УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУШКИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для осушки различных твердых материалов и может быть использована в химической, строительной, фармацевтической, пищевой, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности, связанных с переработкой и/или подготовкой материалов.
В настоящее время на практике применяются различные способы и использующие их устройства для осушки материалов, в основу которых положены физико-химические принципы удаления воды.
Для осушки газов и жидкостей наиболее распространены конденсационные (охлаждение и вымораживание), мембранные и сорбционные методы. Данные методы основаны на поглощении воды и ее паров или на переводе ее паров в жидкую или твердую фазу, которые легко удаляются механически.
Для осушки твердых материалов в основном используется способ, при котором производят испарение жидкой воды из материала в газовый рабочий объем сушильной камеры. Далее проводят удаление пара из рабочего объема, например, с помощью его конденсации или просто проветриванием. Перевод жидкости в пар проводят с помощью прямого нагрева самого осушаемого материала и/или рабочего газового объема сушильной камеры. Одним из вариантов удаления жидкости из материала является подача и отвод из объема сушильной камеры перегретого водяного пара, который поглощает влагу за счет его низкой относительной влажности при высокой температуре. Простейшим примером осушки твердых материалов является выдержка древесины на открытом воздухе, защищая ее только от прямых осадков. Такой способ не требует энергетических затрат, но обладает существенными недостатками, среди которых длительное время осушки, высокая влажность осушенного материала (как правило, не менее 20%) и неконтролируемые деформации. Важно также, что в течение длительного времени осушки в древесине с большой вероятностью развиваются биологические поражения.
В настоящее время известно несколько различных типов устройств, применяемых для осушки твердых материалов.
В устройстве и способе по патенту [1] производят осушку теплоизоляционных строительных материалов в сушильной камере. Загруженные в камеру теплоизоляционные материалы подвергаются обдувке горячим воздухом (теплоносителем), подаваемым с одного конца камеры и удаляемым с другого. Камера устроена таким образом, что она является удлиненной (состоит из нескольких секций) и эксплуатируется так, что осушаемые материалы постепенно перемещают по ее длине. В зависимости от выбранного режима степень осушки (остаточная влажность материала) может варьироваться в широких пределах. Достоинством данного устройства и способа перед аналогичными является то, что за счет обдувки происходит не только осушка теплоизоляционного материала, но и удаление из него вредных летучих примесей, например, формальдегида. Главным недостатком является низкая энергетическая эффективность, связанная с тем, что в потоке удаляемого из камеры воздуха уносится тепло, затраченное на нагрев воздуха, а также с потоком водяного пара уносится тепло, ушедшее на испарение воды. Рекуперацию тепла способ и устройство не предусматривают.
В устройстве и способе по патенту [2] для испарения воды из осушаемого материала предложен индуктивно-кондуктивный нагрев, при котором материал нагревают металлическими пластинами, через которые пропускают электрический ток. Электрический ток создают переменным напряжением, за счет чего в объеме материала происходит также и объемный диэлектрический прогрев и испарение влаги. Преимущество данного устройства и способа состоит в том, что он является более энергетически эффективным, поскольку не требуется нагрев большого потока теплоносителя, идущего на нагрев материала. Удаление водяного пара из сушильной камеры может быть проведено сравнительно малым вентиляционным потоком воздуха с температурой не ниже точки росы в сушильной камере. Недостатками при использовании данного устройства является то, что оно является гораздо более сложным, для его работы требуется источник высокого переменного напряжения и в нем также имеют место тепловые потери за счет уноса тепла в удаляемом из камеры влажном воздухе.
В патенте [3] предложена осушка, основанная на использовании радиационного прогрева инфракрасным излучением, получаемым от электрических нагревательных элементов. Принципиальные отличия от [2] состоят в том, что нагрев и осушка материала производятся в приповерхностном слое. При этом недостатками также являются сложность технической реализации и тепловые потери за счет уноса тепла в вентиляционном воздухе.
