FI77320B - Saett att torka traeprodukter. - Google Patents

Description

1 77320

Menetelmä puutuotteiden kuivaamiseksi

Keksintö koskee menetelmää puutuotteiden kuivaamiseksi mikroaaltoenergian avulla suljetussa kammiossa, jo-5 hon kehitetään mikroaaltoenergiaa generaattoreiden avulla, minkä ohella säädetään kammion ilman lämpötilaa ja kosteuspitoisuutta, ja kuivaus suoritetaan epäjatkuvasta siten, että ilman kosteus pidetään ensin korotetulla tasolla ja sitä alennetaan sitten asteittain kun kosteutta alkaa kul-10 keutua tuotteen sisältä sen ulkopinnoille mikroaaltoenergian tuotteen sisälle kehittämän lämmön seurauksena, ja siten että ilman lämpötila pidetään hieman tuotteen lämpötilaa alemmassa arvossa ja nostetaan asteittain sitä mukaa kun tuotteen pintalämpötila nousee.

15 Vanhin ja vielä hallitseva menetelmä sahatavaran ja muiden puutuotteiden kuivaamiseksi on laittaa tuotteet kammioon, jonka läpi virtaa jatkuvasti kuumennettua ilmaa. Lämmin ilma virtaa tuotteiden ulkopintojen yli ja absorboi niiltä kosteutta, joka sitten poistuu kammiosta 20 ilman mukana. Siten menetelmä voidaan määritellä avoimessa kierrossa tapahtuvaksi jatkuvaksi prosessiksi.

Puutuotteet kuivuvat lämmön johtumisen kautta siten, että ensin kuivuu pintakerros, minkä seurauksena on kutistuminen, puukuitujen välisen etäisyyden pieneneminen ja 25 niin ollen kulkuteiden, joita myöten kosteus voi siirtyä ulospäin, vastaava supistuminen, jolloin kuivausprosessi etenee koko ajan hitaammin tuotteen keskustaa kohden. Pintakutistuminen on eriasteista eri puulajeilla ja siihen liittyy usein pintakerrosten halkeilu. Siitä syystä 30 eräitä puulajeja ei voida lainkaan kuivata pakotetulla ilmankierrolla; sen sijaan ne vaativat hyvin pitkäaikaista, ääritapauksissa useita vuosia kestävää kuivausta.

Ensinmainittua tyyppiä oleva menetelmä on tunnettu US-patenttijulkaisusta 3721013, jolloin kuivattava puuta-35 vara sijoitetaan elektrodilevykerrosten väliin ja puusta vapautuva kosteus johdetaan pois tuuletusaukon kautta yh- 2 77320 dessä kuuman ilman kanssa. Kuivausprosessin kesto on tässä tapauksessa oleellisesti lyhentynyt kosteuden ollessa pakotettu kulkemaan tuotteiden keskiosasta pintakerrokseen. Säätämällä kammiossa olevan ilman kosteutta ja lämpötilaa 5 on mahdollista säädellä kuivumista niin, että estetään tuotteiden pintakerrokset kuivumasta ensin, mikä voisi aiheuttaa halkeilua.

Jätettäessä huomiotta reunavaikutukset, jotka tässä yhteydessä ovat täysin merkityksettömiä, käyttökelpoinen 10 sähkökenttä on olemassa vain elektrodien välisessä tilassa. Tämä tarkoittaa sitä, että käytännöllisistä ja taloudellisista syistä tämän menetelmän käyttökelpoisuus rajoittuu esineisiin, jotka ovat muodoltaan soveltuvia suur-taajuuskuivaukseen ja jotka ovat mitoiltaan suhteellisen 15 pieniä. Lisäedellytyksenä on vielä se, ettei tuotteiden poikkipinta-aloissa voida sallia käytännöllisesti katsoen ollenkaan vaihtelua, sillä ne eivät muuten kuivuisi tasaisesti ja joutuisivat alttiiksi halkeilu- ja sen kaltai-’ sille vaurioille. Siten on vaikeaa valvoa tällaista kui- 20 vausprosessia ja on ilmeistä, ettei sitä voida käyttää tukkien ja sen kaltaisten kuivaukseen.

