Brevet FR2661978A1 — publié le 19911115

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SECHAGE RAPIDE D'UN MATERIAU POUVANT ETRE FRAGILE PAR APPLICATION DE MICRO-ONDES La présente invention a trait à un procédé et à un dispositif de séchage d'un matériau de nature quelconque par application de micro-ondes notamment sous incidence de Brewster, pouvant se présenter sous forme d'éléments finis de section d'épaisseur relativement mince, de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde interne. L'invention sera décrite plus particulièrement dans son application au séchage de bois en lames tels que lames de parquets, lambris, éléments de menuiserie ou de tonnellerie, mais il est évident que le procédé de l'invention peut s'appliquer à d'autres produits en bois de section d'épaisseur élevée ainsi qu'à des produits sous forme continue ou divisée d'autre nature tels que produits alimentaires, agroalimentaires, pharmaceutiques ou autres, céramiques, terres cuites, lièges, etc dans la mesure o leur configuration dimensionnelle le permet. Dans la demande de brevet français NO 89 04572 déposée par le Demandeur il est décrit un procédé d'application de micro- ondes à un produit défilant ou à l'arrêt sous un angle d'incidence dit angle de Brewster. On appelle angle de Brewster l'angle de l'onde incidente avec la normale à la surface du produit soumis au champ électrique de l'onde polarisée dans le plan d'incidence pour lequel il n'existe pas d'onde réfléchie, c'est-à-dire que toute la puissance incidente est transmise dans le produit Cet angle varie pour un même produit en fonction de son degré d'humidité et d'une façon plus générale de sa permittivité. La demande de brevet NI 89 04572 concerne notamment un dispositif de traitement par micro-ondes de produits dans lequel ces derniers défilent devant une série d'applicateurs micro-ondes dont les axes de symétrie sont inclinés par rapport à la trajectoire de défilement des produits de valeurs différentes fonctions du degré d'humidité des produits au droit de chaque applicateur, en sorte que chacun d'entre eux applique des micro-ondes sous incidence de Brewster. Le but de la présente invention est de perfectionner ce dispositif en éliminant les risques d'endommagement consécutifs à la chaleur des produits ou matériaux traités et en réduisant les quantités d'énergie nécessaires au séchage optimal desdits produits ou matériaux tout en réduisant le temps de séchage au maximum. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de séchage rapide d'un matériau pouvant être fragile par application de micro-ondes, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer les micro-ondes avec une quantité d'énergie suffisante pour porter la température de surface et/ou la température à coeur du matériau à une limite supérieure déterminée fonction de la nature du matériau, puis à réappliquer les micro-ondes, lorsque la ou lesdites températures atteignent en redescendant une limite inférieure déterminée, également fonction dudit matériau jusqu'à ce que la ou lesdites températures réatteignent ladite limite supérieure et à renouveler l'application des micro-ondes dans les mêmes conditions jusqu'à l'obtention du degré d'humidité désiré. Un tel procédé, notamment appliqué au séchage de planchers ou lambris ou d'éléments de bois analogues destinés notamment aux produits de menuiserie, permet d'obtenir un séchage efficace, rapide, sans déformation ou dégradation des qualités ou aspects du bois et avec une réduction très sensible de la consommation d'énergie par rapport aux techniques connues d'application en permanence de micro-ondes. Le procédé est de préférence opéré au défilé, un mouvement relatif étant créé entre le produit à traiter et la ou les sources micro-ondes, la vitesse de défilement, les intervalles entre les sources micro-ondes ou les durées de fonctionnement de la ou des sources étant déterminés de façon que lesdites températures de surface et/ou à coeur demeurent à l'intérieur desdites limites supérieure et inférieure. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels: Figure 1 est un diagramme des températures en surface et au centre d'un matériau soumis à un traitement micro-ondes conforme à l'invention; Figure 2 est un diagramme des énergies micro-ondes appliquées pour l'obtention de la courbe des tempéra- tures de la figure 1; Figure 3 est un schéma d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, et Figure 4 est un diagramme des pertes d'humidité en fonction du temps pour un échantillon de chêne soumis au procédé de l'invention. Sur la figure 1 on a représenté en trait plein la courbe d'évolution en fonction du temps de la température à coeur (au centre) d'une pièce de bois à sécher, par exemple un tronçon de chêne de section rectangulaire de quarante millimètres d'épaisseur, au cours d'un traitement de séchage conforme à l'invention. En trait tireté est représentée l'évolution parallèle de la température de surface, prise par exemple à l'aide de thermomètres non interférants avec les micro-ondes tels que par infra-rouge, de la même pièce de bois. La température à coeur est portée, dans la première phase du procédé, de la température ambiante (Ta) à une valeur limite supérieure fixée à 1401 C dans le cas de l'exmple illustré. La figure 2 représente le diagramme des puissances micro- ondes appliquées au cours du processus de séchage de ladite pièce de bois se déplaçant sous les générateurs à une vitesse de 1 m/mn On a utilisé à cet effet des générateurs de 1200 W de puissance restituée, émettant des micro-ondes de fréquence 2450 M Hz L'utilisation de cette fréquence, correspondant à une longueur d'onde à l'air libre de 12,24 cm, constitue un bon compromis puisqu'elle se situe dans la zone d'intersection des courbes d'absorption des ondes électromagnétiques par l'eau libre et l'eau liée Cette fréquence, bien adaptée au séchage des planches, lambris, planchers, éléments de menuiserie, est limitée de préférence au séchage de pièces de section au plus de l'ordre de 200 x 100 mm, lorsqu'elles sont très humides et de dimensions supérieures au fur et à mesure que leur humidité diminue. Selon le diagramme de la figure 2, la première étape du procédé consiste à appliquer à la pièce de bois des micro- ondes, à la puissance indiquée plus haut, pendant 90 secondes, ce qui porte les températures à coeur et en surface de la température ambiante aux températures limites supérieures respectives de 1400 C et 1000 C Une fois ces températures atteintes, on cesse l'application des micro-ondes jusqu'à ce que lesdites températures, en redescendant, tombent à des valeurs limites minimales fixées à 1100 C et 80 WC respectivement Ces températures sont atteintes au bout de 3 minutes A ce moment, une nouvelle application de micro-ondes, d'une durée réduite à 6 secondes est effectuée Cette durée est suffisante pour faire remonter les températures à coeur et en surface auxdites limites supérieures de 140 WC et 1000 C respectivement A nouveau ces temépratures vont baisser et retomber auxdites valeurs limites inférieures, mais au bout d'un temps plus long, 7 minutes, compte-tenu de la réduction du degré d'humidité. Les figures 1 et 2 illustrent une troisième application de micro-ondes d'une durée de 6 secondes pour remonter à nouveau lesdites températures aux valeurs limites supérieures, après quoi la pièce de bois n'est plus soumise aux micro-ondes et sa température revient à la température ambiante L'application des micro-ondes cesse lorsque le degré d'humidité de la pièce de bois est descendue au niveau désiré. Les valeurs limites supérieure et inférieure des températures à coeur et en surface, la puissance micro-onde appliquée et les durées des diverses phases d'application et des pauses entre applications, dépendent de différents facteurs ou paramètres, tels que la nature du matériau (bois, céramique, argile, etc) à traiter, de la configuration et des dimensions des objets ou produits traités, des humidités initiale et finale, etc Les valeurs limites de températures en particulier la limite supérieure est déterminée de façon à éviter toute fissuration du matériau. La figure 3 représente schématiquement un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention dans lequel un mouvement relatif est créé entre le produit à traiter, une lame de plancher par exemple, et la source microondes Plus précisément, plusieurs applicateurs micro-ondes fixes 1 sont agencés en regard de la trajectoire du produit déplacé par un élément de convoyage 2 traversant un tunnel horizontal 3 sur lequel sont fixés les guides d'ondes 4 des applicateurs 1. Le nombre des applicateurs 1 et l'intervalle entre deux applicateurs successifs varient ou peuvent varier selon les applications Bien que sur la figure 3 les axes des guides d'ondes 4 fassent un même angle par rapport à l'axe du tunnel 3 il est évident que cet angle peut varier et est réglable en vue notamment d'appliquer les ondes de chaque guide d'ondes sous l'incidence de Brewster ou au voisinage de cette incidence. Les générateurs 1 ont des puissances égales ou non