EP1670622B1 - Methode et systeme pour chauffer des billes gelees - Google Patents

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EP1670622B1
EP1670622B1 EP04789713A EP04789713A EP1670622B1 EP 1670622 B1 EP1670622 B1 EP 1670622B1 EP 04789713 A EP04789713 A EP 04789713A EP 04789713 A EP04789713 A EP 04789713A EP 1670622 B1 EP1670622 B1 EP 1670622B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
logs
wooden logs
infrared radiation
wooden
conveyor
Prior art date
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Active
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EP04789713A
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German (de)
English (en)
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EP1670622B8 (fr
EP1670622A4 (fr
EP1670622A2 (fr
Inventor
Normand Bedard
Benoît LAGANIERE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FPInnovations
Hydro Quebec
Original Assignee
Forintek Canada Corp
Hydro Quebec
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Filing date
Publication date
Application filed by Forintek Canada Corp, Hydro Quebec filed Critical Forintek Canada Corp
Publication of EP1670622A2 publication Critical patent/EP1670622A2/fr
Publication of EP1670622A4 publication Critical patent/EP1670622A4/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1670622B1 publication Critical patent/EP1670622B1/fr
Publication of EP1670622B8 publication Critical patent/EP1670622B8/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B3/00—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat
    • F26B3/28—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun
    • F26B3/30—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun from infrared-emitting elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B27—WORKING OR PRESERVING WOOD OR SIMILAR MATERIAL; NAILING OR STAPLING MACHINES IN GENERAL
    • B27L—REMOVING BARK OR VESTIGES OF BRANCHES; SPLITTING WOOD; MANUFACTURE OF VENEER, WOODEN STICKS, WOOD SHAVINGS, WOOD FIBRES OR WOOD POWDER
    • B27L1/00—Debarking or removing vestiges of branches from trees or logs; Machines therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B15/00—Machines or apparatus for drying objects with progressive movement; Machines or apparatus with progressive movement for drying batches of material in compact form
    • F26B15/10—Machines or apparatus for drying objects with progressive movement; Machines or apparatus with progressive movement for drying batches of material in compact form with movement in a path composed of one or more straight lines, e.g. compound, the movement being in alternate horizontal and vertical directions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B2210/00—Drying processes and machines for solid objects characterised by the specific requirements of the drying good
    • F26B2210/16—Wood, e.g. lumber, timber

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for heating frozen balls. More particularly, the present invention relates to a method and system for heating frozen logs to facilitate their debarking.
  • sawmills are currently using heating methods including immersion and spraying of the logs in hot water ponds or by means of water jets and / or steam devices. These methods work well in terms of preheating, but pose a number of problems, the most important of which is the environment. Indeed, emptying and cleaning are frequently required to rid the basins that accumulate dirt and bark. Since contaminated water can no longer be released to the environment because of government regulations, sawmills must have settling ponds that must be frequently emptied and cleaned, resulting in high costs.
  • An object of the present invention is therefore to provide a method and / or a heating system that can solve some of the problems mentioned above of the prior art.
  • an object is to propose a new method for heating frozen wood logs in winter to facilitate their debarking.
  • Another object is to propose a system for implementing this method.
  • step a) further comprises the step of pivoting the logs around their respective longitudinal axes along at least a portion of the path to allow the peripheral surface of each log be subjected to infrared radiation.
  • the system comprises any means, apparatus and / or device for implementing the various steps and / or sub-steps of the method according to the present invention.
  • the term “heat” can also be used to melt or sublimate the ice and the word “infrared” includes any electromagnetic radiation of a thermal nature (visible type radiation, infrared radiation). short, medium infrared, long infrared, etc.).
  • the present invention is primarily designed to heat frozen wood pellets to facilitate their debarking, the invention may be used in other fields for other applications, as obvious to a person. versed in art. For these reasons, expressions such as “logs”, “wood”, “jellies” and / or “debarking” and any other reference and / or any other equivalent or similar expression shall not be construed as limiting the scope of the present invention and include any other object and any other application with which the present invention may be used and may be useful.
  • the preferred embodiment of the conveyor 13 and means for moving and rotating the logs 3 include certain components, such as chains, reflectors, etc., all these components are not necessarily essential to the invention and consequently should not be taken in their restrictive sense, that is to say, should not be considered so as to limit the scope of the present invention. It should be understood, as is also obvious to one skilled in the art, that other suitable components and geometries and other cooperations between them can be used for the conveyor 13 or any other component of the system 1 according to the present invention, in order to implement the different steps and sub-steps of the method, as easily inferred from the present description, without departing from the scope of the invention.
  • each log 3 normally has a longitudinal axis 5 (typically a central axis 5), a peripheral surface 7 (outer surface 7 of the ball), and a given diameter (average).
  • the method comprises two main steps, in particular step a) of driving the frozen logs 3 along a determined path; and step b) subjecting the wood pellets 3 to infrared radiation 11 along the path for heating said wood pellets 3 by infrared radiation 11.
  • each of the above steps may comprise several substeps depending on the applications for which this method is used and the final results that are desired.
  • step a) could comprise the following substeps: i) rotate the logs 3 about their respective longitudinal axes along the at least a portion of the path to allow the peripheral surface 7 of each log 3 to be subjected to infrared radiation 11; ii) placing the logs 3 parallel to each other; iii) alternatively, maintain a certain distance between the adjacent logs 3, so that logs 3 of different diameters can also be subjected to infrared radiation 11, and thus avoid small diameter wooden logs 3 are hidden by wood logs 3 of larger diameter, or join wood logs 3 adjacent to each other, for example when these logs of wood are of similar diameter, to maximize the use of infrared radiation 11, that is to say maximize the amount of emitted infrared radiation 11 being absorbed by the logs 3; iv) driving the logs 3 along a horizontal plane, such as, for example, along a conveyor 13; v) driving the logs 3 in a direction transverse to the longitudinal axe
  • the above-mentioned step b) may also comprise several substeps, for example, as better explained below: i) subject the logs 3 to infrared radiation 11 positioned above the horizontal plane ; ii) subjecting the wood pellets 3 to infrared radiation 11 having a wavelength of between about 0.7 and 10 microns; iii) subjecting the wood pellets 3 to infrared radiation 11 having a power density determined according to the characteristics of the wood pellets 3 and limitations relating to flammability; iv) subject the logs 3 to infrared radiation 11 for a determined period of time according to the characteristics of the logs 3 (eg their initial temperature, etc.); v) reflect a portion of the infrared radiation 11 not absorbed by the logs 3 again to the logs 3 (the same logs 3 or other logs 3 to be subjected to infrared radiation 11 ); or vi) any other suitable and desired step as is evident to a person skilled in the art.
  • steps a) and b) can be intimately linked according to the applications for which this method is intended, as is also obvious to a person skilled in the art.
  • step a) could include the substep of sorting the logs 3 by their diameter, the logs 3 whose diameter falls within a first range of diameters being driven along a first determined course, and the logs 3 whose diameter falls within a second range of diameters being driven along a determined second course.
  • step b) could further comprise the step of subjecting the sorted logs 3 to infrared radiation 11 along each of said paths, i.e., there could be a first system of infrared heating 11 for heating the logs 3 of the first diameter range and another infrared heating system 11 separated by infrared radiation 11 (or a re-routing to the first heating system after treating the logs 3 of the first diameter range) for heating the logs 3 of the second range of diameters.
  • the present invention also relates to a system 1 for heating frozen wood logs 3 to facilitate their debarking.
  • the system 1 comprises a conveyor 13 for driving the frozen wood logs along a determined path and an infrared radiation surface 11 positioned relative to the conveyor 13 for subjecting the wood pellets 3 to infrared radiation 11 along the route and heat said logs 3 by infrared radiation 11.
  • system 1 Since the system 1 according to the present invention is intended to implement the aforementioned method, it preferably comprises several means, devices and / or devices for performing each of the steps and sub-steps described above.
  • the system 1 comprises: means for pivoting the logs 3 about their respective longitudinal axes along at least a portion of the path to allow the peripheral surface 7 of each wooden ball 3 to be subjected to infrared radiation 11 (these means preferably comprising toothed chains or rack chains 19 cooperating with the conveyor 13, or any other suitable device); means for placing the logs 3 parallel to each other; means for maintaining a distance between the adjacent logs 3; means for joining the logs 3 to each other; a conveyor 13 adapted to drive the logs 3 along a horizontal plane; an infrared radiation surface 11 positioned above the horizontal plane; means to train the logs 3 in a direction transverse to the longitudinal axes 5 of the logs 3; means for sorting the logs 3 according to their diameter, the logs 3 whose diameter falls within a first range of diameters being driven along a first determined course, and the logs 3 whose diameter falls within a second range of diameters being driven along a determined second course; an infrared
  • the infrared radiation 11 preferably has a wavelength of between about 0.7 and 10 microns and a power density determined according to the characteristics of the wood pellets 3 and limitations relating to flammability.
