Что такое радиационная сушка
5. Сушка инфракрасными лучами (радиационная)
Всякое нагретое тело испускает лучи различных длин волн, но каждой температуре соответствует максимальное излучение определенной длины волны. С повышением температуры максимум сдвигается в сторону коротких волн согласно закону смещения Вина:
Для сушки материалов используют главным образом лучи коротковолновой части инфракрасного спектра с длиной волн от 0,76 до 5-6 мк. Источником инфракрасных лучей в промышленных установках служат обычные осветительные лампы накаливания, специальные зеркальные лампы (инфракрасные лампы), электрические спирали (из нихрома или других сплавов, обладающих достаточной окалиностойкостью и большим электрическим сопротивлением), металлические или керамические поверхности с газовым или электрическим обогревом.
Длины волн генератора излучения абсолютно черного тела, соответствующие максимальному излучению
Для повышения эффективности излучения обычные осветительные электролампы и спирали, намотанные на керамиковые или кварцевые трубки, помещают в фокус параболы рефлектора. Внутренняя поверхность рефлектора покрывается гальваническим способом металлами, не тускнеющими на воздухе и обладающими после шлифования высоким коэффициентом отражения лучей.
Коэффициенты отражения для различных материалов (По Баеву)
Лучшим материалом для рефлектора является алюминий альзак (алюминий, обработанный химическим или электрохимическим способом). Другие металлы (за исключением золота) быстро тускнеют и отражательная способность их резко падает.
Радиационные установки с металлическими и керамическими излучателями более экономичны, чем с ламповыми излучателями. Металлические и керамические излучающие панели могут быть нагреты при сгорании природного, генераторного газа, а также топочными или дымовыми газами. Нагрев излучающих поверхностей в производственных условиях может производиться открытым пламенем или продуктами сгорания газа, проходящего внутри излучателя. При температуре нагрева до 800-600° К поверхности излучают инфракрасные лучи, длина волн которых 3,5-5 мк. Эти лучи поглощаются и отражаются в одинаковой степени многими материалами и красками, что обеспечивает более равномерный нагрев различных тел, чем в ламповых сушилках с лучами более коротких волн.
Режимы сушки
Скорость нагрева изделия инфракрасными лучами зависит от интенсивности излучения, расстояния от изделия до источника тепла и взаимного их расположения, вида и поглощающей способности нагреваемого материала, формы и цвета его поверхностей.
Сушка инфракрасными лучами получила широкое распространение в различных отраслях промышленности, в особенности при высушивании окрашенных поверхностей, бумаги, текстильных и прочих материалов.
Для толстых трудносохнущих материалов находят применение сушка при прерывистых режимах (периодический лучистый обогрев), комбинированная (радиационная и конвективная), экранированная и др.
В кожевенной и обувной промышленности радиационная сушка еще не получила достаточного распространения.
По данным ЦНИИКП сушку кож излучением целесообразнее проводить в закрепленном состоянии (во избежание коробления и изменения расстояния до источника излучения). В помещенной ниже таблице приведены режимы непрерывной сушки кож различных видов, установленные в лабораторной сушилке с инфракрасными лампами.
На обувных фабриках радиационный обогрев используется при активации клеевых поверхностей перед склеиванием, для сушки обуви после аппретирования, сушки клеев и красок.
Радиационные сушилки
Для основной сушки обуви разработано несколько типов радиационных
Агрегат радиационной сушки АРС (конструкции СКВ КОМ). В качестве излучателей в агрегате применены нихромовые спирали, помещенные в алюминиевый экран с воздушным зазором. Температура на внутренней поверхности экранов 130-145° С. Носочный и пяточный экраны изогнуты по форме обуви. Ботинок устанавливают на штуцер следом вверх. Носочная часть ботинка входит внутрь экрана, имеющего форму короба.
