 |
Радиационно-конвективная сушка
|
|
|
|
Радиационно-конвективная сушка является комбинирован ным способом, в котором теплоносителем являются электромаг нитные волны инфракрасного и видимого диапазонов и окружающий тело воздух.
Свойства инфракрасных волн. Генераторами инфракрас ных электромагнитных волн являются любые нагретые, обычно твердые тела — точечные, линейные или плоские излучатели. Если температура излучателя Т и не превышает 875 К, то спектр испускания целиком располагается в инфракрасной зоне, а длина волны, соответствующая максимуму излучения, по закону Вина* равна 3,31 мкм. Такие излучатели обеспечивают максимальный энергетический кпд, минимальный расход энергии в расчете на 1 кг испаренной влаги, удобны для сушки тел с большим влагосодержанием. Недостатком их является большая тепловая инерционность, т.е. большое время разогрева и охлаждения. Когда из полуфабрикатов удаляется незначительное количество влаги и теплоэнергетический показатель сушильного устройства не имеет решающего значения, для сокращения продолжительности сушки применяют практически безынерцион ные лампы «для сушки» или кварцевые инфракрасные лампы КИ-200-1000 с температурой нити накала 2500 К. Длина волны максимального излучения lм = 1,15 мкм этих ламп располага ется близ инфракрасной границы видимого спектра. Энергетический кпд их около 70%, поскольку часть энергии расходуется на видимое излучение.
Плотность потока излучения в соответствии с законом Стефана — Больцмана ** зависит от абсолютной температуры излучателя, а последняя — от потребляемой мощности Р. Инфракрас ные лучи подчиняются законам геометрической оптики и, в частности, закону облученности и законам отражения. Если излучатель точечный, то средняя облученность тела Е ср определяется по формуле
|
|
|
| (1.44) |
где aср — средний угол падения энергетического пучка, рад; R и — расстояние до излучателя, м.
*Длина волны, соответствующая максимуму излучения lм, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела Т: lм = С/Т, где С = 2,898Ч10-3 м × К — постоянная Вина.
**Плотность потока излучения всех длин волн Y (Вт/м2) спектра испускания абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры: Y = s T, где s = 5,67 × 10-8 Вт/(м2 × К4) — постоянная Стефана — Больцмана.
Для линейных и плоских излучателей облученность характеризуется угловым энергетическим коэффициентом k w [см. формулу (1.45)], который учитывает долю использования плотности потока излучения и зависит от соотношения площадей нагреваемого тела и излучателя и расстояния между ними.
Чтобы полнее использовать поток излучения, повысить коэффициент k w и выровнять облученность от точечных и линейных излучателей, применяют плоские, цилиндрические, параболические и эллиптические рефлекторы, устанавливаемые за излучателем. Плоские отражатели, дающие расходящийся отраженный пучок, в сушильных устройствах не применяются. Параболические рефлекторы успешно применяются в прожекторах и в фарах автомобилей, дают параллельный отраженный пучок инфракрасных и видимых лучей. Они могут быть эффективно использованы в сушильных устройствах, если полуфабрикаты движутся вдоль оси отражения или перпендикулярно ей, но непрерывным потоком. В сушильно-передающих устройствах СПУ и СПУ-270 поточных линий «Книга» и «Книга-270» применение параболических отражателей для 21 кварцевой инфраксной лампы не дало ощутимого эффекта по двум причинам: 1) полуфабрикаты (сшитые книжные блоки после первичной обработки) двигались перпендикулярно осям ламп и отражателей, при этом суммарная ширина отражателей составляла лишь малую часть пути движения полуфабрикатов; 2) при обработке блоков изданий форматом от 70x90/32 до 84x108/16 использовалось лишь 46-72% прямых лучей от нитей накала кварцевых ламп.
|
|
|
Эффективность использования отраженных лучей рефлекторами различной формы может быть определена значением коэффициента использования отраженных лучей k ол = a/(2p), где — плоский угол при линейном излучателе, определяющий долю используемых отраженных лучей. Наибольшее значение коэффициента k ол у эллиптических рефлекторов, дающих сходящийся отраженный пучок (рис. 1.17). По данным автора, при использовании эллиптических отражателей продолжительность сушки блоков, заклеенных ПВАД, сокращается в 1,6-1,7 раза по сравнению с отражателями других типов. Эллиптические отражатели наиболее эффективны при движении полуфабрикатов вдоль оси излучателя или в момент выстоя полуфабриката перед излучателем при поперечном движении транспортера.
|
| Рис. 1.17. Использование отраженных лучей различными рефлекторами: а — параболическим; б — эллиптическим; в — цилиндрическим |
Если полуфабрикаты движутся непрерывным потоком в направлении, перпендикулярном оси излучателя, то кратковременный интенсивный нагрев от сфокусированного пучка дает эффект импульсного режима сушки. Чтобы избежать местного перегрева, плоскость движения полуфабрикатов и вторая фокальная плоскость эллипсоида должны быть разнесены на величину R и в соответствии с определяющим размером В.
