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MÉTHODE ET SYST~ME POUR CHAUFFER DES BILLES GELÉES
Domaine de l'invention:
La présente invention concerne une méthode et un système pour chauffer des
billes gelées. Plus particulièrement, la présente invention concerne une
méthode et un
système pour chauffer des billes de bois gelées en vue d'en facilitex leur
écorçage.
Description de l'art antérieur:
Les scieries des pays riches en forêts produisent du boïs d'aeuvre à partir
d'arbres
tirés de la forêt, qui doivent être dévêtus de leur ëcorce avant la découpe en
madriers et
en planches. L'écorçage est souvent réalisé par une écorceuse à anneau
constituée d'un
amieau rotatif motoxisé auquel sont fixës des outils recourbés qui enlèvent
l'écorce par
frottement, à mesure que la bille se déplace longitudinalement â (intérieur de
l'anneau
grâce à des rouleaux d'entraînement. Idëalement, seule l'écorce a besoin
d'être enlevée.
Lorsque la température des billes est infërieure au point de congélation (ce
qui
constitue la situation normale en hiver dans les pays nordiques), l'adhésion
entre
l'écorce et le bois est forte et une pression plus grande doit être exercëe
sur les outils de
coupe afin de parvenir à enlever l'écorce. Plus la température des billes est
basse, plus
l'adhésion est forte et plus cette pression doit être grande.
L'augmentation de la pression sur les outils de coupe a toutefois plusieurs
inconvénients. D'une part, l'augmentation de la pression d'écorçage produit
une usure
accélérée des outils de coupe et éventuellement un endommagement des
composantes
de l'écorceuse (outil de coupa, bras, système de tension, etc.). D'autre part,
les
écorceuses aiTachent alors des fibres de bois en trop grande quantité avec
l'écorce, ce
qui constitue une importante perte. L'été, environ 10 à 20% de la masse
écorcée est
constituée de fibres de bois, qui sont brûlées ou enfouies avec l'écorce. En
hiver, dans
certaines scieries canadiennes, jusqu'à 50% de la masse écorcée est constituée
de fibxes
ligneuses. Or, typiquement, environ 25% des revenus d'une scierie
conventionnelle
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prôviennent de la fibre ligneuse qu' elle vend sous forme de copeaux à une
papetière. Ces
copeaux proviennent des sections de la bille qui ne se retrouvent pas sous
fonne de bois
d't~uvre.
Un autt~e désavantage résulte du fait que si Ia pression sur les outils de
coupe est
diminuée afin de minimiser les pertes de bois, de l'écorce se retrouve alors
dans les
copeaux. Or, la présence de parücules d'écorce daa~s les copeaux est à
l'origine de divers
problèmes chez Ia papetière: baisse de rendement du lessiveur, saleté dans
Ia~pâte (poix),
et surtout présence de sclérite qui augmente, ultimement, Ie taux d'incidence
de casse
de la feuille Jars de sa fabrication et des défauts d'impression ('fish eye',
grain de riz)
chez l'imprimeur. Tant et si longtemps que le taux d'écorce dans les copeaux
des
fournisseurs est un des critères les plus importants de qualité chez les
fabricants de pâte,
et les papetières sont de plus en plus exigeantes.
II existe Banc un fort avantage à augmenter la température de la bille avant
écorçage. En effet, typiquement, le dëgel de billes en hiver peut réduire
d'environ 2%
les pentes de bois tout en haussant la qualité des copeaux livrés aux usines
de pâtes et
papiers. Pour une scierie qui consomme environ 500 000 m3 de bois
annuellement, cette
amélioration représente une économie de plus d'un demi-million de dollars {les
ix~.ontants mentionnés la présente description sont exprimés en devises
canadiennes).
Pour effectuer cette augmentation de température, les scieries utilisent
présentement des méthodes de chauffage comprenant l'immersion et l'aspersion
des
billes dans des bassins d'eau chaude ou au moyeu de dispositifs à jets d'eau
etlou de
vapeur. Ces méthodes fonctionnent bien sur le plan du préchauffage, mais
posent divers
problèmes, dont le plus important touche l'environnement. En effet, vidange et
nettoyage sont frëquemment requis pour dëbarrasser les bassins qui accumulent
saletés
et ëcorces. L'eau souillée ne pouvant plus être rejetëe à l'environnement à
cause de la
réglementation gouvernementale, les scieries doivent se munir de bassins de
décantation
qui doivent âtre fréquemment vidés et nettoyés, ce qui entraîne de forts
coîxts.
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Un objet de la présente invention est donc de proposer une mëihode et/ou un
système de chauffage qui puissent résoudre certains des problèmes ci-haut
rapportés' de
l'az-i antérieur. Plus particulièrement, un objet est de proposer une nouvelle
méthode
pour chauffer les billes de bois gelées en hiver en vue de faciliter leur
écorçage. Un autre
objet est de proposer un système de mise en oeuvre de cette méthode.
Sommaire de l'invention:
La présente invention vise une méthode pour chauffer des billes de bois gelées
en vue de faciliter leur écorçage, chaque bille de bois ayant un axe
longitudinal, une
surface périphérique et un diamètre donné, la méthode étant caractérisée en ce
qu'elle
comprend les étapes suivantes:
a) entraîner les billes de bois gelées 1e long d'un parcours déterminé; et
b) soumettre les billes de bois à un rayonnement infrarouge Ie long du
parcours
z 5 pour chauffer lesdites billes de bois par rayonnement infrarouge.
De préférence, l'étape a) comprend en autre l'étape de faire pivoter les
billes de
bois autour de leurs axes longitudinaux respectifs le long d'au moins une
portion du
parcours afin de permettre à la surface périphérique de chaque bille de bois
d'être
soumise au rayonnement infrarouge.
