Экспериментальная установка для исследования кинетики сушки капиллярно-пористых материалов по вакуумно-импульсной технологии

Р. Р. Гайфуллина, М. С. Курбангалеев, З. И. Зарипов,

Д. А. Анашкин

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ СУШКИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ВАКУУМНО-ИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Ключевые слова: сушка, вакуум, влагоудаление, вакуумно-импульсная сушка, капиллярнопористый материал, древесина.

Предложена экспериментальная установка для исследования кинетики сушки капиллярно-пористых материалов по вакуумно-импульсной технологии.

Keywords: drying, vacuum, moisture removal, vacuum-impulse drying, capillary-porous

material, wood.

The experimental setup for studying of drying kinetics of capillary-porous materials in vacuum-impulse technology is presented.

Введение

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. [1, 2, 3]

Одним из способов решения вышеуказанных проблем является применение вакуумно-импульсной технологии. Преимущество этой технологии сушки заключается в следующем: под воздействием вакуумного импульса основная влага из капилляров материала удаляется без испарения (импульсный отжим), т.е. сушка протекает без перегрева материала; ускоряется влагоудаления вследствие интенсификации внутреннего массообмена из-за расширения объема газов и паров влаги внутри капиллярно-пористой структуре материала, следовательно, уменьшается время сушки, а также сокращаются энергетические и экономические затраты. Важным практическим значением этого метода - перевод технологических процессов из поверхностных в объемные, т.е. интенсификация тепло- и массообменных процессов в гомогенной среде [1, 2].

Экспериментальная часть

В настоящее время существует ряд установок вакуумно-импульсной сушки промышленного масштаба, но данный способ сушки не имеет расчетной базы, качественно описывающей процесс и способствующей выбору оптимальных режимных параметров. С целью исследования кинетики вакуумно-импульсной сушки и подбора ее оптимальных режимных параметров на кафедре теоретических основ теплотехники Казанского государственного технологического университета была разработана и изготовлена экспериментальная установка (рис. 1).

Рис. 1 - Функциональная схема экспериментальной установки: 1 - сушильная камера, 3 - вакуумный насос, 4 - ресивер, 5 - теплообменник-конденсатор, 2, 6, 7, 8, 10, 11, 12 - запорно-регулирующие клапаны, 9 - теплогенератор

Установка включает в себя сушильную камеру 1, теплогенератор 9, вакуумную систему (вакуумный насос 3 и ресивер 4), теплообменник-конденсатор 5, запорно-регулирующую арматуру, систему компенсации перепада температур и обогрева магистрали и камеры (ТЭНы), а также систему контроля и управления процессом.

Сушильная камера 1 представляет собой цилиндрическую ячейку общего объема 3 л из нержавеющей стали с входным и выходным штуцерами 1, 3, двумя смотровыми окнами 2, двумя электровводами и четырьмя подставками для образца 5 (рис. 2).

Рис. 2 - Сушильная камера: 1 - входной штуцер , 2 - смотровое окно, 3 - выходной штуцер, 4 - электровводы, 5 - подставка для образца, 6 - образец

В качестве теплогенератора 9 используется промышленный фен STEINEL с плавным регулированием скорости воздушного потока до 500 л/мин в диапазоне температур от 50 до 250 0С.

Для создания вакуума и вакуумного импульса используется водокольцевой вакуумный насос 3 марки НВВ - 50Э и ресивер 4, представляющий собой цилиндрическую металлическую емкость объемом 10 л из нержавеющей стали со сливом и с системой охлаждения.

Теплообменник-конденсатор 5 представляет собой теплообменник «труба в трубе» с внутренним оребрением по внешнему диаметру внутренней трубы, который предназначен для осушения воздуха поступающего из сушильной камеры 1.

Система компенсации перепада температур на магистрали и камеры, в т.ч. их обогрев, осуществляется с помощью двух нагревательных кабелей с терморегулированием.

Экспериментальная установка оснащена датчиками температур, вакуумметром, влагомером.

Система управления и контроля над изменением температур построена на базе двух программируемых восьмиканальных микропроцессоров ОВЕН ТРМ 138. Для осуществления связи ТРМ 138 с ПК, подключенные через преобразователь интерфейса ОВЕН АС4, используется программное обеспечение SCADA-система OWEN PROCESS MANAGER. Измерение температур осуществляется с помощью десяти термопар типа ХК, из которых шесть расположены внутри сушильной камеры, одна - на выходе из теплогенератора, две - на терморегулировании и еще одна термопара для измерения температуры окружающей среды (помещения).

Для измерения глубины вакуума в системе используется образцовый вакуумметр.

Влажность образца определяется с помощью немецкого влагомера GANN HYDROMETTE НТ85Т 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-S500 с дискретностью 0,01.

Методику проведения эксперимента можно условно разделить на подготовку установки и образца к эксперименту, сам эксперимент и обработку экспериментальных данных.

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 на образце, так например, как это сделано в случае сушки древесины на рис. 3.

После загрузки образца в сушильную камеру 1 (рис. 1) и установления на нем датчиков начинается собственно сам эксперимент.

Запускается на компьютере программа SCADA-система OWEN PROCESS MANAGER. В журнале фиксируются начальные параметры: начальная температура образца, влажность при этой температуре и время начала эксперимента. Фиксирование

изменений температур на протяжении всего эксперимента осуществляется автоматически с помощью вышеуказанной программы через заданный промежуток времени. Запись изменения влажности образца ведется вручную с учетом изменения температуры образца (от -10 до 90 0С).

