9.9. Инфракрасное газовое оборудование

Принцип радиационной сушки заключается в поглощении обрабатываемым телом инфракрасных лучей, которые, превращаясь в теплоту, нагревают его и обеспечивают за счет этого удаление влаги. Количество поглощаемой энергии зависит от длины волны падающего на тело инфракрасного излучения и поглощательной способности этого тела. Вещества, хорошо пропускающие и отражающие излучение, мало нагреваются. Нагревание вызывается только поглощением лучей.

Схема процессов, происходящих при проникновении инфракрасных лучей внутрь облучаемых тел, представлена на рис 9.20. Падающее на однослойный материал инфракрасное излучение (рис. 9.20, а) частично отражается от поверхности материала, а частично проникает в его слой. Часть проникшего излучения поглощается (превращается в теплоту и нагревает материал), незначительная доля его отражается на нижней границе слоя и возвращается в слой материала, а остальная часть пропускается в окружающую среду.

Эффективно только инфракрасное излучение, поглощенное нагреваемым материалом. Это излучение, превращающееся в теплоту, используют для сушки однослойного материала. На рисунке показано распределение температуры в слое материала: на облучаемой поверхности материала температура несколько выше, чем на противоположной. Следует отметить, что схема проникновения инфракрасных лучей и распределение температур по толщине материала в процессе сушки с удалением большого количества влаги несколько меняется. В этом случае одновременно происходят тепло- и массообмен. На рис. 9.20, б, показаны проникновение инфракрасного излучения и распределение температуры по толщине слоя для материала с высоким коэффициентом поглощения и достаточной толщиной слоя. Падающее излучение, кроме частично отраженного от облучаемой поверхности, поглощается материалом и превращается в теплоту, которая приводит к повышению температуры тела и обеспечивает удаление влаги. Этот вариант дает наивысший КПД.

Рис. 9.20. Схема проникновения инфракрасных лучей в одно- и двухслойные материалы. а–б – однослойный материал: а – слабое поглощение, б – сильное поглощение; в–г – двухслойный
материал: в – сильное поглощение вторым слоем, г – слабое поглощение вторым слоем; I–IV – излучение: I – падающее, II – отраженное, III – поглощенное.

На рис. 9.20, в, г, показано облучение двухслойного материала, когда основной материал (подложка) покрыт слоем лака. В первом случае в качестве подложки применен материал, хорошо поглощающий лучи (черное листовое железо), во втором — хорошо отражающий их (листовой алюминий). Слой лака хорошо пропускает инфракрасное излучение. Температура на внутренней поверхности лакового слоя в первом случае выше, чем на наружной. В результате этого высушивание лака происходит от внутренней поверхности, которая, соприкасаясь с подложкой, получает от нее теплоту за счет теплопроводности. При такой сушке устраняются различные дефекты покрытия (пузыри, трещины и т.п.), ­которые ­характерны для конвективной сушки, когда под действием горячего теплоносителя на поверхности лака за счет более интенсивного испарения образуется тонкая пленка, препятствующая дальнейшему испарению растворителя. В ряде случаев парам растворителя из внутренних слоев приходится проходить через более или менее непроницаемую твердую пленку, которая образуется при конвективной сушке. В результате верхний засохший слой может быть разорван. Сушка инфракрасными лучами обеспечивает не только высокое качество лакокрасочного покрытия, но и возможность интенсифицировать сам процесс сушки.

Для второго случая (рис. 9.20, г), когда подложка обладает сильным отражением и слабым поглощением, в теплоту превращается лишь малая его часть, и температура последней остается низкой. Это один из неблагоприятных случаев использования инфракрасных лучей для сушки.
При сушке инфракрасными лучами особое внимание следует обращать на спектральные характеристики излучателя и облучаемого материала. В общем случае максимум энергии излучателя должен совпадать с максимумом поглощения ее материалом. Интенсивность удаления влаги по сравнению с конвективной сушкой увеличивается в несколько раз. Это объясняется тем, что количество теплоты, которое можно передать материалу при радиационной сушке, значительно выше, чем при конвективной.

При использовании инфракрасных лучей для сушки можно получить желаемое распределение теплоты в массе обрабатываемого материала, что приводит к ускорению процесса сушки. В этом случае энергия посылается в наиболее целесообразной форме и используется с высоким КПД.

Процессы инфракрасной сушки протекают значительно быстрее и обеспечивают технико-экономический эффект, однако они могут применяться далеко не везде (конвективная сушка по-прежнему еще сохраняет свое значение и широко применяется). Тем не менее в таких областях, как сушка лакокрасочных покрытий, эмалей, керамики, текстиля, фарфоро-фаянсовых изделий, бумаги и картона, сыпучих материалов, некоторых сельскохозяйственных изделий (табак, зерно, и др.), тонких изделий из древесины, литейных форм и стержней и других материалов, технологии инфракрасной сушки дают превосходный результат.

В большинстве случаев целесообразно применять стационарные туннельные сушилки закрытого типа с тепловой изоляцией, так как при открытой установке материал охлаждается потоками внешнего холодного воздуха и, как правило, в этом случае теплота продуктов сгорания газа не используется. При этом увеличивается расход теплоты и уменьшается скорость сушки.
На основании достаточно длительного опыта эксплуатации можно дать общие рекомендации.
По технологии сушки.

Подвод теплоты должен быть дифференцированным по времени. В начале к материалу подводится большое количество теплоты (интенсивное выделение влаги предохраняет высушиваемый материал от опасного повышения его температуры). Когда же материал отдал большую часть влаги, подвод теплоты должен быть уменьшен.

При инфракрасной сушке в закрытых сушилах необходимо использовать теплоту продуктов сгорания газа (рециркуляция продуктов сгорания), что повышает КПД сушилки.

