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微波加热在木材加工中的应用

时间:2008-08-18 08:29:04  浏览:        

【摘要】阐述了微波加热木材在木材加工中的原理和特性,分析了微波干燥木材的机理和优点,介绍了微波加热技术研究与应用情况,展望了微波干燥木材的应用前景。
【关键词】微波加热;木材干燥;机理
一、微波干燥的基本原理
1.微波加热原理微波是指波长为1mm~1m,频率为3.0×102~3.0×105MHz,具有穿透性的电磁波,常用的微波频率为915MHz和2450MHz。微波发生器的磁控管接受电源功率而产生微波功率,通过波导输送到微波加热器,需要加热的物料在微波场的作用下被加热。微波加热利用的是介质损耗的原理,而且水的损耗因数比干物质大的多,电磁场释放能量的绝大部分被物料中的水分吸收。一般情况下,被干物料中的水分由于布朗运动,分子的排列杂乱无章并迅速变化,极性相互抵消,宏观上不呈现极性。而被置于微波发生器产生的电场中时,微波场以每秒几亿次的高速周期性地改变外加电场的方向,使介质的极性水分子迅速摆动,产生显著的热效应,从而使物料内部和表面的温度同时迅速升高。
2.微波干燥机理分析微波加热造就物料体热源的存在,改变了常规加热干燥过程中某些迁移势和迁移势梯度的方向,形成了微波干燥的独特机理。由于物料中的水分介质损耗较大,能大量吸收微波能并转化为热能,因此物料的升温和蒸发是在整个物体中同时进行的。在物料表面,由于蒸发冷却的缘故,使物料表面温度略低于里面的温度,同时由于物料内部产生热量,一直与内部整齐迅速产生,形成压力梯度。如果物料的初始含水率很高,物料内部温度蒸汽压非常快地升高,则水分可能在压力梯度的作用下排除。初始含水率越高,压力梯度对水分的影响越大,即有一种“泵”效应,可加快干燥速度。由此可见,微波干燥过程含水率梯度、传热和蒸汽压力迁移动力的存在,使微波干燥呈现由内向外的特点,即对物料整体而言,将使物料内层首先干燥,就克服了在常规干燥中因物料表面首先干燥而形成硬壳板结阻碍内部水分继续向外移动的问题。
3.微波加热体系的构成微波加热体系由两大部分组成:微波发生、传输、控制部分和微波加热器部分。微波发生器是干燥设备的关键部分,它由磁控管和微波电源组成。微波管产生的微波通过波导装置无损耗地传输到微波干燥器中;微波干燥器是实现物料与微波相互作用的空间,微波能量在此转化为被干物料的内能,使物料中的水分蒸发而干燥;排湿冷却装置的作用是排出物体中蒸发出来的水蒸气以及将物料通风冷却;在对物料连续处理的微波设备中,还具有配套的物料输送系统。该系统的传输速度和调速范围,要适应被干物料的工艺要求,连续不断地将它们送入微波干燥器中进行干燥,并将干燥后的物料输送出来进行下一道工序。传统系统多由调速电机和减速器组成。物料输送带均采用低耗微波的介质材料,如聚四乙烯玻璃纤维带、聚乙烯带等;控制系统是用来调节设备的各种运行参数。保证设备的输出功率、输送速度、排湿冷却装置等能根据最佳工艺规范的要求,及时方便和灵活地控制与调整。控制系统既可安装在微波发生器上,又可与主机分开。
二、微波干燥木材技术的应用
