СПОСОБ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ В СВЧ ЛЕСОСУШИЛЬНОЙ КАМЕРЕ РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ Российский патент 2014 года по МПК F26B3/347 H05B6/78 

Изобретение предназначено для совершенствования процесс СВЧ-сушки древесины путем применения резонансного метода стоячей волны, контроля энергии, подводимой в резонатор лесосушильной камеры посредством первичного измерительного преобразователя (ПИП) резонатора СВЧ-сушильной камеры, и может быть использовано в деревообрабатывающей отрасли промышленности.

Известен СВЧ-способ определения влажности твердых и жидких материалов, основанный на методе свободного пространства [см. Берлинер М.А. Измерение влажности / М.А. Берлинер. - М.: Энергия, 1973. - 345 с.]. Данный способ можно разделить на две модификации:

- с использованием проходящей волны;

- с использованием отраженной волны.

В обеих модификациях измеряемой характеристикой служит коэффициент передачи или коэффициент отраженной волны.

Недостатком способа является невозможность контроля текущей влажности материала в процессе СВЧ-сушки древесины.

Известен резонаторный способ контроля влажности материала [см. Клюев В.В. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник. - М.: Машиностроение, 1995. - 487 с.], при котором исследуемый образец определенного размера помещают в полость объемного резонатора (ОР), возбуждают электромагнитное поле (ЭМП) определенной пространственной структуры. В ОР цилиндрической формы с волной типа Е₀₁₀ образец в виде цилиндрического стержня малого диаметра помещают вдоль оси резонатора; в цилиндрическом ОР с колебанием Н₀₁₁ образцы большего диаметра и с большими потерями, имеющими форму цилиндра, катушек, пучков нитей и т.п., устанавливают вдоль оси резонатора, а образцы в виде тонких плоских дисков располагают перпендикулярно оси. Выходными величинами первичного измерительного преобразователя (ПИП) служат вызванные введением в полость ОР исследуемого материала изменения параметров резонатора: резонансной частоты Δf=f-f₀ и добротности ΔQ=Q-Q₀, где f₀ и Q₀ - значения собственных (ненагруженных) параметров резонатора.

Недостатком данного способа является то, что для измерения влажности материала необходимо применять образец строго определенной формы и размера; образец необходимо помещать точно в определенное место ОР, так как структура поля определенного типа строго определена и неравномерна в пространственной полости резонатора, возможно перепутывание основного типа колебаний с другими, что вызывает дополнительную погрешность измерения, а применение фильтров снижает добротность основного типа колебаний и усложняет конструкцию первичного измерительного преобразователя; аппаратная реализация способа достаточно сложна из-за наличия вентилей, циркуляторов, детектора, смесителя, измерителя добротности, частотомера, управляемого по частоте генератора СВЧ для изменения Δf. Рассматриваемое решение не может быть применено для оперативного контроля текущей влажности состояния штабеля пиломатериалов в микроволновой сушильной камере в процессе сушки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ сушки дубовых заготовок в СВЧ-лесосушильной камере [патент RU №2125691, МПК F26B 3/347], включающий укладку заготовок в штабель, СВЧ-нагрев с одновременным обдувом воздухом, поступающим из системы охлаждения СВЧ-генераторов, перед началом сушки штабель укрывают влагонепроницаемой пленкой и при мощности СВЧ-генераторов 15 кВт осуществляют прогрев заготовок до температуры сушки, равной 58-60°C, затем удаляют пленку и при мощности СВЧ-генератора 5 кВт сушат заготовки до влажности 30%, при мощности СВЧ-генератора 4 кВт сушат до влажности 20%, при мощности СВЧ-генератора 3 кВт сушат до влажности 12% и при мощности СВЧ-генератора 2 кВт сушат заготовки до требуемой влажности. Этот способ принят за прототип.

Недостатком способа является отсутствие возможности постоянного непрерывного измерения текущей влажности древесины в микроволновой камере для осуществления контроля технологического процесса сушки посредством оперативного изменения градиентов влажности и температуры, отсутствие измерителя влажности, основанного на первичном измерительном преобразователе (ПИЛ) СВЧ-резонатора сушильной камеры древесины, а ступенчатое осуществление выбора выходной мощности генератора не обосновано и не способствует поддержанию равномерного изменения режима сушки по функциональной зависимости.