US-patenttijulkaisusta 3 031 767 tunnetussa kuivaus-menetelmässä ilman lämpötilaa pidetään jatkuvasti 5°C puun lämpötilaa alempana, mikä kuitenkin käytännössä merkitsee 25 sitä, että ilma aina tulee kyllästetyksi kosteudella. Tämä vuorostaan merkitsee sitä, että puussa oleva kosteus ei pääse kulkeutumaan ulos, koska haihtuminen on liian hidasta. Tällaisessa tilanteessa puu ei jäähdy riittävästi, jolloin sen lämpötila nousee, mikä johtaa siihen, et-30 _ tä mikroaaltogeneraattoreiden tehoa on alennettava, minkä seurauksena prosessi edelleen hidastuu.

Tämän keksinnön päämääränä on menetelmä puutuotteiden kuivaamiseksi, jolla ei ole yllä mainittuja epäkohtia ja rajoituksia. Tämä saavutetaan esillä olevan keksinnön 35 mukaisella menetelmällä.

Il 3 77320

Keksintö koskee menetelmää puutuotteiden kuivaamiseksi mikroaaltoenergian avulla suljetussa kammiossa, johon kehitetään mikroaaltoenergiaa generaattoreiden avulla, minkä ohella säädetään kammion ilman lämpötilaa ja 5 kosteuspitoisuutta, ja kuivaus suoritetaan epäjatkuvasti siten, että ilman kosteus pidetään ensin korotetulla tasolla ja sitä alennetaan sitten asteittain kun kosteutta alkaa kulkeutua tuotteen sisältä sen ulkopinnoille mikroaaltoenergian tuotteen sisälle kehittämän lämmön seurauk-10 sena, ja siten että ilman lämpötila pidetään hieman tuotteen pintalämpötilaa alemmassa arvossa ja nostetaan asteittain sitä mukaa kun tuotteen pintalämpötila nousee. Menetelmälle on tunnusomaista, että kammiossa olevaa ilmamäärää kierrätetään ja ilmasta poistetaan kosteutta, 15 että mikroaaltokenttä saatetaan käsittämään kammion olennaisesti koko tilavuuden ja että kammion seinämät on tiivistetty mikroaaltoenergian suhteen.

Koska mikroaaltokenttä täyttää oleellisesti koko kammion, on myös epäsäännöllisen puumateriaalin sijoitta-20 minen kammioon helppoa ja lisäksi saavutetaan vaihtelevan poikkipinta-alan omaavien materiaalien "itsesäätelevä" kuivuminen niin, että vältytään erityisesti oksien piste-kuumennuksesta. Itsesäätelevä vaikutus johtuu siitä, että mikroaaltojen tunkeutumissyvyys veteen kasvaa veden lämpö-25 tilan noustessa, mikä johtaa laskevaan energiatiheyteen, ja että suhteellisen kuiva alue puumateriaalissa absorboi vähemmän energiaa ja kuumenee vähemmän kuin vesipitoisem-mat alueet. Keksinnön olennainen piirre on myös se, että kammio on suljettu ja se, että sen sisällä olevaa ilmaa kierräte-30 tään. Tämä parantaa hyvin merkittävästi prosessin taloudellisuutta, koska periaatteessa ei menetetä ollenkaan lämpöä ympäristöön. Kuten jäljempänä selostetaan, kammioon syötetään vain sähköistä mikroaaltoenergiaa ja sieltä poistetaan vain vettä, jota kammion sisällä oleva ilma absorboi 35 tuotteista ja joka sitten poistetaan kammiosta.

4 77320

Seuraavassa kuvataan tarkemmin keksinnön mukaista menetelmää.

