Сверхвысокочастотная электромагнитная сушилка пастообразных и сыпучих материалов

 

Изобретение относится к установкам для сушки различных материалов и может найти применение в химической и нефтехимической промышленности для проведения процесса сушки дисперсных систем в пастообразном состоянии и сыпучих материалов. Сверхвысокочастотная сушилка включает генератор электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, рабочую камеру-резонатор, ленточный транспортер, узлы загрузки и выгрузки материалов. Сушилка снабжена устройством, интенсифицирующим процесс сушки материалов, выполненным в виде двух цилиндрических барабанов с коническими концами, поверхности которых образованы лопастями Г-образной формы в поперечном сечении, с прикрепленными к каждому концу барабана валами для передачи вращательного момента. Интенсифицирующее устройство расположено в рабочей камере таким образом, чтобы барабаны лопастями в нижнем положении касались поверхности ленты транспортера, а ось вращения располагалась в горизонтальной плоскости под углом 0 - 90^o к направлению движения ленты транспортера. Техническим результатом является повышение эффективности процесса сушки, обеспечение равномерного нагрева обрабатываемого материала и повышение качества продукта. 3 ил.

Данное изобретение может найти применение в химической и нефтехимической промышленности для проведения процесса сушки дисперсных систем в пастообразном состоянии, сыпучих материалов.

Известна ленточная сушилка [Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е. В 2-х кн. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. -368с.: ил.], представляющая собой камеру, в которой расположена одна или несколько движущихся лент. Ленты (конвейеры) изготавливают из металлической сетки, резины, ткани или листового металла. Такие устройства получили распространение для сушки сыпучих материалов. Обычно сушка осуществляется противоположным (по отношению к движущейся массе материала) током сушильного агента, например воздухом. Скорость движения лент (а следовательно, и скорость сушки) изменяется в пределах от 0,1 до 1 м/мин.

Необходимое для процесса сушки тепло подводится за счет нагретого в калорифере воздуха. Воздух нагревает высушиваемый продукт в результате конвективного теплообмена.

Основными недостатком такого типа сушилок является значительная потеря тепловой энергии в результате теплоотдачи через стенки установки и с отходящим нагретым воздухом.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является сверхвысокочастотная электромагнитная сушилка [Рогов И.А. и др. Сверхвысокочастотный и ИК-нагрев пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность. 1976. - 285с.], представляющая собой камеру, снабженную ленточным транспортером, загрузочным устройством, подвод энергии осуществляется посредством электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, при этом камера сушилки является резонатором электромагнитных колебаний.

Основным недостатком данного устройства, сказывающимся на качестве сушки, является недостаточно равномерное облучение электромагнитным полем обрабатываемого материала.

Изобретение позволяет решить техническую задачу повышения эффективности процесса сушки, обеспечения более равномерного нагрева обрабатываемого материала и повышению качества продукта.

Сущность изобретения заключается в том, что установка, включающая генератор электромагнитных волн СВЧ-диапазона, рабочую камеру-резонатор, ленточный транспортер, узлы загрузки и выгрузки материалов, отличается тем, что установка снабжена устройством, интенсифицирующим процесс сушки материалов, выполненным в виде двух цилиндрических барабанов с коническими концами, поверхности которых образованы лопастями Г-образной формы в поперечном сечении, с прикрепленными к каждому концу барабана валами для передачи вращательного момента, причем интенсифицирующее устройство расположено в рабочей камере СВЧ-сушилки таким образом, чтобы барабаны лопастями в нижнем положении касались поверхности ленты транспортера, а ось вращения располагалась в горизонтальной плоскости под углом от 0 до 90^o к направлению движения ленты транспортера.

На фиг.1 представлена принципиальная схема СВЧ-сушилки.

На фиг.2 представлена схема устройства - интенсификатора процесса сушки.

На фиг.3 представлен вид СВЧ-сушилки в разрезе А-А.

