СПОСОБ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ В СВЧ ЛЕСОСУШИЛЬНОЙ КАМЕРЕ РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ
METHOD OF DRYING WOOD IN MICROWAVE WOOD DRYING KILN WITH RESONANCE METHOD

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.
010
011
0
0
0
0
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 Е образец в виде цилиндрического стержня малого диаметра помещают вдоль оси резонатора; в цилиндрическом ОР с колебанием Н 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-f и добротности ΔQ=Q-Q, где f и Q - 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.
погл
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.
Основываясь на энергетических параметрах резонатора, добротности Q и затухания d, величине обратной добротности d=1/Q, находим затухание резонатора, исходя из энергетического соотношения
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub><mfrac><mi>W</mi><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>П</mi><mo>∑</mo></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
р
ПΣ
где ω - резонансная угловая частота; W - энергия, запасенная в колебательной системе; Р- мощность потерь холостого хода в резонаторе; Q - добротность ненагруженного резонатора (холостого хода), при этом нагрузкой является влага, содержащаяся в древесине.
ПΣ
Г
Н
погл
Если резонатор нагружен, то к средней мощности потерь в резонаторе Р=P следует прибавить среднюю мощность, отдаваемую резонатором в нагрузку Р=Р. Выражение для добротности нагруженного резонатора можно записать:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>H</mi></msub><mo>=</mo><mi>Q</mi><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>P</mi><mi>H</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>P</mi><mi>Г</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>d</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>н</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>d</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>P</mi><mi>Н</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>P</mi><mi>Г</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Н
погл
Г
Н
погл
ВН
соответственно для затухания нагруженного резонатора:
, где P=Р - мощность нагрузки, расходуемая на нагрев древесины в сушильной камере, Р - мощность генератора, d - затухание ненагруженного резонатора. По приведенному соотношению для затухания нагруженного резонатора d с учетом того, что находят интегральное значение средней влажности материала в сушильной камере, вычисленное по формуле для поглощенной мощности Р калориметрическим способом, и поскольку влажность древесины пропорциональна потерям передаточной функции, т.е. вносимому в резонатор затуханию А при отсутствии согласования в тракте передачи
<mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>В</mi><mi>Н</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>Н</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mi>Г</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
Н
Величина влажности древесины W устанавливается по функции затухания нагруженного резонатора d калибровкой измерителя, учитывая, что
0
0
W%=(М-М)/М·100%,
0
где М - масса влажной древесины; М - масса абсолютно сухой древесины.
г
Н
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 в соответствии с соотношением для затухания нагруженного резонатора d.
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
ВЫХ
1
2
2
1
Пример 1. При фиксированной мощности питающего генератора СВЧ (P=15 кВт) задается время взаимодействия t высушиваемой древесины с полем многих мод в резонансной камере. Измеряя температуру исследуемого материала перед помещением в замкнутый объем Т°C, а затем температуру Т°C материала после взаимодействия по разности температур ΔТ=Т-Т, используя калориметрический способ измерения поглощенной мощности
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>г</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>с</mi><mi>ν</mi><mi>Δ</mi><mi>T</mi></mrow><mrow><mn>0.24</mn><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>4.18</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>3</mn></msup><mfrac><mi>ν</mi><mi>t</mi></mfrac><mi>Δ</mi><mi>T</mi></mrow>
где ν - объем жидкости, с - удельная теплоемкость, t -время.
Н
Для энергетического параметра - затухания нагруженного резонатора d - получаем график зависимости затухания, откалиброванного в единицах влажности древесины.
<mrow><msub><mi>d</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>Q</mi><mi>н</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>d</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>P</mi><mi>Н</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>P</mi><mi>Г</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
xx
н
В функцию подставляются значения: добротность нагруженного резонатора Q=1/d сушильной камеры на холостом ходу, можно принять Q=Q≈100 (точное значение можно получить методом экстраполяции функции d), поэтому для подведенной мощности магнетрона, равной 15кВт
<mrow><msub><mi>d</mi><mi>Н</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>Н</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>W</mi><mo>=</mo><mn>0.01</mn><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>P</mi><mi>Н</mi></msub><mo>/</mo><mn>15</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi></mrow>
Н
погл
Г
Здесь (Р=Р) - переменная, а Р - 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
0
0
W%=(М-М)/М·100% приведена на Фиг.1.
Например, при шаге измерения влажности 10% получим характеристику при регулировке мощности в процессе контроля технологического процесса сушки, Фиг.2.
1
Н
Пример 2. При подведенной мощности генератора Р=1 кВт при начальной влажности древесины 100%, применяя колориметрический способ измерения поглощенной мощности, для энергетического параметра - затухания нагруженного резонатора d - получаем график зависимости затухания, откалиброванного в единицах влажности, Фиг.3. Процесс идет идентично примеру 1.
<mrow><msub><mi>d</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>Q</mi><mi>Н</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>d</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>П</mi><mi>О</mi><mi>Г</mi><mi>Л</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
Тогда в процессе сушки при шаге измерения влажности 10% параметр, которым является подведенная мощность генератора Р, 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.