1.3.1. Объекты и способы сушки

Объекты сушки. Сушка — это теплофизический и технологический процесс удаления избыточной влаги из влажных материалов. Процесс сушки называют теплофизическим, потому что избыточная влага удаляется из материалов благодаря физическим процессам — испарению или сублимации (кипение недопустимо, так как может привести к разрушению материала), в процессе которых между материалом и окружающей средой происходит обмен теплом и массой — так называемый тепломассообмен. Этот процесс является и технологическим, так как при сушке меняются структурно-механические и технологические свойства материалов.

В полуфабрикатах брошюровочно-переплетного производства избыток влаги содержит клеевой слой и увлажненные им склеиваемые волокнистые материалы, если при склеивании используются клеи на водной основе. Избыток влаги в клее и материалах затрудняет или делает невозможным проведение последующих операций, поэтому полуфабрикаты после склеивания сушат. В отделочных процессах сушат адгезив, нанесенный на прозрачную полимерную пленку перед ее припрессовкой, а также оттиски после нанесения на них лакового покрытия. В брошюровочно-переплетных процессах сушат тетради после приклейки форзацев, блоки после заклейки и окантовки корешка, приклейки корешкового материала и капталобумажной полоски, переплетные крышки после сборки, книжные издания после крытья блоков обложками и после вставки блоков в переплетные крышки или после обжима и штриховки книг.

Способы сушки. Тетради с приклейками, переплетные крышки и книги перед упаковкой обычно сушат в естественных условиях. В этом случае полуфабрикаты и издания получают энергию, необходимую для испарения избыточной влаги, от окружающего воздуха благодаря естественной конвекции. Процесс этот очень длительный (естественная сушка полуфабрикатов при пооперационной обработке занимает до 90% производствен ного времени) и не всегда обеспечивает требуемое качество.

Для ускорения процесса в поточном производстве применяют различные способы сушки: конвективную, радиационно-конвективную, кондуктивную, в высокочастотном электромагнит ном поле, плазменную (см. подразд. 1.3.8.-1.3.12). Каждый из этих способов характеризуется скоростью подачи тепла, интенсивностью процесса и жесткостью режима, которые определяют продолжительность сушки, энергетические затраты и технологические свойства высушенного материала, имеет свои достоинства и недостатки. Многообразие полиграфических материалов и различные требования к их технологическим свойствам не позволяют рекомендовать какой-то один способ сушки: для получения лучшего технологического и технико-экономического эффекта в каждом отдельном случае целесообразно использовать тот или иной способ или комбинированные способы.

Искусственная сушка полуфабрикатов, по сравнению с естественной позволяет: 1) многократно сократить продолжительность процесса обработки полуфабрикатов и сроки выпуска продукции; 2) обеспечить высокое и постоянное качество (влагосодержание и физико-механические свойства) полуфабрикатов и снизить процент брака на последующих операциях; 3) включить операцию сушки в поток, не меняя его ритма и такта при изменении технологических факторов; 4) совмещать сушку с транспортировкой, используя специальные сушильные устройства. Сокращение срока выпуска изделий и снижение брака способствуют повышению эффективности производства — снижению себестоимости, росту производительности труда, увеличению суммы прибыли, росту рентабельности и фондоотдачи.

Искусственная сушка имеет и недостатки: большой расход электроэнергии, громоздкость сушильных устройств, необходимость для их обслуживания дополнительной рабочей силы. Однако в условиях непрерывного поточного производства повышение его эффективности перекрывают эти затраты. В некоторых случаях искусственная сушка может и не дать сколько-нибудь заметного экономического и качественного эффекта. Например, нет необходимости подвергать искусственной сушке тетради с приклейками и окантованными форзацами, поскольку они успевают высохнуть в связанных пачках, прежде чем попадут на операцию комплектовки блоков, а важнейшие показатели качества этих полуфабрикатов — прочность и долговечность склейки — практически не зависят от способа сушки. Трудно также интенсифицировать процесс перераспределения влаги в готовом книжном издании. Попытки ускорить сушку изданий в переплетных крышках не дали положительных результатов, хотя решение этой проблемы позволило бы значительно сократить сроки выпуска многообъемных изданий.