La présente invention vise un système pour chauffer des billes de bois gelées
en
vue de faciliter leur écorçage, chaque bille de bois ayant un axe
longitudinal, une surface
périphérique et tm diamètre donné, le système étant caractérisé en ce qu'il
comprend:
a) un convoyeur pour entraîner les billes de bois gelées le long d'un parcours
déterminé; et
b) une surface de rayonnement ïnfrarouge positioimée par rapport au convoyeur
pour soumettre les billes de bois à un rayonnement hlfrarouge le long du
parcours et chauffer lesdites billes de bois par rayonnement infrarouge.
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De prëférence, le système comprend tout moyen, appareil et/ou dispositif pour
mettre en oeuvre les différentes étapes et/ou sous-étapes de la méthode selon
la présente
invention.
S Les objets, avantages, et autres caractéristiques de la présente invention
deviendront plus apparents à la lecture de la description non limitative qui
suit de modes
de réalisation prëférentiels montrés dans les dessins ci joints.
Brève description des dessins:
Figure 1 est une vue schématique d'un déplacement latéral et rotationnel de
billes
de bois adjacentes selon un mode de réalisation préférentiel de la présente
invention.
Figure 2 est une vue schématique partielle d'un système pour chauffer des
billes
de bois gelées selon un autre mode de réalisation préférentiel de Ia présente
invention,
Ies billes de Mois ëtant déplacées par le convoyeur et étant soumises au
rayonnement
infrarouge.
Figuxe 3 est une vue de côté d'un pilote de système de chauffage de billes
gelées
~0 selon la présente invention.
Figuxe 4 est une vue de face de ce qui est illustré à la Figure 3.
Figure 5 est une vue de haut de ce qui est illusiré à la Figure 3.
Descri~~tion dëtaillëe des dessins:
Dans Ia description qui suit les méznes repères numériques désignent des
éléments semblables. Les modes de réalisation montrés dans les f gares sont à
titre
indicatif seulement.
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Dans le contexte de la présente description, et en plus de sa définition
habitielle,
le terme "chauffer" peut aussi dire faire fondre ou sublimer la glace et le
mot
"infrarouge" inclut tout rayonnement électromagnétique de nature thermique
(rayonnement de type visible, infrarouge court, infrarouge moyen, infrarouge
long, etc.).
5
De plus, bien que la présente invention soit principalement conçue potzr
chauffer
des billes de bois 3 gelées en vue de faciliter leur écorçage, (invention peut
être utilisée
dans d'autres domaines pour d'autres applications, tel qu'évident pour une
personne
versée dans fart. Pour ces raisons, des expressions telles que "billes",
"bois", "gelées"
et/ou "écorçage" et toute autre référence et/ou toute autre expression
équivalente ou
semblable à ces dernières ne doivent pas étre considérées comme limitant la
portée de
la présente invention et incluent tout autre objet et toute autre application
avec lesquels
la présente invention peut êtxe utilisée et peut être utile.
De plus, bien que le mode de réalisation préférentiel du convoyeur 13 et des
moyens pour déplacer et faire pivoter les billes de bois 3 comportent
certaines
composantes, tels que chaînes, réflecteurs, etc., toutes ces composantes ne
sont pas
ziécessairement essentielles à l'invention et conséquemment ne doivent pas
être prises
dans leur sens restrictif, c'est-à-dire ne doivent pas être considérées de
façon à limiter
la portée de Ia présente invention. On doit y comprendre, tel qu'également
évident poux
une personne versée dans fart, que d'autres composantes et géométries
appropriées et
d'auires coopérations entre celles-ci peuvent être utilisées pour 1e convoyeur
13 ou toute
autre composante du système 1 selon la présente invention, afin de mettre en
oeuvre les
différentes étapes et sous-étapes de la méthode, tel que facilement ürzfëré à
partir de la
présente description, sans se départir de la poz-tëe de l'invention.
De plus, les expressions telles que "système", "appareil", "machine" et/ou
"ensemble", ainsi que toute autre expression équivalente et/ou mots composés
de celles-
ci, pourront êi~re utilisés de façon interchangeable , dans Ie contexte de la
présente
description. Ceci s'applique également pour d'autres expressions qui sont
mutuellement
équivalentes, telles que "rayonnement infrarouge", "chauffage infrarouge" et
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"rayonnement thermique" par exemple, tel qu'évident poux une personne versée
dans
l'art.
Faisant référence aux figures ci jointes, et de façon générale, la présente
invention concerne une méthode de chauffage de billes gelées. Plus
particuliërement, la
présente invention concerne une méthode de chauffage de billes de bois 3
gelées en vite
de faciliter leur écorçage, et concerne également un système 1 pour la mise en
oeuvre de
cette méthode. Tel que connu dans fart, chaque bille de bois 3 a normalement
un axe
longitudinal 5 (typiquement, un axe central 5), une surface périphérique ?
(surface
I O extérieure 7 de la bille), et un diamètre (moyen) domzë.
Selon la présente invention, la méthode comprend deux étapes principales,
notamment l'étape a) d'entraîtTer les billes de bois 3 gelées le Iong d'un
parcours
déterminé; et l'étape b) de soumettre les billes de bois 3 à un rayonnement
infrarouge 1 I
le long du parcours pour chauffer lesdites billes de bois 3 par rayonnement
infrarouge
I1.
Tel que deviendra plus apparent à la lecture de la description qui suit,
chacune
des étapes susmentionnées peuvent comprendre plusieurs sous-étapes
dépendamment
des applications pour lesquelles Ia présente méthode est utilïsée et les
résultats finaux
qui sont souhaités.
