способ сушки капиллярно-пористых материалов, способ сушки изделий из древесины и устройство для сушки изделий из древесины, преимущественно древесного шпона

Формула изобретения

1. Способ сушки капиллярно-пористых материалов, включающий нагревание материала и воздействие на материал энергии колебаний ультразвуковой частоты, отличающийся тем, что сушку материала проводят под вакуумом, а нагревание материала осуществляют воздействием энергии электромагнитного поля высокой частоты и/или энергией механических колебаний ультразвуковой частоты, при этом нагревание материала, вакуумирование и воздействие на материал энергии механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют одновременно.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие энергией механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют при удельной мощности воздействия 1-60 кВт/м³ материала при частоте колебаний 15-25 кГц.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что вакуумирование осуществляют при остаточном давлении 0,0001-700 мм рт.ст. (1,33x10² - 9,33x10⁴ Па).

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что нагрев материала осуществляют воздействием энергии электромагнитного поля высокой частоты удельной мощностью 1-30 кВт/м³ материала и частотой от 1 МГц до 20 ГГц.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что воздействие энергией электромагнитного поля высокой частоты, вакуумирование и/или воздействие энергией механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют преимущественно в режиме согласованного поглощения энергии материалом.

6. Способ сушки изделий из древесины, включающий нагревание материала и сушку изделий под вакуумом, отличающийся тем, что на изделия дополнительно воздействуют энергией механических колебаний ультразвуковой частоты, а нагревание изделий осуществляют воздействием энергии электромагнитного поля высокой частоты и/или энергии механических колебаний ультразвуковой частоты, при этом нагревание материала изделий, вакуумирование и воздействие на материал изделий энергии механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют одновременно и/или в режиме согласованного поглощения энергии материалом изделий.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что воздействие энергией механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют при удельной мощности воздействия 1-60 кВт/м³ при частоте колебаний 15-25 кГц.

8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что вакуумирование осуществляют при остаточном давлении 0,0001-700 мм рт.ст. (1,33x10^-2 - 9,33x10⁴ Па).

9. Способ по любому из пп.6 - 8, отличающийся тем, что нагрев материала осуществляют воздействием энергией электромагнитного поля высокой частоты удельной мощностью 1-30 кВт/м³ и частотой от 1 МГц до 20 ГГц.

10. Способ по любому из пп.6 - 9, отличающийся тем, что воздействие на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют через поверхность материала изделий, например посредством опорной плиты или мембраны.

11. Способ по любому из пп.6 - 10, отличающийся тем, что воздействие на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют на уложенные в стопу или поставленные на ребро изделия.

12. Устройство для вакуумной сушки изделий из древесины, преимущественно древесного шпона, включающее средство нагревания материала изделий, вакуумную камеру со средством для размещения изделий и средство вакуумирования и удаления влаги, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит средство воздействия на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты, установленное в средстве для размещения изделий, например в плоской платформе, а средство нагревания изделий содержит излучатели энергии электромагнитного поля высокой частоты.

13. Устройство для вакуумной сушки изделий из древесины по п.12, отличающееся тем, что средство воздействия на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты выполнено в виде магнитострикционного излучателя.

14. Устройство по п.12 или 13, отличающееся тем, что средство воздействия на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты и/или средства нагревания материала изделий энергией электромагнитного поля высокой частоты дополнительно содержат средства согласования поглощения энергии материалом изделий с источниками энергии.

15. Устройство по любому из пп.12 - 14, отличающееся тем, что вакуумная камера выполнена с обеспечением возможности ее перемещения в пространстве.

16. Устройство по любому из пп.12 - 15, отличающееся тем, что излучатели энергии электромагнитного поля высокой частоты выполнены в виде средств фиксации положения изделий на средстве для их размещения.

17. Устройство по любому из пп.12 - 16, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок управления и согласования режимов функционирования средства нагревания материала изделий, средства для вакуумирования и удаления влаги и средства воздействия на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты.

18. Устройство по любому из пп.12 - 17, отличающееся тем, что средство нагревания материала изделий, средство вакуумирования и/или средство воздействия на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты выполнены с возможностью их функционирования по любому из пп.1 - 11.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к способам и устройствам для сушки различных капиллярно-пористых материалов, преимущественно изделий из древесины, например древесного шпона.

