УСТАНОВКА ДЛЯ СУШКИ ШЕРСТИ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ СВЕРХВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ
DEVICE FOR DRYING OF WOOL IN ELECTROMAGNETIC FIELD

Изобретение относится к устройствам нагрева СВЧ-энергоподводом и может быть использовано для первичной обработки шерсти.
Известно, что шерсть впитывает влагу до 1/3 своей сухой массы. Влажность шерсти изменяется от 17 до 55%, для хранения ее влажность не должна превышать 19% при относительной влажности воздуха 62…68%, температуре 17…18°С. Шерсть после мойки и отжима на валковых устройствах имеет влажность около 40%. Влажная шерсть в кипах самосогревается и портится [1]. При повышении влажности уменьшается прочность волокна, поэтому проблема сушки шерсти довольно острая.
Для механизированной сушки шерсти существуют установки, реализующие конвективный способ подвода тепла, это ленточная сушилка ЛС-8Щ, сушильная камера фирмы «Шарпантье» и др., но при этом удельный расход тепла на сушку шерсти вследствие больших его потерь в окружающую среду достаточно высокий и происходит ухудшение качества шерсти (пожелтение, потеря упругости и прочности). Процесс сушки шерсти в этих установках происходит следующим образом.
Например, в ленточной сушилке ЛС-8Щ шерсть равномерным слоем настилается автопитателем на несущий транспортер, который подводит шерсть под верхний вспомогательный транспортер, имеющий такую же скорость. Горячий воздух непрерывно поступает в сушильную машину, пронизывает и нагревает слой шерсти и, насыщаясь испаренной влагой, непрерывно уносит ее из машины. Шерсть, зажатая между двумя сетчатыми транспортерами, вводится в сушильную машину и последовательно проходит через все рабочие секции. Через слой шерсти циркуляционные вентиляторы продувают горячий воздух, нагреваемый калорифером.
В сушильной камере фирмы «Шарпантье» шерсть автопитателем равномерно настилается на планочный транспортер и перемещается в камере благодаря сложному возвратно-поступательному движению планок. При переходе с одной системы планок на другую шерсть ворошится, что создает благоприятные условия для ее просушивания. Воздух проходит через слой шерсти вначале сверху вниз, а затем снизу вверх, и шерсть просушивается, находясь во взвешенном состоянии. В каждой секции имеется калорифер.
Прототипом является барабанная сушилка шерсти ЕВ-10А. Она содержит питающий транспортер, перфорированные барабаны, вентиляторы и непроницаемые щиты. Шерсть настилается равномерным слоем на питающий транспортер, откуда поступает к первому перфорированному барабану и удерживается на его поверхности тягой воздуха, создаваемой вентилятором. В течение пол-оборота шерсть удерживается на поверхности первого барабана, вращающегося по часовой стрелке, а затем переходит на второй барабан, вращающийся против часовой стрелки. При переходе с одного барабана на другой слой шерсти ложится на барабаны то наружной, то внутренней поверхностью, что заменяет процесс ее ворошения. В месте перехода шерсти с одного барабана на другой движение воздуха и его отсос отсутствуют, и шерсть свободно переходит с одной поверхности барабана на другую. Это достигается тем, что внутри барабанов установлены непроницаемые щиты, закрывающие перфорацию барабанов [2]. При таком конвективном способе подвода тепла для того, чтобы добиться равномерной сушки шерсти, необходимо управлять потоком горячего воздуха в каждой секции барабанов, в противном случае ухудшение качества шерсти (пожелтение, потеря упругости и прочности) неизбежно. Сушильные установки с конвективным способом подвода тепла имеют существенные недостатки: длительность процесса сушки, значительный расход электроэнергии, ухудшение качества шерсти.