В последнее время все большее распространение получила вакуумная осушка твердых материалов. Устройства для вакуумной осушки работают либо по принципу поддержания в сушильной камере постоянного пониженного давления воздуха [4], либо по принципу периодического импульсного сброса давления и удаления влаги из камеры [5]. В обоих случаях используется прогрев сушильной камеры или материала для перевода жидкой влаги в пар. Эффект вакуумирования обеспечивает увеличение скорости осушки за счет объемного выделения пара из материала и может несколько снизить требования к расходу тепловой энергии на подогрев материала. При импульсной вакуумной осушке существует дополнительный эффект осушки, называемый импульсным отжимом и выражаемый в выталкивании свободной влаги из капилляров, а также дополнительный эффект энергосбережения за счет того, что часть воды уносится в виде капель (затраты энергии на их испарения не производятся). Устройства для вакуумной осушки являются более сложными и менее надежными при эксплуатации, требуют дополнительных энергетических затрат на работу вакуумного насоса и, как для всех других устройств, имеют энергетические потери, связанные с уносом тепла в удаляемом воздухе (в т.ч. скрытого тепла, затраченного на испарение воды). Кроме того, при вакуумной осушке имеется повышенная опасность разрушения материала за счет ускоренного выхода пара и барометрических воздействий.
Наиболее близким по техническим решениям и взятым за прототип заявленной полезной модели является установка по патенту РФ [6]. Данная установка предназначена для импульсной вакуумной осушки, но в этой установке содержатся узлы, позволяющие проводить удаление влаги из рабочего объема сушильной камеры и проводить осушку постоянно, даже без использования вакуумирования.
Установка содержит сушильную камеру, внешнюю систему рециркуляционной прокачки воздуха в сушильной камере, включающую соединительные трубопроводы и компрессор, систему кондиционирования прокачиваемого воздуха, обеспечивающую конденсацию водяного пара, его отвод в устройстве удаления конденсата и подогрев воздуха, возвращаемого в камеру. Установка также содержит трубопроводы и клапаны, соединяющие сушильную камеру с ресивером для обеспечения вакуумной осушки, вакуумный насос, обслуживающий ресивер, и систему управления, снабженную датчиками температуры и влажности воздуха и осушаемого материала.
Установка-прототип работает следующим образом. В периоды между импульсами вакуумирования из сушильной камеры через трубопровод компрессором постоянно отбирается воздух для его рециркуляционной прокачки и кондиционирования, при котором из воздуха удаляют воздух. В процессе его сжатия на выходе из компрессора повышается относительная влажность воздуха и даже возможно образование жидкой влаги. Далее воздух по трубопроводу поступает на устройство кондиционирования, в котором последовательно происходит его охлаждение, конденсация жидкой влаги, удаление конденсата и нагрев воздуха. После прохождения устройства кондиционирования воздух по трубопроводу рециклом возвращают в сушильную камеру. В устройстве кондиционирования для охлаждения и нагрева воздуха используется тепловой насос, а для финишного нагрева -дополнительный нагреватель. Рециркуляционная прокачка воздуха проводится до тех пор, пока в камере не установится расчетный температурно-влажностный режим. После этого или заранее включают вакуумный насос, понижающий давление воздуха в ресивере до давления порядка 1 кПа. Затем из камеры с помощью открытия быстродействующих клапанов в ресивер удаляется часть воздуха вместе с накопленными в нем парами воды. При быстром поступлении влажного воздуха из камеры в ресивер за счет адиабатического расширения происходит охлаждение воздуха и образование жидкой воды. Затем закрывают клапаны между камерой и ресивером, а в камере восстанавливают рабочее давление воздуха путем открытия соответствующих клапанов, например, атмосферное. Далее весь цикл повторяют. В камере может образовываться жидкий конденсат, который за счет наклонного днища стекает к устройству его удаления и удаляется перед началом следующего цикла прогрева осушаемого материала.
