Способ сушки диэлектрических материалов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике сушки и может быть использовано в деревообрабатывающей и мебельной промышленности, а также при производстве строительных материалов для повышения качества высушиваемого материала и снижения энергоемкости процесса сушки. Сущность изобретения заключается в том, что в способе сушки диэлектрических материалов, включающем термическую СВЧ обработку с осуществлением контроля СВЧ сигнала, новым является использование в качестве контролируемого параметра скорость нарастания амплитуды сигнала, прошедшего через высушиваемый материал, которую сравнивают с заданной - пороговой скоростью, и по полученным результатам определяют окончание процесса сушки. Кроме того, в устройстве для сушки диэлектрических материалов, содержащем источник питания переменного тока, выключатель, трансформатор, конденсатор, диод, магнетрон, переключатели, таймер и сушильную (нагрузочную) камеру, новым является то, что в него введены приемная антенна, детектирующее устройство, пороговые устройства с разными порогами уровня мощности, устройство управления пороговыми устройствами и сигнализатор конца сушки. 2 c.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике сушки и может быть использовано в деревообрабатывающей и мебельной промышленности, а также при производстве строительных материалов для повышения качества высушиваемого материала и снижения энергоемкости процесса сушки.

Известен способ сушки (заявка России N 94010334/06, приоритет 17.05.94 г. , опубл. 27.11.95 г., БИ N 33), при котором обеспечивают управление качеством сушки путем изменения расстояния от излучателя до высушиваемого материала. Способ реализуется с помощью процессора, управляющего процессом СВЧ нагрева и получающего информацию о состоянии высушиваемого материала от температурных датчиков внутри сушильной камеры и от измерителя рассеяния СВЧ мощности.

Однако данный способ не позволяет обеспечить повторяемость начальных установок высушиваемого материала и выдерживать режим сушки от партии к партии, так как управление процессом сушки достигается за счет механического перемещения решетки облучателя.

Наиболее близким к предлагаемому способу сушки является способ сушки диэлектрических материалов, в частности пиломатериалов (заявка России N 94018274 приоритет 17.05.94 г., опубл. 20.01.96 г., БИ N 2), в котором процесс сушки включает термическую СВЧ обработку материалов в сушильной камере, сопровождающуюся контролем параметров высушиваемого материала, реализуемого на основе измерения затухания электромагнитной волны, прошедшей через высушиваемый материал.

Однако известный способ сушки не позволяет точно определить окончание процесса сушки, так как зависимость коэффициента поглощения СВЧ мощности зависит не только от влажности высушиваемого материала, но и от сорта древесины, степени заполнения сушильной камеры, наличия переотражений в сушильной камере, что может приводить к снижению качества сушки, связанного с пересушиванием материала.

Известно устройство для сушки древесины СВЧ энергией (заявка России N 94010334, приоритет 23.05.94 г., опубл. 27.11.95 г., БИ N 33), содержащее сушильную камеру, источники СВЧ на магнетронах, устройство для подачи высушиваемого материала и систему управления процессом сушки на базе процессора с заданной программой.

Однако известная установка не устраняет возможность пересушивания материала, что приводит к снижению качества сушки.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является СВЧ нагревательное устройство (патент России N 2054828, приоритет 01.08.90 г., опубл. 20.02.96 г. , БИ N 5), содержащее источник питания переменного тока, выключатель, трансформатор, конденсатор, диод, магнетрон, переключатели, таймер и сушильную (нагрузочную) камеру. Первый вывод источника питания подключен к первому выводу выключателя, второй вывод которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой подключен ко второму выводу источника питания. Дополнительная обмотка трансформатора шунтирует нить накала магнетрона а первый вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к аноду диода и катоду магнетрона. Управляющие выводы таймера подсоединены к управляющим выводам переключателей.

Недостатком известного устройства является наличие жесткого закона управления, определяемого работой таймера и не связанного с вариациями процесса сушки, что приводит к снижению качества высушиваемого материала.

Поставлена задача разработать технологию сушки электрического материала и создать устройство, позволяющее повысить качество высушиваемого материала и снизить энергоемкость процесса.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе сушки диэлектрических материалов, включающем термическую СВЧ обработку с осуществлением контроля СВЧ сигнала, согласно изобретению используют в качестве контролируемого параметра скорость нарастания амплитуды сигнала, прошедшего через высушиваемый материал, которую сравнивают с заданной пороговой скоростью и по полученным результатам определяют окончание процесса сушки.