АРС представляет собой установку роторного типа, на барабане которой размещены секции для 18 пар обуви. Общее время сушки 12 мин. Положительные результаты пока получены только при сушке комбинированной обуви (текстиль и кожа) с гранитолевыми подносками и кожкартонными задниками.
Радиационная установка элеваторного типа с инфракрасными лампами (конструкции фабрики «Парижская Коммуна»). В установке на панелях размещены 72 лампы по 250 вт с экраном из полированного алюминия. Емкость установки 72 пары обуви. Обувь из кож хромового дубления с мофориновыми подносками и кожкартонными задниками высыхает в течение 30 мин.
Радиационно-конвективная сушилка АРКС-0 (конструкции ЦКБ МЛП РСФСР). Сушилка выпускается Грибановским машиностроительным заводом.
Схема сушилки АРКС-0 показана на рис. 109. Источником излучения в этой установке служат керамический излучатель (рис. 110), представляющий собой пластинки с запрессованными в них электрическими спиралями.
Рис. 110. Керамический излучатель
Сушилка имеет цилиндрическую форму. По боковой поверхности располагаются излучающие пластинки с индивидуальными отражателями. Обувь размещают внутри сушилки на полках вращающейся этажерки.
В сушилке осуществляется прерывистый радиационный нагрев (две зоны нагрева и зона охлаждения) с принудительной рециркуляцией воздуха, нагретого в самой установке. Время выдержки обуви в зонах нагрева и охлаждения регулируется по заданному режиму системой автоматического управления с реле времени.
Режимы сушки кож с применением инфракрасных ламп мощностью 250 вт (по М. А. Файбишенко)
Установка выполнена в виде элеватора, каркас 1 теплоизолирован. Затянутая обувь располагается на люльках 3, подвешенных к двухцепному пульсирующему транспортеру. Люлька останавливается против электроизлучателей, расположенных на вертикальных стенках и перегородках элеватора. В верхней и нижней частях установки (на звездочках) обувь не облучается и подвергается только воздействию теплого воздуха, нагретого внутри установки. Отработавший воздух отсасывается через вытяжное отверстие, расположенное в верхней части установки. Температура воздуха в сушилке задается в пределах 70-80 0 С и может регулироваться количеством выбрасываемого отработавшего воздуха. Напряжение питания излучателей также регулируется по группам. Общая емкость установки 96 пар. Обувь из кож хромового дубления с акрилофориновыми подносками и кожкартонными задниками высыхает за 30-35 мин. Время сушки регулируется.
Габарит установки, мм: ширина 1200, длина 1250, высота 3180.
Сушка
Технологии сушки древесины.
Камерная сушка
Это основная промышленная технология сушки древесины, осуществляемая в лесосушильных камерах различных конструкций, куда пиломатериалы загружают штабелями. Сушка происходит в газообразной среде (воздухе, топочных газах, перегретом паре), которая путем конвекции передает теплоту древесине. Для нагревания и циркуляции сушильного агента сушильные камеры снабжают нагревательными и циркуляционными устройствами. При камерной технологии сушки древесины сроки просыхания пиломатериалов сравнительно небольшие (от десятков часов до нескольких суток), древесина просыхает до любой заданной конечной влажности при требуемом качестве, процесс сушки поддается надежному регулированию.
Атмосферная сушка
Второй по значению и распространению на лесопильных предприятиях способ промышленной сушки древесины, осуществляемый в штабелях, размещенных на специальной открытой территории (складах), омываемых атмосферным воздухом без подогрева. Преимущество атмосферной технологии сушки древесины—сравнительно низкая себестоимость. Кроме того, этот способ является наиболее щадящим. Недостатки: сезонность (зимой сушка практически прекращается); большая продолжительность; высокая конечная влажность. Атмосферную технологию сушки древесины применяют, главным образом, для сушки пиломатериалов на лесопильных предприятиях до транспортной влажности и на некоторых деревообрабатывающих предприятиях для подсушки и выравнивания начальной влажности пиломатериалов перед сушкой в сушильных камерах для древесины.
