Способ сушки материалов в слое и нагреватель для его осуществления

 

Изобретение относится к технике камерной сушки различных материалов в слое и может найти применение при сушке капиллярно-пористых тел, например древесины, в том числе ее ценных пород, а также при сушке влажных пищевых продуктов, медицинских и биологических препаратов. При сушке по предлагаемому способу подвод тепла осуществляют послойно по всей площади нагрева обрабатываемого материала с помощью двухсторонних радиационных нагревателей, при этом регулируют степень миграции паров влаги из межслойных каналов путем изменения сечений отверстий нагревателей. Послойное регулирование температуры осуществляют как переключением схем питания нагревателей, так и изменением величины напряжения и тока на нагревателях. Нагреватель выполнен в виде рамки 1, в которой с помощью натяжных устройств 2 закреплены нагревательные элементы, выполненные в виде перфорированных полос 3, которые зафиксированы в рамке с помощью изолирующих планок 4, обеспечивающих расположение полос 3 посередине высоты рамки 1. В продольных элементах рамки выполнены перекрываемые отверстия. Данный способ сушки и конструкция нагревателя обеспечивают равномерный регулируемый радиационный нагрев материала по всей площади сушки и высоте штабеля и регулируемую степень миграции паров влаги в межслойных каналах. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к технике камерной сушки различных материалов в слое и может найти применение при сушке капиллярно-пористых тел, например древесины, в том числе ее ценных пород, а также при сушке влажных пищевых продуктов, медицинских и биологических препаратов.

Известен способ сушки древесины путем сухого ступенчатого ее нагрева с помощью термостатированных нагревательных элементов, выполненных из труб прямоугольного сечения, расположенных параллельно между собой в каждом ряду перпендикулярно направлению длины высушиваемого материала. Ввиду конструктивных особенностей примененных зонных нагревателей нагрев осуществляют позонно по длине высушиваемого материала. Способ предусматривает и применение сплошных термостатированных нагревательных элементов для предотвращения конденсации паров влаги на поверхности сушимого материала (патент РФ N 2096703, МПК F 26 B 5/04, 1995).

Указанным способом осуществляется только кондуктивный позонный подвод тепла к обрабатываемому материалу, но вообще не предусмотрена возможность позонного или послойного управления полем температур нагревателя полем парциальных давлений в межслойном пространстве. Кроме того, конструкция зонных нагревателей не обеспечивает свободного выхода паров влаги из замкнутых зон нагревателя, особенно в случае плотной укладки досок в слое и штабеле.

Известен также способ сушки, примененный в сушильной установке "Термолюкс" модели КС-4 фирмы "Станкоросс" и описанный в руководстве по эксплуатации КС-4.00.000 РЭ. Сушильная установка снабжена сплошными гибкими нагревательными элементами, нагрев которых осуществляют от источника постоянного тока безопасного напряжения. Сущность способа заключается в том, что после достижения в камере заданной температуры среды средние по высоте штабеля нагревательные элементы автоматически переключаются на 1/2 их мощности. Недостаток способа состоит в том, что он не предусматривает послойного по всей высоте штабеля регулирования интенсивности теплового поля, генерируемого гибким нагревателем. Что касается послойных полей парциальных давлений, то этот способ сушки не только не предусматривает возможности их регулирования, а, наоборот, препятствует диффузии паров влаги под действием разности парциальных давлений.

В способе сушки древесины путем подвода тепла от электронагревательных элементов, выбранном в качестве ближайшего аналога (патент РФ N 2061935, НПК F 26 В 3/34, 1994), тепло подводят локально посередине длины штабеля и по мере снижения влажности сушимого материала источники тепла периодически перемещают в направлении торцов заготовок к зонам с наибольшей влажностью. Таким образом, осуществляют лишь локальное повышение температуры заготовок и парциальных давлений паров влаги.

Однако этот способ сушки недостаточно эффективен, т.к. не обеспечивает формирование равномерного теплового поля и равномерного поля парциальных давлений паров влаги.

Известен гибкий нагреватель марки ЭНУ, применяемый в сушильной установке КС-4, выпускаемой фирмой "Станкоросс" и описанный в руководстве по эксплуатации КС-4.00.000 РЭ. Нагреватель содержит гибкий токопроводящий слой па основе углерода, заключенный между двумя гибкими изолирующими слоями из синтетического материала. Питание нагревателя осуществляется от источника постоянного тока с пониженным напряжением.

Теоретически указанный нагреватель может создать равномерное температурное поле, а практически он работает за счет контактного нагрева нижнего слоя древесины и за счет смешанного контактно-радиационного нагрева верхнего слоя древесины. При этом ввиду сплошности его активной поверхности нагреватель оказывает вредное влияние на конвективные токи паров влаги, не давая им свободно покидать поверхность слоя материала. Кроме того, в эксплуатации при работе в штабеле эти нагреватели требуют большого количества деревянных прокладок, которые опираются на активный углеродный слой нагревателей, повреждают его и снижают безопасность в эксплуатации и долговечность нагревателей.

