Способ пропитки и сушки капиллярно-пористых материалов и устройство для его осуществления

 

Использование: пропитка и сушка капиллярно-пористых материалов с использованием упругого миграционного эффекта и кавитации. Сущность изобретения: способ пропитки и сушки капиллярно-пористых материалов заключается в том, что в материал посредством электродов подают постоянный ток в совокупности с возбуждением в нем мощных ультразвуковых колебаний, причем ультразвуковые воздействия осуществляют в несколько этапов: вначале приводят локальный участок материала в возбужденное состояние и вибровоздействия производят в течение времени, при котором деформации сжатия сменят деформации растяжения, что соответствует оптимальной проницаемости материала. Затем переходят на частоту, равную частоте собственных колебаний материала, и воздействия производят в течение времени, при котором масса материала снизится на 6 - 12% , по сравнению с первоначальным, при сушке, или переходят на частоту собственных колебаний "флюидов", содержащихся в порах, трещинах и капиллярах материала при пропитке, и вибровоздействия производят в течение времени, при котором материал восстанавливает свою первоначальную массу. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к строительной, лесной отраслям промышленности и может быть использовано для пропитки и сушки естественных и искусственных капиллярно-пористых материалов, например пиломатериалов или композитов, с использованием упругого миграционного эффекта и эффектов кавитации.

Известен способ сушки изделий из дерева, включающий помещение их в герметичный корпус, создание внутри него температуры 85-100^оС в совокупности с созданием внутри корпуса вакуума и выдерживание изделия внутри корпуса в течение 2-3 дней и более.

Известный способ трудоемок, нетехнологичен, не позволяет работать в выбранном режиме температур, использует высокие температуры, от воздействия которых изделия приобретают трещины, дефекты и другой нетоварный вид и теряют свое качество.

Наиболее близким к изобретению является способ пропитки и сушки капиллярно-пористых материалов, включающий воздействие на материал электрического и акустического полей, причем электрическое поле создают постоянным током.

Известный способ не использует структурные особенности капиллярно-пористых материалов, не работает в резонансном режиме и не использует в своем арсенале упругий миграционный эффект и эффекты кавитации в материалах.

Цель изобретения - повышение эффективности, снижение энергоемкости и повышение качества капиллярно-пористых материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе пропитки и сушки капиллярно-пористых материалов, включающем воздействие на материал электрического и акустического полей, причем электрическое поле создают постоянным током, используют ультразвуковые колебания, амплитуду которых медленно поднимают от минимально возможного уровня до уровня, при котором напряжения в знакопеременной упругой волне достигнут величины, равной 0,2-0,3 от разрушающих напряжений в материале на разрыв в течение времени, при котором масса материала снизится на 6-12% от первоначальной, а вибровоздействия осуществляют в несколько этапов, причем сначала вибровоздействия осуществляют в диапазоне частот от 1 до 20 кГц, в течение времени, при котором деформации сжатия материала сменят деформации растяжения, а затем переходят на частоту, равную частоте собственных колебаний материала.

Ультразвуковые излучатели размещают на торцах материала, и вибровоздействия производят попеременно с одного, а затем другого торца, причем, время вибровоздействия с каждого торца определяют из выражения Т= L/Р, где L - длина материала, м; Р - скорость миграции, скорость перемещения (миграции) флюидов в капиллярах материала под воздействием упругой, волны, м/с.

После потери массы в размере 6-12% от первоначальной нагнетают в материал антисептические растворы и нагнетание производят в течение времени, при котором масса изделия не достигнет прежней величины.

Для повышения гидро- и аэродинамических связей капиллярно-пористых материалов, например пиломатериалов, нагнетают в них растворы поверхностно-активных веществ в совокупности с возбуждением в материале ультразвуковых колебаний, причем амплитуду в знакопеременной упругой волне поддерживают на уровне 0,3-0,5 от величины разрушающих напряжений для материала.

Для низкопористых материалов с целью увеличения их проницаемости нагнетают в них нагретые разупрочняющие растворы, например ПАВ, нагретые до температуры 55-65^оС, возбуждают ультразвуковые колебания и инициируют в порах, трещинах и капиллярах материала кавитирующие процессы, причем энергию кавитирующего пузырька, возникающего в зоне разрежения и схлопывающегося в зоне сжатия ультразвуковой волны, определяют из выражения Е= n˙Р_оR³ 4/3, где R - размер кавитирующего пузырька, мм; Р_о - давление в порах, трещинах и капиллярах материала в отсутствие ультразвуковой волны, м/с.

