专利名称：电气化木材干燥系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及木材干燥技术领域。
木材干燥是木材加工过程中的一个必不可少的重要环节，也是木材加工工业中的一个薄弱环节。我国目前人工干燥木材的能力，仅占全国锯材的15-20%;每年大约有800万m3湿材亟需干燥、实际干燥量不足180万m3。大量湿材调发，增加了运输负担，造成木材降等损失。经过人工有效干燥处理的木材，不易开裂起皱，变形变色，霉变生虫。可提高木材的使用价值和经济价值，对国民经济建设和人民生活有着重要意义。
目前，主要采用的木材干燥技术有1.天然干燥法缺点是干燥周期长，一般需半年至一年时间，难于满足社会生产实际需要。2.真空干燥法利用水的沸点与水面上压力成正比例关系，在真空条件下使木材中的水分子始终处于沸腾状态，通过汽化、蒸发方式达到干燥目的。这种方法干燥质量较高、周期短;同时也存在真空排气、加热回湿等工艺矛盾，使生产过程复杂化，难于掌握控制;这种方法干燥薄或超厚板材也不够理想，使推广应用受到一定局限。3.除湿干燥法采用热空气对流把木材中的水分通过冷凝方式进行排除的木材干燥技术。在干燥标准要求终含水率＜12%时，除湿干燥技术表现的力不从心。4.间接旋风燃烧炉。适用于针叶林木如泡桐材干燥。5.常规干燥法是一种热源主要来源于蒸汽(热水或热油)的干燥方法。在生产过程中常要采用强制循环和回湿工艺、方法复杂难以控制;在干燥硬阔叶林木时，周期较长、效果不甚理想。此外还有太阳能、热压、红外等干燥技术。以上技术各有特色和一定的适用范围。共同特征是都一致采用加温、加热、汽化、蒸发的方法达到干燥木材地目的。发明技术(中国87.103989.3)、实用新型(中国87205548.5)把蒸汽干燥和真空干燥技术水平提高了一步。从而使我国木材干燥技术可与先进水平的德国技术相当，具有世界一流的水平。但究其本质、主要是控制方法和结构上的改进。终究没有摆脱传统加温、加热、汽化、蒸发干燥木材的传统方式。
木材在加热干燥过程中，由于热惯性木材内部沿厚度(径向与弦向)方向将产生一个温度梯度;含水率愈大，梯度越大，同时，木材内部温度的上升也受到自身特性(树种、材质)的影响。因此，温度梯度及含水率梯度的影响，造成木材中水分移动汽化和蒸发在不同层面的速率不同，因而容易产生由于热惯性作用产生温度梯度和含水率梯度造成的变形变色，炸裂起皱等严重影响木材质量现象的发生。使木材降等损失增大。为了保证干燥质量，现有干燥技术中，生产上常常采用回湿工艺和延长干燥周期的方法。从而增加了工艺复杂性，减少了生产量，增加了生产成本。
相比其它技术，高频感应和微波干燥技术在木材干燥质量和干燥周期上有绝对优势。高频感应技术采用非接触方式把木材放在电容器两极之间，加上高频电源(电压等级0.1-1kV频率10-1000MHz)。利用电磁波在导电介质(水)中传播时，其邻近效应产生涡流，电磁能转化成热能进行感应加热干燥，干燥效果比较理想。但本质上仍就是加热汽化蒸发的干燥方法。由于大功率高频感应设备制造极为困难，系统投资巨大，成本昂贵、能耗高、维护困难等，加工企业实际上无力接受。同时电磁波幅射干扰亦是不良因素。所以这种干燥技术在木材加工中很少得到应用。微波(10000MHz)干燥技术在木材干燥领域中同样存在着类似问题。
现有技术的一个明显缺陷，就是一般只能干燥厚度＜10cm以下的木材。因此只能采用先开锯后干燥的工艺路线，容易产生变形变色、开裂起皱现象。
本发明的目的是为了克服现有技术上的不足与缺陷。由电力升压变压器产生中频高强电压，通过金属极板加在木材上下表面，其集肤效应及邻近效应使离子水从木材外表面溢出，挥发的一种新型电气化木材干燥系统技术。是机电(信)一体化的电力电子系统应用技术。
本发明方法如下一种电气化木材干燥系统。其机理建立在阿仑尼乌兹电离理论和电磁场麦克斯韦方程组基本关系的基础上。
