ИНЖИНИРИНГ: расчет, проектирование, наладка

Специальные виды сушки.

К специальным видам сушки, как указывалось ранее относятся: радиационная, диэлектрическая и сублимационная. Соответственно этим видам различают , высокочастотные и сублимационные сушилки.

1. Терморадиационные сушилки.

В этих сушилках необходимое для сушки тепло сообщается инфракрасными лучами. Таким способом к материалу можно подводить удельные потоки тепла (приходящиеся на 1 м2 его поверхности), в десятки раз превышающие соответствующие потоки при конвективной или контактной сушке. Поэтому при сушке инфракрасными лучами значительно увеличивается интенсивность испарения влаги из материала. Однако при высушивании толстослойных материалов скорость сушки может определяться не скоростью подвода тепла, а скоростью внутренней диффузии влаги или требованиями, предъявляемыми к качеству высушиваемого материала (недопустимость коробления, нарушения структуры и т. п.). Кроме того, в начальный период радиационной сушки под действием высокого температурного градиента влага может перемещаться вглубь материала до тех пор, пока под действием большей, противоположно направленной движущей силы (за счет градиента влажности) не начнется испарение влаги из материала. В связи с этим терморадиационная сушка эффективна в основном для высушивания тонколистовых материалов или лакокрасочных покрытий.

Применяются терморадиационные сушилки с электрическим и газовым обогревом. В качестве электрических излучателей используют зеркальные лампы или элементы сопротивления (панельные или трубчатые), а также керамические нагреватели – электрические спирали, запрессованные в керамической массе. Все эти нагреватели более сложны и инерционны, чем ламповые, но обеспечивают большую равномерность сушки.

Газовый обогрев обычно проще и экономичнее электрического. При газовом обогреве излучателями являются металлические или керамические плиты, которые нагреваются либо открытым пламенем, либо продуктами сгорания газов. По первой схеме обогрев излучающей панели 1 (рис. 1 а) открытым пламенем газовых горелок 2 производится со стороны, обращенной к материалу, который перемещается на транспортере 3. Больший к. п. д. и лучшие условия труда достигаются при применении второй схемы – с нагревом продуктами сгорания газов, движущимися внутри излучателя 1 (рис. 1 б). Газ и горячий воздух поступают в горелку 2. Продукты сгорания из камеры 6 направляются на обогрев излучающей поверхности. На пути они подсасывают в эжекторе 7 часть отработанных (рециркулирующих) газов для увеличения скорости потока теплоносителя и повышения коэффициента теплоотдачи от газов к поверхности излучения. Тепло отходящих газов используют для нагрева воздуха, поступающего в горелку 2, и в некоторых случаях – для предварительной подсушки материала.

В современных радиационных сушилках с газовым обогревом эффективно используют также излучающие насадки с беспламенным горением. Сущность этого способа нагрева заключается в пропускании смеси газов с воздухом через пористую плиту из огнеупорного материала со скоростью, превышающей скорость воспламенения смеси. При этом горение сосредоточивается на внешней поверхности раскаленной плиты, испускающей мощные потоки тепловой радиации.

Терморадиационные сушилки компактны и эффективны (для сушки тонколистовых материалов), но отличаются относительно высоким расходом энергии: 1,5—2,5 кВт•ч на 1 кг испаренной влаги, что ограничивает область их применения.

2. Сушка в токах высокой частоты и СВЧ (диэлектрические сушилки).

Для высушивания толстослойных материалов, когда необходимо регулировать температуру и влажность не только на поверхности, но и в глубине материала, в ряде случаев эффективно применение сушки в поле токов высокой и сверхвысокой частоты. Таким способом можно, в частности, сушить пластические массы и другие материалы, обладающие диэлектрическими свойствами.

Высокочастотная сушилка (ТВЧ сушка - рис. 2) состоит из высокочастотного генератора 1 и сушильной камеры 2. Переменный ток из сети поступает в выпрямитель 7, затем в генератор, где преобразуется в переменный ток высокой частоты. Этот ток подводится к пластинам конденсаторов 3 и 4, между которыми движется на ленте высушиваемый материал. Данная сушилка имеет две ленты 5 и 6, на которых последовательно высушивается материал. Под действием электрического поля высокой частоты (до 25 МГц) ионы и электроны в материале (содержащего обычно некоторое количество электролита, например раствора солей) меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда пластин конденсатора; дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала.

Изменяя напряженность электрического поля, можно регулировать температурный градиент между внутренними слоями материала и его поверхностью, т. е. регулировать скорость сушки, а также избирательно нагревать лишь одну из составных частей неоднородного материала. В поле токов высокой частоты возможна быстрая (за счет усиленной термодиффузии влаги) и равномерная сушка толстослойных материалов. Однако сушка этим способом требует таких удельных расходов энергии, которые в несколько раз превышают соответствующие расходы при конвективной и контактной сушке (2,5—5 кВт•ч на 1 кг испаренной влаги), Кроме того, оборудование сушилок является более сложным и дорогим в эксплуатации. Поэтому применение высокочастотной сушки рентабельно только в определенных условиях (например, для сушки дорогостоящих диэлектрических материалов) и требует технико-экономического обоснования в каждом конкретном случае.