По разработкам кафедры ТП и ПП МГУП эллиптические отражатели кварцевых ламп могут быть заменены более простыми в изготовлении цилиндрическими. Они могут быть успешно применены в тех случаях, где нет необходимости точной фокусировки отраженных лучей и объект сушки располагается вне плоскости фокусировки изображения излучателя.
Инфракрасные лучи поглощаются поверхностью тела, проникая на глубину от 0,1 до 7,0 мм в зависимости от размеров и структуры капилляров, однако максимальная глубина проникновения тепловых лучей в ткани, бумагу и картон не превышает 1,0 мм. Глубина проникновения лучей увеличивается с уменьшением длины волны (с повышением Т и) и с уменьшением влагосодержания тела. Независимо от глубины проникновения лучей поверхность материала в начале процесса сушки прогревается значительно сильнее внутренних слоев. Это вызывает интенсивное испарение влаги с поверхности тела и большой температурный градиент, направленный к поверхности испарения.
|
|
|
Общая характеристика способа. Интенсивность радиационно-конвективного теплообмена q рк (Вт/м2) в первом периоде сушки равна
| (1.45) |
где k w — угловой коэффициент, зависящий от вида излучателя и взаимного расположения излучателя и тела; aп — коэффициент поглощения; Т и — абсолютная температура излучателя, К; Т п — абсолютная температура поверхности тела, К.
Первый член уравнения характеризует радиационный теплообмен, а второй — конвективный. В общем потоке тепла доля конвективного теплообмена составляет всего 1,5_3,0%, однако конвективная составляющая теплообмена позволяет изменять величину и направление вектора температурного градиента, регулировать температуру поверхности тела, интенсивность и жесткость режима сушки.
Для этого способа характерны значительные затраты элект-роэнергии, высокая плотность теплового потока, в 30-70 раз превышающая плотность потока при конвективной сушке, и большие температурные градиенты (2-5 К/мм). Поэтому скорость сушки примерно на порядок выше, а продолжительность сушки меньше. Однако рост скорости сушки не пропорционален количеству полученного телом тепла, так как он зависит от скорости перемещения влаги под влиянием градиентов температуры и влагосодержания, направленных, как правило, противоположно и определяемых видом тела и режимами сушки. Радиационно-кон вективная сушка применяется тогда, когда нужна малая продолжительность сушки и нет опасности порчи материала. В отделочных и брошюровочно-переплетных процессах она используется в лакировально-сушильных автоматах, в оборудовании для клеевой припрессовки полимерной пленки, в заклеечно-сушильном оборудовании поточных линий и в секциях агрегатов клеевого бесшвейного скрепления при изготовлении книжных изданий.
|
|
|
Особенности сушки различных тел. При сушке коллоидных тел градиенты температуры и влагосодержания на протяжении всего процесса направлены противоположно. В начале процесса температурный градиент оказывается доминирующим, и под его влиянием влага перемещается по направлению потока тепла в глубь тела, увеличивая градиент влагосодержания. Со временем grad U становится больше k тЧgrad U [см. формулу (1.40)], доминирую щим становится градиент влагосодержания, и тогда направление потока влаги изменяется на обратное: она начинает перемещаться навстречу потоку тепла, к зоне испарения, и общее влагосодержание тела постепенно уменьшается.
В капиллярно-пористых и капиллярно-пористых коллоидных телах сильно нагретые воздух и пар выходят из макрокапилляров, а более холодный влажный воздух из погранично го слоя в них засасывается. При этом поверхностные слои тела охлаждаются, а максимум температуры оказывается на некоторой глубине от поверхности тела (рис. 1.18). В тонких телах точки максимумов температуры могут совпасть, тогда градиенты grad T и grad U совпадут по направлению, что приведет к быстрому удалению влаги.