 

1.3.2. Особенности процесса сушки

В процессе сушки избыточная влага из влажного материала удаляется испарением. В жидкости, как и в газах, при любой температуре, отличающейся от абсолютного нуля, всегда имеется некоторое число молекул, обладающих наибольшей кинетической энергией, которые, оказавшись вблизи открытой поверхности жидкости, способны преодолеть поверхностное натяжение и покинуть жидкость. Средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул уменьшается, следовательно, уменьшается и температура жидкости. Таким образом, испарение является эндотермическим процессом; на испарение единицы массы жидкости необходимо затратить удельную теплоту парообразования r (Дж/кг), которую жидкость получает от окружающего воздуха или от специального теплоносителя. Молекулы пара, покинувшие жидкость, переходят в окружающий воздух вследствие концентрационной диффузии _ движения молекул под влиянием перепада относительной концентрации какого-либо компонента смеси. Концентрационная диффузия пара и воздуха взаимна: одновременно молекулы воздуха диффундируют к поверхности жидкости под влиянием относительной концентрации воздуха. По мере удаления от поверхности жидкости этот так называемый молекулярный перенос, осуществляемый отдельными молекулами независимо друг от друга, постепенно заменяется молярным переносом, осуществляемым некоторыми объемами, т.е. конвекцией. На расстоянии от поверхности жидкости порядка 1 мм конвекция становится доминирующим способом переноса пара.

Испарение свободной, не связанной с материалом жидкости характеризуется тремя особенностями: 1) испарение происходит в молекулярном поверхностном слое, так называемом зеркале испарения; 2) влага перемещается к зеркалу испарения только в виде жидкости; 3) перемещение массы жидкости к зеркалу испарения осуществляется в основном молярным переносом — конвекцией — и в меньшей степени молекулярным переносом — броуновским движением; 4) на испарение затрачивается лишь теплота парообразования.

Во влажных телах только часть влаги свободна, а значительная ее часть более или менее прочно связана с материалом: движение связанной влаги внутри твердого тела затруднено пространственной структурой (каркасом) тела. Прочность связи влаги с материалом и механизм ее движения внутри твердого тела зависят от вида тел (см. подразд. 1.3.4). Пространственная структура тел и различные формы связи влаги с материалом определяют особый механизм испарения и движения влаги внутри тела: она может перемещаться не только в виде жидкости, но и в виде пара (см. подразд. 1.3.5), причем перенос пара может быть как молярным, так и молекулярным; испарение может происходить в относительно толстом слое, в так называемой зоне испарения (см. подразд. 1.3.6).

 

 

1.3.3. Виды влажных тел

Все влажные тела теория сушки разделяет на три вида: капиллярно-пористые, типичные коллоидные и капиллярно-пористые коллоидные.

Капиллярно-пористые тела, или хрупкие гели. Для них характерно то, что они впитывают любые смачивающие их жидкости. При удалении влаги они становятся хрупкими, мало изменяют свои размеры и объем, могут быть превращены в порошок. В полиграфических материалах к таким материалам относятся ксерографический тонер, пигменты печатных и переплетных красок, противоотмарочный порошок.

Типичные коллоидные тела, или эластичные гели. Для них характерна способность поглощать в больших объемах близкие по полярности жидкости, значительно увеличивая свои размеры и объем. При повышении температуры степень набухания неограниченно возрастает. При удалении влаги такие тела значительно сжимаются, но сохраняют свои эластические свойства. К типичным коллоидным телам относятся фотослои, копировальные слои, печатные и переплетные краски, клеи и лаки.

Капиллярно-пористые коллоидные тела. Это тела, обладающие свойствами капиллярно-пористых и типичных коллоидных тел. Стенки их капилляров эластичны, капилляры при удалении влаги сужаются. При сушке поверхностные слои тела дают большую усадку, вследствие чего капилляры становятся коническими, обращенными отверстиями меньшего радиуса наружу, что способствует перемещению влаги к поверхности тела. К таким телам относятся бумага, картон, нетканые материалы, переплетные ткани и нитки.

 

 

1.3.4. Формы связи влаги с материалом

При удалении избыточной влаги из влажного тела происходит нарушение ее связи с материалом, на что затрачивается определенное количество энергии, величина которой зависит от формы связи влаги с материалом. Формы связи влаги с материалом классифицированы на три группы: химическую, физико-химическую и физико-механическую.

