СПОСОБ СУШКИ СВЧ-ЭНЕРГИЕЙ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК F26B3/347 

Изобретение относится к технике использования СВЧ-энергии в промышленных целях, в частности к способам сушки СВЧ-энергией древесных материалов, и может быть использовано в деревообрабатывающей промышленности.

При сушке древесных материалов СВЧ-энергией в камеру с находящимся в ней сформированным штабелем названных материалов подают СВЧ-излучение, создаваемое СВЧ-генераторами. Процесс осуществляется при подаче в камеру как СВЧ-излучения, так и теплоносителя. Облучение штабеля СВЧ-энергией производят равномерно и с противолежащих его сторон. Для повышения эффективности обработки материалов используют различные технологические операции и режимы управления процессом (см. пат. RU №№2070694, 2099656, 2116588).

В изобретении по пат. №2099656, кл. F 26 В 3/34, 1997 г., при сушке древесных материалов в камеру вводят теплоноситель, направление подачи которого относительно высушиваемого штабеля изменяют на противоположное не менее 3-5 раз, при соотношении времени подачи теплоносителя в прямом и обратном направлениях соответствующим 0,5-1,5.

В решении по патенту RU №2070694, F 26 В 3/347, 1996 г. сушку производят в режиме дозированной подачи СВЧ-мощности с учетом мощности калорифера, обеспечивающего подачу в камеру теплоносителя, и в зависимости от породы, геометрических размеров и влажности обрабатываемых материалов.

Сушку древесины по патенту RU №2116588, F 26 В 3/347 производят в режимах влаготепловой обработки материалов в камере с учетом подачи в последнюю СВЧ-излучения и воздушного теплоносителя при относительной влажности последнего 30-90%.

При реализации известных процессов СВЧ-обработки древесины 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 камере условий, которые обеспечивали бы равномерность нагрева обрабатываемых материалов для исключения вероятности образования в древесине внутренних и внешних повреждений. Необходимость равномерного нагрева обрабатываемых материалов увеличивает количество СВЧ-излучателей в камере, приводит к повышению мощности используемых СВЧ-генераторов, а необходимость соблюдения условий по поддержанию обрабатываемых материалов в процессе сушки в равновесном физическом состоянии по температуре и влажности, как следует из известного уровня техники, увеличивает энерго- и материалозатраты.

При реализации данных технических решений эффективность сушки древесных материалов, в частности пиломатериалов, обеспечивается за счет уменьшения остаточных напряжений в структуре древесины преимущественно за счет:

использования режима максимального проникновения СВЧ-энергии в обрабатываемый материал вследствие подачи СВЧ-излучения электромагнитных волн в направлении слоев обрабатываемого материала;

равномерного распределения СВЧ-излучения и конвективного теплоносителя вдоль и поперек штабеля обрабатываемых материалов;

контролирующего и регулирующего воздействия процессом термообработки.

Таким образом, эффективность известных технологических процессов взаимоувязана с затратной частью на их осуществление вследствие использования дополнительных энергоемких и материалоемких технологических операций, необходимых для сушки древесины без нарушения ее физико-механических свойств.

Вместе с тем технологические возможности известных способов сушки древесных материалов ограничены, в т.ч. типом последних. Это объясняется тем, что эффективность процессов зависит от направленности подачи СВЧ-излучения относительно структурных слоев древесных материалов. В известных способах используют предпочтительно СВЧ-излучение с фронтом вектора напряженности электромагнитного поля волн Н₁₀ при ориентированной их подаче поперек волокон древесины и при равномерном распределении зон подачи СВЧ-излучения вдоль пиломатериалов.

При использовании известных способов сушки для круглых лесоматериалов типа бревн, имеющих, в основном, замкнутые по контуру древесные слои, подача СВЧ-излучения с фронтом вектора напряженности электромагнитного поля волн Н₁₀ поперек волокон древесины приведет к концентрации тепла в приповерхностных (наружных) слоях указанных лесоматериалов. Данное явление объясняется неэффективностью проникающего воздействия СВЧ-излучения указанного типа волн во внутренний объем этих лесоматериалов. Таким образом, при использовании известных способов СВЧ-сушки для круглых лесоматериалов, для которых характерна значительная неравномерность распределения влажности по их поперечным сечениям, будет иметь место термический недогрев центральных внутренних слоев древесины и термический перегрев наружных слоев этих лесоматериалов.