Сушило должно предназначаться для однотипных изделий и материалов, выпуск которых носит массовый характер.

Инфракрасная сушка может с успехом применяться для изделий простой плоской формы или для тонкослойных материалов.
Целесообразно, чтобы у высушиваемых материалов максимум поглощения энергии по длине волны совпадал с максимумом инфракрасного излучения газовой горелки.

При сушке неподвижных материалов необходимо особое внимание обращать на равномерность облучения. Это особенно важно для материалов с низкой теплопроводностью, так как в этом случае температура их не выравнивается за счет теплопроводности.

При сушке пластин и других плоских материалов целесообразно подводить теплоту с двух сторон.

По конструированию сушила:
Сечение туннеля должно повторять (насколько возможно) форму высушиваемых изделий. Газовые горелки в камере туннеля устанавливаются из расчета равномерного облучения всех поверхностей изделия. Длина туннеля определяется исходя из необходимой производительности сушила и экспериментально полученного времени сушки.

Внутренние поверхности сушильной камеры следует выполнять из материалов с высоким коэффициентом отражения (листовой алюминий).

Конструкция сушила должна обеспечивать подвод чистого воздуха к горелкам и исключать попадание продуктов сгорания газа в смесители. При наличии в камере сушила переменного разрежения горелки устанавливаются в уравнительных камерах.

Давление газа перед горелками должно поддерживаться на строго заданном уровне (колебания будут менять температуру излучающей насадки и интенсивности облучения высушиваемого материала).

Транспортные устройства для перемещения материала во время сушки не должны мешать облучению изделий, а потери теплоты на их нагрев должны быть сведены к минимуму.

Горелки устанавливаются на сушиле с учетом удобства их эксплуатации и ремонта. В закрытых камерах сушила должны предусматриваться смотровые устройства, необходимые для наблюдения за работой горелок.

Промышленные сушила должны быть оборудованы контрольно-измерительными приборами и автоматикой безопасности.

Рассмотрим пример применения ИК-оборудования в строительной индустрии. Сушило для гипсобетонных перегородок (соответствующие данные приведены в табл. 9.34) представляет собой горизонтальную камеру, имеющую форму прямоугольного параллелепипеда, с вертикальными щелями на концах (для входа и выхода). Горелки смонтированы на боковых стенках. Внизу камеры — роликовый конвейер. Сушилка разделено на зону интенсивного подвода теплоты (Q₂ = 80 МДж/м²) и зону «мягкого» подвода теплоты (Q₂ = 20 МДж/м²). Теплота к перегородкам подводится с двух сторон.

При высушивании гипсобетонных перегородок до необходимой влажности (8%) применим режим дифференцированного подвода теплоты: в начальный период количество подводимой теплоты должно быть достаточным для поддержания постоянной скорости сушки, а в последующий период падающей скорости сушки — уменьшено, чтобы не допустить опасного перегрева гипсобетона. Как показывает практика, применение конвейерных терморадиационных сушил позволяет организовать непрерывный технологический поток и автоматизировать производство гипсобетонных стеновых перегородок.

Значительное сокращение времени, повышение экономичности и производительности дает инфракрасная сушка лакокрасочных покрытий, которые служат наилучшим объектом для применения этого вида сушки. Процесс высушивания (запекания) лакокрасочных материалов протекает при одновременном воздействии температуры и кислорода воздуха. В результате сложных химических процессов получают твердую пленку.
Длительность этих процессов зависит от метода сушки. При конвективной сушке процесс полимеризации начинается с поверхности покрытия. Образующаяся при этом поверхностная пленка затрудняет удаление растворителя и снижает скорость сушки. При инфракрасной (радиационной) сушке лучи, проникая через слой покрытия, нагревают поверхность подложки. Возникает перепад температур между внутренней поверхностью пленки, соприкасающейся с металлом (подложкой), и ее слоями, находящимися ближе к наружной поверхности покрытия. Наличие температурного градиента, направленного изнутри к поверхности, способствует интенсивному испарению растворителя. Таким образом, при радиационной сушке во внутренних слоях лакокрасочных покрытий градиенты температур и общего давления паров растворителя совпадают по направлению (от подложки к поверхности покрытия), что способствует интенсификации процессов сушки и полимеризации.

Для сушки лакокрасочных покрытий широкое применение нашли сушила с т.н. «темным» излучателем, представляющим собой короб, внутри которого сгорает газ. В нижней части короба установлена многофакельная инжекционная горелка с α = 0,4–0,6. Для полного сжигания газа снизу через отверстия подается вторичный воздух. Поверхность излучателя, обращенная к высушиваемому изделию, обычно имеет температуру 350–500°С, внешняя поверхность теплоизолирована. Продукты сгорания отводятся через специальные патрубки. Поперечное сечение камеры сгорания темного излучателя кверху уменьшается, за счет чего скорость движения продуктов сгорания и коэффициент теплопередачи увеличиваются, а температура по высоте излучающей поверхности остается одинаковой. Изделия, проходящие между излучателями, высыхают за счет интенсивного разогрева. В некоторых случаях целесообразно использовать теплоту продуктов сгорания, для чего их направляют в рабочую камеру.

Сушила с «темными» излучателями конструктивно просты, надежны и не имеют факела в рабочей камере. Их применяют, например, для сушки кузовов автомобилей, сельскохозяйственных комбайнов и т. д. В табл. 9.35 приведены некоторые показатели по сушке «темными» излучателями различных лакокрасочных покрытий.

Таблица 9.34. Параметры процесса газовой терморадиационной (инфракрасной) сушки гипсобетонных перегородок

Таблица 9.35. Параметры газовой терморадиационной (инфракрасной) сушки лакокрасочных покрытий на стальных подложках