Кроме того, в устройство для сушки диэлектрических материалов, содержащее источник питания переменного тока, выключатель, трансформатор, конденсатор, диод, магнетрон, переключатели, таймер и сушильную (нагрузочную) камеру, при этом первый вывод источника питания подключен к первому выводу выключателя, второй вывод которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой подключен ко второму выводу источника питания, а дополнительная обмотка трансформатора шунтирует нить накала магнетрона, первый вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к аноду диода и катоду магнетрона, а управляющие выводы таймера подсоединены к управляющим выводам переключателей, согласно изобретению введены приемная антенна, детектирующее устройство, пороговые устройства с разными порогами уровня мощности, устройство управления пороговыми устройствами и сигнализатор конца сушки, при этом приемная антенна размещена в сушильной камере и подсоединена к детектирующему устройству, выход которого соединен с первыми входами пороговых устройств, выход порогового устройства с меньшим порогом уровня мощности соединен с запускающим входом таймера, а выход порогового устройства с большим порогом уровня мощности соединен с отключающим входом таймера и первым входом первого переключателя, первый выход таймера соединен с управляющим входом второго переключателя и входом сигнализатора конца сушки, выход которого подсоединен к общей точке, а второй выход таймера подсоединен к управляющему входу первого переключателя, первый выход которого подсоединен ко входу устройства управления порогами пороговых устройств, выходы которого подсоединены к управляющим входам пороговых устройств.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск аналогов по патентной и научно-технической литературе, позволяет считать заявляемое решение соответствующим критерию "новизна", так как заявителем в процессе поиска не было обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого решения.

Кроме того, проведенный дополнительный поиск показал, что заявляемый способ сушки и устройство для его осуществления не вытекают для специалиста явным образом из известного уровня техники, что позволяет судить о соответствии заявленного решения критерию "изобретательский уровень".

Способ сушки осуществляется следующим образом. Материал помещают в сушильную камеру, включают источник СВЧ мощности и в процессе сушки осуществляют измерение скорости нарастания амплитуды сигнала, которую сравнивают с заранее заданной пороговой скоростью. При достижении равенства этих скоростей процесс сушки прекращают путем отключения источника СВЧ мощности.

Пусть в объеме V, содержащем сухую диэлектрическую массу m с диэлектрической проницаемостью ε_д и объемным весом присутствует вода с массой m_в, электрической проводимостью σ_в диэлектрической проницаемостью ε_в и плотностью В объеме V поддерживается постоянная амплитуда E для напряженности электрического поля электромагнитной волны с частотой ω. В указанном объеме запасается энергия W Из-за наличия воды в объеме V теряется (превращается в тепло) энергия W_п что эквивалентно наличию мнимой компоненты диэлектрической проницаемости влажного материала Отношение есть влажность Θ. Вводя обозначение
получаем
εʺ = K₁Θ
В процессе сушки влажность материала изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени τ и начальной влажностью Θ , то есть
Θ = Θ_o·e^-τ·^t
Поглощаемая СВЧ мощность P_СВЧ^п


Подводимая СВЧ мощность P_СВЧ

Тогда затухание N в слое материала

Отсюда влажность Θ может быть определена по формуле:

где N - измеренное затухание.

Из (4) следует, что скорость нарастания амплитуды сигнала заданной рассеянной СВЧ мощности определяется из выражения:

то есть влажность пропорциональна скорости изменения рассеяния СВЧ мощности и не зависит от соотношения рассеянной и падающей мощностей.

Таким образом использование в качестве контролируемого параметра скорости нарастания амплитуды сигнала, не зависящей от соотношения рассеянной и падающей мощностей позволяет точно определить время окончания процесса сушки и тем самым повысить качество высушиваемого материала, не допуская его пересушки.

Предлагаемый способ осуществляется с помощью устройства (см. черт.), которое содержит источник переменного напряжения 1, первый вывод которого подключен к первому выводу выключателя 2, второй вывод которого подсоединен к первому выводу первичной обмотки 3 трансформатора 4, а второй вывод первичной обмотки 3 подсоединен ко второму выводу источника 1. Дополнительная обмотка 5 трансформатора 4 шунтирует нить канала магнетрона 6. Первый вывод вторичной обмотки 7 трансформатора 4 подсоединен к первому выводу конденсатора 8, второй вывод которого подключен к аноду диода 9 и катоду магнетрона 6, анод которого соединен с общей точкой. Катод диода 9 соединен со вторым выводом вторичной обмотки 7 трансформатора 4, имеющей дополнительный вывод, подсоединенный к первому рабочему выводу переключателя 10, второй вывод которого подсоединен к общей точке.

