Сушка токами высокой частоты

Сушка токами высокой частоты (ТВЧ) основана на нагреве диэлектриков и полупроводников в быстроизменяющемся электрическом поле. Такое поле, воздействуя на диэлектрик, вызывает вращательное и колебательное движение его молекул.

Возникающее при этом молекулярное трение преобразуется в теплоту, количество которой пропорционально частоте тока.

Установка для нагрева материала токами высокой частоты состоит из генератора ТВЧ 1(рис. 1) и конденсатора 2 между пластинами которого располагается нагреваемый материал 3. Из всей мощности N_общ, которая подводится к конденсатору, часть - активная мощность N_акт - поглощается материалом, преобразуясь в теплоту. Оставшаяся же часть мощности (N_общ - N_акт) не образует тепловой энергии и обозначается как реактивная N_p. Отношение активной мощности к реактивной характеризует потерю энергии и выражается коэффициентом, называемым тангенсом угла потерь t_g b = N_акт / N_p. Величина использованной полной энергии во многом зависит от диэлектрической проницаемости материала. Поэтому вся потеря электрической энергии при нагреве диэлектриков ТВЧ обычно выражается как фактор потерь. Абсолютная диэлектрическая проницаемость материала равна произведению относительной диэлектрической проницаемости E_отн и электрической постоянной E_о=8,85 пФ/м.

Рис. 1. Принципиальная схема установки для нагрева материала ТВЧ

Таким образом, основными характеристиками материала, определяющими его нагрев ТВЧ, являются тангенс угла потерь и диэлектрическая проницаемость материала. Опыт показывает, что все материалы, для которых фактор потерь больше 0,01/ E_о, могут быть нагретыми ТВЧ. Особенно это относится к влажным материалам, так как вода имеет очень высокую диэлектрическую проницаемость (E_отн = 81). Быстрое образование большого количества тепла в местах нахождения в материале влаги является отличительной особенностью нагрева в электрическом поле высокой частоты. С понижением влажности материала фактор потерь уменьшается. На практике это означает, что при сушке плоских материалов преимущественно будут нагреваться более влажные участки, пока не произойдет выравнивание содержания влаги по всему объему. Величина фактора потерь зависит также от температуры, физико-химических свойств и особенностей его структуры, от частоты изменения электрического поля и его напряженности. При заданном факторе потерь тепловая мощность материала-диэлектрика определяется частотой тока и квадратом напряженности поля. Активная мощность для единицы объема материала может быть определена по формуле

где Р - удельная активная мощность, Вт/м³; 2пf - круговая частота тока, Гц; E_абс - диэлектрическая постоянная материала, Ф/м; Е - напряженность электрического поля, В/м.

Стремление увеличить активную мощность приводит к применению ТВЧ и полей большой напряженности. Однако необходимо иметь в виду, что существует предел напряженности электрического поля в диэлектрике, определяемый пробивным градиентом, т. е. напряженностью поля, приводящей к пробою (разрушению) диэлектрика. Наиболее рационально вести нагрев диэлектрика с помощью токов повышенной частоты при относительно невысокой напряженности поля.

При сушке в электрическом поле высокой частоты нагрев материала происходит изнутри. Вследствие этого температурный градиент, градиент давления и влажности направлены из внутренних слоев материала к его поверхности. Механизм процесса сушки зависит от интенсивности нагревания. При температуре материала ниже 60 °С перемещение тепла в нем происходит под действием градиента температуры, усиленного теплом внутреннего фазового превращения. При более интенсивном нагреве скорость фазового превращения внутри материала превышает скорость переноса массы пара, поэтому в материале возникает градиент давления. Величина избыточного давления зависит от температуры материала, его структуры, мощности нагревателя и других факторов. Повышенное значение величины избыточного давления обусловливает в основном высокую интенсивность сушки.

Кинетика процесса сушки ТВЧ та же, что и при сушке другими способами. Различным является распределение температуры, содержания влаги и давления внутри материала. Вместе с тем температуру материала можно регулировать в широких пределах независимо от температуры окружающего воздуха. Это является очень важным преимуществом сушки ТВЧ. На практике становится возможным подобрать такие режимы процесса, при которых градиенты влажности внутри материала очень малы.

