木材用微波处理设备发展概述

2020-05-25徐恩光熊令明林兰英

林业机械与木工设备 2020年4期

徐恩光，熊令明，林兰英，傅峰

(中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091)

在处理木材过程中，微波只按照电磁波规律进行传输，因此木材工业中的微波干燥、微波预处理、微波弯曲、微波膨化等，都需要借助专用的微波处理设备来保证木材和微波的耦合作用，获得理想的处理效果[1]。本文综述了木材用微波处理设备发展和主要结构的设计要点，为木材用微波设备研发提供参考。

1 木材工业用微波处理设备发展

微波能在木材工业领域的应用研究始于1974年[2]，在几十年的发展历程中研发了多台套木材用微波处理设备，见表1。根据设备用途和行业发展，木材工业领域的微波技术应用可为两个阶段，第一阶段是1974—1990年，主要用于木材干燥。1977年，中国第一台915 MHz、20 kW的木材微波干燥机由国营七七二厂微波所开发，用于无锡家具二厂[3]。同年，上海长征木材制品厂与东北林学院合作，研制了915 MHz、30 kW隧道式木材微波处理设备[4]。1978年，宁波市工艺美术公司研制了915 MHz、80 kW隧道式木材干燥机，经试用，工作稳定，生产正常[5]。1981年长航金陵船厂研发了915 MHz、40 kW隧道式微波干燥机，干燥效率大于0.6 kg/kW·h，年处理量约1 000 m3[6]。1982年，黑龙江木材工业研究所采用915 MHz、30 kW的CK-608型连续波磁控管，制备了MXSG-1/915-30型隧道式木材微波干燥机，同年7月通过了技术鉴定[7]。1986年，东北林业大学使用相同型号的磁控管作为微波源，制备了实验用木材微波干燥机。同期苏联也开始进行微波技术应用在木材工业上的研究。木材微波干燥设备因微波加热均匀、干燥速度快、干燥应力低、干燥质量好，先后在北京、天津、上海、南京、镇江、青岛、哈尔滨等地推广应用，后因投资高、耗电大、干燥成本高等原因，到20世纪80年代中期，各厂的微波干燥先后停产[8]。

进入20世纪90年代后，随着微波技术的发展，微波装备稳定性增加，干燥工艺完善，木材微波处理技术又被重新恢复应用[8]，进入第二发展阶段，并拓展出以改善渗透性为目标的木材微波预处理设备和木材微波膨化设备。1993年，华东师范大学电子系开发出915 MHz、40 kW连续木材微波干燥设备，可以干燥5 cm厚的木材[9]。1994年，福州大学研制了竹材微波干燥线，由3台2 450 MHz、5 kW的微波源供能，实行流水作业，每小时能将115 kg、含水率为20%的竹筷干燥至含水率10%[10]。1996年，南京国营七七二厂微波能推广应用研究所研制了915 MHz、40 kW的WX40L型木材微波干燥设备，生产能力3～4 m3/班[11]。1998年，澳大利亚昆士兰科技大学和墨尔本大学合作研发了2 450 MHz、5 kW木材微波处理设备[12]。2004年，东北林业大学使用915 MHz、10 kW的CK-608型磁控管制备了以改善木材渗透性为目标的微波预处理设备[13]。同年，澳大利亚的G.Torgovnikov教授制造了微波功率为60 kW的木材处理设备，根据不同的树种和处理要求，木材的微波处理成本为20～80澳元/m3[14]。2006年，在第十一届国际微波和高频加热会议上，G.Torgovnikov教授介绍了915 MHz、300 kW木材微波处理设备，如图1所示[15-16]，该设备是当时微波功率最大的木材用微波处理设备，现已停止使用。