|
| Рис. 1.18. Распределение влагосодержания и температуры в материале при радиационно-конвективной сушке |
Режимы сушки. Режимами радиационной составляющей радиационно-конвективной сушки являются мощность излучателя, расстояние от излучателя до поверхности высушиваемого тела, а при прерывистом облучении — продолжительность периода облучения и его соотношение с так называемым периодом отлежки. С увеличением мощности излучателя и уменьшением расстояния до излучателя скорость сушки возрастает, а продолжительность уменьшается (рис. 1.19). При увеличении мощности излучателя и уменьшении расстояния до него режим сушки становится более жестким: увеличиваются температура поверхности материала и температурный градиент, особенно во втором периоде сушки. Это может привести к ухудшению технологических свойств полуфабрикатов или к их порче — растрескиванию, обугливанию и даже сгоранию. В то же время, как показали исследования, проведенные в МГУП автором, если сушка блоков, заклеенных ПВАД, заканчивается в тот момент, когда из блока удаляется только 60% влаги, внесенной с клеем, прочность клеевого скрепления тетрадей увеличивается по мере роста энергетической облученности поверхности корешка. Это объясняется тем, что интенсивный нагрев до температуры стеклования поливинилацетата (29°С) способствует взаимной диффузии шарообразных частиц поливинилацетата друг в друга и
диффузии адгезива в субстрат, в результате чего возрастает когезионная и адгезионная прочность клеевого соединения.
|
|
|
|
| Рис. 1.19. Зависимость продолжительности радиационно-конвек тивной сушки блоков от мощности кварцевого излучателя (а), расстояния до кварцевого излучателя (б): 1 — блоки из офсетной бумаги № 1; 2 — из бумаги для высокой печати № 1 |
Импульсный режим облучения. Радиационно-конвектив ную сушку целесообразно проводить с перерывами в облучении. В этом случае в период облучения Т об тело получает тепло, необходимое для испарения влаги, а в период отлежки Т от охлаждается вследствие испарения жидкости за счет аккумулированно го тепла. Так как испарение происходит в поверхностных слоях, то в период отлежки температура поверхности тела Т п резко снижается, поэтому температурный градиент меняет свое направление и уже не замедляет, а ускоряет перенос влаги в зону испарения под действием градиента влагосодержания. При обдуве поверхности тела сравнительно холодным воздухом (Т с < Т п) модуль температурного градиента в период отлежки увеличивает ся, повышается и интенсивность перемещения влаги к зоне испарения. Импульсное облучение делает режим менее жестким, снижает общее значение градиентов grad T и grad U, уменьшает вероятность опасного перегрева и растрескивания тела, дает значительную экономию электроэнергии.
Оптимальное значение Т об зависит от интенсивности подвода тепла, вида и влагосодержания тела: чем больше мощность излучателя и меньше влагосодержание тела, тем меньше должен быть период облучения при прочих равных условиях. Оптимальное значение периода отлежки определяется скоростью диффузии влаги в теле: чем меньше коэффициент диффузии (например, в капиллярно-пористых коллоидных телах), тем больше должен быть Т от. При выборе оптимального соотношения Т об/ Т от нужно стремиться к тому, чтобы зависимость между влагосодержанием тела и периодом облучения была линейной.
По данным исследований, проведенных автором в МГУП, импульсная сушка блоков инфракрасными лампами после заклейки корешка может дать 1,5-3-кратную экономию электроэнергии, если период облучения лежит в пределах 0,5-2,0 с, а отношение Т об/ Т от > 3; однако при Т об/ Т от > 8 продолжительность сушки блоков значительно увеличивается.
1.3.10. Кондуктивная сушка
Общая характеристика.При кондуктивной сушке теплоносителем является твердое нагретое тело, с которым объект сушки находится в плотном контакте. Передача тепла, необходимо го для нагревания материала, подвергаемого сушке, в первом периоде сушки происходит за счет теплопроводности обоих тел; во втором периоде, когда общее влагосодержание тела мало, — в основном переносом массы пара.
Температура контактирующей поверхности влажного тела Т к уже в начале процесса сушки близка к температуре излучателя Т и, а температура последующих слоев вследствие низкой теплопроводности материала значительно ниже (рис. 1.20), поэтому создается высокий температурный градиент (около 20 К/мм), всегда направленный к контактирующей поверхности и способствую щий переносу влаги к зоне испарения. Непосредственный подвод тепла и высокий градиент температуры обеспечива ют высокую скорость сушки тонких материалов, которая может быть на один-два порядка выше скорости конвективной сушки. Контактирующий слой и слой открытой поверхности в начале процесса сушки быстро теряют влагу, поэтому центральные участки на всем протяжении процесса имеют максимальное влагосодержание. При этом от центра к контактирую щей поверхности действует градиент влагосодержания, препятствующий переносу влаги, а от центра к открытой поверхности — способствующий ее удалению. Температура открытой поверхности Т п уже в первом периоде сушки значительно выше температуры мокрого термометра и во всех сечениях со временем сушки возрастает, поэтому при длительном контакте с горячей поверхностью теплоносителя возникает опасность перегрева и порчи материала.