С целью интенсификации процессов пропитки и сушки в материале возбуждают ультразвуковые колебания, частоту которых согласуют с собственными частотами флюидов - жидкостей и газовоздушных включений, содержащихся в порах, трещинах и капиллярах материала, и воздействия ультразвуком производят в течение времени, при котором достигают положительного эффекта.

На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа, где 1 - капиллярно-пористый материал, 2 - электроды, 3 - ультразвуковые излучатели, 4 - источник напряжения постоянного тока, 5 - ультразвуковой генератор, 6 - усилитель с программным управлением, 7 - усилитель мощности, 8 - микропроцессор (микро-ЭВМ).

Способ осуществляют следующим образом.

Обрабатываемый материал 1 помещают между электродами 2, к которым прикладывают разность потенциалов постоянного напряжения от источника 4. Со стороны положительного и отрицательного электродов устанавливают ультразвуковые излучатели 3, которые подключают к входу генератора 5, последовательно соединенного с усилителем 6 с программным управлением и усилителем мощности 7, управляемыми с помощью микропроцессора 8. В результате облучения звуком жидкость в материале понижает свою вязкость, а в порах, трещинах и капиллярах создается ланжевеновое давление излучателем 3, что приводит с одной стороны к более быстрому перемещению (миграции) флюидов-жидкостей и газов, содержащихся в порах, трещинах и капиллярах материала и, следовательно, к более интенсивной сушке при нагревании материала постоянным током, а с другой стороны - при пропитке нагнетают в поры, трещины и капилляры антисептические растворы, предохраняющие материал от внешних воздействий, и ультразвуковое облучение осуществляют на частоте, равной собственной частоте флюидов, содержащихся в порах и трещинах материала.

Ультразвуковое облучение осуществляют в несколько этапов: вначале в диапазоне частот 1-20 кГц, и облучение производят в течение времени, при котором деформации сжатия сменят деформации растяжения, что соответствует оптимальной проницаемости материала, причем амплитуду давления в знакопеременной ультразвуковой волне поддерживают на уровне 0,2-0,3 от разрушающих напряжений на разрыв. При потере массы на 6-12% от первоначального нагнетают в материал антисептические растворы, причем амплитуду давления в знакопеременной волне поддерживают на уровне 0,3-0,5 от величины разрушающих напряжений в течение времени, при котором масса материала не достигнет первоначальной величины. Облучение ультразвуком осуществляют попеременно с торцов сначала с одного торца, а затем с другого, ограничивая время облучения с каждой стороны временем миграции флюидов в данном направлении распространения, определяемого длиной изделия. Скорости миграции флюидов под воздействием ультразвука определяют экспериментально для каждого обрабатываемого материала.

В том случае, если проницаемость материала низка, в материал вначале нагнетают разупрочняющие растворы, например ПАВ, нагретые до 55-65^оС, в совокупности с возбуждением ультразвуковых колебаний и инициируют кавитирующие процессы на пути распространения ультразвуковой волны, что позволяет повысить гидро- и аэродинамические свойства материала за счет того, что ПАВ "съедает" перегородки между порами и трещинами и повышает проницаемость материала. Это позволяет интенсифицировать как процесс сушки, так и пропитки, и снизить энергоемкость способа.

Сущность способа состоит в том, что под воздействием ультразвуковых колебаний флюиды, содержащиеся в капиллярно-пористых материалах, перемещаются на несколько порядков быстрее, чем в отсутствие ультразвуковой волны. Это явление названо авторами упругим миграционным эффектом. Оно имеет место в любых диапазонах частот - Гц - кГц - мГц, т. е. применяемый диапазон частот ограничивает лишь базу применения способа: в диапазоне десятки и сотни герц - база 50-300 м, единицы и десятки кГц - база равна 5-15 м и в диапазоне частот мГц - это база в пределах метра.

Если на пути распространения ультразвуковой волны встречаются участки материала с флюидом, нагретым свыше 30^оС, то возможны кавитирующие процессы, резко повышающие проницаемость материала и значительно повышающие производительность процессов сушки и пропитки, причем режим кавитации процесса вероятностный, и вероятность повышается при соблюдении следующих условий: а) распространение ультразвуковой волны совпадает с направлением пор, трещин и капилляров в материале по их простиранию; б) частота облучения ультразвука совпадает с собственной частотой флюидов, содержащихся в порах и трещинах материала; в) на пути распространения ультразвуковой волны имеются градиенты давлений и температур, а также наличие твердых включений с размерами 0,01-0,5 мм, служащих зародышами кавитации.