En effet, par exemple, et tel qu'il sera mieux expliqué ci-dessous, l'étape a)
pourrait comprendre Ies sous-étapes suivantes: i) faire pivoter Ies billes de
bois 3 autour
de leurs axes longitudinaux 5 respectifs le long d'au moins tme portion du
parcours afin
de permettre à la surface périphérique 7 de chaque bille de bois 3 d'être
soumise au
rayonnement infrarouge 11; ü) placer les billes de bois 3 parallèlement les
unes aux
autres; iii) alternativement, soit maintenir une certaine distance entre Ies
billes de bois
3 adjacentes, afin que des billes de bois 3 de différents diamètres puissent
être sowzzises
également au rayonnement infrarouge 11, et ainsi éviter que des billes de bois
3 de petit
diamètre soient cachées par des billes de bois 3 de plus grand diamëtre, ou
accoler des
billes de bois 3 adjacentes les unes aux auires, lorsque par exemple ces
billes de bois
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sont de diamètre semblable, afin de maximiser (utilisation du rayaimement
infrarouge
I I, c'est-à-dire maximiser la quantité de rayonnement infrarouge 11 émis
étant absorbé
par les billes de bois 3; iv) entraîner les billes de bois 3 le long d'un plan
horizontal,
comme par exemple, te long d'un convoyeur 13; v) entraW er les billes de bois
3 dans w~,e
direction transversale aux axes longitudinaux 5 des billes de bois 3,
notamment pour des
raisons d'efficacité d'espace d'agencement des composantes du systëme I
correspondant; vi) évaluer les caractéristiques des billes de bois 3 (ex. la
température,
dimension, etc.) avant de les soumettre au rayonzlement infrarouge 1 I; ou
vii) toute autre
étape convenable et désirée, tel qu'évident pour une personne versée dans
fart.
De façon semblable, l'étape b) susmentionnée peut également comprendre
plusieurs sous-étapes, comme par exemple, tel que mieux expliqué ci-dessous:
i)
so~zmettre les billes de bois 3 à un rayonnement infrarouge 1 I positionné au-
dessus du
plan horizontal; ü) soumettre les billes de bois 3 à un rayonnement infrarouge
11 ayant
I S une longueur d'onde située entre environ 0,7 et I O microns; iii)
soumettre les billes de
bois 3 à un rayonnement infrarouge 11 ayant une densité de puissance
déterminée en
fonction des caractéristiques des billes de bais 3 et de limitations relatives
à
l'inflammabilité; iv) soumettre les billes de bois 3 à un rayonnement
infrarouge 11
pendant une période déterminée en fonction. des caractéristiques des billes de
bois 3 (ex.
2Q Leur température iW tiale, etc.); v) réfléchir une porion du rayonnement
infrarouge I1
non-absorbé par les billes de bois 3 à nouveau vers des billes de bois 3 (soit
les mêmes
billes de bois 3 ou d'autres billes de bois 3 devant être soumises à un
rayonnement
infrarouge 11); ou vi) toute autre étape convenable et désirée; tel qu'évident
pour tme
personne versée dans f art.
De plus, tes étapes a) et b) peuvent être intimement liées selon les
applications
pour lesquelles Ia présente méthode est destine, tel qu'également évident pour
une
personne versée dans fart. Par exemple, f étape a) pourrait comprendre la sous-
étape de
trier les billes de bois 3 selon leur diamètre, les billes de bois 3 dont le
diamètre tombe
à l'intérieur d'une premiére plage de dialx~ètres étant entraînées le long
d'un premier
parcours déterminé, et les billes de bois 3 dont le diamètre tombe à
(intérieur d'une
seconde plage de diamètres étant entrainées Ie long d'un second parcours
déterminé. Par
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ô
conséquent, (étape b) pourrait comprendre en outre (étape de soumettre les
billes de
bois 3 triées à un rayonnement infrarouge 11 le long de chacun desdits
parcours, c'est-à-
dire, il pourrait y avoir un premier système de chauffage par rayonnement
infrarouge 11
poux chauffer les billes de bois 3 de la première plage de diamètres et un
autre système
de chauffage infrarouge 11 par rayonnement infrarouge 11 séparé (ou un ré-
acheminement ver s le premier système de chauffage après avoir traité les
billes de bois
3 de la premiëre plage de diamètres) pour chauffer les billes de bois 3 de la
seconde
plage de diaznètres.
Tel que précédemment expliqué, la présente invention concerne également un
système 1 pour chauffer des billes de bois 3 gelées en vue de faciliter leur
écorçage. Le
système 1 comprend un convoyeur 13 pour entraîner les billes de bois gelées le
long d'un
parcours déterminé et une surface 15 de rayonnement infrarouge 11 positiom~ée
par
rapport au convoyeur 13 pour soumettre les billes de bois 3 à un rayonnement
infrarouge
11 le long du parcours et chauffer lesdites billes de bois 3 par rayonnement
infrarouge
11.
Puisque le système 1 selon la présente invention est destiné à mettre en
oeuvre
la méthode susmentionnée, il comprend de préférence plusieurs moyens,
appareils et/ou
dispositifs pour effectuer chacune des étapes et sous-étapes ci-dessus
décrites.