Кондуктивный способ передачи тепла и сушки применяется в процессах припрессовки полимерных пленок к оттискам, при приклейке каптальных тесем к бумажной ленте и в процессах тиснения. В мелко- и среднесерийном производстве изданий в обложке, скрепляемых клеевым бесшвейным способом с применением ПВАД, контактный обогрев корешка после крытья блоков обложкой на плите, нагретой до 90°С, позволяет сократить время естественной сушки полуфабрикатов перед их трехсторонней обрезкой и время изготовления тиража. Применение этого способа для сушки крышек исключается, так как односторон няя подача тепла неизбежно приводит к их короблению. Неприемлем этот способ и для сушки заклеенных блоков, так как клеевой слой исключает возможность контакта с нагретым клеем.
Режим сушки. Плотность теплового потока q кд (Вт/м2), полученного телом при кондуктивной сушке, определяется по формуле
где l — теплопроводность материала, Вт/(м * К); d м — толщина тела, м. Режимом кондуктивной сушки является температура теплоносителя Т, а теплопроводность l и толщина материала d м — технологическими факторами процесса. При прочих равных условиях чем больше температура теплоносителя и теплопровод ность влажного тела, тем выше скорость сушки. Формула (1.46) справедлива, когда температура теплоносителя не превышает 60°С, так как при Т > 60-85°С изменяется механизм переноса массы и тепла: создаются градиент влагосодержания grad U и градиент общего давления grad p. При температуре нагревателя выше 150°С контакт полуфабрикатов с нагретым телом не должен быть длительным из-за разрушения целлюлозы бумаги, картона или ткани. В случае кондуктивного нагрева корешка после крытья блоков обложкой длительный контакт приводит к пожелтению обложки и ее отпариванию из-за интенсивного парообразования в клеевом слое. |
1.3.11. Сушка в высокочастотном электромагнитном поле
Общая характеристика способа. Влажные материалы можно рассматривать как полупроводники или диэлектрики (т.е. материалы с удельным сопротивлением соответственно около 10-1-10-8 и 10-9-10-15 Ом×м) с включением некоторого количества слабых электролитов. Если диэлектрик поместить в высокочастотное электромагнитное поле, то полярные молекулы диэлектрика будут совершать колебательные движения, так как электрическая составляющая поля создает пару сил, стремящуюся ориентировать оси молекул в направлении вектора напряженности поля. Явление поворота полярных молекул под действием электрической составляющей электромагнитного поля называется дипольной поляризацией. Кроме дипольной поляризации бывают также ионная и электронная поляризации, вызванные смещением ионов и деформацией электронного облака. Во влажных телах, имеющих включения электролитов, каждое включение ведет себя подобно гигантской поляризованной молекуле, что вызывает структурную поляризацию, а явления электролиза и электроосмоса — электрическую поляризацию.
Ориентации полярных молекул препятствуют их тепловое движение и силы межмолекулярного взаимодействия, поэтому дипольная поляризация имеет релаксационный, запаздываю щий характер с периодом релаксации 10-13-10-7 с. Период электронной релаксации равен 10-16-10-14 с, ионной — 10-14-10-12 с, структурной — 10-8-10-3 с, электрической — 10-4-10-2 с. Если период релаксации больше периода электромагнитных колебаний, то поляризация сопровождается большим выделением тепла, дает возможность получить мощные источники тепла, равномерно распределенные внутри тела.
Количество теплоты, выделившейся при высокочастотном нагреве за единицу времени в единице объема тела, Q вч (Вт/м3), определяется по формуле
где e0 = 8,85 * 10-12 Ф/м — электрическая постоянная; k п = При сушке тел в высокочастот ном электромагнитном поле температура наружных слоев тела меньше, чем центральных, из-за интенсивного испарения и связанного с ним охлаждения поверхностных слоев. Поэтому уже в начальной стадии процесса имеется температур ный градиент, который быстро увеличивается и всегда направлен от поверхности испарения к центру тела, способствуя удалению влаги (рис. 1.21).
