40.9.2. Контактные сушилки
Вакуум-сушильный шкаф. Простейшими контактными сушилками периодического действия являются вакуум-сушильные шкафы. Вакуум-сушильный шкаф представляет собой (см. рис. 40.22) камеру 1 цилиндрического или прямоугольного сечения с рядом полых греющих плит 2, обогреваемых изнутри паром, на которые устанавливают противни с высушиваемым материалом. Вакуум-сушильные шкафы после загрузки закрывают герметично и соединяют с установкой для получения вакуума. В плиты подают теплоноситель. Материал на противнях постепенно нагревается, пары влаги через штуцер 3 отсасываются при помощи вакуум-насоса в конденсатор, где отделяются от воздуха. Загрузка и выгрузка противней производится вручную, периодически.
Рисунок 40.22 – Вакуум-сушильный барабан: 1 – сушильная камера; 2 – полые греющие плиты; 3 – штуцер для соединения с вакуум-линией; 4 – съемная крышка.
К достоинствам этих сушилок следует отнести: простоту устройства, возможность одновременной сушки различных материалов. К недостаткам: низкую производительность, плохую теплопередачу вследствие образования воздушных прослоек между противнями и плитами, большие затраты ручного труда. Вакуум-сушильные шкафы используют в малотоннажных производствах для высушивания легкоокисляемых, взрывоопасных и токсичных продуктов.
Вальцевая сушилка. Такие сушилки непрерывного действия изготовляют одно- и двухвальцевыми, работают они как при атмосферном давлении, так и при вакууме.
Рисунок 40.23 – Одновальцевая сушилка: 1 – барабан; 2 – корыто; 3 – мешалка; 4 – сифонная трубка; 5 – шнек; 6 – нож.
Одновальцевая атмосферная сушилка (рис. 40.23) представляет собой вращающийся барабан 1, обогреваемый внутри паром и частично погруженный в высушиваемый материал. Материал поступает в корыто 2, снабженное снизу паровой рубашкой. В корыте материал перемешивается мешалкой 3 и наносится на барабан тонким слоем.
Тонкий слой материала успевает высохнуть в течение одного оборота барабана и снимается с его поверхности ножом 6. Высушенный материал шнеком 5 удаляется из сушилки. Греющий пар поступает через полую цапфу барабана, а конденсат удаляется через цапфу по сифонной трубке 4.
Вакуумные одновальцевые и двухвальцевые сушилки отличаются от соответствующих атмосферных наличием герметичного корпуса и вспомогательным оборудованием (сепаратор, конденсатор, вакуум-насос).
Вальцы могут обогреваться не только водяным насыщенным паром, но и горячей водой или высокотемпературными теплоносителями. Достоинства вальцевых сушилок: непрерывность процесса, механизация всех стадий, высокая напряженность по влаге, возможность сушки материалов, чувствительных к действию высоких температур. К недостаткам этих сушилок следует отнести сравнительно высокую конечную влажность высушенного материала и сложность конструкции.
40.10. Специальные виды сушки
К специальным видам сушки относятся радиационная, диэлектрическая и сублимационная.
Рисунок 40.24 – Схема ламповой терморадиационной сушилки.
Радиационная сушка. В терморадиационных сушилках (рис. 40.24) тепло, необходимое для испарения влаги, подводится инфракрасными лучами. В промышленности применяют терморадиационные сушилки с электрическим и газовым обогревом. При электрическом обогреве в качестве инфракрасных излучателей используют специальные лампы с зеркальными отражателями или элементы сопротивления (панельные или трубчатые). При газовом обогреве излучателями являются металлические или керамические плиты, которые нагреваются открытым пламенем или продуктами горения. В последнее время получили широкое распространение беспламенные горелки. Сущность этого способа нагрева заключается в том, что при пропускании смеси горючего газа с воздухом через пористую керамику с определенной скоростью, горение сосредотачивается внутри керамической массы, поверхность которой испускает мощный поток инфракрасного излучения.
Рисунок 40.25 – Схема радиационной сушилки с излучателем: 1 – излучатель; 2 – конвейер; 3 – вытяжное устройство.
Ламповые излучатели характеризуются высоким расходом электроэнергии, что является основным их недостатком. Однако в ряде случаев себестоимость ламповой сушки ниже, чем конвективной за счет уменьшения времени сушки и снижения капитальных затрат. На рис. 40.25 представлена схема сушилки с излучателями, обогреваемыми газом. Сушка имеет керамический излучатель 1, конвейер 2 с высушиваемым материалом и вытяжное устройство 3.
Газовые радиационные сушилки проще по конструкции и дешевле, чем сушилки, оборудованные лампами. В них меньше расход энергии. Излучатели нагреваются газом, сжигаемым непосредственно под излучателями, или же топочными газами, поступающими внутрь излучателей.
