ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ СУШКИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для сушки материалов и может быть использована при создании экспериментальных установок для исследования кинетики сушки капиллярно-пористых материалов.
Процесс сушки является наиболее длительным и одним из самых энергозатратных процессов в технологической цепочке переработки капиллярно-пористых материалов. Поэтому сокращение продолжительности процесса сушки, снижение ее энергозатратности при сохранении качества конечного продукта всегда были актуальным направлением научных исследований, способствующих решению общей проблемы рационального использования энергоресурсов.
Одним из важнейших способов решения вышеуказанных проблем в настоящее время является применение вакуумно-импульсной технологии сушки, а также комбинированной технологии сушки.
Известна установка промышленного масштаба для сушки древесины с использованием вакуумной технологии (RU 2213309, опуб. 27.09.2003). Для снижения капитальных и энергетических затрат и повышения производительности сушки древесины установка снабжена дополнительной идентичной первой камерой для сушки, при этом обе они посредством трубопроводов с быстродействующими клапанами соединены с ресивером. Это обеспечивает повышение производительности известной установки путем обеспечения непрерывной ее работы за счет того, что камеры сушки работают в противофазе.
Недостатками известной, а также и других промышленных установок является то, что осуществляемые на них способы сушки не имеют расчетной базы, качественно описывающей процесс и способствующей выбору оптимальных режимных параметров.
Известна экспериментальная установка для исследования кинетики процесса сушки абрикос конвективным методом с использованием токов высокой частоты (ТВЧ). Установка включает сушильную камеру, внутри которой размещен коаксиальный конденсатор, пластины которого подключены к высокочастотному коаксиальному волноводу, посредством которого обеспечивается высокочастотное питание установки от генератора. К камере подсоединены два воздуховода для подачи и выхода сушильного агента. (АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук ЛУПУ О.Ф., Теоретическое и экспериментальное исследование процесса сушки абрикос с применением токов высокой частоты, Кишинев, 2005 г. (с.2-17).
Недостатком известного технического решения является предназначение установки только для исследования кинетики сушки абрикос и с использованием для этого только двух способов, а именно, конвективного или комбинированного с применением токов высокой частоты (ТВЧ).
Известна также экспериментальная установка для конвективной вакуум-импульсной сушки активированного угля. (И.В. Попова, Ю.В. Родионов, А.А. Букин, Д.А. Шацкий, Повышение интенсивности процесса конвективной вакуум-импульсной сушки на примере активированного угля, УНИВЕРСИТЕТ им. В.И. Вернадского, №1-3(28). 2010. с.261 - прототип).
Известная установка состоит из электродвигателя, двухступенчатого жидкостнокольцевого вакуумного насоса с автоматической регулировкой проходного сечения нагнетательного окна, емкости для подачи и отвода жидкости от насоса, ресивера с установленным на его выходе вакуумметром и запорной аппаратурой. Конвективную вакуум-импульсную сушку проводили циклическим методом, где каждый цикл включал стадию продувки высушиваемого объекта горячим воздухом (1 стадия), во время которой в сушильную камеру подавали предварительно нагретый воздух, и стадию вакуумирования (2 стадия), во время которой подача горячего воздуха прекращали и в сушильной камере создавали вакуум.
Недостатки известной экспериментальной установки состоят в том, что она предусмотрена для выполнения экспериментов для сушки только активированного угля, причем при использовании для этого только способа конвективной вакуум-импульсной технологии сушки. Кроме того, в установке по прототипу измеряют только относительную влажность воздушной среды и не производят измерение влажности самого исследуемого образца,
Техническая задача полезной модели состоит в повышении эффективности экспериментальной установки за счет усовершенствования ее конструкции, позволяющей обеспечить возможность исследования кинетики сушки широкого круга различных видов капиллярно-пористых материалов при использовании широкого круга различных технологий сушки (конвективная, вакуумная, вакуумно-импульсная и др.), а также - снизить энергоемкость и повысить точность результатов при получении закономерностей, позволяющих корректировать производственно-технологические режимы сушки на реальных установках.
Исследования кинетики сушки капиллярно-пористых материалов и подбора ее оптимальных режимных параметров проводились на разработанной на кафедре теоретических основ теплотехники Казанского национального исследовательского технологического университета и изготовленной заявляемой экспериментальной установке.