Решаемой задачей изобретения является совершенствование процесса СВЧ-сушки путем непрерывного измерения и контроля влажности древесины в СВЧ-камере при одновременном непрерывном контроле параметров процесса сушки, градиентов температуры и влажности, на основе энергетических характеристик резонатора лесосушильной камеры - добротности Q и затухания d - по функциональной зависимости этих параметров резонатора и упрощение аппаратной реализации способа.

Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе контроль влажности древесины осуществляется постоянно в течение процесса сушки. Высушиваемые пиломатериалы, уложенные в сушильный штабель, помещаются в замкнутую металлическую полость - резонатор, которым является лесосушильная камера. Генератором возбуждается СВЧ электромагнитное поле, размеры замкнутой металлической полости выбирают много больше длины волны λ питающего генератора СВЧ, так что обеспечивается возможность возбуждения в ненагруженном состоянии в полости множества колебаний разной пространственной структуры при постоянной мощности питающего генератора и фиксированном времени взаимодействия исследуемого влажного материала с полем многих мод (мода - наибольшее значение функции распределения случайной величины); измеряют температуру подвергающегося воздействию электромагнитной энергии материала до помещения в замкнутую металлическую полость и температуру после воздействия электромагнитного поля многих мод, по разности температур определяют калориметрическим способом поглощаемую мощность Р_погл.

Основываясь на энергетических параметрах резонатора, добротности Q и затухания d, величине обратной добротности d=1/Q, находим затухание резонатора, исходя из энергетического соотношения

$$Q={\omega }_p\frac{W}{P_{П\sum }}$$

где ω_р - резонансная угловая частота; W - энергия, запасенная в колебательной системе; Р_ПΣ - мощность потерь холостого хода в резонаторе; Q - добротность ненагруженного резонатора (холостого хода), при этом нагрузкой является влага, содержащаяся в древесине.

Если резонатор нагружен, то к средней мощности потерь в резонаторе Р_ПΣ=P_Г следует прибавить среднюю мощность, отдаваемую резонатором в нагрузку Р_Н=Р_погл. Выражение для добротности нагруженного резонатора можно записать:

$$Q_H=Q\frac{1}{1+P_H/P_{Г}}$$

соответственно для затухания нагруженного резонатора: $$d_{н}=\frac{1}{Q_{н}}=d(1+P_{Н}/P_{Г})$$ , где P_Н=Р_погл - мощность нагрузки, расходуемая на нагрев древесины в сушильной камере, Р_Г - мощность генератора, d - затухание ненагруженного резонатора. По приведенному соотношению для затухания нагруженного резонатора d_Н с учетом того, что находят интегральное значение средней влажности материала в сушильной камере, вычисленное по формуле для поглощенной мощности Р_погл калориметрическим способом, и поскольку влажность древесины пропорциональна потерям передаточной функции, т.е. вносимому в резонатор затуханию А_ВН при отсутствии согласования в тракте передачи

$$A_{ВН}=\frac{P_{Н}}{P_{Г}}$$

Величина влажности древесины W устанавливается по функции затухания нагруженного резонатора d_Н калибровкой измерителя, учитывая, что

W%=(М-М₀)/М₀·100%,

где М - масса влажной древесины; М₀ - масса абсолютно сухой древесины.

Поскольку особенностью сушки древесины резонансным методом стоячей волны является рассогласование нагрузки с генератором вследствие уменьшения мощности удельных потерь нагрузки в технологическом процессе сушки и, как следствие, увеличение добротности резонатора сушильной камеры, необходимо с заданной дискретностью времени уменьшать мощность генератора Р_г в соответствии с соотношением для затухания нагруженного резонатора d_Н.

Для осуществления контроля процесса сушки древесины необходимо выполнить алгоритм процесса сушки для функции затухания ПИП, вычисляя мощность СВЧ-генератора Рг и влажность материала на каждом дискретном шаге с соответствующей регулировкой мощности.

Примеры реализации предлагаемого способа

Пример 1. При фиксированной мощности питающего генератора СВЧ (P_ВЫХ=15 кВт) задается время взаимодействия t высушиваемой древесины с полем многих мод в резонансной камере. Измеряя температуру исследуемого материала перед помещением в замкнутый объем Т₁°C, а затем температуру Т₂°C материала после взаимодействия по разности температур ΔТ=Т₂-Т₁, используя калориметрический способ измерения поглощенной мощности

$$P_{погл}=\frac{с\nu \Delta T}{0.24t}\approx 4.18\cdot {10}^3\frac{\nu }{t}\Delta T$$

где ν - объем жидкости, с - удельная теплоемкость, t -время.