  • the infrared radiation surface 11 may take the form of electric emitters, gas radiants, catalytic type gas radiants, or any other emitter suitable for emitting infrared radiation 11 or any other radiation. suitable heat for heating the logs 3 according to the present invention and having the preferred features mentioned in the present description.
  • infrared technology This preferred technology was chosen for its simplicity and ability to heat effectively at a reasonable cost.
  • a simple heating element is brought to high temperature, which allows it to emit radiation called "infrared", not visible to the naked eye and of a thermal nature, heating the objects it " enlightened”.
  • Infrared equipment used in an industrial environment emits, in practice, radiation covering the wavelength range between about 0.7 and 10 microns. There is often a distinction between “short” type infrared, “medium” infrared and “long” infrared.
  • Short IR involves an emission temperature above about 2000 ° C and its spectral emission range mainly covers the range of about 0.7 to 3.0 microns.
  • Medium infrared involves an emission temperature between about 700 and 1300 ° C and covers a range of about 1 to 7 microns.
  • Long type infrared involves an emission temperature of about 400 to 600 ° C and mainly covers the wavelength range of about 2 to 10 microns.
  • the infrared heats strictly on the surface and has little or no ability to heat deeply. Even the short-type infrared, which has the ability to penetrate certain materials, penetrates only marginally the outer surface of the bark.
  • the zone to be heated, the bark is directly under the outer surface of the ball. In fact, it is necessary to heat the so-called "wet” bark located under the so-called “dry” bark to the wood-bark interface where the cambium is located. This zone is thus heated by thermal conduction from the surface exposed to the infrared towards the inside of the ball.
  • the entire periphery of the balls 3 must be exposed to the infrared radiation 11, which can be achieved by rolling the ball 3 on itself below a plane of emitters 25.
  • the heating by infrared radiation 11 does not consist in completely thawing the ball 3 but rather in preheating the surface 15.
  • the outer bark, the visible part contains practically no water.
  • the underlying layer, the inner bark between the outer bark and the wood contains a significant amount of water. When strongly frozen, this water increases the adhesion force between the wood and the bark. It is therefore necessary to reheat this part if it is desired to have a good operation of the debarker, which maximizes the sawing yield and improves the quality of the chips (by reducing the amount of bark in the chips).
  • an infrared preheating system should comprise a conveying system where all the balls 3 would be contiguous to each other, in order to minimize the radiation losses between the balls 3.
  • the displacement by rotation of the balls involves a movement inverse tangential between two adjacent balls, as best illustrated in FIG. Figure 1 .
  • the conveyor 13 envisaged involves chains with stops 23 to push each ball 3 and fixed or movable toothed chains or rack chains 19 to ensure their rotation.
  • the distance between each abutment is uniform along the conveyor 13 and is greater than the maximum diameter of the balls 3 entering a plane of infrared emitters, as better illustrated in FIG. Figure 2 .
  • infrared completely eliminates the use of water and associated environmental problems.
  • implementation of this type of system 1 requires the respect of certain power density limits, the choice of a particular type of infrared emitter, and the use of a conveyor 13 making it possible to expose the entire periphery of the balls. 3.
  • a research project was therefore initiated to answer certain technical questions and to demonstrate the principle.
  • a pilot comprising a conveyor 13 under infrared emitters was constructed to characterize the thermal behavior of the balls 3 under various infrared radiation power densities and exposure periods, on balls 3 of different diameters and thicknesses of bark and according to various initial temperatures.
  • the Figures 3 to 5 show the pilot with his main components.
  • This pilot was used to establish operating parameters, such as the power and the exposure time of beads 3 to infrared radiation.
  • this equipment was characterized by infrared emitters placed above a conveyor 13 allowing the displacement and rotation of the balls 3; the outer surface 7 of each of the balls 3 is thus completely exposed to the infrared radiation 11.
  • Thermocouples were installed at different depths inside the ball 3 to measure the rise in temperature. Black spruce logs frozen at temperatures of about -15 ° C. at -30 ° C, and of different diameters, were exposed to several levels of power density and several exposure times. These tests made it possible to know the optimal operating parameters.
  • Ball 3 with thermocouples was placed on the conveyor 13 with two balls 3 neighbors on both sides.
  • the stop chains 23 moved the three balls 3 under the infrared exposure zone.
  • the toothed chains rolled the balls 3 on themselves for a predetermined time ranging from about 1 to 8 minutes.
  • the balls 3 were removed from the heating zone and the rotational movement continued without infrared exposure for several minutes, the total time of exposure and non-exposure corresponding to a period of time typical between the entrance of a ball 3 in a sawmill and the debarking station.
  • Another type of test has also been to place pieces of wood such as bark, sawdust and chips on a metal plate under different levels of radiation power density to observe the tendency to ignite.
  • the infrared radiation 11 is strictly absorbed on the surface of the bark: the heat is transmitted more deeply, by thermal conduction through the bark.
  • the surface temperature rises rapidly and the temperature gradient in the thickness of the bark is high.
  • this gradient decreases sharply.
  • the temperature gradient in the thickness of the bark is lower: the energy contained in the surface layer (essentially "dry bark”) has been largely transferred to the lower layers colder (“wet bark” and sapwood).
  • the tests carried out tend to indicate that the energy required to make a rise in temperature to the desired temperature level is substantially proportional to the diameter of the ball 3.
  • the diameter of the larger balls 3 determines the energy consumption for all the balls.
  • the smaller balls 3 will receive more energy than necessary.
  • One criterion to consider in this situation is the energy bill.
  • a conveyor 13 adjusting the distance between the balls 3 is possible. The small balls 3 would then receive less energy and the overall energy bill would be minimized.
  • infrared raises the question of flammability. Indeed, the infrared emitters heat everything that faces them with a relatively high intensity. However, the radiation power densities involved in the case of the preheating of balls 3 can not cause the balls 3 to be ignited directly. Conditions (radiation power density level, surrounding air temperature, exposed surface to volume, exposure time, etc.) are simply not likely to initiate and maintain a combustion of full ball. On the other hand, wood particles, such as sawdust and pieces of bark, which are exposed for a long time to the infrared can come into combustion, and these parameters can be easily and suitably controlled, as is clear for a person paid in art.
  • the central area of the conveyors 13 comprises metal plates (reflectors 21) partially reflecting the radiation that would otherwise be lost downwards.
  • the reflected part is directed in part towards the balls 3, partially redirected towards the surface of the infrared emitters, which improves the energy efficiency.
  • These plates are placed between the chains of displacement of the balls and face directly the emitters 25 which overhang them: they are therefore subjected to radiation and, without the presence of beads 3, their temperature can rise.
  • the wood particles found on these plates are thus heated, on the one hand by direct contact with the metal plates, and on the other hand by radiation from the infrared emitters.
  • the balls 3 are cut and sorted according to their length, then transported parallel to each other on a conveyor 13 which routes them to other sorting systems.
  • the balls 3 of stronger and smaller diameters are then routed to the debarkers. Between the moment of entry of the ball in the sawmill and the debarking thus flow several minutes.
  • a conveyor 13 with a width equivalent to the length of the balls 3 and of appreciable length (more than twenty meters) is already present.
  • An infrared installation would simply be to cover the infra-red transmitter conveyor 13 over the full width and over a length compatible with the required infrared exposure time.
  • These emitters can be of different types.
  • the emitters 25 envisaged so far are of the "infrared panels” type. These panels generally have a thickness of about ten centimeters. A certain distance between the level of the plane of the conveyor 13 and the emitting surface must be respected, and transverse bars can ensure the protection of the surface of the emitters 25 against the lifting of a ball 3.
  • the height occupied by the infrared panels and by these bars would be relatively small: the vertical space available between the plane of the conveyor 13 and the ceiling of the building of entry of the balls 3 in the sawmill is ample.
  • the implementation of an infrared heating system in a conventional sawmill does not therefore pose an insurmountable problem: only the length required for adequate heating time is likely to require reorganization in the sawmill.
  • infrared emitters powered by electricity is self-evident in northern areas where this form of energy is available.
  • gas radiants particularly of catalytic combustion type, is equally conceivable.
  • the conveyor 13 used do not impose a continuous rotational movement of the balls.
  • a rotational movement is preferable in order to expose the entire periphery of the ball 3 to the radiation coming from the plane of the emitters 25 overlying the balls 3. And it is advantageous to carry out the rotation while by moving the balls 3 laterally.
  • the pilot used for the experimental tests included two chains with stops and two chains with teeth, the first to move the balls 3 laterally and the last to rotate the balls 3 on themselves without lateral displacement.
  • the toothed chains could be replaced by fixed racks, and the rotation would be ensured by the lateral displacement of the balls 3 on the teeth of the racks 19.
  • the type of conveyor 13 may, however, be different. The important thing is to make sure that the balls 3 rotate on themselves and that each one is not hindered in its movement by the presence of the neighboring balls 3.