Par exemple, et de préférence, le système 1 selon la présente invention
comprend: des moyens pour faïre pivoter les billes de bois 3 autour de leurs
axes
longitudinaux 5 respectifs le long d'au moins une portion du parcours afin de
permettre
à la surface périphérique 7 de chaque bille de bois 3 d'étre soumise au
rayonnement
infrarouge 11 (ces moyens comprenant de préférence des chaînes à dents ou des
chaines
à crémaillères 19 coopérant avec le convoyeur 13, ou tout autxe dispositif
convenable);
des mayens pour placer les billes de bois 3 parallèlement les unes aux autres;
des
moyens pour maintenir une certaine distance entre les billes de bois 3
adjacentes; des
moyens pour accoler les billes de bais 3 les unes aux autres; un convoyeur 13
apte à
entrainer les billes de bois 3 le long d'un plan horizontal; une surface 15 de
rayonnement
infrarouge 11 positionnée au-dessus du plan horizontal; des moyens pour
entraîner les
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bïlles de bois.3 dans une direction transversale aux axes longitudinaux 5 des
billes de
bois 3; des moyens pour trier les billes de bois 3 selon leur diamètre, les
billes de bois
3 dont Ie diamètre tombe à (intérieur fane première plage de diamètres étant
entrâmées
le long fan premier parcours déterminé, et les billes de bois 3 dont Ie
diamètre tombe
S à (intérieur d'une seconde plage de diamëtres étant entraînées le long fan
second
parcours déterminé; une surface de rayonnement infrarouge pour chaque
parcours; au
moites une draine de butées 23 coopérant avec le convoyeur 13 pour entrainer
les billes
de bois 3; un dispositif (évaluation pour évaluer les caractéristiques des
billes de bois
3 avant de les soumettre au rayonnement infrarouge 1 I; des moyens pour
contrôler, en
I O fomction des caractéristiques (ex. la température initiale, etc.) des
billes de bois 3, la
période durant laquelle les billes de bois 3 doivent être soumises au
rayonnement
ïnfrarouge 11; au moins un réflecteur 21 pour réfléchir une portion du
rayonnement
infrarouge 11 non-absorbé par Ies billes de bois 3 vers des billes de bois 3
(soit les
mêmes billes de bois 3 ou (autres billes de bois 3 devant être chauffées), le
réflecteur
I5 2I étant préférablement positionné au-dessous du convoyeur 13 si Ia surface
15 de
rayonnement infrarouge I I est positionnée au dessus de celui-ci; etc.
De plus, Ie rayonnement infrarouge 11 a préférablement une longueur fonde
située entra environ 0,7 et 10 microns et iuZe densité de puissance
détern~inée en fonction
20 des caractéristiques des billes de bois 3 et de limitations relatives à
l'znflamünabilité. De
préférence également, la surface de rayonnement infrarouge 11 peut prendre la
forme
férnetteurs 25 êlectriques, de radiants à gaz, de radiants à gaz de type
catalytique, ou de
tout autre émetteur 25 adéquat pour émettre un rayonnement infrarouge 1 I ou
tout autre
rayonnement thermique adéquat destiné à chauffer Ies billes de bois 3 selon la
présente
25 invention et présentant les caractéristiques préférentielles mentionnées
dans la présente
description.
Différents autres aspects, caractërïstiques et avantages de la présente
invention
deviendront plus apparents à ta lecture de la description qui suit du
fonctionnement
30 général et principes de base, des travaux expérimentaux réalisés, des
résultats d'essais,
d'une description d'une installation typique et des améliorations et avantages
réalisables
dar3.s le cadre de la présente invention.
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Fonctionnement général et principes de base
La solution qui est ici proposée et qui constitue l'objet de l'invention
implique
5 la technologie infrarouge. Cette technologie préférentielle a été choisie
pour sa
simplicité et sa capacité de chauffer efficacement à un coût raisonnable, Ä.
la base de la
technologie, Lzn simple élément chauffant est porté â haute température, ce
qui lui permet
d' émettre du rayonnement dit "infrarouge", non visible à l' oeil nu et de
nature thezmique,
chauffant les objets qu'il "éclaire". Les équipements infrarouge utilisés en
milieu
1 O industriel émettent, en pratique; un rayonnement couvrant la gamme de
longueurs
d'onde situées entre environ 0,7 et 10 microns. On distingue souvent entre
l'infrarouge
de type "court", l'infrarouge "moyen" et l'infrarouge "long". L'infrarouge
court implique
une température d'émission supérieure à environ 2000 °C et son étendue
d'émission
spectrale couvre principalement la gamme allant d'environ 0,7 à 3,0 microns.
L'infrarouge moyen implique une température d'émission entre environ 700 et
1300 °C
et couvre une gamme allant d'environ 1 à 7 microns. L'infrarouge de type long
implique
une teznpéraiure d'émission d'environ 400 à 600 °C et couvre
principalement la gamme
de longueurs d' onde allant d'environ 2 â 10 microns.
Tout comme la technique de trempage à l'eau chaude, l'infrarouge chauffe
strictement en surface et n' a pas ou très peu la capacité de chauffer en
profondeur.
Méme l'infrarouge de type court, qui a la capacité de pénétrer certains
matériaux, ne
pénètre que très marginalement la surface externe de l'écorce. Par contre, la
zone â
chauffer, soit l'écorce, est directement sous la surface externe de la bille.
En fait, il faut
chauffer l'écorce dite "humide" située sous l'écorce dite "sèche" jusqu'à
l'interface bois-
écorce où se trouve le cambium. Cette zone est donc chauffée par conduction
thermique
depuis la surface exposée à l'infrarouge vers l'intérieur de la bille. Par
contre, toute la
périphérie des billes 3 doit être exposée au rayonnement infrarouge 11, ce qui
est
réalisable en faisant rouler la bille 3 sur elle-même au-dessous d'un plan
d'émetteurs 25.
En d'autres mots, le chauffage par xayozmement infrarouge 11 ne consiste pas à
effectuer un dégel complet de la bille 3 mais plûtôt à en préchauffer la
surface 15. Dans
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les faits, l'écorce externe, soit la partie visible, ne contient pratiquement
pas d'eau. Par
contre, la couche sous jacente, soit l'écorce interne située entre l'écorce
externe et le
bois, contient une quantité d'eau importante. Lorsque fortement gelée, cette
eau
augmente la force d'adhésion entre le bois et l'écorce. Il faut donc
réchauffer cette partie
si l'on désire un bon fonctionnement de l'écorceuse, qui maximise le rendement
en
sciage et améliore la qualité des copeaux (en réduisant la quantité d'écorce
dans les
copeaux).