Химическая связь. Для химической связи характерно то, что вода связывается с материалом в строгих соотношениях. Она бывает ионная (в гидрооксидах) и молекулярная (в кристаллогидратах). В процессе сушки, при нагревании до 120-150°С, химически связанная вода не удаляется, так как энергия химической связи велика. Химически связанная вода удаляется при прокаливании, но при этом нарушается химический состав и изменяются физико-механические свойства материала.

Физико-химическая связь. При этом виде связи вода связана с телом в различных, не строго определенных соотношениях. Физико-химическая связь бывает адсорбционная и осмотическая.

Адсорбционная связь характерна для типичных коллоидных тел. При поглощении типичным коллоидным телом жидкости ее молекулы адсорбируются молекулами и мицеллами внешней и внутренней поверхностей клеток коллоидного тела. Процесс адсорбции сопровождается выделением теплоты набухания Q (Дж), которая рассчитывается по формуле

(1.29)

 

где U — влагосодержание тела, кг/кг (см. подразд. 1.3.5.); а, b — постоянные.

Наибольшее количество теплоты выделяется при образовании первого мономолекулярного слоя. Энергия этой связи, порядка 3,5*10³ Дж/моль, сравнима с энергией химической молекулярной связи в кристаллогидратах (до 8,4*10³ Дж/моль). Последующие слои связаны менее прочно: по мере поглощения жидкости теплота набухания уменьшается, пока толщина слоя полимолекулярной адсорбции не достигнет нескольких сотен диаметров молекул. При сушке сначала удаляются наружные по отношению к стенкам клеток коллоидного тела слои адсорбированной влаги; последующие слои удаляются лишь при больших затратах теплоты. Мономолекулярный адсорбционный слой при сушке не удаляется.

Адсорбционно связанная вода по сравнению со свободной имеет иные свойства: она не растворяет соли и потому является диэлектриком, обладает повышенной плотностью и свойствами упругого твердого тела; мономолекулярный адсорбционный слой не замерзает даже при температуре -78°С. Свойства последующих адсорбционных слоев постепенно приближаются к свойствам свободной жидкости.

Количество адсорбционно связанной жидкости и максимальная теплота набухания зависят от природы коллоидного тела: желатин и костный клей адсорбционно связывают до 50% влаги, крахмал — 32%; максимальная теплота набухания у различных тел колеблется в пределах 7,4Ч10⁵-2,6*10⁶ Дж/кг.

Осмотическая связь. В процессе набухания коллоидные тела — желатин и костный клей — поглощают до 2000% воды в расчете на сухое вещество, но лишь 50% воды связывают адсорбционно, а остальную влагу — осмотически вследствие разности осмотических давлений внутри и снаружи замкнутых клеток. К осмотической связи относится и структурная — связь жидкости, захваченной при образовании геля. Поглощение жидкости в обоих случаях происходит без выделения тепла, следователь но, при сушке для удаления осмотически и структурно связанной жидкости необходимо затратить лишь теплоту парообразования.

Физико-механическая связь. Для этого вида связи характерно то, что вода удерживается телом в неопределенных соотношениях, а энергия связи невелика. Здесь различают связи в микрокапиллярах, в макрокапиллярах и связь смачивания .

Связь в микрокапиллярах. Микрокапиллярами называют капилляры с радиусом до 10^{-7 м. В процессе адсорбции толщина слоя адсорбированной влаги может достигать 10-7 м. В капиллярах такого же радиуса адсорбированные пленки сливаются и в сквозных, без дна, капиллярах образуют, в случае смачивающей жидкости, вогнутые мениски. Давление насыщенного пара над вогнутым мениском всегда меньше давления насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости. Это различие давлений насыщенного пара растет по мере уменьшения радиусов капилляров и менисков и становится заметным в микрокапиллярах. Насыщенный пар над мениском микрокапилляра оказывается пересыщенным и конденсируется, поэтому микрокапилляры способны сорбировать влагу из влажного воздуха и достаточно прочно ее удерживать. Радиус микрокапилляров сравним со средней длиной свободного пробега молекул в газах, что определяет особый механизм переноса парообразной влаги — путем эффузии (см. подразд. 1.3.5).}