В приведенных сушилках нагрев шерсти производится путем передачи тепла снаружи во внутрь за счет теплопроводности. На сверхвысокой частоте (СВЧ) при рациональном подборе частоты колебаний и параметров резонаторных камер, где происходит преобразование СВЧ-энергии в тепловую, можно получить относительно равномерное выделение тепла по объему сырья. При этом следует отметить простоту подачи СВЧ-энергии практически к любому участку нагреваемого сырья. Важное преимущество СВЧ-нагрева - тепловая безынерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на сырье, отсюда высокая точность регулирования процесса нагрева и его воспроизводимость. Достоинством СВЧ-нагрева является также принципиально высокий КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую, выделяемую в объеме сырья. Тепловые потери в подводящих трактах невелики, и стенки рабочих камер остаются практически холодными. Основным преимуществом такого способа подвода тепла является возможность осуществления избирательного, равномерного, саморегулирующегося нагрева.
Известно, что электромагнитное поле СВЧ, проникая в сырье на значительную глубину, не обеспечивает абсолютно равномерного нагрева его во всем объеме. Такая неравномерность связана со следующими причинами: падением удельной мощности, неоднородностью состава и влагосодержания, формой сырья. Рекомендуется выбирать форму обрабатываемого сырья такой, чтобы его линейные размеры хотя бы в одном измерении не превышали удвоенного значения глубины проникновения. В противном случае вследствие возникающего градиента температуры и избыточного давления возникают явления переноса теплоты и массы. В зависимости от этого, направление переноса может быть как от периферии внутрь сырья, так и наоборот. Векторы переноса теплоты и массы могут как совпадать по направлению, так и быть встречными. Возникающее в процессе СВЧ-нагрева внутреннее давление из-за недостаточной скорости переноса массы (влаговыделений) может привести к изменению структуры сырья. Поэтому необходимо найти конструктивные решения для удаления указанных недостатков.
В большинстве случаев СВЧ-установки непрерывного действия для нагрева сырья представлены в виде линейных конвейеров. Например, это конвейерные СВЧ-установки с распределенным вводом энергии в рабочую камеру. Нагревательная камера конвейерной установки образована длинным металлическим горизонтальным туннелем прямоугольного сечения. С обоих концов туннеля расположены ловушки, в которых должна затухать не поглощенная сырьем энергия. СВЧ-энергия подается в рабочую камеру через щелевой волновод для равномерного распределения энергии в объеме рабочей камеры. Но при этом снижается напряженность электрического поля в рабочей камере по сравнению со случаем сосредоточенного ввода энергии, что не позволяет снизить бактериальную загрязненность сырья [2].
Отметим важное свойство колебаний резонатора. Если резонатор закрытый, то в нем устанавливаются стоячие волны. Для них характерно то, что поле стоячей волны не изменяется в пространстве по фазе. В этом случае уравнения Максвелла свидетельствуют о постоянном фазовом сдвиге во времени электрического и магнитного полей на 90°. Существуют резонаторы бегущих волн. Поле бегущей волны в замкнутом объеме можно создать, образовав из направляющей системы замкнутую цепь. Это кольцевой волновод (волноводный резонатор), в сечении которого находится источник, возбуждающий волну, распространяющуюся по кольцу только в одном направлении. Если средняя длина кольца равна целому числу волн в линии, то фаза волны, прошедшей по кольцу, совпадает в сечении с фазой волны, возбуждаемой источником. Происходит синфазное сложение волн и, следовательно, увеличение амплитуды поля [3].
Предлагаемое изобретение предназначено для сушки шерсти в поточном режиме за счет воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты в волноводном резонаторе.
Технической задачей изобретения является разработка установки с использованием СВЧ-энергии, обеспечивающей интенсификацию процесса сушки шерсти и сохранения ее качества.
