SU1183798A1 - СПОСОБ СУШКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ, преимущественно спичек и спичечных коробок из шпона - Google Patents

Description

Изобретение относится к технике сушки и может быть использовано в деревообрабатывающей отрасли промышленности, преимущественно в производстве спичек и спичечных коробок из шпона.

Известны способы сушки спичек и спичеч- ⁵ ных коробок путем естественной сушки и сочетания естественной сушки с обдувом теплым воздухом [I].

Недостатками указанных способов являются высокая энергоемкость и большая дли- 10 тельность процесса сушки, значительные габариты оборудования, его высокая материалоемкость.

Известен также способ сушки различных древесных материалов в электромагнитном поле СВЧ путем их нагрева в поле СВЧ '5 частотой 0,03—60 Ггц в воздушной среде [2].

Однако данный способ предназначен для сушки материалов однородного состава, например шпона или лесоматериалов и не 20 может быть использован для сушки спичек, так как головка спички состоит из зажигательной смеси и древесины, пропитанной парафином. Все составляющие материалы имеют разные диэлектрические параметры и разную влажность. Использование этого 25 способа сушки может привести к загоранию спички.

Кроме того, способ не может быть применен для сушки спичечной коробки, поскольку в отличие от листового материала, ориентация волокон древесины в стенках и ³⁰ дне также не одинакова, как и размеры стенок и дна коробки. Без учета конструктивных особенностей такого объемного изделия нельзя обеспечить получение качественных спичечных коробок.

Цель изобретения — интенсификация ³⁵ процесса сушки и повышение качества изделий.

2

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу сушки изделий из древесины, преимущественно спичек и спичечных коробок из шпона, путем их нагрева в поле СВЧ частотой 0,03—60 ГГц в воздушной среде, напряженность поля поддерживают равной 10—800 В/см, а время нагрева — 10—1200 с.

При сушке спичек вектор напряженности поля СВЧ ориентируют перпендикулярно волокнам древесины, а напряженность поля постепенно или ступенчато повышают.

При сушке спичечных коробок из шпона нагрев ведут в две стадии с одновременным обдувом воздухом, при этом на первой стадии напряженность поля СВЧ поддерживают 300—800 В/см при температуре воздуха 90—120°С,а на второй после достижения влажности 25—35% — 10—300 В/см при температуре воздуха 40—90°С, причем в процессе нагрева напряженность поля постепенно или ступенчато снижают.

Кроме того, при сушке наружной части спичечных коробок вектор напряженности поля СВЧ ориентируют перпендикулярно волокнам широкой грани коробки.

При сушке внутренней части коробки на первой стадии вектор напряженности поля СВЧ ориентируют параллельно волокнам дна коробки, а на второй стадии — перпендикулярно им.

На фиг. 1 показана зависимость коэффициента диэлектрических потерь З’зажигательной массы спичек от частоты поля ί при 40°С; на фиг. 2 — зависимость £^;/от частоты поля для древесины с различной влажностью; на фиг. 3 — устройство для осуществления предлагаемого способа сушки спичек; на фиг. 4 и 5 — варианты устройства для осуществления способа сушки спичечных коробок из шпона.

3

1183798

4

Точки 1 и 2 на фиг. 1 соответствуют интервалу частот поля СВЧ, используемого в предлагаемом изобретении. Кривые 3—5 на фиг. 2 характеризуют зависимость коэффициента диэлектрических потерь от влажности древесины.

Установка для сушки спичек б содержит планочный транспортер 7 для их перемещения через зоны сушки А и Б, генераторы 8 и 9, волноводы 10 и 11 со щелями 12, перегородку 13,

Установка для сушки спичечных коробок 14 содержит конвейер 15 для перемещения их через зону сушки 16, генератор 17, волновод 18 со щелями 19, генератор 20, волновод 21, излучатели 22 'генератор 23, волновод 24, щели 25.

Сущность способа при сушке спичек заключается в следующем.