При сушке круглых лесоматериалов (бревна) традиционно используют технологию конвективного воздействия теплоносителя на указанный тип древесных материалов, что приводит к значительным материалозатратам, увеличению продолжительности процесса (в зависимости от влажности круглых лесоматериалов) до 45 суток.

Известен также способ СВЧ-сушки древесных материалов (см. пат. RU №2061935, F 26 B 3/34, опубл. 10.06.96), который выбран в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения. В решении по патенту №2061935 сушку осуществляют путем локального подвода источников СВЧ-излучения к обрабатываемому материалу с последующим их перемещением. Подвод источников излучения производят к средней по длине части древесного материала с последующим периодическим перемещением источников от середины его к торцам, что предполагает создание в процессе термообработки эффекта перемещения влаги как под действием температурного градиента ΔТ, 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, как и ранее описанных, используют СВЧ-излучение электромагнитных волн Н₁₀, что, как уже отмечалось, нецелесообразно для термообработки круглых лесоматериалов.

Задача изобретения состояла в создании способа СВЧ-сушки для круглых лесоматериалов, техническим результатом которого является эффективная термообработка указанного типа лесоматериалов вне зависимости от их исходной влажности по поперечным сечениям и при низкой затратной части процесса.

Для решения поставленной задачи предложен способ сушки СВЧ-энергией лесоматериалов, заключающийся в подаче в камеру обработки с находящимся в ней лесоматериалом локально направленных электромагнитных волн СВЧ-излучения, при этом согласно изобретению используют излучение основных электромагнитных волн низшего порядка E₀₁, сформированных в круглом волноводе, локальное направление подачи названных волн производят с противолежащих торцов обрабатываемого круглого лесоматериала, а обработку производят при длине волны (λ) СВЧ-источника, соответствующей соотношению: 0,4<d/λ<0,8, где:

d - диаметр обрабатываемого круглого лесоматериала, см.;

λ - длина волны СВЧ-источника, см.

При реализации изобретения, благодаря использованию сформированных в круглом волноводе СВЧ-излучения основных электромагнитных волн E₀₁, воздействующих на торцы обрабатываемого круглого лесоматериала, происходит сушка последнего в направлении от центральной зоны поперечного сечения указанного материала к периферийным поверхностным зонам его сечения и от торцов лесоматериала к его срединной по длине части.

При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений с совокупностью признаков, аналогичных заявляемому способу СВЧ-сушки древесных материалов, направленных на реализацию заявленного технического результата, что свидетельствует о наличии в заявляемом способе новизны и изобретательского уровня, соответствующих критериям изобретения, что и подтверждается нижеприведенным описанием изобретения.

Изобретение поясняется чертежами, где на:

Фиг.1 схематично показан процесс передачи электрических составляющих волн E₀₁ круглого волновода через рупорную антенну к обрабатываемому круглому лесоматериалу (оцилиндрованное бревно);

Фиг.2 графически показано отношение энергии, распространяющейся внутри диэлектрического стержня (в данном случае круглого лесоматериала), к энергии вне его в зависимости от отношения диаметра диэлектрического стержня к длине волны;

Фиг. 3 - образцы бревен, высушенные СВЧ-энергией(слева) (пример 1) и конвективным способом(справа) (пример 2);

Фиг.4 - образец бревна, высушенного СВЧ-энергией (пример 3).

Заявляемый способ может быть промышленно реализован при использовании для его осуществления традиционного технологического оборудования, применяемого для СВЧ- сушки древесины.

Способ СВЧ-сушки круглых лесоматериалов осуществляют с использованием следующих технических средств:

- камеры, предназначенной для подачи в нее СВЧ-излучения и размещения в ней обрабатываемого материала;

- источника СВЧ-энергии: магнетрона или клистирона;

- сообщающегося с магнетроном или клистироном круглого волновода для формирования основного типа низшей волны E₀₁.

