В производственных процессах на предприятиях железнодорожного транспорта и промышленности иногда приходится удалять часть влаги из твердых и сыпучих материалов, полуфабрикатов, продуктов и всевозможных паст, испарять растворители с окрашенных изделий. В одних случаях влагу удаляют с целью повышения качества полуфабрикатов или природных материалов, например твердого топлива для увеличения его теплоты сгорания, в других – для облегчения и повышения качества обработки, например древесины для увеличения продолжительности хранения продуктов, для уменьшения массы при транспортировке и т. п.

Влага из материала может удаляться механическим и тепловым способами.

Механические способы обезвоживания – отсасывание, фильтрование, центрифугирование и при изменении давления возможны в тех случаях, когда допускаются некоторая деформация материалов и достаточно высокое конечное влагосодержание в них. В некоторых случаях механический способ удаления влаги совмещают с тепловым.

Иногда обезвоживание достигается поглощением влаги гигроскопическими веществами: хлористым кальцием, серной кислотой и т. п., но этот способ сравнительно дорогой. Его применяют главным образом для осушки газов, обезвоживания ценных пород древесины и т. п.

Тепловые способы удаления влаги из материалов и растворов получили наибольшее распространение.

Сушку материалов с использованием теплоты можно производить естественным и искусственным способами. Естественная сушка проходит на открытом воздухе, под навесами или в специальных помещениях. Сушильным агентом и источником теплоты, необходимыми для испарения влаги, являются атмосферный воздух и солнечная энергия. Такой способ применяется для сушки больших масс материалов, не требующих специальных режимных условий по температуре и влажности окружающей среды, то есть древесины, торфа, травы и т. п. К недостаткам естественной сушки по сравнению с искусственной относятся: большая продолжительность; зависимость интенсивности сушки и конечной влажности от климатических условий и времени года в данной зоне; для размещения материала требуется большая территория, иногда достигающая нескольких квадратных километров, и громоздкая транспортно-погрузочная система. Поэтому, несмотря на кажущуюся простоту и дешевизну, естественная сушка в производственных условиях оказывается достаточно дорогой и неполноценной.

Искусственная сушка материалов производится в специальных устройствах с применением принудительной циркуляции газовой среды, поглощающей водяные пары с поверхности высушиваемого материала. Установки для искусственной сушки аналогичны другим тепло- и массообменным аппаратам. По способу подвода теплоты эти установки подразделяются на конвективные, контактные, радиационные и радиационно-конвективные, установки для сушки в поле высокой или промышленной частоты.

В конвективных установках тепло, необходимое для нагревания и испарения влаги, передается материалу от предварительно нагретой рабочей среды путем непосредственного соприкосновения (конвекцией) при совмещении процессов тепло- и массообмена на поверхности высушиваемого материала. Рабочая среда, участвующая в переносе теплоты и массы водяного пара, называется сушильным агентом.

Кондуктивную и комбинированную кондуктивно-конвективную сушки обычно объединяют под общим названием – контактная.

Кондуктивной сушкой называется процесс сушки материала на нагретой металлической поверхности. Теплота, необходимая для нагревания материала и испарения влаги, передается от нагретой поверхности к материалу теплопроводностью. Водяной пар, выходящий из материала, смешивается с окружающей средой, чаще всего с воздухом, и удаляется из цеха или сушильной камеры через систему приточно-вытяжной вентиляции.

Под комбинированной кондуктивно-конвективной сушкой понимают процесс, в котором подвод теплоты к высушиваемому материалу осуществляется как через нагретую металлическую поверхность, так и от сушильного агента. Предполагается, что в такой системе существуют конвективный и кондуктивный участки сушки. На конвективном участке сушки создаются условия для контакта материала с сушильным агентом. Сушка происходит благодаря теплоте, аккумулируемой материалом при его соприкосновении с нагретой поверхностью, а также за счет теплоты, передаваемой материалу сушильным агентом.

В радиационной и радиационно-конвективной сушке необходимое количество теплоты для нагревания материала и испарения влаги передается на поверхность изделия или материала специальными излучателями или излучающими поверхностями. Массообменные процессы с окружающей средой происходят на границе высушиваемого материала при естественном или принудительном движении сушильного агента.

Сушка в электрическом поле высокой или промышленной частоты сопровождается повышением температуры внутри изделия, благодаря чему создаются условия для эффективного распространения влаги, к поверхности, где происходит испарение ее в окружающую среду.

В классификационные показатели входит и давление, поддерживаемое в рабочей камере. По этому признаку установки делятся на атмосферные, в которых сушка осуществляется при атмосферном или незначительно отличающимся от него давлении, работающие под избыточным давлением и под вакуумом, в камере которых поддерживается давление значительно меньше атмосферного.

По характеру работы различают сушильные установки периодического действия с периодической загрузкой сырого и выгрузкой высушенного материала и непериодического действия, где загрузка и выгрузка материала происходят непрерывно или через определенные промежутки времени. Подача сушильного агента в рабочую камеру в первом случае продолжается в течение периода сушки загруженной партии материала, а во втором – непрерывно в соответствии с технологическим графиком работы предприятия или цеха.

В процессе сушки большое значение имеют свойства сушильного агента, его чистота, температура и начальное влагосодержание. Поэтому среда, участвующая в процессах тепло- и массообмена, выбирается исходя из физико-химических и технологических свойств материала. Наибольшее распространение в качестве сушильного агента получили воздух, смесь продуктов сгорания с воздухом, а иногда и перегретый водяной пар. Для материалов, которые, соприкасаясь с кислородом, изменяют свои физические или химические свойства, рекомендуется использовать инертные газы и перегретый пар. Следовательно, по видам и свойствам газовой среды сушильные установки можно разделить на несколько групп.