Зажигательная масса, наносимая на спичечную соломку для образования спички, имеет плотность 1,55—1,7 г/см³ и обладает высокой влажностью. Влага, находящаяся в массе, обладает высокой поглощаемостью энергии электромагнитного поля СВЧ, значительно большей, чем остальные компоненты (бертолетовая соль, сера, стекло, клей и др.). Под воздействием СВЧ поля водяные включения в массе прогреваются интенсивнее, что ведет к быстрому испарению влаги, миграции ее к поверхности, откуда она уносится воздухом. Воздействие полем СВЧ способствует застудневанию клея.

Максимум поглощения энергии СВЧ влажной массой наблюдается в диапазоне длин волн 1—2 см. Диапазон используемых для сушки спичек частот находится в пределах 0,03—60 ГГц.

Эффективность преобразования энергии переменного электрического поля в тепло характеризуется коэффициентом диэлектрических потерь β . Для воды 8 достигает 40. Значение £" зажигательной массы спички, влажность которой в процессе сушки колеблется от 35 до 3,5% в диапазоне частот 0,03—60 ГГц, составляет 0,8—3,0 при температуре сушки. На фиг. 1 пунктирными линиями ограничен диапазон частот, пригодный для сушки спичек.

Необходимый диапазон частот выбирается из условий проникновения энергии СВЧ вглубь материала и эффективности ее преобразования в тепло. Глубина проникновения поля Δ (глубиной проникновения называется расстояние от поверхности материала, на котором напряженность электрического поля уменьшается в 1=2,72 раза) определяется уравнением

где Г — частота поля, Гц;

δ — относительная диэлектрическая проницаемость;

— тангенс угла потерь.

А1ощноть Р, выделяемая в виде тепла в материале, находится в зависимости

Ρ = 55,6·1(Γ¹⁴ ΕΜδ'ί£3, (2)

где Е — напряженность поля, В/см.

С ростом частоты более 60 ГГц (λ= 0,5 см, точка 1 на фиг. 1) возможность равномерного подвода энергии резко падает. Глубина проникновения Δ становится менее 0,5 диаметра спичечной головки (0,12—0,16 см), т.е. в ее середине выделяется мощность Рд, составляющая 0,135Р₀ (Ро — мощность, выделяемая на поверхности головки: Рд = —й-= = 0,135 Ро). ¹

В середине головки' выделяется мощность, в 7,5 раз меньшая, чем на поверхности. Это приводит к перегреву поверхности и невозможности осуществления необходимого процесса сушки. Поэтому использование частоты свыше 60 ГГц невозможно.

Мощность, выделяемая в материале, пропорциональна частоте и квадрату напряженности электрического поля (2). Повышение интенсивности нагрева при снижении частоты может быть компенсировано увеличением напряженности поля, однако последнее ограничивается величиной пробивного напряжения материала. Частота 0,03 ГГц (λ= 10 м, точка 2 на фиг. 1) является предельной, при которой можно обеспечить требуемую интенсивность подвода энергии при допускаемом из соображений пробоя напряжения. В зажигательной массе спички имеется клей, допустимый градиент напряжения для которого составляет 800 В/см. Поэтому использование напряженности 800 В/см недопустимо. На частоте ниже 0,03 ГГц 6" снижается ниже 0,8, допустимый градиент напряжения снижается ниже 800 В/см и применение диэлектрического нагрева из-за недостаточной интенсивности становится нерациональным.

Минимальная напряженность электрического поля для осуществления процесса сушки имеет место при частоте 60 ГГц, когда £" = 2,5 При сушке обычных спичек при напряженности поля Е =10 В/см выделяемая в материале спичечной головки мощность составляет 1—3 Вт/см³ (в среднем 2 Вт/см’). Чтобы высушить массу объемом 1 см³ от начальной влажности 35% до конечной 3,5% при плотности 1,6 г/см³, необходимо испарить 0,5 г воды и затратить 0,5 г.\2400= = 1200 Дж энергии. При средней мощности 2 Вт/см³ время сушки 1 см'’ массы составляет 1200 Дж/см/2-,¾ =600 с.