  • the distance between each ball 3 could be adjusted dynamically to minimize the space between two adjacent balls 3, thus minimizing radiation losses passing between two balls 3 side by side. Because even if there is a reflective plate under the balls 3, it can absorb a portion of the infrared radiation 11 from the emitters 25 and this implies certain energy losses.
  • the energy expended for the logs entering the mill at about -20 ° C or -30 ° C is substantially the same. But the energy required is naturally less for beads 3 entering at about -10 ° C, since the temperature to be obtained in the cambium is around -6 ° C.
  • the control parameter could be the temperature of the balls 3 at the inlet, read by pyrometry or direct contact with a temperature probe, such as a thermocouple for example.
  • the application of infrared preheating logs before debarking provides a target temperature within minutes wood-bark that facilitates debarking.
  • the invention therefore provides all the advantages of the hot water technique with respect to the loss of wood fibers, wear and damage to debarking cutters and the reduction of bark in the chips.
  • infrared technology is probably more effective than water heating, with hot water tanks for dipping logs often in the open air.
  • the surface of hot water exposed to the environment involves large heat transfers by convection and radiation and significant losses by evaporation.
  • the bark detached from the ball 3 contains less water than in the case of the use of hot water tanks, which increases the calorific value of the bark. In the event of burning bark, this is an energetic asset and relieves typical problems associated with the burning of bark laden with water.
  • the present invention solves several problems and disadvantages of the prior art, and also offers several advantages over conventional methods and systems.
  • the present invention allows: a decrease in wood tearing of about 30%; an increase in sawing volume; reduced wear and damage to cutting tools, and standardization of the pulp and paper manufacturing process (due to less seasonal variability in chip bark content).
  • the present invention allows: an improvement of the quality of the chips (less bark and fine particles) and a improvement of the paper quality (less inconvenience due to the presence of bark particles: dirt, sclerite, printing defects in the printer).
  • the present invention allows: a) cost: on average, for a northern Quebec sawmill and a winter season, about $ 0.06 / bp in electricity, or about $ 1 per cubic meter of volume of wood and b) return on investment: about 2 to 3 years if only investment costs, energy costs and volume gains of fiber and wood are taken into account; less than a year, taking into account the increase in chip value or the reduction in chemical costs at the pulp mill.
  • the present invention allows: a reduction in the amount of debarking residues (less wood in the bark); elimination of the use of water in soaking basins and spills of dirty water; improved energy efficiency in bark burning processes and reduction of polluting emissions; and a reduction in the use of chemicals in pulp and paper mills to extract bark particles from the pulp.

Landscapes

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Description

    Domaine de l'invention:
  • La présente invention concerne une méthode et un système pour chauffer des billes gelées. Plus particulièrement, la présente invention concerne une méthode et un système pour chauffer des billes de bois gelées en vue d'en faciliter leur écorçage.
    • Description de l'art antérieur:
  • Les scieries des pays riches en forêts produisent du bois d'oeuvre à partir d'arbres tirés de la forêt, qui doivent être dévêtus de leur écorce avant la découpe en madriers et en planches. L'écorçage est souvent réalisé par une écorceuse à anneau constituée d'un anneau rotatif motorisé auquel sont fixés des outils recourbés qui enlèvent l'écorce par frottement, à mesure que la bille se déplace longitudinalement à l'intérieur de l'anneau grâce à des rouleaux d'entraînement. Idéalement, seule l'écorce a besoin d'être enlevée.
  • Lorsque la température des billes est inférieure au point de congélation (ce qui constitue la situation normale en hiver dans les pays nordiques), l'adhésion entre l'écorce et le bois est forte et une pression plus grande doit être exercée sur les outils de coupe afin de parvenir à enlever l'écorce. Plus la température des billes est basse, plus l'adhésion est forte et plus cette pression doit être grande.
  • L'augmentation de la pression sur les outils de coupe a toutefois plusieurs inconvénients. D'une part, l'augmentation de la pression d'écorçage produit une usure accélérée des outils de coupe et éventuellement un endommagement des composantes de l'écorceuse (outil de coupe, bras, système de tension, etc.). D'autre part, les écorceuses arrachent alors des fibres de bois en trop grande quantité avec l'écorce, ce qui constitue une importante perte. L'été, environ 10 à 20% de la masse écorcée est constituée de fibres de bois, qui sont brûlées ou enfouies avec l'écorce. En hiver, dans certaines scieries canadiennes, jusqu'à 50% de la masse écorcée est constituée de fibres ligneuses. Or, typiquement, environ 25% des revenus d'une scierie conventionnelle proviennent de la fibre ligneuse qu'elle vend sous forme de copeaux à une papetière. Ces copeaux proviennent des sections de la bille qui ne se retrouvent pas sous forme de bois d'oeuvre.
  • Un autre désavantage résulte du fait que si la pression sur les outils de coupe est diminuée afin de minimiser les pertes de bois, de l'écorce se retrouve alors dans les copeaux. Or, la présence de particules d'écorce dans les copeaux est à l'origine de divers problèmes chez la papetière: baisse de rendement du lessiveur, saleté dans la pâte (poix), et surtout présence de sclérite qui augmente, ultimement, le taux d'incidence de casse de la feuille lors de sa fabrication et des défauts d'impression ('fish eye', grain de riz) chez l'imprimeur. Tant et si longtemps que le taux d'écorce dans les copeaux des fournisseurs est un des critères les plus importants de qualité chez les fabricants de pâte, et les papetières sont de plus en plus exigeantes.
  • Il existe donc un fort avantage à augmenter la température de la billé avant écorçage. En effet, typiquement, le dégel de billes en hiver peut réduire d'environ 2% les pertes de bois tout en haussant la qualité des copeaux livrés aux usines de pâtes et papiers. Pour une scierie qui consomme environ 500 000 m3 de bois annuellement, cette amélioration représente une économie de plus d'un demi-million de dollars (les montants mentionnés la présente description sont exprimés en devises canadiennes).
  • Pour effectuer cette augmentation de température, les scieries utilisent présentement des méthodes de chauffage comprenant l'immersion et l'aspersion des billes dans des bassins d'eau chaude ou au moyen de dispositifs à jets d'eau et/ou de vapeur. Ces méthodes fonctionnent bien sur le plan du préchauffage, mais posent divers problèmes, dont le plus important touche l'environnement. En effet, vidange et nettoyage sont fréquemment requis pour débarrasser les bassins qui accumulent saletés et écorces. L'eau souillée ne pouvant plus être rejetée à l'environnement à cause de la réglementation gouvernementale, les scieries doivent se munir de bassins de décantation qui doivent être fréquemment vidés et nettoyés, ce qui entraîne de forts coûts.
  • US-A-5 263 522 décrit une méthode pour chauffer des billes gelées vue de faciliter leur écorçage, chaque bille de bois ayant un axe longitudinal, une surface périphérique et un diamètre donné, la méthode comprenant les étapes suivantes:
    1. a) empiler, éléver et culbuter les billes de bois gelées afin de favoriser le frottement et les chocs entre billes produisant l'écorçage, et
    2. b) soumettre les billes de bois à de l'eau chaude ou de la vapeur d'eau.
  • Un objet de la présente invention est donc de proposer une méthode et/ou un système de chauffage qui puissent résoudre certains des problèmes ci-haut rapportés de l'art antérieur. Plus particulièrement, un objet est de proposer une nouvelle méthode pour chauffer les billes de bois gelées en hiver en vue de faciliter leur écorçage. Un autre objet est de proposer un système de mise en oeuvre de cette méthode.
    • Sommaire de l'invention:
  • La présente invention vise une méthode pour chauffer des billes de bois gelées en vue de faciliter leur écorçage, chaque bille de bois ayant un axe longitudinal, une surface périphérique et un diamètre donné, la méthode comprenant les étapes suivantes:
    1. a) entraîner les billes de bois gelées le long d'un parcours déterminé; et
    2. b) soumettre les billes de bois à un rayonnement infrarouge le long du parcours pour chauffer lesdites billes de bois par rayonnement infrarouge.
  • De préférence, l'étape a) comprend en outre l'étape de faire pivoter les billes de bois autour de leurs axes longitudinaux respectifs le long d'au moins une portion du parcours afin de permettre à la surface périphérique de chaque bille de bois d'être soumise au rayonnement infrarouge.
  • La présente invention vise un système pour chauffer des billes de bois gelées en vue de faciliter leur écorçage, chaque bille de bois ayant un axe longitudinal, une surface périphérique et un diamètre donné, le système comprenant:
    1. a) un convoyeur pour entraîner les billes de bois gelées le long d'un parcours déterminé; et
    2. b) une surface de rayonnement infrarouge positionnée par rapport au convoyeur pour soumettre les billes de bois à un rayonnement infrarouge le long du parcours et chauffer lesdites billes de bois par rayonnement infrarouge.