При подаче СВЧ-излучения в камеру предпочтительно используют рупорные антенны (излучатели) с круглым поперечным сечением, которые размещают в камере с торцовых сторон, ориентированных на торцы обрабатываемого круглого лесоматериала.

Для удаления влаги в камере предусматривается традиционная система вентиляции и выполненные в камере щели (отверстия) для выхода влаги. Для реализации процесса используют также традиционные регулирующие средства мощности СВЧ-генератора, а также контролирующие средства, в том числе по измерению влажности лесоматериалов.

Способ сушки СВЧ-энергией круглых древесных материалов (лесоматериалы) поясняется фиг.1, на котором показан процесс взаимодействия электромагнитных волн E₀₁ с круглым лесоматериалом.

Процесс сушки осуществляют следующим образом:

круглый лесоматериал (1), предпочтительно оцилиндрованное бревно (фиг. 1), размещают в камере с использованием традиционных для этих целей радиопрозрачных установочных элементов. В камеру через СВЧ-излучатели (2) локально со стороны противолежащих торцов лесоматериала подают СВЧ-излучение основных электромагнитных волн E₀₁, которые формируют в круглых волноводах (3), сообщающихся с СВЧ-источником. При осуществлении способа возможно использование одного или нескольких СВЧ-источников.

При осуществлении заданного способа сушки возможно размещение в камере штабеля круглых лесоматериалов, каждый из которых устанавливается на радиопрозрачные элементы с интервалом между соседними лесоматериалами (круглыми бревнами), при котором исключаются перекрытие рупоров антенн.

При использовании круглых цилиндрических волноводов в них формируется основной тип электромагнитных волн e₀₁. Линии напряженностей Е электрического поля волн E₀₁ аксиально ориентированы относительно продольной оси волновода по его поперечному сечению. Компоненты амплитуд напряженностей электрического поля волн E₀₁ распределяются по поперечному сечению волновода с максимальным их значением в центральной зоне волновода (см. кн. X.Мейнке и др. “Радиотехнический справочник”, изд-во Госэнергоиздат, Москва-Ленинград, 1960 г., с.173-174). Сформированные в круглом (цилиндрическом) волноводе (3) низшие электромагнитные волны E₀₁ предпочтительно через рупорные антенны (2) конического типа локально направляют на противолежащие торцы подлежащего сушке круглого лесоматериала (1).

При локальном воздействии излучения волн E₀₁ на торцы круглого лесоматериала (1) происходит распространение электромагнитных волн по бревну с термическим нагревом поперечного сечения этого материала в последовательности: центральная зона, приповерхностные слои, наружная поверхность древесины.

Процесс термического нагрева обрабатываемого круглого материала в указанной последовательности: от центральной зоны круглого лесоматериала к наружным его поверхностям, объясняется как указанными энергетическими особенностями воздействующего на торцы лесоматериала СВЧ-излучения волн E₀₁, так и свойствами древесного вещества по диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость (ε) и тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) при ориентации вектора напряженности электрического поля вдоль волокон в 1,1-2,1 раза больше, чем при ориентации вектора напряженности Е электрического поля поперек волокон (см. кн. Г.И.Торговников “Диэлектрические свойства древесины”, изд-во “Лесная промышленность”, М., 1986 г., с.71, табл.5.5 и с.48). Благодаря указанным обстоятельствам в центральной зоне обрабатываемого круглого лесоматериала увеличиваются удельные диэлектрические потери, т.е. энергия, которая затрачивается на нагрев древесины (см. кн. Г.И.Торговникова, с.18).

При локальной направленности основного типа низших электромагнитных волн E₀₁ со стороны торцов круглого лесоматериала напряженность Е электрического поля волн E₀₁ распределяется в аксиальных направлениях, т.е. параллельно волокнам древесины и с максимальным значением напряженности Е в центральной зоне (см. фиг.1), что способствует большему выделению СВЧ-энергии в центральной зоне по сравнению с периферийной зоной, т.к. в периферийной зоне вектор напряженности электрического поля Е ориентирован перпендикулярно волокнам древесины. По этой причине центральные зоны поперечного сечения бревна высыхают раньше, чем периферийные зоны. Из-за высокой проницаемости древесины вдоль волокон пар удаляется через торцы.