При сушке специальных спичек, имеющих головку до 5—6 мм толщиной, из условия равномерности нагрева максимальная частота 30 ГГц и при Е =± 10 В/см средняя выделяемая в головке мощность составляет около 1 Вт/см’. Тогда время сушки равно 1220 Дж/см³: 1-—~_э =1200 с. Увеличение продолжительности сушки свыше 1200 с делает применение энергии электромагнитного

5

1 183798

6

поля для сушки спичек экономически невыгодным.

Интенсивная сушка при времени обработки менее 15 с ведет к дефектам спичечной головки: вспучиванию и «оклеиванию» (выделению клея на поверхности).

Чтобы не происходило «оклеивания» и вспучивания, сушку спичек производят сначала при низкой напряженности поля, а затем повышают ее до максимально допустимой постепенно или ступенчато.

Коэффициент потерь древесины при ориентации вектора электрической напряженности перпендикулярно волокнам в 1,5—2,5 раза ниже, чем при ориентации вдоль волокон. Поэтому при ориентации вектора электрической напряженности перпендикулярно волокнам древесины спички выделение тепла в ней снижается в 1,5—2,5 раза, что ведет к экономии энергии. В процессе сушки вектор напряженности электрического поля следует ориентировать перпендикулярно спичке, что улучшает также качество спички.

Для улучшения условий сушки обработку спичек полем СВЧ осуществляют в сочетании с воздействием потока воздуха со скоростью до 2,5 м/с.

При сушке коробок из шпона следует учитывать, что вода обладает аномально высоким поглощением СВЧ энергии в сантиметровом диапазоне электромагнитных волн. Древесина коробок из шпона имеет влажность от 50 до 120%, что обеспечивает высокий коэффициент поглощения ею энергии электромагнитного поля СВЧ. Клей, которым приклеивается бумага к спичечным коробкам, содержит около 90% воды.

Под воздействием поля СВЧ содержащаяся в клее и древесине вода начинает быстро нагреваться, испаряться и часть ее вытесняется на поверхность, откуда уносится потоком воздуха. При достижении древесиной влажности 25—35% начинает удаляться связанная влага. Процесс ее удаления должен быть медленным и равномерным, что* бы не вызывать больших деформаций изделия. Поглощение влажными участками большей доли СВЧ энергии по сравнению с сухими ведет к выравниванию влажности и уменьшает вероятность коробления.

Эффективность нреобразоавания энергии переменного электрического поля в тепло, характеризуется коэффициентом диэлектрических потерь 8" . Значения £" для клея, которым склеиваются коробки, достигает 38 на частоте 20 ГГц. Значения £" для древесины меняются в зависимости от породы, плотности, влажности, температуры, направления электрического поля относительно волокон и находятся в области, ограниченной кривыми 4 и 5 (фиг. 2).

Диапазон частот поля и напряженности его, необходимые для сушки, выбираются из условий проникновения энергии

вглубь материала и эффективности ее преобразования в тепло (с учетом уравнений 1 и 2).

С ростом частоты более 60 ГГц неравномерность прогрева шпона по глубине становится недопустимой. Глубина проникновения Δ становится менее половины толщины шпона и в середине его выделяется энергия в 3—4 меньшая, чем на поверхности. Это приводит к дефектам коробок.

Повышение интенсивности нагрева при снижении частоты может быть компенсировано увеличением напряженности поля. Однако увеличение напряженности электрического поля ограничивается предельной величиной пробивного напряжения материала. Частота 0,03 ГГц является предельной, на которой обеспечивается требуемая интенсивность подвода энергии при допустимом для влажной древесины градиенте напряжения по пробою, который равен 800 В/см. Использование напряженности выше 800 В/см недопустимо. На частотах ниже 0,03 ГГц коэффициент потерь £ значительно снижается (фиг. 2) и применение диэлектрического нагрева коробок из-за его недостаточной интенсивности становится нерациональным.

Минимальная напряженность электрического поля для осуществления процесса сушки имеет место при .частоте ί=60 ГГц. когда £" =2—4. При напряженности поля Е =10 В/см выделяемая в древесине мощность составляет 2,1—2,3 Вт/см³. Чтобы высушить объем древесины в 1 см³ от максимальной начальной влажности 120% до требуемой влажности 8—10%, необходимо испарить 0,42 г воды и затратить 0,42-2400 Дж/г= 1010 Дж. При средней выделяемой в древесине мощности 2,1—2,3 Вт/см³ время сушки составляет 440—480 с.