  • De préférence, le système comprend tout moyen, appareil et/ou dispositif pour mettre en oeuvre les différentes étapes et/ou sous-étapes de la méthode selon la présente invention.
  • Les objets, avantages, et autres caractéristiques de la présente invention deviendront plus apparents à la lecture de la description non limitative qui suit de modes de réalisation préférentiels montrés dans les dessins ci-joints.
    • Brève description des dessins:
    • Figure 1 est une vue schématique d'un déplacement latéral et rotationnel de billes de bois adjacentes selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention.
    • Figure 2 est une vue schématique partielle d'un système pour chauffer des billes de bois gelées selon un autre mode de réalisation préférentiel de la présente invention, les billes de bois étant déplacées par le convoyeur et étant soumises au rayonnement infrarouge.
    • Figure 3 est une vue de côté d'un pilote de système de chauffage de billes gelées selon la présente invention.
    • Figure 4 est une vue de face de ce qui est illustré à la Figure 3.
    • Figure 5 est une vue de haut de ce qui est illustré à la Figure 3.
    Description détaillée des dessins:
  • Dans la description qui suit les mêmes repères numériques désignent des éléments semblables. Les modes de réalisation montrés dans les figures sont à titre indicatif seulement.
  • Dans le contexte de la présente description, et en plus de sa définition habituelle, le terme "chauffer" peut aussi dire faire fondre ou sublimer la glace et le mot "infrarouge" inclut tout rayonnement électromagnétique de nature thermique (rayonnement de type visible, infrarouge court, infrarouge moyen, infrarouge long, etc.).
  • De plus, bien que la présente invention soit principalement conçue pour chauffer des billes de bois 3 gelées en vue de faciliter leur écorçage, l'invention peut être utilisée dans d'autres domaines pour d'autres applications, tel qu'évident pour une personne versée dans l'art. Pour ces raisons, des expressions telles que "billes", "bois", "gelées" et/ou "écorçage" et toute autre référence et/ou toute autre expression équivalente ou semblable à ces dernières ne doivent pas être considérées comme limitant la portée de la présente invention et incluent tout autre objet et toute autre application avec lesquels la présente invention peut être utilisée et peut être utile.
  • De plus, bien que le mode de réalisation préférentiel du convoyeur 13 et des moyens pour déplacer et faire pivoter les billes de bois 3 comportent certaines composantes, tels que chaînes, réflecteurs, etc., toutes ces composantes ne sont pas nécessairement essentielles à l'invention et conséquemment ne doivent pas être prises dans leur sens restrictif, c'est-à-dire ne doivent pas être considérées de façon à limiter la portée de la présente invention. On doit y comprendre, tel qu'également évident pour une personne versée dans l'art, que d'autres composantes et géométries appropriées et d'autres coopérations entre celles-ci peuvent être utilisées pour le convoyeur 13 ou toute autre composante du système 1 selon la présente invention, afin de mettre en oeuvre les différentes étapes et sous-étapes de la méthode, tel que facilement inféré à partir de la présente description, sans se départir de la portée de l'invention.
  • De plus, les expressions telles que "système", "appareil", "machine" et/ou "ensemble", ainsi que toute autre expression équivalente et/ou mots composés de celles-ci, pourront être utilisés de façon interchangeable dans le contexte de la présente description. Ceci s'applique également pour d'autres expressions qui sont mutuellement équivalentes, telles que "rayonnement infrarouge", "chauffage infrarouge" et "rayonnement thermique" par exemple, tel qu'évident pour une personne versée dans l'art.
  • Faisant référence aux figures ci-jointes, et de façon générale, la présente invention concerne une méthode de chauffage de billes gelées. Plus particulièrement, la présente invention concerne une méthode de chauffage de billes de bois 3 gelées en vue de faciliter leur écorçage, et concerne également un système 1 pour la mise en oeuvre de cette méthode. Tel que connu dans l'art, chaque bille de bois 3 a normalement un axe longitudinal 5 (typiquement, un axe central 5), une surface périphérique 7 (surface extérieure 7 de la bille), et un diamètre (moyen) donné.
  • Selon la présente invention, la méthode comprend deux étapes principales, notamment l'étape a) d'entraîner les billes de bois 3 gelées le long d'un parcours déterminé; et l'étape b) de soumettre les billes de bois 3 à un rayonnement infrarouge 11 le long du parcours pour chauffer lesdites billes de bois 3 par rayonnement infrarouge 11.
  • Tel que deviendra plus apparent à la lecture de la description qui suit, chacune des étapes susmentionnées peuvent comprendre plusieurs sous-étapes dépendamment des applications pour lesquelles la présente méthode est utilisée et les résultats finaux qui sont souhaités.
  • En effet, par exemple, et tel qu'il sera mieux expliqué ci-dessous, l'étape a) pourrait comprendre les sous-étapes suivantes: i) faire pivoter les billes de bois 3 autour de leurs axes longitudinaux 5 respectifs le long d'au moins une portion du parcours afin de permettre à la surface périphérique 7 de chaque bille de bois 3 d'être soumise au rayonnement infrarouge 11; ii) placer les billes de bois 3 parallèlement les unes aux autres; iii) alternativement, soit maintenir une certaine distance entre les billes de bois 3 adjacentes, afin que des billes de bois 3 de différents diamètres puissent être soumises également au rayonnement infrarouge 11, et ainsi éviter que des billes de bois 3 de petit diamètre soient cachées par des billes de bois 3 de plus grand diamètre, ou accoler des billes de bois 3 adjacentes les unes aux autres, lorsque par exemple ces billes de bois sont de diamètre semblable, afin de maximiser l'utilisation du rayonnement infrarouge 11, c'est-à-dire maximiser la quantité de rayonnement infrarouge 11 émis étant absorbé par les billes de bois 3; iv) entraîner les billes de bois 3 le long d'un plan horizontal, comme par exemple, le long d'un convoyeur 13; v) entraîner les billes de bois 3 dans une direction transversale aux axes longitudinaux 5 des billes de bois 3, notamment pour des raisons d'efficacité d'espace d'agencement des composantes du système 1 correspondant; vi) évaluer les caractéristiques des billes de bois 3 (ex. la température, dimension, etc.) avant de les soumettre au rayonnement infrarouge 11; ou vii) toute autre étape convenable et désirée, tel qu'évident pour une personne versée dans l'art.
  • De façon semblable, l'étape b) susmentionnée peut également comprendre plusieurs sous-étapes, comme par exemple, tel que mieux expliqué ci-dessous: i) soumettre les billes de bois 3 à un rayonnement infrarouge 11 positionné au-dessus du plan horizontal; ii) soumettre les billes de bois 3 à un rayonnement infrarouge 11 ayant une longueur d'onde située entre environ 0,7 et 10 microns; iii) soumettre les billes de bois 3 à un rayonnement infrarouge 11 ayant une densité de puissance déterminée en fonction des caractéristiques des billes de bois 3 et de limitations relatives à l'inflammabilité; iv) soumettre les billes de bois 3 à un rayonnement infrarouge 11 pendant une période déterminée en fonction des caractéristiques des billes de bois 3 (ex. leur température initiale, etc.); v) réfléchir une portion du rayonnement infrarouge 11 non-absorbé par les billes de bois 3 à nouveau vers des billes de bois 3 (soit les mêmes billes de bois 3 ou d'autres billes de bois 3 devant être soumises à un rayonnement infrarouge 11); ou vi) toute autre étape convenable et désirée, tel qu'évident pour une personne versée dans l'art.
  • De plus, les étapes a) et b) peuvent être intimement liées selon les applications pour lesquelles la présente méthode est destinée, tel qu'également évident pour une personne versée dans l'art. Par exemple, l'étape a) pourrait comprendre la sous-étape de trier les billes de bois 3 selon leur diamètre, les billes de bois 3 dont le diamètre tombe à l'intérieur d'une première plage de diamètres étant entraînées le long d'un premier parcours déterminé, et les billes de bois 3 dont le diamètre tombe à l'intérieur d'une seconde plage de diamètres étant entraînées le long d'un second parcours déterminée. Par conséquent, l'étape b) pourrait comprendre en outre l'étape de soumettre les billes de bois 3 triées à un rayonnement infrarouge 11 le long de chacun desdits parcours, c'est-à-dire, il pourrait y avoir un premier système de chauffage par rayonnement infrarouge 11 pour chauffer les billes de bois 3 de la première plage de diamètres et un autre système de chauffage infrarouge 11 par rayonnement infrarouge 11 séparé (ou un réacheminement vers le premier système de chauffage après avoir traité les billes de bois 3 de la première plage de diamètres) pour chauffer les billes de bois 3 de la seconde plage de diamètres.