Радиационная сушка
Радиационная сушка дерева происходит при передаче тепла материалу излучением от нагретых тел. Эффективность радиационной сушки определяется плотностью потока инфракрасных лучей и их проницаемостью в твердых влажных телах. Интенсивность потока лучистой энергии ослабляется по мере углубления в материал. Древесина относится к малопроницаемым для инфракрасного излучения материалам (глубина проникновения 3-7 мм), поэтому для сушки пиломатериалов этот способ не применяют. Его можно использовать для сушки тонколистовых материалов (шпона, фанеры), кроме того, этот способ широко применяют в технологии отделки изделий из древесины для сушки лакокрасочных покрытий. В качестве излучателей используют электроплиты, электронагревательные элементы, газовые (беспламенные) горелки, осветительные электролампы накаливания мощностью от 500 Вт и выше.
Вакуумная сушка
Вакуумная сушка при пониженном давлении в специальных герметичных сушильных камерах. Из-за сложности оборудования и невозможности получения низкой конечной влажности древесины вакуумная сушка самостоятельного значения не имеет. Применяют ее в комбинации с другими методами сушки и как вспомогательную операцию при подготовке древесины к пропитке.
Кондуктивная технология сушки
Кондуктивная (контактная) технология сушки древесины осуществляется передачей теплоты материалу посредством теплопроводности при контакте с нагретыми поверхностями. Ее применяют в небольших объемах для сушки, тонких древесных материалов — шпона, фанеры. Камерная сушка. Это основная промышленная технология сушки древесины, осуществляемая в лесосушильных камерах различных конструкций, куда пиломатериалы загружают штабелями. Сушка происходит в газообразной среде (воздухе, топочных газах, перегретом паре), которая путем конвекции передает теплоту древесине. Для нагревания и циркуляции сушильного агента сушильные камеры снабжают нагревательными и циркуляционными устройствами. При камерной технологии сушки древесины сроки просыхания пиломатериалов сравнительно небольшие (от десятков часов до нескольких суток), древесина просыхает до любой заданной конечной влажности при требуемом качестве, процесс сушки поддается надежному регулированию.
Диэлектрическая сушка
Диэлектрическая сушка — сушка древесины в электромагнитном поле токов высокой частоты, в котором нагрев древесины происходит за счет диэлектрических потерь. Благодаря равномерному нагреву древесины по всему ее объему, возникновению положительного градиента температур и избыточного давления внутри ее продолжительность диэлектрической сушки в десятки раз меньше конвективной. Из-за сложности оборудования, большого расхода электроэнергии и недостаточно высокого качества сушки собственно диэлектрическая сушка не находит широкого применения.
Ротационная сушка
Ротационная сушка древесины основана на использовании центробежного эффекта, за счет которого свободная влага удаляется из древесины при вращении ее на центрифугах. Механическое удаление свободной влаги достигается при величине центростремительного, ускорения не менее 100-500g (g — ускорение свободного падения). Такие ускорения из-за трудности точной балансировки центрифуги со штабелем на практике пока не достигнуты, ведутся лишь опытные разработки соответствующих устройств. В известных промышленных ротационных сушилках центростремительное ускорение не превышает 12g. При этих условиях механическое обезвоживание проявляется в небольшой степени. Однако интенсификация процесса сушки в диапазоне влажности выше предела гигроскопичности наблюдается. При установке карусели в сушильной камере технология сушки пиломатериалов такая же, как в обычных камерах периодического действия. Продолжительность сушки на первом этапе (от начальной влажности до предела гигроскопичности) сокращается в несколько раз в зависимости от толщины, породы и начальной влажности древесины по сравнению с обычной конвективной сушкой при одинаковых режимах. Хотя ротационные сушилки экономичны и обеспечивают высокое качество сушки, промышленного использования для сушки пиломатериалов ротационный способ пока не нашел.