Технический результат достигается тем, что установка для сушки шерсти в электромагнитном поле сверхвысокой частоты характеризуется тем, что на монтажном каркасе установлен кольцевой резонатор из неферромагнитного материала, внутри которого радиально по перечному сечению равномерно по периметру резонатора горизонтально расположены цилиндрические перфорированные барабаны из диэлектрического материала, причем со стороны открытых торцов барабанов стыкованы вентиляторы, жестко закрепленные к поверхности кольцевого резонатора в тех местах, где имеются окна, закрытые мелкоячеистой сеткой из неферромагнитного материала, при этом окна, равномерно расположенные по периметру малого диаметра кольцевого резонатора, соединены с общей воздухоотводящей трубой через воздухопроводы, а перфорированные торцы барабанов консольно закреплены к валам мотор-редукторов, расположенных на наружной поверхности кольцевого резонатора равномерно по периметру большого диаметра, причем сверху кольцевого резонатора закреплены сверхвысокочастотные генераторные блоки так, что излучатели направлены внутрь его через диэлектрические втулки, и сверху же имеются два отверстия, связанные запредельными волноводами, внутри которых расположены питающий и отводящий транспортеры, причем внутри барабанов соосно расположены непроницаемые щиты в виде полуцилиндра из диэлектрического материала так, что перекрывают перфорацию барабана с нижней стороны, а средняя длина кольца резонатора равна целому числу длины волны электромагнитного поля.
На фиг. 1 изображена установка для сушки шерсти в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (схематическое изображение): 1 - монтажный каркас, 2 - волноводный резонатор из неферромагнитного материала, 3 − перфорированные диэлектрические барабаны, 4 - непроницаемые щиты из диэлектрического материала, 5 - СВЧ-генераторы, 6 - вентиляторы, 7 - воздухопроводы, 8 - общая воздухоотводящая труба, 9 - отводящий транспортер в запредельном волноводе, 10 - питающий транспортер в запредельном волноводе, 11 - мотор-редукторы, 12 - окна, закрытые мелкоячеистой сеткой из неферромагнитного материала.
На фиг. 2 приведено пространственное изображение некоторых узлов установки для сушки шерсти в электромагнитном поле сверхвысокой частоты: 2 - волноводный резонатор из неферромагнитного материала, 3 − перфорированные диэлектрические барабаны, 4 - непроницаемые щиты из диэлектрического материала, 6 - вентиляторы.
На фиг. 3 изображен диэлектрический барабан 3 с непроницаемым щитом 4 и вентилятором 6.
На фиг. 4 изображен волноводный резонатор 2 с окнами для стыковки двух запредельных волноводов, внутри которых расположены питающий 10 и отводящий 9 транспортеры.
Установка для сушки шерсти в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (фиг. 1) содержит: монтажный каркас 1, волноводный резонатор из неферромагнитного материала 2, перфорированные диэлектрические барабаны 3, непроницаемые щиты из диэлектрического материала 4, СВЧ-генераторы 5, вентиляторы 6, воздухопроводы 7, общая воздухоотводящая труба 8, отводящий 9 и питающий 10 транспортеры в соответствующих запредельных волноводах, мотор-редукторы 11, окна, закрытые мелкоячеистой сеткой из неферромагнитного материала 12.
На монтажный каркас 1 установлены волноводный (кольцевой) резонатор 2 и воздухоотводящая система, состоящая из воздухопроводов 7 и общей воздухоотводящей трубы 8 (фиг. 2). Внутри волноводного резонатора 2 равномерно по периметру установлены перфорированные диэлектрические барабаны 3 в виде цилиндра с открытым торцом (фиг. 3). Барабаны расположены по перечному сечению кольцевого резонатора радиально. Открытые торцы барабанов 3 стыкуются с окнами 12, имеющимися на поверхности волноводного резонатора 2. Окна 12 покрыты мелкоячеистой сеткой из неферромагнитного материала, и они расположены со стороны малого диаметра кольцевого резонатора 2. Внутри открытого торца барабанов 3 установлены вентиляторы, жестко закрепленные к волноводному резонатору в тех местах, где имеются окна, покрытые сеткой 12. Окна 12 соединены с воздухопроводом 7 и общей воздухоотводящей трубой 8. Перфорированные торцы диэлектрических барабанов 3 консольно соединены с валами мотор-редукторов 11. Внутри перфорированных барабанов 3 соосно установлены непроницаемые щиты 4 в виде полуцилиндра из диэлектрического материала. В волноводном резонаторе 2 имеются два окна, предназначенные для монтажа питающего 10 и отводящего 9 транспортеров (фиг. 4). С наружной стороны волноводного резонатора 2 по периметру установлены сверхвысокочастотные генераторные блоки 5 так, что излучатель от магнетрона проходит внутрь волноводного резонатора 2 через диэлектрические втулки. Средняя длина кольца равна целому числу длины волны (12,24 см, 2450 МГц).
