СПОСОБ СВЧ-СУШКИ ДЛИННОМЕРНЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ, ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНО БРЕВЕН, БРУСЬЕВ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR SHF-DRYING LONG-LENGTH TIMBER, PREFERABLY, LOGS AND CANTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к сушильной технике, а именно к технологическим процессам и установкам для СВЧ-сушки диэлектрических материалов, в частности древесины, и может быть использовано в деревообрабатывающей, мебельной, строительной и других отраслях промышленности и, предпочтительно, при производстве длинномерных строительных материалов, предназначенных для деревянного домостроения.
Известен способ СВЧ-сушки древесных материалов (см. пат. RU №2061935, F26B 3/34, 1996). Сушку длинномерных лесоматериалов в соответствии с данным техническим решением осуществляют путем локального подвода источников СВЧ-энергии 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.
Однако предлагаемый по данному техническому решению прием перемещения источников СВЧ-излучения усложняет технологический процесс, конструкцию устройства для его осуществления и снижает эффективность сушки длинномерных лесоматериалов, размещаемых в камерах.
Для повышения эффективности СВЧ-сушки древесных лесоматериалов используют технологические процессы, в основу которых положены технологические режимы по подаче СВЧ-энергии и конвективного теплоносителя при обработке древесных материалов.
Так, в частности, в техническом решении по пат. RU №2151691, В27М 1/02 предложен способ СВЧ-сушки древесины, в соответствии с которым на первом этапе осуществляют подачу СВЧ-энергии со стороны торцев обрабатываемых древесных материалов, на втором этапе производят конвективную термообработку материалов горячим воздухом.
Однако данный технологический процесс эффективен при сушке короткомерных древесных материалов и не может быть использован для СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов, в частности бревен, бруса, вследствие значительной энергоемкости процесса.
Известен способ СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов и устройство для его осуществления (см. пат. RU №2263258, F26B 3/347, 2003). В данном техническом решении для повышения эффективности сушки лесоматериалов в виде длинномерных брусьев или бревен штабель названных лесоматериалов размещают в камере и осуществляют трехэтапный двухсторонний СВЧ-нагрев лесоматериалов от середины к торцам пакетов с нагревом по полуметровым участкам до температур, снижающихся к торцам. Процесс осуществляют при поочередной подаче электромагнитной СВЧ-энергии на боковые поверхности пакета, путем обработки вначале узких площадок пакета шириной 10-20 см их полуметровых участков, а затем полных полуметровых участков. На каждом этапе сушки температуру нагрева полуметровых участков повышают, при этом после каждого этапа осуществляют конвективную обработку боковых поверхностей пакета нагретым воздухом.
Для осуществления данного технологического процесса предложено устройство, содержащее герметичную камеру с торцевыми створками и продольно ориентированными проемами со стороны противолежащих боковых поверхностей, со стороны которых установлены генераторы СВЧ-энергии (магнетроны), сообщающиеся через волноводы, рупоры перехода и рупоры согласования с продольными проемами камеры, механизм загрузки и выгрузки пакета лесоматериалов в камеру, предпочтительно, в виде шагового транспортера, систему охлаждения магнетронов, конвективного нагрева воздуха в камере и отбора паровоздушной смеси из нее, а также систему управления включением и выключением магнетронов. Каждый рупор согласования имеет заслонку, избирательно устанавливаемую механизмом поворота в открытое и закрытое положения для расширения зоны обогрева полуметровых участков. Система отсасывания паровоздушной смеси имеет трубопроводы, выходы которых расположены со стороны торцевых створок камеры.
Однако при осуществлении данного способа СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов неэффективно используется конвективная обработка их поверхностей, поскольку обдув нагретым воздухом осуществляется с целью удаления с поверхности лесоматериалов влаги, выделенной в процессе СВЧ-нагрева из сердцевины лесоматериалов. При этом вследствие неконтролируемой конвективной составляющей процесса сушки (перепад влажности по сечению бревна) создаются условия для образования трещин, что ухудшает качество сушки длинномерных лесоматериалов.
Кроме того, при реализации данного технологического процесса при расширении зоны нагрева лесоматериалов путем использования стадии предварительного воздействия СВЧ-энергии на участки длиной 10-20 см неэффективно используется мощность СВЧ-источников, что снижает производительность процесса и повышает его трудоемкость.