Принцип действия СВЧ сушилки аналогичен ТВЧ сушке и состоит в разогреве материала с помощью энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот за счет частого изменения направления движения молекул в материале и их сталкивания, что вызывает межмолекулярное трение. СВЧ сушка начинается с первых же мгновений включения установки, разогрев происходит изнутри материала, следовательно, скорость сушки и качество материала повышается (нет пересыхания верхних слоев, а значит, и нет внутренних напряжений). СВЧ сушка проводится на высоких частотах 915 – 2500 МГц. Энергия СВЧ поля передаётся в материал путём излучения свободных, не связанных линией передачи энергии (контуром) колебаний в пространство герметичной металлической камеры. В этом случае взаимодействие электромагнитного поля с материалом максимально и не зависит от характеристик материала и нагрузочных способностей генераторов. Генераторы пространственно разнесены с высушиваемым материалом.

Оборудование СВЧ установки включает:

• генераторы СВЧ – магнетроны (крепятся снаружи камеры и являются основой СВЧ сушки),
• блоки питания магнетронов (располагаются снаружи установки с задней стороны на специальной стойке),
• СВЧ волноводы (изготавливаются из латуни, располагаются внутри установки, служат для ввода СВЧ энергии внутрь камеры и передачи ее посредством излучающей системы материалу),
• излучающую систему (обеспечивает выбор режима возбуждаемых волн, что позволяет достичь равномерности излучения по объему установки),
• реверсивные осевые вентиляторы с двигателями в тропическом исполнении (находятся внутри камеры, необходимы для удаления влаги с поверхности материала),
• вытяжную систему (которая в свою очередь включает электромагнитный клапан для выпуска пара и дополнительный вентилятор, расположенный снаружи установки),
• систему охлаждения и рекуперации тепла и
• систему автоматического регулирования сушки.

К достоинствам СВЧ сушки следует отнести высокую скорость сушки, равномерный прогрев по всему объему материала, что позволяет сушить материал во всем его объеме. Последнее особенно важно для сушки изделий определенной формы, склонных к растрескиванию или изменению формы при сушке.

К недостаткам относится, в первую очередь, высокие энергетические затраты, высокая стоимость и малый ресурс работы магнетронов. Расход электроэнергии составляет примерно такой же как и для ТВЧ сушки, однако стоимость магнетронов и вспомогательного оборудования существенно выше. СВЧ сушилки используют для сушки достаточно дорогих и требующих бережного обращения материалов, это лекарственные травы, ягоды, фрукты, овощи, керамика, ценные породы древесины др.

3. Сублимационные сушилки.

Для высушивания толстослойных материалов, когда необходимо регулировать температуру и влажность не только на поверхности, но и в глубине материала, в ряде случаев эффективно применение сушки в поле токов высокой и сверхвысокой частоты. Таким способом можно, в частности, сушить пластические массы и другие материалы, обладающие диэлектрическими свойствами.

Сушка материалов в замороженном состоянии, при которой находящая в них в виде льда влага переходит в пар, минуя жидкое состояние, называется сублимационной, или молекулярной. Сублимационная сушка проводится в глубоком вакууме (остаточное давление 1,0—0,1 мм рт. ст. или 133–13 Па) и соответственно – при низких температурах.

Принципиальная схема устройства сублимационной сушилки показана на рис. 3. В сушильной камере 1, называемой сублиматором, находятся пустотелые плиты 2, внутри которых циркулирует горячая вода. На плитах устанавливаются противни, 3 с высушиваемым материалом, имеющие снизу небольшие бортики. Поэтому противни не соприкасаются поверхностью днища с плитами 2 и тепло от последних передается материалу, преимущественно радиацией. Паровоздушная смесь из сублиматора 1 поступает в трубы конденсатора-вымораживателя 4, в межтрубном пространстве которого циркулирует хладагент, например аммиак. Конденсатор включается в один циркуляционный контур с испарителем аммиачной холодильной установки и соединяется с вакуум-насосом, для отсасывания неконденсирующихся газов и воздуха. В трубах конденсатора происходят конденсация и замораживание водяных паров. Для более удобного удаления льда обычно используют два конденсатора (на рис. 3 условно показан один), которые попеременно работают и размораживаются.

Процесс удаления влаги из материала протекает в три стадии. При снижении давления в сушильной камере происходит быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом (при этом удаляется до 15% всей влаги). Затем происходит удаление основной части влаги сублимацией, что соответствует периоду постоянной скорости сушки. На третьей стадии происходит удаление остаточной влаги тепловой сушкой. Механизм переноса влаги (в виде пара) от поверхности испарения при сублимационной, или молекулярной, сушке специфичен: он происходит путем эффузии, т. е. свободного движения молекул пара без взаимных столкновений их друг с другом. Сушка проводится при осторожном и мягком обогреве замороженного материала водой, потому что количество передаваемого тепла не должно превышать его расхода на сублимацию льда без его плавления. Непосредственно на сушку сублимацией расходуется умеренное количество тепла низкого потенциала (при температуре 40—50 °С), но суммарный расход энергии и эксплуатационные расходы больше, чем при любом другом способе сушки, исключая сушку в поле токов высокой частоты.

Применение этого дорогостоящего способа сушки целесообразно лишь в тех случаях, когда к высушенному продукту предъявляются высокие требования в отношении сохранения его свойств при длительном хранении. В настоящее время путем сублимации сушат главным образом ценные продукты, не выдерживающие обычно тепловой сушки и требующие продолжительного сохранения их биологических свойств. Это антибиотики, биологически активные вещества и некоторые другие медицинские препараты, плазма крови, высококачественные пищевые продукты.