Článok sa zaoberá mikrovlnovým sušením smrekového a bukového reziva hrúbky 25 mm. Bola hodnotená kvalita vysušeného materiálu, čas sušenia a spotreba elektrickej energie. Výsledky sú porovnané s klasickým teplovzdušným sušením.

V článku sa zaoberáme jedným zo spôsobov vysokofrekvenčného ohrevu dreva - mikrovlnovým ohrevom, a teda mikrovlnovým sušením. Je to perspektívny spôsob sušenia, ktorý už prekonal svoje teoretické a technologické začiatky.

MIKROVLNOVÉ SIJŠENIE REZIVA

Mikrovlnový (vvf) ohrev je zvláštnym druhom dielektrického ohrevu. Uskutočňuje sa v pásme frekvencií 300 MHz až 300 GHz. V bežnej praxi sa používa v mikrovlnovej technike frekvenčné pásmo od 41 MHz do 40 GHz. Vlnová dĺžka je v rozsahu 1 až 100 mm.

Teplo vzniká v dielektriku v dôsledku polarizácie materiálu, avšak vyznačuje sa niektorými zvláštnosťami. Ohrev prebieha v uzavretých priestoroch - dutinových rezonátoroch alebo vlnovodoch a spôsobuje ho elektrická zložka elektromagnetického poľa. Pôsobenie tejto zložky vzhľadom na malú vlnovú dĺžku na materiál sa uskutočňuje v uzavretom priestore, kde vzniká stojaté vlnenie s mnohými kmitňami a uzlami elektrickej vlny. Statické pole sa vytvára po odraze vĺn od dobre vodivých stien rezonátora. Elektromagnetické pole je po vniknutí do dielektrika v smere šírenia tlmené. Hĺbka vniku elektromagnetického vlnenia pri ohreve suchého dreva je 50 až 80 mm, pri obojstrannom ožarovaní je dvojnásobná. So stúpajúcou vlhkosťou hĺbka vniku mikrovĺn klesá z dôvodu absorbcie mikrovĺn vo vode.

Rozdelenie energie v pracovnom priestore je nerovnomerné. Aby ohrev materiálu bol čo najrovnomernejší, materiál sa pri ohrievaní môže pohybovať', otáčať', resp. žiarenie sa rozptyľuje, alebo pracujeme s väčším počtom magnetrónov. Ako zdroj vvf energie sa používajú magnetróny. Magnetrón je elektrónka, ktorá predstavuje úplný vysokofrekvenčný oscilátor s vlastným budením, do ktorého sú sústredené všetky prvky výkonného vf generátora, okrem napájacieho zdroja, ovládacích a istiacich prvkov a vyžarovacieho systému. Magnetróny sa vyrábajú s trvalým príkonom 100 W až desiatky kW a impulzové s výkonmi niekoľko desiatok MW. Účinnosť magnetrónov sa pohybuje od 60 do 75 %. Z bezpečnostných a hygienických dôvodov i z dôvodov rušenia telekomunikačných zariadení musí byt' mikrovlnové zariadenie navrhnuté tak, aby nevyžarovalo energiu mimo pracovného priestoru.

V drevárskom priemysle sa vlastnosti mikrovĺn využívajú na:

• vytvrdzovanie lepených spojov,
• ohrev dreva pri sušení [3]
• plastifikáciu dielcov,
• zisťovanie chýb dreva
• meranie fyzikálnych a mechanických vlastností,
• ničenie drevokazného hmyzu a húb.

Materiál

Pre experimentálne práce boli použité dreviny smrek a buk, ktoré sú najrozšírenejšie na Slovensku. Radiálne a poloradiálne dosky boli hrubé 25 mm a dlhé 3 m.

Základná charakteristika sušiarne DIES 3V-2

Experimentálne práce sme vykonávali v mikrovlnovej sušiarni DIES 3V-2 [2], ktorú nám zapožičal výrobca mikrovlnových sušiarní - firma Kozák z Liptovského Mikuláša. Je to malokapacitná periodická sušiareň s celokovovým skeletom so sušiacou komorou z nerezového plechu (obr. 1 ). Hore vyklápateľné veko sušiacej komory je dvíhané pomocou plynových vzpier.

