多腔多口快換型木材微波預處理裝置及其使用方法與流程

2023-05-10 05:48:01 2

本發明主要涉及木材微波預處理技術領域，尤其涉及一種多腔多口快換型木材微波預處理裝置及其使用方法。

背景技術：
微波加熱由於具有即時性、整體性、選擇性和高效性等特點，已經被廣泛應用於物料乾燥與加熱、化學反應與合成、生物滅菌與殺蟲等領域。近年來，高強度微波預處理作為一種新的木材改性技術出現在木材工業中，其基本原理是利用高強度微波對溼木材進行瞬時處理，使木材內水分在短時間內獲得足夠多的能量，使水分由液態變成氣態，從而產生相變和氣體熱壓效應，有效破壞木材內部構造，在木材內部形成微觀或宏觀裂紋，從而形成新的流體通道，提高木材內部的流體遷移能力，為木材後期的乾燥、浸注處理，甚至新材料製備創造極為有利的前提條件。澳大利亞墨爾本大學的初步研究結果表明，採用高強度微波對木材進行預處理可使木材體積增大10%以上，防腐劑滲透量增加10～14倍，乾燥速率提高5～10倍，乾燥質量顯著改善；該大學的研究人員甚至還通過該技術對木材進行拆解和重構處理，試製出了具有高滲透性、低密度的新型木材與具有高強度、高表面硬度的新型木質複合材料。但國內外進一步的研究發現，木材經過高強微波預處理後，其內部的微觀和宏觀孔隙分布很不均勻，給木材的後期浸注改性處理和高性能新材料的製備帶來了很大困難，直接導致了該技術無法實現產業化應用。要解決木材微波改性處理的均勻化問題，除了優化預處理工藝外，最核心的問題是研製出合適的微波預處理設備。因此，如何研製出參數最大程度可調的微波改性預處理裝置，對於探明各種微波預處理條件對木材改性效果的影響規律，最終研製出科學、合理的微波預處理設備具有重要的現實意義。

技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種結構簡單可靠、操作方便、可實現對預處理參數和木材物性參數的可控和可調性的多腔多口快換型木材微波預處理裝置及其使用方法。為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案：一種多腔多口快換型木材微波預處理裝置，包括通用工作檯、溫度檢測模塊和多個微波源及諧振腔模塊，所述微波源及諧振腔模塊包括諧振腔殼體和設於諧振腔殼體周側的微波源，所述諧振腔殼體內部設有用於放置被處理木材的諧振腔，所述微波源通過饋入波導與諧振腔連通，所述溫度檢測模塊裝設在諧振腔殼體上並伸至諧振腔內，所述諧振腔殼體裝設在通用工作檯上。作為上述技術方案的進一步改進：所述微波源包括相互連接磁控管和冷卻模塊，饋入波導為矩形波導，所述矩形波導的一端與冷卻模塊連接、另一端與諧振腔連通，所述矩形波導與諧振腔殼體的連接位置位於諧振腔殼體的側面的幾何中心位置。所述冷卻模塊包括水冷散熱器、進水口和排水口，所述進水口和排水口均設置在水冷散熱器上。所述溫度檢測模塊包括用於對木材表面測溫的紅外線檢測裝置和用於對木材內部測溫的光導纖維，所述紅外線檢測裝置裝設在諧振腔殼體上並伸至諧振腔內，所述光導纖維植入木材內部。所述諧振腔殼體頂部裝設有用於遮蓋諧振腔的金屬蓋，所述金屬蓋上開設有均勻布置的用於水蒸氣排放及光導纖維穿行的通孔。所述通孔的直徑為2mm，各通孔之間的間距為20mm。所述多個微波源及諧振腔模塊包括單微波源方形單口諧振腔、雙微波源方型雙口諧振腔、三微波源圓柱形三口諧振腔和四微波源圓柱形四口諧振腔，所述單微波源方形單口諧振腔的諧振腔殼體周側設有一個微波源，所述單微波源方形單口諧振腔的諧振腔為長方體結構；所述雙微波源方型雙口諧振腔的諧振腔殼體周側設有兩個微波源，所述雙微波源方型雙口諧振腔的諧振腔為長方體結構；所述三微波源圓柱形三口諧振腔的諧振腔殼體周側設有均勻布置的三個微波源，所述三微波源圓柱形三口諧振腔的諧振腔為圓柱體結構；所述四微波源圓柱形四口諧振腔的諧振腔殼體周側設有均勻布置的四個微波源，所述四微波源圓柱形四口諧振腔的諧振腔為圓柱體結構。