При времени сушки от начальной влажности 50% менее 10 с (при напряженности поля 230 В/см на частоте 2,4 ГГц) происходит сильное коробление шпона, что ведет к браку коробок.

Выбор наиболее рациональной частоты определяется породой древесины, ее влажностью, а также условиями, в которых происходит обработка ее СВЧ-энергией: в резонаторной, волноводной камере или путем направленного облучения.

Время воздействия на изделия определяется напряженностью поля, оптимальная величина которой находится в пределах 10—800 В/см и составляет 10—480 с.

Для улучшения условий удаления влаги из коробки в процессе сушки на нее воздействуют потоком воздуха. Для ускорения процесса сушки при сохранении качества изделий обработку ведут на двух режимах: сначала с напряженностью поля 300— 800 В/см удаляют свободную влагу, доводя влажность древесины до 25—35%, а затем

1183798

обработку ведут при напряженности поля 10—300 В/см, доводя влажность до 8—10%.

В начальной стадии при более высокой напряженности поля (300—800В/с) свободная влага вскипает. В древесине создается избыточное давление, часть влаги испаряется в виде пара, а часть выбрасывается в виде капелек. Такой процесс допустим только до влажности 25—35%, когда удаление влаги не ведет к существенному изменению размеров волокон древесины. При меньшей влажности начинается изменение размеров волокон и сушку следует вести медленнее, что обеспечивается снижением напряженности поля до диапазона 10—300 В/см.

Коробка для спичек имеет внутреннюю часть, куда кладутся спички, и наружную, в которую вставляется внутренняя. Для ускорения процесса сушки внутренних частей коробок в начальный период при изменении влажности от начальной до 25— 35% вектор Е ориентируют параллельно направлению волокон в дне коробки, так как при такой ориентации вектора Е выделение энергии в дне коробки выше в 1,5— 2,5, чем при ориентации вектора Е перпендикулярно волокнам. Кроме того, дно коробки высыхает медленней стенок, потому что оно занимает большую площадь и ориентация вектора Е параллельно направлению волокон в дне коробки способствует ее равномерному высыханию.

При снижении влажности до 30% уменьшения размеров древесины практически не происходит, поэтому разность в ориентации Е (параллельно волокнам древесины в дне и перпендикулярно волокнам в стенках) не ухудшает качества коробки. Для улучшения качества сушки наружных частей коробок (более равномерного подвода энергии к узким и широким граням) вектор Е ориентируют перпендикулярно волокнам древесины в широкой грани коробки.

Изменение режима сушки корробок осуществляют путем постепенного или ступенчатого снижения напряженности поля.

Пример 1. Спички 6 планочным транспортером 7 после окунания в зажигательную массу поступают в зону А (фиг. 3). От генераторов 8 и 9, по волноводам 10 и 11 через щели 12 подается энергия СВЧ. Средняя величина напряженности электрического поля в зонах А и Б одинакова и составляет 90—100 В/см, а частота поля составляет 2,375 ГГц (разрешена для промышленного использования). Вектор Е поля электрической напряженности ориентирован перпендикулярно волокнам древесины. Через зоны А и Б проходит воздух со скоростью 0,5—1 м/с и температурой 20°С при влажности 32—35%. Скорость движения спичек 6 через зоны А и Б сушки выбирается такой, чтобы время прохождения составляло 400— 450 с.

8

При обработке спички 6 в поле СВЧ клеевой раствор, входящий в состав массы, застудневает, влага в спичечных головках нагревается, испаряется и мигрирует из внутренних слоев на поверхность, откуда уносится потоком воздуха. На выходе влажность головки составляет 3—3,5%.

Управление скоростью сушки может осуществляться путем изменения скорости движения транспортера 7, напряженности поля, влажности воздуха и скорости его движения.