Техническая задача достигается тем, что экспериментальная установка для исследования кинетики сушки капиллярно-пористых веществ и материалов, включающая магистраль, нагнетательный компрессор, а также - оснащенную влагомером и датчиками температуры сушильную камеру, теплогенератор, теплообменник-конденсатор и систему вакуумирования, содержащую ресивер с установленным на его выходе вакуумметром, вакуумный насос и резервуар для воды, а также - систему записи параметров сушки и запорно-регулирующую арматуру, - снабжена комплектом съемных сушильных камер для возможности исследования различных капиллярно-пористых материалов при применении различных технологий сушки, системой компенсации перепада температур и обогрева магистрали и камеры, сушильная камера размещена в теплоизоляционном кожухе, выполнена с обогреваемым ТЭНом и снабжена подводом водяного пара, датчиком вакуума, вакуумметром и влагомером, содержащим автоматическую систему компенсации температур измеряемых значений влажности исследуемого образца в зависимости от его температуры, теплогенератор и камера соединены между собой теплоизолированным трубопроводом, обогреваемым ТЭНом, причем система компенсации перепада температур содержит термопары, одна из которых смонтирована на выходе из теплогенератора, одна - на ТЭНе теплоизолированного трубопровода, соединяющего теплогенератор и камеру, одна - на ТЭНе камеры, одна - на входе внутри сушильной камеры, при этом установка также содержит термопары, одна из которых смонтирована на входе в теплообменник-конденсатор, одна - для измерения температуры окружающей среды, а остальные равномерно распределены по объему исследуемого образца в камере, а система записи параметров сушки выполнена в виде системы контроля с обеспечением управления процессом сушки и содержит два программируемых восьмиканальных микропроцессора, подключенные через преобразователь интерфейса к персональному компьютеру (ПК).
Полезная модель имеет следующие отличия от прототипа:
- экспериментальная установка снабжена комплектом съемных сушильных камер для возможности исследования различных капиллярно-пористых материалов при применении различных технологий сушки;
- экспериментальная установка снабжена системой компенсации перепада температур и обогрева магистрали и камеры;
- сушильная камера размещена в теплоизоляционном кожухе, выполнена с обогреваемым ТЭНом и снабжена подводом водяного пара, датчиком вакуума, вакуумметром и влагомером, содержащим автоматическую систему компенсации температур измеряемых значений влажности исследуемого образца в зависимости от его температуры;
- теплогенератор и камера соединены между собой теплоизолированным трубопроводом, обогреваемым ТЭНом;
- система компенсации перепада температур содержит термопары, одна из которых смонтирована на выходе из теплогенератора, одна - на ТЭНе теплоизолированного трубопровода, соединяющего теплогенератор и камеру, одна - на ТЭНе камеры, одна - на входе внутри сушильной камеры, при этом установка также содержит термопары, одна из которых смонтирована на входе в теплообменник-конденсатор, одна - для измерения температуры окружающей среды, а остальные равномерно распределены по объему исследуемого образца в камере;
- система записи параметров сушки выполнена в виде системы контроля с обеспечением управления процессом сушки и содержит два программируемых восьмиканальных микропроцессора, подключенные через преобразователь интерфейса к ПК.
Это позволит повысить эффективность экспериментальной установки за счет усовершенствования ее конструкции, позволяющей обеспечить возможность исследования кинетики сушки широкого круга различных видов капиллярно-пористых материалов при использовании широкого круга различных технологий сушки (конвективная, вакуумная, вакуумно-импульсная и др.), а также - снизить энергоемкость и повысить точность результатов при получении закономерностей, позволяющих корректировать производственно-технологические режимы сушки на реальных установках.
В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений и решений с заявленной совокупностью признаков.
Полезная модель применима и будет использована при проведении исследований процессов суши капиллярно-пористых материалов в 2013 г.