20世纪70年代初期,我国开始研究微波加热技术,首先是在连续微波磁控管的研制方面取得了重大进展,特别是大功率磁控管的研制成功,为微波加热技术的应用提供了先决条件。80年代,我国开始生产微波炉,到目前为止,已经发展有家用微波炉、工业微波炉等系列产品,产品质量接近或达到世界先进水平。我国从1974年开始进行木材微波干燥的研究和推广工作。1977年,南京七七二所研制出木材微波干燥机,并首先在无锡家具二厂使用。该设备为谐振腔型微波干燥机,由微波源、谐振腔、能量抑制器、排湿装置、传送系统等组成。微波源的工作频率为915MHz,输出功率为20kW。使用结果表明:该设备技术性能基本稳定、干燥生产比较正常。东北林业大学与无锡家具二厂合作,于1981~1982年期间,利用工厂生产条件对红松等15个树种进行了木材微波干燥的生产性工艺试验。结果表明:对于易干、中等及难干的常用树种和不同规格的锯材,在满足质量要求的前提下,微波干燥与常规蒸汽干燥相比,可以缩短干燥时间几十倍。90年代,南京七七二厂微波能推广应用研究所研制了WX40L系列新型木材微波干燥机。该设备的工作频率为915MHz,最大输出功率为40kW,一班能生产3~4m3松板。实践表明:当木材含水率在15%~20%时,干燥效果最好;如果干燥工艺控制不当,在木材内部易出现炸裂和炭化现象。后来,该所又成功设计和制造了用于竹席干燥的WP20L系列大宽度波导微波干燥机,加热宽度高达1.9~2.1m,工作微波频率为915MHz,输出功率为20kW。该设备不仅具有加热均匀,干燥速度快、时间短,干燥质量好的优点,且能一次完成干燥、杀虫、防霉作业,减少了生产工序,提高了出口及内销产品的质量,取得了良好的经济效益。
3.微波干燥木材的应用前景微波干燥与其它干燥方法的区别是,热量不是从木材外部传入的,而是在被干木料由于介质损耗使木材沿整个厚度同时热透。热透所需的时间与木材厚度无关,而与电场强度、微波频率以及木料的介电性质有关。用微波加热木材时,具有较高含水率的木材很快获得大量的热,温度较高,而木材周围介质因介电损耗小,发热量少,温度低,所以木材表面向周围介质散发热量,引起温度的降低。同时大量的水分在木材表面蒸发,使木材表面的温度进一步降低。微波干燥木材时,木材内部水分的汽化速度快,细胞腔内的蒸汽压力较高,与环境形成较大的静压力差[6],大大加快了水分的排出速度,使微波干燥完全不同于传统的木材干燥方法,形成了微波干燥的独特机理。微波干燥时,木材的内应力一般比普通对流干燥的小些。其原因是沿木材厚度的含水率梯度比对流干燥时小,此外,木材在整个厚度上同时热透,提高了木材的塑性,这也促使内应力减小,从而提高了干燥质量。木材微波干燥时,若工艺控制不当,也会出现各种干燥缺陷,主要的缺陷有内裂或炭化。内裂通常是在木材的含水率高于纤维饱和点时出现。干燥初期连续地输入过量的微波能,木材内部形成大量的水蒸汽,过量的水蒸气压力使木材内部沿着木射线方向开裂。为防止内裂,可减少输入的微波能功率或适当延长每2次微波能之间的间歇时间。这当然也就降低了干燥速度。炭化是木材含水率远远低于纤维饱和点的干燥后期出现的。通常出现在木材的棱边附近。低含水率的木材过分地暴露于微波之中,会引起炭化。适当地控制木材的终含水率使之不过低,适当地减少微波能的输入,并均匀分布微波加热器中的微波能,可以有效地防止炭化。为节约电能,降低干燥成本,国外采用微波能和对流热空气联合干燥取得了良好的效果。在成材预热时期以及纤维饱和点以上的干燥时期,需消耗大量的热能,这时可向干燥炉输送温度较高的热空气,同时间歇地输入微波能。对流热空气提供木材预热和蒸发表面水分所需的热能,而让微波能提供木材纤维饱和点以下干燥时所需的热量。间歇地输入微波能,还可以使成材内部的水蒸气有足够的时间移动到木材表面,减小木材横断面上的含水率梯度,防止表面和内部收缩不均。当木材含水率降到纤维饱和点以下时,随着水分蒸发量的减少,热能也大大降低。这时可降低热空气的温度,同时增加微波输入功率,以促使木材内部水分移动到木材表面,防止表面硬化。
  
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