СПОСОБ СУШКИ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ СВЧ-ЭНЕРГИЕЙ Российский патент 2004 года по МПК F26B3/347 

Изобретение относится к технике сушки, в частности к способам сушки пиломатериалов СВЧ-энергией, и может быть использовано в деревообрабатывающей промышленности.

При сушке древесных материалов СВЧ-энергией в сушильную камеру с находящимся в ней сформированным штабелем пиломатериалов подают СВЧ-излучение, создаваемое СВЧ-генераторами.

Процесс сушки осуществляется при подаче в камеру как СВЧ-излучения, так и теплоносителя. Облучение штабеля СВЧ-энергией производят равномерно и преимущественно с противолежащих боковых его сторон, при этом для повышения эффективности сушки и качества высушенного пиломатериала используют различные технологические операции и режимы управления процессом сушки. В техническом решении (см. пат. RU №2099656, кл. F 26 B 3/34, публ. 20.12.97) при сушке пиломатериалов вводят теплоноситель, направление подачи которого относительно высушиваемого штабеля изменяют на противоположное не менее 3-5 раз.

В решении (см. пат. RU №20706943, кл. F 26 В 3/347, публ. 20.12.96) сушку пиломатериалов производят в режиме дозированной подачи СВЧ-мощности с учетом мощности калорифера, обеспечивающего подачу в камеру теплоносителя.

Сушку древесины в соответствии с техническим решением по пат. RU №2116588, кл. F 26 В 3/347 производят в режимах влаготепловой обработки пиломатериалов в камере с учетом подачи в последнюю СВЧ-излучения и теплоносителя.

Известны также технологические процессы сушки пиломатериалов СВЧ-энергии, согласно которым подачу СВЧ-излучения в камеру производят со стороны противолежащих торцов сформированного штабеля пиломатериалов. В этом случае штабель формируют путем определенной расстановки пиломатериалов (см. пат. RU №2101631, кл. F 26 B 3/347, публ. 10.01.98).

Однако эффективность известных технологических процессов сушки пиломатериалов СВЧ-энергией обеспечивается увеличением затратной части этих процессов за счет введения дополнительных энергоемких и материалоемких технологических операций, необходимых для СВЧ-сушки древесины без нарушения ее физико-механических свойств.

При реализации известных процессов сушки древесины СВЧ-энергией используют физические явления, при которых влага в древесине перемещается от зон, более нагретых, к местам более холодным в направлении температурного градиента ΔТ, а также от мест более влажных к местам более сухим (диффузия влаги) в направлении отрицательного градиента влагосодержания ΔV, что требует создания в сушильной камере условий, которые обеспечивали бы равномерность нагрева высушиваемых пиломатериалов для исключения вероятности образования в высушиваемой древесине внутренних и внешних повреждений. Необходимость равномерного нагрева высушиваемых пиломатериалов увеличивает количество СВЧ-излучателей в камере приводит к повышению мощности используемых СВЧ-генераторов. Необходимость соблюдения условий по поддержанию высушиваемых пиломатериалов в процессе сушки в равновесном физическом состоянии по температуре и влажности, как следует из известного уровня техники, увеличивает энерго- и материалозатраты.

Известен также способ сушки пиломатериалов (см. пат. 2061935, F 26 B 3/34, публ. 10.06.96), который выбран в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения. В решении по пат. 2061935 сушку осуществляют путем локального подвода источников СВЧ-излучения к высушиваемому пиломатериалу с последующим их перемещением. Подвод источников излучения производят к средней по длине части высушиваемого пиломатериала с последующим периодическим перемещением источников от середины пиломатериала к его торцам, что предполагает создание в процессе сушки эффекта перемещения влаги как под действием температурного градиента ΔT, так и под действием градиента избыточного давления ΔР, при котором перемещение влаги происходит в направлении понижающегося давления, т.е. от зоны повышенного давления водяного пара, создаваемого во внутреннем объеме материала при локальном его нагреве, в зону пониженного давления. При реализации данного технического решения по сравнению с вышеуказанными техническими решениями уменьшаются энерго- и материалозатраты.