Выход магнетрона 6 подсоединен с передающей антенной 11, размещенной в сушильной камере 12, в которой размещена приемная антенна 13, принимающая поток СВЧ мощности, проходящей через высушиваемый материал 14. Приемная антенна 13 подсоединена ко входу детектирующего устройства 15, выход которого подключен соответственно к первым входам пороговых устройств 16 и 17, имеющих разные пороги уровня мощности, причем пороговое устройство 16 имеет больший порог уровня мощности, чем пороговое устройство 17. Выход порогового устройства 17 с меньшим порогом уровня мощности подключен к запускающему входу таймера 18, а выход порогового устройства 16 с большим порогом уровня мощности подключен к выключающему входу таймера 18 и к первому рабочему выводу переключателя 19, второй рабочий вывод которого подсоединен ко входу устройства управления 20 порогами пороговых устройств, а выходы устройства управления 20 подключены ко вторым входам пороговых устройств 16 и 17. Первый вывод таймера 18 соединен с управляющим входом переключателя 19, а второй вывод таймера 18 соединен с управляющим выводом переключателя 10 и первым выводом сигнализатора конца сушки 21, второй вывод которого подсоединен к общей точке.

Пороговые устройства 16 и 17 и устройство управления порогами 20 могут быть реализованы на основе традиционной элементной базы с использованием компараторов (устройство 16 и 17), на которые подаются опорные напряжения от переключателя аналоговых сигналов, входы которых подсоединены к делителю напряжений (устройство 20).

Устройство работает следующим образом. В статическом состоянии источник питания 1 не нагружен и напряжение на обмотках трансформатора 4 близко к нулю. При замыкании переключателя 2 напряжение прикладывается к первичной обмотке 3 трансформатора 4 и передается на вторичную 7 и дополнительную 5 обмотки, при этом напряжение с дополнительной обмотки 5 обеспечивает готовность магнетрона 6 к работе. Вторичная обмотка 7, конденсатор 8 и диод 9 образуют удвоитель напряжения, при наличии которого магнетрон 6 вырабатывает СВЧ мощность, которая направляется в сушильную камеру 12. Для определения скорости нарастания амплитуды сигнала, прошедшего через высушиваемый материал, мощность перехватывается приемной антенной 13, детектируется устройством 15 и подается на пороговые устройства 16 (с большим порогом) и 17 (с меньшим порогом). При достижении мощностью нижнего предела срабатывает пороговое устройство 17 и запускает таймер 18. Если скорость нарастания амплитуды велика (то есть процесс сушки далек от завершения), то срабатывает пороговое устройство 16, которое сбрасывает таймер 18 и через переключатель 19 запускает устройство управления порогами 20, которое изменит пороги устройств 16 и 17. Процесс будет повторяться до тех пор, пока скорость изменения мощности не станет столь малой, что таймер 18 сработает раньше, чем его сбросит устройство 16. В этом случае переключатель 10 по сигналу от таймера 18 замыкает часть второй обмотки 7, анодное напряжение магнетрона 6 уменьшится и магнетрон выключается. Одновременно срабатывает сигнализатор конца сушки 21, свидетельствующий об окончании процесса сушки.

Таким образом, использование предлагаемого способа сушки и устройства для его осуществления обеспечивают повышенные качества сушки диэлектрических материалов, обусловленное автоматическим определением достижения высушиваемого материала с произвольными характеристиками заданного уровня влажности, что исключает изменение физико-химических свойств материала из-за пересушки.

Формула изобретения

1. Способ сушки диэлектрических материалов, включающий термическую СВЧ-обработку с осуществлением контроля СВЧ-сигнала, отличающийся тем, что в качестве контролируемого параметра используют скорость нарастания амплитуды сигнала, прошедшего через высушиваемый материал, которую сравнивают с заданной пороговой скоростью, и по полученным результатам определяют окончание процесса сушки.

2. Устройство для сушки диэлектрических материалов, содержащее источник питания переменного тока, выключатель, трансформатор, конденсатор, диод, магнетрон, переключатели, таймер и сушильную (нагрузочную) камеру, при этом первый вывод источника питания подключен к первому выводу выключателя, второй вывод которого соединен с первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй вывод которой подключен ко второму выводу источника питания, а дополнительная обмотка трансформатора шунтирует нить накала магнетрона, первый вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к аноду диода и катоду магнетрона, а управляющие выводы таймера подсоединены к управляющим выводам переключателей, отличающееся тем, что в него введены приемная антенна, детектирующее устройство, пороговые устройства с разными порогами уровня мощности, устройство управления пороговыми устройствами и сигнализатор конца сушки, при этом приемная антенна размещена в сушильной камере и подсоединена к детектирующему устройству, выход которого соединен с первыми входами пороговых устройств, выход порогового устройства с меньшим порогом уровня мощности соединен с запускающим входом таймера, а выход порогового устройства с большим порогом уровня мощности соединен с отключающим входом таймера и первым входом первого переключателя, первый выход таймера соединен с управляющим входом второго переключателя и входом сигнализатора конца сушки, выход которого подсоединен к общей точке, а второй выход таймера подсоединен к управляющему входу первого переключателя, первый выход которого подсоединен ко входу устройства управления порогами пороговых устройств, выходы которого подсоединены к управляющим входам пороговых устройств.

РИСУНКИ

Рисунок 1