СУШИЛКА ДЛЯ СЫПУЧИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
DRIER FOR LOOSE DIELECTRIC MATERIALS

Изобретение относится к оборудованию для сушки в микроволновом поле сыпучих диэлектрических материалов и может быть использовано в химической, фармацевтической, пищевой промышленности и сельском хозяйстве.
Повышение продуктивности оборудования при обеспечении высокого качества высушенного материала и снижения энергоемкости процесса сушки есть одно из требований, которые предъявляются к устройствам для сушки сыпучих диэлектрических материалов в микроволновом поле.
Известна сушилка для сыпучих диэлектрических материалов [пат. РФ №2152571, F26В 11/04, 3/347], которая содержит горизонтальную камеру, установленную с возможностью вращения на двух подшипниках, закрепленных на крышках в боковых отверстиях барабана, нагревательные элементы, выполненные в виде системы волноводно-щелевых резонансных излучателей и подключенные к микроволновому генератору, устройство подачи нагретого воздуха во внутреннюю полость барабана и влагоотводящее устройство. При этом волновод введен во внутреннюю полость металлического барабана через отверстие в неподвижной крышке одного из боковых отверстий барабана, а через отверстия в неподвижной крышке другого бокового отверстия барабана введены канал подвода нагретого воздуха, оснащенный перфорированным экраном, и канал отвода влажного воздуха. Система волноводно-щелевых резонансных излучателей развернута на угол 40-45° к основанию сушилки в направлении вращения барабана и оснащена четвертьволновыми отражателями.
Конструкция этой сушилки обеспечивает сушку сыпучего материала весом только до 50 кг. При увеличении степени загрузки возникает неравномерность распределения микроволновой энергии в объеме продукта, в частности, за счет поглощения поверхностным слоем.
Известна сушилка для сыпучих материалов [пат. РФ №2230270, F26В 11/06, 3/347], конструкция которой для обеспечения равномерности распределения микроволновой энергии в объеме продукта при высокой степени загрузки, содержит барабан, жестко закрепленный в металлическом цилиндрическом корпусе, установленном с возможностью вращения на двух подшипниках скольжения, закрепленных на неподвижных крышках в боковых отверстиях корпуса, при этом в корпусе есть линия передачи поверхностной волны, выполненная в виде ребристой структуры на внутренней цилиндрической поверхности, представляющая собой чередующиеся концентрические канавки шириной (0,04-0,05)λ и ребра толщиной (0,02-0,03)λ, а цилиндрические стенки барабана перфорированные и выполнены из радиопрозрачного материала, при этом подвод микроволновой энергии к линии передачи осуществляется от отдельного микроволнового генератора с частотой, отличной от частоты микроволнового генератора, соединенного с системой волноводно-щелевых излучателей.
Недостатком этой конструкции является конструктивная и эксплуатационная сложность, в частности, обусловленная использованием двух микроволновых генераторов и соответственно необходимостью согласованных действий по управлению генераторами. Достаточно сложно обеспечить стабильную работу двух магнетронов, подключенных к общей нагрузке. Взаимовлияние магнетронов приводит к снижению КПД магнетронов и возможности срыва генерации.
К недостаткам этих сушилок необходимо отнести также низкий КПД использования микроволновой энергии, так как подобные конструкции обеспечивают падение микроволновой энергии перпендикулярно слою сырья, а это приводит к образованию в системе микроволновой генератор - волноводная линия - многомодовый резонатор стоячей волны с коэффициентом 2. Кроме того, сушка материала осуществляется при атмосферном давлении и для выделения влаги из высушиваемого материала необходимо нагревание его до высоких температур. В этом случае может происходить разложение некоторых элементов и образование нежелательных соединений, что приводит к снижению качества готовой продукции или вообще к невозможности сушки отдельных материалов.