图1 300 kW木材微波处理设备

2010年中国林科院木材所研发了2 450 MHz、5 kW木材干燥设备[17]。2013年，中南林业科技大学设计制造了功率为40 kW的木材微波处理设备[18]。2014年，中国林科院木材所联合南京三乐微波技术发展有限公司研发了915 MHz、20 kW的WX20L连续型隧道式木材微波处理设备，如图2所示。在此基础上，为弥补现有设备处理木材尺寸小、均匀性差的缺点，中国林科院木材所于2017年升级研发了WX200L型木材用微波处理设备[19]，并在相关企业应用，如图3所示。该设备设计微波功率200 kW，使用4个915 MHz的微波源供能，谐振腔段采用四馈口结构，并配备热风系统[20]，处理材设计尺寸为12 cm×22 cm×200 cm，处理速度为0.6～6 m/min，是当前微波功率最大的木材用微波处理设备，可用于木竹材干燥和微波膨化木制备。

图2 WX20L型连续式木材微波处理设备

图3 200 kW连续式木材微波处理设备

除以上隧道式微波处理设备，也有学者试制了小型箱体式实验用木材微波处理设备[21]、木材微波弯曲设备[22]和木材微波脱脂设备[23]。还有以提高木材渗透性为目标，用于木材染色的WLD24S-01型微波设备，该设备主体由箱体和均匀分布在处理箱壁上的50个微波发生器及控制装置组成，微波频率为2 450 MHz，功率为6.28 kW、10.2 kW、23.8 kW三档[24]。

表1 木材用微波设备发展历程

时间研发单位设备用途处理材尺寸/mm微波频率/MHz微波功率/kW谐振腔尺寸/mm抑制段形式排湿系统传输速度/m·min-11977国营七七二厂微波所隧道式木材干燥50×200×1 2009155 kW×4800×1 000×1 160空抑制段加梳尺形抑制器顶部单口引风0.5～71978宁波市工艺美术公司隧道式木材干燥———91520 kW×4———空抑制段顶部单口引风———1981长航金陵船厂隧道式木材干燥60×1 000×长度不限91520 kW×2800×1 000×1 160空抑制段加梳尺形抑制器顶部单口引风———1982黑龙江木材所隧道式木材干燥40×50×长度不限91530 kW×1860×1 300×1 000空抑制段加硅堆保护顶部单口引风0.1～0.851986东北林业大学隧道式木材干燥50×100×1 80091530 kW×1780×1 000×1 300群岛滤波器,外覆石墨板0.92m/s单口引风0～2.71994福州大学隧道式竹材干燥直径45,长度2502 4505 kW×3———空抑制段——————1996国营七七二厂微波所木材干燥130×900×长度不限91520 kW×2———空抑制段顶部排湿0.2～1.51998昆士兰科技大学/墨尔本大学木材微波处理83×83×9002 4505 kW ×1124×248×1 200空抑制段加水套循环式热风———1998南京林业大学木材微波弯曲15×40×2102 4501———空抑制段——————2000南京林业大学木材弯曲5×20×3002 4500.9———空抑制段——————

续表1

注：表中“——”代表文献中未提及相关内容。

2 木材用微波处理设备结构设计

对比不同制造时间、不同用途的木材用微波处理设备，设备的整体结构分为箱体式和隧道式两类。箱体式设备需要关停微波后再进行上下料，为间歇式处理，设备密闭性较高，在微波功率调控的基础上，可以实现辐射环境的温湿度调节和真空度调节。隧道式微波设备可以连续进出料，具有较高的生产效率，得到了广泛使用。微波设备的主要构件包括微波发生系统、微波传输和抑制系统、微波处理腔、物料输送系统及排湿系统和冷却系统。

2.1 微波发生系统

微波发生系统由电源、微波发生器、波导等元器件组成，微波发生器有电真空器件和半导体器件两大类，是整套设备的核心，决定了微波设备的输出功率和频率。基于电磁频谱资源的分配，木材工业用微波频带集中在915 MHz和2 450 MHz频段，考虑微波穿透深度，多使用915 MHz频段。