Пример 2. Способ осуществляется аналогично примеру 1, но при следующих режимах: частота поля 60 ГГц, напряженность поля 10—15 В/см, время прохождения зон сушки 600—650 с. Скорость движения воздуха 0,6—1,2 м/с при его относительной влажности 40—60%.

Пример 3. Параметры процесса: частота 0,03 ГГц, напряженность поля 760—780 В/см, время сушки 150—180 с. Скорость движения воздуха 1,0—1,5 м/с при его относительной влажности 40—50%.

Пример 4. Спички 6 планочным транспортером 7 после окунания в зажигательную массу плотностью 1,6—1,7 г/см³ поступают в зону А, отделенную от зоны Б перегородкой 13, являющейся одновременно оконечной нагрузкой. В зону А энергия СВЧ поступает по волноводу 10 от генератора 8, а в зону Б — по волноводу 11 от генератора 9. Средняя напряженность электрического поля в зоне А составляет 90—100 В/см, а в зоне Б — 230—250 В/см.

Частота поля составляет 2,375 Гц. Вектор Е поля электрической напряженности ориентирован как в зоне А, так и в зоне Б, перпендикулярно волокнам древесины. Через зоны А и Б пропускается поток воздуха с начальной температурой 20°С и влажностью 32—35%.

Длина зон А и Б выбирается из соотношения необходимых времен пребывания спичек 6 в этих зонах. Для данных условий время пребывания в зоне А составляет 180— 200 с, а в зоне Б — 1 1 —13 с. Общее время прохождения обеих зон (время сушки) составляет 191—213 с.

В зоне А с напряженностью 90—100 В/см происходит предварительная сушка, а в зоне Б с напряженностью поля 230—250 В/см— окончательное досушивание спички 6 до влажности головки 3—3,5%.

Пример 5. Все условия сушки аналогичны примеру 4, за исключением напряженности поля, времени обработки. Средняя напряженность электрического поля в зоне А 60— 65 В/см, время обработки 300—320 с, средняя напряженность электрического поля в зоне Б 160—180 В/см, время обработки 40—45 с. Общее время сушки 340—365 с.

Пример 6. Необходимо высушить специальные спички 6 с размером головки 6 мм (ветровые, водоустойчивые) с плотно1183798

10

стью массы 1,7 г/см³ и начальной влажностью 33%. Для качественного высушивания такой спички 6 необходим менее интенсивный процесс подвода энергии.

Используемая частота поля СВЧ 30 ГГц, напряженность поля 10—15 В/см, время обработки 1100—1200 с. Скорость движения воздуха 0,5—1 м/с, относительная влажность воздуха 32—35%, при 20°С. При этом влажность головки на выходе из зоны сушки составляет 3—3,5%.

Управление скоростью сушки может осуществляться путем изменения частоты поля, его напряженности, времени СВЧ обработки.

Повышение качества сушки и ее интенсивности может быть осуществлено путем обработки спичек 6 в поле СВЧ с постепенно или ступенчато увеличивающейся напряженностью поля, а также в вакууме.

При использовании предлагаемого способа время сушки обычных спичек 6 сокращается по сравнению с известным техпроцессом от 35—40 до 3—4 мин. Кроме того, снижаются энергоемкость,габариты и материалоемкость оборудования и улучшается управление процессом сушки.

Пример 7. Наружные части коробок 14 из шпона (фиг. 4) влажностью 80—90% сразу после склейки поступают по сетчатому конвейеру 15 в зону сушки 16, куда подается воздух (указано стрелкой), с температурой 30—35°С. От генератора 17 СВЧэнергии по волноводу 18 через щели 19 излучение с частотой 2,4 ГГц подается в зону сушки 16. Средняя напряженность электрического поля в зоне сушки 16 85—90 В/см. Вектор напряженности электрического поля ориентирован перпендикулярно волокнам в широкой грани наружных частей коробок 14 (показано вертикальной стрелкой). Время сушки составляет 290—310 с.

