Сушка в среде перегретого пара

Промышленное освоение высокотемпературно­го метода сушки водяным паром началось в 60-х годах нынешнего века. Здесь прежде всего следует отметить исследования, которыми доказана высокая эффектив­ность применения перегретого пара для сушки лесомате­риалов. Из опыта известно, что применение высокотем­пературной среды является наиболее реальным способом интенсификации процесса сушки [6]. Анализ процесса сушки показывает, что факторы, приводящие к ускоре­нию процесса, вместе с тем могут отрицательно влиять на качество сушки, поэтому, когда вопросы качества сушки играют основную роль, повышение температуры сушильного агента должно сопровождаться повышением влажности. В связи с этим обсуждаются достоинства и недостатки применения перегретого пара по сравнению с другими теплоносителями в качестве сушильных агентов.

К достоинствам процесса сушки перегретым паром относится, например, то, что пар этот повышает тепло­вую экономичность процесса: снижается удельный рас­ход тепловой энергии, поскольку появляется возмож­ность не только свести к минимуму тепловые потери с выбросами в атмосферу за счет замкнутой циркуляции пара, но и утилизировать большую часть тепловой энер­гии, затраченной на испарение влаги из материала. Су­шилки, работающие по замкнутому контуру движения сушильного агента, полностью оправдали себя при экс­плуатации в деревообрабатывающей промышленности.

Рис. 27. Интенсивность превращения воды в перегретый пар () и воздух

(- - - -) при скорости движения пара в автоклаве 1 м/с (1) и 3 м/с (2)

Расход тепловой энергии на сушку 1 м³ древесины в сре­де пара на 25—30 % меньше, чем при сушке воздухом. Применение перегретого пара позволяет значительно по­высить температуру материала (выше 100 °С), в резуль­тате чего увеличивается пластичность материала, умень­шаются градиенты влагосодержания в нем по сравнению с сушкой воздухом (при той же температуре). Это ведет к уменьшению усадки и деформации материала. Повы­шение средней температуры материала положительно влияет на изменение его термодинамических характе­ристик и коэффициентов, переноса влаги в материал. Испарение влаги из материала переходит в ее выпари­вание. При этом значительно увеличиваются коэффици­енты тепло- и влагообмена в процессе сушки. Все это приводит к интенсификации процесса сушки. Из рис. 27 следует, что преимущество пара перед воздухом должно в большей мере оказываться в области высоких температур. В связи е этим производительность сушильных установок резко повышается, поскольку сокращается длительность процесса сушки. В результате снижаются (в два раза) капиталовложения в сооруже­ние сушилок, создаются возможности уменьшения эксплуатационных расходов (примерно на 40 %). В перегре­том паре отсутствует свободный кислород. Этот факт имеет большое значение при сушке материалов покры­тий. Сушка материалов под давлением в среде перегре­того пара позволяет улучшить свойства продукции, на­пример повысить механическую прочность и водостой­кость. При сушке перегретым паром необходимость регулирования влагосодержания среды отпадает, потому что температура мокрого термометра остается постоян­ной. Управление процессом сводится лишь к регулиро­ванию температуры перегрева, что позволяет легко ав­томатизировать процесс сушки. Одним из недостатков сушильной установки на перегретом паре является необ­ходимость ее тщательной герметизации, в связи с чем возникает проблема непрерывного ввода и вывода ма­териала. В последнее время метод сушки перегретым па­ром находит все более широкое применение как в оте­чественной, так и в зарубежной промышленности.

Экспериментально доказано, что если сушить изделия в паровой среде под давлением, то можно получить не­обходимую температуру материала, поддерживая соот­ветствующее давление в автоклаве (рис. 28). Нагрев изделия в автоклаве осуществляется за счет излучения теплоты от встроенного внутри теплообменника или обо­греваемых снаружи стенок. При этом вода частично ис­паряется из изделия и давление в автоклаве постоянно повышается. Когда давление достигает заданного значе­ния, избыточный пар из автоклава удаляется, т. е. дав­ление в нем поддерживается на заданном уровне. Таким образом, сушка происходит при постоянном давлении. При этом процессы структурообразования и сушки про­текают одновременно в одном аппарате, что позволяет значительно сократить длительность тепловой обработки. Сушка и гидротермическая обработка при этом протекают очень интенсивно.

В последнее время были проведены исследования сушки перегретым паром при давлении, превышающем атмосферное. Установлено, что вначале на кривых суш­ки наблюдается участок, где влагосодержание увеличи­вается. Это объясняется конденсацией пара на поверх­ности материала. Период постоянной скорости сушки протекает при температуре материала, равной темпера­туре насыщения пара. При повышении давления тем­пература материала возрастает, что приводит к резкой интенсификации фазового превращения; испарение влаги переходит в выпаривание. При этом происходит качест­венное изменение механизма влагообмена и главную роль в переносе влаги начинает играть не диффузион­ный, а молярный (макроскопический) перенос влаги.

Рис. 28. Схема автоклава для сушки под давлением

1 — редукционный клапан; 2 — манометр; 3 — вентилятор; 4 — теплообменник;

5 — перфорированный лист

Основной движущей силой становится градиент давле­ния. С увеличением давления (следовательно, с повы­шением температуры материала) увеличивается интен­сивность внутреннего парообразования, в связи с чем избыточное давление повышается. Все это приводит к увеличению скорости сушки. Увеличение скорости дви­жения паровой среды в автоклаве также существенно влияет на продолжительность сушки. Установлено, что при увеличении скорости пара в автоклаве от 1 до 8 м/с скорость сушки в первом периоде увеличивается в 2,4 ра­за. Продолжительность сушки изделия до влажности 70% при этом сокращается в 1,5 раза. В этом случае для первого периода сушки:

Nu=6,7Re^0,35.

В теплообменник может также подаваться ВОТ от специальных котлов. Нагревательные панели теплообменника иногда размещают вдоль автоклава на месте перфорированных панелей. При этом расход условного топлива на 1 м³ изделий:

где Q – общий расход тепловой энергии на автоклав от котельной с контуром ВОТ; К_ц - коэффициент, учитывающий тепловые потери в циркуляционном контуре ВОТ (при 10% потерь К_ц = 1,1); ε – коэффициент заполнения автоклава по изделиям, %; η – КПД котельной с ВОТ;

Расход теплоты на 1 кг испаряемой влаги:

W – количество испаряемой влаги.

Сбрасываемый из автоклавов пар целесообразно использовать в соседних автоклавах, находящихся в периоде подъема давления, системах отопления и др. Если это мероприятие осуществляется, то мы имеем снижение расхода топлива на 1 м³ изделий.

где - удельная энтальпия сбрасываемого пара; К₁ – коэффициент использования сбрасываемого пара; если теряется 30% теплоты, то К₁ = 0,30.

Удельный расход условного топлива в этом случае:

тогда: