуждается волна основного типа H₁₁. Вводы энергии, связанные с несколькими источниками СВЧ-энергии, смещают по боковой поверхности камеры на угол от 30^o до 90^o относительно друг друга. Для уменьшения уровня паразитного электромагнитного излучения в торцах камеры выполнены запредельные для волны H₁₁ конусы. Для удаления выделяющейся при нагреве материала влаги камера продувается горячим воздухом. Улучшая равномерность нагрева за счет расположения возбуждающих волноводов в разных местах камеры, данная конструкция обладает рядом недостатков. Среди них - взаимное влияние вводов СВЧ-энергии и безвозвратные тепловые потери за счет выброса воздуха за пределы камеры.

Известны комбинированные, так называемые, вакуумно-диэлектрические сушилки, в которых сушка осуществляется при пониженном давлении за счет диэлектрических потерь электромагнитной энергии высокочастотного (ВЧ) диапазона в древесине. Использование вакуума позволяет снизить рабочую температуру режима сушки. При этом снижаются энергозатраты и улучшается качество сушки.

В вакуумно-диэлектрической сушилке (см. А.И.Расев. Сушилка древесины - М. : Высш. шк., 1990 - 224 с.), взятой нами за прототип, сушка ведется при температурах 52......60^oC при глубине вакуума 0,08-0,085 МПа. Расход теплоты на нагревание древесины и испарение из нее влаги компенсируется энергией высокочастотного электромагнитного поля. В сушилках этого типа штабель древесины размещают между обкладками конденсатора ВЧ-установки, размещенными внутри герметичной сушильной камеры. Обкладки конденсатора являются устройством ввода ВЧ-энергии в сушильную камеру. Сам ВЧ-генератор размещен снаружи камеры. Сушилка снабжена конденсатором пара, системами подачи холодной воды для конденсации испарившейся влаги и слива конденсата, вакуумным насосом. Часть испарившейся из древесины влаги в виде пара отсасывается из сушилки вакуумным насосом через конденсатор (не путать с конденсатором ВЧ-установки), а часть влаги конденсируется на внутренней поверхности ограждений (стенке) камеры или специальном теплообменнике и может удаляться в жидкой фазе. Благодаря тому, что сушка идет в среде пара высокой степени насыщенности процесс характеризуется малыми перепадами влажности по толщине сортимента и малыми внутренними напряжениями в них. При несомненных преимуществах перед традиционными сушилками вакуумно-диэлектрическая сушилка имеет ограничения по предельному уровню ВЧ-мощности, подводимой к высушиваемому материалу, обеспечивающему необходимую плотность поглощаемой в нем мощности и объемную плотность тепловыделения. Ограничение обусловлено тем, что максимально достижимый уровень напряженности электрического поля, определяющий величину поглощенной мощности, ограничивается электрической прочностью среды. Превышение электрическим полем уровня пробивной напряженности приводит к возникновению ВЧ-разряда и потере на нем ВЧ-мощности.

Таким образом, по-прежнему остается актуальной задача разработки комбинированной вакуумной электромагнитной сушилки древесины с повышенным уровнем удельной мощности (энергии) электромагнитного поля, передаваемой высушиваемому материалу. Последнее равнозначно повышению эффективности сушилки и, собственно, самого процесса сушки. Предлагаемая для решения этой задачи вакуумная электромагнитная сушилка, как и прототип, содержит: генератор электромагнитной энергии, устройство ввода энергии в сушильную камеру, вакуумный насос, систему конденсации пара.

В отличие от прототипа генератор электромагнитной энергии выполнен сверхвысокочастотным (СВЧ), устройство ввода энергии выполнено в виде четного числа собранных в вертикальную панель прямоугольных волноводов с двумя рядами продольных щелей на одной из широких стенок каждого волновода, при этом щели каждой пары смежных волноводов на их противоположных стенках. Каждый ряд щелей на стенке каждого волновода выполнен с периодом p < λ_в и сдвинут вдоль волновода друг относительно друга на шаг d < λ_в /2, где λ_в - длина волны в волноводе, а панель расположена вертикально по середине камеры на всей ее рабочей длине.