СВЧ-сушилка состоит из следующих основных элементов: узла загрузки 1 обрабатываемого материала, рабочей камеры - резонатора СВЧ-излучения 2, узла генерации СВЧ-излучения 3, излучающей антенны 4, мембраны 5, устройства для удаления паровоздушной смеси 6, направляющих роликов 7, ленточного транспортера 8, роликов 9,10 и устройства - интенсификаторов испарения 11, узла выгрузки продукта 12 (фиг.1).

Работа СВЧ-сушилки осуществляется следующим образом. Продукт, подвергающийся сушке, через загрузочное устройство 1 попадает на ленту транспортера 8, направляющие ролики 7,9,10. Ленточный транспортер 8 размещается в резонаторе электромагнитного излучения 2, там же располагается устройство 11 - интенсификаторы испарения (фиг.2), которые позволяют производить перемешивание обрабатываемого материала, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости, таким образом, достигается максимально полное перемешивание материала, подвергающегося воздействию СВЧ-излучения, в резонаторе 2 СВЧ-установки. Интенсификаторы испарения 11 располагаются в одной горизонтальной плоскости под углом друг к другу на расстоянии, не превышающим длину ленточного транспортера 8 (фиг.2). Угол установки устройства α может изменяться от 0 до 90^o. При α=90^o опоры устройства закрепляются на торцевых стенках резонатора, и ось симметрии устройства располагается параллельно направлению движения ленты. В зависимости от угла α расположения устройства углы конусов β = 180-2α. Частота вращения интенсификаторов испарения 11 устанавливается в зависимости от свойств обрабатываемого материала, чтобы не создавать аэрозоль высушиваемого материала. Например, для сушки карбоната бария частота вращения не должна превышать 60 об/мин. Изготавливаются интенсификаторы испарения 11 из материалов, не поглощающих СВЧ-излучение (диэлектриков), имеющих рабочую температуру не ниже температуры сушки материала (для карбоната бария температура сушки составляет t= 100-120^oС), например фторопласт-4, эбонит и т.д. Учитывая, что электромагнитное поле в объеме резонатора 2 распределено не равномерно (максимальная плотность энергии наблюдается в центральной части камеры), благодаря действию устройства 11, придающего движение обрабатываемой среде как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях, перпендикулярных направлению транспортирования, обеспечивается равномерное воздействие поля на материал и, следовательно, обеспечивается его равномерный нагрев. Необходимость установки двух интенсификаторов испарения 11 обусловлена тем, что один производит перемещение обрабатываемого материала с одной боковой стороны транспортерной ленты 8 к другой, второй же, располагающийся на некотором расстоянии от первого, придает обратное движение материалу, и таким образом осуществляется выравнивание высоты слоя материала, располагающегося на ленте транспортера 8.

Электромагнитное излучение (с частотой 2450 МГц) создается СВЧ-генератором 3 и излучается в корпус сушилки с помощью излучающей антенны 4. Мембрана 5, проницаемая для СВЧ-излучения, предохраняет от попадания испаряемой влаги в систему распространения электромагнитного излучения. Паровоздушная смесь, образующаяся в результате сушки, отводится через штуцер 6 с помощью вентиляционного насоса (не показан).