Также известна сушилка для сыпучих диэлектрических материалов [пат. Украïни №76014, кл. F26B 17/30], содержащая камеру многомодового резонатора, выполненную из двух усеченных конусов разной высоты и цилиндрической части, которая соединяет их между собой большими основами, при этом соотношение высот большего по высоте усеченного конуса, цилиндрической части и меньшего по высоте конуса резонатора составляет 2:1:0,5. Больший по высоте усеченный конус фланцем горловины соединен через вакуум-плотный фланец с волноводным вводом микроволновой энергии. Камера установлена с возможностью вращения с помощью устройства для вращения, а также с возможностью вертикального перемещения за счет ее крепления на стойках, изогнутая часть которых так же, как и ось волноводного ввода образуют угол 15-20° к горизонту. Со стороны дна камеры по ее оси введен диэлектрический патрубок для откачки объема камеры. Устройство для продува воздухом расположено коаксиально указанному патрубку снаружи камеры, неразъемно с ней соединено и связано с устройством для вращения камеры.
К недостаткам сушилки, которые снижают качество сушки и эффективность использования микроволновой энергии необходимо отнести, в частности, конструкцию узлов продува и откачки объема камеры. Конструкция этих узлов способствует налипанию мелких частиц материала на вращающееся сочленение с волноводным вводом микроволновой энергии, появлению корки запеченного продукта и соответственно ухудшению прохождения микроволнового излучения к камере.
В соответствии с заявкой на патент Украины на изобретение №200700677 от 22.01.2007 «Пристрiй для сушiння сипучих дiелектричних матерiалiв» заявители ЗАО «Технологический парк «Институт монокристаллов», ГНУ «НТК «Институт монокристаллов» НАН Украины, высокое качество сушки и уменьшение энергоемкости процесса обеспечивает конструкция сушилки, содержащая камеру многомодового резонатора, закрепленную на стойках с возможностью вертикального перемещения и вращения, выполненную из двух усеченных конусов разной высоты и цилиндрической части, которая их соединяет между собой большими основами. Форма камеры задается соотношением высот большего по высоте усеченного конуса, цилиндрической части и меньшего по высоте усеченного конуса, которое составляет 2,5:1:0,25, при этом угол между высотой и образующей большего по высоте конуса составляет 20-21°. Больший по высоте усеченный конус фланцем горловины соединен через вращающееся сочленение с волноводным вводом микроволновой энергии, при этом ось волноводного ввода микроволновой энергии и соответственно продольная ось камеры создают угол 20-21° с горизонтальным основанием устройства. Диэлектрический патрубок для откачки объема камеры установлен со стороны дна камеры по ее вблизи плоскости днища оси через вращающееся вакуумное уплотнение, загнут вверх относительно горизонтального основания устройства и снабжен насадкой - фильтром для исключения попадания в него сырья, а устройство для продува камеры, размещенное коаксиально патрубку вне камеры, содержит воздухопровод, введенный в камеру вблизи плоскости фланца горловины камеры и оснащен на конце распылителем.
Эта конструкция обеспечивает высокие показатели качества сушки, если объем камеры резонатора не превышает 50 л. При необходимости увеличения объема продукта, высушиваемого одновременно, и необходимости соответствующего увеличения объема камеры многомодового резонатора, заявленные форма и конструкция камеры резонатора, конструкция узла ввода микроволновой энергии, угол наклона камеры в рабочем состоянии к горизонтальному основанию сушилки, конструкции устройств для откачки и продува объема камеры не обеспечивают необходимого качества сушки. Низкие эксплуатационные характеристики делают такую конструкцию непригодной для использования с названной целью.
По совокупности существенных признаков в качестве прототипа нами выбран последний из аналогов.
В основу заявляемого изобретения поставлена задача разработки конструкции высокоэффективной сушилки для одновременной качественной сушки значительного объема сыпучего диэлектрического материала, то есть конструкции сушилки, которая характеризуется одновременно высокой продуктивностью и эффективностью использования микроволновой энергии.