Технологический процесс сушки шерсти в электромагнитном поле сверхвысокой частоты происходит следующим образом. Включают все диэлектрические перфорированные барабаны 3 для вращения в одну сторону. Шерсть (фиг. 1) настилается равномерным слоем на питающий транспортер 10, откуда поступает к первому диэлектрическому перфорированному барабану 3 и удерживается на его поверхности тягой воздуха, создаваемой вентилятором 6. В течение пол-оборота шерсть удерживается на поверхности первого барабана 3. Так как все барабаны 3 вращаются в одну сторону, шерсть переходит на второй барабан 3. Включают СВЧ-генераторы 5, как только достаточный объем шерсти окажется внутри кольцевого волновода. В месте перехода шерсти с одного барабана на другой движение воздуха и его отсос отсутствуют, и шерсть свободно переходит с одной поверхности барабана на другую. Это достигается установкой внутри барабанов 3 непроницаемых щитов 4, закрывающих перфорацию барабанов с одной стороны. Разность давлений создается при помощи вентиляторов, установленных с торца каждого барабана 3, который отсасывает воздух из внутри барабанного пространства, создавая разрежение. Сверхвысокочастотные генераторные блоки 5, установленные на волноводный резонатор, возбуждают бегущую волну. Электромагнитное поле сверхвысокой частоты обеспечивает диэлектрический нагрев шерсти, а вентиляторы 6 через перфорацию в барабанах 3 производят удаление выпаренной влаги. Мелкоячеистые сетки из неферромагнитного материала и запредельные волноводы, сконструированные в соответствии с длиной волны ЭМПСВЧ, ограничивают излучение через кольцевой резонатор в процессе сушки шерсти в непрерывном режиме. Энергия сверхвысокочастотных электрических полей в основном расходуется на создание условий, интенсифицирующих перенос влаги из глубинных слоев к поверхности. При интенсивном подводе тепла происходит сильное испарение влаги, вызывающее рост давления внутри слоя волокнистого материала, подвергающегося сушке. Возникающий при этом градиент давления способствует образованию мощного потока влаги, направленного к поверхностным слоям. Поглощение электромагнитной энергии влажной шерстью приводит к повышению ее температуры и возникновению избыточного давления пара, приводящего к конвективному массопереносу. Из-за особенностей шерсти процесс ее сушки должен проводится при температуре не выше 80°С. Удаление влаги из слоя шерсти при воздействии электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) происходит вследствие конвективного переноса парожидкостной среды к верхней поверхности слоя шерсти и с дальнейшим удалением ее из сушильной камеры с помощью вентиляционной системы 6-8. При этом температура на верхней поверхности шерсти ниже, чем в середине объема. Под воздействием ЭМПСВЧ происходит полное обеззараживание шерсти при обеспечении достаточной напряженности электрического поля (выше 1 кВ/см). Количество и мощность СВЧ-генераторов влияют на производительность установки.
Перфорированные барабаны выполняют функцию транспортирования шерсти внутри кольцевого резонатора и позволяют отсасывать парожидкостную среду из шерсти с помощью вентиляторов, а также регулировать продолжительность нахождения шерсти в рабочей камере. Толщина подаваемого слоя влажной шерсти с помощью питающего транспортера на поверхность перфорированных барабанов - не более удвоенного значения глубины проникновения энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты.
Источники информации
1. Патент РФ № 2477147. Способ СВЧ-дезинсекции материалов и/или изделий из шерсти. МПК A61L, 10.03.2013 г.
2. Дунаев С.А. Способы интенсификации технологических процессов в мясной отрасли: конспект лекций/ С.А. Дунаев, А.А. Попов, Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2006. - С. 37.
3. WWW. rfe. by/media/ kafedry/kaf1/ Глава 3. Электромагнитные колебания в объемных резонаторах.