Idéalement, un système de préchauffage par infrarouge devrait comporter un
système de convoyage où toutes les billes 3 seraient accolées les unes aux
autres, afm
de minimiser les pertes de xayonnement entre les billes 3. En réalité, le
déplacement par
rotation des billes implique un mouvement tangentiel inverse entre deux billes
adjacentes, tel que mieux illustré à la Figure 1.
Naturellement, il est physiquement très difficile de réaliser un déplacement
latéral sans prévoix un certain espacement entre les billes 3. De plus, les
billes 3 n'ont
pas toutes le même diamètre et le fait de les tenir côte à côte impliquerait
de cacher les
billes petites entre deux billes de fort diamètre.
Le convoyeur 13 envisagé implique des chaûxes à butées 23 pour pousser chaque
bille 3 et des chaînes à dents ou des chaires à crémaillères fixes ou mobiles
19 pour
assurer leur rotation. La distance entre chaque butée est uniforme le long du
convoyeur
13 et est supérieure au diamètre maximal des billes 3 entraait sous un plan d'
émetteurs
infrarouge, tel que mieux illustré à la Figure 2.
L'utilisation de l'infrarouge permet de s'affranchir complètement de
l'utilisation
d'eau et des problëmes environnementaux associés. Par contre, la mise en
oeuvre de ce
type de système 1 requiert de respecter certaines limites de densité de
puissance, de
choisir un type particulier d'émetteurs 25 infrarouge, et d'utiliser un
convoyeur 13
permettant d'exposer toute la périphérie des billes 3. Un projet de recherche
a donc été
initié af n de répondre à certaines interrogations techniques et pour faire la
démonstration du principe.
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Travaux expérimentaux réalisés
Dans un premier temps, iI a été démontré qu'il n'est pas nécessaire de
décongeler complètement les billes 3. Le fait d'obtenir, à l'interface entre
le bois et
l'écorce, une température de quelques degrés sous le point de congélation
réduit de
manière substantielle l'effort de cisaillement à l'écorceuse. Cette
démonstration a été
faite à partir d'échantillons de billes 3 de différentes espèces à diverses
températures
sous le point de congélation et à l'aide d'un appareil mesurant l'effort de
cisaillement
à fournir pour détacher l'écorce d'échantillons de billes 3.
Dans un deuxiëme temps, tel que mieux. illustré aux Figures 3 à 5, un pilote
comportant un convoyeur 13 sous des émetteurs 25 infrarouge a été construit
pom
caractériser le comportement thermique des billes 3 sous diverses densités de
puissance
de rayonnement infiarouge et périodes d'exposition, sur des billes 3 de
différents
diamètres et épaisseurs d'écorce et selon diverses températures initiales. Les
figures 3
à 5 montrent le pilote avec ses principales composantes.
Ce pilote a servi à établir des paramètres d'opération, tels la puissance et
le
temps d'exposition des billes 3 au rayomiement infrarouge. Tel qu'illustré sur
la fzgure
3 (et de façon semblable, à la Figure 2), cet équipement se caractérisait par
des émetteurs
infrarouges placés au-dessus d'un convoyeur I3 permettant le déplacement et la
rotation des billes 3; la surface externe 7 de chacune des billes 3 est ainsi
complètement
exposée au xayomement üifrarouge I I . Des thermocouples ont été installés à
différentes
25 profondeurs à l'intérieur de la bille 3 afm de mesurer la hausse de
température. Des
billes d'épinette notre gelées à des températures d'environ -I S °C à -
30 °C, et de
différents diamètres, ont été exposées à plusieurs niveaux de densité de
puissance et à
plusieurs temps d'exposition. Ces essais ont permïs de connaitre les
paramètres
d' opération optimaux.
Plus précisément, ces essais ont permis de mesurer la température en
profondeur
de Ia bille 3 par thermocouple et en surface par pyrométrie. La bille 3
comportant des
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thermocouples était placée sur le convoyeur 1.3 avec deux billes 3 voisines de
part et
d'autre. Dans un premier temps, les chaînes à butées 23 déplaçaient les trois
billes 3 sous
la zone d'exposition aux infrarouges. Une fois les billes 3 sous les émetteurs
25, les
chaînes à dents faisaient rouler les billes 3 sur elles-mémes pendant un temps
prédéterminé allant d'environ 1 à 8 minutes. Dans un troisième temps, les
billes 3 étaient
retirées de la zone de chauffage et le mouvement de rotation se continuait
sans
exposition à l'infrarouge pendant plusieurs minutes, le total du temps
d'exposition et de
non-exposition correspondant à un laps de temps typique entre l'entrée d'une
bille 3
dans une scierie et la station d'écorçage.
Un autre type d' essai a aussi consisté à placer des morceaux de bois tels
qu'écorces, sciures et copeaux sur une plaque métallique sous différents
niveaux de
densité de puissance de rayonnement pour observer la tendance à
l'inflammabilité.
Résultats d'essais
Les essais de cisaillement
Les résultats des essais de cisaillement en fonction de la température ont
montré
que l'effort de cisaillement diminue fortement avec une augmentation de la
température.
Cette diminution est particulièrement forte au-dessous du point de
congélation, et moins
marquée près et au-dessus du point de congélation. Comme la dépense
énergétique serait
très grande si on demandait au système de chauffage infrarouge de faire passer
toute
l'eau de l'écorce de l'état solide à l'état liquide, il est donc apparu
évident qu'il est
avantageux de limiter l'élévation de température jusqu'à quelques degrés sous
le point
de congélation. Les efforts de cisaillement ne sont alors pas beaucoup plus
grands qu'au-
dessus du point de congélation (le point de congélation de l'eau dans le bois
est inférieur
d'environ 2 ou 3 degrés à la température normale de l'eau pure, à cause de la
présence
de minéraux dans l'eau).