Решение задачи достигается тем, что конструкция сушилки для сыпучих диэлектрических материалов, содержащая камеру многомодового резонатора, закрепленную на стойках с возможностью вращения с помощью устройства для вращения, выполненную из двух усеченных конусов разной высоты и цилиндрической части, соединяющей их между собой большими основами, вращающееся вакуум-плотное сочленение с волноводным вводом микроволновой энергии, устройство для продува камеры с воздухопроводом и устройство для откачки объема камеры с диэлектрическим патрубком, установленным через вращающееся вакуумное уплотнение со стороны днища камеры по ее оси вблизи плоскости днища и изогнутым вверх относительно горизонтальной основы сушилки, в соответствии с изобретением включает рупорную антенну, установленную между вращающимся вакуум-плотным соединением и большим по высоте усеченным конусом, рупор которой на выходе закрыт радиопрозрачной перегородкой со сквозным отверстием по центру, бесконтактные датчики положения, установленные на стойках вблизи рупорной антенны, при этом камера закреплена на стойках под углом 8-10° относительно горизонтального основания. К тому же в цилиндрической части камеры выполнен грузовой люк с крышкой и вакуумным и микроволновым уплотнением, соотношение высот большого по высоте усеченного конуса, цилиндрической части и меньшего по высоте усеченного конуса составляет 0,75:1:0,5, а угол между высотой и образующей большего по высоте конуса составляет 8-10°. Воздухопровод устройства для продувки камеры введен в полость рупора антенны вблизи плоскости радиопрозрачной перегородки. Для улучшения эксплуатационных характеристик устройства, возможности контроля процесса сушки на стойках установлены тензодатчики, на внутренней поверхности камеры установлены датчики температуры, устройство для откачки объема камеры включает установленные в вакуумный трубопровод последовательно измеритель давления, фильтр для очистки воздуха и второй измеритель давления.
Закрепление камеры с возможностью вращения, установка на стойках бесконтактных датчиков положения и выполнение на цилиндрической части камеры грузового люка, который герметично закрывается крышкой, обеспечивает удобную загрузку сырья и полную выгрузку сухого продукта при установке камеры в необходимое положение. К тому же форма камеры, которая задана соотношением высот составляющих частей камеры и значением угла между высотой и образующей большего по высоте конуса, также способствует полному пересыпанию продукта во время выгрузки. При этом именно форма камеры резонатора, заявленная заданным соотношением параметров, в сочетании с заданным значением угла наклона камеры к горизонтальному основанию сушилки (8-10°) и конструкция узла ввода микроволновой энергии, которая включает рупорную антенну, установленную между вращающимся вакуум-плотным сочленением и большим по высоте усеченным конусом, обеспечивают практически полное поглощение микроволновой энергии, однородность температурного поля по всему объему высушиваемого материала и соответственно высокую эффективность процесса сушки и качество высушенного продукта. Вращение камеры также способствует установлению однородной температуры по всему объему материала. К тому же заявленное конструктивное выполнение устройства для продува камеры с воздухопроводом, который введен в пространство рупора антенны вблизи плоскости радиопрозрачной перегородки, установленной на выходе рупора и имеющей сквозное отверстие по центру, в сочетании с конструкцией устройства для откачки объема камеры с диэлектрическим патрубком, установленным через вращающееся вакуумное уплотнение со стороны днища камеры по ее оси, вблизи плоскости днища, и изогнутым вверх относительно горизонтального основания сушилки, обеспечивает необходимый технологический режим сушки в отношении заданных значений температуры и давления и исключает образование конденсата и налипание мелких частиц материала на поверхность радиопрозрачной перегородки, таким образом, повышая эффективность использования микроволновой энергии и качество высушенного материала. Тензодатчики, установленные на стойках, датчики температуры, установленные на внутренней поверхности камеры, делают возможным оперативный контроль процесса сушки. Включение в устройство для откачки объема камеры измерителя давления, фильтра для очистки воздуха и второго измерителя давления, которые установлены в вакуумном трубопроводе последовательно, также обеспечивает контроль параметров технологического процесса. Очевидно, что в случае одновременной сушки значительного объема материала отклонения от параметров технологического процесса являются недопустимыми. Вакуумное и микроволновое уплотнение на грузовом люке обеспечивает герметичность камеры при закрытой крышке грузового люка.
На чертеже схематически изображена сушилка для сыпучих диэлектрических материалов.
Сушилка для сыпучих диэлектрических материалов содержит камеру многомодового резонатора, состоящую из большего по высоте усеченного конуса 1, меньшего по высоте усеченного конуса 2, которые соединены между собой большими основаниями цилиндрической частью 3. При этом соотношение высот усеченного конуса 1, цилиндрической части 3 и усеченного конуса 2 составляет 0,75:1:0,5, а угол между высотой и образующей конуса 1 составляет 8-10°. На цилиндрической части 3 камеры выполнен грузовой люк 4 с крышкой 5 для загрузки и выгрузки высушиваемого материала 6. Грузовой люк 4 имеет вакуумное и микроволновое уплотнения 7.