把木材锯成方木或板材整齐地叠放在一起。用两个相互平行且对称的金属板把木材夹持在中间。在上极板上施加一定重量，使极板与木材尽量接触。当给金属极板施加一定电压时，极板间电介质(含水木材)建立起电场。根据电场与电势关系，外加电压越高，电场愈强。设极板面积为S，内表面距离为d，并使两板面线度远大于两极内表面距离。这时两极间是均匀电场，且限于两极之间。如图三电势差示意图高斯定理E= (δ)/(BO)δ为任一极板所带电荷密度。
两极间电势差UA-UB＝E·dC= (SBr)/(d) R＝ρ (d)/(S)木材相对电介系数Br＜5水相对电介系数Br≥78当场强E增强到一定程度时，足以使木材中介质水(H2O)分子变形、正负电中心分开，两极电势发生变化成为极化分子。偶极矩＝1.87，H2O ()/() H++OH-。使木材中的水分子100%电离成为纯离子水。电学表明任何带电过程都是正负电荷分离过程，因此离子水成为一种性态特异能够自由移动的特殊导体。当把这种导体引入静电场时，正负离子在电场力的作用下转向外电场作定向运动，引起电荷重新分布，且趋向于导体(含水的木材)表面。木材中因含带电粒子(离子)形成第二类传导电流。即产生水离子在外电场力的作用下因移动而作功;从而具有一定势能，以克服把它们束缚在木材纤维结构中特定位置的势能障碍，具有了脱离木材纤维结构，逸出木材表面的能量。
水分运动是一个活化过程，在木材干燥过程中，水离子可顺着木材纤维方向移动，从木材横断面溢出，也可横跨纤维方向移动，从木材侧面逸散，水分在木材内部的移动可用下列傅里叶微分方程表示
式中
-木材内部含水率变化速率。
D-与木材平均含水率相对应的水分子平均扩散系数。
M-木材含水率。
在直流电场作用时，离子水中正离子H+移向阴极，负离子OH-移向阳极。并且在电极上失去电荷。
阴极 2H++2e＝H2↑阳极 4OH--4e＝2H2O+O2↑因此在直流电场作用时，其干燥机理主要是电解反应过程。
由于运动电荷或电流周围空间存在电磁场，正离子H+、负离子OH-在磁场中任一指定点处所受的磁场力具有如下情况。如图磁场力示意图根据安培定律df＝BIdlsin(dl·B)矢量式dj＝Idl×B标量积分法求出f＝BIlsin(dl·B)当(dl·B)＝sin90°＝1fmax＝BIl安培定律表明水离子形成的第二类传导电流在磁场中要受到力的作用。因此可以推断运动带电荷粒子(离子)在磁场中也将受到磁力的作用，即洛仑兹力的作用，它将改变水离子的运动方向。由于电场中的水离子运动方向与磁场方向垂直，所以fmax＝qv×B。
根据麦克斯韦方程组的基本关系，在任一与两极板平行的木材截面上，木材中的传导电流形成闭合回路。在一定频率的电压下磁场或传导电流移动使导磁面积发生变化时，木材中因磁通改变产生涡旋电磁场。按照基本方程组中的规律，在导体(含水的木材)上，表面场量最大，内部场量最小。由于离子水的电阻率ρ≠0，因此必然会有能量损耗。表现为场量幅度的减少，平板场量按指数规律衰减，其集肤效应加大了水离子向导体(含水木材)外表面移动的运动能量，加速了离子水从木材外表面的溢出速率。
同时，场量的幅度减小，表现为一部份电磁能转化成热能;使木材内部温度相应上升，离子水随温度上升而膨胀;水离子动能增加，减弱了水离子的相互引力，使液体表面低能量的水分子容易逸出，具有逸出液体表面功能的分子数明显增加。这种邻近效应产生的热效应挥发现象进一步加快了木材干燥进程。
木材中的离子水在电场、电磁场产生的集肤效应及邻近效应的作用下，具有一定的逸出功;不断地从木材外表面溢出、挥发，使水离子数逐渐减少，导电率下降，木材含水率随之降低，达到了干燥木材地目的。
本发明的设计方案如下一种电气化木材干燥系统。