  • Tel que précédemment expliqué, la présente invention concerne également un système 1 pour chauffer des billes de bois 3 gelées en vue de faciliter leur écorçage. Le système 1 comprend un convoyeur 13 pour entraîner les billes de bois gelées le long d'un parcours déterminé et une surface 15 de rayonnement infrarouge 11 positionnée par rapport au convoyeur 13 pour soumettre les billes de bois 3 à un rayonnement infrarouge 11 le long du parcours et chauffer lesdites billes de bois 3 par rayonnement infrarouge 11.
  • Puisque le système 1 selon la présente invention est destiné à mettre en oeuvre la méthode susmentionnée, il comprend de préférence plusieurs moyens, appareils et/ou dispositifs pour effectuer chacune des étapes et sous-étapes ci-dessus décrites.
  • Par exemple, et de préférence, le système 1 selon la présente invention comprend: des moyens pour faire pivoter les billes de bois 3 autour de leurs axes longitudinaux 5 respectifs le long d'au moins une portion du parcours afin de permettre à la surface périphérique 7 de chaque bille de bois 3 d'être soumise au rayonnement infrarouge 11 (ces moyens comprenant de préférence des chaînes à dents ou des chaînes à crémaillères 19 coopérant avec le convoyeur 13, ou tout autre dispositif convenable); des moyens pour placer les billes de bois 3 parallèlement les unes aux autres; des moyens pour maintenir une certaine distance entre les billes de bois 3 adjacentes; des moyens pour accoler les billes de bois 3 les unes aux autres; un convoyeur 13 apte à entraîner les billes de bois 3 le long d'un plan horizontal; une surface 15 de rayonnement infrarouge 11 positionnée au-dessus du plan horizontal; des moyens pour entraîner les billes de bois 3 dans une direction transversale aux axes longitudinaux 5 des billes de bois 3; des moyens pour trier les billes de bois 3 selon leur diamètre, les billes de bois 3 dont le diamètre tombe à l'intérieur d'une première plage de diamètres étant entraînées le long d'un premier parcours déterminé, et les billes de bois 3 dont le diamètre tombe à l'intérieur d'une seconde plage de diamètres étant entraînées le long d'un second parcours déterminé; une surface de rayonnement infrarouge pour chaque parcours; au moins une chaîne de butées 23 coopérant avec le convoyeur 13 pour entraîner les billes de bois 3; un dispositif d'évaluation pour évaluer les caractéristiques des billes de bois 3 avant de les soumettre au rayonnement infrarouge 11; des moyens pour contrôler, en fonction des caractéristiques (ex. la température initiale, etc.) des billes de bois 3, la période durant laquelle les billes de bois 3 doivent être soumises au rayonnement infrarouge 11; au moins un réflecteur 21 pour réfléchir une portion du rayonnement infrarouge 11 non-absorbé par les billes de bois 3 vers des billes de bois 3 (soit les mêmes billes de bois 3 ou d'autres billes de bois 3 devant être chauffées), le réflecteur 21 étant préférablement positionné au-dessous du convoyeur 13 si la surface 15 de rayonnement infrarouge 11 est positionnée au dessus de celui-ci; etc.
  • De plus, le rayonnement infrarouge 11 a préférablement une longueur d'onde située entre environ 0,7 et 10 microns et une densité de puissance déterminée en fonction des caractéristiques des billes de bois 3 et de limitations relatives à l'inflammabilité. De préférence également, la surface de rayonnement infrarouge 11 peut prendre la forme d'émetteurs 25 électriques, de radiants à gaz, de radiants à gaz de type catalytique, ou de tout autre émetteur 25 adéquat pour émettre un rayonnement infrarouge 11 ou tout autre rayonnement thermique adéquat destiné à chauffer les billes de bois 3 selon la présente invention et présentant les caractéristiques préférentielles mentionnées dans la présente description.
  • Différents autres aspects, caractéristiques et avantages de la présente invention deviendront plus apparents à la lecture de la description qui suit du fonctionnement général et principes de base, des travaux expérimentaux réalisés, des résultats d'essais, d'une description d'une installation typique et des améliorations et avantages réalisables dans le cadre de la présente invention.
    • Fonctionnement général et principes de base
  • La solution qui est ici proposée et qui constitue l'objet de l'invention implique la technologie infrarouge. Cette technologie préférentielle a été choisie pour sa simplicité et sa capacité de chauffer efficacement à un coût raisonnable. À la base de la technologie, un simple élément chauffant est porté à haute température, ce qui lui permet d'émettre du rayonnement dit "infrarouge", non visible à l'oeil nu et de nature thermique, chauffant les objets qu'il "éclaire". Les équipements infrarouge utilisés en milieu industriel émettent, en pratique, un rayonnement couvrant la gamme de longueurs d'onde situées entre environ 0,7 et 10 microns. On distingue souvent entre l'infrarouge de type "court", l'infrarouge "moyen" et l'infrarouge "long". L'infrarouge court implique une température d'émission supérieure à environ 2000 °C et son étendue d'émission spectrale couvre principalement la gamme allant d'environ 0,7 à 3,0 microns. L'infrarouge moyen implique une température d'émission entre environ 700 et 1300 °C et couvre une gamme allant d'environ 1 à 7 microns. L'infrarouge de type long implique une température d'émission d'environ 400 à 600 °C et couvre principalement la gamme de longueurs d'onde allant d'environ 2 à 10 microns.
  • Tout comme la technique de trempage à l'eau chaude, l'infrarouge chauffe strictement en surface et n'a pas ou très peu la capacité de chauffer en profondeur. Même l'infrarouge de type court, qui a la capacité de pénétrer certains matériaux, ne pénètre que très marginalement la surface externe de l'écorce. Par contre, la zone à chauffer, soit l'écorce, est directement sous la surface externe de la bille. En fait, il faut chauffer l'écorce dite "humide" située sous l'écorce dite "sèche" jusqu'à l'interface bois-écorce où se trouve le cambium. Cette zone est donc chauffée par conduction thermique depuis la surface exposée à l'infrarouge vers l'intérieur de la bille. Par contre, toute la périphérie des billes 3 doit être exposée au rayonnement infrarouge 11, ce qui est réalisable en faisant rouler la bille 3 sur elle-même au-dessous d'un plan d'émetteurs 25.
  • En d'autres mots, le chauffage par rayonnement infrarouge 11 ne consiste pas à effectuer un dégel complet de la bille 3 mais plutôt à en préchauffer la surface 15. Dans les faits, l'écorce externe, soit la partie visible, ne contient pratiquement pas d'eau. Par contre, la couche sous-jacente, soit l'écorce interne située entre l'écorce externe et le bois, contient une quantité d'eau importante. Lorsque fortement gelée, cette eau augmente la force d'adhésion entre le bois et l'écorce. Il faut donc réchauffer cette partie si l'on désire un bon fonctionnement de l'écorceuse, qui maximise le rendement en sciage et améliore la qualité des copeaux (en réduisant la quantité d'écorce dans les copeaux).
  • Idéalement, un système de préchauffage par infrarouge devrait comporter un système de convoyage où toutes les billes 3 seraient accolées les unes aux autres, afin de minimiser les pertes de rayonnement entre les billes 3. En réalité, le déplacement par rotation des billes implique un mouvement tangentiel inverse entre deux billes adjacentes, tel que mieux illustré à la Figure 1.
  • Naturellement, il est physiquement très difficile de réaliser un déplacement latéral sans prévoir un certain espacement entre les billes 3. De plus, les billes 3 n'ont pas toutes le même diamètre et le fait de les tenir côte à côte impliquerait de cacher les billes petites entre deux billes de fort diamètre.
  • Le convoyeur 13 envisagé implique des chaînes à butées 23 pour pousser chaque bille 3 et des chaînes à dents ou des chaînes à crémaillères fixes ou mobiles 19 pour assurer leur rotation. La distance entre chaque butée est uniforme le long du convoyeur 13 et est supérieure au diamètre maximal des billes 3 entrant sous un plan d'émetteurs 25 infrarouge, tel que mieux illustré à la Figure 2.
  • L'utilisation de l'infrarouge permet de s'affranchir complètement de l'utilisation d'eau et des problèmes environnementaux associés. Par contre, la mise en oeuvre de ce type de système 1 requiert de respecter certaines limites de densité de puissance, de choisir un type particulier d'émetteurs 25 infrarouge, et d'utiliser un convoyeur 13 permettant d'exposer toute la périphérie des billes 3. Un projet de recherche a donc été initié afin de répondre à certaines interrogations techniques et pour faire la démonstration du principe.
    • Travaux expérimentaux réalisés
  • Dans un premier temps, il a été démontré qu'il n'est pas nécessaire de décongeler complètement les billes 3. Le fait d'obtenir, à l'interface entre le bois et l'écorce, une température de quelques degrés sous le point de congélation réduit de manière substantielle l'effort de cisaillement à l'écorceuse. Cette démonstration a été faite à partir d'échantillons de billes 3 de différentes espèces à diverses températures sous le point de congélation et à l'aide d'un appareil mesurant l'effort de cisaillement à fournir pour détacher l'écorce d'échantillons de billes 3.