Kuten jo on mainittu, kuivattavat puutuotteet laitetaan suljettuun kammioon. Kammion sisälle muodostetaan 5 mikroaaltoenergiakenttiä, jotka tuotetaan yhdellä tai useammalla generaattorilla, jotka on asennettu kammion ulkopuolelle ja kytketty kammioon avautuviin aaltoputkiin. Tässä yhteydessä on korostettava, että generaattorien lukumäärä, so. pääasiassa kokonaisvoima, valitaan kussakin 10 tapauksessa ottaen huomioon todelliset olosuhteet, ennen kaikkea kammion tilavuus ja generaattorien käyttötaajuus. Siten joissakin tapauksissa voisi olla sekä riittävää että soveltuvinta käyttää vain yhtä generaattoria, esimerkiksi magnetronia, kun taas joissakin tapauksissa käyte-15 tään useita generaattoreita. Jälkimmäisessä tapauksessa generaattorit saattavat toimia keskenään erilaisilla taajuuksilla, jolloin suojaus häiritseviä vuorovaikutuksia vastaan tehdään suodattimilla alalla tunnettujen periaatteiden mukaisesti. Mitä magnetronin taajuuksien valintaan 20 tulee, ensimmäinen vaatimus on se, että taajuuksien tulee olla nk. ISM-taajuusalueiden, jotka ovat ainoita teollisiin tarkoituksiin sallittuja, sisällä. Tarkkojen taajuuk-/ sien valinta näiden taajuusalueiden sisältä määräytyy si ten todellisten käyttöparametrien mukaan, joihin kuuluvat 25 erityisesti kammion tilavuus, puutuotteiden mitat, puulaji ja kosteuspitoisuus. Siksi, kun keksintöä toteutetaan käytännössä, taajuuden valinta on yleensä kompromissi erilaisten näkökohtien, jotka voivat viitata eri suuntiin, välillä. Kuitenkin, jotta estettäisiin puumateriaalia kui-30 vumasta, halkeamasta ja tukkeutumasta ennen kuin sen sisältämä vesi on poistunut, on välttämätöntä, että lämmön-kehitys keskittyy veteen eikä puuhun. Tämä tarkoittaa sitä, että taajuus ei saa olla lähellä suurtaajuusaluetta, koska tällöin pääasiallinen energian absorptio aiheutuu 35 vastushäviöistä, puuhun, jotka ovat suhteellisen riippumattomia puun kosteuspitoisuudesta. Toisaalta liian suuren

II

5 77320 taajuuden käyttö rajoittaa tunkeutumissyvyyttä, koska tällöin lähestytään veden dipolirelaksaatiotaajuutta (noin 20 GHz). Käytännön tarkoituksissa taajuuden yläraja on yleensä noin 10 GHz.

5 Tässä yhteydessä voitaisiin mainita, että puu si sältää veden lisäksi myös ligniiniä, hartsia ja muita aineita, joissa on OH-ryhmiä. Valittaessa taajuus sopivasti pääasiallinen lämmön kehitys tapahtuu vedessä ja seuraa-vaksi suurin juuri mainituissa aineissa, kun taas puuhun 10 absorboitunut lämpömäärä on mitätön.

Myönteisenä seurauksena siitä tosiasiasta, että vesi absorboi pääosan syötetystä mikroaaltoenergiasta, ei ole ainoastaan se, että itse puu kuumenee hyvin vähäisessä määrin, vaan myös se, että kuumentunut vesi pyrkii kul-15 kemaan tuotteen ulkopintaa kohti ja se, että puun suhteellisen alhaisen lämpötilan ansiosta sen "huokoset" tai "kapillaarit" pysyvät auki siten, että vesi pääsee kulkemaan. Tällöin vältytään edellä mainitusta puun pinnan kutistumisesta ja mahdollisesta puusolujen särkymisestä pin-20 takerrosmateriaalissa. Tällainen särkyminen johtaa usein välittömästi halkeamiin tai säröihin, mutta usein käy myös niin, että tuloksena on sisäisten jännitysten muodostuminen, mikä ei vaurioita materiaalia ennen kuin tuote täytyy työstää pitkän ajan kuluttua kuivausprosessin päättymises-25 tä. Vaikka myös tämän keksinnön mukaisesti ulkokerrosten sisältämä kosteus irtoaa ensin tuotteista, tämä johtaa edellä mainitusta syystä alentuneeseen lämmön kehitykseen noissa kerroksissa, joten lämmön kokonaisabsorptio niissä on pienempi kuin keskiosissa. Koska puu on heikko lämmön-30 johdin, ei tapahdu käytännöllisesti katsoen ollenkaan lämmön tasapainottumista johtamalla tai toisin sanoen tuotteiden keskiosiin muodostuu asteittain korkeampi lämpötila.

Edellä on selitetty, että jotta päästäisiin siihen, että tuotteiden kuivuminen alkaa niiden keskiosista ja 35 siirtyy asteittain ulompiin kerroksiin, on välttämätöntä säätää prosessia niin, että elektromagneettisen energian 6 77320 muuttuminen lämpöenergiaksi keskittyy materiaalin sisältämään veteen. Halutun kuivumiskäyttäytyrnisen saavuttamiseksi on välttämätöntä säätää kammiossa oleva "ilmasto" eli kammiossa olevan ilman kosteus ja lämpötila.