Les essais de chauffage de billes sur le pilote ihfi~a~ouge
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Les résultats de chauffage par infrarouge sur le pilote ont confïrmë le bien-
fondé
de la technologie infrarouge pour préchauffer la bille 3 et obtenir une
température
adéquate à l'interface entre l'écorce et le bois (i.e. au cambium). Le
rayonnement
infrarouge 11 est strictement absorbé en surface de l'écorce: la chaleur est
transmise plus
profondément, par conduction thermique à travers l'écorce. Pendant la période
d'exposition à l'infrarouge, latempërature en surface monte rapidement et le
gradient
de température dans l'épaisseur de l'écorce est élevé. Pendant la période de
"non-
exposition" subséquente, ce gradient diminue fortement. Ä la fin de cette
période, le
gradient de température dans l'épaisseur de l'écorce est plus faible:
l'énergie contenue
dans la couche de surface (essentiellement "l'écorce sèche") a ëtë transférée
en grande
partie aux couches inférieures plus froides ("écorce humide" et aubier).
Les essais ont démontré qu'il est effectivement possible, même avec des billes
3 trës froides (environ -30 °C), d'obtenir, aprës quelques minutes
d'exposition à
IS l'infrarouge et une période de "non-exposition", une température (environ -
6 °C) à
l'interface entre Ie bois et l'écorce à laquelle l'écorçage est facilité de
manière
satisfaisante. Lorsque cette température est atteinte à l'interface bois-
écorce, toute
l'écorce se retrouve alors à une température supérieure à la température de
l'interface
bois-écorce. La surface externe de l'écorce est alors à une température quasi-
stable entre
environ 5 et 10 °C. Donc, une certaine partie de l'eau contenue dans
l'écorce n'est plus
gelée.
Il est ressorti des essais que plus la température initiale de la bille 3 est
basse,
plus l'exposition à l'infrarouge est efficace. Tant et si bien que la dépense
énergétique
nécessaire pour une montée jusqu'à la température d'écorçage est sensiblement
la méme,
que la bille soit à une tempëratL~re initiale d'environ -20 °C ou de -
30 °C. Une
explication pour ceci est que l'eau contenue dans l'écorce passe à l'état
liquide plus
tardivement lorsque la bille 3 a une température de départ d'environ -30
°C. Or, la glace
possède une conductivité thermique plus grande que l'eau (d'un facteur quatre)
et ceci
permet à la chaleur absorbée en surface de mieux se propager à l'intérieux de
la bille.
Aussi, le passage de l'état solide â l'état liquide de l'eau contenue dans
l'écorce requiert
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me quantité appréciable d'énergie, qui n'est alors plus disponible pour
pénétrer plus
profondément.
Par ailleurs, les essais réalisés tendent à indiquer que l'énergie requise
pour
5 effectuer une montée en température jusqu' au niveau désiré de température
est
sensiblement proportionnelle au diamètxe de la bille 3. Dans le cas où l'
espace entre
deux billes 3 successives sur le convoyeur 13 est toujours le méme, ceci
implique que
le diamètre des plus grosses billes 3 détermine la consommation énergétique
pour toutes
les billes. Ce qui revient à dire que les plus petites billes 3 recevront plus
d'énergie que
10 nécessaire. Un critère à considérer dans cette situation est la facture
énergétique.
Toutefois, un convoyeur 13 ajustant la distance entre les billes 3 est
envisageable. Les
petites billes 3 recevraient alors moins d'énergie et la facture énergétique
globale serait
minimisée.
15 Les essais ont montré que pour des émetteurs 23 infrarouge électriques, la
dépense énergétique pour élever la température à l'interface bois/écorce d'une
bille
typique d'environ 3,8 mètres de longueur depuis une température très basse
(environ -
°C à -30 °C) jusqu'à environ -6 °C est estimée à environ
3 lcWh par mètre de
diamètre. Pour une bille d'environ 20 cm de diamètre, ceci signifie une
dépense
20 énergétique d'environ 0,6 kWh. Si on fait l'hypothèse de l'utilisation d'un
convoyeur
13 à espacement fixe entre les billes 3, et que les plus grosses billes 3 ont
environ 20 cm
de diamëtre, cela signifie que la dépense énergétique est d'environ 0,6 kWh
par bille,
quel que soit le diamètre. Ä un coût d'envirôn 10 â 15 ø du kilowattheure
électrique
(coût marginal de l'électricité au Québec, tenant compte d'une forte pénalité
sur l'appel
de puissance), ceci correspond à un coût inférieur à environ 10 ø par bille.
Tous les essais sur le pilote infrarouge ont porté sur l' épW ette noire
exclusivement. Parmi tous les résultats d'essai, les cas les plus à l'écart de
la tendance
générale des points expérimentaux étaient ceux associables à une écorce
présentant des
morceaux partiellement détachés et parfois supeiposës. Or, la présence
d'interstice d'air
encre deux écailles d'écorce ou entre l'écorce et le bois constitue une
barrière au transfert
de la chaleur vers l'intérieur de la bille, ce qui explique la plus grande
consommation
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d'énergie. L'épinette noire, qui présente souvent cette morphologie d'écorce,
constitue
donc un cas défavorable par rapport aux autres essences du nord comme le sapin
baumier. La technologie hifiarouge est donc vraisemblablement applicable à
l'ensemble
des essences constituant la matière première des scieries nordiques. ,
des essais d'infla~fanzabilité
L'utilisation de l'infrarouge sol~lève la question de l'inflammabilité. En
effet, les
émetteurs 25 infrarouges chauffent tout ce qui leur fait face avec une
intensité
relativement élevée. Toutefois, les densités de puissance de rayonnement
impliquées
dans le cas du préchauffage de billes 3 ne peuvent provoquer l'inflammation
des billes
3 de façon directe. Les conditions (niveau de densité de puissance de
rayonnement,
température de l'air avoisinant, surface exposée par rapport au volume, temps
d'exposition, etc.) ne sont tout simplement pas susceptibles d'initier et de
maintenir une
combustion d'une bille pleine. Par contre, des particules de bois, comme des
sciures et
des morceaux d'écorce, qui se retrouvent exposées longtemps à l'infrarouge
peuvent
entrer en çombustion, et ces paramètres peuvent être facilement et
convenablement
contrôlés, tel qu'évident pour une personne versée dans l'art.
