При сушке материалов с помощью тепловой обработки удаление содержащейся в них влаги происходит путем испаре­ния.

Для испарения влаги материалу должно быть сообщено оп­ределенное количество тепла. Переход тепла от теплоносителя может происходить тремя способами.

1. Теплопроводностью (кондукцией), когда теплота перехо­дит внутри материала от одной молекулы к другой, соседней мо­лекуле. Этот процесс наблюдается в твердых, жидких и газооб­разных телах.

2. Конвекцией, при которой тепло переносится от одной точки к другой вместе с массами вещества (микроскопическое движе­ние) агента сушки. Конвекция имеет место лишь в жидкостях и газах.

3. Лучеиспусканием, т. е. переносом энергии с помощью эле­ктромагнитных волн. Этот процесс сопровождается превращени­ем тепловой энергии в лучистую и обратно — лучистой энергии в тепловую.

В процессе сушки наблюдаются все указанные виды теплооб­мена. Однако в каждом случае, в зависимости от принятого ме­тода сушки и конструкции сушилки, преобладает лишь один из указанных видов теплообмена наряду с участием в процессе двух других способов передачи тепла.

При исследовании и проектировании сушильных устройств следует строго разграничивать все три способа, так как в каж­дом отдельном случае процесс теплообмена протекает по особым законам. Необходимо учесть, что при сушке наблю­дается массообмен, сопровождающийся переходом испарен­ной из сушимого материала жидкости в окружающую среду.

Процесс теплообмена, сопровождающийся массообменом, бо­лее интенсивен, чем при отсутствии массообмена.

Проникновение инфракрасных лучей внутрь влажных мате­риалов обусловливает некоторые особенности внутреннего теп­ло — и массообмена. Внутрь материалов проникает небольшая часть падающего излучения. Однако нагрев материала происхо­дит довольно интенсивно.

Характер температурного поля материала, подвергаемого сушке с помощью излучения, отличается от температурного по­ля при конвективной сушке. Если в начальный период радиа­ционной сушки окружающая среда имеет температуру ниже тем­пературы поверхности сушимого материала, то за счет отдачи тепла в окружающую среду температура поверхности материала будет ниже температуры глубже расположенных слоев. В верх­них слоях облучаемого материала в общем случае происходит значительное повышение температуры — это вызывает интенсив­ное их обезвоживание.

Быстрому обезвоживанию поверхностных слоев капиллярно — пористых тел способствует циркуляция влажного газа в макро­капиллярах поверхностного слоя, вызываемая явлениями теп­лового скольжения.

Явление теплового скольжения обусловлено изменением тем­пературы по глубине материала и находится в прямой зависимо­сти от градиента температуры.

В первоначальный период сушки одновременно с уменьшени­ем влагосодержания в верхних слоях материала происходит уве­личение влагосодержания и в нижних слоях. Это явление обу­словлено противоположностью направлений перемещения тем­пературного градиента A T к градиенту влагосодержания Л и и превышением первого над вторым.

При сушке коллоидных тел инфракрасными лучами имеют место еще большие перепады влагосодержания внутри тела. По­верхностные слои быстро высыхают, в то время как внутренние имеют почти первоначальное влагосодержание. Быстрому высы­ханию поверхностных слоев способствует эффузия влажного газа в микрокапиллярах поверхностного слоя. В силу этого непрерыв­ная сушка коллоидных материалов инфракрасными лучами по сравнению с капиллярно-пористыми протекает гораздо медлен­нее, с большими градиентами влагосодержания, что вызывает растрескивание и коробление материала. Кроме того, быстрое повышение температуры материала после критической точки приводит к перегреву его и порче.

Поэтому сушку таких материалов следует вести прерыви­стым (импульсным) облучением, т. е. в сочетании нагрева мате­риала инфракрасными лучами с охлаждением воздухом.

В период отлежки материала температура на его поверхно­сти резко падает и температурный градиент меняет свое направ­ление (температура, как и влагосодержание, внутри материала больше, чем на его поверхности). В этом случае температурный градиент не замедляет, а ускоряет подвод влаги к поверхности материала и влагосодержание внутри его в период отлежки зна­чительно уменьшается. Для повышения интенсивности сушки коллоидных материалов инфракрасными лучами рекомендуется также там, где это возможно, вести сушку в сравнительно тон­ком слое.

Вследствие перемещения влаги внутрь материала при облу­чении его инфракрасными лучами обеспечивается сохранение во­дорастворимых веществ, представляющих ценность для качества материала, например для пищевого продукта.

Импульсное облучение может быть достигнуто двумя спо­собами: 1) периодическим выключением излучателей; и 2) при­менением отражающих экранов (заслонок) периодически экра­нирующих излучатели. При инерционных излучателях (с мас­сивными насадками, панелями) более рациональным является второй способ.