5 Kuivausprosessin alkuvaiheen aikana pidetään ilman kosteuspitoisuus korkeana siten, että tuotteiden pintakerrokset eivät kuivu kosteuden ympäröivään ilmaan siirtymisen kautta. Tämän saavuttamiseksi voi olla välttämätöntä nostaa ilman suhteellista kosteutta alkuvaiheessa tuomal-10 la sisään vettä sumun muodossa.

Mitä kammioilman lämpötilaan tulee, tulisi korostaa sitä, että ilman lämpötilan tulisi olla aina alempi kuin lämpötilan tuotteiden sisällä. Tällä tavalla tuotteet eivät pääse vastaanottamaan lämpöä ilmasta, mikä kuten edel-15 lä esitettiin, johtaisi olosuhteisiin, jotka vaikuttaisivat kosteuden toivotun ulospäin siirtymisen vastaisesti. Kun vesi ja muut aineet, joissa puumateriaali muodostuu, absorboivat mikroaaltoenergiaa, ilman lämpötila tietenkin kohoaa, mutta se tulisi aina pitää pienempänä kuin tuot-20 teiden pintalämpötila. Tällöin tuotteissa säilyy lämpöti-lagradientti, jolloin kosteuden siirtyminen helpottuu.

Kammioon pyritään luomaan mahdollisimman homogeeniset olosuhteet sekä ilman lämpötilan, kosteuspitoisuuden että lämmön tuotteiden sisään absorboitumisen suhteen.

25 Homogeeniset ilmaolosuhteet voidaan saada aikaan tuuletti-milla, jotka kierrättävät ilmaa kammiossa ja erityisesti jakamalla tehokkaasti vesisumu, jota lisätään alkuvaiheessa. Tällaiset tuulettimet täyttävät myös toisen tehtävän, nimittäin kierrättävät kammion ilman läpi erityisen tilan, 30 jossa on lauhdutin, jolle ilman kosteus tiivistetään, minkä jälkeen ilma johdetaan takaisin varsinaiseen kuivaus-kammioon. Kammion ja kosteudenpoistotilan väliseinä muodostuu soveltuvasti revitetystä alumiinilevystä, jonka aukot on mitoitettu siten, että seinä ei läpäise mikro-35 aaltoenergiaa, kun taas ilma pääsee vapaasti virtaaman sen läpi.

Il 7 77320

Joissakin sovellutuksissa voitaisiin käyttää myös metallipotkureita, jotka edistävät mikroaaltoenergian jakautumista. Tällaisten potkureiden lukumäärä ja sijoittaminen on määrättävä kussakin erillistapauksessa ottaen 5 huomioon mm. magnetronien lukumäärä, aaltoputkien muoto jne. Mikroaaltoenergian homogeenisen absorboitumisen edistämiseksi vielä edelleen tuotteet voidaan asettaa hitaasti pyörivälle pöydälle siten, ettei esiinny minkäänlaisia varjoiImiöitä.

10 Tuulettimien käyttö ja tuulettimien aikaansaama il mankierto vähentävät energiankulutusta ja mahdollistavat sen, että olennainen osa lämpöenergiasta säilyy, mikä tekee menetelmän taloudelliseksi.

Lisäetuja saavutetaan, kun yllä mainitun keksinnön 15 edullisen sovellutuksen mukaisesti kuivataan ilma erillisessä tilassa, joka on mikroaaltojen kannalta katsottuna eristetty kammiosta, jossa puutuotteet ovat, mutta joka on sen kanssa yhteydessä ilman virtauksen kannalta. Eräs tällainen etu on se, että vaikeus asentaa tavanomaiset 20 lämpötila- ja kosteussignaalilähettimet paikkoihin, joissa ne joutuvat alttiiksi mikroaaltoenergialle, eliminoituu. Tällaiset lähettimien asentamisessa erilliseen tilaan, jossa lauhdutin on, ei ole kuitenkaan minkäänlaisia ongelmia. Toisaalta ne tulisi yrittää asentaa mahdollisim-25 man kauaksi lauhduttimesta, jolloin lähetetyt signaalit ovat edustavia kuivauskammion olosuhteiden suhteen. Yleensä on mahdollista tehdä yksinkertaisesti muutamia kokeita merkitsevien korjausten määrittämiseksi ja kalibroida sitten laitteisto vastaavasti. Lähettimien antamat signaalit 30 muodostavat suoran perustan ilman ja kosteuden säätämiselle .