Эффективность сушилки может быть дополнительно поднята за счет несколько иного исполнения устройства ввода энергии. Отличие заключается в том, что прямоугольные волноводы устройства ввода энергии выполнены по меньшей мере двух различных поперечных сечений, попарно чередующимися между собой, подключенными к двум СВЧ-генераторам, при этом щели в каждой разновеликой паре волноводов выполнены на одноименных стенках, являющихся противоположными для смежной пары волноводов. В обоих случаях щели могут быть выполнены как фиксированной, так и переменной длины.

Поскольку мощность, электромагнитного поля в высушиваемом материале и преобразующаяся в тепло пропорциональна частоте, квадрату напряженности электрического поля, коэффициенту диэлектрических потерь, можно предположить возможность получения более высоких плотностей энергии при переходе от высоких частот (ВЧ) к сверхвысоким (СВЧ). Данное обстоятельство является особенно высоким при использовании для сушки пониженного давления, т.к. при этом частотном переходе повышается значение пробивной напряженности электрического поля. Кроме того, поглощение СВЧ-мощности водой, содержащейся в древесине, быстро растет на частотах выше 300 МГц, т.е. в СВЧ-диапазоне.

Конструкция предлагаемой сушилки представлена на фиг. 1, 2, где обозначено:
1 - Сушильная камера;
2 - СВЧ генератор;
3 - Устройство ввода СВЧ-энергии;
4 - Вакуумный насос;
5 - Теплообменная панель;
6 - Конденсатор пара.

Позиции, обозначающие дополнительное оборудование, будут расшифрованы по тексту.

Предлагаемая вакуумно-электромагнитная сушилка состоит из цилиндрической герметичной сушильной камеры 1, в которой размещены теплообменные панели 5 и устройство ввода СВЧ-энергии 3, подключенное к СВЧ-генератору 2, размещенному снаружи сушильной камеры 1. К внутреннему объему сушильной камеры 1 через конденсатор пара 6 подключен вакуумный насос 4 для создания разряжения в сушильной камере 1. Теплообменные панели 5 и конденсатор 6 образуют систему конденсации пара. В состав сушилки входят также система трубопроводов и запорной арматуры для сброса конденсата из сушильной камеры 1, подачи холодной воды в конденсатор пара 6 и охлаждения СВЧ-генератора 2. В нижней части камеры проложен рельсовый путь 7 и организованы каналы 8 для стока сконденсированной влаги. Для загрузки штабеля пиломатериала 9 в сушильную камеру 1 предусмотрены люк 10 с крышкой 11 и четвертьволновым затвором, предотвращающим утечку СВЧ- энергии за пределы камеры и транспортная тележка 12. Для контроля за режимом сушки предусмотрены датчики температуры и давления среды в камере (на рисунке не показаны). Конструкция обоих вариантов устройства ввода СВЧ-энергии 3 более подробно показана на фиг. 3, 4. На фиг. 5 представлен внешний вид отдельного волновода со щелями. На фигурах обозначено:
13 - волновод;
14 - щель;
15 - волновод сечения S₁;
16 - волновод сечения, S₂.

По первому варианту (см. фиг. 3) устройство ввода СВЧ-энергии 3 выполнено в виде вертикальной панели из волноводов 13 одинакового сечения, поставленных на узкую стенку. Каждая пара смежных волноводов 13 выполнена с общей узкой стенкой, что экономит металл. Возможен набор панели из стандартных прямоугольных волноводов. Входы всех волноводов сведены в общий волноводный тракт, посредством которого подключены к СВЧ-генератору 2 за пределами сушильной камеры 1. (На фиг. 3 не показан). По второму варианту (см. фиг. 4) устройство ввода СВЧ-энергии собрано из волноводов 15, 16 различного сечения S₁ и S₂. Волноводы 15 и 16 устройства ввода СВЧ-энергии 3 сведены в два волноводных тракта различного сечения, каждый из которых подключен к своему генератору. Выходные концы волноводов 13, 15, 16 выполнены открытыми. Такое исполнение волноводов продиктовано, двухчастотным режимом сушки, при котором за счет различной глубины проникновения СВЧ-энергии на разных частотах и, возникающей при этом, более сложной интерференционной картины полей в стенках волноводов показана на фиг. 5. Во всех случаях щели выполнены в широких стенках продольными, расположенными попеременно по обе стороны от середины стенки волновода, образуя два ряда. Расстояние между центрами щелей в каждом ряду (период) составляет величину < λ_в, где λ_в длина волны в волноводе соответствующего сечения. Оптимальное расположение щелей по ширине волновода определяется наибольшей интенсивностью излучения из щелей. Для этого необходимо, чтобы щель "резала" линии поперечного тока волновода в зоне их максимальной плотности. Каждый ряд щелей сдвинут относительно другого вдоль волновода на шаг d < λ_в /2. Такое расположение щелей обеспечивает, с одной стороны, режим возбуждения щелей, близкий к синфазному, характеризующемуся суммированием полей излучения от каждой щели, а с другой стороны, позволяет достичь согласования волновода со щелями и реализации режима бегущей волны. В случае точного равенства d = λ_в /2 и одинаковой длины всех щелей l = λ_в /2, где λ_в - длина волны в свободном пространстве, волновод будет представлять собой многощелевую резонансную антенну, работающую в режиме стоячей волны. Правда для этого волновод должен быть дополнительно снабжен короткозамыкателем. Такой волновод-излучатель является узкополосным и для целей сушки малоэффективным.