Интенсивность испарения влаги при сушке инфракрасными лучами благодаря большому удельному потоку тепла во много раз больше, чем при конвективной и контактной сушке. В результате теплового излучения происходит быстрое нагревание не всего тела, а лишь его поверхности. По этой причине при терморадиационной сушке очень интенсивно испаряется поверхностная (свободная) влага, а не связанная. Скорость испарения последней лимитируется не потоком тепла, а диффузией влаги изнутри материала на его поверхность. В связи с этим терморадиационную сушку рационально использовать для поверхностной сушки тонкослойных материалов. Терморадиационные сушилки компактны и эффективны, но отличаются относительно высоким расходом энергии.
Для высушивания тонкослойных материалов, когда необходимо контролировать температуру и влажность материала не только на поверхности, но и в глубине материала, в промышленности используют сушку токами высокой частоты (диэлектрические сушилки). Таким способом можно сушить материалы, обладающие диэлектрическими свойствами в электрическом поле высокой частоты. Под действием этого поля происходит поляризация молекул, сопровождающаяся равномерным выделением тепла во всем объеме материала, но так как наружные элементы тела отдают тепло в окружающее пространство, то температура тела падает от центра к поверхности. В этом же направлении при сушке изменяется влажность, следовательно температурный и влажностный градиенты совпадают по знаку и оба они способствуют миграции влаги от центра к поверхности испарения. Вследствие этих причин скорость высокочастотной сушки значительно выше скорости конвективной сушки.
Диэлектрическая сушка. Сушилка с нагреванием материала токами высокой частоты (рис. 40.26) состоит из двух основных частей: сушильной камеры 1 и высокочастотного генератора 4. В сушильной камере смонтированы обкладки конденсатора 3, между которыми движется высушиваемый материал, расположенный на транспортере 2.
Рисунок 40.26 – Высокочастотная сушилка с непрерывным движением материала на транспортерах: 1 – сушильная камера; 2 – транспортеры; 3 – пластины конденсатора; 4 – высокочастотный генератор.
В высокочастотных сушилках, изменяя напряженность электрического поля, можно регулировать величину температурного градиента между внутренними слоями материала и его поверхностью, т.е. регулировать скорость сушки, а также избирательно нагревать лишь одну из составных частей неоднородного материала.
Несмотря на все перечисленные выше достоинства, сушка токами высокой частоты широкого распространения не получила из-за относительно высоких удельных расходов энергии. Для уменьшения расходов энергии иногда прибегают к сочетанию конвективной и высокочастотной сушки, возлагая на первую испарение влаги, а на вторую – создание оптимального температурного градиента внутри высушиваемого материала. Применение такого комбинированного способа сушки позволяет снизить энергозатраты примерно в 3 раза.
Сублимационная сушка. Сублимация – это переход твердого вещества в пар, минуя жидкое состояние. При сублимационной сушке высушиваемый материал замораживается; влага, находящаяся в нем в виде льда, переходит в парообразное состояние, минуя жидкое.
Сублимационная сушка проводится в глубоком вакууме (остаточное давление133 –13,3 Па) и при низких температурах. Для осуществления такого процесса необходимо создать достаточно большую разность температур источника тепла и высушиваемого материала, при этом приток тепла не должен превышать его расход на сублимацию во избежание таяния льда. Тепло сублимации может передаваться замороженному телу либо через стенки сушильной камеры окружающей средой, либо через рубашку от какого-то теплоносителя.
На рис. 40.27 представлена схема сублимационной сушки. Высушиваемый материал, предварительно замороженный, располагается внутри сушильной камеры 1 на пустотелых плитах 2, обогреваемых потоком горячей воды 3, 4, паровоздушная смесь отсасывается из сушильной камеры вакуум-насосом 8 через конденсатор 5. Конденсатор охлаждается хладагентом 6, 7, циркулирующим через испаритель холодильной установки. Обычно устанавливают параллельно два конденсатора, которые попеременно выключаются для оттаивания и удаления замороженного конденсата, оседающего на поверхностях охлаждения. Остаточная несконденсировавшаяся паровоздушная смесь выбрасывается вакуум-насосом 8 в атмосферу.
Процесс сублимационной сушки, как и ранее рассмотренные процессы, протекает в два периода, соответствующие удалению свободной влаги с постоянной скоростью и связанной влаги с падающей скоростью испарения. Механизм переноса влаги (в виде пара) специфичен: он происходит путем эффузии, т.е. свободного движения молекул пара без взаимных столкновений их друг с другом.
Рисунок 17.30 – Сублимационная сушилка: 1 – сушильная камера; 2 – обогреваемые плиты;3 – вход нагретой воды; 4 – выход воды; 5 – конденсатор; 6, 7 – вход и выход хладагента (например, рассола); 8 – вакуум-насос.
Сублимационная сушка энергоемка, расход энергии в несколько раз больше, чем при других методах сушки. По этим причинам сублимационную сушку применяют только для обезвоживания ценных продуктов, не выдерживающих обычно тепловой сушки, сохраняющих свои свойства (например, биологическую активность) только при низких температурах.