Способ сушки тонкослойных материалов в электрическом поле

 

Изобретение относится к технологиям сушки, конкретно к способам сушки в электрическом поле. Способ сушки тонкослойных материалов в электрическом поле заключается в том, что над поверхностью этих материалов создают объемный электрический заряд с плотностью 10^-4 - 10^-2 Кл/м³. Объемный заряд создают путем размещения над поверхностью высушиваемого материала многоострийной электродной системы, эмиттирующей электроны. Изобретение позволит расширить диапазон применения данного способа по отношению к различным жидкостям и снизить образование озона. 1 табл.

Изобретение относится к технологиям сушки, конкретно к способам сушки материалов в электрическом поле.

Известны способы термической сушки: нагретым воздухом, или паром, ИК-излучением, СВЧ-полем [патент РФ N 2663593, F 26 B 17/22, 1996, патент РФ N 2051320, F 26 B 9/06, 1995, патент РФ N 2056002, F 26 B 3/347, 1996, патент РФ N 2043586, F 26 B 3/347, 1995]. Эти способы достаточно эффективны. Общим недостатком их является малая пригодность для сушки объектов, неустойчивых к повышению температуры.

Известен способ сушки материалов путем обдува их поверхности ненагретым воздухом [патент РФ N 2036401, F 26 B 9/06, 1995]. Способ пригоден для сушки сельскохозяйственных продуктов и некоторых материалов с развитой поверхностью. Недостатком его является невысокая эффективность.

Известен способ сушки материалов путем обдува их поверхности ненагретым воздухом с частичной ионизацией этого воздуха [О. Сердюков // ИР, N 5, 1983, стр. 24-25; О. Сердюков // ИР, N 6, 1988, стр.7, 9; О. Сердюков // ИР, N 6, 1996, стр. 8-9]. Эффективность сушки при этом увеличивается, но образующийся при этом озон разрушительно действует на некоторые материалы, например, резину. В технике разделения и очистки газов отработаны способы, некоторые из которых после определенной трансформации могут быть использованы для отделения паров жидкости. В патенте РФ N 1736612, B 03 C 3/00, 1992 описан способ выделения молекул сернистого ангидрида (SO₂) из смеси дымовых газов совместным действием электрофильтра и электронного пучка. Этот способ с учетом особенностей, указанных в [О. Сердюков // ИР, N 5, 1983, стр. 24-25; О. Сердюков // ИР, N 6, 1988, стр.7, 9; О. Сердюков // ИР, N 6, 1996, стр. 8-9 ] по совокупности существенных признаков выбран нами в качестве прототипа. Недостатком способа является узкая специализация на данной молекуле (SO₂) и слишком сложная цепочка воздействий.

Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона работоспособности способа по отношению к различным жидкостям, находящимся в высушиваемом материале или вне его при минимальном образовании озона и максимальной простоте реализации.

Решение указанной задачи достигается тем, что над поверхностью высушиваемого материала, находящегося в воздухе при нормальных условиях, создают объемный электрический заряд определенной плотности 10^-4-10^-2 Кл/м³. Этот заряд создают посредством размещения над указанной поверхностью электродной системы, эмиттирующей электроны.

В реальных условиях сушки воздух кроме N₂, O₂, CO₂ содержит также молекулы H₂O и молекулы испаряемой из высушиваемого материала жидкости. Из этого набора агентов O₂ имеет преимущество по отношению к захвату электрона, эмиттированного электродной системой, так как O₂ в этом составе наиболее электроотрицателен ( ΔE = -0,42 эВ). К тому же концентрация O₂ в воздухе достаточно велика ~20% от общей. В результате захвата электронов образуются отрицательные ионы молекулярного кислорода O^-₂ в концентрации до 10¹⁰ - 10¹¹ см^-3. Эти ионы движутся в электрическом поле электродной системы в направлении к поверхности высушиваемого материала, однако, из-за интенсивного обмена энергией и импульсом с нейтральными молекулами N₂, O₂, CO₂, почти вся энергия и импульс, приобретаемые ионом O^-₂ в электрическом поле, передаются нейтралам. Поэтому дрейфовая скорость O^-₂ в электрическом поле электродной системы невелика ≅ 2 - 5 м/с.

В силу малости этой скорости становится возможным накачать объем вблизи поверхности высушиваемого материала зарядом с плотностью до 10^-10 - 10^-8 Кл/см³ (10⁴ -10^-3 Кл/м³).