Более эффективным является волновод-излучатель, в котором щели выполнены переменной длины, увеличивающейся в направлении от входа волновода (от места подключения генератора) к его выходному концу, выполненному открытом на свободное пространство. Все это обеспечивает равномерное распределение СВЧ-энергии по длине волноводов и, соответственно, более равномерный прогрев штабеля древесины. Кроме того, реализуемый в данном случае режим работы волноводов, близкий к режиму бегущей волны, облегчает работу СВЧ-генератора за счет снижения коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) на входе устройства ввода энергии. Последнее продлевает срок службы генератора (магнетрона).

Таким образом, выполнение устройства ввода энергии в целом описанным выше образом обеспечивает более эффективное использование выходной мощности генератора за счет реализации в волноводах-излучателях режима бегущей волны и увеличение относительной доли энергии, идущей непосредственно на нагрев древесины за счет повышения напряженности электрического поля при переходе от ВЧ-диапазона частот к СВЧ; более равномерное распределение СВЧ-энергии по объему штабеля высушиваемого материала за счет использования 2-частотного режима и облучения материала от середины штабеля и, как результат, повышение качества сушки, снижение затрат электроэнергии на сушку 1 м³ древесины, повышение эффективности (КПД) сушилки.

Предлагаемая вакуумно-электромагнитная сушилка работает следующим образом. Подлежащая просушиванию древесина, сформированная в штабель 9, загружается на транспортную тележку 12 и вкатывается в сушильную камеру 1. Закрывается люк 10 крышкой 11 камеры 1. Подается вода в систему охлаждения СВЧ-генератора 2, например магнетрона, после чего включается накал магнетрона, а затем его анодное напряжение. Вводят магнетрон 2 в режим генерации электромагнитной энергии. Через устройство ввода 3 СВЧ-энергия поступает в сушильную камеру 1, облучая штабель 9 от середины в обе стороны и нагревает древесину за счет поглощения энергии в воде, содержащейся в древесине. Испаряемая из древесины влага оседает на поверхности древесины, частично конденсируется на теплообменных панелях 5 системы конденсации пара, охлаждаемых холодной проточной водой, а также накапливается в объеме камеры в виде паровоздушной смеси. Для осуществления процесса собственно сушки и избежания безвозвратных потерь СВЧ-энергии эту влагу необходимо удалять из объема сушильной камеры Часть влаги в жидкой фазе собирается, стекая с панелей 5 системы конденсации пара в каналы 8 и по ним через трубопровод в отстойник за пределами камеры. В основном это происходит во время цикла нагрева. После цикла нагрева, продолжительность которого может изменяться, идет цикл вакуумирования. Включается вакуумный насос 4, который снижает давление рабочей среды до 0,06-0,08 МПа и за счет этого выносит какое-то количество влаги за пределы камеры. Пар, проходя через конденсатор 6, конденсируется и конденсат сбрасывается в отстойник (на чертеже не показан). Снижение давления в камере создает градтент давления водяного пара в пиломатериале 9, под действием которого пар устремляется из внутреннего объема доски к ее поверхности. Кроме того, снижение давления приводит к понижению точки кипения воды в древесине по отношению к точке кипения при нормальном атмосферном давлении. За счет этого в фазе откачки (при выключенном СВЧ-генераторе) еще некоторое количество влаги испаряется из древесины. Чередуя фазы прогрева и откачки, изменяя их относительные продолжительности при непрерывном контроле тепловлажностных характеристик атмосферы камеры и температуры древесины ведут сушку до достижения заданной конечной влажности. При этом реализуется преимущество пониженного давления, позволяющего вести сушку при низких (40...60^oC) температурах, гарантирующих высокое качество сушки, а также преимущества СВЧ-нагрева, обеспечивающего более равномерный и более скоростной, по сравнению с ВЧ-нагревом прогрев древесины по объему штабеля. Этому способствует и расположение устройства ввода 3 энергии по средние сушильной камеры 1 в вертикальной диаметральной плоскости. При таком расположении штабель 9 делится на два полуштабеля таким образом, что облучение пиломатериала СВЧ-энергией происходит из середины штабеля к его внешним краям на обе стороны. Это обеспечивает более равномерное распределение СВЧ-энергии по объему штабеля, что способствует более равномерному просушиванию пиломатериала и снижению вероятности возникновения в нем зон локального перегрева. Кроме того, такое расположение вводов СВЧ-энергии позволяет более полно использовать эту часть СВЧ-энергии, которая прошла через штабель не поглотившись в нем. Это обеспечивается конструкцией предложенной сушильной камеры за счет отражения излученной энергии электромагнитной волны от теплообменных панелей 5 системы сбора конденсата, выполненных вогнутыми и возврата этой части энергии обратно в штабель 9.