Изобретения могут быть использованы в лесной, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, судостроительной, машиностроительной, строительной и других отраслях промышленности, в частности, на производственных линиях по обработке капиллярно-пористых материалов, по изготовлению изделий из древесины, например, для сушки листов бумаги, картона, древесного шпона при производстве фанеры и других материалов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.

В промышленном производстве при сушке капиллярно-пористых материалов широко распространена вакуумная сушка с нагревом материала различными способами, преимущественно гибкими нагревательными элементами с электропитанием, посредством нагревательных плит с подпиткой паром, горячей водой или тепловоздушным нагревом. Однако все широко используемые в промышленном производстве способы и оборудование энергоемки, малопроизводительны и не позволяют обеспечить интенсивную сушку материалов без деформации материалов.

Известен способ и установка для вакуумной сушки, где материал, подвергаемый двухступенчатой вакуумной сушке, нагревают, а содержащуюся в нем воду удаляют в виде пара под вакуумом с помощью водокольцевого вакуумного насоса, при этом водяной пар из обеих ступеней смешивают и после частичной конденсации используют для косвенного нагрева другой ступени. Установка для сушки помимо водокольцевого вакуумного насоса содержит вакуумное сушильное устройство, загружаемое осушаемым материалом, и шнековые транспортеры, расположенные в соответствующих трубчатых элементах, соединенных между собой попарно для образования вакуумной сушильной камеры [Заявка PCT N 95/01189, F 26 В 23/00, 1995 г.].

Известен способ и установка для вакуумной сушки различных изделий, где процессы высушивания изделий проводят за счет повышенной температуры 50-70^oC внутри герметической камеры и удаления за счет созданного внутри камеры вакуума 0,5-1 бар жидких фракций с поверхности изделий [З-ка ЕПВ 0 421 902, F 26 В 7/00, 1991 г.]

Известен способ пропитки и сушки капиллярно-пористых материалов путем воздействия на материал электрического и акустического полей, по которому для интенсификации процесса электрическое поле создают постоянным током [А. с. СССР N 552 483, F 26 В 3/34, 1977 г.].

Известен способ сушки изделий из древесины, преимущественно спичек и спичечных коробок из шпона, путем их нагрева до температуры 90-120 С в поле СВЧ частотой 0,03 - 60 ГГц в воздушной среде при напряженности поля 10-800 В/см и времени нагрева 10-1200 с [А.с. СССР 1 183 798, F 26 В 3/34, 1985 г].

Известен способ сушки капиллярно-пористых материалов путем их нагревания в электрическом поле высокой частоты и воздействия ультразвуковыми колебаниями путем амплитудной модуляции электрических высокочастотных колебаний гармоническими колебаниями ультразвуковой частоты по отношению к эквивалентной добротности контура, в поле конденсатора которого помещают капиллярно-пористый материал [Пат. РФ N 2 013 724, F 26 В 7/00, 1994 г].

Известен способ сушки древесины путем ее предварительного нагрева и последующего вакуумирования с повторением циклов нагрева горячим воздухом [Пат. РФ N2 027 126, F 26 В 3/02, 1995 г.].

Известен способ сушки древесины, включающий испарение воды из объема древесины при воздействии магнитным полем в герметичной камере под вакуумом с остаточным давлением 10^-1 Па, при этом магнитное поле создают с использованием СВЧ энергии, а в камеру дополнительно помещают в качестве гигроскопического вещества силикагель [Пат. РФ N 2 034 461, F 26 В 5/02, 1993 г.].

Известен способ обработки древесины путем циклического воздействия на нее энергией электромагнитного поля сверхвысокой частоты в течение 25 минут в каждом цикле в диапазоне частот 1-10 ГГц и мощности излучения 0,0005 - 0,015 Вт/см с интервалом между каждым воздействием полем СВЧ от 5 до 15 минут [Пат. РФ N2 034 461, F 26 В 5/02, 1993 г.].