En particulier, le premier générateur rencontré par le produit entrant dans le tunnel 3 peut être avantageusement d'une puissance supérieure pour tenir compte des degré d'humidité et température initiaux du bois. Ces temps d'exposition des pièces de bois sous les micro- ondes de chaque générateur sont directement liés à la vitesse du convoyeur. Avec un tel dispositif il n'est pas nécessaire de mesurer les températures du produit à traiter. Des essais préalables, au cours desquels on mesure lesdites températures, permettent pour chaque produit et pour son humidité initiale de définir la vitesse du convoyeur, les valeurs limites et le cycle de séchage optimal. Ensuite, dans l'installation industrielle de séchage les paramètres tels que nombre des applicateurs micro-ondes 1, réglage de leur intervalles et de l'inclinaison de leur guide- d'ondes 4, vitesse du tapis 2, sont déterminés et affichés et les pièces de bois défilent les uns après les autres dans le tunnel 3. Dans ce mode de mise en oeuvre la vitesse de déplacement des pièces de bois est constante et détermine les durées de séjour des partie successives du lambris qui défile sous les différents guides d'ondes 4 Pour des guides d'ondes identiques les durées de séjour seront identiques Si l'on veut au niveau du premier générateur de micro-ondes 1 une application de puissance supérieure à celle des autres générateurs, il faut augmenter la puissance dudit premier générateur. La figure 4 illustre l'application du procédé de l'invention au séchage d'un morceau de chêne de section 80 mm x mm, placé sous un applicateur alimenté par un générateur à puissance restituée constante ( 1200 W) En abscisse est porté le temps en minutes et en ordonnée le pourcentage d'humidité donné par la formule H = 100 m mbs o m est la masse du pro- mbs duit traité à l'instant t et mb S la masse base sèche du produit après extraction totale de l'eau. Le générateur et le morceau de bois sont fixes et l'on joue sur l'envoie d'impulsions micro-ondes pendant des durées variables séparées par des intervalles de repos du type illustré par la figure 2. Les impulsions micro-ondes sont représentées par des segments verticaux groupés par paquets. Le premier paquet 5 correspond à la première application de micro-ondes et sa durée est supérieure à celle des autres applications ( 6 à 15) qui sont de durée égale Dans le diagramme de la figure 4 un segment représente une impulsion d'une durée de 6 secondes. Les paquets d'impulsions 5 à 15 sont séparés par des intervalles de temps variables. La mesure toutes les 2 minutes et demi du degré d'humidité a permis de tracer la courbe d'abaissement du degré d'humidité de l'échantillon testé. L'arrêt de la première application des micro-ondes ( 5) et les départs et arrêts des applications suivantes ( 6 à 15), définies lors des mesures de la définition du tunnel, sont commandés à partir de la détection de la température en surface de l'échantillon comme illustré par la figure 1. L'échantillon est considéré comme suffisamment sec au bout de 30 minutes au cours desquelles la durée d'application des micro-ondes a été seulement de 3 minutes 32 secondes. Le procédé est donc économique et permet un séchage homogène au degré désiré en association avec une transformation chimique interne sans aucune altération, en particulier fissuration, des faces du produit traité. Le dispositif de séchage industriel selon l'invention peut comporter des applicateurs micro-ondes répartis sur deux faces opposées du produit à traiter notamment lorsqu'il est épais ou très humide et peut combiner au traitement micro-ondes un séchage par air chaud forcé ou non, dont tout ou partie peut être l'air de refroidissement des magnétrons, avant l'application des micro-ondes et/ou entre deux applications de microondes Les micro-ondes peuvent être appliquées sur les faces des petits côtés du produit afin d'augmenter le champ interne par diminution du champ de dépolarisation. L'eau qui part sous forme liquide à l'entrée du tunnel doit être éliminée au fur et à mesure par soufflage, aspiration ou raclage pour éviter qu'elle dissipe de l'énergie une fois sortie du produit. Le mouvement relatif entre produit et applicateurs peut être obtenu par déplacement des applicateurs, le produit demeurant fixe Pour certaines applications peut être prévu un seul applicateur, fixe, les produits étant placés, immobiles, sous le guide d'ondes, la durée des différentes applications étant réglée comme illustré en figure 2. Enfin, l'invention n'est évidemment pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes notamment en ce qui concerne la puissance des applicateurs, la fréquence micro-onde utilisée, les formes et dimensions des guides d'ondes et des fenêtres d'irradiation et leur position sur l'une des faces quelconque du tunnel. Il est également possible d'imaginer deux ou trois tunnels pouvant être consécutifs, l'un pour les fortes humidités (par exemple supérieures à 45 %) et les autres pour les humidités inférieures, ceci pour avoir pour chacun d'eux des valeurs moyennes des angles de Brewster aussi proches que possible des valeurs théoriques sans avoir à mettre en oeuvre des applicateurs à incidences réglables Les deux autres paramètres également disponibles sont la puissance des générateurs et la vitesse de défilement qui peuvent être asservies à la mesure en continu de l'humidité Les produits peuvent être convoyés sur un tapis ou un filet de préférence en matériau non polaire ou maintenu en pression entre des rouleaux affleurant l'intérieur du tunnel. Ce maintien en pression doit être poursuivi notamment pour le bois après sortie du tunnel un temps suffisant pour éviter des déformations Inversement, si l'on veut créer au défilé un produit cintré pour des applications telles que sièges, menuiserie ou tonnellerie, le produit sera cintré en cours de séchage donc avec un tunnel en courbe dans lequel le bois sera maintenu sur la tranche et en sortie Pour des questions d'espace au sol on peut également imaginer une spirale s'élevant suivant la verticale. R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé de séchage rapide d'un matériau pouvant être fragile par application de micro-ondes, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer les micro-ondes avec une quantité d'énergie suffisante pour porter la température de surface et/ou la température à coeur du matériau à une limite supérieure déterminée fonction de la nature du matériau, puis à réappliquer les micro-ondes lorsque la ou lesdites températures atteignent en redescendant une limite inférieure déterminée, également fonction dudit matériau, jusqu'à ce que la ou lesdites températures réatteignent ladite limite supérieure et à renouveler l'application des micro-ondes dans les mêmes conditions jusqu'à l'obtention du degré d'humidité désiré. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les différentes applications de micro-ondes sont faites à puissance constante mais à durées variables, le matériau à traiter étant immobile sous l'applicateur de micro-ondes. 3 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait défiler le matériau à traiter à vitesse constante au droit d'une série d'applicateurs micro-ondes dont on peut régler les intervalles les séparant. 4 Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le premier applicateur micro-ondes délivre une puissance très sensiblement supérieure à celle des autres applicateurs qui sont de puissance égale ou voisine. 5 Procédé suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'on règle l'axe des guides d'ondes des applicateurs micro-ondes de façon à avoir pour chaque applicateur une application de micro-ondes sous incidence de Brewster ou au voisinage de cette dernière. 6 Procédé suivant l'une des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce qu'entre deux applications de micro-ondes on soumet le matériau à de l'air chaud de séchage. 7 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un tunnel ( 3) traversé par un système de convoyage ( 2) du matériau à traiter et muni d'au moins une série d'applicateurs microondes ( 1) dont les guides d'ondes ( 4) débouchent à l'intérieur dudit tunnel ( 3) sous un angle d'incidence des micro-ondes par rapport à la surface irradiée du matériau réglable notamment pour se rapprocher au mieux des valeurs théoriques calculées des angles de Brewster. 8 Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte deux séries d'applicateurs micro-ondes dont les guides d'ondes sont dirigés vers deux faces opposées du matériau à traiter. 9 Dispositif suivant la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le système de convoyage est agencé de façon à maintenir en pression les produits, en particulier des pièces de bois, lors du défilement, pour éviter toute déformation au cours du séchage ainsi que pendant un temps suffisant après la sortie dudit tunnel. 10 Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le tunnel et le système de convoyage sont agencés selon une forme spiralée en vue de l'obtention de produits, notamment des pièces de bois, cintrés au défilé.