За этот период времени влага в древесине шпона и влага клея испаряется и уносится потоком воздуха, а коробки 14 достигают конечной влажности 9—10% на выходе из зоны сушки 16 при высоком качестве: разница диагоналей по открытым сторонам наружной части коробки 0—2 мм; разница диагоналей по открытой широкой стороне внутренней части коробки 14 2,5—

3 мм; искривление коробки 14, создающее неприлегание к базовой плоскости, не более 3 мм, что значительно ниже допустимых значений (соответственно 3,5 м и 5 мм).

Пример 8. Наружные или внутренние части коробки 14 из древесного шпона (фиг.5) влажностью 80% сразу после склейки поступают по сетчатому конвейеру 15 в зону В, куда, подается воздух с температурой 4= — 95°С и скоростью 1,2 м/с. От генератора 20 по волноводу 21 через излучатели 22 в зону В поступает СВЧ-излучение с частотой 2,4 ГГц, которое создает среднюю напряженность СВЧ-поля 320— 340 В/см. Вектор электрической напряженности ориентирован параллельно волокнам древесины в широкой грани коробки 14. Время обработки составляет 12—15 с. Влаж ность коробки 14 в зоне В снижается до

28—30%.

Затем коробки 14 поступают в зону Г, где на них воздействуют СВЧ-излучением с частотой 0,915 ГГц, поступающей от генератора 23 по волноводу 24 через щели 25. Напряженность поля 140—160 В/см, вектор Е перпендикулярен волокнам древесины в широкой грани коробки 14. Температура воздуха в зоне Г ί^ = 40—50°С, скорость его движения 0,8—1,0 м/с, время СВЧ-обработки 360—400 с. Конечная влажность на выходе из зоны Г коробки 14 составляет

8—10%. Качество коробок 14 соответствует техническим условиям.

Пример 9. Внутренние части коробок 14 из шпона (фиг. 4) влажностью 60—70% по сетчатому конвейеру 15 поступают в зону сушки 16, куда подается воздух со скоростью 0,6—0,8 м/с при температуре 40— 60°С. От генератора 17 по волноводу 18 через щели 19 излучение с частотой 2,4 ГГц подается в зону сушки 16. Средняя напряженность поля 100—110 В/см, вектор напряженности электрического поля ориентирован перпендикулярно волокнам древесины в дне внутренней части коробки 14. Время СВЧ-обработки 160—180 с. Конечная влажность коробки 14 после сушки 8—10%.

Применение СВЧ-нагрева позволяет существенно интенсифицировать процесс сушки спичечных коробок 14 при обеспечении требуемого качества.

1183798

3 - Вода, ί-дреВесина Влажностью 80- 120°/о, 5- дреВесина Вложностью 5-10°/°

фаг.Ζ

Зана А

Зона В

Воздух

/4 15 16 . фигЛ

Claims (5)

1. СПОСОБ СУШКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ, преимущественно спичек и спичечных коробок из шпона, путем их нагрева в поле СВЧ частотой 0,03—60 ГГц в воздушной среде, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса сушки и повышения качества изделий, напряженность поля поддерживают равной 10—800 В/см, а время нагрева — 10—1200 с.

00

со

со

00

300 60 30 3 0,3 0,03 6,ГГц

(риъ.1

>

1183798

2. Способ по π. 1, отличающийся тем, что при сушке спичек вектор напряженности поля СВЧ ориентируют перпендикулярно волокнам древесины, а напряженность поля постепенно или ступенчато повышают.

3. Способ по π. 1, отличающийся тем, что при сушке спичечных коробок из шпона нагрев ведут в две стадии, с одновременным обдувом воздухом,при этом на первой стадии напряженность поля СВЧ поддерживают 300—800 В/см при температуре воздуха 90—120°С,а на второй после достижения влажности 23—35% — 10—300 В/см при температуре воздуха 40—90°С, причем в процессе нагрева напряженность поля постепенно или ступенчато снижают.

4. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что при сушке наружной части спичечных коробок вектор напряженности поля СВЧ ориентируют перпендикулярно волокнам широкой'грани коробки.

5. Способ по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что при сушке внутренней части коробки на первой стадии вектор напряженности поля СВЧ ориентируют параллельно волокнам дна коробки, а на второй стадии — перпендикулярно им.

1