Известна вакумно-диэлектрическая сушильная камера для древесины, содержащая герметичный корпус, средство для перемещения штабеля древесины, системы вакуумирования, охлаждения камеры, сбора и отвода конденсата, а также высокочастотный генератор с системой подвода высокочастотного напряжения к электродам, расположенным в полости корпуса по обе стороны относительно боковых стенок штабеля, в котором система подвода напряжения включает токопроводящие шипы, установленные в контакте с 4-16 точками в верхней части каждого электрода, причем электроды примыкают к боковым стенкам штабеля в его верхней части и расположены под углом 0,5-2,0^o к вертикали с образованием между ними и боковыми стенками штабеля зазоров [Пат. РФ N 2 040 744, F 26 В 3/34, 5/04, 1995 г.].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании результату (прототипом для группы изобретений) является способ, устройство и нагреватель для сушки древесины, включающий нагревание древесины посредством плоских резистивных элементов с защитным покрытием до температуры, меньшей, чем температура кипения влаги при начальном давлении в камере, вакуумирование камеры и удаление парогазовой смеси и отвод выделяющейся влаги, при этом величину начальной температуры выбирают на 5-25^oC больше, чем температура вскипания влаги при заданном пониженном давлении от 5- до 150 мм рт. ст. При этом устройство содержит вакуумную камеру с платформой для размещения штабеля послойно укладываемой древесины, средства конденсации и удаления парогазовой среды, средства вакуумирования и по крайней мере один плоский резистивный нагреватель из графитовой ткани или металлической фольги с защитным покрытием с сорбционными и газопроницаемыми свойствами [Заявка РФ N 961 13721/06, F 26 В 5/04, БИ N 24 от 27.08.98 г.].

Общим недостатком всех известных устройств и способов сушки является их низкая производительность, длительность процесса сушки и высокая энергоемкость. Это ограничивает производительность и эффективность современных высокоскоростных технологических линий.

В частности, в широко используемой в промышленности периодической "дыхательной" сушки авиационной фанеры нагрев осуществляют от 20 до 70^oC с производительностью 3-5 м³/час и длительностью одного цикла сушки несколько часов, что явно неприемлемо для современных высокоскоростных технологических линий.

ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЙ.

Основная техническая проблема (не разрешенная до настоящего времени изобретательская задача), сдерживающая увеличение производительности и экономичности современных скоростных конвейерных линий для обработки капиллярно-пористых материалов заключается в том, что известные способы и устройства для сушки капиллярно-пористых материалов характеризуются повышенной энергоемкостью, относительно низкой производительностью и чрезмерной длительностью процесса сушки.

При попытках увеличения интенсивности сушки материалов по известным технологиям и на известном оборудовании резко увеличиваются удельные энергозатраты и деформированность материала вплоть до его разрушения растрескиванием или вспучиванием.

Общими задачами группы изобретений (требуемым техническим результатом, достигаемым при использовании изобретений) является повышение производительности, сокращение длительности процесса сушки, снижение энергоемкости и повышение экономичности процесса сушки.

Дополнительными задачами группы изобретений являются сохранение цельности высушиваемого материала, упрощение конструкции и обслуживания оборудования, повышение технологичности и управляемости процесса сушки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЙ.

Поставленная цель и требуемый технический результат при использовании изобретений достигаются тем, что по способу вакуумной сушки капиллярно-пористых материалов, включающем нагревание материала и вакуумирование СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЯ на материал дополнительно воздействуют энергией механических колебаний ультразвуковой частоты, нагревание материала осуществляют воздействием энергии электромагнитного поля высокой частоты и/или энергией механических колебаний ультразвуковой частоты, при этом нагревание материала, вакуумирование и воздействие на материал энергии механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют одновременно.

Кроме этого, воздействие энергией механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют при удельной мощности воздействия 1 -60 кВт/м³ материала при частоте колебаний 15-25 кГц, вакуумирование осуществляют при остаточном давлении 0,0001-700 мм рт. ст. (1,3310^-2 -9,3310⁴ Па), нагрев материала осуществляют воздействием энергией электромагнитного поля высокой частоты удельной мощностью 1 - 30 кВт/м³ материала и частотой от 1 МГц до 20 ГГц, а воздействие энергией электромагнитного поля высокой частоты, вакуумирование и/или воздействие энергией механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют преимущественно в режиме согласованного поглощения энергии материалом.

Поставленные цели и требуемый технический результат при использовании изобретений достигаются также тем, что по способу вакуумной сушки изделий из древесины, включающему нагревание материала изделий и вакуумирование, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЯ на материал изделий дополнительно воздействуют энергией механических колебаний ультразвуковой частоты, а нагревание материала изделий осуществляют воздействием энергии электромагнитного поля высокой частоты и/или энергии механических колебаний ультразвуковой частоты, при этом нагревание материала изделий, вакуумирование и воздействие на материал энергии механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют одновременно и/или в режиме согласованного поглощения энергии материалом изделий.

