Способ эффективной, низкотемпературной, конвективной сушки
METHOD OF EFFECTIVE, LOW-TEMPERATURE, CONVECTIVE DRYING

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности к установкам для сушки продукции растениеводства, садоводства и пиломатериалов древесины.
Известен способ конвективной сушки, который широко применяют в шахтных, колонковых, карусельных, лотковых, платформенных, стеллажных, напольных, ящичных, лесосушильных и других сушилках. К недостаткам данного способа можно отнести: невысокое качество готового высушенного материала, высокие энергозатраты на процесс сушки, отсутствие возможности автоматизированного управления процессом сушки разнообразного исходного материала.
Технический результат заявляемого способа заключается в повышении качества высушенного материала при сокращении энергозатрат с возможностью автоматизированного управления процессом сушки любого исходного материала.
Во время конвекции сушильный агент выполняет следующие операции:
1) нагревает материал;
2) перемещает влагу из внутренних слоев материала к наружным;
3) испаряет влагу с поверхности материала сушки;
4) удаляет влагу, с превращением ее в пар, из сушильной камеры, участвуя в тепломассобмене.
Удаление влаги с поверхности материала, которая омывается сушильным агентом, происходит при любой ее температуре в пределах о до 100°C, но с постоянным расходом теплоты - 2260 кДж/кг. Поэтому выгоднее сушить при невысоких значениях температуры, сокращая затраты на нагрев материала. При невысоких температурах сушильного агента значительно выше коэффициент теплопередачи K, который определяют по известной формуле:
где q - плотность потока энергии, ΔT - температурный напор между средой сушильного агента и поверхностью материала.
Перемещение влаги из внутренних слоев материала, который является изотропной средой, определяет закон Фурье, согласно которому вектор плотности теплового потока пропорционален и противоположен по направлению градиенту температуры наружных и внутренних слоев материала. Предлагаем перемещать влагу за все время сушки только в одном направлении - от внутренних слоев к наружным естественным путем, без энергозатрат, как это происходит в почве, пошаговым во времени наращиванием температуры с начала сушки и до конца прогревания на этом первом этапе, затем - сушка при постоянной, одной выбранной температуре из диапазона от 30 до 60°C. Эту температуру не меняют на протяжении всего второго этапа. На третьем этапе сушки, который по времени равен первому, проводят пошаговое уменьшение температуры сушильного агента до ее значения у окружающей среды. Этот трехэтапный способ сушки обеспечивает неменяющееся нужное направление движения влаги внутри каждого компонента материала, когда в нем градиент температуры близок к минимальному значению. А это резко сокращает затраты энергии на перемещение влаги по слоям каждого компонента материала к его поверхности. Любой исходный материал сушат за одну загрузку без лишних перевалок и дорогостоящих промежуточных операций: охлаждение, отволаживание, кондиционирование, термовлагообработки, обеспечивающий за все время сушки перемещение влаги внутри компонентов материала только в одном направлении - от внутренних слоев к наружным, что повышает показатели качества высушенного материала при сокращении энергозатрат и времени сушки, обеспечивает условия автоматизированного управления процессом сушки.
На фиг. 1 представлена блок-схема сушилки, на фиг. 2 - закономерности изменений влажности и температуры пиломатериала от продолжительности времени сушки, на фиг. 3 - зависимости влажности и температуры пиломатериала, а также скорости его сушки от времени.
Высокую равномерность по влажности у компонентов готового высушенного материала обеспечивают реверсирование направления движения сушильного агента 1 (Фиг. 1) или, как в шахтной или колонковой сушилках, перемещение зернового вороха на величину расстояния  по вертикали между подводящими 2 и отводящими 3 коробами. При этом выгруженный материал сушки в подсушильный бункер 4 возвращают в надсушильный бункер 5 сушильной камеры 6.