Известен нагреватель для сушки капиллярно-пористых материалов, содержащий перфорированные ферромагнитные трубчатые элементы, соединенные гибкими полыми связями и подключенные к реверсивному вентилятору. При воздействии электромагнитного поля ферромагнитные элементы нагреваются за счет вихревых токов и передают тепло сушимому материалу (авторское свидетельство СССР N 500444, МПК F 26 В 23/08, 1973).

Ближайшим аналогом является нагреватель, состоящий из магнитожестких пластин, соединенных по концам гибкими связями. Нагреватель работает в переменном магнитном поле (авторское свидетельство СССР N 348837, МПК F 26 В 23/08, 1970).

Основным недостатком обоих нагревателей является невозможность создания сплошного равномерного по площади теплового поля при работе в штабеле. Кроме того, для создания переменного магнитного поля требуется сложное и дорогостоящее оборудование. Регулирование температуры нагревателей может осуществляться только изменением напряженности магнитного поля. Наконец, при работе в штабеле ближайший аналог требует применения дистанционных прокладок.

Задачей настоящего изобретения является устранение указаннных недостатков известных способов сушки материалов и нагревателей, а именно повышение эффективности сушки за счет создания равномерных и управляемых послойно температурных полей и полей парциальных давлений паров влаги по всей площади и по всей высоте штабеля (пекета) сушимого материала.

Другими задачами изобретения являются расширение технологических возможностей, упрощение и удешевление оборудования для сушки, повышение удобства в эксплуатации.

Теоретически доказано, что качество и скорость сушки в слое любого материала зависят от степени равномерности теплоподвода к слою, а также от скорости и равномерности удаления паров влаги, выделяющихся из слоя. Побудительными факторами для перемещения влаги в слое являются перепады (дифференциалы) давлений в слое и межсловном пространстве. Известно также, что дифференциалы температуры, влажности и парциальных давлений в слое являются функцией равномерности и мощности температурного поля нагревателя. Кроме того, парциальные давления паров влаги в слое зависят от скорости удаления паров влаги с поверхностей слоя и от сечения каналов для удаления паров влаги как в самом слое, так и в межслойном пространстве.

Поставленная задача решается тем, что в способе сушки материалов в слое путем подвода тепла от электронагревательных элементов подвод тепла осуществляют по всей площади нагрева обрабатываемого материала в каждом слое штабеля с помощью двухсторонних радиационных нагревателей, при этом регулируют степень миграции паров влаги из межслойных каналов путем изменения сечений отверстий нагревателей. Регулирование температуры в каждом слое обрабатываемого материала осуществляют как переключением схем питания нагревателей, так и изменением величины напряжения и тока на нагревателях. В нагревателе для сушки материалов в слое, содержащем металлические нагревательные элементы, закрепленные по концам в связующих элементах, связующие элементы выполнены в виде рамки, а нагревательные элементы - в виде перфорированных полос, закрепленных посередине высоты рамки с возможностью натяжения, а в продольных элементах рамки выполнены перекрываемые отверстия.

Технический результат заключается в том, что данный способ и конструкция нагревателя обеспечивают равномерный регулируемый радиационный нагрев материала в мягком режиме по всей площади сушки и высоте штабеля за счет фиксированного зазора сверху и снизу материала и регулируемое удаление паров влаги из межслойных каналов путем изменения сечений отверстий нагревателя. Расширение технологических возможностей характеризуется возможностью сушки не только капиллярно-пористых материалов, но и сыпучих или жидких продуктов на поддонах. При этом сушка в штабеле не требует наличия дистанционных прокладок между слоями, что повышает удобство в эксплуатации.

Заявляемый способ сушки материалов реализуется с помощью предлагаемого радиационного нагревателя. На фиг.1 изображен общий вид нагревателя, на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг.1 с натяжным устройством, на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг. 1, на фиг.4 - варианты схем включения нагревателя (фиг.4а - последовательная схема, фиг.4б - параллельно-последовательная схема), на фиг.5 - варианты схем работы нагревателей со слоями обрабатываемого материала в штабеле (фиг.5а - с открытыми отверстиями на всех нагревателях, фиг.5б - с чередованием открытия отверстий через один нагреватель). Обозначения на фиг.5: P_п.мс, P'_п и P''_п - парциальные давления паров влаги в межслойных пространствах (каналах), Р_п.ос - парциальное давление окружающей среды (в камере сушки), Р_п.сл - парциальное давление в слое. На фиг.6 изображен вариант использования нагревателя при сушке материала в поддонах.