Связь в макрокапиллярах. В капиллярах с радиусом более 10^{-7 м адсорбированный слой жидкости может образовывать мениск только на дне замкнутого, несквозного капилляра. Давление насыщенного пара над таким мениском с точностью до 1% равно давлению пара над плоской поверхностью, поэтому макрокапилляры не сорбируют влагу из влажного воздуха. Если они заполняются водой при влажной обработке полуфабриката, то в процессе естественной сушки отдают всю влагу влажному воздуху.}

Связь смачивания. Связь смачивания — это связь прилипания при непосредственном соприкосновении воды с поверхностью гидрофильного непористого тела.

Влага смачивания и макрокапилляров является свободной и легко удаляется при сушке; удельная энергия этих видов связи равна теплоте парообразования.

 

 

1.3.5. Влаго- и теплоперенос во влажных материалах

Основные понятия и определения технологии сушки. Перенос влаги всегда связан с переносом тепла: перенос некоторого объема или отдельных молекул воды и пара, обладающих запасом внутренней энергии, означает и перенос тепла, поэтому процессы влаго- и теплопереноса рассматриваются в их неразрывной связи. Интенсивность переноса влаги и тепла, которая определяет интенсивность и скорость сушки, зависит от разности потенциалов влаго- и теплопереноса. Потенциалы влаго- и теплопереноса находятся в линейной зависимости от температуры и влагосодержания тела и от давления пара, поэтому в расчетах интенсивности и скорости сушки они заменяются градиентами температуры, влагосодержания и давления. Пользоваться понятием градиентов удобнее, так как механизм влаго- и теплопереноса может быть скрыт от исследователя и технолога, а градиенты можно вычислить.

Влагосодержание и влажность материалов. Влагосодержанием тела U (кг/кг) называют отношение массы влаги к массе сухого вещества, содержащегося во влажном теле:

(1.30)

где m_в — масса влаги, кг; m_c — масса сухого вещества, кг; m_т — масса влажного тела, кг.

Локальным влагосодержанием u (кг/кг) называют влагосодержание данной точки (бесконечно малой массы) влажного тела. В технологии сушки влагосодержание материала или полуфабриката выражают в процентах:

(1.31)

Влагосодержание U (или u) изменяется от 0 до ¥, W — от 0 до ¥. Если влага равномерно распределена во всем объеме материала или полуфабриката, то 0,01 W = U = u.

В ГОСТах, технических условиях и технологических инструкциях обычно указывается влажность материалов. Влажность материалов j_м — это отношение массы влаги, содержащейся во влажном материале, к массе влажного материала, выраженное в процентах :

(1.32)

Влажность материалов изменяется от 0 до 100%. Влагосодержание и влажность связаны между собой соотношением

(1.33)

Потенциалы и разности потенциалов тепло- и влагопереноса. Потенциалом теплопереноса является абсолютная температура данной точки тела Т (К). Интенсивность переноса тепла определяется разностью потенциалов теплопереноса, т.е. разностью температур различных точек тела:DT = T₁ _ T₂. Потенциал влагопереноса q_в (°М) определяется по формуле

(1.34)

где °М — влагообменный или массообменный градус; b — постоянная; c_m — удельная изотермическая влагоемкость, кг/(кгЧ°М), аналогичная понятию удельной теплоемкости.

Для абсолютно сухого тела постоянная b и потенциал влагопереноса q_в равны нулю: при u = 0 b = 0 и q_в = 0. Интенсивность переноса влаги зависит от разности потенциалов влагопереноса Dq_в = q_в1 - q_в2.

В случае молярного переноса влаги в макрокапиллярах потенциалом влагопереноса является капиллярный потенциал Y (Дж/кг), а интенсивность влагопереноса зависит от разности капиллярных потенциалов DY = Y₁ - Y₂. Капиллярный потенциал определяется из уравнения

(1.35)

 

где s — поверхностное натяжение жидкости, Дж/м²; q — краевой угол смачивания, рад; r_ж — плотность жидкости, кг/м³; R — радиус капилляра, м.

Для абсолютно сухого тела при u = 0 Y_c = max, при максимальном влагосодержании Y_m = 0.