Sur le pilote infrarouge, la zone centrale des convoyeurs 13 comporte des
plaques métalliques (réflecteurs 21) réfléchissant partiellement le
rayonnement qui serait
autrement perdu vers le bas. La partie réfléchie est dirigée en partie vers
les billes 3, en
partie redirigée vers la surface des émetteurs 25 infrarouges, ce qui améliore
l'efficacité
énergétique. Ces plaques sont placées entre les chaînes de déplacement des
billes et font
directement face aux émetteurs 25 qui les surplombent: elles sont donc
soumises au
rayonnement et, sans la présence de billes 3, leur température peut s'élever.
Les
particules de bois se retrouvant sur ces plaques sont donc chauffées, d'une
part par
contact direct avec les plaques métalliques, et d'autre part par rayonnement
provenant
des émetteurs 25 infrarouges.
C'est dans ces conditions qu'ont été réalisés les essais d'inflammabilité.
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Les tests d'inflammabilité ont montré que la densité de puissance à l'émetteur
infrarouge doit être inférieure à un certain niveau donné pour éviter
l'inflammation des
diverses particules de bois se retrouvant au niveau du convoyeur, tel
qu'évident pour une
persoxme versée dans l'art.
Par contre, une inflammation de ces particules ne pourrait vraisemblablement
pas provoquer l'inflammation de billes complètes. De plus, si
l'inflaanmabilité constitue
un obstacle, des systèmes de prévention d'ülcendie comme des dispositifs de
jet d'eau
ou de vapeur, et/ou un système de balayage/évacuation des particules,
pourraient être
également prévus selon la présente invention, tel qu'également évident pour
une
personne versée dans l'art.
Description d'une installation typique
Dans la plupart des scieries, les billes 3 sont coupées et triées selon leur
longueur, puis transportées les unes parallèlement aux autres sur un convoyeur
13 qui
les achemine vers d'autres systèmes de triage. Les billes 3 de plus fou et
plus faible
diamètres sont alors acheminées vers les écorceuses. Entre le moment d'entrée
de la bille
dans la scierie et l'écorçage s'écoulent donc plusieurs minutes. Souvent, un
convoyewr
13 d'une largeur équivalente à la longueur des billes 3 et d'une longueur
appréciable
(plus d'une vingtaine de mètres) est déjà présent.
Une installation infrarouge consisterait simplement à couvrir le convoyeur 13
d'émetteurs 25 infrarouges sur la pleine largeur et sur une longueur
compatible avec le
temps d'exposition à l'infrarouge requis. Ces émetteurs 25 peuvent être de
différents
types. Les émetteurs 25 envisagés jusqu'ici sont de type "panneaux
infrarouges". Ces
panneaux ont en général une épaisseur d'une dizaine de centimètres. Une
certaine
distance entre le niveau du plan du convoyeur 13 et la surface 15 émettrice
doit être
respectée, et des barres transversales pourront assurer la protection de la
surface 15 des
émetteurs 25 contre le soulèvement d'une bille 3. Toutefois, la hauteur
occupée par les
panneaux infrarouges et par ces barres serait relativement faible: l'espace
vertical
disponible entre le plan du convoyeur 13 et le plafond du bâtiment d'entrée
des billes
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3 dans la scierie est amplement suffisant. L'implantation d'un système de
chauffage
infrarouge dans une scierie ' conventiomzelle ne pose donc pas de problème
insurmontable: seule la longueur nécessaire à un temps de chauffage adéquat
est
susceptible de nécessiter des réaménagements dans la scierie.
L'utilisation d'émeiteurs 25 infrarouges alimentés à l'électricité va de soi
dans
les régions nordiques où cette forme d'énergie est disponible. Toutefois,
l'utilisation de
radiants à gaz, particulièrement de type à combustion catalytique, est tout
aussi
envisageable.
La plus grosse considération se situe au niveau du convoyeur 13.
Habituellement, les convoyeurs 13 utilisés n'imposent pas un mouvement de
rotation
continu aux billes. Or, dans un éventuel système à l'infrarouge, un mouvement
de
rotation est préférable afin d'exposer toute la périphérie de la bille 3 au
rayonnement
provenant du plan des émetteurs 25 surplombant les billes 3. Et il est
avantageux de
réaliser la rotation tout en déplaçant latéralement les billes 3.
' Le pilote utilisé pour les essais expérimentaux comportait deux chaînes à
butées
et deux chaînes à dents, les premières pour déplacer les billes 3 latéralement
et les
dernières pour faire tourner les billes 3 sur elles-mêmes sans déplacement
latéral.
Dans une installation réelle, les chaînes à dents pourraient être remplacées
par
des crémaillères fixes, et la rotation serait assurée par le déplacement
latéral des billes
3 sur les dents des crémaillères 19. Le type de convoyeur 13 peut toutefois
être différent.
L'important est de s'assurer que les billes 3 tournent sur elles-mêmes et que
chacune ne
soit pas gênée dans son mouvement par la présence des billes 3 voisines.
Idéalement, la
distance entre chaque bille 3 pourrait être ajustée dynamiquement afin de
minimiser
l'espace entre deux billes 3 voisines, donc minimiser les pertes de
rayonnement passant
entre deux billes 3 côte à côte. Car même s'il y a présence d'une plaque
réfléchissante
sous les billes 3, celle-ci peut absorber une partie du rayonnement infrarouge
11
provenant des émetteurs 25 et ceci implique certaines pertes énergétiques.