Процессы сушки, связанные с удалением влаги из различных материалов при достаточной их толщине с помощью инфракрас­ного излучения, в основном протекают по схеме распределения лучистого потока (см. рис. 81,а). Процессы сушки лакокрасоч­ных покрытий протекают по схеме (см. рис. 82). Исследования JI. Л. Павловского показали, что пропускающая способность лакокрасочных покрытий повышается с увеличением длины вол­ны излучения.

Увеличенная скорость сушки лакокрасочных покрытий при инфракрасном облучении объясняется прежде всего совпадением направления температурного градиента с градиентом влагосо-
держания. К тому же благодаря высокой пропускающей способ­ности тонких пленок этих покрытий на поверхности их при лучи­стой (радиационной) сушке не образуется корки, препятствую­щей удалению растворителя, как это имеет место при конвектив­ной сушке.

При сушке инфракрасными лучами интенсивность испарения влаги и растворителей может увеличиваться по сравнению с кон­вективной сушкой в де­сятки раз, соответст­венно сокращая период сушки.

Преимуществом тер­морадиационной сушки лакокрасочных покры­тий и различных мате­риалов являются: ком­пактность установки, позволяющая сокра­тить производственные площади, значительная интенсивность сушки, а следовательно, низкая себестоимость ее и уве­личенная производи­тельность труда.

Имеются данные о высокой эффективно­сти сушки с помощью инфракрасных лучей лакокрасочных покры­тий металла, тканей (окрашенных, пропитанных, гуммированных), бумаги и других материалов. Применение указанных лучей дало возможность значительно повысить скорость сушки.

Терморадиационные сушилки с трубчатыми и особенно с па­нельными излучателями по сравнению с ламповыми обеспечива­ют более равномерный обогрев и сушку изделий и в большин­стве случаев более экономичны. При газовом обогреве излуча­телей они, как и терморадиационные с электрообогревом, отли­чаются простотой управления. Любое изменение температуры может быть достигнуто за несколько минут без остановки су­шилки.

На рис. 91 показаны комплексные тепловые балансы сушиль­ных агрегатов: лампового и с металлическими нлучателямн. Ме­таллический излучатель обогревается газовым топливом. Срав­нение тепловых балансов показывает явные преимущества су­шилки с металлическим излучателем. Сравнение тепловой эконо­мичности по тепловому балансу не является полным, так как не­
обходимо еще учесть, что лучистая энергия в ламповой сушилке получена за счет электроэнергии, которая вырабатывается с сум­марным к. п. д., равным 25%. Это показывает рациональность широкого промышленного применения терморадиационных су­шильных установок с обогревом горячими газами.

Для рационального использования инфракрасных излучате­лей их устанавливают в специальных сушилках, которые в зави-

1

Симости от местных условий могут быть стационарными или пе­редвижными. Конструктивно сушилки выполняются в виде ка­мер, туннелей, барабанов, колпаков и т. п. На рис. 92 приведена принципиальная схема туннельной сушилки, предназначенной для сушки сыпучих материалов в тонком слое.

Сушилка оборудована плоским ленточным транспортером. Для удаления продуктов сгорания, водяных паров и пропускае­мого через сушилку воздуха служит вытяжная труба. Нагрев материалов осуществляется горелками инфракрасного излуче­ния, располагаемыми в одну или несколько линий в шахматном порядке. Расстояния между горелками и высота их размещения над лентой зависят от вида высушиваемого материала, его влажности и допустимой температуры нагрева.

Использование одной и той же сушилки для разных материа­лов достигается изменением числа включаемых горелок, тем­пературы поверхности излучателя (тепловой нагрузки горелок) и скорости движения ленты. В некоторых случаях эти сушилки оборудуются подвижными горелками или транспортерными лен­тами, позволяющими изменять расстояния между горелками и транспортером. Иногда на транспортере устанавливаются под­
ставки под облучаемые изделия, позволяющие располагать эти Изделия на определенном расстоянии от горелок.

На рис. 93 показана схема небольшой комбинированной пере­движной туннельной сушилки, предназначенной для сушки сы­пучих сельскохозяйственных продуктов в полевых условиях. Су­шилка состоит из теплоизолированного туннеля, стенки которого изготовлены из листовой стали. Внутри туннеля расположена перфорированная или сетчатая транспортерная лента с такими размерами отверстий или ячеек, чтобы высушенный материал через них не проваливался. Лента движется с помощью привод-

Ного механизма с регулируемой скоростью вращения. Для на­грева продуктов в верхней части сушилки установлены горелки с пористой керамикой, а в нижней части под дном туннеля — пламенные многофакельные горелки трубчатой формы. Пламен­ные — горелки служат для нагрева продуктами сгорания днища туннеля и его боковых стенок. Излучающие горелки могут на­гревать либо верхнюю стенку туннеля, либо непосредственно продукты, находящиеся на ленте. Для этого под излучающими горелками расположены раздвижные шторки, при открытии ко­торых происходит непосредственное облучение продуктов, при закрытии — облучение этих шторок как части верхней стенки туннеля. В первом случае сушка осуществляется лучами с мак­симальной интенсивностью излучения соответствующей длинам волн 2,4—2,7 мк, а во втором — излучением (с максимумом К 4—5 мк) от стенки туннеля, нагретой до 300—400° С.