所述單微波源方形單口諧振腔、雙微波源方型雙口諧振腔中的諧振腔的長度和寬度介於120～300mm之間、深度介於80～150mm之間；所述三微波源圓柱形三口諧振腔和四微波源圓柱形四口諧振腔的諧振腔的直徑介於120～300mm之間、深度介於80～500mm之間。所述通用工作檯包括機架，所述諧振腔殼體裝設在機架頂部，所述機架上設有電源模塊、溫控顯示模塊、輸出功率控制模塊和微波源電流顯示模塊，所述電源模塊、輸出功率控制模塊和微波源電流顯示模塊均與微波源通過導線聯接，所述溫控顯示模塊與溫度檢測模塊通過導線聯接，所述諧振腔殼體裝設在機架頂部。一種多腔多口快換型木材微波預處理裝置的使用方法，包括以下步驟：S1：製作試件：將含水率高於10%的木材加工成方形和圓柱形試件，方形木材的厚度介於10-120mm，長度和寬度介於100-290mm，圓柱形木材的高度介於70-490mm，直徑介於10-290mm；S2：試件鑽孔與稱量：在方形和圓柱形試件上加工4-8個直徑為1mm，深度10-30mm的預留孔，用天平稱取各木材試件初始質量並記錄；S3：微波源及諧振腔模塊安裝：將選用的微波源及諧振腔模塊安裝固定在通用工作檯上，將紅外線檢測裝置安裝在諧振腔殼體上，連接好微波源的電源導線、循環水管，連接溫度檢測模塊的溫度傳感線；S4：試件安裝：將選用的木材試件置於諧振腔中，然後將光導纖維穿過金屬蓋上的通孔，將光導纖維測溫探頭插入到木材試件中的預留孔內，將光導纖維的測溫端與通用工作檯聯接；S5：微波預處理：啟動通用工作檯，使磁控管、冷卻模塊、紅外線檢測裝置和光導纖維運行對木材試件進行微波預處理，觀察木材試件表面及內部的溫度變化情況，木材內部的溫度不超過220℃；S6：結束：關停通用工作檯，取出微波處理後的木材試件並對其進行稱量和記錄。與現有技術相比，本發明的優點在於：本發明的多腔多口快換型木材微波預處理裝置，其結構簡單可靠，該結構中，通過通用工作檯控制溫度檢測模塊和多個可快速更換微波源，實現了預處理參數的可控和可調性，而多個諧振腔殼體可快速更換安裝在通用工作檯上，保證了諧振腔形狀的可變性，能夠適應不同形狀尺寸的木材，實現了木材物性參數的可變性，因預處理參數和木材物性參數的變化對木材改性效果產生直接影響，故通過對預處理參數和木材物性參數的控制和調整可獲得優化的微波預處理參數。本發明的多腔多口快換型木材微波預處理裝置的使用方法，利用通用工作檯和可更換的微波源改變微波預處理參數進行多次微波預處理，同時，還必須利用可更換的諧振腔改變試件的物性參數進行多次微波預處理，根據多次的微波預處理結構進行數據分析，總結微波輻射強度、微波輻射時間、微波饋入方式、諧振腔形狀、物性參數（含水率、尺寸、形狀）等因素對木材溫度分布、含水率、改性處理效果和微波能利用效率的影響規律，其操作簡單方便。附圖說明圖1是本發明多腔多口快換型木材微波預處理裝置的結構示意圖。圖2是本發明多腔多口快換型木材微波預處理裝置中單微波源方形單口諧振腔的主視結構示意圖。圖3是本發明多腔多口快換型木材微波預處理裝置中單微波源方形單口諧振腔的俯視結構示意圖。圖4是本發明多腔多口快換型木材微波預處理裝置中單微波源方形單口諧振腔的金屬蓋的結構示意圖。圖5是本發明多腔多口快換型木材微波預處理裝置中通用工作檯的結構示意圖。圖6是本發明多腔多口快換型木材微波預處理裝置中雙微波源方型雙口諧振腔的結構示意圖。圖7是本發明多腔多口快換型木材微波預處理裝置中三微波源圓柱形三口諧振腔的結構示意圖。圖8是本發明多腔多口快換型木材微波預處理裝置中三微波源圓柱形三口諧振腔的金屬蓋的結構示意圖。圖9是本發明多腔多口快換型木材微波預處理裝置中四微波源圓柱形四口諧振腔的結構示意圖。圖10是本發明多腔多口快換型木材微波預處理裝置的使用方法的流程圖。圖中各標號表示：1、通用工作檯；11、機架；12、電源模塊；13、溫控顯示模塊；14、輸出功率控制模塊；15、微波源電流顯示模塊；2、溫度檢測模塊；21、紅外線檢測裝置；3、諧振腔殼體；31、諧振腔；4、微波源；41、磁控管；42、冷卻模塊；421、水冷散熱器；422、進水口；423、排水口；5、饋入波導；6、金屬蓋；61、通孔。