В тонких (£10^{-7 м) пленках адсорбированной в капиллярах жидкости потенциалом молярного переноса является расклинивающее давление р}_р (Па), а интенсивность влагопереноса зависит от разности расклинивающих давлений Dp_p = p_p1 - p_p2. Расклинивающее давление, обусловленное силами взаимодействия молекул жидкости и стенок капилляра, определяется из уравнения

(1.36)

где А = 5×10^-7 Дж — постоянная; d_п — толщина пленки, м.

Потенциалом молекулярного переноса осмотической жидкости через стенки клеток коллоидного тела является осмотическое давление П (Па), а интенсивность влагопереноса зависит от разности осмотических давлений DП = П₁ _ П₂.

Градиенты тепло- и влагопереноса. Температурный градиент gradT (К/м) — это отношение разницы абсолютных температур DT (К) различных участков тела к расстоянию между ними:

(1.37)

Градиент влагосодержания gradu [кг/(кгЧм)] и градиент давления gradp (Па/м) определяются аналогично:

	(1.38)
	(1.39)

Градиенты gradT, gradu и gradp являются векторными величинами. Векторы градиентов направлены от участков тела с меньшими температурой, влагосодержанием и давлением к участкам с большими значениями этих параметров.

Интенсивность теплообмена, влагопереноса и сушки, скорость сушки. Интенсивность теплообмена между теплоносителем и влажным телом характеризуется плотностью теплового потока q (Вт/м²) — тепловым потоком, приходящимся на единицу площади поверхности тела. Процесс перемещения влаги внутри тела характеризуется интенсивностью влагопереноса j_в [кг/(м²Ч с)] — массой влаги, прошедшей через единицу площади поперечного сечения тела за единицу времени. Скорость удаления влаги в процессе сушки характеризуется интенсивностью сушки, а если площадь открытой поверхности тела нельзя измерить, то скоростью сушки. Интенсивность сушки j [кг/(м²Чс)] — это масса влаги, удаленной с единицы площади поверхности тела за единицу времени, а скорость сушки N_c [кг/(кгЧс); %/с] — изменение влагосодержания тела за единицу времени.

Виды влагопереноса во влажных телах. Если интенсивность теплообмена между теплоносителем и влажным телом невелика, тело насыщено влагой, то сушка происходит в изотермических условиях, а испарение влаги с поверхности тела создает в нем градиент влагосодержания. Движение влаги только под действием градиента влагосодержания называют диффузией. Под этим термином подразумеваются различные виды молярного и молекулярного переноса свободной и связанной жидкости. В зависимости от вида тел и форм связи влаги с материалом различают капиллярную диффузию и пленочное движение, а также концентрационную и избирательную диффузии.

В макрокапиллярах переменного радиуса свободная жидкость движется вследствие капиллярной диффузии — молярного движения под действием разности капиллярных потенциалов; в телах с монокапиллярной структурой (при R = const) капиллярная диффузия отсутствует. Если слой жидкости, адсорбированной на стенках капилляров, имеет различную толщину, то имеет место пленочное движение — молярный перенос связанной жидкости под действием разности расклинивающих давлений. В растворах и дисперсиях возможна концентрационная диффузия — молекулярное движение свободной жидкости макрокапилляров и клеток коллоидного тела под действием разности концентраций компонентов, аналогичное концентрационной диффузии воздуха и пара. Избирательная диффузия — это молекулярное движение осмотически связанной жидкости через полупроницаемую стенку клеток коллоидного тела вследствие разности осмотических давлений внутри и снаружи клеток. В процессах диффузии влага движется от участков с большим влагосодержанием к участкам с меньшим влагосодержанием в направлении, противоположном вектору градиента влагосодержания.

При малом влагосодержании тела и (или) при интенсивном подводе тепла возникает температурный градиент. Движение влаги под действием температурного градиента называют термодиффузией. Этот термин объединяет пять видов переноса влаги: капиллярную термодиффузию жидкости, термодиффузию пара, тепловое пленочное движение жидкости, тепловое скольжение жидкости и тепловое скольжение пара.