Сушка ТВЧ нашла применение в различных отраслях промышленности. Особенно эффективно оказалось использование ее в производстве рулонных материалов: тканей, волокон, ниток и др. Первые опыты по сушке ТВЧ кожевенного полуфабриката, проведенные на ленинградском кожевенном заводе им. Радищева, показали, что, применяя ТВЧ, основную сушку кожи для низа обуви можно проводить примерно за 2,5-3 ч; при этом температура ее повышается до 65-70 °С. Кожа получается удовлетворительного качества, а выход ее по площади примерно такой же, как и при конвективной сушке. Постоянная по величине напряженность электрического поля во время сушки приводит к дальнейшему повышению температуры полуфабриката, в связи с чем возникает опасность его перегрева. Чтобы не допустить этого, рекомендуется по мере высушивания полуфабриката постепенно снижать напряженность поля.

Применение ТВЧ позволяет проводить сушку полуфабриката в сушилках проходного типа. Влажный полуфабрикат передвигается на конвейерной ленте (рис. 2) между электродами, которые выполнены в виде стержней и сдвинуты относительно друг друга. Такая форма и расположение электродов приводит к образованию электрических полей в виде гирлянд. Считают, что при сушке кожевенного полуфабриката действие подобного поля наиболее эффективно. Камера, в которой проводится сушка, должна быть по возможности закрытой, чтобы снижались потери энергии. Удаление образующихся водяных паров осуществляется с помощью отсасывающего устройства. Для охлаждения электроды обдуваются воздухом. Длина сушилки определяется скоростью движения ленты конвейера и мощностью применяемого генератора ТВЧ.

Рис. 2. Схема расположения электродов по длине конвейера в сушилках ТВЧ:

1- высокочастотный генератор; 2 - регулирующий конденсатор; 3- стержни-электроды;4 - ленточный конвейер

В сушилках, предназначаемых для сушки полуфабриката хромового дубления из шкур крупного рогатого скота повышенного развеса, мощность генератора должна быть около 100 кВт, скорость транспортирования от 0,8 до 8 м/мин в зависимости от степени высушивания полуфабриката. Кожи, высушенные при этих условиях, получаются очень мягкими и гладкими. Величина усадки их по площади при сушке до влажности 11 % составляет примерно 10%. Однако при сушке полуфабриката в растянутом (фиксированном) состоянии выход кожи по площади значительно увеличивается.

Исследования показали, что в условиях сушки ТВЧ отсутствует какая-либо миграция водорастворимых веществ к поверхности высушиваемого полуфабриката. Тем не менее полуфабрикат после проведения крашения и жирования должен подвергаться очень тщательной промывке. Это объясняется тем, что повышенное содержание в полуфабрикате электролитов резко замедляет сушку.

Основной причиной, сдерживающей применение ТВЧ для основной сушки кожевенного полуфабриката, является высокая стоимость затрачиваемой энергии. В этом случае стоимость энергии на испарение 1 кг воды в три раза выше, чем при сушке внаклейку, и почти в четыре раза выше, чем при вакуумной сушке. В связи с этим рекомендуется сушку ТВЧ комбинировать с сушкой другими способами и использовать тогда, когда влажность полуфабриката менее 40%. Такое комбинирование имеет целью не столько удалить при подсушке то или иное количество влаги, сколько равномерно распределить ее в полуфабрикате перед проведением тяжки.

Представляет интерес организация поточной линии (рис. 3), включающей проходные вакуумные сушилки типа "Автовак", проходные сушилки ТВЧ и проходные тянульные машины "Моллиса".

Рис. 3. Схема поточной линии:

1 и 2- сушилки ТВЧ; 3- проходные тянульные машины

После сушки в сушилке "Автовак" полуфабрикат, влажность которого составляет 30%, поступает в сушилку ТВЧ для выравнивания распределения влаги по объему дермы (кондиционирования), что необходимо для проведения последующей тяжки. Одновременно полуфабрикат подсушивается до содержания влаги 25%. После первой тяжки полуфабрикат снова кондиционируется и поступает на вторую тяжку. На этом участке линии обработка осуществляется без участия рабочих.

Дата добавления: 2015-07-21