Наличие в устройстве для осуществления данного способа рупоров перехода и согласования, сообщающих магнетроны с продольными прорезями камеры, и наличие в рупорах согласования поворотных заслонок усложняет конструкцию устройства. Использование рупоров согласования, выходы которых вплотную приближены к боковым поверхностям стенок камеры, а следовательно, к боковым поверхностям лесоматериалов, уложенных в пакет, приводит к неравномерному нагреву лесоматериалов по их длине (в центре рупора максимальный нагрев, у краев рупора практически нагрева нет), что ухудшает качество сушки вследствие растрескивания поверхностей лесоматериалов.
Известен способ СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов (см. пат RU №2332625, F26B 3/347, 2006 г.), заключающийся в размещении длинномерных лесоматериалов в камере, в многоэтапном двухстороннем СВЧ-нагреве лесоматериалов, в последовательном расширении зон нагрева на каждом этапе в направлении от центрального участка лесоматериала к его торцам, в регулировании мощности СВЧ-излучения на каждом этапе.
В данном техническом решении СВЧ-нагрев обрабатываемых зон лесоматериала осуществляют в течение 90-240 с, на каждом последующем этапе при нагреве следующей зоны обрабатываемого лесоматериала мощность СВЧ-нагрева уменьшают и производят конвективную термообработку длинномерного лесоматериала влажным воздухом после каждого этапа нагрева температурой на 7-8°С ниже предшествующей температуры СВЧ-нагрева на соответствующей зоне обработки и влажностью, обеспечивающей увеличение равновесной влажности на поверхности лесоматериалов на (3,5±0,5)%, а по достижении древесиной в середине длины влажности (24-28)% влажностью, обеспечивающей уменьшение равновесной влажности на поверхности лесоматериала.
По мнению авторов данного технического решения повышается качество сушки длинномерных лесоматериалов при эффективном использовании мощности СВЧ-источников (магнетронов).
Однако данный процесс осуществляют при подаче СВЧ-энергии в центральную зону с наибольшей мощностью, а в последующие зоны обработки в направлении от центральной к торцам лесоматериалов с последовательным уменьшением мощности в каждой зоне обработки, что приводит к перегреву центральной зоны обработки и прилегающих к ней и требует конвективной термообработки обрабатываемых зон влажным воздухом после каждого этапа СВЧ-нагрева и многократной оценки температуры СВЧ-нагрева, температуры воздуха, обдувающего поверхность лесоматериала, равновесной влажности на его поверхности, что усложняет технологический процесс и повышает его энергоемкость.
При реализации данного технологического процесса при СВЧ-сушке лесоматериалов с высокой влажностью и различным строением волокон древесины интенсивность тока свободной влаги из внутренних слоев древесины от центральной зоны обработки к последующим зонам в направлении торцев лесоматериала замедляется, т.к. при реализации процесса мощность СВЧ-излучения на каждом последующем этапе сушки от центрального участка к последующим в направлении торцев уменьшают.
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.
Техническое решение по пат. RU №2332625 выбрано в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения в части, касающейся способа СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов, предпочтительно бревен, брусьев.
В качестве ближайшего аналога по совокупности конструктивных признаков заявляемого изобретения в части, касающейся устройства для СВЧ-сушки, выбрано известное техническое решение по патенту RU №2262050, F26B 3/347, 2005 г.
В соответствии с данным техническим решением устройство для СВЧ-сушки лесоматериалов содержит герметичную для электромагнитного излучения камеру, механизм загрузки лесоматериалов, расположенные с противолежащих боковых сторон камеры группы поярусно расположенных магнетронов, каждая следующая группа магнетронов смещена вдоль камеры относительно предыдущей группы поярусно расположенных магнетронов, каждый магнетрон сообщен с камерой через волновод, соседние из которых в каждой группе и в смежных по длине камеры группах ортогональны по поляризации, систему обеспечения неглубокого вакуума в камере, систему стока влаги в нижней части камеры и электрически связанный с магнетронами блок управления.
Однако данное техническое решение предназначено для сушки только пиломатериалов мебельных заготовок, при СВЧ-сушке которых выход влаги из них происходит через боковые поверхности. Возможность использования данного устройства для СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов, в том числе штабеля их, технологически нецелесообразно.