Капиллярная термодиффузия — это молярное движение жидкости макрокапилляров под действием разности капиллярных потенциалов, которая возникает и в капиллярах постоянного радиуса вследствие понижения поверхностного натяжения с повышением температуры. Термодиффузия пара — это движение в макрокапиллярах молекул, обладающих большой кинетической энергией, к менее нагретым участкам. Тепловое скольжение жидкости — это молекулярное движение тонкого пристеночного слоя вследствие различного теплосодержания (энтальпии) пристеночного слоя и всей массы жидкости, заполняющей капилляр. Тепловое скольжение пара — это движение тонкого пристеночного слоя вдоль неравномерно нагретой стенки капилляра, которое происходит под действием составляющей сил противодействия от ударов молекул газа о стенки капилляра. Тепловое пленочное движение — это молярное движение адсорбированной на стенках капилляров жидкости вследствие понижения сил взаимодействия между молекулами жидкости и твердого тела с повышением температуры.

В процессах капиллярной термодиффузии жидкости и термодиффузии пара влага движется от участков с большей температурой к участкам с меньшей температурой , в направлении, противоположном вектору температурного градиента, а при тепловом скольжении и тепловом пленочном движении — по направлению вектора. В микрокапиллярах при больших температурных градиентах интенсивность теплового скольжения приближается по величине к интенсивности других видов влагопереноса.

При температуре тела более 100°С (и при меньшей, если тело при сушке в высокочастотном электромагнитном поле нагревается изнутри) интенсивное парообразование приводит к тому, что парциальное давление насыщенного пара становится больше барометрического давления окружающего воздуха. Возникающий при этом градиент давления становится причиной движения пара вследствие фильтрационного переноса, бародиффузии и эффузии пара.

Фильтрационный перенос — это молярное перемещение пара в виде ламинарного или турбулентного потока, характерное для макрокапилляров. Бародиффузия характерна для газовых смесей, состоящих из компонентов с разной молекулярной массой М. У сухого воздуха М_в = 29, а у пара М_п = 18. В процессе бародиффузии молекулы пара (с меньшей молекулярной массой) перемещаются в область пониженного давления — наружу, а молекулы окружающего воздуха движутся внутрь макрокапилляров. В микрокапиллярах эти виды движения заменяются эффузией — молекулярным переносом, в котором молекулы пара воздуха движутся независимо друг от друга, постоянно сталкиваясь со стенками капилляра, со скоростью, которую они приобрели при входе в устье капилляра. При радиусе капилляра 10^{-7 м, когда его размер приближается к средней длине свободного пробега молекул, интенсивность эффузии в 1,5 раза выше бародиффузии.}

При наличии градиента давления пар перемещается от участков с высоким давлением к участкам с меньшим давлением, в направлении, противоположном вектору градиента давления. Воздух в процессах бародиффузии и эффузии перемещается по направлению вектора gradp.

Интенсивность всех видов влагопереноса j_в [кг/(м²Чс)] при наличии градиентов gradu, gradT и gradp определяется по уравнению

(1.40)

где D — коэффициент диффузии, м²/с; r_c — плотность сухого тела, кг/м³; k_т — относительный коэффициент термодиффузии: k_т = D_т/D, 1/К; D_т — коэффициент термодиффузии, м²/(с Ч К); k_p — коэффициент молярного переноса, с/м.

При малой интенсивности теплообмена последний член уравнения отсутствует. Коэффициенты D и k_т зависят от вида тел, форм связи влаги с материалом, влагосодержания и температуры тела.

Особенности влагопереноса в различных телах. В капиллярно-пористых телах влага в основном связана в макро- и микрокапиллярах, но имеется также незначительное количество адсорбционной влаги. Коэффициент диффузии капиллярно-пористого тела возрастает с увеличением влагосодержания и температуры тела. Относительный коэффициент термодиффузии капиллярно-пористого тела зависит от влагосодержания и температуры, причем характер кривых k_т(U) определяется видом влагопереноса. Для большинства тел он увеличивается с повышением влагосодержания, достигает наибольшего значения, затем остается постоянным или уменьшается.