Однако при осуществлении данного процесса сушки интенсивность и эффективность его технологически ограничены параметрами высушиваемых пиломатериалов по их длине и поперечному сечению, что, в частности, подтверждается приведенными в описании изобретения примерами осуществления способа, согласно которым данный процесс сушки целесообразен для стандартизированных малогабаритных пиломатериалов. Указанные обстоятельства объясняются тем, что при сушке длинномерных пиломатериалов увеличивается длина капиллярной системы волокон древесины, а следовательно, и объем содержащейся в них влаги. В результате при осуществлении известного процесса скорость перемещения более вязкой (по сравнению с вязкостью водяного пара) влаги вдоль волокон древесины в направлении от средней по длине пиломатериала зоны к его торцам под действием давления водяного пара снижается. Возможность интенсификации процесса за счет заданного по способу температурного режима нагрева до 160°С нецелесообразна, т.к. при данном температурном режиме возможно разрушение высушиваемой древесины.

Техническая задача изобретения состояла в повышении эффективности сушки пиломатериалов за счет интенсификации процесса и улучшения качества получаемой продукции при локальном воздействии СВЧ-излучения на пиломатериалы и вне зависимости от стандартизированных длин пиломатериалов.

Для решения поставленной технической задачи предложен способ сушки древесины, согласно которому источники СВЧ-излучения локально подводят к высушиваемому пиломатериалу или штабелю пиломатериалов со стороны противолежащих торцов, источники излучения перемещают вдоль высушиваемого материала от торцов к средней их части по длине и при скорости, определяемой соотношением:

где V_ф.д. - скорость фильтрации водяного пара допустимая для заданной породы древесины, см/с;

W_н - заданная начальная влажность древесины, %;

W_к - заданная конечная влажность древесины, %;

ρ_б - заданная базисная плотность древесины, г/см³;

ν - удельный объем пара, см³/г.

при этом скорость фильтрации водяного пара для заданной породы древесины определяют из соотношения:

.

где V_max.лам - максимальная скорость фильтрации водяного пара в заданной породе древесины при ламинарном ее течении, см/с;

k - коэффициент проницаемости древесины, см²;

Р - давление насыщенного водяного пара при заданной максимальной температуре сушки, Па;

μ - динамическая вязкость пара, Па·с;

l - расстояние от торца до излучателя, см.

Согласно изобретению скорость перемещения СВЧ-излучателей вдоль высушиваемых пиломатериалов регулируют.

При реализации изобретения интенсифицируется процесс сушки, улучшается качество сушки независимо от стандартизированной длины высушиваемого пиломатериала, его исходной влажности и поперечного сечения, что обеспечивается за счет создания кипящего слоя влаги, движущегося от торцов высушиваемых пиломатериалов в направлении их центральной по длине зоны. Условие перемещения кипящего слоя влаги достигается заявляемым размещением источников локального СВЧ-излучения и задаваемым скоростным режимом их перемещения, учитывающего исходную и конечную влажности высушиваемых пород пиломатериалов. Возникающее в процессе сушки направление движения кипящего слоя влаги от торцов к центральной по длине зоне высушиваемых пиломатериалов создает оптимальные режимы давления и температуры в зоне внутреннего объема пиломатериалов. Одновременно при повышении давления водяных паров в локальной зоне нагрева пиломатериала увеличивается и их объемное испарение через капиллярную систему древесины и преимущественно в направлении торцов пиломатериалов. Удаление части влаги в виде пара через свободную от влаги капиллярную систему древесины обеспечивает ее “пропаривание”, т.е. режим влаготепловой обработки, при которой происходит снятие остаточных напряжений, а следовательно, уменьшается проявление внутренних и внешних повреждений в пиломатериале, улучшается качество получаемой продукции.