Задача заявляемого изобретения состояла в создании способа СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов, предпочтительно бревен, брусьев, и устройства для его осуществления, обеспечивающих технический результат по снижению энергетических затрат и по упрощению технологического процесса СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов и устройства для его осуществления при эффективном качестве сушки длинномерных лесоматериалов, предпочтительно брусьев, бревен.
Для решения поставленной технической задачи предложен способ СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов, предпочтительно бревен, брусьев, заключающийся в размещении длинномерных лесоматериалов в камере, в двухстороннем СВЧ-нагреве обрабатываемых зон лесоматериалов, в многоэтапном последовательном расширении зон нагрева от центральной зоны обработки к последующим в направлении к обоим торцам лесоматериалов, в регулировании мощности СВЧ-источников на каждом этапе, согласно изобретению обрабатываемые лесоматериалы при загрузке в камеру с боковых сторон и сверху укрывают радиопрозрачным влагонепроницаемым материалом и при расширении зон нагрева от центральной к последующим в направлении к торцам СВЧ-мощность последовательно увеличивают в каждой зоне обработки при одновременном отключении СВЧ-источников в центральной зоне и во всех предыдущих зонах в направлении к центральной, при этом в камере со стороны торцев обрабатываемых лесоматериалов импульсно создают локальный вакуум.
Согласно изобретению локальный вакуум со стороны торцев лесоматериалов обеспечивают при давлении (0.4-0.1) атм.
Согласно изобретению при разгрузке формируют двухрядный по ширине штабель лесоматериалов с поярусным расположением их в каждом ряду и со смещением по высоте одного ряда лесоматериалов в штабеле относительно другого.
Согласно изобретению в качестве радиопрозрачного влагонепроницаемого материала предпочтительно используют полипропилен или оргстекло.
Для решения поставленной технической задачи предложено устройство для СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов, предпочтительно бревен, брусьев, содержащее герметичную для электромагнитного излучения камеру, механизм загрузки лесоматериалов, расположенные с противолежащих боковых сторон камеры группы поярусно расположенных магнетронов, каждая следующая группа магнетронов смещена вдоль камеры относительно предыдущей группы магнетронов, каждый магнетрон сообщен с камерой через волновод, соседние из которых в каждой группе и в смежных по длине камеры группах ортогональны по поляризации, систему обеспечения неглубокого вакуума в камере, систему стока влаги в нижней части камеры и электрически связанный с магнетронами блок управления, согласно изобретению блок управления магнетронов выполнен в виде многоканального программируемого реле, к одному из каналов выхода которого параллельно подсоединены магнетроны центральных групп на противолежащих сторонах камеры, к следующему каналу выхода аналогично подсоединены магнетроны следующих групп, которые смещены по длине камеры и расположены с противолежащих сторон относительно магнетронов центральных групп, а к каждому последующему каналу выхода аналогично подсоединены магнетроны последующих групп, которые размещены по обе стороны от предыдущих к ним групп магнетронов на противолежащих сторонах камеры, при этом открытый конец волновода каждого магнетрона расположен под углом 45° относительно продольной оси камеры, а система неглубокого вакуума снабжена трубопроводами, с поярусно расположенными входами со стороны торцев камеры.
Согласно изобретению количество групп магнетронов на каждой стороне камеры соответствует условию: N+1, где N - четное количество обрабатываемых зон длинномерного лесоматериала или штабеля их.
При реализации заявленного изобретения в части, касающейся способа СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов, предпочтительно бревен, брусьев, и устройства для его осуществления, обеспечивается эффективное при низких энергетических затратах качество сушки длинномерных лесоматериалов вне зависимости от их влажности, упрощается процесс и устройство СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов.
При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений, имеющих аналогичную заявляемому техническому решению совокупность признаков по реализации технологического процесса СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов и устройства для его осуществления, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критериям изобретения: «новизна», «изобретательский уровень».
При реализации заявляемого технического решения используется традиционное технологическое оборудование, что свидетельствует о промышленной применимости заявляемого изобретения.
Изобретение поясняется чертежами, где на:
фиг.1 показан общий вид устройства;
фиг.2 - то же, что на фиг.1, поперечное сечение;
фиг.3 - то же, что на фиг.1, со стороны торцевых створок;
фиг.4 показана схема подсоединения магнетронов к каналам выхода программируемого реле;
фиг.5 - диаграмма СВЧ-сушки длинномерного материала при последовательном расширении зон нагрева.
