УСТАНОВКА ДЛЯ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ В ПОЛЕ СВЧ Российский патент 2016 года по МПК F26B9/06 F26B3/347 

Изобретение относится к деревообрабатывающей и другим отраслям промышленности, в частности к сушильному оборудованию, и может быть использовано для сушки древесины и других капиллярно-пористых материалов.

Известна установка для сушки пиломатериалов в штабеле, содержащая камеру, волноводы, магнетроны СВЧ с системой охлаждения и воздухоподводящим коллектором, процессор, датчик измерения вредного потока СВЧ-энергии, измеритель мощности СВЧ-энергии (патент РФ 2069826, F26B 3/347, F26B 9/06, 1996 г.).

В этой установке для процесса сушки дополнительно используется тепло от охлаждения магнетронов, однако не учтена возможность повышения КПД установки путем согласования генератора с нагрузкой, что позволит дополнительно повысить энергетическую эффективность процесса.

Известен способ сушки древесины в СВЧ лесосушильной камере резонансного типа, заключающийся в том, что штабель пиломатериалов помещают в лесосушильную камеру, выполненную в виде замкнутой металлической полости, являющейся резонатором, в которой осуществлено согласование генератора с нагрузкой по падающей мощности Р_П, что позволяет повысить энергетическую эффективность процесса [решение о выдаче патента РФ от 01.07.2014 на изобретение «Способ сушки древесины в СВЧ лесосушильной камере резонансного типа» по заявке №2013130564/06(045628)]. Данное решение принято за прототип.

Недостатком прототипа является то, что при согласовании генератора с нагрузкой по падающей мощности Р_П отсутствует согласование реактивной мощности, т.е. происходит перегрузка генератора отраженной волной Р_О, повышенный расход энергии, что снижает энергетическую эффективность процесса сушки древесины.

Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности СВЧ-сушильной установки путем сокращения энергетических потерь, вызванных рассогласованием по мощности генератора и нагрузки, которой является загруженный пиломатериалом резонатор лесосушильной камеры.

Это достигается тем, что установка для сушки древесины в поле СВЧ, содержащая резонансную лесосушильную камеру, магнетрон, процессор, датчик измерения вредного потока СВЧ-энергии, измеритель мощности СВЧ-энергии, измеритель температуры, теплообменник, систему циркуляции агента сушки, дополнительно снабжена трехплечным фазовым Y-циркулятором, размещенным в волноводе между магнетроном и резонатором лесосушильной камеры.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 показана схема установки для сушки древесины в поле СВЧ, на фиг. 2, а, б - проекции Y-циркулятора.

Установка для сушки древесины в поле СВЧ содержит металлическую резонансную камеру 1, размеры замкнутой металлической полости которой много больше длины волны λ питающего генератора СВЧ так, что обеспечивается возможность возбуждения в ненагруженном состоянии в полости множества колебаний разной пространственной структуры, магнетрон 2, процессор 3, датчик измерения вредного потока СВЧ-энергии 4, измерители мощности СВЧ-энергии 5 и температуры 6, систему циркуляции агента сушки 7, трехплечный Y-циркулятор 8, теплообменник 9, поглощающую нагрузку 10, рабочим телом которой могут быть жидкость, твердые объемные или пленочные поглотители.

Трехплечный фазовый Y-циркулятор позволяет внести затухание волны отраженной мощности Р_О резонатора лесосушильной камеры в соответствии с выражением для проходящей мощности Р_ПР.

Р_ПР=Р_П+Р_О,

где Р_П - падающая мощность (поглощенная в нагрузке).

При этом волна отраженной реактивной мощности не проходит на анод магнетрона и не вызывает его дополнительное нагревание. Режим работы магнетрона облегчается, при этом сокращаются энергетические затраты процесса сушки пиломатериала, что повышает энергетическую эффективность СВЧ-сушильной установки, повышается КПД процесса.

Для реализации изобретения в тракт волновода сушильной установки встроен волноводный трехплечный фазовый Y-циркулятор, в котором используется явление ферромагнитного резонанса для невзаимных устройств СВЧ с намагниченным ферритом, что позволяет скомпенсировать отраженную волну [см. Фальковский О.И. Техническая электродинамика. - СПб.: Лань, 2009. - 432 с.].