Влагоперенос в коллоидных тела. Для коллоидных тел характерны адсорбционная, осмотическая связи и связь влаги в микрокапиллярах, средний радиус которого того же порядка, что и размер молекул и мицелл коллоидного тела. Диффузия влаги в коллоидном теле складывается из концентрационной и избирательной диффузии и пленочного движения жидкости. Коэффициент диффузии коллоидного тела D зависит от влагосодержания: с повышением влагосодержания он несколько увеличивается, достигает максимума, затем уменьшается (рис. 1.11, а).

 

Термодиффузия влаги в коллоидном теле складывается из теплового скольжения и теплового пленочного движения жидкости, а также теплового скольжения и эффузии пара. Относительный коэффициент термодиффузии коллоидных тел зависит от влагосодержания и температуры. Эта зависимость имеет четко выраженный максимум, положение которого определяет границу между адсорбционной и осмотической связями влаги. С повышением температуры относительный коэффициент термодиффузии уменьшается.

Осмотически связанная влага легко удаляется лишь с поверхности коллоидного тела. Движение ее внутри тела замедлено, так как на пути к поверхности она преодолевает многочисленные стенки клеток или, оказавшись в межклеточном пространстве, движется как влага микрокапилляров. Попытки интенсифицировать процесс сушки приводят к образованию поверхностной корки: наружные слои быстро обезвоживаются, дают сильную усадку, роговеют, теряют способность пропускать влагу. По этим причинам сушку коллоидных тел следует проводить при умеренных градиентах влагосодержания и температуры.

Влагоперенос в капиллярно-пористых коллоидных телах. В капиллярно-пористых коллоидных телах могут быть все формы связи влаги с материалом и, следовательно, все виды влагопереноса. Для капиллярно-пористого коллоидного тела, имеющего осмотическую влагу, зависимость коэффициента диффузии от влагосодержания имеет три участка (А, Б и В, рис. 1.11, б), максимум и минимум, так как в процессе сушки сначала удаляется влага макрокапилляров практически одинакового диаметра, затем осмотическая, а при малом влагосодержании (менее 0,3 кг/кг) — влага микрокапилляров и полимолекулярной адсорбции. На участке А кривой D (u) коэффициент диффузии возрастает с увеличением влагосодержания, при этом влагоперенос наиболее прочных форм связи (влаги полимолекулярной адсорбции и микрокапилляров) происходит в виде пара и жидкости. Снижение коэффициента D на участке Б объясняет ся тем, что при данном влагосодержании молекулярный перенос вследствие избирательной диффузии преобладает над молярным переносом в макрокапиллярах. Резкое повышение коэффициента D при больших значениях влагосодержания (участок В кривой) и соответствующее падение относительного коэффициента термодиффузии свидетельствуют о том, что при данном влагосодержании жидкостью заполняются макрокапилляры практически одинакового радиуса. Характер изменения относительного коэффициента термодиффузии капиллярно -пористых коллоидных тел в зависимости от влагосодержания аналогичен изменению относительного коэффициента термодиффузии капиллярно-пористых тел.

 

 

1.3.6. Исследование процесса сушки

Методика исследования процесса сушки. Контролировать процесс сушки в производственных условиях весьма трудно, поэтому кинетику сушки полуфабрикатов изучают в лабораторных сушильных устройствах — специальных шкафах-термостатах, в которых воспроизводят исследуемый способ и режим сушки. Для периодического или непрерывного контроля за количеством удаленной влаги из высушиваемого образца, в соответствии с требуемой точностью эксперимента, используют рычажные (квадрантные), пружинные или коромысловые весы. Чтобы повысить точность эксперимента, применяют систему оптического отсчета, которая на один-два порядка повышает чувствительность весов и позволяет регистрировать массу тела или массу удаленной влаги в любой момент времени.

В процессе эксперимента регистрируются режимы сушки, температура поверхности и центральных участков образца и его масса через равные промежутки времени. По массе влажного и высушенного до постоянной массы образца расчетным путем (1.32) определяют его влагосодержание в соответствующие моменты времени сушки. Результаты исследования оформляют в виде кривых сушки — графиков зависимости влагосодержания тела от времени сушки, а также температурных кривых — графиков зависимости температуры поверхности и центральных участков тела от времени сушки (рис. 1.12) или от влагосодержания тела. Графическим дифференцированием кривой сушки по среднему влагосодержанию тела получают кривые скорости сушки — зависимость интенсивности или скорости сушки от влагосодержания тела (рис. 1.13).