Таким образом, при воздействии СВЧ-излучения волн E₀₁ энергия с рупорной антенны, попадая на торец влажного бревна, практически полностью распространяется внутри него. В то же время, т.к. влажное бревно имеет большие диэлектрические потери, проходящая внутри древесины СВЧ-мощность полностью поглощается древесиной. Происходит быстрое высыхание бревна со стороны торца. В высушенной зоне большая часть СВЧ-энергии распространяется вокруг бревна, т.к. сухая древесина имеет меньшие коэффициенты диэлектрических потерь, и проходящая внутри древесины СВЧ мощность практически не поглощается древесиной, в результате процесс сушки идет от торцов бревна к ее центральной части по длине. Происходит транспортирование СВЧ-энергии вдоль бревна к более влажным зонам. При этом высохшая часть бревна является диэлектрическим волноводам для транспортирования СВЧ-энергии.

При осуществлении способа сушки круглого лесоматериала низшими электромагнитными волнами E₀₁, формируемых в круглом волноводе, процесс осуществляют при длине волны (λ ) СВЧ-источника, соответствующей соотношению: 0,4<d/λ<0,8, где d - диаметр круглого лесоматериала, см.; λ - длина волны СВЧ-источника, см.

Указанное соотношение между диаметром круглого лесоматериала и длиной волны, вырабатываемой СВЧ-источником, оптимально по требованиям перераспределения энергетических мощностей (N), соответственно внутренней (N_i), распространяющейся в обрабатываемом лесоматериале, и (N_o) - внешней. При значениях d/λ<0,4 практически вся энергетическая мощность распространяется вокруг древесины. При значениях d/λ>0,8 практически вся энергетическая мощность распространяется внутри обрабатываемого лесоматериала.

При проведении исследований, касающихся выбора соотношения 0,4<d/λ<0,8 установлено, круглый лесоматериал в зависимости от его влажности по своим диэлектрическим свойствам аналогичен определенному типу диэлектрического волновода (диэлектрического стержня).

Из исследований диэлектрических стержней (кн. С.И.Надененко “Антенны”, М., 1959 г., стр.413) известно, что отношение энергии (N_i), распространяющейся внутри диэлектрического стержня, к энергии (N_o) вне его зависит от отношения диаметра диэлектрического стержня к длине волны.

На основании этих данных было определено, что:

при воздействии СВЧ-излучения на обрабатываемый круглый лесоматериал с заданной исходной влажностью (W%) более 30% (ε=10, точка А) и при значениях d/λ=0,5 отношение N_I/N_o=43, т.е. СВЧ-мощность распространяется внутри круглого лесоматериала (1) и вся СВЧ-энергия погашается древесиной, т.к. последняя имеет высокий коэффициент диэлектрических потерь, что поясняется графиком (фиг.2).

При влажности древесины менее 15% (ε=2,5, точка Б) отношение N_i/N_o=1 (см. фиг.2). В этом случае одна часть СВЧ-мощности распространяется внутри древесины и одна часть СВЧ-мощности распространяется вокруг древесины, в то же время. т.к. древесина при данной влажности имеет маленький коэффициент диэлектрических потерь (радиопрозрачена), проходящая по древесине СВЧ-мощность не поглощается древесиной. Происходит транспортирование СВЧ-энергии по высушенной части древесины к ее более влажным зонам.

Для проверки достоверности данного способа была осуществлена сушка бревен (длина 1,5 м) по следующим примерам.

Пример 1 - термический нагрев круглого (оцилиндрованного) лесоматериала указанной длины при d=20 см и исходной влажности=80% с использованием электромагнитных волн E₀₁, локально направленных на торцы обрабатываемого лесоматериала;

Пример 2 - термический нагрев круглого (оцилиндрованного) лесоматериала указанной длины при d=20 cм и исходной влажности=80% с использованием камеры конвективного нагрева. Выбранный пример наиболее оптимален по условиям сушки круглых лесоматериалов.