Эффективность сушилки повышается также за счет одновременного использования СВЧ-генераторов, работающих на разных частотах. При этом в устройстве ввода СВЧ-энергии 3 используются прямоугольные волноводы различного поперечного сечения. Такое исполнение устройства ввода энергии позволяет достичь более равномерного, по сравнению с одночастотным режимом, распределения энергии по объему штабеля и выравнивания конечной влажности высушиваемого пиломатериала. Этот эффект обусловлен различной глубиной проникновения электромагнитной энергии в древесину на разных частотах и в зависимости от влажности древесины и ее температуры. Так, например, для сосны влажностью W = 22% на частоте 1000 МГц при температуре 20^oC глубина проникновения составляет ≈23 см при ориентации электрической составляющей электромагнитного поля вдоль волокон. В то же время на частоте 2450 МГц этот параметр составляет всего около 5 см. Данный параметр существенно растет при ориентации электрической составляющей поля поперек волокон (см., например, СВЧ-энергетика. Под. ред. Э. Окресса, пер. с англ. под ред. Э.Д. Шпиффера, М., Мир, 1971).

В конкретном примере реализации предложенной вакуумно-электромагнитной сушилки сушильная камера 1 представляет собой металлический цилиндр диаметром 2000 мм и длиной 6000 мм. Один из торцов цилиндра заглушен, а второй выполнен в виде загрузочного люка 10 с крышкой 11, представляющей собой часть сферы, снабженным запором устройством 13 и четвертьволновым СВЧ-изолятором для предотвращения паразитного СВЧ-излучения из сушильной камеры. На внешнюю поверхность камеры нанесен слой теплоизоляции для снижения тепловых потерь камеры. В качестве материалов для изготовления камеры могут быть использованы: сталь, латунь, алюминий. Наиболее подходящим является алюминий. При этом стенки могут быть выполнены многослойными, собранными из листовых панелей, скрепленных силовым каркасом. Устройство ввода СВЧ-энергии 3 выполнено в виде собранных в вертикальную панель четырех алюминиевых волноводов прямоугольного сечения с двумя рядами чередующихся продольных щелей не одной из широких стенок каждого волновода, при этом щели каждой пары смежных волноводов выполнены на их противоположных стенках. Вся панель закреплена консольно в вертикальной диаметральной плоскости камеры, причем длина волноводов равна длине штабеля высушиваемой древесины. Волноводы устройства ввода энергии 3 выведены через глухой задний торец камеры и подключены к магнетронному СВЧ-генератору через делитель мощности, обеспечивающий равномерное распределение мощности по всем 4 волноводам. В качестве генератора используется магнетрон типа М 93 с рабочей частотой 915 МГц, работающий в непрерывном режиме и обеспечивающий уровень выходной мощности 25 кВт. При этом волноводы имеют поперечное сечение 220 х 110 мм².