Для повышения к. п. д. и некоторого ускорения процесса суш­ки сушилка оборудована рекуперативными трубами, в которых

9—882 прогревается наружный воздух, проводящий далее через просу­шиваемый слой материала. Продукты сгорания и испаренная влага удаляются в атмосферу через специальные каналы и от­кидную трубу. По экспериментальным данным, оптимальные по­казатели работы этого аппарата при сушке табака и хмеля сле­дующие: температура продуктов 52—53° С, толщина слоя 4— 4,5 см, время высыхания до кондиционной влажности около 2 ч.

1 — корпус с теплоизоляци­ей* 2 — газовая пламенная горелка; 3— топка; 4 — излу­чающая стенка; В — воздух ‘для вентиляции; 6 — высуши­ваемое изделие; 7 — опорный рельс; 8 — роликовая цепь; S — отвод продуктов сгора — ния; Ю — отвод растворителя и вентиляционного воздуха ^

1 — жарозащитный лист;

2 — газоход; 3 — излучающая поверхность; 4 — теплоизоля­ция; 5 — ребра для увеличе­ния поверхности теплообме­на; 6 — газовая пламенная горелка; 7 — подвод газа; 8 — отверстие для зажигания горелки и наблюдения за

Процессом горения

Если при сушке материалов и изделий удаляются не водяные пары, а растворители, смеси которых с воздухом взрывоопасны (бензол, ксилол, ацетон, уайт-спирит и др.), то применяют су­шилки, в которых раскаленные продукты сгорания газа герме­тично отделены от атмосферы в сушильной камере. Для предот­вращения образования взрывоопасной смеси в камеры подается такое количество воздуха или его смеси с продуктами завершен­ного сгорания, при котором объемное содержание растворителя доводится до 1 % и ниже.

На рис. 94 приведена схема сушилки, в которой стенки на­греваются продуктами сгорания газа. Температура излучающих стенок составляет 300—400° С, что соответствует максимуму ин­тенсивности излучения при длинах волн 4—5 мк. Для повышения равномерности нагрева всей излучающей поверхности газоходы топки постепенно суживаются снизу вверх. Воздух в сушильной

Камере распределен так, чтобы в начале процесса сушки изде­лие омывалось воздухом с более низкой температурой, а в конце процесса — с более высокой температурой. Последнее достиг­нуто за счет того, что холодный воздух входит в каналы и выхо­дит из них в сушильную камеру в ее начальном участке, не успе­вая сильно нагреться. Этому способствуют и щели переменного сечения по длине камеры, которые выпускают в начале ее боль­шее количество воздуха с меньшей температурой.

Смесь воздуха с влагой или парами растворителя и продукты сгорания газа удаляются из сушилки по отдельным каналам. Ка­нал, по которому удаляется воздух, размещен внутри канала, по которому движутся продукты сгорания газа. Такая конструкция предотвращает конденсацию паров воды или растворителя даже в тех случаях, когда упругость их ничтожна. Аналогичные сушил­ки могут монтироваться из отдельных секций.

Секции представляют панели в виде полуцилиндров или па­раллелепипедов, обогреваемых пламенными горелками.

Схема туннельной сушилки, собранной из секций в виде по­луцилиндров, приведена на рис. 95. Эта сушилка имеет низкий к. п. д. (30—40%), недостаточно гигиенична в эксплуатации и требует усиленной вентиляции помещения, где она установлена.

В некоторых случаях в качестве излучателей для инфракрас­ной сушки применяют трубы, нагреваемые пламенем и продукта­ми сгорания газа. Схема такой сушилки, предназначенной для сушки покрытий автомобилей, изображена на рис. 96.

Недостатком рассмотренных агрегатов для сушки лаков и эмалей является, как было указано выше, относительно низкий
к. п. д., а достоинством — высокая скорость сушки и отличное ка­чество высушенного покрытия. По опытным данным время суш­ки большинства распространенных лаков и эмалей составляет 10—15 мин.

В ряде случаев для радиационной сушки используют не спе­циальные сушилки, а непосредственно излучающие горелки. При — , мером такой сушки, получившей распространение в практике, яв­ляется сушка игґукатурки в ремонтируемых или небольших вновь построенных зданиях, защитных покрытий при их ремонте, мел­ких литейных стержней и др.