Obr. l. Mikrovlnová .sušiareň DIES 3V-2 (firma Kozák)

Odsávanie odparenej vody je pomocou ventilátorov. Zdrojom energie sú magnetróny. Sušiareň má štyri magnetróny s celkovým stálym príkonom 2 kW pracujúce s frekvenciou 2450 MHz, ktoré sú cez kondenzátor napájané vysokonapäťovým transformátorom. Magnetróny sú umiestnené v spodnej časti sušiarne. Sušenie je teda v dutinovom rezonátore bez pohybu materiálu. Menovité napätie je 230 V a je zaistená trojitá ochrana elektrických obvodov. Režimy sušenia sa nastavujú elektronicky. Hmotnosť sušiarne je 150 kg. Maximálny objem jednej náplne reziva je 0,05 až 0,12 m³.

Vzhľadom na rozmery vysúšaného materiálu a použitý typ sušiarne môžeme konštatovať', že naše experimentálne práce boli uskutočnené za podmienok podobných prevádzkovým.

Režim a riadenie procesu sušenia

Pri našich experimentoch sme použili tri spôsoby sušenia - diskontinuálne mikrovlnové sušenie, kontinuálne mikrovlnové sušenie a klasické teplovzdušné sušenie.

Diskontinuálne mikrovlnové sušenie

Proces sušenia bol riadený pomocou regulácie, ktorá je nainštalovaná priamo v sušiarni. Regulačný systém umožňuje vykonávať tieto funkcie:

• výber jednej z 10 predvolieb sušiacich cyklov,
• zaradenie 1 až 3 úsekov do každého sušiaceho cyklu,
• zadanie alebo zmenu parametrov jednotlivých úsekov sušiaceho cyklu,
• spustenie alebo zastavenie cyklu sušenia,
• okamžitú zmenu aktuálneho parametra prebiehajúceho cyklu,
• indikáciu skončených a prebiehajúcich úsekov činnosti,
• zobrazenie a odpočítavanie času, ktorý zostáva do skončenia úseku činnosti,
• indikáciu skončenia cyklu sušenia, zmenu parametrov sušiaceho cyklu,
• testuje pokles napätia alebo prerušenia napájacieho napätia,
• automatické uloženie aktuálneho stavu parametrov sušiaceho cyklu a po nadobudnutí správnej hodnoty napájacieho napätia sušiace zariadenie pokračuje v činnosti.

Režim sušenia bol rozdelený do troch úsekov, ktoré tvorili jeden cyklus. V prvom úseku (ohrev), ktorý trval 0,5 hodiny bol použitý maxima7ny výkon magnetrónov, potom nasledovalo vlastné sušenie, kedy magnetróny pracovali so 70-070 výkonom počas jednej hodiny. V týchto úsekoch bol sušený materiál umiestnený v uzatvorenej mikrovlnovej sušiarni. Tretí úsek bol najdlhší a trval 3 hodiny. Sušený materiál sa vybral zo sušiarne a uložil v miestnosti, ktorej teplota bola 20 °C a relatívna vlhkosť vzduchu 52 070. Akumulovaným teplom sa voda z dreva odparuje. Rýchlosť' odparovania vody a tým aj kvalita vysušeného reziva závisí od parametrov daného prostredia. Počet opakovaní cyklov závisí od požadovanej konečnej vlhkosti.

Diskontinuálny mikrovlnový režim sušenia je vhodný za účelom zníženia spotreby elektrickej energie.