На рис.1 изображена схема экспериментальной установки для исследования кинетики сушки капиллярно-пористых веществ и материалов;
На рис.2. - изображена схема древесного образца, подготовленного к проведению эксперимента;
На рис.3 представлены графики, полученные при сушке микроводорослей вакуумно-импульсным методом (5 циклов);
На рис.4 представлены графики, полученные при сушке микроводорослей вакуумно-импульсным методом с непрерывной стадией вакуумирования (1 цикл);
На рис.5 представлены графики, полученные при вакуумной сушке древесной стружки для плит 08 В;
На рис.6 представлены графики, полученные при вакуумной циклической сушке древесной стружки для плит 08 В (при осциллирующем режиме);
На рис.7 представлены графики, полученные при конвективной сушке древесной стружки для плит 08 В;
На рис.8 представлены графики, полученные при вакуумно-импульсной сушке древесного бруса (50 мм).
Экспериментальная установка для исследования кинетики сушки капиллярно-пористых веществ и материалов включает магистраль 1, нагнетательный компрессор 2, оснащенную влагомером 3, измерительная часть которого выполнена с чувствительными элементами игольчатого типа 4, сушильную камеру 5, теплогенератор 6, теплообменник-конденсатор 7, и систему вакуумирования 8, содержащую ресивер 9 с установленным на его выходе вакуумметром 10, вакуумный насос 11 и резервуар 12 для воды, а также - систему 13 записи и контроля параметров сушки и запорно-регулирующую аппаратуру, содержащую запорные вентили 14-27.
Установка снабжена комплектом съемных сушильных камер для возможности исследования различных капиллярно-пористых материалов при применении различных технологий сушки; системой компенсации перепада температур и обогрева магистрали 1 и камеры 5, сушильная камера 5 размещена в теплоизоляционном кожухе (на фиг. не показано), выполнена с обогреваемым ТЭНом 28 и снабжена подводом 29 водяного пара, датчиком вакуума 30, вакуумметром 31 и влагомером 3, содержащим автоматическую систему компенсации температур измеряемых значений влажности исследуемого образца 32 в зависимости от его температуры, теплогенератор 6 и камера 5 соединены между собой теплоизолированным трубопроводом 33, обогреваемым ТЭНом 34.
Теплоизоляция и обогрев трубопровода 33 позволяют снизить тепловые потери воздуха на участке между теплогенератором 6 и сушильной камерой 5, а также ускорить процесс разогрева металлических конструкций экспериментальной установки на начальной стадии. Обогреваемый ТЭН 28 сушильной камеры 5 позволяет не только поддерживать рабочую температуру внутри сушильной камеры 5 во время эксперимента, но также может быть еще одним способом подвода теплоты к исследуемому образцу 32.
Сушильная камера 5 имеет входной и выходной штуцеры (на фиг. не показано) с фланцевыми соединениями, обеспечивающими соединение ее с трубопроводами установки, что позволяет легко производить смену одной сушильной камеры на другую с требуемой конструкцией и объемом.
Система компенсации перепада температур на магистрали 1 и камере 5, в т.ч. их обогрев, содержит термопары, одна из которых 35 смонтирована на выходе из теплогенератора 6, одна 36 - на ТЭНе 34 теплоизолированного трубопровода 33 магистрали 1, соединяющего теплогенератор 6 и камеру 5, одна 37 - на ТЭНе 28 камеры 5, одна 38 - на входе внутри камеры 5, при этом установка также содержит термопары, одна из которых 39 смонтирована на входе в теплообменник-конденсатор 7, одна 40 - для измерения температуры окружающей среды, а остальные (41-45) - в камере 5, где они равномерно распределяются по объему исследуемого образца 32 при проведении эксперимента, а система 13 записи параметров сушки выполнена в виде системы контроля с обеспечением управления процессом сушки и содержит два 46 и 47 программируемых восьмиканальных микропроцессора, подключенные через преобразователь интерфейса 48 к персональному компьютеру ПК 49.
Поддерживание определенных температур ТЭНами осуществляется релейной системой управления с помощью микропроцессоров 46 и 47 и термопар 36 и 37, установленных на поверхности ТЭНов 28 и 34.
В качестве теплогенератора 6 используется промышленный фен STEINEL с плавным регулированием скорости воздушного потока до 500 л/мин в диапазоне температур от 50 до 250°С.
Для создания вакуума и вакуумного импульса используется водокольцевой вакуумный насос 11 марки НВВ - 50Э и ресивер 9, представляющий собой цилиндрическую металлическую емкость объемом 10 л из нержавеющей стали со сливом и с системой охлаждения.