Нагреватель содержит жесткую рамку 1, в которой с помощью натяжных устройств 2 закреплено несколько сменных радиационных проводящих элементов, выполненных в виде перфорированных полос 3, зафиксированных в рамке 1 с зазорами между собой и рамкой 1 с помощью изолирующих планок 4, которые обеспечивают расположение полос 3 посередине высоты рамки без электрических контактов между собой, рамкой 1 и обогреваемыми слоями влажного материала. Продольные элементы рамки 1 по всей своей длине имеют отверстия 5, которые могут перекрываться подвижной планкой 6. Полосы 3 с помощью переставляемых перемычек 7 подключены к источнику безопасного напряжения постоянного тока с помощью кабеля с разъемом 8. При этом электрическая мощность нагревателя может ступенчато изменяться с помощью перемычек 7 в зависимости от требуемой схемы подключения полос 3: как по последовательной (фиг.4а), так и по параллельно-последовательной (фиг.4б) схемам. Заявляемый способ сушки материала в слое, например, древесины с помощью предлагаемого нагревателя поясняется следующими примерами.

Пример 1 (фиг. 5б). На технологическую тележку с изолирующим покрытием (не показаны) укладывают нагреватель, на него вплотную (без шпаций) слой досок, снова нагреватель, слой досок и так до полного формирования штабеля. Сверху штабеля на последний слой досок укладывают еще один нагреватель. Полностью открывают отверстия в нижнем и других нечетных нагревателях. В четных нагревателях отверстия полностью закрывают. Закатывают тележку в вакуумную сушильную камеру (не показана). Через разъемы нагреватели подключают к электропитанию, после чего сушильную камеру закрывают. Включают вакуумный насос (не показан). При такой схеме перекрытия сечений отверстий нагревателей каждый нагреватель с перекрытыми отверстиями создает за счет двухстороннего радиационного равномерного обогрева нижнего и верхнего слоев досок в нижнем межслойном канале парциальное давление паров влаги выше, чем в верхнем межслойном канале. В результате этого нижняя поверхность верхнего слоя досок, равно как и верхняя поверхность нижнего слоя досок, будут увлажняться, а верхняя поверхность верхнего слоя досок - подсушиваться. Таким образом, в межслойных каналах, образованных нагревателями, происходит гигротермичсская обработка, при этом пары влаги с повышенным парциальным давлением проникают в тело верхнего слоя досок и способствуют миграции влаги из середины верхних досок к их верхней поверхности, откуда пары уходят в окружающую среду.

Пример 2. В отличие от примера 1 отверстия на нижнем нагревателе в штабеле полностью закрыты, на верхнем - полностью открыты, а на остальных нагревателях частично открыты по пропорциональному закону в зависимости от положения нагревателя по высоте штабеля. Это способствует направленному удалению влаги снизу вверх.

Пример 3. В отличие от примера 1 во всех слоях штабеля средние по длине нагревателя отверстия закрыты, остальные от середины нагревателя к его торцам пропорционально с увеличением открыты от частичного до полностью открытого положения. Это способствует направленному удалению влаги от середины слоя досок к его торцам.

Как правило, тот или иной вариант изменения сечений отверстий нагревателей выбирают в зависимости от этапа процесса сушки. Представленные примеры осуществления способа не ограничивают использование других возможных вариантов.

В зависимости от температуры досок и их влажности текущее послойное регулирование температуры радиационных нагревателей, т.е. регулирование мощности температурного поля, осуществляют двумя путями: макрорегулированием за счет переключения схем питания радиационных нагревателей и микрорегулированием за счет изменения величины напряжения и тока. Например, устанавливают меньшую мощность на каждом следующем по высоте слое штабеля или чередуют большую и меньшую мощности по слоям штабеля.

Сушку влажных пищевых, медицинских, биологических материалов в слое выполняют по предлагаемому способу в поддонах.

Заявителем изготовлена и проходит промышленные испытания установка для сушки древесины в соответствии с заявляемыми техническими решениями.

Формула изобретения

1. Способ сушки материалов в слое путем подвода тепла от электронагревательных элементов, отличающийся тем, что подвод тепла осуществляют по всей площади нагрева обрабатываемого материала в каждом слое штабеля с помощью двухсторонних радиационных нагревателей, при этом регулируют степень миграции паров влаги из межслойных каналов путем изменения сечений отверстий нагревателей.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулирование температуры в каждом слое обрабатываемого материала осуществляют как переключением схем питания нагревателей, так и изменением величины напряжения и тока на нагревателях.

3. Нагреватель для сушки материалов в слое, содержащий металлические нагревательные элементы, закрепленные по концам в связующих элементах, отличающийся тем, что связующие элементы выполнены в виде рамки, а нагревательные элементы - в виде перфорированных полос, закрепленных посередине высоты рамки с возможностью натяжения, а в продольных элементах рамки выполнены перекрываемые отверстия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6