Kontinuálne mikrovlnové sušenie

Pre riadenie procesu mikrovlnového sušenia sme použili spôsob riadenia založený na regulácii mikrovlnového ohrevu v závislosti od požadovanej teploty dreva. Riadenie (aj meranie) mikrovlnového sušenia sme robili pomocou personálneho počítača, v ktorom bol zabudovaný analógovo-digitálny a digitálno-analógový prevodník. Teploty dreva boli merané pomocou termočlánkov Cu-Ko. Cez operačné zosilňovače a analógovo-digitálny prevodník sa merané napätie na termočlánkoch pomocou kalibračnej krivky prepočítavalo na teplotu. Riadiaci program zapísal teploty do súboru a uskutočnil porovnanie či niektorá z teplôt neprekročila zadanú hraničnú teplotu. Ak ani jeden termočlánok nenameral teplotu vyššiu ako je hraničná teplota, bol vydaný prt1caz cez digitálno-analógový prevodník a výkonný člen na zapnutie mikrovlnového ohrevu. Ohrev bol zapnutý pri poklese teploty o 2 °C pod hraničnú teplotu. Všetky údaje o dátume, čase, meraných teplotách a počte ohrevov boli ukladané do súboru [1].

Teplovzdušné sušenie

Tento spôsob sušenia bol realizovaný v malokapacitnej sušiarni, ktorá bola regulovaná automatickou reguláciou s použitím štandardného režimu sušenia (podľa ON). Režim sušenia obsahoval zlahodenie a ochladenie.

Hodnotenie kvality vysušeného materiálu

Hodnotenie kvality vysušeného materiálu bolo vykonané podľa: veľkosti vlhkostného spádu, veľkosti skôrnatenia (zvyškové napätia), počtu a veľkosti trhlín, zmeny farby.

Merná spotreba elektrickej energie

Pri všetkých experimentoch bola meraná celková spotreba elektrickej energie na sušenie. Tieto údaje boli prepočítané pri známej hustote, objeme sušeného dreva, počiatočnej a konečnej vlhkosti na mernú spotrebu elektrickej energie na kilogram odparenej vody [kWh.kg^–1 o.v.].

VÝSLEDKY EXPERIMENTÁLNYCH PRÁC

Namerané počiatočné a konečné údaje porovnávaných spôsobov sušenia pre jednotlivé dreviny sú uvedené v tabuľke. Grafické znázornenie času sušenia a spotrieb elektrickej energie prepočítané na 1 kg odparenej vody je na obrázku 2 a 3.

V porovnaní s klasickým teplovzdušným sušením je čas diskontinuálneho mikrovlnového sušenia kratší v prípade smreka v priemere o 75,3 % a buka o 64,8 %. Pri porovnaní časov kontinuálneho mikrovlnového s teplovzdušným sušením bolo skrátenie času pri smreku v priemere o 62,3 v a pri buku o 58,3 %. Pri porovnávaní ďalších sledovaných kritérií je zrejmé, že z hľadiska kvalitatívnych kritérií neboli zaznamenané výrazné rozdiely medzi diskontinuálnym a kontinuálnym mikrovlnovým sušením. Vysušené drevo z hľadiska kvality po mikrovlnovom sušení bolo zaradené do 2. kvalitatívnej triedy a po teplovzdušnom sušení do 1. kvalitatívnej triedy. Tento rozdiel bol spôsobený tým, že pri mikrovlnovom sušení sa nedá vykonať' konečné ošetrenie.

Základné technologické ukazovatele po sušení (smrek, buk, h = 25 mm)

Technologické ukazovatele	Diskontinuálne mikrovlnové sušenie		Kontinuálne mikrovlnové sušenie		Teplovzdušné sušenie
	smrek	buk	smrek	buk	smrek	buk
počiatočná vlhkosť [%]	44,3	45,8	45,9	43,0	45,0	45,0
konečná vlhkosť [%]	9,2	9,6	10,1	9,3	10,0	10,0
čas sušenia [h]	10,5	27,0	16,0	32,0	42,5	76,8
vlhkostný spád [%]	2,1	2,0	1 ,9	1,6	0,9	1,1
skôrnatenie [mm]	9	7	10	6	15	17
trhliny-max.šír.[mm]	0,30	0,40	0,39	0,35	0,28	0,31
šúverenie [mm]	minimálne
farba	bez zmeny
spotreba elektrickej energie [kWh.kg-1 o.v.]	1,63	1,72	2,01	2,26	1,51*	1,61*

Poznámka: pri teplovzdušnom sušení je prepočítaná spotreba tepla na elektrickú energiu na 1 kg odparenej vody (z ekonomického hľadiska je uvedený prepočet nevhodný)