Электроны, захватываемые молекулами O₂, в нашем случае получаются в результате автоэмиссии с многоострийного катода электродной системы. Критическое напряжение, при котором уже возможно использовать холодную эмиссию в воздухе, составляет величину При этом напряженность поля непосредственно у поверхности острия, оцениваемая как E_o~ U_п/r_o, где E₀ - напряженность поля, U_п - напряжение питания, r₀ - радиус острия, достигает при U_п = 10⁴ В, r₀=10^-7 величины , что вполне достаточно для эффективной автоэмиссии электронов даже с учетом частичного экранирования острий друг другом и коллективным объемным зарядом эмиттированных электронов. Средняя напряженность поля у поверхности высушиваемого материала где d - расстояние этой поверхности до поверхности острий составляет при d = 0,01 - 0,02 м величину Для работоспособности способа сушки без существенного образования озона (O₃) необходимо осуществить в объеме между высушиваемой поверхностью и электродной системой режим т.н. тихого разряда. Известно, что тихий (темный) разряд характеризуется плотностью тока в 10 - 100 раз меньшей, чем коронный разряд. При этом почти полностью отсутствует свечение воздуха и образование O₃, при достаточно эффективной генерации O₂.

Способ сушки осуществляется следующим образом. У поверхности высушиваемого материала (ПВМ) имеется паровая оболочка, плотность которой максимальна на этой поверхности. При ее обдуве воздухом и отсутствии объемного заряда (ОЗ) профиль скоростей потока формируется только послойным трением и обязательно имеет нуль на самой поверхности. Сочетание в одном месте максимальной плотности пара и минимальной скорости потока объясняет невысокую эффективность сушки ненагретым воздухом. При наличии ОЗ часть его неизбежно связывается комплексами: молекула пара (МП) ←_→ O^-₂ и образует слой заряженного пара у ПВМ. Вследствие этого в пограничном слое пара появляются объемные силы электрического происхождения f_э≈ E_поп·ρ, где ρ - плотность ОЗ пара у ПВМ, E_поп - поперечный компонент электрического поля ОЗ, направленный вдоль ПВМ. Эти силы вызывают интенсивное скольжение пограничного слоя пара вдоль ПВМ, приводящее к уменьшению парциального давления пара, и, следовательно, к усиленному испарению жидкости и ускоренной сушке.

Способ сушки по описанному механизму проверен на воде, пентане, гексане, гептане, октане, ксилоле, метиловом, этиловом, бутиловом, гексиловом спиртах как в тонком слое жидкости, так и в пропитанном этими жидкостями пористом материале (картон). Проверка с соответствующими измерениями показала, что при плотности объемного заряда в диапазоне 10^-4 - 10^-2 Кл/м³ скорость испарения (сушки) увеличивалась по сравнению с естественной на верхнем пределе плотности ОЗ в 1,5-12 раз в направлении от гексилового спирта к пентану. Нижний предел плотности ОЗ ~ 10^-4 Кл/м³ определяется возможной погрешностью обнаружения эффекта дополнительного испарения (~ 5-7%), верхний предел плотности ОЗ ~ 10^-2 Кл/м³ соответствовал началу реконденсации испаряемой жидкости. Следует отметить, что при испарении (сушке) в условиях ОЗ при максимальной плотности потока O^-₂ жидкость дополнительно охлаждается (пентан до -12^oC).

Способ хорошо работает при сушке тонких слоистых материалов: фанеры, картона, бумаги, фотопленки, при выпаривании различных вытяжек в фармацевтической промышленности, при сушке лакокрасочных покрытий и т.д. В таблице приведены экспериментально полученные результаты по испарению жидкостей из неглубокого металлического заземленного сосуда. Все значения удельной испаряемости A приведены в системе СИ, умноженные на 10⁵ при плотности объемного заряда 0,5·10^-2 Кл/м³ и температуре окружающего воздуха 22^oC.

Формула изобретения

1. Способ сушки тонкослойных материалов в электрическом поле, отличающийся тем, что над поверхностью этих материалов создают объемный электрический заряд с плотностью 10^-4-10^-2 Кл/м³.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что объемный заряд создают путем размещения над поверхностью высушиваемого материала многоострийной электродной системы, эмитирующей электроны.

РИСУНКИ

Рисунок 1