Устройство для СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов, предпочтительно бревен, брусьев, предназначенных для деревянного домостроения, содержит герметичную камеру 1 с торцевой створкой 2, механизм загрузки лесоматериалов 3, например, в виде загрузочной тележки. С противолежащих боковых сторон камеры 1 установлены противоположные друг другу группы поярусно расположенных СВЧ-источников в виде магнетронов 4. Каждая следующая группа магнетронов смещена вдоль камеры относительно предыдущей группы. Каждый магнетрон 4 сообщен через волновод 5 с камерой 1. Соседние волноводы 5 в каждой группе и в каждой следующей группе ортогональны по поляризации выходного сигнала для обеспечения равномерного освещения штабеля. Открытый конец каждого волновода 5 расположен под углом 45° относительно продольной оси камеры. Расположение открытых концов волноводов под названным углом обеспечивает:
равные проекции векторов напряженности полей соседних магнетронов как по вертикали, так и по горизонтали, что реализует равную глубину проникновения электромагнитного излучения от соседних магнетронов в древесину как поперек, так и вдоль волокон, при этом ширина диаграммы направленности открытых концов волноводов как по высоте, так и по длине штабеля имеет равномерное распределение, что улучшает эффективность нагрева обрабатываемых зон лесоматериалов.
При описанном расположении открытых концов волноводов 5 относительно продольной оси камеры не нарушается требование по ортогональности излучения соседних магнетронов, а следовательно, исключается «затягивание частоты» соседних магнетронов.
Магнетроны 4 соединены с системой их управления, которая выполнена в виде многоканального программируемого реле 7, программное обеспечение которого реализует процесс регулирования мощности магнетронов, режим их включения и выключения. При реализации изобретения используются традиционные программируемые реле.
Каждый канал выхода программируемого реле 7 электрически соединен с поярусно расположенной группой магнетронов 4 и противолежащей ей группой магнетронов на противоположной стороне камеры.
К одному из каналов выхода 8 параллельно подсоединены магнетроны центральной группы, размещенные в средней (центральной) части камеры 1 и магнетроны противоположной группы на противолежащей стороне камеры. К следующему каналу 9 аналогично подсоединены следующие группы магнетронов, которые смещены по длине камеры 1 и расположены с противолежащих сторон от указанных центральных групп магнетронов. К каждому последующему каналу 10…12 аналогично подсоединены магнетроны последующих групп, которые размещены по обе стороны от предыдущих к ним групп магнетронов (см. фиг.4).
Количество групп магнетронов, размещаемых на каждой стороне камеры 1, определяется из условия: N+1, где N - четное количество обрабатываемых зон длинномерного лесоматериала или штабеля их. Заданное количество групп магнетронов определяет общее количество зон нагрева по длине обрабатываемого лесоматериала, и оптимизируется процесс управления магнетронами с учетом последовательного расширения зон нагрева в направлении от центральной зоны обработки к торцам лесоматериала.
Устройство содержит систему обеспечения неглубокого вакуума в камере, имеющую импульсно-вакуумный насос 13, соединительную трубу 14, поярусно расположенные со стороны торцевых створок 2 трубопроводы 15.
Устройство для СВЧ-сушки имеет систему стока влаги 16, которая расположена в нижней части камеры 1 и выполнена предпочтительно в виде наклонной к горизонту металлической пластины с отверстиями для стока воды и емкости для сбора воды.
В состав оборудования устройства для СВЧ-сушки лесоматериалов входит и другое оборудование, используемое для данного типа устройств, в частности система охлаждения магнетронов (не показано).
Для реализации технологического процесса СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов используется также радиопрозрачный влагонепроницаемый материал (поз.17), например оргстекло или полипропилен.
Технологический процесс при работе описанного устройства СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов, бревен или брусьев, осуществляется следующим образом.
Длинномерный лесоматериал, например крупномерное бревно, или группу длинномерных лесоматериалов, например оцилиндрованные бревна, в виде сформированного штабеля укладывают на тележку механизма загрузки 3. Штабель длинномерных лесоматериалов формируют по ширине в виде двух рядов с поярусным расположением лесоматериалов в каждом ряду и со смещением по высоте одного ряда лесоматериалов в штабеле относительно другого. Двухрядное расположение лесоматериалов в штабеле, поярусное смещение рядов по высоте наиболее эффективно по условиям СВЧ-нагрева каждого длинномерного лесоматериала в ряду и уложенных в штабель лесоматериалов, при этом исключается проскок потока электромагнитного излучения с противоположно расположенных магнетронов. Оптимальность формирования штабеля длинномерных лесоматериалов по данной технологической операции показана в техническом решении по патенту RU №2263258.
