Тепловые процессы. Разработка энергосберегающих способов тепловой обработки материалов и оборудования на основе направленного подвода инфракрасного излучения

Анализ процесса сушки влагосодержащих материалов и классификация сушильного оборудования

Известно, что для удаления влаги из влагосодержащих материалов в производствах различных отраслей промышленности используются механические способы, когда влага удаляется из влагосодержащего материала без изменения ее агрегатного состояния, и тепловые способы, осуществляемые путем нагрева материала, при которых влага меняет свое агрегатное состояние и переходит в пар.

На рис. 5.1 приведена схема основных способов обезвоживания материалов, применяемых в различных отраслях промышленности.

Рис. 5.1. Основные способы удаления влаги из влагосодержащих материалов

Процесс сушки относится к наиболее распространенным тепловым процессам, приводящим к испарению влаги из высушиваемого материала и может быть наглядно представлен известной моделью (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Физическая модель процесса сушки

Динамика изменения влагосодержания и нагрева тел в общем виде может быть записана как

где и — влагосодержание; Т — температура.

Подвод теплоты к высушиваемому материалу может осуществляться разными способами. Принято различать^[1]:

• — конвекцию — передачу теплоты влагосодержащему материалу от окружающего его сушильного агента, например, нагретого газа или воздуха;
• — кондукцию — нагрев материала при непосредственном контакте влагосодержащего материала с нагретой поверхностью, на которой располагается данный материал;
• — ПК-излучение — подвод теплоты с помощью инфракрасных лучей от ИК-излучателя, например термоэлектронагревателя (ТЭНа), зеркальной лампы и др.;
• — сублимацию — обезвоживание материала путем замороже-ния;
• — индукцию — нагрев материала токами высокой или сверхвысокой частоты.

Важным параметром, характеризующим процесс сушки, является ее скорость, определяющая скорость перемещения влаги из глубины материала к его поверхности (к границе раздела сред). Скорость сушки зависит от ряда факторов, обусловливаемых прежде всего применяемым способом подвода теплоты и выбранным видом сушильной установки, которые, в свою очередь, зависят от типа теплоносителя, скорости движения сушильного агента в зоне сушки, свойств материала, его структуры и геометрических размеров, способа отвода влаги из зоны сушки и др.

Выбор рационального способа сушки и сушильного оборудования имеет важное значение с позиций энергосбережения, а также получения высокого качества высушивамого продукта.

Кинетика процесса сушки представляется кривыми сушки: «влажность материала — время» и кривыми скорости сушки: «скорость сушки — влажность материала».

К основным задачам по совершенствованию процесса сушки и сушильного оборудования относятся:

• — сокращение времени сушки при точном поддержании необходимой температуры нагрева в зависимости от вида высушиваемого материала с возможностью регулирования температуры в рабочей зоне сушильной установки ±1,5—2 °С;
• — создание менее энергозатратных сушильных установок с более эффективными источниками нагрева и способами подвода тепла.

Так, анализ работ по использованию для нагрева материалов ИК-излучения позволяет сделать вывод, что оно существенно сокращает время удаления влаги из влагосодержащего материала по сравнению, например, с конвекцией и кондукцией. Однако это без автоматического точного регулирования температуры нагрева может привести к пересушиванию материала и появлению трещин на его поверхности. Способ регулирования температуры нагрева материала от источника ИК-излучения путем изменения напряжения, подаваемого на источник, и одновременного контроля температуры в зоне сушки был предложен Г. Д. Лузгиным^[2]. Применительно к пищевому оборудованию этот способ обоснован и доведен до практического применения при создании универсальной туннельной конвейерной сушилки-печи.

В пищевых и перерабатывающих отраслях АПК РФ для сушки сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов используется широкая номенклатура типов сушильных установок, обусловленная многообразием пищевых материалов различного происхождения, отличиями в структуре и влагосодержании. В упомянутой выше работе Г. Д. Лузгина приведена классификация сушильных установок по ряду определяющих признаков, которую считаем целесообразным привести (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Основные классификационные признаки сушильных установок, применяемых в пищевых производствах

Окончание табл. 5.1

• [1] Актуальные проблемы сушки и термовлажностной обработки материалов в различных отраслях промышленности и агропромышленном комплексе : сборник научных статей Первых международных лыковских научных чтений (22—23 сентября 2015 г.) / РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева. Курск : Университетская книга, 2015.
• [2] Лузгин Г. Д. Анализ основных преимуществ нагрева сушильных барабанов шлихтовальных машин направленным инфракрасным излучением изнутри // Материалы Международной научно-практической конференции «Высокоэффективные разработки и инновационные проекты в льняном комплексе России» (Вологда, 1 марта 2007 г.). М. : ЦНИИЛКА, 2007. 2 Авроров Г. В. Сокращение энергетических затрат сушки капиллярно-пористых материалов растительного происхождения за счет направленного подвода инфракрасного излучения : дис. ... канд. техн. наук. Пенза : ПГСХА, 2015.