  • Dans un deuxième temps, tel que mieux illustré aux Figures 3 à 5, un pilote comportant un convoyeur 13 sous des émetteurs 25 infrarouge a été construit pour caractériser le comportement thermique des billes 3 sous diverses densités de puissance de rayonnement infrarouge et périodes d'exposition, sur des billes 3 de différents diamètres et épaisseurs d'écorce et selon diverses températures initiales. Les figures 3 à 5 montrent le pilote avec ses principales composantes.
  • Ce pilote a servi à établir des paramètres d'opération, tels la puissance et le temps d'exposition des billes 3 au rayonnement infrarouge. Tel qu'illustré sur la figure 3 (et de façon semblable, à la Figure 2), cet équipement se caractérisait par des émetteurs 25 infrarouges placés au-dessus d'un convoyeur 13 permettant le déplacement et la rotation des billes 3; la surface externe 7 de chacune des billes 3 est ainsi complètement exposée au rayonnement infrarouge 11. Des thermocouples ont été installés à différentes profondeurs à l'intérieur de la bille 3 afin de mesurer la hausse de température. Des billes d'épinette noire gelées à des températures d'environ -15 °C. à -30°C, et de différents diamètres, ont été exposées à plusieurs niveaux de densité de puissance et à plusieurs temps d'exposition. Ces essais ont permis de connaître les paramètres d'opération optimaux.
  • Plus précisément, ces essais ont permis de mesurer la température en profondeur de la bille 3 par thermocouple et en surface par pyrométrie. La bille 3 comportant des thermocouples était placée sur le convoyeur 13 avec deux billes 3 voisines de part et d'autre. Dans un premier temps, les chaînes à butées 23 déplaçaient les trois billes 3 sous la zone d'exposition aux infrarouges. Une fois les billes 3 sous les émetteurs 25, les chaînes à dents faisaient rouler les billes 3 sur elles-mêmes pendant un temps prédéterminé allant d'environ 1 à 8 minutes. Dans un troisième temps, les billes 3 étaient retirées de la zone de chauffage et le mouvement de rotation se continuait sans exposition à l'infrarouge pendant plusieurs minutes, le total du temps d'exposition et de non-exposition correspondant à un laps de temps typique entre l'entrée d'une bille 3 dans une scierie et la station d'écorçage.
  • Un autre type d'essai a aussi consisté à placer des morceaux de bois tels qu'écorces, sciures et copeaux sur une plaque métallique sous différents niveaux de densité de puissance de rayonnement pour observer la tendance à l'inflammabilité.
    • Résultats d'essais Les essais de cisaillement
  • Les résultats des essais de cisaillement en fonction de la température ont montré que l'effort de cisaillement diminue fortement avec une augmentation de la température. Cette diminution est particulièrement forte au-dessous du point de congélation, et moins marquée près et au-dessus du point de congélation. Comme la dépense énergétique serait très grande si on demandait au système de chauffage infrarouge de faire passer toute l'eau de l'écorce de l'état solide à l'état liquide, il est donc apparu évident qu'il est avantageux de limiter l'élévation de température jusqu'à quelques degrés sous le point de congélation. Les efforts de cisaillement ne sont alors pas beaucoup plus grands qu'au-dessus du point de congélation (le point de congélation de l'eau dans le bois est inférieur d'environ 2 ou 3 degrés à la température normale de l'eau pure, à cause de la présence de minéraux dans l'eau).
    • Les essais de chauffage de billes sur le pilote infrarouge
  • Les résultats de chauffage par infrarouge sur le pilote ont confirmé le bien-fondé de la technologie infrarouge pour préchauffer la bille 3 et obtenir une température adéquate à l'interface entre l'écorce et le bois (i.e. au cambium). Le rayonnement infrarouge 11 est strictement absorbé en surface de l'écorce: la chaleur est transmise plus profondément, par conduction thermique à travers l'écorce. Pendant la période d'exposition à l'infrarouge, la température en surface monte rapidement et le gradient de température dans l'épaisseur de l'écorce est élevé. Pendant la période de "non-exposition" subséquente, ce gradient diminue fortement. À la fin de cette période, le gradient de température dans l'épaisseur de l'écorce est plus faible: l'énergie contenue dans la couche de surface (essentiellement "l'écorce sèche") a été transférée en grande partie aux couches inférieures plus froides ("écorce humide" et aubier).
  • Les essais ont démontré qu'il est effectivement possible, même avec des billes 3 très froides (environ -30 °C), d'obtenir, après quelques minutes d'exposition à l'infrarouge et une période de "non-exposition", une température (environ -6 °C) à l'interface entre le bois et l'écorce à laquelle l'écorçage est facilité de manière satisfaisante. Lorsque cette température est atteinte à l'interface bois-écorce, toute l'écorce se retrouve alors à une température supérieure à la température de l'interface bois-écorce. La surface externe de l'écorce est alors à une température quasi-stable entre environ 5 et 10 °C. Donc, une certaine partie de l'eau contenue dans l'écorce n'est plus gelée.
  • Il est ressorti des essais que plus la température initiale de la bille 3 est basse, plus l'exposition à l'infrarouge est efficace. Tant et si bien que la dépense énergétique nécessaire pour une montée jusqu'à la température d'écorçage est sensiblement la même, que la bille soit à une température initiale d'environ -20 °C ou de -30 °C. Une explication pour ceci est que l'eau contenue dans l'écorce passe à l'état liquide plus tardivement lorsque la bille 3 a une température de départ d'environ -30 °C. Or, la glace possède une conductivité thermique plus grande que l'eau (d'un facteur quatre) et ceci permet à la chaleur absorbée en surface de mieux se propager à l'intérieur de la bille. Aussi, le passage de l'état solide à l'état liquide de l'eau contenue dans l'écorce requiert une quantité appréciable d'énergie, qui n'est alors plus disponible pour pénétrer plus profondément.
  • Par ailleurs, les essais réalisés tendent à indiquer que l'énergie requise pour effectuer une montée en température jusqu'au niveau désiré de température est sensiblement proportionnelle au diamètre de la bille 3. Dans le cas où l'espace entre deux billes 3 successives sur le convoyeur 13 est toujours le même, ceci implique que le diamètre des plus grosses billes 3 détermine la consommation énergétique pour toutes les billes. Ce qui revient à dire que les plus petites billes 3 recevront plus d'énergie que nécessaire. Un critère à considérer dans cette situation est la facture énergétique. Toutefois, un convoyeur 13 ajustant la distance entre les billes 3 est envisageable. Les petites billes 3 recevraient alors moins d'énergie et la facture énergétique globale serait minimisée.
  • Les essais ont montré que pour des émetteurs 23 infrarouge électriques, la dépense énergétique pour élever la température à l'interface bois/écorce d'une bille typique d'environ 3,8 mètres de longueur depuis une température très basse (environ - 20 °C à -30 °C) jusqu'à environ -6 °C est estimée à environ 3 kWh par mètre de diamètre. Pour une bille d'environ 20 cm de diamètre, ceci signifie une dépense énergétique d'environ 0,6 kWh. Si on fait l'hypothèse de l'utilisation d'un convoyeur 13 à espacement fixe entre les billes 3, et que les plus grosses billes 3 ont environ 20 cm de diamètre, cela signifie que la dépense énergétique est d'environ 0,6 kWh par bille, quel que soit le diamètre. À un coût d'environ 10 à 15 ¢ du kilowattheure électrique (coût marginal de l'électricité au Québec, tenant compte d'une forte pénalité sur l'appel de puissance), ceci correspond à un coût inférieur à environ 10 ¢ par bille.
  • Tous les essais sur le pilote infrarouge ont porté sur l'épinette noire exclusivement. Parmi tous les résultats d'essai, les cas les plus à l'écart de la tendance générale des points expérimentaux étaient ceux associables à une écorce présentant des morceaux partiellement détachés et parfois superposés. Or, la présence d'interstice d'air entre deux écailles d'écorce ou entre l'écorce et le bois constitue une barrière au transfert de la chaleur vers l'intérieur de la bille, ce qui explique la plus grande consommation d'énergie. L'épinette noire, qui présente souvent cette morphologie d'écorce, constitue donc un cas défavorable par rapport aux autres essences du nord comme le sapin baumier. La technologie infrarouge est donc vraisemblablement applicable à l'ensemble des essences constituant la matière première des scieries nordiques.
    • Les essais d'inflammabilité
  • L'utilisation de l'infrarouge soulève la question de l'inflammabilité. En effet, les émetteurs 25 infrarouges chauffent tout ce qui leur fait face avec une intensité relativement élevée. Toutefois, les densités de puissance de rayonnement impliquées dans le cas du préchauffage de billes 3 ne peuvent provoquer l'inflammation des billes 3 de façon directe. Les conditions (niveau de densité de puissance de rayonnement, température de l'air avoisinant, surface exposée par rapport au volume, temps d'exposition, etc.) ne sont tout simplement pas susceptibles d'initier et de maintenir une combustion d'une bille pleine. Par contre, des particules de bois, comme des sciures et des morceaux d'écorce, qui se retrouvent exposées longtemps à l'infrarouge peuvent entrer en combustion, et ces paramètres peuvent être facilement et convenablement contrôlés, tel qu'évident pour une personne versée dans l'art.