Поскольку в сушильной камере создается пониженное давление; волноводный ввод от магнетрона в сушильную камеру выполнен вакуумно-плотным, отсеченным от атмосферы диэлектрическим окном, наглухо перекрывающим внутреннее сечение волновода, соединяющего делитель мощности с магнетроном.

Нет принципиальных возражений против использования в данной сушилке магнетрона (магнетронов) с рабочей частотой 2450 Мгц и единичной мощностью 1 кВт или 5 кВт в любом требуемом количестве. При переходе на частоту 2450 МГц необходимо использовать волноводы с поперечным сечением 90 х 45 мм².

При реализации 2-частотного режима используются магнетроны с рабочими частотами 915 МГц и 2450 МГц. В этом случае устройство ввода СВЧ-энергии выполняется в виде вертикальной панели из n-четного количества чередующихся пар, составленных из прямоугольных волноводов сечениями 220 х 110 мм² и 90 х 45 мм² с двумя рядами продольных щелей на одной из широких стенок каждого волновода, при этом щели в каждой смежной паре волноводов выполнены на одноименных стенках, являющихся противоположными для смежной пары волноводов. Как и в первом случае каждый ряд щелей на стенке каждого волновода сдвинут в продольном направлении относительно другого ряда на шаг d < λ_в /2 (половина длины волны в волноводе данного сечения).

Изобретение относится к использованию энергии электромагнитных колебаний в сочетании с вакуумом для нагрева и сушки диэлектрических материалов, а именно древесины, и может быть использовано в деревообрабатывающей, пищевой, химической промышленности, в сельскохозяйственном производстве, медицине и т. д. Сушилка содержит сушильную камеру, СВЧ-генератор, устройство ввода СВЧ-энергии, вакуумный насос, систему конденсации пара, состоящую из теплообменных панелей и конденсатора. Генератор электромагнитных колебаний выполнен сверхвысокочастотным (СВЧ), а устройства ввода СВЧ-энергии в сушильную камеру - в виде панели из прямоугольных волноводов одного или по меньшей мере двух различных сечений с двумя рядами продольных щелей на одной из широких стенок каждого волновода. Каждый ряд щелей на стенке каждого волновода выполнен с периодом p<λ_в и сдвинут вдоль волновода друг относительно друга на шаг d<λ_в/2, где λ_в - длина волны в волноводе, а вся панель расположена вертикально по середине камеры на ее рабочей длине. Щели могут быть выполнены длиной, увеличивающейся от входного конца волновода к выходному. При использовании в сушилке описанного устройства ввода СВЧ-энергии повышается эффективность сушки. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Вакуумно-электромагнитная сушилка древесины, содержащая сушильную камеру, генератор электромагнитной энергии, устройство ввода электромагнитной энергии, систему конденсации пара и вакуумный насос, отличающаяся тем, что генератор электромагнитной энергии выполнен сверхвысокочастотным (СВЧ), устройство ввода энергии выполнено в виде четного числа собранных в вертикальную панель прямоугольных волноводов с двумя рядами чередующихся продольных щелей на одной из широких стенок каждого волновода, при этом щели каждой пары смежных волноводов выполнены на их противоположных стенках, каждый ряд щелей на стенке каждого волновода выполнен с периодом p < λ_в и сдвинут вдоль волновода друг относительно друга на шаг d < λ_в/2, где λ_в - длина волны в волноводе, а вся панель расположена вертикально по середине камеры на ее рабочей длине. 2. Сушилка по п.1, отличающаяся тем, что прямоугольные волноводы устройства ввода энергии выполнены по меньшей мере двух различных поперечных сечений, попарно чередующимися между собой, подключенными к двум СВЧ-генераторам, при этом щели в каждой разновеликой паре волноводов выполнены на их одноименных стенках, являющихся противоположными для смежной пары волноводов. 3. Сушилка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что щели выполнены длиной, увеличивающейся от входного конца волновода к выходному.