Ne voivat kuitenkin antaa myös epäsuorasti empiiristä tietoa, jota voidaan käyttää vaihdeltaessa syötettyä mikroaaltoenergiaa kuivausprosessin edetessä. Eräs syy, 35 miksi tällaista vaihtelua voidaan tarvita, on seuraava.

8 77320

Kun tuotteiden kosteuspitoisuus alenee, niiden sisään muodostuu kuivuneita ontelolta, jotka voivat saada aikaan multiresonanssi-ilmiöitä, jotka pyrkivät suurentamaan kentän intensiteettiä materiaalin sisällä. Ellei puuaines 5 ole homogeenista, esimerkiksi koska siinä on paikallisia alueita, joiden hartsipitoisuus on suuri, lämpiäminen saattaa olla epätasaista. Vähentämällä asteittain mikro-aaltoenergian syöttöä on kuitenkin mahdollista kompensoida tätä vaikutusta niin, että kentän intensiteetti voidaan 10 koko ajan pitää optimaalisella tasolla.

Yllä on useaan kertaan korostettu sitä, että kun keksinnön mukaista menetelmää sovelletaan käytäntöön, on otettava huomioon monia perustavaa laatua olevia syöttö-parametreja, kammion mittasuhteet, magnetronien teho, 15 niiden käyttötaajuudet, puutavaroiden lukumäärä, paikka sekä laatu sekä tuotteiden kosteuspitoisuus ja muoto.

Tämä tarkoittaa sitä, että on mahdotonta antaa käyttöohjeita tarkkoina lukuina. Sen sijaan, sisäänajovaiheen aikana on säännöllisesti välttämätöntä määrittää kokeiden 20 avulla, mitkä käyttöparametrit vastaavat syöttöparametre-ja. Toisaalta, kun on tehty muutamia kokeita ja määritetty optimaaliset käyttöarvot erilaisille tuotteille, on mahdollista koota ohjelmat, joita voidaan, kun tietty prosessi on toistettava, käyttää sen automaattiseen sää-25 tämiseen. Kuten yllä sanotusta ilmenee, tällaiset ohjelmat eroavat yleensä oleellisesti toisistaan, ennen kaikkea eri puulajeille tehdyt ohjelmat.

II

Claims (5)

9 77320

1. Menetelmä puutuotteiden kuivaamiseksi mikroaalto-energian avulla suljetussa kammiossa, johon kehitetään 5 mikroaaltoenergiaa generaattoreiden avulla, minkä ohella säädetään kammion ilman lämpötilaa ja kosteuspitoisuutta, ja kuivaus suoritetaan epäjatkuvasti siten, että ilman kosteus pidetään ensin korotetulla tasolla ja sitä alennetaan sitten asteittain kun kosteutta alkaa kulkeutua tuotteen 10 sisältä sen ulkopinnoille mikroaaltoenergian tuotteen sisälle kehittämän lämmön seurauksena, ja siten että ilman lämpötila pidetään hieman tuotteen pintalämpötilaa alemmassa arvossa ja nostetaan asteittain sitä mukaa kuin tuotteen pintalämpötila nousee, tunnettu siitä, että 15 kammiossa olevaa ilmamäärää kierrätetään ja ilmasta poistetaan kosteutta, että mikroaaltokenttä saatetaan käsittämään kammion olennaisesti koko tilavuuden ja että kammion seinämät on tiivistetty mikroaaltoenergian suhteen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n -20 n e t t u siitä, että ilmasta poistetaan kosteutta saattamalla se sinänsä tunnetulla tavalla kosketukseen lauhdutti-men kanssa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ilmasta poistetaan kosteutta 25 tilassa, joka on sinänsä tunnetulla tavalla virtauskoske-tuksessa kammion kanssa mutta on eristetty mikroaalloista, esim. rei'itetyn metalliseinämän avulla.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mikroaaltoenergian 30 syöttöä säädetään sitä mukaa kuin kuivaus edistyy.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mikroaaltoenergia kehitetään generaattoreissa, joiden toimintataajuudet eroavat huomattavasti toisistaan.