Для энергетического параметра - затухания нагруженного резонатора d_Н - получаем график зависимости затухания, откалиброванного в единицах влажности древесины.

$$d_{н}=\frac{1}{Qн}=d(1+P_{Н}/P_{Г})$$

В функцию подставляются значения: добротность нагруженного резонатора Q=1/d сушильной камеры на холостом ходу, можно принять Q=Q_xx≈100 (точное значение можно получить методом экстраполяции функции d_н), поэтому для подведенной мощности магнетрона, равной 15кВт

$$d_{Н}=\frac{1}{Q_{Н}}=W=0.01(1+P_{Н}/15)\cdot 100\%$$

Здесь (Р_Н=Р_погл) - переменная, а Р_Г - параметр, который в процессе высушивания материала уменьшается в соответствии с изменением влажности.

Градуировочная характеристика (ПИП) для измерителя влажности после калибровки затухания резонатора сушильной камеры по формуле

W%=(М-М₀)/М₀·100% приведена на Фиг.1.

Например, при шаге измерения влажности 10% получим характеристику при регулировке мощности в процессе контроля технологического процесса сушки, Фиг.2.

Пример 2. При подведенной мощности генератора Р₁=1 кВт при начальной влажности древесины 100%, применяя колориметрический способ измерения поглощенной мощности, для энергетического параметра - затухания нагруженного резонатора d_Н - получаем график зависимости затухания, откалиброванного в единицах влажности, Фиг.3. Процесс идет идентично примеру 1.

$$d_{н}=\frac{1}{Q_{Н}}=d(1+P_{ПОГЛ}/1)$$

Тогда в процессе сушки при шаге измерения влажности 10% параметр, которым является подведенная мощность генератора Р₁, принимает соответственно значения 1,0; 0,9; 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1. Получим характеристику процесса сушки древесины для выходной мощности сушильной установки один киловатт, откалиброванную на 100% влажности при максимальной поглощаемой мощности, Фиг.4.

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет осуществлять способ контроля процесса сушки древесины в микроволновой лесосушильной камере резонаторного типа резонансным методом стоячей волны и обеспечить высокое качество высушиваемой древесины разных пород.

Изобретение относится к способам контроля процесса сушки древесины, определения текущей влажности древесины и может найти применение в деревообрабатывающей промышленности. Техническим результатом является повышение точности определения влажности различных пород древесины, упрощение аппаратной реализации способа. Для реализации способа штабель древесины помещают в замкнутую металлическую полость - резонатор лесосушильной камеры; размеры резонатора выбирают много больше длины волны λ питающего генератора СВЧ, так что обеспечивается возможность возбуждения в ненагруженном состоянии в полости множества колебаний различной пространственной структуры, измеряют температуру древесины до начала сушки и температуру после взаимодействия электромагнитного поля многих мод, и по разности температур калориметрическим способом определяют поглощенную мощность; по функции затухания резонатора сушильной камеры производят измерение влажности древесины, и осуществляют контроль сушки древесины по градиентам влажности и температуры регулировкой выходной мощности генератора Р_Г, которая в функции затухания нагруженного резонатора d_H является изменяемым параметром. 4 ил.

Способ сушки древесины в СВЧ лесосушильной камере резонансным методом, заключающийся в том, что штабель пиломатериалов помещают в лесосушильную камеру, выполненную в виде замкнутой металлической полости, являющейся резонатором, отличающийся тем, что контроль за процессом сушки производится путем измерения начальной влажности и температуры древесины и температуры после взаимодействия электромагнитного поля многих мод, и по разности температур калориметрическим способом определяют поглощенную мощность Р_Н; по функциональной зависимости затухания нагруженного резонатора сушильной камеры $$d_H=\frac{1}{Q_H}=d(1+P_{Н}/P_{Г})$$ осуществляют определение влажности древесины, предварительно производя калибровку измерителя, приняв значение Р_Н за переменную, и осуществляют контроль процесса сушки древесины по градиентам влажности и температуры регулировкой выходной мощности генератора P_Г, которая в функциональной зависимости затухания нагруженного резонатора d_H является изменяемым параметром, вычисляя влажность материала на каждом дискретном шаге, где d_H - затухание нагруженного резонатора, Q_H - добротность нагруженного резонатора, d - затухание ненагруженного резонатора, Р_H - поглощенная материалом мощность, P_Г - мощность генератора.