Автоматизацию управления процессом сушки обеспечивают:
1) автоматизированная система взвешивания 7 сушильной камеры 6 от сенсорных датчиков 8, расположенных между рамой сушильной камеры 9 и подрамником 10. Эта система 7 взята от современных измельчителей смесителей раздатчиков кормов;
2) математическая модель по результатам многофакторного опыта, проведенного на конкретном материале сушки;
3) электронные датчики 11 по контролю относительной влажности отработавшего сушильного агента;
4) электронные датчики 12 по контролю температуры сушильного агента;
5) электронные анемометры 13, определяющие скорость движения отработавшего сушильного агента на выходе из материала сушки;
6) компьютерная программа во время сушки контролирует и корректирует у сушильного агента следующие параметры: температуру, относительную влажность, расход, скорость движения через материал сушки, статический и динамический напоры.
Преимущества предложенного эффективного конвективного способа сушки рассмотрим на примере сушки пиломатериала древесины. Сушка - это удаление влаги из материала.
Ход процесса сушки на существующих конвекционных сушилках пиломатериалов отражают кривые (Фиг. 2). У современных сушилок процесс сушки разделяют на три этапа. На первом этапе (а) прогрева пиломатериала, при высоких относительной влажности и температуре сушильного агента, происходит повышение его влажности.
Второй (б) - этап постоянных температуры сушильного агента и скорости сушки. Температура поверхности пиломатериала равна температуре смоченного термометра. Влага внутри компонентов пиломатериала перемещается в одном направлении - от внутренних слоев к наружным. На завершающем третьем этапе (в) температура поверхности пиломатериала начинает расти. В результате происходит замедление сушки. Процесс сушки заканчивают при достижении пиломатериалом заданной конечной влажности.
В древесном стволе влага распределена не равномерно, влажность у свежесрубленной древесины ближе к коре составляет 100…120%, в центральной, ядровой зоне - 30…40%.
Наше исследование показало, что наращивание температуры сушильного агента с 40°C до 100°C увеличивает удельные затраты энергии с 2900 до 4300 кДж/кг испаренной влаги, или на 48%. Увеличение удельной затраты энергии связано со снижением коэффициента теплопередачи в 2,5 раза.
Оптимальная температура сушильного агента, в зависимости от породы и толщины пиломатериала, должна быть в пределах 40…60°C. При такой одной выбранной температуре сушильного агента нет выплавления смолы из смоляных кармашков и изменения цвета древесины.
Пока из высушенной древесины удаляют свободную влагу, усушки не происходит, она имеет место во время снижения влажности ниже 28…30%.
Процесс сушки по нами предложенному способу изображен на фиг. 3. Первый этап прогрева материала увеличен. Опытным путем мы установили, что для сортиментов сосны и ели оптимальным является прогрев на 1°C за каждые 2 часа от температуры окружающей среды до одной выбранной температуры в диапазоне 40…60°C. При этом осуществляют сушку древесины в таких условиях, которые исключают появление в ней внутренних напряжений, короблений и трещин. Прогрев проводили так, чтобы поток влаги из внутренних слоев пиломатериалов к наружным не отставал бы от интенсивности ее испарения движущимся сушильным агентом. Такой прогрев является энергосберегающим.
На втором этапе (б) свободную влагу удаляют из пиломатериала при постоянных: температуре сушильного агента и скорости сушки.
На третьем этапе (в) - этапе падающей скорости сушки, происходит снижение температуры сушильного агента на 1°C за каждые 2 часа до температуры окружающей среды.
В течение всего процесса сушки температура внутренних слоев пиломатериала равна температуре его наружных слоев и равна температуре смоченного термометра. Только пошаговое изменение температуры в первом и третьем этапах позволило дополнительно снизить затраты энергии на сушку, примерно, на 30%.
Важно отметить, что испарение может происходить и без подвода тепла извне с использованием тепла, запасенного любым материалом сушки ранее в первом этапе.
На производстве сухого травяного корма, сырьем которого служила подвяленная за 2…4 часа скошенная травяная масса и измельченная до 10 мм частиц, затраты энергии на сушку снижены в 3,5…4,0 раза. Качество сухого травяного корма, полученного традиционным и нами разработанным способом, представлено в таблице 1.
Новый эффективный, низкотемпературный, способ конвективной сушки способствовал получению готовой продукции более высокого качества, так, например, в ней кормовых единиц, обменной энергии, каротина и протеина больше соответственно в 1,54, 1,24, 1,3 и 1,75 раза, а содержание клетчатки снизилось в 1,76 раза.
Положительный эффект получен нами на всей продукции растениеводства и садоводства.