Установка-прототип представляет собой установку комбинированной осушки, включающую осушку в камере за счет постоянного испарения из материала жидкой воды, удаление из воздуха пара в системе кондиционирования, и финишную осушку с использованием импульсного вакуумирования. При этом основными недостатками установки-прототипа являются: низкая надежность и сложность при эксплуатации, дополнительные энергозатраты на вакуумирование, энергетические потери при вакуумировании, связанные с уносом тепла в удаляемом воздухе (в т.ч. тепла, затраченного на испарение воды), а также возможная деструкция осушаемых материалов, связанная с импульсными барометрическими воздействиями.
Данная установка может быть использована как эффективное средство осушки твердых материалов, даже если исключить из нее узлы, связанные с вакуумной осушкой. Вакуумная осушка в принципе дает только более высокую скорость осушки, но зато значительно усложняет конструкцию и снижает ее надежность и требует больших энергетических затрат. После исключения узлов вакуумной осушки тепловые потери, связанные с уносом тепла, затраченного на испарение воды в осушаемом материале, значительно снижаются.
Заявленная полезная модель является общей с установкой-прототипом только в части, не связанной с вакуумной осушкой. В этом случае прототип имеет следующие недостатки, на устранение которых направлена разработка заявляемой полезной модели.
Первым недостатком является то, что система кондиционирования воздуха представляет собой сложную по конструкции и сложную в эксплуатации систему, включающую тепловой насос и, как минимум, три теплообменные камеры высокого давления (камера с испарителем теплового насоса, камера с его конденсатором и камера дополнительного подогрева), а также несколько соединительных трубопроводов высокого давления.
Вторым недостатком является то, что, несмотря на то, что в прототипе снижаются потери тепла, затраченного на испарение воды (это тепло возвращается с помощью теплового насоса используемого в системе кондиционирования), возникают дополнительные энергетические потери - это потери, связанные с к.п.д. компрессора и теплового насоса. Оба эти устройства нагреваются и рассеивают тепло в атмосферный воздух или в другие внешние системы охлаждения. Т.е. часть электрической энергии, потребляемой установкой, просто теряется.
Задачей заявленной полезной модели является повышение технологичности и надежности установки осушки твердых материалов за счет упрощения системы кондиционирования рециркуляционного воздуха (системы, служащей для удаления из него воды).
Технический результат от использования заявляемой полезной модели заключается в повышении ее энергетической эффективности за счет снижения тепловых потерь при кондиционировании рециркуляционного воздуха.
Поставленные задача и технический результат достигаются за счет того, что все оборудование, необходимое для осушки и обеспечения технологических процессов, включая устройства для рекуперации тепла, размещается внутри объема рабочей камеры, что минимизирует тепловые потери. Вся тепловая и электрическая энергия, потребляемая установкой, идет на процесс осушки. Единственным источником тепловых потерь остаются трансмиссионные потери тепла через оболочку камеры. Эти тепловые потери существуют и во всех других устройствах осушки, использующих тепловые эффекты, и их величина может быть минимизирована с использованием тепловой защиты (теплоизоляция оболочки). В заявленной установке для обеспечения теплообменных процессов используются устройства, основанные на конвективном теплообмене с воздушной средой внутри объема рабочей камеры, что обеспечивает простоту и надежность работы установки.
Принципиальная схема установки для осушки твердых материалов приведена на рисунке (см. фигуру). Установка включает рабочую камеру 1, внутри которой установлены компрессор 2 и соединенный с компрессором трубопроводом высокого давления 3 теплообменник 4, устройство удаления конденсата 5, соединенное с теплообменником трубопроводом высокого давления 6. Устройство удаления конденсата 5 может быть снабжено тепловым насосом, включающим компрессор 7, испаритель 8 и конденсатор 9. Испаритель 8 имеет тепловой контакт с устройством удаления конденсата, а конденсатор 9 размещен внутри рабочей камеры.
Устройство удаления конденсата является проточным для подаваемого в него воздуха и эксплуатируется при повышенном давлении, создаваемым компрессором. В качестве такого устройства может быть использовано устройство, например, с каплеотбойниками или коалесцентный фильтр. Слив жидкой воды из устройства может быть ручным или автоматическим поплавкового типа. Устройство удаления конденсата может быть размещено как снаружи, так и внутри рабочей камеры. На фиуре показано наружное размещение. Наружное размещение более удобно в эксплуатации, а внутреннее может обеспечить дополнительный теплосберегающий эффект. В случае внутреннего размещения устройство удаления конденсата должно быть снабжено дренажным трубопроводом для отвода конденсата из камеры.