Длинномерный крупномерный лесоматериал или штабель длинномерных лесоматериалов с боковых сторон и сверху укрывают радиопрозрачным влагонепроницаемым материалом 17, например полипропиленом (более удобный при технологическом использовании), и загружают в камеру 1.
Включают систему управления магнетронов, которая с учетом сезонности работы может осуществлять режим предварительного размораживания лесоматериалов при одновременном включении всех магнетронов 4.
Дальнейший технологических процесс по сушке длинномерных лесоматериалов осуществляют при двухстороннем СВЧ-нагреве обрабатываемых зон лесоматериалов, в многоэтапном последовательном расширении зон нагрева от центральной зоны обработки к последующим в направлении к обоим торцам лесоматериалов, в регулировании мощности СВЧ-источников на каждом этапе.
При реализации технологического процесса сушки на первом этапе с использованием программируемого реле 7 включают группы магнетронов 4 в центральной части камеры. Во внутреннем объеме материала при локальном нагреве центральной зоны обработки 18 (см. фиг.5) создается повышенное избыточное давление водяного пара, под действием которого происходит перемещение влаги из волокон и клеток древесины в продольном направлении обрабатываемых лесоматериалов в зоны пониженного давления к соседним зонам 19, которые расположены с обеих сторон относительно центральной зоны 18 и ориентированы к торцам лесоматериала. На следующем этапе сушки в зонах нагрева 19, следующих от центральной 18, с использованием программного обеспечения реле 7 увеличивают СВЧ-мощность в соответствующих группах магнетронов, расположенных в этой зоне, с одновременным отключением групп магнетронов 4 в предыдущей центральной зоне 18. На каждом следующем этапе сушки (в зависимости от заданного количества зон обработки и их длины и соответствующего количества групп магнетронов, расположенных с боковых сторон камеры) в последующих зонах нагрева 20…21 последовательно увеличивают мощность магнетронов 4 с одновременным отключением программируемым реле 7 групп магнетронов в каждой предыдущей зоне обработки 19…20. В результате при последовательном повышении мощности СВЧ-энергии в каждой зоне обработки в направлении от центральной к торцам увеличивается температурный градиент ΔТ и градиент давления ΔР между соответствующей зоной нагрева и примыкающей к ней со стороны торцев лесоматериала, что интенсифицирует процесс перемещения влаги вдоль волокон к торцам лесоматериалов. Одновременно с СВЧ-нагревом соответствующих зон обработки в камере со стороны торцев лесоматериалов импульсно создают локальный неглубокий вакуум с давлением (0.1-0.4) атм, что стабилизирует процесс движения влаги вдоль волокон и клеток древесины к торцам и препятствует тем самым возможному перемещению влаги в направлении к центральной зоне лесоматериала при отключенных в предыдущих зонах обработки магнетронах 4.
Описанный процесс сушки осуществляется при равномерном нагреве обрабатываемых зон лесоматериалов как поперек, так и вдоль волокон, что обеспечивается расположением волноводов 5 магнетронов 4 под углом 45° относительно продольной оси камеры.
При осуществлении описанного технологического процесса в каждой зоне нагрева лесоматериала часть влаги в виде пара перемещается в радиальном направлении, что приводит к созданию насыщенного пара под радиопрозрачным влагонепроницаемым укрытием 17. В результате в камере 1 создаются условия по поддержанию обрабатываемых лесоматериалов в процессе сушки в равновесном физическом состоянии по температуре и влажности, что повышает эффективность сушки, снижает материало- и энергозатраты.
Экспериментальные исследования показали, что при осуществлении заявленного по изобретению способа с использованием устройства для его осуществления скорость СВЧ-сушки длинномерных лесоматериалов в сформированном штабеле повышается в среднем в два раза по сравнению с известными технологическими процессами. Реализация заявленного изобретения снижает энергетические и материальные затраты по производству высушенных длинномерных лесоматериалов, предпочтительно брусьев, бревен, широко используемых при строительстве.