具體實施方式以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。圖1至圖9示出了本發明多腔多口快換型木材微波預處理裝置的一種實施例，該微波預處理裝置包括通用工作檯1、溫度檢測模塊2和多個微波源及諧振腔模塊，微波源及諧振腔模塊包括諧振腔殼體3和設於諧振腔殼體3周側的微波源4，諧振腔殼體3內部設有用於放置被處理木材的諧振腔31，微波源4通過饋入波導5與諧振腔31連通，溫度檢測模塊2裝設在諧振腔殼體3上並伸至諧振腔31內，諧振腔殼體3裝設在通用工作檯1上。其結構簡單可靠，該結構中，通過通用工作檯1控制溫度檢測模塊2和多個可快速更換微波源4，實現了預處理參數的可控和可調性，而多個諧振腔殼體3可快速更換安裝在通用工作檯1上，保證了諧振腔31形狀的可變性，能夠適應不同形狀尺寸的木材，實現了木材物性參數的可變性，因預處理參數和木材物性參數的變化對木材改性效果產生直接影響，故通過對預處理參數和木材物性參數的控制和調整可獲得優化的微波預處理參數。本實施例中，微波源4包括相互連接磁控管41和冷卻模塊42，饋入波導5為矩形波導，矩形波導的一端與冷卻模塊42連接、另一端與諧振腔31連通，矩形波導與諧振腔殼體3的連接位置位於諧振腔殼體3的側面的幾何中心位置。該結構中，磁控管41用於微波輸出，冷卻模塊42用於降低微波源4工作過程中磁控管41的溫度，保證設備的正常運行。本實施例中，冷卻模塊42包括水冷散熱器421、進水口422和排水口423，進水口422和排水口423均設置在水冷散熱器421上。該結構中，用水冷散熱器421進行冷卻，水冷散熱器421位於磁控管41的下端，水冷散熱器421的進水口422通過透明水管與自來水管相連，排水口423則直接與水槽相接，通過進排水帶走磁控管41的熱量達到降溫的效果。本實施例中，溫度檢測模塊2包括用於對木材表面測溫的紅外線檢測裝置21和用於對木材內部測溫的光導纖維，紅外線檢測裝置21裝設在諧振腔殼體3上並伸至諧振腔31內，光導纖維植入木材內部。該結構中，通過紅外線檢測裝置21和光導纖維的配合使用，可同時對木材表面和內部進行溫度監控，保證了溫度控制的精確性，也即提高了對預處理參數控制的精確性。本實施例中，諧振腔殼體3頂部裝設有用於遮蓋諧振腔31的金屬蓋6，金屬蓋6上開設有均勻布置的用於水蒸氣排放及光導纖維穿行的通孔61。諧振腔殼體3頂部設有可以拆卸的不鏽鋼金屬蓋6，金屬蓋6通過螺栓與諧振腔殼體3連接，金屬蓋6上分布有直徑2mm，間距20mm的通孔61，用於微波處理過程中排除蒸發出來的水蒸氣，同時也是測量木材內部溫度時光導纖維的穿行通道。本實施例中，多個微波源及諧振腔模塊包括單微波源方形單口諧振腔、雙微波源方型雙口諧振腔、三微波源圓柱形三口諧振腔和四微波源圓柱形四口諧振腔，單微波源方形單口諧振腔的諧振腔殼體3周側設有一個微波源4，單微波源方形單口諧振腔的諧振腔31為長方體結構；雙微波源方型雙口諧振腔的諧振腔殼體3周側設有兩個微波源4，雙微波源方型雙口諧振腔的諧振腔31為長方體結構；三微波源圓柱形三口諧振腔的諧振腔殼體3周側設有均勻布置的三個微波源4，三微波源圓柱形三口諧振腔的諧振腔31為圓柱體結構；四微波源圓柱形四口諧振腔的諧振腔殼體3周側設有均勻布置的四個微波源4，四微波源圓柱形四口諧振腔的諧振腔31為圓柱體結構。該結構中，設置有四個微波源及諧振腔模塊，各微波源及諧振腔模塊可快速更換並安裝在通用工作檯1，以匹配不同形狀尺寸的木材，即實現了預處理參數的可控和可調性以及木材物性參數的可變性。本實施例中，單微波源方形單口諧振腔中，一個矩形波導開口位於方形諧振腔31一個側面的幾何中心位置；雙微波源方型雙口諧振腔中，兩個矩形波導開口位於方形諧振腔31兩個相對面的幾何中心位置；三微波源圓柱形三口諧振腔中，三個矩形波導開口位於圓柱形諧振腔31側面的幾何中心位置，並均勻分布，三個矩形波導口中心線的夾角為120°；四微波源圓柱形四口諧振腔中，四個矩形波導開口位於圓柱形諧振腔31側面的幾何中心位置，並均勻分布，四個矩形波導口中心線的夾角為90°。