Выход устройства удаления конденсата соединен трубопроводами высокого давления 10 и 11 с установленными внутри камеры штуцерами 12 и 13 для подачи струй воздуха на теплообменник и компрессор, соответственно. Трубопровод 10 может быть снабжен регулируемым дросселирующим устройством 14, а на трубопроводе, входящем в теплообменник 4, может быть установлено дополнительное регулируемое дросселирующее устройство 15. Внутри рабочей камеры могут быть установлены тепловыделяющие элементы 16, питаемые либо горячим теплоносителем, либо от источника тока. Внутри рабочей камеры могут быть установлены побудители конвективных потоков воздуха 17, например, вентиляторного типа. Установка может включать систему управления 18, снабженную датчиками температуры и влажности воздуха и осушаемого материала 19.
Установка для осушки твердых материалов работает следующим образом. Осушаемый материал 20 размещают в рабочей камере 1 таким образом, чтобы его поверхность имела максимально большую площадь контакта с воздухом, например, на стеллажах и пр. Шлюз камеры (на фигуре не показан) закрывают. Стены камеры и шлюз должны быть теплоизолированными, а сама камера должна иметь достаточную степень герметичности. Включают компрессор 2, который сжимает поступающий в него воздух из объема камеры. При сжатии происходит нагрев воздуха. При этом относительная влажность воздуха поднимается и в пределе может достигнуть 100%. Сжатый воздух с повышенной относительной влажностью по трубопроводу высокого давления 3 поступает в теплообменник 4. Туда же в потоке воздуха переносится и сконденсированная влага, которая может образовываться в процессе сжатия. Теплообменник должен иметь высокоразвитую поверхность контакта с окружающим воздухом и в нем происходит охлаждение сжатого воздуха и выпадение конденсата. После теплообменника сжатый воздух вместе с жидким конденсатом по коммуникации высокого давления 6 поступает в устройство удаления конденсата 5, выходя из которого по коммуникациям высокого давления 10 и 11 он поступает на размещенные внутри камеры штуцеры 12 и 13. Струи воздуха, выходящие из штуцеров, расширяются, и происходит их охлаждение. Струи охлажденного воздуха направлены таким образом, что они обдувают радиатор теплообменника 4 и компрессор 2, снимая с них тепловую энергию и передавая ее окружающему воздуху, а через него на осушаемый материал, тем самым способствуя испарению влаги с поверхности и из толщи материала. Одновременно охлаждение теплообменника 4 за счет его обдува приводит к тому, что в нем происходит конденсация паров воды и образование капельной влаги. Сжатый воздух с капельной влагой по трубопроводу 6 поступает на вход устройства удаления конденсата 5, где происходит отделение влаги от воздуха и удаление влаги.
В устройстве удаления конденсата содержится теплая вода, тепло которой может быть отобрано хладагентом в испарителе 8 теплового насоса. Далее хладагент поступает в компрессор 7 и после сжатия поступает в конденсатор 9, являющийся также теплообменником. Тепло, выделяемое конденсатором 9, снимается потоками воздуха от штуцеров 12, 13 и возвращается в воздух рабочего объема камеры.