Сушка в жидкостях
Сушка в жидкостях осуществляется в ваннах, наполненных гидрофобной жидкостью (петролатумом, маслом), нагретой до 105-120 °С. Интенсивная передача теплоты от жидкости к древесине позволяет сократить срок сушки по сравнению с камерной в 3-4 раза при прочих равных условиях. Этот способ применяют в технологии консервирования древесины для снижения ее влажности перед пропиткой. Попытки применить сушку пиломатериалов в петролатуме на деревообрабатывающих предприятиях не дали положительных результатов из-за того, что пиломатериалы после такой сушки не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к древесине для мебели и столярно-строительных изделий.
Комбинированные технологии сушки древесины
Более эффективно применение комбинированных технологий сушки древесины, например конвективно-диэлектрической и вакуумно-диэлектрической. Для массовой сушки применение этих способов неэкономично, но в отдельных случаях, особенно при сушке дорогих, ответственных пиломатериалов и заготовок из трудносохнущих пород древесины эти способы могут найти применение.
Вакуумно-диэлектрическая сушка
Это еще один способ сушки древесины с применением энергии ТВЧ При этой технологии используют преимущества и вакуумной и диэлектрической сушки. За счет нагрева древесины в поле ТВЧ при пониженном давлении кипение воды в древесине достигается при небольших температурах древесины, что способствует сохранению ее качества. Перемещение влаги в древесине при вакуум — диэлектрической сушке древесины обеспечивается всеми основными движущими силами влагопереноса: градиентом влагосодержания, температурой, избыточным давлением, что сокращает продолжительность сушки. При вакуум — диэлектрической сушке штабель пиломатериалов помещают в автоклав или герметичную камеру, где вакуум-насосом создается пониженное давление среды (1-20 кПа). Чем ниже давление среды, тем ниже и температура испарения влаги и древесины при сушке. Расход теплоты на сушку обеспечивается подводом высокочастотной энергии к древесине. При использовании этой технологии сушки древесины также возникают эксплуатационные трудности — сложность оборудования, особенно наладка и эксплуатация высокочастотных генераторов, большой расход электроэнергии на сушку. Поэтому при решении вопросов о применении вакуум — диэлектрнческих камер необходимо сначала по условиям конкретного предприятия разработать технико-экономическое обоснование.
Индукционная, или электромагнитная сушка древесины
Метод основан на передаче теплоты материалу от ферромагнитных элементов (сеток из стали), уложенных в штабеля между рядами досок. Штабель вместе с этими элементами находится в переменном электромагнитном поле промышленной частоты (50 Гц), образованном соленоидом, смонтированным внутри сушильной камеры. Стальные элементы (сетки) нагреваются в электромагнитном поле, передавая теплоту древесине и воздуху. При этом происходит комбинированная передача теплоты материалу: кондуктивным путем от контакта нагретых сеток с древесиной и конвекцией от циркулирующего воздуха, нагреваемого также сетками.
Конвективно-диэлектрическая сушка
При комбинированной конвективно-диэлектрической технологии сушки древесины к штабелю, загруженному в камеру, оборудованную тепловым и вентиляторным устройствами, подводят также и высокочастотную энергию от специального генератора ТВЧ через электроды, расположенные около штабеля. Расход теплоты на сушку в сушильной камере при этом в основном компенсируется тепловой энергией пара, подаваемого в калориферы, а высокочастотная энергия подается для создания положительного перепада температур по сечению материала. Этот перепад в зависимости от характеристики материала и жесткости заданного режима составляет 2-5°С. Качество конвективно-диэлектрической сушки пиломатериалов высокое, так как сушка ведется с небольшим перепадом влажности по толщине материала.
На постоянной основе закупаем берёзовые доски, обрезные и необрезные, естественной и транспортной влажности.
Что такое радиационная сушка
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.
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:
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.