Расстояние Н от поверхности транспортирующей ленты до излучающих антенн выбирается из условия наиболее эффективного воздействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона вдоль всей ленты транспортера 8 на обрабатываемый материал. Для обеспечения полного поглощения энергии электромагнитного излучения высушиваемым веществом по всему объему высота слоя продукта на транспортерной ленте устанавливается меньше глубины проникновения поля в материал. При этом необходимо, чтобы поверхность транспортера была хорошим электрическим проводником, что обеспечивает отражение не поглощенного в веществе электромагнитного излучения, и оно вторично взаимодействует с высушиваемым продуктом. Глубина проникновения электромагнитного излучения зависит от длины волны излучения и от физических свойств обрабатываемого продукта, в частности от диэлектрической проницаемости и тангенса " угла потерь" вещества, подвергаемого сушке, и определяется соотношением [Архангельский Ю.С., Девяткин И. И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. - Саратов: Издательство Саратовского университета, 1983. - 140 с.] где λ - длина волны электромагнитного излучения, εʹ - действительная часть относительной диэлектрической проницаемости обрабатываемого материала, tgδ = εʺ/εʹ - тангенс "угла потерь", εʺ - мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости. Как уже отмечалось выше, для равномерности прогрева вещества по всей глубине необходимо, чтобы высота h его слоя на транспортерной ленте 8 не превосходила δ_E, т.е. выполнялось условие h≤δ_E. Кроме того, длина транспортерной ленты 8, скорость ее движения и производительность сушилки зависят от мощности электромагнитного излучения, вырабатываемого СВЧ-генератором 3. Если длина находящейся в области электромагнитного излучения транспортерной ленты L, ширина d, а высота слоя вещества, подвергающегося сушке, h, то масса его равна: m = ρ_ср•L•d•h, (2) где ρ_ср - средняя плотность "сырого" вещества, содержащего m_ж = ϕm - жидкости и m_c = (1-ϕ)m - "сухого" вещества, ϕ - массовая доля содержания жидкости.

Количество теплоты, необходимое для сушки вещества, определяется по формуле Q = m_жc_ж(T_кип-T_o)+m_жλ+m_cc_c(T_кип-T_o), (3) где с_ж, λ - удельная теплоемкость и теплота испарения жидкости, с_с - удельная теплоемкость вещества, Т_кип - температура кипения жидкости. Т₀ - начальная температура. Следовательно, энергия электромагнитного излучения, поглощаемая веществом, должна быть не меньше Q. Принимая во внимание, что мощность генератора СВЧ-излучения равна Р, получим Р•t≥Q, (4) где t= L/v - время пребывания высушиваемого вещества в СВЧ-сушилке, v - скорость протяжки ленты транспортера. Таким образом, скорость протяжки ленты транспортера 8, в зависимости от заданной мощности СВЧ-генератора 3 или производительности сушилки, определяется соотношениями

Приведенные соотношения позволяют определять, в зависимости от электрофизических свойств высушиваемых материалов, конструктивные параметры сушилки и ее производительность.

Экспериментальные исследования по сушке в сверхвысокочастотном электромагнитном поле проводились на лабораторной установке мощностью 1 кВт. В частности, сушке подвергалась паста карбоната бария, содержащая 40 мас.% воды, при этом определялось количество испаренной воды в зависимости от времени сушки и начальной массы образца.

Согласно экспериментальным данным использование устройства - интенсификаторов испарения позволило повысить на 20% эффективность процесса сушки карбоната бария, т.е. практически полное высушивание пасты карбоната бария происходило для 1000,0 г без интенсификаторов за 36 мин, а с их использованием за 30 мин; 1500,0 г соответственно за 54 мину и за 38 мин; 2000,0 г за 73 мин и за 54 мин соответственно.

Предложенная в заявке на изобретение сверхвысокочастотная электромагнитная сушилка позволяет значительно интенсифицировать процесс сушки, снизить энергозатраты, упрощает управление технологическим процессом сушки, повышает коэффициент полезного действия установки и существенно снижает загрязнение окружающей среды.

Формула изобретения

Сверхвысокочастотная электромагнитная сушилка пастообразных и сыпучих материалов, включающая генератор электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, рабочую камеру - резонатор, ленточный транспортер, узлы загрузки и выгрузки материалов, отличающаяся тем, что сушилка снабжена устройством, интенсифицирующим процесс сушки материалов, выполненным в виде двух цилиндрических барабанов с коническими концами, поверхности которых образованы лопастями Г-образной формы в поперечном сечении, с прикрепленными к каждому концу барабана валами для передачи вращательного момента, причем интенсифицирующее устройство расположено в рабочей камере сушилки таким образом, чтобы барабаны лопастями в нижнем положении касались поверхности ленты транспортера, а ось вращения располагалась в горизонтальной плоскости под углом 0 - 90^o к направлению движения ленты транспортера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3