Осушка материала происходит за счет его нагрева, испарения влаги, конденсации пара за счет сжатия воздуха и его охлаждения, и удаления сконденсированной влаги за пределы сушильной камеры. Т.е. в устройстве происходит постоянный сток воды без ее поступления из внешних источников, как это имеет место в других устройствах, где осушка осуществляется с помощью продувки нагретым внешним воздухом или вакуумированием. Подаваемый в такие устройства внешний воздух всегда содержит водяной пар, поступающий в систему в виде дополнительного источника влаги. В предложенном устройстве внутренний воздух камеры является рабочим телом для осушки и используется в замкнутых рецикловых режимах. В это рабочее тело поступает в виде пара вода из осушаемого материала и из него удаляется сконденсированная вода. Для интенсификации процесса осушки (удаления жидкой воды из камеры) могут быть использованы дросселирующие устройства 14 и 15. В этих устройствах имеет место эффект понижения температуры выходящего после дросселя воздуха за счет быстрого (близкого к адиабатическому) снижения давления. Охлаждение воздуха, идущего на обдув теплообменника 4, компрессора 2 и конденсатора 9, приводит к увеличению съема тепла с их поверхности и интенсификации процесса конденсации влаги в теплообменнике 4 и в устройстве удаления конденсата 5, если оно расположено внутри камеры. Отобранное из этих устройств тепло идет на нагрев воздуха в камере и включается в процесс осушки. Кроме того, использование дросселей 14 и 15 является одним из элементов управления процессом осушки.
В заявленном устройстве теплота, затрачиваемая на испарение воды из осушаемого материала, максимально сохраняется в камере за счет ее рекуперации при конденсации пара в теплообменнике 4 и возврата внутреннему воздуху. Энергозатраты на работу компрессора и побудителя конвективных потоков 17, связанные с их нагревом, также остаются в виде тепла в рабочей камере.
В объеме рабочей камеры может образовываться капельная влага за счет охлаждения воздуха, выходящего из штуцеров 12 и 13. Эта капельная влага аналогична влаге, содержащейся в осушаемом материале, и подвергается испарению в процессе осушки. Неиспаренная влага осаждается на дне рабочей камеры и может быть удалена, например, если дно сделать наклонным и в нижней части установить устройство для слива (на фиг. не показано).
Источниками прямых потерь энергии является теплая вода, забираемая из устройства удаления конденсата 5, теплопотери через оболочку камеры и различия теплоты испарения воды из осушаемого материала и тепловыделений при ее конденсации. Для компенсации этих тепловых потерь используется рекуперируемое тепло, выделяемое компрессором и теплообменником. Если этого тепла не достаточно, то используются тепловыделяющие элементы 16.
Тепловыделяющие элементы 16 используются также для ускорения цикла процесса осушки. Сама сушильная камера и осушаемый материал обладают сравнительно большой теплоемкостью. Для их нагрева до требуемой температуры после запуска процесса осушки может потребоваться большое время, для сокращения которого может быть использовано тепло, выделяемое тепловыделяющими элементами 16.
Для ускорения процесса сушки также могут быть применены побудители конвективных потоков внутреннего воздуха 17, в качестве которых может быть использован вентилятор или воздуходувка. Эти побудители дополняют воздушные потоки, возбуждаемые штуцерами 12 и 13. Побудитель конвективных потоков устанавливают таким образом, чтобы обеспечить наиболее эффективный обдув осушаемого материала.
В предложенном устройстве существует несколько узлов, которые могут быть использованы для регулирования скорости и глубины осушки, а также остановки процесса осушки. Это мощность компрессора 2, тепловая мощность, подаваемая на тепловыделяющие элементы 16, мощность побудителя конвективных потоков 17 и перепады давления воздуха на дросселях 14 и 15. Для управления этими элементами могут быть использованы датчики температуры воздуха в камере и температуры осушаемого материала, и также датчики относительной влажности воздуха и влажности материала 19. Сигналы от этих датчиков могут быть использованы в автоматической системе управления 18, которая в автоматическом режиме будет выдавать задания соответствующим исполнительным механизмам.
Автоматическая система управления 18 и датчики 19 не отнесены к ограничительным признакам заявленной полезной модели, хотя они и присутствуют в признаках устройства-прототипа [6]. Причина в том, что заявляемая установка в общем случае может эксплуатироваться также и в ручном режиме или по заданной программе.
В предлагаемом устройстве использование дросселирующих элементов 14 и 15, побудителя конвективных потоков 17, а также теплового насоса 7-9 является дополнительными опциями, позволяющими повысить энергетическую эффективность процесса осушки.