Рис. 3 - Расположение датчиков на исследуемом образце: 1 - влагомер, термопары: 2 - на глубине 1/3 (от И), расположенная по диагонали образца, 3 - на глубине 1/3 (от И), расположенная в середине образца, 4 - на глубине 1/2 (от И), расположенная в середине образца, 5 - на поверхности, расположенная по диагонали образца, 6 - на поверхности, расположенная в середине образца, И - толщина образца

Далее включают нагревательные ТЭНы магистрали и камеры 1, и с достижением температуры воздуха в камере 1 приблизительно 50 0С включают теплогенератор 9. Выставляемая температура в теплогенераторе 9 зависит от параметров образца и скорости изменения температура его поверхности. Когда температура воздуха в камере 1 становится равной 100 0С, к сухому горячему воздуху подмешивается водяной пар для увеличения скорости прогрева исследуемого образца (в зависимости от природы и характеристик). Вакуумный насос 3 включается одновременно с теплогенератором 9 для поддержания в ресивере 4 заданного уровня вакуума.

После достижения исследуемым образцом заданной температуры (или в соответствии с алгоритмом программы) линия подачи горячего воздуха отсекается от камеры клапанами 10, 2, и образец отстаивается в камере 1 до тех пор, пока температурное поле образца по толщине не выровняется или разница температур образца не будет равна 5-6 0С. После этого открывается клапан 12 и в камере 1 происходит резкий сброс давления, что позволяет удалить влагу 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 3. Далее все действия на экспериментальной установке повторяются аналогично предыдущим. Последующие действия могут отличаться друг от друга только рекомендациями по технологии сушки того или иного капиллярно-пористого материла; так, например, при сушке древесины для

более быстрого разогрева материала рекомендуется добавление пара к горячему воздуху только на первых этапа сушки. [4, 5, 6].

После сушки образца до требуемого влагосодержания работу программы SCADA-система OWEN PROCESS MANAGER завершают, в журнале фиксируют время окончания эксперимента и конечные параметры образца в камере. Далее высушенный образец вынимают из сушильной камеры и проводят оценку конечного продукта (внешний осмотр, взвешивание конечной массы и определение начальной влажности весовым методом, измерение влажности образца влагомером при комнатной температуре, измерение геометрических параметров образца).

Все данные, полученные во время эксперимента подвергаются анализу и обработке.

Результаты и обсуждение

На экспериментальной установке были проведены ряд тарировочных экспериментов. В качестве капиллярно-пористых образцов были выбраны различные виды 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 [7, 8], т.е.

свидетельствует о качестве сушки.

На рис. 4 представлены графики изменения температуры и влажности при сушке сосны с начальной влажностью 50 % до конечной влажности 8,4 % при 20 0С. Как видно, процесс сушки сосны состоит из двух этапов. Первый этап состоит из одного цикла -

100 90 80 70 О 60

Я 50

40

30

20

10

0

100

90

80

70

60 ^

50 §

I

*

ГО

40 “3 30 20 10 0

120 180 240 300

Время, мин.

Рис. 4 - Графики изменения температуры и влажности сосны при вакуумноимпульсной сушке: Т1 - температура в центре образца; Т2 - температура на поверхности образца по центру; Т3 - температура образца на глубине 1/3 от толщины по диагонали; Т4 - температура образца на глубине 1/3 в центре; Т5 - температура на поверхности образца по диагонали, W - влажность образца; К - стадия конвективного нагрева; В - стадия вакуумирования

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.

При сушке других образцов древесины наблюдается подобный характер изменений температур и влажности, как и при сушке сосны.

Таким образом, вышеописанная методика проведения эксперимента на установке для исследования кинетики сушки капиллярно-пористых материалов работает, что подтверждается полученными результатами тарировачных экспериментов.

Заключение

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.

Литература

1. Пат. 2056602 Российская Федерация, МПК6 Б 26 В 5/04, 3/04. Способ сушки древесины / Терентьев С.Г., Абрамов Я.К., Молокеев В.А.; заявитель и патентообладатель Терентьев С.Г., Абрамов Я.К., Молокеев В.А. - № 94031693/06; заявл. 01.09.94; опубл. 20.03.96, Бюл. № 8. - 6 с.

2. Абрамов, Я.К. Сушка сельхозпродуктов конвективно-вакуум-импульсным воздействием / Я.К. Абрамов и др. // Конверсия в машиностроении. - 2002. - №5. - С. 20 - 28.

3. Хасаншин, Р.Р. Математическая модель конвективной сушки коллоидных капилярно-пористых материалов при давлении ниже атмосферного / Р.Р.Хасаншин, Р.Р.Сафин, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. - 2005. - №1. - С. 266-273.

4. Лыков, А.В. Теория сушки / А.В. Лыкова. - М: Энергия, 1968. - 472 с.

5. Рассев, А.И. Сушка древесины: учебник для проф.-техн.училищ / А.И. Рассев. - М.: Высш. школа, 1980. - 181 с., ил.

6. Кречетов, И.В. Сушка древесины. - 3-е изд. перераб. - М.: Лесн. пром-сть, 1980. - 432 с.

7. Пиломатериалы хвойных и лиственных пород. Режимы сушки в камерах периодического действия: ГОСТ 19773-84. - Введ. 1985-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 18 с.

8. Гидротермическая обработка и консервирование древесины: учебное пособие по

проектированию цехов камерной сушки пиломатериалов. - Казань: Изд-во Казанский гос.технол.ун-т, 1999. - 100 с.

© Р. Р. Гайфуллина - асп. каф. теоретических основ теплотехники, rezeda_gayfullina@mail.ru; М. С. Курбангалеев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, kurms@pochta.ru; З. И. Зарипов -д-р техн. наук, проф. той же кафедры, zufar_zaripov@mail.ru; Д. А. Анашкин - магистр той же кафедры.