  • Sur le pilote infrarouge, la zone centrale des convoyeurs 13 comporte des plaques métalliques (réflecteurs 21) réfléchissant partiellement le rayonnement qui serait autrement perdu vers le bas. La partie réfléchie est dirigée en partie vers les billes 3, en partie redirigée vers la surface des émetteurs 25 infrarouges, ce qui améliore l'efficacité énergétique. Ces plaques sont placées entre les chaînes de déplacement des billes et font directement face aux émetteurs 25 qui les surplombent: elles sont donc soumises au rayonnement et, sans la présence de billes 3, leur température peut s'élever. Les particules de bois se retrouvant sur ces plaques sont donc chauffées, d'une part par contact direct avec les plaques métalliques, et d'autre part par rayonnement provenant des émetteurs 25 infrarouges.
  • C'est dans ces conditions qu'ont été réalisés les essais d'inflammabilité.
  • Les tests d'inflammabilité ont montré que la densité de puissance à l'émetteur infrarouge doit être inférieure à un certain niveau donné pour éviter l'inflammation des diverses particules de bois se retrouvant au niveau du convoyeur, tel qu'évident pour une personne versée dans l'art.
  • Par contre, une inflammation de ces particules ne pourrait vraisemblablement pas provoquer l'inflammation de billes complètes. De plus, si l'inflammabilité constitue un obstacle, des systèmes de prévention d'incendie comme des dispositifs de jet d'eau ou de vapeur, et/ou un système de balayage/évacuation des particules, pourraient être également prévus selon la présente invention, tel qu'également évident pour une personne versée dans l'art.
    • Description d'une installation typique
  • Dans la plupart des scieries, les billes 3 sont coupées et triées selon leur longueur, puis transportées les unes parallèlement aux autres sur un convoyeur 13 qui les achemine vers d'autres systèmes de triage. Les billes 3 de plus fort et plus faible diamètres sont alors acheminées vers les écorceuses. Entre le moment d'entrée de la bille dans la scierie et l'écorçage s'écoulent donc plusieurs minutes. Souvent, un convoyeur 13 d'une largeur équivalente à la longueur des billes 3 et d'une longueur appréciable (plus d'une vingtaine de mètres) est déjà présent.
  • Une installation infrarouge consisterait simplement à couvrir le convoyeur 13 d'émetteurs 25 infrarouges sur la pleine largeur et sur une longueur compatible avec le temps d'exposition à l'infrarouge requis. Ces émetteurs 25 peuvent être de différents types. Les émetteurs 25 envisagés jusqu'ici sont de type "panneaux infrarouges". Ces panneaux ont en général une épaisseur d'une dizaine de centimètres. Une certaine distance entre le niveau du plan du convoyeur 13 et la surface 15 émettrice doit être respectée, et des barres transversales pourront assurer la protection de la surface 15 des émetteurs 25 contre le soulèvement d'une bille 3. Toutefois, la hauteur occupée par les panneaux infrarouges et par ces barres serait relativement faible: l'espace vertical disponible entre le plan du convoyeur 13 et le plafond du bâtiment d'entrée des billes 3 dans la scierie est amplement suffisant. L'implantation d'un système de chauffage infrarouge dans une scierie conventionnelle ne pose donc pas de problème insurmontable: seule la longueur nécessaire à un temps de chauffage adéquat est susceptible de nécessiter des réaménagements dans la scierie.
  • L'utilisation d'émetteurs 25 infrarouges alimentés à l'électricité va de soi dans les régions nordiques où cette forme d'énergie est disponible. Toutefois, l'utilisation de radiants à gaz, particulièrement de type à combustion catalytique, est tout aussi envisageable.
  • La plus grosse considération se situe au niveau du convoyeur 13. Habituellement, les convoyeurs 13 utilisés n'imposent pas un mouvement de rotation continu aux billes. Or, dans un éventuel système à l'infrarouge, un mouvement de rotation est préférable afin d'exposer toute la périphérie de la bille 3 au rayonnement provenant du plan des émetteurs 25 surplombant les billes 3. Et il est avantageux de réaliser la rotation tout en déplaçant latéralement les billes 3.
  • Le pilote utilisé pour les essais expérimentaux comportait deux chaînes à butées et deux chaînes à dents, les premières pour déplacer les billes 3 latéralement et les dernières pour faire tourner les billes 3 sur elles-mêmes sans déplacement latéral.
  • Dans une installation réelle, les chaînes à dents pourraient être remplacées par des crémaillères fixes, et la rotation serait assurée par le déplacement latéral des billes 3 sur les dents des crémaillères 19. Le type de convoyeur 13 peut toutefois être différent. L'important est de s'assurer que les billes 3 tournent sur elles-mêmes et que chacune ne soit pas gênée dans son mouvement par la présence des billes 3 voisines. Idéalement, la distance entre chaque bille 3 pourrait être ajustée dynamiquement afin de minimiser l'espace entre deux billes 3 voisines, donc minimiser les pertes de rayonnement passant entre deux billes 3 côte à côte. Car même s'il y a présence d'une plaque réfléchissante sous les billes 3, celle-ci peut absorber une partie du rayonnement infrarouge 11 provenant des émetteurs 25 et ceci implique certaines pertes énergétiques.
  • Pour minimiser l'énergie dépensée, il serait avantageux, dans le cas où la distance entre deux billes 3 n'est pas ajustable, de discriminer les billes 3 selon le diamètre. On peut imaginer un système de chauffage infrarouge pour les billes 3 de plus petit diamètre et un autre pour les billes 3 d'un plus grand diamètre.
    • Le contrôle de la puissance
  • Comme mentionné précédemment, l'énergie dépensée pour les billes 3 entrant dans la scierie à environ -20 °C ou à -30 °C est sensiblement la même. Mais l'énergie requise est naturellement moindre pour des billes 3 entrant à environ -10 °C, car la température à obtenir au cambium est autour d'environ -6 °C. Dans ce cas, il serait avantageux de réduire la puissance délivrée aux émetteurs 25 infrarouges, soit en abaissant la puissance de l'ensemble des émetteurs 25 par des systèmes électroniques de contrôle, soit (préférablement) en mettant hors circuit un certain nombre d'émetteurs 25 infrarouges. Dans les deux cas, le paramètre de contrôle pourrait être la température des billes 3 à l'entrée, lue par pyrométrie ou contact direct avec une sonde de température, comme un thermocouple par exemple.
    • Améliorations et avantages réalisables
  • L'application de l'infrarouge au préchauffage de billes avant écorçage permet d'obtenir en quelques minutes une température cible à l'intèrface bois-écorce qui facilite l'écorçage. L'invention procure donc tous les avantages de la technique à l'eau chaude relativement à la perte de fibres de bois, à l'usure et à l'endommagement des outils de coupe des écorceuses et à la réduction de la présence d'écorce dans les copeaux.
  • Par rapport à la technique classique des bassins de trempage ou des jets d'eau chaude, elle élimine les problèmes de vidange et de traitement de l'eau usée. Elle élimine aussi l'espace occupé et les frais d'entretien des bassins de trempage et de décantation, ainsi que la plate-forme d'égouttement (les résidus du bassin de trempage doivent être déposés sur une plate-forme adjacente au bassin de trempage pour que l'excédent d'eau revienne dans le bassin). L'utilisation d'un système infrarouge au-dessus d'un convoyeur permet d'utiliser un procédé au défilé, dans un espace déjà actuellement occupé par le convoyeur assurant le déplacement latéral des billes 3 dans les scieries.
  • Sur le plan énergétique, la technologie infrarouge est probablement plus efficace que le chauffage à l'eau, les bassins d'eau chaude pour le trempage des billes étant souvent à l'air libre. La surface de l'eau chaude exposée à l'ambiant implique d'importants transferts de chaleur par convection et rayonnement et d'importantes pertes par évaporation.
  • Par ailleurs, l'écorce détachée de la bille 3 contient moins d'eau que dans le cas de l'utilisation des bassins d'eau chaude, ce qui augmente le pouvoir calorifique de l'écorce. Dans l'éventualité d'une valorisation des écorces par combustion, ceci constitue un atout sur le plan énergétique et affranchit des problèmes typiques associés à la combustion d'écorce chargée d'eau.
  • En d'autres mots, comme il peut maintenant être mieux apprécié, la présente invention permet de résoudre plusieurs problèmes et inconvénients de l'art antérieur, et offre également plusieurs avantages par rapport aux méthodes et systèmes conventionnels.