При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений с совокупностью признаков, аналогичных заявляемому способу сушки пиломатериалов СВЧ-энергией, что свидетельствует о наличии в заявляемом способе новизны и изобретательского уровня, соответствующих критериям изобретения. Заявляемый способ может быть реализован при использовании для его осуществления традиционного технологического оборудования, применяемого в промышленности для СВЧ-сушки древесины.

На фиг. 1 изображена схема технологического процесса СВЧ-сушки, на фиг. 2 – график для определения допустимой скорости фильтрации пара.

Способ сушки пиломатериалов осуществляется с использованием для этих целей следующих технических средств:

- сушильной камеры, предназначенной для СВЧ-сушки и размещения в ней штабеля пиломатериалов или щети их, сформированных традиционными методами с использованием диэлектрических прокладок (древесины) или сушильной камеры для индивидуально высушиваемого пиломатериала (последнее с учетом заданных размеров камеры, параметров поперечного сечения высушиваемого пиломатериала);

- СВЧ-излучателей, которыми оснащают сушильную камеру. Подсоединение СВЧ-излучателей к источнику СВЧ-энергии (СВЧ-генераторы) производят с использованием соответствующих средств, в частности волноводов и согласующих устройств. Наличие последних обеспечивает возможность перемещения СВЧ-излучателей, например, посредством электропривода по направляющим путям вдоль камеры (не показано).

В исходном положении СВЧ-излучатели размещают в концевых зонах камеры в соответствии с ориентацией торцевых поверхностей пиломатериалов в камере. Продольные оси излучателей преимущественно ориентируют под острым углом к продольной оси пиломатериалов с вершиной угла между ними, направленной к центральной по длине пиломатериалов зоне, что способствует образованию в локальном внутреннем объеме пиломатериалов кипящего слоя параллельно к торцевым поверхностям.

Для обеспечения съема влаги с торцовых поверхностей пиломатериалов, удаления влаги камера имеет традиционную систему влагосъема, включающую вентилятор и выполненные в камере щели для выхода влаги.

Привод перемещения СВЧ-излучателей электрически связывают с системой поточных влагомеров, например микроволновых влагомеров марки “Микрорадар - 113” (изготовитель НПМП “Микрорадар”, г. Минск). Указанные влагомеры размещают преимущественно по всей длине камеры с выполнением электрической связи их с приводом излучателей по традиционным методам автоматизации технологического процесса.

Сформированный штабель или щеть пиломатериалов подают в камеру и выгружают из нее посредством, например, подвижных тележек.

При подаче СВЧ-энергии через излучатели обеспечивается локальный нагрев внутреннего объема пиломатериалов. СВЧ-излучатели, расположенные со стороны противолежащих торцов пиломатериалов, встречно перемещают в направлении от торцов к центральной зоне по длине пиломатериалов и при скорости, определяемой соотношением:

при этом скорость фильтрации водяного пара для заданной породы древесины определяют из соотношения:

.

При перемещении СВЧ-излучателей в указанных направлениях в локальных внутренних объемах пиломатериалов создается кипящий слой влаги, который поддерживает во внутреннем объеме пиломатериалов избыточное стабильное (по сравнению с атмосферным) давление паровоздушной смеси. Избыточное давление паровоздушной смеси обеспечивает стабильное течение водяного пара в направлении капиллярной системы древесины и преимущественно вдоль ее волокон. В этом случае происходит удаление водяного пара через свободную от влаги капиллярную систему древесины, обеспечивается влаготепловая обработка высушенных внутренних объемов древесины, что стабилизирует равновесное физическое состояние ее по температуре и влажности и уменьшает снижение прочностных характеристик.