木材工业中多使用磁控管来产生微波，单个磁控管的功率为5～100 kW不等，磁控管为损耗品，使用寿命约2 000 h，输出功率随时间衰减。在设备设计时，如果单个微波源功率不能满足需求，可以通过结构设计叠加多个微波源共同工作。也可使用固态微波源制造微波加热设备[25]，和磁控管相比固态微波源采用了半导体技术，输出频率多样，输出功率稳定，容易控制，供电电压低，使用寿命超过20年，且无功率衰减，但目前单个微波源功率过低，无法满足大功率产业化需求。

2.2 微波传输和抑制系统

微波传输系统位于微波发生器和谐振腔之间，引导微波进入谐振腔，由波导、环形器、水负载、三螺钉、双定向耦合器等器件组成。木材微波处理设备上多使用矩形金属波导，材质为铝或不锈钢。

进入谐振腔内的微波，部分经物料和谐振腔壁反射后重新进入波导，反向传播，如不加阻挡，反射过大时会损伤磁控管，因此在波导系统中需要加设环形器与水负载，位置在靠近微波发生器一侧，根据反射微波功率的大小进行匹配。环形器可以使产生的微波和反射回来的微波混合后再次进入谐振腔，水负载用于在反射过大时吸收过量的微波能。

在波导上加设双定向耦合器可以实现入射和反射微波能的实时在线监测，整个处理过程中木材的反射功率不断变化，为了降低反射，可在波导系统中加设三螺钉调节器。三螺钉调节器有手动调节和自动调节两种，手动调节只能根据被处理木材的特征，利用网格分析仪将反射调整到静止时的最低状态，尽量降低实际使用过程中的微波能反射。自动调节可利用专用软件和双定向耦合器配合工作，反应时间为毫秒级，实时在线调节三螺钉的伸出量，保证微波反射功率最小。

对于隧道式微波处理设备，反射的微波除了沿着波导进入微波源外，也会沿着谐振腔的进出料通道向外泄露，需要进行抑制。由于微波在空间上迅速衰减，因此可以使用空腔直接作为抑制段使用，为了缩短抑制段长度，可以在一定长度的空腔抑制段后配合结构设计来反射或吸收泄露的微波能，木材用微波设备上常见的有梳齿型抑制段、群岛型抑制段和水套抑制段。

2.3 微波处理腔

微波经波导进入谐振腔，被填充在谐振腔内的木材消耗，实现木材的微波辐射处理，谐振腔的形状和尺寸决定了可处理木材的大小，常见的谐振腔有矩形和圆形两种，可用于锯材和原木处理。谐振腔设计是否合理直接影响木材的微波处理效果，设计过程中需要考虑腔体尺寸、馈口位置与大小、加热均匀性、排湿孔设置等，保证微波利用率高、场强分布均匀、微波匹配性好、微波泄漏少。

最初木材微波处理设备多采用单侧馈入的微波结构，木材处理效果不均匀，沿着微波馈入方向逐渐衰减，为获得均匀的木材处理效果，可采用多侧微波馈入形式。图4是不同馈入形式下木材内部的温度分布情况模拟，从图中可以看出，四口馈入可以获得较均匀的温度分布[26]。

对于箱体式微波设备，可通过旋转木材、在箱内加设风扇状金属搅拌物、使用旋转波导等方式，使微波在腔体内部充分反射，形成驻波场，以提高处理效果的均匀性。一般谐振腔体积越大、谐振模式越多，能量分布越均匀，木材处理的均匀性也越好，但谐振腔体积扩大，微波能量密度降低，木材的微波处理效果降低。