Усеченный конус 1 меньшей основой соединен с рупором цилиндрической рупорной антенны 8, рупор которой закрыт радиопрозрачной перегородкой 9 со сквозным отверстием 10 по центру. Рупорная антенна через вращающееся микроволновое сочленение 11 соединена волноводным вводом 12 с микроволновым генератором (на чертеже не показан). Камера крепится с возможностью реверсивного вращения на стойках 13 таким образом, что ее продольная ось создает с горизонтальным основанием 14 угол 8-10°. Мотор-редуктор вращения на чертеже не показан.
Снаружи камеры расположено устройство для продува камеры с нагнетателем для подачи продувочного газа (на чертеже не показан) и воздухопроводом 15, который введен в пространство рупора антенны 8 вблизи плоскости радиопрозрачной перегородки 9.
Для откачки объема камеры через вращающееся вакуумное сочленение 16 в днище 17 по оси камеры введен и расположен вблизи плоскости днища 17 неподвижный диэлектрический патрубок 18. Диэлектрический патрубок 18 соединен гибким вакуумным трубопроводом 19 с вакуумным насосом (на чертеже не показан). В вакуумном трубопроводе 19 последовательно установлены измеритель давления 20, фильтр для очистки воздуха 21 и второй измеритель давления 22.
На стойках 13 вблизи рупорной антенны 8 установлены бесконтактные датчики положения 23. На стойках 13 также установлены тензодатчики 24, на внутренних поверхностях усеченного конуса 1, усеченного конуса 3 и цилиндрической части 2 камеры установлены датчики температуры 25.
Сушилка работает следующим образом.
Камеру многомодового резонатора, которая закреплена на стойках 13 под углом 8-10° к горизонтальному основанию 14 устройства, с помощью датчиков положения 23, установленных на стойках 13, и мотор-редуктора вращения устанавливают в положение, удобное для загрузки материала 6 через открытый грузовой люк 4 с вакуумным и микроволновым уплотнением 7. Загружают материал 6, герметично закрывают крышку 5. Включают вакуумный насос и через вакуумный трубопровод 19 и диэлектрический патрубок 18 осуществляют откачку до необходимого давления. Одновременно включают мотор-редуктор вращения, и камера начинает вращаться. При этом вакуумное сочленение 16 в днище 17 вращается вместе с камерой, а диэлектрический патрубок 18 остается неподвижным. При достижении давления в камере ≤10 мм рт.ст., не прекращая откачки объема, включают нагнетатель для подачи и регулирования продувочного газа. Через воздухопровод 15, введенный в пространство рупора антенны 8 вблизи плоскости радиопрозрачной перегородки 9, и сквозное отверстие 10 по центру радиопрозрачной перегородки 9 в камеру напускают продувочный газ до передпробойного давления, осуществляя продувку камеры и обеспечивая сдувание мелких частичек сырья с плоскости радиопрозрачной перегородки 9 рупорной антенны 8.
Затем включают микроволновой генератор. Микроволновой генератор излучает энергию и через волноводный ввод 12, вращающееся микроволновое сочленение 11, рупорную антенну 8 воздействует на материал 6. В соответствии с конструкцией устройства ось вращения камеры составляет с горизонтальным основанием 14 угол 8-10°, в результате чего при вращении камеры материал 6 перемешивается, сохраняя все время форму клина, вершиной в сторону микроволнового генератора, что способствует равномерности нагревания материала 6, при этом диэлектрический патрубок 18 всегда будет находиться выше уровня материала 6, обеспечивая откачку объема камеры.
В процессе работы контролируют равномерность нагревания материала температурными датчиками 25, вес материала тензодатчиками 24, установленными на стойках 13. Давление в камере, а также степень загрязнения фильтра для очистки воздуха 21 контролируют измерителями давления 20 и 22, установленными в вакуумном трубопроводе 19.
Выгрузку высушенного материала 6 осуществляют в следующей последовательности. Отключают микроволновой генератор и вакуумный насос. С помощью датчиков положения 23 и мотор-редуктора вращения устанавливают камеру в положение, удобное для выгрузки материала 6 через грузовой люк 4. Через воздухопровод 15 с нагнетателя осуществляют напуск продувочного газа до атмосферного давления. Открывают крышку 5 грузового люка 4 для выгрузки сырья в специальные емкости.