При подборе и выборе технологического режима скоростного перемещения СВЧ-излучателей по соотношениям (1) и (2) принимались во внимание известные в теории сушки древесины положения:

- по расчету массы (М) влаги, удаляемой при сушке из 1 м³ древесины с учетом W_н - исходной начальной влажности древесины (до сушки); W_к - задаваемой конечной влажности древесины (после сушки) и средних показателей плотности (ρ_б) древесины (при ориентировочной исходной влажности) с учетом зависимости:

М=ρ_б(W_н-W_к)/100 (кг/м³),

где W_н - исходная начальная влажность древесины, задается по справочным данным для данной высушиваемой породы древесины, %;

W_к - конечная влажность древесины, задается с учетом технологических требований, предъявляемых к высушенной продукции, %;

ρ_б - базисная плотность древесины, задается по справочным данным для соответствующей породы древесины или рассчитывается по известной в теории сушки зависимости ρ_б=G/V (кг/м³),

где G - масса древесины (образца) в абсолютно сухом состоянии;

V - объем образца древесины при влажности более 30%;

- по оценке влияния процесса сушки древесины на ее механические свойства (относительные прочностные показатели на сжатие и растяжение вдоль волокон) в зависимости от температуры (°С) нагревания и времени сушки (час). Учитывалось (см., например, кн. Кречетов И.В. “Сушка и защита древесины”, М.: Лесная промышленность, 1975 г., стр. 78, рис. 31), что прочностные показатели (указанные выше) древесины при температурном воздействии на нее до 120°С и времени сушки в пределах не более 6 час соответствуют технологическим нормам сушки для различных пород древесины;

- по оценке способности пористой среды пропускать жидкость, что характеризует проницаемость древесины и по закону А. Дарси определяется из зависимости Q=kS Δp/μl (3), где Δp - разность давления на концах образца; S - площадь поперечного сечения образца; μ - вязкость жидкости; k - коэффициент проницаемости образца; l - длина образца. При соответствующих преобразований соотношение (3) имеет вид: U=Q/S, из которого следует, что интенсивность течения влаги в пористой среде характеризуется расходом ее на единицу площади сечения образца или скоростью фильтрации. Из ряда работ известно (см., например, кн. Оснач Н.Ф. “Проницаемость и проводимость древесины”, М.: Лесная промышленность, 1964 г., с. 182), что скорость фильтрационного потока вдоль волокон древесины находится в пределах 0,5...8 см/с, что соответствует максимальной скорости фильтрации водяного пара в заданной породе древесины при ламинарном ее течении (V_max.лам);

- по определению необходимой удельной мощности СВЧ-энергии, затрачиваемой на сушку пиломатериалов от исходной начальной влажности до конечной заданной, с учетом заданной температуры сушки, удельной плотности породы древесины и скорости подачи (V_под) СВЧ-излучения. Для того чтобы обеспечить данную скорость сушки, удельную СВЧ-мощность (Вт/см²) определяют по формуле:

,

где C_д - теплоемкость абсолютно сухой древесины, Дж/г·град;

C_в - теплоемкость воды, Дж/г·град;

r - скрытая теплота парообразования, Дж/г;

t_c - заданная температура сушки древесины, °С;

t_н - начальная температура влажной древесины, °С.

Для подтверждения оптимальности соотношений (1 и 2) с учетом заявляемого направлениям перемещения СВЧ-излучателей была проведена экспериментальная проверка по сушке пиломатериалов соответственно при длине их от 1 до 6 м.

При проведении исследований для сушки были выбраны сосновые пиломатериалы, наиболее традиционные для изготовления различной пилопродукции.

С учетом выбранной породы древесины по справочным данным были определены следующие основные показатели:

ρ_б - заданная базисная плотность древесины, 0,42 г/см³;

ν - удельный объем пара - 1675 см³/г;

С_д - теплоемкость абсолютно сухой древесины (не более 10% влажности) - 1,6 Дж/г·град;

С_в - теплоемкость воды - 4,18 Дж/г·град;

r - скрытая теплота парообразования - 2260 Дж/г.