Термодиффузия влаги под действием температурного градиента создает градиент влагосодержания, который на всем протяжении процесса оказывает сопротивление переносу влаги к зоне испарения. При интенсивном прогреве скорость парообразования во много раз превышает скорость переноса пара внутри тела, поэтому при температуре тела свыше 60°С возникает градиент общего давления, который во втором периоде сушки становится доминирующим фактором в механизме переноса влаги. При высоких градиентах температуры, влагосодержания и давления возникают опасные напряжения внутри материала, поэтому, чтобы уменьшить абсолютные значения градиентов и избежать появления внутренних трещин и одновременно снизить расход электроэнергии примерно в 2 раза, поверхность тела рекоменду ется прогревать с использованием комбинированных способов подвода тепла. Комбинированная высокочастотно-конвективная сушка переплетных крышек успешно применялась в типографии «Красный пролетарий» в 1950-е гг.: крышки полностью высыхали за 60 с, не коробились и в дальнейшем не плесневели. Высокочастотный нагрев корешковой зоны книжных блоков используется в крупносерийном производстве книжных изданий в обложке и в переплетной крышке. В заклеечно-сушиль ных автоматах, в заклеечно-окантовочных агрегатах и в агрегатах клеевого бесшвейного скрепления различных зарубежных фирм кратковременный высокочастотный нагрев корешка сочетается с естественной досушкой и охлаждением полуфабри катов на длинном транспортере при передаче их на операцию обрезки. В конце 1980-х гг. Киевским филиалом ВНИИ полиграфии совместно с СКБ ТОЗ «Кристалл» была разработана заклеечно-сушильная установка БЗШ-270 с высокочастотным сушильным модулем, рассчитанная на среднесерийное производство. Рабочий конденсатор в ней длиной около 2 м состоит из двух гребенок, изготовленных из медных прутков высотой 180 мм, установленных с разной частотой по ходу движения транспортера с книжными блоками, что позволило отрегулировать интенсивность высокочастотного нагрева, скорость парообразования и избежать потери прочности клеевого соединения. Режимы сушки. В производственных условиях режимами сушки могут быть мощность излучателя (часть используемой мощности) и время нахождения полуфабриката в высокочастот ном электромагнитном поле, так как частоту электромагнитных колебаний в сушильных устройствах изменять нельзя: Европейским стандартом для медицины, науки и техники отведена очень узкая полоса частот n = 27,12 МГц ± 0,6%. Эта частота не может быть оптимальной для всех высушиваемых материалов, твердых тел и находящихся в них или на их поверхности жидкостей, тем более что нагревать желательно не твердое тело, а только жидкость, чтобы сообщить ей энергию, необходимую для испарения. В Саратовском государственном техническом университете под руководством В.Б.Байбурина проводится работа по применению более высоких частот электромагнитного излучения в брошюровочно-переплетном производстве — в диапазонах высокой частоты (до 50 МГц) и в диапазоне сверхвысокой частоты (СВЧ) (до 2000 МГц) — с целью повышения эффективности использования генераторов ВЧ и СВЧ и уменьшения энергетиче ских затрат. Использование иных частот, кроме разрешенных Европейским стандартом, возможно лишь при достижении полной изоляции высокочастотных электромагнитных колебаний в закрытом корпусе, не пропускающем их в окружающее пространство. В сушильных устройствах непрерывного действия с этой целью используются металлические экраны, отражающие ультракороткие электромагнитные волны, и специальные материалы, поглощающие это излучение; для приема полуфабрикатов и вывода продукции из сушильного устройства применяют ся специальные СВЧ-фильтры.
Для регулирования интенсивности сушки и времени облучения полуфабрика тов генераторы ВЧ и СВЧ составляют из нескольких магнетронов, которые могут подключаться к волноводам секционно. Время высокочастотной сушки может изменяться регулировкой скорости движения транспорте ра с полуфабрикатами. Технологические параметры. Скорость высокочастотной сушки в значительной степени определяет ся электростатическими характеристиками высушиваемых материалов — их диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектри ческих потерь. Диэлектрическая проницаемость материала определяется его плотностью (объемной массой), влагосодержани ем и температурой, а также частотой электромагнитного поля. Тангенс диэлектрических потерь зависит от удельного электрического сопротивления материала (следовательно, от природы и влагосодержания тела) и от напряженности поля. Значение коэффициента диэлектрических потерь k п зависит от формы связи влаги с материалом, влагосодержания тела и частоты поля [см. формулу (1.47) и рис. 1.22]. Зависимость электростатиче ских характеристик материалов от их влагосодержания определяет различную скорость сушки полуфабрикатов с разным начальным влагосодержанием. Поэтому если на выходе из сушильного устройства необходимо получить полуфабрикаты с одинаковой конечной влажностью (и деформационными свойствами), то и в сушильное устройство они должны поступать с одинаковым начальным влагосодержанием. |
— коэффициент диэлектрических потерь; e r — диэлектрическая проницаемость материала; dп — угол диэлектрических потерь, рад; n — частота поля, Гц; U — действующее напряжение, В; d — расстояние между обкладками конденсатора, м.
|
|
|