Преимущества способа состоят в том, что использование ультразвуковых преобразователей позволяет: 1. Снизить вязкость флюидов, содержащихся в капиллярах материала; 2. Повысить скорость перемещения (миграции) флюидов в капиллярах и тем самым в несколько раз увеличить интенсивность процессов сушки и пропитки и снизить их энергоемкость.

3. С использованием упругого миграционного эффекта и кавитации значительно повысить эффективность способа и увеличить его производительность.

Известно устройство для пропитки и сушки капиллярно-пористых материалов, например пиломатериалов или композитов, содержащее ванну, заполненную жидкой рабочей средой, и подвижные электроды с излучателями ультразвуковых колебаний, генератор ультразвуковых колебаний и источник постоянного напряжения.

Известное устройство трудоемко, нетехнологично, не использует вычислительные средства для управления процессом сушки и пропитки и не использует для интенсификации процессов упругий миграционный эффект и кавитацию.

Цель изобретения - интенсификация процессов сушки и пропитки.

Поставленная цель достигается тем, что известное устройство дополнительно содержит широкополосные ультразвуковые излучатели, усилитель с программным управлением, усилитель мощности, соединенные последовательно между собой и подключенные к входу микропроцессорного блока.

Устройство работает следующим образом: на электроды 2 от источника напряжения постоянного тока 4 подают напряжение в совокупности с возбуждением в материале 1 ультразвуковых колебаний в широком диапазоне частот 1-20 кГц и более, снижают вязкость флюидов, содержащихся в порах и трещинах и капиллярах материала 1, причем генератором 5 подают на излучатели 3 импульсы, интенсивность которых зависит от физико-механических свойств материала 1 и которую изменяют в широких пределах посредством усилителя с программным управлением 6 и усилителя мощности 7, управляемых по заранее заданной программе с использованием микропроцессорного блока 8.

Контролируя во время процесса сушки массу и температуру материала, добиваются положительного результата - снижения массы материала на 6-12% , после чего изменяют частотный и амплитудный режим работы ультразвуковых излучателей и нагнетают в материал антисептические растворы, предотвращающие процессы гниения, старения, изменения свойств материала при работе материала в заранее заданных условиях.

Использование данного устройства позволяет расширить функциональные возможности устройства и повысить производительность способа сушки или пропитки, по сравнению с имеющимися устройствами и способами.

П р и м е р. Для процесса сушки изделий из ели применяли магнитострикционные преобразователи МП-60, изготовленные НПО "Вибротехника" (Каунас), с частотами 1-60 кГц и максимальной интенсивностью в импульсе на резонансной частоте 10-20 Вт/см². К. п. д. преобразователей, выполненных из никеля, достигал 70-80% . В подавляющем большинстве магнитострикционные преобразователи работают при наличии постоянной составляющей магнитного поля - Н_О (индукции В_о), причем соблюдается условие В_м, В_о, где В_м - амплитуда переменной составляющей индукции. При таком подмагничивании постоянным током имеет место линеаризация эффекта магнитострикции, и сердечник преобразователя колеблется с частотой возбуждающего поля, а ЭДС в обмотке приемника имеет ту же частоту, что и внешнее воздействующее на сердечник звуковое давление. Постоянное подмагничивание создается либо постоянным током, протекающим по обмотке, либо с помощью постоянных магнитов, вставленных в магнитопровод сердечника, либо за счет остаточной намагниченности. Величина Н_о(В_о) выбирается в зависимости от конкретных условий применения магнитострикционного преобразователя. Для того, чтобы получить максимальный эффект преобразования, используют оптимальное значение Н_о(Н_опт.) соответствующее максимальному коэффициенту магнитомеханической связи. В используемых преобразователях применяют значения Но, в два раза превышающие Нопт, что позволяет получить значительную энергию ультразвукового импульса - до 20 Вт/см².

Результаты процесса сушки приведены в таблице.

На фиг. 2 приведен график сушки изделий из дерева (ель) в зависимости от частоты воздействия, интенсивности упругой волны и времени воздействия (диапазон возбуждающих частот 1-60 кГц, шаг - 1 кГц, уровень напряжений в знакопеременной упругой волне 0,1-0,2 от величины разрушающих напряжений на разрыв).