С учетом выбранных для проведения исследований по сушке пиломатериалов были определены и заданы следующие данные:

W_н - начальная влажность древесины - 80%;

W_к - заданная конечная влажность древесины - 10%;

t_н - начальная температура влажной древесины - 20°С;

t_c - температура сушки древесины, не менее 100°С;

V_ф.д. - скорость фильтрации водяного пара, допустимая для заданной породы древесины, равна максимальной скорость фильтрации водяного пара в заданной породе древесины (сосна) при ламинарным течении (V_{max. лам}). Для данной породы (сосна) древесины V_{max. лам} - 8 см/с.

Для получения более точных результатов по определению скорости фильтрации водяного пара, допустимой для конкретного (по анатомическому строению волокон древесины, ее физико-механического состояния) подлежащего СВЧ-сушки пиломатериала, используют методику определения проницаемости древесины (см. кн. Харук Е.В. “Проницаемость древесины некоторых хвойных пород”, Красноярск, 1969 г., с. 10-16). При использовании данной методики посредством стандартизированного прибора (ГОСТ 6336-52) определяют коэффициент (k) проницаемости заданного по длине (1) образца для данной породы древесины. С учетом выбранного образца древесины и его коэффициента проницаемости по соотношению (2) определяют максимальную скорость фильтрации водяного пара при ламинарном течении для заданной температуры сушки. Исследованиями установлено, что для породы древесины сосна V_max.лам зависит как от длины высушиваемого пиломатериала, так и от максимально заданной температуры сушки, см. фиг. 2. Из приведенного на фиг. 2 графика по определению допустимой скорости фильтрации пара следует, что при максимально заданной температуре сушки, например 120°С, V_mах.лам для пиломатериалов длиной до 5,8 м соответствует 8 см/с (точка А). При увеличении длины высушиваемого материала V_mах.лам следует снижать по кривой, соответствующей максимально заданной температуре сушки. Исследованиями, в частности, установлено, что для твердолиственных пород (дуб) V_{max. лам}=0,5-1 см/с.

После проведения исследований по сушке пиломатериалов по заявляемому способу с длиной 1, 3 и 6 м была осуществлена оценка по следующим показателям:

- эффективность удаления влаги из древесины. Использован весовой метод измерения пиломатериалов до сушки и после сушки с учетом сравнения полученных результатов с известным положением расчета по удалению влаги по формуле: М=ρ_б(W_н-W_к)/100 (кг/м³). В результате исследований установлено, что отклонение между расчетными и экспериментальными данными (по заявляемому способу) для всех высушенных пиломатериалов вне зависимости от их длин не превышает 2-5%, что свидетельствует о эффективности заявляемого процесса сушки пиломатериалов;

- влияние процесса сушки на механические свойства древесины (относительные прочностные показатели на сжатие и растяжение вдоль волокон). Оценка осуществлялась с использованием традиционных методов механических испытаний образцов древесины до сушки и после сушки и в соответствии с методикой определения на испытываемых образцах прочностных показателей усилий сжатия и растяжения (см. кн. Перелыгин А.М. “Древесиноведение”, М.: Лесная промышленность, 1964 г., с. 123-128). Полученные результаты по определению прочностных показателей древесины сравнивались со справочными данными аналогичных показателей для заданной породы древесины (сосна) соответственно при влажности древесины более 30% и высушенной древесины (влажность не более 15%) (см. книгу “Древесиноведение”, с. 126, табл. 23 (прочность древесины при растяжении вдоль волокон) и с. 129, табл. 124 (прочность древесины при сжатии)). Результатами исследований установлено, что отклонение между расчетными и экспериментальными данными для всех высушенных пиломатериалов (по заявляемому способу) вне зависимости от их длин не превышает 5-8%, что свидетельствует о эффективности заявляемого процесса сушки пиломатериалов в части соблюдения требований к качеству получаемой продукции с учетом локального воздействия СВЧ-излучения на пиломатериалы и заданного по заявляемому способу технологических режимов.