Термический нагрев круглых лесоматериалов по указанным примерам осуществляли при расчетной мощности СВЧ-источника и калорифера с целью получения высушенного лесоматериала до заданной влажности не более 10-15%. Расчет требуемой мощности для термической обработки древесины осуществляли традиционным способом с учетом исходной влажности обрабатываемого лесоматериала, заданной влажности высушенного лесоматериала, заданной температуры термической обработки, заданных параметров по теплоемкости обрабатываемого лесоматериала.

Для проверки достоверности данного способа была осуществлена также сушка (пример 3) круглого бревна указанной длины и исходной влажности=80% и при мощности СВЧ-источника, превышающей расчетную мощность аналогичного источника, более чем в 2 раза при осуществлении способа сушки по примеру 1.

В результате проведенных исследований по термической обработке круглых лесоматериалов по примерам 1, 2 и 3 было установлено, что при конвективной сушке бревна (пример 2) в первую очередь высыхают поверхностные слои бревна. Центральные зоны остаются набухшими. Это приводит к растягиванию поверхностных слоев вокруг набухшей центральной зоны и образованию трещин на поверхности бревна.

При предложенном способе СВЧ-сушки (пример 1) в первую очередь высыхает центральная зона поперечного сечения бревна, за центральной зоной - периферийные зоны и трещины, таким образом, не образуются.

При термической обработки СВЧ-энергией круглого лесоматериала по примеру 3 в процессе опыта обугливалась центральная зона поперечного сечения бревна, что показано на фиг.4.

Данный пример свидетельствует, что при локальном воздействии излучения волн E₀₁ на торцы круглого лесоматериала 1 происходит распространение электромагнитных волн по бревну с термическим нагревом поперечного сечения этого материала в направлении от центральной зоны круглого лесоматериала к наружным его поверхностям.

Таким образом, при реализации изобретения благодаря использованию сформированных в круглом волноводе СВЧ-излучения основных электромагнитных волн E₀₁, воздействующих на торцы обрабатываемого круглого лесоматериала, происходит сушка последнего в направлении от центральной зоны поперечного сечения указанного материала к периферийным поверхностным зонам его сечения и от торцов лесоматериала к его срединной по длине части. Эффективность осуществляемого процесса сушки круглого лесоматериала не зависит от исходной влажности обрабатываемого лесоматериала.

Изобретение относится к технике использования СВЧ-энергии в промышленных целях, в частности к способам сушки СВЧ-энергией древесных материалов, и может быть использовано в деревообрабатывающей промышленности. Способ сушки СВЧ-энергией круглых лесоматериалов, заключающийся в подаче в камеру обработки с находящимся в ней лесоматериалом локально направленных электромагнитных волн СВЧ, отличающийся тем, при сушке используют основные электромагнитные волны низшего порядка E₀₁, сформированные в круглом волноводе, локальное направление подачи названных волн производят с противолежащих торцов обрабатываемого круглого лесоматериала, а обработку производят при длине волны (λ) СВЧ-источника, соответствующей соотношению: 0,4<d/λ<0,8, где d - диаметр обрабатываемого круглого лесоматериала, см; λ - длина волны СВЧ-источника, см. Изобретение должно обеспечивать эффективную термообработку круглых лесоматериалов вне зависимости от их исходной влажности по поперечным сечениям при низких энергозатратах. 4 ил.

Способ сушки СВЧ-энергией лесоматериалов, заключающийся в подаче в камеру обработки с находящимся в ней лесоматериалом локально направленных электромагнитных волн СВЧ, отличающийся тем, что при сушке используют основные электромагнитные волны низшего порядка E₀₁, сформированные в круглом волноводе, локальное направление подачи названных волн производят с противолежащих торцов обрабатываемого круглого лесоматериала, а обработку производят при длине волны (λ) СВЧ-источника, соответствующей соотношению 0,4<d/λ<0,8,где d - диаметр обрабатываемого круглого лесоматериала, см;