  • Par exemple, concernant le critère de productivité, la présente invention permet: une diminution de l'arrachement de bois d'environ 30%; une augmentation du volume de sciage; une diminution de l'usure et de l'endommagement des outils de coupe, et une uniformisation du procédé de fabrication des pâtes et papiers (étant donné la moindre variabilité saisonnière du contenu en écorce des copeaux).
  • Concernant le critère de qualité/valeur du produit, la présente invention permet: une amélioration de la qualité des copeaux (moins d'écorce et de particules fines) et une amélioration de la qualité du papier (moins d'inconvénients liés à la présence de particules d'écorce: saletés, sclérite, défauts d'impression chez l'imprimeur).
  • Concernant le critère d'efficacité énergétique, la présente invention permet: a) coût: en moyenne, pour une scierie nordique du Québec et sur une saison hivernale, environ 0,06 $/bille en électricité, soit environ 1 $ par mètre cube de volume de bois et b) retour sur investissement: environ 2 à 3 années si l'on ne tient compte que des coûts d'investissement, des coûts énergétiques et des gains de volume de fibres et de bois; moins d'un an en tenant compte de l'augmentation de la valeur des copeaux ou de la réduction des coûts en produits chimiques à la papetière.
  • Concernant le critère environnemental, la présente invention permet: une réduction de la quantité de résidus d'écorçage (moins de bois dans l'écorce); une élimination de l'usage de l'eau dans les bassins de trempage et des déversements d'eau souillée; une amélioration de l'efficacité énergétique dans les procédés brûlant l'écorce et réduction des émissions polluantes; et une réduction de l'usage de produits chimiques dans les usines de pâtes et papiers pour extraire les particules d'écorce de la pâte.
  • Bien que la présente invention ait été précédemment expliquée par le biais de réalisations préférentielles de celle-ci, il doit être précisé que toute modification à ces réalisations préférentielles, à l'intérieur du cadre des revendications jointes, n'est pas considérée changer ni altérer la nature et la portée de la présente invention.

Claims (35)

  1. Une méthode pour chauffer des billes de bois (3) gelées en vue de faciliter, leur écorçage, chaque bille de bois (3) ayant un axe longitudinal (5), une surface périphérique (7) et un diamètre donné, la méthode comprenant les étapes suivantes:
    a) entraîner les billes de bois (3) gelées le long d'un parcours déterminé; et
    b) soumettre les billes de bois (3) à un rayonnement infrarouge (11) le long du parcours pour chauffer lesdites billes de bois (3) par rayonnement infrarouge (11).
  2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'étape a) comprend en outre l'étape de faire pivoter les billes de bois (3) autour de leurs axes longitudinaux (5) respectifs le long d'au moins une portion du parcours afin de permettre à la surface périphérique (7) de chaque bille de bois (3) d'être soumise au rayonnement infrarouge (11).
  3. Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'étape a) comprend en outre l'étape de placer les billes de bois (3) parallèlement les unes aux autres.
  4. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'étape a) comprend en outre l'étape de maintenir une certaine distance entre des billes de bois (3) adjacentes.
  5. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'étape a) comprend en outre l'étape d'accoler des billes de bois (3) adjacentes les unes aux autres.
  6. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'étape a) comprend l'étape d'entraîner les billes de bois (3) le long d'un plan horizontal.
  7. Méthode selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'étape b) comprend en outre l'étape de soumettre les billes de bois (3) à un rayonnement infrarouge (11) positionné au-dessus du plan horizontal.
  8. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'étape a) comprend en outre l'étape d'entraîner les billes de bois (3) dans une direction transversale aux axes longitudinaux (5) des billes de bois (3).
  9. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'étape a) comprend en outre l'étape de trier les billes de bois (3) selon leur diamètre, les billes de bois (3) dont le diamètre tombe à l'intérieur d'une première plage de diamètres étant entraînées le long d'un premier parcours déterminé, et les billes de bois (3) dont le diamètre tombe à l'intérieur d'une seconde plage de diamètres étant entraînées le long d'un second parcours déterminé, et caractérisée en ce que l'étape b) comprend en outre l'étape de soumettre les billes de bois (3) triées à un rayonnement infrarouge (11) le long de chacun desdits parcours.
  10. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'étape b) comprend en outre l'étape de soumettre les billes de bois (3) à un rayonnement infrarouge (11) ayant une longueur d'onde située entre environ 0,7 et 10 microns.
  11. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que l'étape b) comprend en outre l'étape de soumettre les billes de bois (3) à un rayonnement infrarouge (11) ayant une densité de puissance déterminée en fonction des caractéristiques des billes de bois (3).
  12. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que l'étape b) comprend en outre l'étape de soumettre les billes de bois (3) à un rayonnement infrarouge (11) pendant une période déterminée en fonction des caractéristiques des billes de bois (3).
  13. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que l'étape b) comprend en outre l'étape de réfléchir une portion du rayonnement infrarouge (11) non-absorbé par les billes de bois (3) à nouveau vers des billes de bois
  14. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que l'étape a) en outre comprend l'étape d'évaluer les caractéristiques des billes de bois (3) avant de les soumettre au rayonnement infrarouge (11).
  15. Un système (1) pour chauffer des billes de bois (3) gelées en vue de faciliter leur écorçage, chaque bille de bois (3) ayant un axe longitudinal (5), une surface périphérique (7) et un diamètre donné, le système (1) comprenant:
    a) un convoyeur (13) pour entraîner les billes de bois (3) gelées le long d'un parcours déterminé; et
    b) une surface (15) de rayonnement infrarouge (11) positionnée par rapport au convoyeur (13) pour soumettre les billes de bois (3) à un rayonnement infrarouge (11) le long du parcours et chauffer lesdites billes de bois (3) par rayonnement infrarouge (11).
  16. Système (1) selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire pivoter les billes de bois (3) autour de leurs axes longitudinaux (5) respectifs le long d'au moins une portion du parcours afin de permettre à la surface périphérique (7) de chaque bille de bois (3) d'être soumise au rayonnement infrarouge (11).
  17. Système (1) selon la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens pour faire pivoter les billes de bois (3) comprennent au moins une chaîne à dents coopérant avec le convoyeur (13).
  18. Système (1) selon la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens pour faire pivoter les billes de bois (3) comprennent au moins une chaîne à crémaillères (19) coopérant avec le convoyeur (13).
  19. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 18, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour placer les billes de bois (3) parallèlement les unes aux autres.
  20. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 19, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour maintenir une certaine distance entre des billes de bois (3) adjacentes.
  21. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour accoler les billes de bois (3) les unes aux autres.
  22. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 21, caractérisé en ce que le convoyeur (13) est apte à entraîner les billes de bois (3) le long d'un plan horizontal.
  23. Système (1) selon la revendication 22, caractérisé en ce que la surface (15) de rayonnement infrarouge (11) est positionnée au-dessus du plan horizontal.
  24. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 23, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour entraîner les billes de bois (3) dans une direction transversale aux axes longitudinaux (5) des billes de bois.
  25. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 24, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour trier les billes de bois (3) selon leur diamètre, les billes de bois (3) dont le diamètre tombe à l'intérieur d'une première plage de diamètres étant entraînées le long d'un premier parcours déterminé, et les billes de bois (3) dont le diamètre tombe à l'intérieur d'une seconde plage de diamètres étant entraînées le long d'un second parcours déterminé, le système (1) étant également caractérisé en ce qu'il comprend une surface (15) de chauffage par rayonnement infrarouge (11) pour chacun desdits parcours.
  26. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 25, caractérisé en ce que le rayonnement infrarouge (11) a une longueur d'onde située entre environ 0,7 et 10 microns.
  27. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 26, caractérisé en ce que le rayonnement infrarouge (11) a une densité de puissance déterminée en fonction des caractéristiques des billes de bois (3).
  28. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 27, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour contrôler, en fonction des caractéristiques des billes de bois (3), la période durant laquelle les billes de bois (3) doivent être soumises au rayonnement infrarouge (11).
  29. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 28, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un réflecteur (21) pour réfléchir une portion du rayonnement infrarouge (11) non-absorbé par les billes de bois (3) vers des billes de bois.
  30. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 29, caractérisé en ce que ledit au moins réflecteur (21) est positionné au-dessous du convoyeur (13).
  31. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 30, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'évaluation pour évaluer les caractéristiques des billes de bois (3) avant de les soumettre au rayonnement infrarouge (11).
  32. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 31, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une chaîne de butées (23) coopérant avec le convoyeur (13) pour entraîner les billes de bois (3).
  33. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 32, caractérisé en ce que la surface (15) de rayonnement infrarouge (11) comprend des émetteurs (25) électriques.
  34. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 32, caractérisé en ce que la surface (15) de rayonnement infrarouge (11) comprend des radiants à gaz.
  35. Système (1) selon l'une quelconque des revendications 15 à 32, caractérisé en ce que la surface (15) de rayonnement infrarouge (11) comprend des radiants à gaz de type catalytique.
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