Для иллюстративности заявляемого способа приведен пример 1 по его осуществлению, также пример 2 (сравнительный). При осуществлении процесса сушки в соответствии с примерами 1 и 2 был использован сосновый пиломатериал длиной 6 м с начальной влажностью 80%, начальная температура 20°С.

По заданным выше исходным данным была определена скорость перемещения СВЧ-излучателей:

С учетом длины высушиваемых пиломатериалов определялось время сушки:

и удельная СВЧ-мощность

Процесс сушки пиломатериалов в соответствии с примерами 1 и 2 осуществлялся с учетом приведенных выше скоростного режима перемещения СВЧ-излучателей, времени сушки и подводимой удельной СВЧ-мощности.

При сушке пиломатериалов в соответствии с примером 2 направление перемещения СВЧ-излучателей осуществлялось от центральной по длине пиломатериалов зоны к их торцам, т.е. в соответствии с решением по пат. 2061935.

В результате сушки пиломатериалов по примерам 1 и 2 получены следующие показатели:

Конечная влажность высушенного материала:

Пример 1 - 9,5-11,3% (по всей длине).

Пример 2 - 25...35% (на участках длиной 1,0...1,5 м от торцов).

Механическая прочность (образца 20×20×20 (мм) - пример 1) на растяжение - 960 кг/см², на сжатие - 390 кг/см². Данные показатели отличаются от справочных на 5-8%.

Механическая прочность древесины по примеру 2 с учетом ее показателей по влажности не оценивалась.

Время сушки (по примерам 1 и 2) расчетное, т.е. удовлетворяет требованиям технологических норм сушки (не более 6 час).

При визуальном осмотре древесины высушенной по примеру 1 внешних повреждений не обнаружено.

Таким образом, из полученных результатов следует, что при осуществлении заявляемого способа сушки древесины СВЧ-энергией интенсифицируется процесс при требуемом качестве получаемой продукции и вне зависимости длины высушиваемых пиломатериалов.

При реализации изобретения обеспечивается режим автоматического регулирования скоростных параметров перемещения СВЧ-излучателей вдоль высушиваемых материалов с учетом свойств последних.

Изобретение относится к технике сушки, в частности к способам сушки пиломатериалов СВЧ-энергией и может быть использовано в деревообрабатывающей промышленности. Сушка древесины заключается в локальном подводе источников СВЧ-излучения к высушиваемому пиломатериалу с последующим их перемещением. Источники СВЧ-излучения подводят к высушиваемому пиломатериалу или штабелю пиломатериалов со стороны их противолежащих торцов и перемещают вдоль высушиваемого материала от торцов к средней их части по длине. Скорость перемещения излучателей и скорость фильтрации водяного пара для заданной породы древесины определяют из соотношений, изложенных в формуле изобретения. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ сушки древесины, заключающийся в локальном подводе источников СВЧ-излучения к высушиваемому пиломатериалу с последующим их перемещением, отличающийся тем, что источники СВЧ-излучения подводят к высушиваемому пиломатериалу или штабелю пиломатериалов со стороны их противолежащих торцев и перемещают вдоль высушиваемого материала от торцев к средней их части по длине при скорости, определяемой соотношением

где V_ф.д. - скорость фильтрации водяного пара, допустимая для заданной породы древесины, см/с;

W_н - заданная начальная влажность древесины, %;

W_к - заданная конечная влажность древесины, %;

ρ_б - заданная базисная плотность древесины, г/см³;

v - удельный объем пара, см³/г,

при этом скорость фильтрации водяного пара для заданной породы древесины определяют из соотношения

где V_{max. лам.} - максимальная скорость фильтрации водяного пара в заданной породе древесины при ламинарном течении, см/с;

k - коэффициент проницаемости древесины, см²;

Р - давление насыщенного водяного пара при заданной максимальной температуре сушки, Па;

μ - динамическая вязкость пара, Па·с;

1 - расстояние от торца пиломатериала до излучателя, см.