Теплообменник-конденсатор 7 представляет собой теплообменник «труба в трубе» с внутренним оребрением по внешнему диаметру внутренней трубы, который предназначен для осушения воздуха поступающего из сушильной камеры 5.
Система контроля и управления процессом сушки 13 построена на базе двух программируемых восьмиканальных микропроцессоров 46 и 47 ОВЕН ТРМ 138. Для осуществления связи ТРМ 138 с персональным компьютером (ПК) 49, подключенным через преобразователь интерфейса 48 ОВЕН АС4, используется программное обеспечение SCADA-система OWEN PROCESS MANAGER.
Влажность образца определяется с помощью немецкого влагомера GANN HYDROMETTE HT85T с диапазоном изменения влажности 4…100%, работа которого основана на определении влажности по методу электрического измерения сопротивления или электропроводности. В приборе предусмотрена автоматическая компенсация изменения влажности при изменении температуры.
Также для определения влажности образца применяется весовой метод. В качестве весов были выбраны весы марки HBI-8500 с дискретностью 0,01.
Преимуществами применяемой в установке системы управления и контроля 13 являются - дешевизна, простота, высокая точность и надежность. В данной установке используются температурные датчики и приборы фирмы «ОВЕН», которая на сегодняшний день является производителем недорогих и конкурентоспособных приборов для промышленности на российском рынке.
В качестве влагомера 3 используется игольчатый влагомер немецкого производства, который был адаптирован для данной установки (внедрен во внутрь камеры, протестирована его работа в рабочем диапазоне температур).
ТЭНы в данной установке могут служить как системой разогрева установки в начальной стадии для ускорения процесса разогрева камеры, труб и клапанов, а также могут участвовать в эксперименте для сушки материалов - в стадии нагрева материала и стадии вакуумирования; применение ТЭНов в этой установке зависит от поставленных задач, исследуемого материала или метода сушки.
Работу экспериментальной установки осуществляют следующим образом.
ПРИМЕР.
Исследования проводили с древесным брусом по вакуумно-импульсной технологии сушки. Результаты представлены на рис.8.
Перед началом эксперимента необходимо удостовериться, что все датчики и приборы находятся в рабочем состоянии и расположены правильно, а также установить связь между ТРМ 138 и ПК для передачи и сбора данных.
В процессе подготовки исследуемого образца осуществляются внешний осмотр образца на выявление различных дефектов, измерение его геометрических параметров (толщина, длина, ширина и т.п.), определение начальной массы образца на лабораторных весах с точностью до 0,01 г и его влажности с помощью влагомера, а также осуществляется правильное установление датчиков температуры (41-45) и датчиков влажности в виде чувствительных элементов игольчатого типа 4 на образце 32.
На рис.2 представлен образец изготовленный из древесного бруса, подготовленный для проведения эксперимента. В зависимости от вида исследуемого материала датчики вбиваются, вдавливаются или равномерно распределяются по поверхности исследуемых материалов. Глубина установки датчиков зависит от вида исследуемого образца. На рис.2 представлен случай для образца из древесного бруса, в котором элементы вбиваются на 1/3 от толщины самого бруса (h).
Запись данных по влажности происходит вручную в зависимости от температуры образца в данный момент. В самом влагомере встроена автоматическая система компенсации температур измеряемых значений, которая позволяет точно измерить влажность и холодного, и нагретого образца без специальных корректировочных таблиц. После по экспериментальным данным строятся графики зависимости влажности от температуры, влажности от времени, влажности от давления.
После загрузки образца 32 в сушильную камеру 5 и установления на нем датчиков начинают эксперимент.
Запускают на компьютере 49 программу SCADA-система OWEN PROCESS MANAGER. В журнале фиксируют начальные параметры: начальную температуру образца, влажность при этой температуре и время начала эксперимента. Фиксирование изменений температур на протяжении всего эксперимента осуществляют автоматически с помощью вышеуказанной программы через заданный промежуток времени. Запись изменения влажности образца ведут вручную с учетом изменения температуры образца (от 10 до 90°С).
Далее включают нагревательные ТЭНы (34 и 28 соответственно магистрали 1, находящегося на трубопроводе 33, и камеры 5, и с достижением температуры воздуха в камере 5 приблизительно 50°С включают теплогенератор 6. Выставляемая температура в теплогенераторе 6 зависит от параметров образца и скорости изменения температуры его поверхности. Когда температура воздуха в камере 5 становится равной 100°С, к сухому горячему воздуху подмешивают водяной пар для увеличения скорости прогрева исследуемого образца (в зависимости от природы и характеристик).