Потеря массы контролируется методом взвешивания партии изделий, предназначенных для сушки D_о, и после сушки (во время вибровоздействия). Между отдельными слоями изделия размещают вещества, поглощающие влагу при ее выделении из пор и трещин изделий при вибровоздействиях. Сканирование частоты с шагом 1,0 кГц сначала в одну сторону 1-60 кГц, а затем в другую нижнюю 60 мм - 1,0 кГц позволяет взаимодействовать упругим волнам со всеми встречающимися на их пути неоднородностями с размерами от 3 мм и более, и флюид - жидкости и газово-воздушные включения мигрируют (перемещаются в направлении распространения упругой волны) на несколько порядков быстрее, чем в отсутствие упругой волны, что и обеспечивает высокий КПД качества и производительности.

(56) Vаkuum-Ноlztrockenaulage, ISVЕ, 1991, 25020, Flero (Dreseic), Italu, Viа Doi Маеstriou, 52, tol [phone].

Авторское свидетельство СССР N 552483, кл. F 26 В 3/34, 1972, Авторское свидетельство СССР N 614300, кл. F 26 В 9/06, 5/02, 1976.

Формула изобретения

1. Способ пропитки и сушки капиллярно-пористых материалов, включающий воздействие на материал электрического и акустического полей, причем электрическое поле создают постоянным током, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, снижения энергоемкости и повышения качества капиллярно-пористых материалов, используют ультразвуковые колебания, амплитуду которых медленно поднимают от минимально возможного уровня до уровня, при котором напряжения в знакопеременной упругой волне достигнут величины 0,2 - 0,3 разрушающих напряжений в материале на разрыв в течение времени, при котором масса материала снизится на 6 - 12% от первоначального, а вибровоздействия осуществляют в несколько этапов, причем сначала вибровоздействия осуществляют в диапазоне частот 1 - 20 кГц в течение времени, при котором деформации сжатия материала сменят деформации растяжения, а затем переходят на частоту, равную частоте собственных колебаний материала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ультразвуковые излучатели размещают на торцах материала и вибровоздействия производят попеременно с одного, а затем другого торца, причем время T вибровоздействия с каждого торца определяют из выражения T = Л/Ф, где Л - длина материала, м; Ф - скорость миграции - скорость перемещения (миграции) флюидов в капиллярах материала под воздействием упругой волны, м/с.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после потери массы в размере 6 - 12% от первоначального нагнетают в материал антисептические растворы и нагнетание производят в течение времени, при котором масса изделия не достигает первоначальной величины.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для повышения гидро- и аэродинамических связей капиллярно-пористых материалов, например пиломатериалов, нагнетают в них растворы поверхностно-активных веществ в совокупности с возбуждением в материале ультразвуковых колебаний, причем амплитуду в знакопеременной упругой волне поддерживают на уровне 0,3 - 0,5 величины разрушающих напряжений для материала.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для низкопористых материалов с целью увеличения их проницаемости нагнетают в них нагретые разупрочняющие растворы, например ПАВ, нагретые до 55 - 65^oС, возбуждают ультразвуковые колебания и инициируют в парах, трещинах и капиллярах материала кавитирующие процессы, причем энергию E кавитирующего пузырька, возникающего в зоне разряжения и схлопывающегося в зоне сжатия ультразвуковой волны, определяют из выражения
E= πP₀R³˙4 / 3,
где R - размер кавитирующего пузырька, мм;
P₀ - давление в порах, трещинах и капиллярах материала в отсутствие ультразвуковой волны, м/с.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процессов пропитки и сушки, в материале возбуждают ультразвуковые колебания, частоту которых согласуют с собственными частотами флюидов - жидкостей и газово-воздушных включений, содержащих в порах, трещинах и капиллярах материала, и вибровоздействия ультразвуком осуществляют в течение времени, при котором достигают положительного эффекта.

7. Устройство для пропитки и сушки капиллярно-пористых материалов, например пиломатериалов или композитов, содержащее ванну, заполненную жидкой рабочей средой, и подвижные электроды с излучателями ультразвуковых колебаний, генератор ультразвуковых колебаний и источник постоянного напряжения, отличающееся тем, что, с целью интенсификации процессов сушки и пропитки, устройство дополнительно содержит широкополосные ультразвуковые излучатели, усилитель с программным управлением, усилитель мощности, соединенные последовательно между собой по входу микропроцессорного блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4