Основными функциональными признаками предлагаемого устройства, позволяющими решить поставленную задачу и достигнуть заявленный технический результат, являются следующие:
- Компрессор 2 и теплообменное устройство 4 установлены в рабочем объеме сушильной камеры, что позволяет максимально эффективно проводить рекуперацию выделяемого ими тепла без использования дополнительного теплонасосного оборудования. Тем самым решается задача упрощения устройства для осушки и повышения его технологичности. Установка указанных узлов внутри сушильной камеры позволяет максимально сохранить тепло в осушаемом объеме и повысить энергетическую эффективность процесса осушки. Если использовать дополнительную опцию и снимать тепло из устройства удаления конденсата 5, используя для этого тепловой насос 7-9, то тепло будет теряться только через стенки сушильной камеры. Данные тепловые потери могут быть минимизированы использованием требуемой ее теплоизоляции.
- Съем тепла, выделяемого на поверхности компрессора и теплообменного устройства, осуществляется потоками воздуха от штуцеров 12, 13, создаваемыми самим компрессором. Это значительно упрощает конструкцию и также повышает ее энергетическую эффективность.
3
3
3
3
Энергетическая эффективность заявленного устройства иллюстрируется следующим примером при его сравнении с сушильной камерой, в которой рекуперация тепла не производится, а осушка ведется горячим воздухом. В данном примере осушке подлежит 10 м пиломатериалов, имеющих исходную влажность 60% (300 кг воды на м). Требуемая влажность составляет 10% (50 кг/м воды). Сухая плотность пиломатериалов составляет 500 кг/м. В обоих примерах осушка проводится при температуре 90°С.
Если для осушки использовать традиционный способ (поток горячего воздуха, подаваемый в камеру), то для осушки потребуется 7,5 суток и источник тепла с мощностью 10 кВт. Дополнительно потребуются теплоизбытки с мощностью 2,5 кВт, идущие на компенсацию тепловых потерь из камеры. Суммарные энергетические затраты для работы подобной установки требуют подводимой тепловой мощности, равной 12,5 кВт.
Если осушку проводить в камере, соответствующей заявленной установке, то энергопотребление камеры составит 4,15 кВт, а время сушки составит 7 суток. Вся затрачиваемая энергия будет расходоваться на работу компрессора со степенью сжатия по воздуху, равной 3. Из 4,15 кВт затраченной мощности 1,62 кВт теряются с нагретой водой, отводимой из устройства удаления конденсата, а 2,53 кВт возвращаются в сушильную камеру и компенсируют тепловые потери через стенки камеры.
В данном примере энергетические затраты на сушку древесины при использовании заявленного устройства обеспечиваются только тепловой энергией, выделяемой компрессором, и за счет возврата скрытого тепла, выделяемого при конденсации пара, содержащегося в воздухе внутри камеры. При этом тепловой баланс таков, что расход энергии, на нагрев тепловыделяющих элементов 16 не требуется. Суммарные энергозатраты оказываются в три раза меньше, чем при использовании традиционной сушки с помощью продувки горячим воздухом. Эти затраты будут еще ниже, если в сушильную камеру с помощью теплового насоса 7-9 возвращать тепло, уносимое вместе с водой, отводимой из устройства удаления конденсата 5. Если устройство удаления конденсата и компрессор 7 теплового насоса разместить внутри камеры, то достигается дополнительная экономия энергии.
Источники информации:
1. Патент РФ №2522723 «Способ сушки теплоизоляционного материала и сушильная камера для его осуществления»
2. Патент РФ №2667309 «Индуктивно-кондуктивный способ сушки пиломатериалов и устройство для его осуществления»
3. Патент РФ №2185579 «Способ сушки материалов в слое и нагреватель для его осуществления»
4. Патент РФ №2096703 «Способ сушки древесины и установка для его осуществления»
5. Патент РФ на полезную модель №48218 «Установка для сушки древесины»
6. Патент РФ на полезную модель №166946 «Установка для термовакуумно-импульсной сушки пищевых материалов».