По конструктивным признакам различают камерные, коридорные, шахтные, конвеерные, барабанные, с псевдоожиженным слоем, трубчатые, работающие по типу пневмотранспорта и другие. Выбор конструкции сушильных установок зависит от многих факторов, а именно: от свойств материала, требований, предъявляемых к высушенному материалу, технологических режимов сушки, вида сушильного агента и его параметров, способа подвода теплоты, вида теплоносителя, компактности установки, условий ее обслуживания и т. п.

В соответствии с технологическим режимом сушки и конструкцией сушильной установки могут быть приняты разные схемы движения сушильного агента по отношению к материалам: прямоточные, противоточные, смешанные противоточно-прямоточные, с перекрестным током, реверсивные, в неподвижном и пульсирующем слоях, в пневмотранспорте. В некоторых случаях сушка ведется при однократном использовании сушильного агента, в других – с частичной рециркуляцией или даже с замкнутой циркуляцией газовой влагопоглощающей среды, пропускаемой после сушильной камеры через холодильник. Теплоноситель для сушильной установки следует выбирать с учетом принятой схемы теплоснабжения всего промышленного предприятия. Обычно для подогрева воздуха используют насыщенный водяной пар, максимальное давление которого не более (5 ÷ 10) 10⁵ Па. Следовательно, максимально возможная температура воздуха как сушильного агента не будет превышать 125–140 °С. Во многих случаях такая температура сушильного агента недостаточна, а повышение температуры теплоносителя связано с повышением давления пара, удорожанием воздухонагревателя и с усложнением вспомогательного оборудования сушилки. Иногда на промышленных предприятиях имеется достаточно большое количество отработавшего пара с давлением (1,2 ÷ 1,5) 10⁵ Па, например от кузнечных молотов и прессов, тогда для повышения давления этого пара с целью использования его в сушильных установках целесообразно применять струйные термокомпрессоры или тепловые насосы других конструкций.

Горячая вода как теплоноситель для сушильных установок широкого распространения не получила, специальное приготовление нагретой воды за счет теплоты пара или продуктов сгорания топлива весьма сложно и дорого.

Для сушки материалов, не боящихся незначительного загрязнения, целесообразно, где это возможно, применять топочные газы или их смеси с воздухом. В таких сушильных установках отсутствуют дорогостоящие парогенераторы, паропроводы и промежуточные теплообменники. При использовании смеси продуктов сгорания с воздухом практически можно получить сушильный агент с температурой от 120 до 1000 °С. Используя топочные газы, полученные в специальных камерах сгорания, или отходящие газы каких-либо огнетехнических установок (печей), можно создать сушильные агрегаты большой производительности, иногда расположенные в технологической линии получения какой-либо готовой продукции.

Источником теплоты для нагревания излучающих панелей и ламп в радиационных сушильных установках чаще всего служит электрическая энергия. Перспективными теплоносителями для сушилок такого типа, очевидно, будут высококипящие (высокотемпературные) вещества, не изменяющие свои физические и химические свойства при температуре 450 °С и выше, а также находящиеся при низких и умеренных давлениях. С созданием эффективных малогабаритных топливосжигающих устройств, например горелок с переменным избытком воздуха (ПИВ), для нагрева излучающих поверхностей в большей степени будут использоваться продукты сгорания топлива, особенно газообразного.

Основным энергетическим показателем эффективности работы сушильных камер является расход теплоты на 1 кг испаренной влаги, который зависит от свойств и геометрических размеров материала или изделий, от конструкции рабочей камеры и изменяется от 3500 до 7500 кДж/кг влаги.

Расход электроэнергии изменяется в пределах от 0,005 до 0,015 кВт · ч на 1 кг испаренной влаги. Большие расхождения в удельных расходах теплоты показывают, что еще не все возможности использованы для интенсификации процессов сушки.

Теплообменные устройства

Теплообменный аппарат (теплообменник) — это устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими средами. Устройства, в которых между средами происходит массообмен, называют массообменными аппаратами. Аппараты, в которых одновременно протекают тепло- и массообмен, называют тепломассообменными. Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой или применяемые для передачи теплоты от более нагретых тел и веществ к менее нагретым, называют теплоносителями.

Наибольшее распространение в тепломассообменных и теплотехнологических установках получили следующие процессы: нагревание, охлаждение, конденсация, выпаривание, сушка, дистилляция, плавление, кристаллизация, затвердевание. По потенциалу теплоносителя теплотехническое оборудование можно разделить на низкотемпературное, среднетемпературное и высокотемпературное. К высокотемпературным установкам относятся промышленные печи, им соответствуют рабочие температуры в пределах 400...2000 °С. Низко- и среднетемпературное оборудование представляет собой теплообменные аппараты, установки для тепловлажностной обработки и сушки материалов и изделий, установки утилизации тепла и пр. Рабочий диапазон среднетемпературных процессов и установок находится, как правило, в пределах 150...700 °С. Процессы с более низкими температурами, до -150 °С, называют криогенными.

Изучение тепло- и массообменных процессов и установок дает возможность правильно осуществлять выбор теплоиспользующего оборудования для решения вопросов по экономии энергоресурсов на промышленных объектах, а это является одной из задач в работе инженера-энергетика.