图4 不同馈入形式下木材内部温度分布

2.4 排湿系统

在微波作用下，木材内部的水分升温、汽化，夹杂着各种内含物一起逸出，逸出后又在谐振腔内壁上冷凝，和木材表面的木屑一起组成了谐振腔的内部微环境。随着处理量的增加，谐振腔内气态组分浓度越来越大，成分也更加复杂，冷凝水含量增加，在污染设备的同时吸收微波能，影响处理效果。随着时间的延长还会在谐振腔内形成等离子打火，危及设备安全，因此在处理过程中需要将腔体内部的水汽及时排出，保证谐振腔内部环境的干燥与清洁。

木材微波处理设备排湿系统主要有单引风排湿系统和鼓风引风排湿系统两类。单引风排湿系统是在谐振腔的上方或侧方开设一个或多个引风口，通过管道与风机相连，将谐振腔内部的水蒸气排出，风向与木材运动方向垂直，风速约为1 m/s。

鼓风引风排湿系统是在谐振腔的进出料位置加设鼓风和引风接口，风向与木材运动方向平行，风速高达24 m/s，通过结构设计保证木材四周风速一致，如图5所示，较大的风速可以将处理过程中释放的水汽和木材表面木屑等杂质带出谐振腔。由于具有鼓风装置，因此可以将进风加热至80～120 ℃后鼓入[27]，保证谐振腔内环境温度始终高于水的沸点，避免冷凝水的产生。

2.5 物料传输系统

物料传输系统的主要作用是将木材运经谐振腔，实现木材的微波处理。箱体式设备通过人工上下料，不需要专门的传输系统，隧道式微波处理设备多使用传送带进行传输。为了避免木材运输过程中的打滑和跑偏问题，可在传送带上安装限位导轨、配备重锤、对辊筒进行包胶等。为了进一步提高传输能力，还可以在传送带下增设支持辊筒或使用链板等形式进行传输。在处理过程中腔体内温度较高，传送带需要选择能够耐高温的材料，如聚四氟乙烯或凯夫拉等。传送速度可根据木材尺寸、微波功率、处理要求等进行调节。在微波处理过程中，如果出现断料，反射功率会显著增加损坏微波设备，因此在传输系统上还需要配备光电检测器等断料检测装置。

图5 鼓风引风排湿系统结构设计

2.6 冷却和控制系统

微波设备的冷却系统主要有风冷和水冷两部分，风冷是安装在微波源机箱内，通过风机对磁控管进行冷却。水冷系统主要有两个作用，一是流经环形器和抑制段水套，对反射和泄露的微波能进行吸收；二是对微波发生装置进行冷却，包括磁控管和电磁铁，例如30 kW的磁控管阳极用水流量为8 L/min，水压1 kg/cm2，以保证陶瓷表面温度低于150 ℃，阳极冷却水出口温度低于50 ℃。当连续工作或环境温度过高时也需要对电磁铁进行冷却，冷却水流量为2 L/min，实际可根据水温情况调节冷却水流速大小。微波设备的水循环冷却系统由水箱、水泵和冷却塔组成，水箱内安装有测温探头，可以进行超温报警(50 ℃)。

整套设备的上下料、微波开启、热风排湿系统等都通过中央控制台进行控制操作，并且对微波入射、反射功率、测温点温度、进料速度等数据实时记录，实现处理工艺与效果的对应分析。

2.7 结构设计要点

在木材用微波处理设备设计制造过程中，考虑成本因素建议选用磁控管作为微波源，微波频率根据处理材尺寸进行选取，可采用多个微波源叠加的方式满足微波能要求，在谐振腔位置采用多口馈入方式来获得均匀的处理效果。由于木材为非均质材料，在微波处理时为了防止反射过大，需要在波导段加设环行器进行保护，并利用自动三螺钉来降低反射。鼓风引风排湿系统能够更好地保证木材的微波处理效果和设备安全，建议使用24 m/s、80～120 ℃的热风进行循环。冷却系统的水流量不可小于2 L/min，并在水箱内安装温度探头，当温度高于50 ℃时报警。物料传输系统应配备断料检测装置以保证设备安全。