對於單微波源方形單口諧振腔和雙微波源方型雙口諧振腔，單個可拆卸式紅外線檢測裝置21布置在矩形波導開口所在面相鄰側面的幾何中心位置；對於三微波源圓柱形三口諧振腔，三個可拆卸式紅外線檢測裝置21均勻布置在每兩個矩形波導開口之間側面的幾何中心位置；對於四微波源圓柱形四口諧振腔，四個可拆卸式紅外線檢測裝置21均勻布置在每兩個矩形波導開口之間側面的幾何中心位置。木材內溫度的測量採用4-8通道的光導纖維，可以實現木材內部不同位置4-8個點溫度值的連續動態測量。對於單微波源方形單口諧振腔，水冷散熱器421的進水口422通過透明水管與自來水管相連，排水口423則直接與水槽相接；對於雙微波源方型雙口諧振腔、三微波源圓柱形三口諧振腔和四微波源圓柱形四口諧振腔，先將水冷散熱器421的進水口422和排水口423採取相互串聯的形式進行連接，再將進水口422通過透明水管與自來水管相連，排水口423直接與水槽相接。本實施例中，單微波源方形單口諧振腔、雙微波源方型雙口諧振腔中的諧振腔31的長度和寬度介於120～300mm之間、深度介於80～150mm之間；三微波源圓柱形三口諧振腔和四微波源圓柱形四口諧振腔的諧振腔31的直徑介於120～300mm之間、深度介於80～500mm之間。該結構中，配合諧振腔31的尺寸，方形木材的厚度介於10-120mm，長度和寬度介於100-290mm，圓柱形木材的高度介於70-490mm，直徑介於10-290mm，即在該尺寸範圍內變化的木材可在本發明的微波預處理裝置中處理，保證了其物性參數的可變性。本實施例中，通用工作檯1包括機架11，諧振腔殼體3裝設在機架11頂部，機架11上設有電源模塊12、溫控顯示模塊13、輸出功率控制模塊14和微波源電流顯示模塊15，電源模塊12、輸出功率控制模塊14和微波源電流顯示模塊15均與微波源4聯接，溫控顯示模塊13與溫度檢測模塊2聯接，所述諧振腔殼體3裝設在機架11頂部，機架11頂部設有安裝孔。該結構中，溫控顯示模塊13可控制溫度，輸出功率控制模塊14可控制輸出功率，微波源電流顯示模塊15可對微波源電流實時監控，通過這些模塊的相互配合，即可實現對預處理裝置的預處理參數的可控和可調。圖1至圖10示出了本發明多腔多口快換型木材微波預處理裝置的使用方法的實施例，包括以下步驟：S1：製作試件：將含水率高於10%的木材加工成方形和圓柱形試件，方形木材的厚度介於10-120mm，長度和寬度介於100-290mm，圓柱形木材的高度介於70-490mm，直徑介於10-290mm；S2：試件鑽孔與稱量：在方形和圓柱形試件上加工4-8個直徑為1mm，深度10-30mm的預留孔，用天平稱取各木材試件初始質量並記錄；S3：微波源及諧振腔模塊安裝：將選用的微波源及諧振腔模塊安裝固定在通用工作檯1上，將紅外線檢測裝置21安裝在諧振腔殼體3上，連接好微波源4的電源導線、循環水管，連接溫度檢測模塊2的溫度傳感線。；S4：試件安裝：將選用的木材試件置於諧振腔31中，然後將光導纖維穿過金屬蓋6上的通孔61，將光導纖維測溫探頭插入到木材試件中的預留孔內，將光導纖維的測溫端與通用工作檯1聯接；S5：微波預處理：啟動通用工作檯1，使磁控管41、冷卻模塊42、紅外線檢測裝置21和光導纖維運行對木材試件進行微波預處理，觀察木材試件表面及內部的溫度變化情況，木材內部的溫度不超過220℃；S6：結束：關停通用工作檯1，取出微波處理後的木材試件並對其進行稱量和記錄。該方法中，可利用通用工作檯1和可更換的微波源4改變微波預處理參數進行多次微波預處理，同時，還必須利用可更換的諧振腔31改變試件的物性參數進行多次微波預處理，根據多次的微波預處理結構進行數據分析，總結微波輻射強度、微波輻射時間、微波饋入方式、諧振腔形狀、物性參數（含水率、尺寸、形狀）等因素對木材溫度分布、含水率、改性處理效果和微波能利用效率的影響規律，其操作簡單方便。雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍的情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均應落在本發明技術方案保護的範圍內。