При этом воздействие энергией механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют при удельной мощности воздействия 1 - 60 кВт/м³ при частоте колебаний 15 - 25 кГц, вакуумирование осуществляют при остаточном давлении 0,0001-700 мм рт. ст. (1,3310^-2 - 9,3310⁴Па), нагрев материала осуществляют воздействием энергией электромагнитного поля высокой частоты удельной мощностью 1 - 30 кВт/м³ и частотой от 1 МГц до 20 ГГц.

При этом воздействие на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты осуществляют через поверхность материала изделий, например, посредством опорной плиты или мембраны на уложенные в стопу или поставленные на ребро изделия.

Поставленные цели и требуемый технический результат при использовании изобретений достигаются также тем, что в устройстве для вакуумной сушки изделий из древесины, преимущественно древесного шпона, включающем средство нагревания материала изделий, вакуумную камеру со средством для размещения изделий и средство вакуумирования и удаления влаги, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЯ устройство дополнительно содержит средство воздействия на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты, установлено в средстве для размещения изделий, например в плоской платформе, а средство нагревания изделий содержит излучатели энергии электромагнитного поля высокой частоты.

Кроме этого, в устройстве средство воздействия на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты выполнено в виде магнитострикционного излучателя, средство воздействия на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты и/или средства нагревания материала изделий энергией электромагнитного поля высокой частоты дополнительно содержат средства согласования поглощения энергии материалом изделий с источниками энергии, причем вакуумная камера выполнена с обеспечением возможности ее перемещения в пространстве, а излучатели энергии электромагнитного поля высокой частоты выполнены в виде средств фиксации положения изделий на средстве для их размещения.

Кроме этого, устройство по изобретению дополнительно содержит блок управления и согласования режимов функционирования средства нагревания материала изделий, средства для вакуумирования и удаления влаги и средства воздействия на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты, а средство нагревания материала изделий, средство вакуумирования и/или средство воздействия на материал изделий энергией механических колебаний ультразвуковой частоты выполнены с возможностью их функционирования по описанному выше способу.

Как следует из приведенного выше обзора уровня техники, заявляемые способы сушки и устройство для их реализации являются новыми, они не известны из доступных источников информации, не вытекают явным образом из известного уровня техники, т.е. предложенные технические решения изобретательской задачи не очевидны для среднего специалиста и соответствуют требованиям критерия "изобретательский уровень.

По сравнению с прототипом изобретения группы содержат новую, не известную ранее совокупность существенных признаков, поэтому изобретения группы соответствуют требованиям критерия "новизны".

Некоторые отдельные существенные признаки группы изобретений известны, однако совокупности общих и частных отличительных существенных признаков изобретений среди известных в науке и технике решений, в объеме проведенного нами поиска, не обнаружено. Кроме этого, отличительные признаки изобретений выполняют новые, не известные ранее функции, то есть обеспечивают возможность получения нового технического результата.

Совокупность общих и частных существенных признаков изобретений обеспечивает возможность решения поставленных изобретательских задач и достижения цели изобретений (требуемого технического результата при использовании изобретений).

Действительно, как будет дополнительно показано ниже на примерах конкретной реализации изобретений, заявляемые изобретения позволяют не только обеспечить повышение производительности, сокращение длительности процесса сушки, снижение энергоемкости и повышение экономичности процесса сушки, но и обеспечить сохранение цельности высушиваемого материала, упростить конструкцию и обслуживание оборудования, повысить технологичность и управляемость процесса сушки.

ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ.

Раскрытие изобретений поясняется чертежом, на котором изображена общая схема реализации устройства для сушки изделий из древесины, преимущественно древесного шпона.

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЙ.

Сущность изобретений поясняется примерами реализации изобретений.

Устройство для сушки изделий из древесины, преимущественно древесного шпона, содержит герметичную вакуумную камеру 1, высокочастотные излучатели 2, выполненные в виде фиксаторов (держателей) материала 3, установленного на плоскую опорную плиту или мембрану 4, которые установлены непосредственно на ультразвуковой излучатель.