单相工频电源(1)(干燥系统动力＜20kW时)，经执行器(3)(机电一体化可控硅电力调压稳压器)。三相工频电源(2)(干燥系统动力＞10KW时)，经执行器(调压、稳压、整流、变流)加在电力升压变压器(4)上。变压器(4)可由多个变压器并联组成，分散控制，以提高工作效率。变压器(4)产生的中频高强电压加在相互平行对称的极板(5)和(7)上。极间AB有保护装置硒堆(XL)。同步信号(11)由同步变压器(12)产生。给定信号(材质、终含水率等)与传感器(8)的反馈信号送入控制器CPU(10)分析处理后，由驱动器(9)驱动控制执行器(3)(调压、稳压、整流、变流)、构成恒流(CC)+恒功率(CW)方式控制的电气化木材干燥系统。
本发明特殊之处在于木材(6)被相互平行对称的极板(5)和(7)夹持，成为变压器(4)的阻容性负载。变压器(4)产生的中频高强电压等级为0-20KV/50-40000HZ。
本发明在干燥过程中采用除湿或抽真空技术以减少水分运动阻力和空气相对湿度、提高干燥效率。
本发明附面说明如下附图
一为本发明设计方案“电气化木材干燥系统”原理框图。
附图二为本发明“电气化木材干燥系统”实施例一。
附图三为本发明“电气化木材干燥系统”方法中电势差示意图附图四本发明磁场力示意图现结合附图一、附图二对本发明“电气化木材干燥系统”实施例一作进一步描述。
参见附图一、附图二。
一种电气化木材干燥系统。
干燥系统动力＞10KW，使用三相工频电源(2)三相工频电源(2)经自动空气开关HK(DZ系列)、交流接触器QC1(CJ系列)、快速熔断器RS(RS系列)，至执行器(3)(调压、稳压、整流、变流)三相全控整流桥逆变器。整流桥T1-6(硅整流二极管ZP、ZPX系列或KP、KK晶闸管系列)滤波隔离后加在逆变器桥臂上。整流桥上并联有压敏电阻(ZNR系列)。逆变桥臂由G1-4(GTO系列IGBT系列组成对称式逆变开关电路。或由大功率晶体管GTR或IGBT与KK、KKK晶闸管组成非对称逆变开关电路。晶闸管可采用智能功率器件如Smart·power、MCT.DMT、EST等检测、控制、保护一体化集成功率器件。以简化电路设计、提高装置的稳定、可靠性等)和限流电抗器Lk1-4(DK系列)构成。电容器C(电热电容器RWF系列)与变压器(4)原边感应圈组成并联谐振回路，决定系统的工作频率。ab间器件QC2(接触器CJ系列)、KP(KP晶闸管系列)LK(限流电抗器DK系列)、C1移相电容器(YY系列)组成逆变启动支路。
变压器1YB(4)副端并联一对硒堆(XL系列)、组成系统保护装置。
变压器1YB(4)产生的中频高强电压加在相互平行对称的极板(5)和(7)上，(5)和(7)由不锈钢或铸铁材料构成。极板(5)和(7)上有槽孔。极板(5)和(7)可由多个相互平行对称的单元极板串并联组成。极板(7)与大地直接联接。
依电势平衡关系△i1＝-(W2/W1)×i2。传感器(8)CT及放大器A(霍尔LEM电流传感器系列)将反馈信号送入控制器(10)输入信号中。控制器(10)(MM51、98、PC、STD-PC)。同步信号(11)由同步变压器2YB(12)产生。给定信号(材质、终含水率、材积等)经键盘输入控制器(10)(CPU)分析处理、驱动显示GRT、MGA、调压、稳压、整流、变流及保护装置。系统采用恒流(CC)+恒功率(CW)控制方式，以适应负载电流(木材含水率)大范围变化的需要。始终保持系统及干燥过程处于最佳经济技术状态。
晶闸管触发驱动采用数字电路微机处理或采用KJ、KC系列集成触发器。
本发明电气化木材干燥系统在系统动力＜20kW时，使用单相工频电源(1)经执行器(3)(机电一体化KT1电力调压器)至变压器(4)产生D-20KV/50-40000Hz中频高强电压加在极板(5)和(7)上。
本发明与现有技术相比具有如下优点1、本发明电气化木材干燥系统干燥室不需要保温隔热措施，系统受环境及空间因素影响较小。由于能量直接集中因而效率高，能耗低。
2、干燥过程不产生二氧化碳和含硫气体，由于频率在中频范围不存在幅射干扰，使本发明没有环境污染问题，完全符合卫生标准。
3、本发明干燥过程不存在温度梯度和含水率梯度问题，因而干燥质量稳定，木材不易变形变色、开裂起皱、木质加密效果显著。初含水率＜100%，终含水率可＜6%，干燥成材合格率100%。