Волноводный трехплечный Y-циркулятор содержит симметричный тройник в плоскости Н и намагниченную ферритовую шайбу 11 в его центре (фиг. 2, проекции а, б). Величину постоянного поля Н₀ магнита 12 выбирают значительно меньше резонансной, что проще обеспечить технически. При поступлении волны из плеча 13 от генератора, поля в плечах 14 и 15 симметричного тройника являются результатом суперпозиции двух волн - первичной и вторичной. Первичные волны в плечах 14 и 15 симметричного волноводного тройника имеют одинаковые амплитуды и фазы. Амплитуды и фазы вторичных волн в плечах 14 и 15 зависят от размеров и электрических характеристик намагниченных ферритовых шайб 11, параметры которых следует подобрать так, чтобы первичные и вторичные волны имели одинаковые амплитуды и фазы в плече 14, а в плече 15 противофазны и гасят друг друга. При этом волна из плеча 13 проходит в плечо 14. Действие циркулятора происходит по схеме 13-14-15-13. Для расширения полосы рабочих частот Y-циркулятора применительно к параметрам процесса сушки древесины на ферритовой шайбе 11 установлено диэлектрическое кольцо. Циркулятор работает в полосе частот 10-15%, имеет потери не более 0,5 дБ, обеспечивает развязку между плечами, т.е. затухание не менее 20 дБ, КСВ=1,08-1,10.

При этом происходит согласование генератора с нагрузкой, которой является загруженный пиломатериалом резонатор лесосушильной камеры, и генератор полностью согласован по падающей мощности Р_П с резонатором лесосушильной камеры и развязан по отраженной (реактивной) мощности, то есть генератор согласован по поглощению и развязан по излучению, потребляет меньшую мощность.

Сушильная СВЧ установка для сушки пиломатериалов в штабеле содержит металлическую резонансную камеру, размеры замкнутой металлической полости которой много больше длины волны λ питающего генератора СВЧ так, что обеспечивается возможность возбуждения в ненагруженном состоянии в полости множества колебаний разной пространственной структуры, магнетрон, процессор, датчик измерения вредного потока СВЧ-энергии, измерители мощности СВЧ-энергии и температуры, систему циркуляции агента сушки. Дополнительно установка снабжена Y-циркулятором, теплообменником, поглощающей нагрузкой, рабочим телом которой могут быть жидкость, твердые объемные или пленочные поглотители.

Установка работает следующим образом.

Штабель пиломатериалов помещают в лесосушильную камеру, выполненную в виде замкнутой металлической полости, являющейся резонатором, контроль процесса сушки производится путем измерения начальной влажности и температуры древесины, и температуры после взаимодействия электромагнитного поля многих мод, по разности температур калориметрическим способом определяют поглощенную мощность; по функциональной зависимости затухания нагруженного резонатора сушильной камеры 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 мощности генератора Р_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_Н - поглощенная материалом мощность, Р_Г - мощность генератора. Процесс сушки пиломатериала осуществляется процессором по функциональной зависимости затухания нагруженного резонатора. Таким образом, осуществляется согласование генератора с нагрузкой по падающей мощности Р_П.

Y-циркулятор обеспечивает согласование генератора с нагрузкой по отраженной мощности Р_О. Отраженная волна проходит в поглощающую нагрузку, где через теплообменник рекуперируется, тепловая энергия отводится в систему циркуляции агента сушки и повышает энергетический потенциал сушки, при этом достигается полное согласование генератора (магнетрона) по падающей мощности с резонатором лесосушильной камеры.

Изобретение относится к устройствам для СВЧ сушки материалов и может быть использовано в деревообрабатывающей и других отраслях промышленности. Для реализации устройства 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. Волноводный трехплечный Y-циркулятор позволяет осуществить развязку генератора по отраженной (реактивной) мощности и обеспечить рекуперацию подведенной мощности в поглощающей нагрузке. Техническим результатом изобретения является увеличение производительности СВЧ-сушильной камеры путем сокращения энергетических потерь, связанных с рассогласованием генератора и нагрузки, повышение КПД процесса. 2 ил.

Установка для сушки древесины в поле СВЧ, содержащая резонансную лесосушильную камеру, магнетрон, процессор, датчик измерения вредного потока СВЧ-энергии, измеритель мощности СВЧ-энергии, измеритель температуры, теплообменник, систему циркуляции агента сушки, отличающаяся тем, что установка оснащена трехплечным фазовым Y-циркулятором, размещенным в волноводе между генератором и резонатором лесосушильной камеры.