Obr. 2. Čas sušenia (smrek, buk, h = 25 mm)

Obr. 3. Spotreba elektrickej energie (smrek, buk, h = 25 mm )

Veľmi dôležitým kritériom je spotreba elektrickej energie prepočítaná na 1 kg odparenej vody. Namerané hodnoty poukazujú na to, že pri kontinuálnom mikrovlnovom sušení je čas sušenia najkratší, ale merná spotreba elektrickej energie pri tomto spôsobu je najvyššia. Hodnoty uvedené pri diskontinuálnom mikrovlnovom sušení sú približne rovnaké ako pri teplovzdušnom sušení.

VLASTNOSTI MIKROVLNOVÉHO SUŠENIA

Výhody mikrovlnového sušenia [4]:

• v sušenom materiálu vzniká kladný gradient teploty, čím sa z fyzikálneho hľadiska vytvárajú vhodné podmienky pre sušenie,
• rýchlosť ohrevu ako aj odparovania vody z reziva je vysoká, z čoho vyplýva krátky čas sušenia,
• sušením sa neznižujú mechanické vlastnosti (pri dodržaní bežných mikrovlnových výkonov),
• kvalita vysušeného reziva je dobrá, pričom je možné jej zvýšenie úpravou režimov sušenia,
• sušiareň je jednoduchá, rozmerovo nenáročná a prenosná, pri sušení dochádza k malým tepelným stratám,
• spotreba energie pri diskontinuálnom mikrovlnovom sušení je približne rovnaká ako pri teplovzdušnom sušení, ktorú je možné ešte znížiť',
• nenáročná údržba sušiarne,
• na pripojenie zariadenia je potrebný len zdroj elektrickej energie,
• uvedenie sušiarne do prevádzky je bez ďalších investičných vstupov,
• šetrnosť' k životnému prostrediu, zdravotná nezávadnosť' (rozhodnutie Ministerstva zdravotníctva SR č. 2-12253 zo dňa 12. 1. 1995),
• uplatnenie nájdu tieto sušiarne hlavne u malovýrobcov so širokým sortimentom drevín,
• výhodná cenová ponuka.

• nehomogénny ohrev sušeného reziva po dĺžke materiálu spôsobený nerovnomernosťou elektromagnetického poľa, šíreného magnetrónom. Tento nedostatok je možné do určitej miery eliminovať' technickou úpravou sušiarne a mikrovlnového zariadenia,
• možnosť' sušenia obmedzeného množstva reziva naraz vzhľadom na útlm mikrovlnového žiarenia.

ZÁVER

Mikrovlnové sušenie je rýchle sušenie s dobrou kvalitou vysušeného reziva. Pre prax z hľadiska dosiahnutých výsledkov odporúčame diskontinuálne mikrovlnové sušenie. Dosahované časy sušenia pri porovnaní s teplovzdušným spôsobom sušenia môžeme hodnotiť ako veľmi krátke. Spotreba elektrickej energie pri mikrovlnovom sušení je približne rovnaká ako pri teplovzdušnom sušení. Naše pracovisko pokračuje v ďalšom zdokonaľovaní mikrovlnového sušenia.

LITERATÚRA

l] KLEMENT, I. - TREBULA, P.: Komparácia mikrovlnného a teplovzdušného sušenia najvýznamnejších drevín Slovenska. In: Medzinárodná vedecká konferencia: "Les - Drevo - Životné prostredie '97" (6. sekcia): Zborník referátov z konferencie, Technická univerzita vo Zvolene, 1997, s. 83 - 89. ISBN 80228-0626~9.

[2] Prospekt firmy KOZÁK, Liptovský Mikuláš, 2000.

[3] RÉH, R.: Niektoré problémy pri sušení konštrukčných dekoratívnych bukových dýh. In: Súčasné problémy a perspektívy sušenia bukového dreva: Zborník referátov z konferencie, Vysoká škola lesnícka a drevárska vo Zvolene, t991, s. 5l - 58. ISBN 80-228-0138-0.