4、本发明干燥成本低，周期短，生产量大。干燥50-500mm-1000mm厚木材含水率45%→12%≤48h每立方米木材能耗50-200kW。干燥材积可在1-100m3。
5、本发明适应能力强，各种树种不同材质(软硬阔叶林)不同厚度、不同含水率的方木或板材均能取得满意的干燥效果。能一次成功干燥0.1-1m厚的木材是其它技术无法实现的，因此具有先干燥、后开锯的木材加工工艺特点。几乎不存在变形变色、开裂起皱等干燥质量问题。
在木屑板、刨花板、纤维板-等的干燥领域中也能得到应用。
6、本发明干燥效果与微波、高频感应干燥效果相当;与真空、除湿、常规干燥等方式投资相适宜。能充分利用现代科学技术、现代工业手段制造生产。具有结构合理、工艺简单、维修方便、附助设备少等优点。系统可根据用户要求、设计成单机或建成干燥生产线，有较高地工业推广应用价值。
7、本发明改变了现有用试验板称重判断木材含水率的传统方法。如发明技术(87.103989.3)。实现了木材含水率电法自动检测与控制、方便地实现了木材干燥电气化、自动化、标准化、工业化生产。
权利要求
1.一种电气化木材干燥系统，其特征在于被夹持在极板间木材中水分子在中频高压作用下被100%极化电离形成第二类传导电流。在电场、电磁场的作用下，集肤效应及邻近效应使用离子水具有逸出功，从木材外表面溢出、挥发干燥木材的一种方法。所述电气化木材干燥系统其特征在于由单相工频电源(1)或三相工步骤电源(2)经执行器(3)(高压、稳压、整流、变流)至电力升压变压器(4)，施加在相互平行对称的极板(5)和(7)上，同步信号(11)由同步变压器(12)产生。传感器(8)、控制器(10)、驱动器(9)保护装置(XL)对系统工作状态实施控制。特殊之处在于，木材(6)被夹持在极板(5)和(7)中间，为变压器(4)阻容性负载。
2.根据权利要求1所述电气化木材干燥系统。其特征在于变压器(4)产生的电压等级为0-20kV/50-40kHz。
3.根据权利要求1所述电气化木材干燥系统。在使用动力＜20kW时，可使用单相工频电源(1)，经执行器(3)(机电一体化电力调压稳压器)直接加在电力升压变压器(4)上。在使用动＞10kW时，使用三相工频电源(2)、经执行器(3)(调压、稳压、整流、变流)加在电力升压变压器(4)上。
4.根据权利要求1所述电气化木材干燥系统。执行器(3)可采用机电一体化可控硅电力调压器KT13。三相全控整流桥。对称式主控逆变开关电路-或采用晶体管、晶闸管混合非对称主控逆变开关电路。
5.根据权利要求1所述。电气化木材干燥系统。控制方式采用恒流(CC)+恒功率(CW)方式。
6.根据权利要求1所述电气化木材干燥系统。干燥室内可安装除湿设备或抽真空设备、提高干燥效率。
7.根据权利要求1所述电气化木材干燥系统。相互平行对称的极板(5)和(7)可由多个相互平行对称的单元极板串并联联接组成，极板(7)直接与大地联接。
8.根据权利要求1所述电气化木材干燥系统。极板(5)和(7)由不锈钢或铸铁等材料构成。极板上有排水、排气孔槽。
全文摘要
一种电气化木材干燥系统工频电源经电力升压变压器(4)产生0-20kV/50-40kHz中频高强电压，通过相互平行对称的极板(5)和(7)加在木材(6)上下表面；集肤效应及邻近效应使离子水不断从木材外表面溢出、挥发，达到干燥木材的目的。本发明革新了传统加温加热汽化蒸发干燥木材的理论和方法。能对木材含水率进行电法自动检测与控制；干燥过程木材不易变形变色，开裂起皱；具有质量高、周期短，生产工艺简单、维修方便，系统投资适宜的优点。实现了木材干燥电气化、自动化、标准化、工业化生产。
文档编号F26B3/347GK1070258SQ9210498
公开日1993年3月24日 申请日期1992年6月18日 优先权日1992年6月18日
发明者王希, 魏泽国, 王欣, 尹令强, 李松杰 申请人:王希