Подвод кабелей подвода энергии к излучателям высокочастотного и ультразвукового излучения дополнительно герметизированы специальными средствами в виде гермовводов 6. Дополнительная герметизация вакуумной камеры обеспечивается клапаном 7, через который отводится газовоздушная смесь по трубопроводу 8 на вакуумную насосную станцию 9. Средство выработки ультразвуковой энергии выполнено в виде ультразвукового генератора 10, а средство высокочастотной энергии - в виде высокочастотного генератора 11.

Согласованная работа вакуумной насосной станции 9, ультразвукового генератора 10 и высокочастотного генератора 11 обеспечивается за счет блока управления 12, а вакуумная насосная станция 9 содержит дополнительное средство для конденсации и сбора влаги 13.

Все элементы устройства размещают на фундаменте 14, при этом вакуумная камера выполнена с возможностью ее перемещения в пространстве для обеспечения возможности размещения материала на опорную плиту или мембрану 4 с последующим удалением высушенного материала.

Устройство для сушки изделий из древесины, преимущественно древесного шпона, и соответственно способы сушки капиллярно-пористого материала реализуются следующим образом (чертеж).

Вакуумную камеру 1 перемещают в пространстве, например, путем ее подъема вверх или поворота на бок, обеспечивая тем самым доступ к опорной плите или мембране 4.

Влажный капиллярно-пористый материал или изделия из древесины 11 размещают на опорную плиту или мембрану 4 в виде штабеля или установленной на ребро стопы и зажимают между фиксаторами 2, которые являются также высокочастотными излучателями. После этого вакуумную камеру 1 перемещают в рабочее положение и герметизируют.

Затем начинают процесс сушки путем воздействия на материал энергией механических колебаний ультразвуковой частоты, воздействия на материал энергии электрического поля высокой частоты и вакуумирования по описанному выше режиму.

После достижения требуемой влажности материала воздействия прекращают, поднимают давление в вакуумной камере 1 до атмосферного, перемещают вакуумную камеру в пространстве и удаляют высушенный материал или изделия из капиллярно-пористого материал, а цикл сушки повторяют.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ.

Для подтверждения возможности реализации изобретений промышленным способом и экспериментального подтверждения возможности достижения требуемого технического результата был изготовлен опытно- промышленный образец устройства для сушки древесного шпона лущеного в соответствии с требованиями ГОСТа РФ 99-96 толщиной 1,2 - 2,4 мм и были проведены сравнительные сопоставительные испытания современного действующего оборудования для сушки древесного шпона отечественного и зарубежного производства и устройства по изобретению.

В ходе сравнительных испытаний экспериментально установлено, что по сравнению с наиболее современным промышленным оборудованием для сушки древесного материала устройство по изобретению позволяет в 10 раз снизить удельные энергозатраты при сушке материала с 60-80% до 6+2% влажности относительно абсолютно сухой массы древесины, при этом общий рабочий цикл сушки составил 30 минут, значительно сократить удельные затраты энергии, а также повысить управляемость процессом сушки.

При серийном изготовлении устройств на специализированных заводах заявляемых по изобретению устройств показатели функционирования оборудования и, соответственно, реализации заявляемых способов сушки по изобретению могут быть существенно улучшены.

СООТВЕТСТВИЕ КРИТЕРИЯМ ОХРАНОСПОСОБНОСТИ.

В целом, учитывая новизну и неочевидность изобретений (доказанную в разделе "Уровень техники" и "Сущность изобретения"), существенность всех общих и частных признаков изобретений (доказанную в разделе "Раскрытие сущности изобретения"), а также показанную в разделах "Примеры реализации изобретений" и "Промышленная применимость" осуществимость изобретения и достижение поставленных изобретением задач, по нашему мнению заявленная группа изобретений удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, предъявляемым к изобретениям.

Таким образом, есть все основания утверждать, что изобретения группы соответствуют требованиям критерия охраноспособности "изобретательского уровня", а проведенный анализ показывает также, что все общие и частные признаки изобретений являются существенными, так как каждый из них необходим, а все вместе они не только достаточны для достижения цели изобретений, но и позволяют реализовать изобретения промышленным способом.

Кроме этого, анализ совокупности существенных признаков изобретений группы и достигаемого при их использовании технического результата показывает наличие единого изобретательского замысла, тесную и неразрывную связь между изобретениями группы и предназначенность способа приведения в движение рабочего органа в машине динамического давления для способа рубки движущегося материала, что позволяет объединить изобретения в одной заявке.