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Pour minimiser l'énergie dépensée, il serait avantageux, dans le cas où la
distance entre deux billes 3 n'est pas ajustable, de discriminer les billes 3
selon le
diamëtre. On peut imaginer un système de chauffage infrarouge pour les billes
3 de plus
petit diamètre et un autre pour les billes 3 d'un plus grand diamètre.
Le co~ti°ôle de la puzssafzce
Comme mentionnë précédemment, l'énergie dëpensée pour les billes 3 entrant
dans la scierie à environ -20 °C ou à -30 °C est sensiblement la
méme. Mais l'énergie
requise est naturellement moindre pour des billes 3 entrant à environ -10
°C, car la
température à obtenir au cambium est autour d'environ -6 °C. Dans ce
cas, il serait
avantageux de réduire la puissance délivrëe aux ëmetteurs 25 infrarouges, soit
en
abaissant la puissance de l'ensemble des émetteurs 25 par des systèmes
électroniques
de contrôle, soit (préfërablement) en mettant hors circuit un certain nombre
d'ëmetteurs
I5 ~5 infiarouges. Dans les deux cas, le paramètre de contrôle pourrait être
Ia température
des billes 3 à l'entrée, lue par pyrométrie ou contact direct. avec une sonde
de
température, comme un thermocouple par exemple.
Améliorations et avantages rëalisables
L'application de l'infrarouge au prëchauffage de billes avant écorçage permet
d'obtenir en quelques minutes une température cible à l'intérface bois-écorce
qui facilite
l'écorçage. L'invention procure donc tous les avantages de la technique à
l'eau chaude
relativement à la perte de fibres de bois, à l'usure et à l'endommagement des
outils de
coupe des écorceuses et à la réduction de la présence d'écorce dans les
copeaux.
Par rapport à la technique classique des bassins de trempage ou des jets d'eau
chaude, elle élimine les problèmes de vidange et de traitement de l' eau usée.
Elle
élimine aussi l'espace occupé et les frais d'entretien des bassins de trempage
et de
dëcantation, ainsi que la plate-forme d'égouttement (les résidus du bassin de
trempage
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doivent être déposés sur une plate-forme adjacente au bassin de trempage pour
que
l'excédent d'eau revieime dans le bassin). L'utilisation d'un système
infrarouge au-
dessus d'un convoyeur permet d'utiliser un procédé au défilé, dans un espace
déjà
actuellement occupé par le convoyeur assurant le déplacement latéral des
billes 3 dans
5 les scieries.
Sur le plan énergétique, la technologie infrarouge est probablement plus
efFcace
que le chauffage à l'eau, les bassins d'eau chaude pour le trempage des billes
étant
souvent à l'air libre. La surface de l'eau chaude exposée à l'ambiant implique
10 d'importants transferts de chaleur par convection et rayonnement et
d'importantes pertes
par évaporation.
Par ailleurs, l'écorce détachée de la bille 3 contient moins d'eau que dans le
cas
de l'utilisation des bassins d'eau chaude, ce qui augmente le pouvoir
calorifique de
15 l'écorce. Dans l'éventualité d'une valorisation des écorces par combustion,
ceci
constitue un atout sur le plan énergétique et affranchit des problémes
typiques associés
à la combustion d' écorce chargée d' eau.
En d'autres mots, corrnne il peut maintenant être mieux apprécié, la présente
20 invention permet de résoudre plusieurs problèmes et inconvénients de l'art
antérieur, et
offre également plusieurs avantages par rapport aux méthodes et systèmes
conventionnels.
Par exemple, concernant le critére de productivité, la présente invention
permet:
une diminution de l'arrachement de bois d'environ 30%; une augmentation du
volume
de sciage; une diminution de l'usure et de l'endommagement des outils de
coupe, et une
uniformisation du procédé de fabrication des pâtes et papiers (étant donné la
moindre
variabilité saisonnière du contenu en écorce des copeaux).
Concernant le critère de qualité/valeur du produit, la présente invention
permet:
une amélioration de la qualité des copeaux (moins d'écorce et de particules
fores) et une
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amélioration de la qualité du papier (moins d'inconvénients liés à la présence
de
particules d'écorce: saletés, sclérite, défauts d'impression chez
l'imprimeur).
Concernant le critère d'efficacité énergëtique, la présente invention permet:
a)
coût: en moyeime, pour une scierie nordique du Québec et sur une saison
hivernale,
environ 0,06 /bille en électricité, soit environ 1 $ par mètre cube de volume
de bois et
b) retour sur investissement: environ 2 à 3 années si l'on ne tient compte que
des coûts
d'investissement, des coûts énergétiques et des gains de volume de fibres et
de bois;
moins d'un aa.1 en tenant compte de l'augmentation de la valeur des copeaux ou
de la
réduction des coûts en produits chimiques à la papetière.
Concernant le critère environnemental, la présente invention permet: une
réduction de la quantité de résidus d'écorçage (moins de bois dans l'écorce);
une
élimination de l'usage de l'eau dans les bassins de trempage et des
déversements d'eau
souillée; une amélioration de l'efficacité énergétique dans les procédés
brûlait l'écorce
et réduction des émissions polluantes; et une réduction de l'usage de produits
chimiques
dans les usines de pâtes et papiers pour extraire les particules d'ëcorce de
la pâte.
Bien que la présente invention ait été précédemment expliquée par le biais de
réalisations préférentielles de celle-ci, il doit être précisé que toute
modification à ces
réalisations préférentielles, à (intérieur du cadre des revendications
jointes, n'est pas
considérée changer ni altérer la nature et la portée de la présente invention.