Влажный горячий воздух после камеры направляется в теплообменник-конденсатор 7, где происходит его осушение. После осушения воздух подается вновь в камеру 5 с помощью нагнетательного компрессора 2.
Вакуумный насос 11 включают одновременно с теплогенератором 6 для поддержания в ресивере 9 заданного уровня вакуума. Вакуумметром 31 осуществляют непрерывную запись изменения глубины вакуума в сушильной камере 5 на ПК 49 с помощью программного обеспечения.
После достижения исследуемым образцом 32 заданной температуры (или в соответствии с алгоритмом программы) линия подачи горячего воздуха отсекается от камеры клапанами 15 и 22, и образец 32 отстаивается в камере 5 до тех пор, пока температурное поле образца по толщине не выравняется или разница температур образца не будет равна 3-6°С. После этого открывают клапан 18 и в камере 5 происходит резкий сброс давления, что позволяет удалить часть влаги без фазового перехода («вакуум-отжим»). Остаточное давление поддерживается в течение определенного времени (в соответствии с алгоритмом). При этом за счет градиента давления происходит интенсивное выделение влаги из образца, которая удаляется с помощью вакуумного насоса 11.
На экспериментальной установке были проведены ряд тарировочных экспериментов. В качестве капиллярно-пористых образцов была выбрана древесина с начальной влажностью от 50 до 60% (сосна, липа, ель). По окончанию эксперимента образцы обладали влажностью от 6 до 8% и на их поверхности не были замечены трещины и коробления на поверхности, а также изменение цвета, что соответствует предъявляемым требованиям по сушке древесины т.е. свидетельствует о качестве сушки.
На рис.8 представлены графики изменения температуры и влажности при сушке сосны с начальной влажностью 50% до конечной влажности 8,4% при 20°С. Как видно, процесс сушки сосны состоит из двух этапов. Первый этап состоит из одного цикла - стадия конвективного нагрева с использованием пара и стадия вакуумирования, а второй этап состоит из нескольких таких циклов без добавления пара, количество которых зависит от характеристик исследуемого образца. Причем первый цикл является наиболее длительным и энергоемким по сравнению с последующими.
В процессе эксперимента было замечено, что температура образца растет после каждого цикла, что свидетельствует об удалении влаги из исследуемого образца, т.е. об уменьшении его влажности после каждого цикла.
Результаты выполнения исследований на экспериментальной установке с другими капиллярно-пористыми материалами и веществами при различных технологиях проведения сушки представлены на графиках, на рис.3-7.
Следует отметить, что в сравнении с прототипом в заявленной установке использована более простая и менее металлоемкая система вакуумирования, имеется возможность измерения давления и в ресивере, и внутри сушильной камеры, что позволяет подробно исследовать изменение давления в системе и оценить влияние давления на процесс сушки, кроме того, имеется возможность измерять изменение температурного поля исследуемого образца пятью термопарами, снабжение ТЭНами сушильной камеры и магистрали позволяет исследовать влияние подвода теплоты во время вакуумирования, а также исследовать метод вакуумной сушки с постоянным подводом теплоты.
Конструкция созданной экспериментальной установки включает относительно недорогие, достаточно простые, точные и надежные конкурентоспособные приборы, системы и программы, что позволяет снизить энергоемкость и повысить точность результатов при получении закономерностей, позволяющих корректировать производственно-технологические режимы сушки на реальных установках.
Таким образом, создана экспериментальная установка позволяющая исследовать широкий круг реальных процессов сушки различных видов материалов и веществ, исследовать кинетику сушки при различных воздействиях на процессы сушки (конвективная, вакуумная, вакуумно-импульсная), получать закономерности позволяющие корректировать производственно-технологические режимы сушки на реальных установках.
Дальнейшие исследования будут направлены на разработку систем управления и оптимизации режимов вакуумно-импульсной сушки древесины с учетом таких факторов как порода древесины, размер, влажность (исходная и требуемая), глубина вакуума, соотношение объемов ресивера и камеры, потребление энергии и т.п.