 

Периоды сушки. Анализ кривых сушки, температурных кривых и кривых скорости сушки позволяет разделить весь процесс на два основных периода. В первом периоде, называемом периодом постоянной температуры тела, существует небольшой участок прогрева, на котором в течение короткого промежутка времени температура тела достигает температуры мокрого термометра t_м (температуры адиабатного насыщения) и в дальнейшем остается постоянной; влагосодержание тела несколько уменьшается, а скорость сушки быстро растет, достигая постоянного максимального значения. При малой интенсивности теплообмена между теплоносителем и влажным телом первый период характеризуется отсутствием температурного градиента (gradT = 0), так как температура поверхности материала t_п и его центральных слоев t_ц одинакова и равна температуре мокрого термометра: t_п = t_ц = t_м. Наиболее слабо связанная влага макрокапилляров и осмотическая влага перемещаются к поверхности тела в виде жидкости под действием градиента влагосодержания gradU. Первый период продолжается до некоторого критического влагосодержания W₁ (точки К₁ на рис. 1.12 и 1.13).

 

Начиная с критического влагосодержания W₁ наступает второй период — период повышающейся температуры тела. Во втором периоде понижение влагосодержания тела происходит по некоторой кривой, асимптотически приближающейся к равновесному с данными внешними условиями влагосодержанию W_p. Температура поверхности тела начинает расти и при приближении к равновесному влагосодержанию достигает температуры окружающей среды t_c. Температура центральных участков тела также растет, но более медленно, — возникает температурный градиент gradT, направление которого противоположно вектору градиента влагосодержания gradU. Таким образом, второй период сушки характеризуется ростом температуры тела, наличием температурного градиента, непрерывным уменьшением скорости сушки, при этом влага движется к зоне испарения сначала в виде смеси воды и пара, а затем только в виде пара. Последнее свидетельствует о том, что удаляется наиболее прочно связанная влага микрокапилляров и полимолекулярной адсорбции.

Кривые скорости сушки во втором периоде бывают шести различных типов, три из которых представлены на рис. 1.13. Тип кривой зависит от вида и толщины тела, формы связи влаги с материалом, интенсивности подвода тепла. Кривая типа I характерна для листовых волокнистых материалов — бумаги и тонкого картона, кривые типа II — для тканей с открытой фактурой, а типа III — для капиллярно-пористых тел. Кривые более сложного вида свидетельствуют о том, что тело имеет сложную структуру, влагу различных форм связи. В этом случае отмечается вторая точка перегиба кривой, положение которой по отношению к оси влагосодержания позволяет получить количественную оценку содержания влаги различных форм связи. Именно поэтому кривые скорости сушки строят не по времени, а по влагосодержанию, пренебрегая неудобством чтения кривых скорости сушки справа налево.

Зона испарения. В первом периоде сушки, когда тело насыщено влагой, испарение происходит с поверхности тела, но во втором периоде, начиная с критического влагосодержания W₁, поверхность испарения свободной жидкости (влаги макрокапилляров капиллярно-пористого тела, осмотической влаги коллоидного тела) оказывается на некоторой глубине от поверхности тела. Однако влага прочных форм связи продолжает испаряться во всем объеме, расположенном над поверхностью испарения. Резкой границы между поверхностью испарения и последующими слоями нет: наибольшее количество жидкости испаряется с поверхности испарения, но частично и по всей толщине поверхностного слоя, постепенно уменьшаясь от поверхности испарения к поверхности тела; испарение происходит не в «зеркале», а в зоне испарения — поверхностном слое значительной толщины. С понижением влагосодержания тела зона испарения постепенно углубляется внутрь тела. Углубление зоны испарения с течением времени сушки происходит примерно по линейному закону.

 

 

1.3.7. Требования к полуфабрикатам и изделиям после сушки Требования к объектам сушки. Если сухой материал находится во влажном воздухе, то его наружная поверхность и капилляры сорбируют влагу из воздуха. Когда давление пара у поверхности материала рп становится равным парциальному давлению водяного пара в воздухе рс, наступает состояние динамического равновесия. Если рп > рс, происходит десорбция. Влагосодержание, соответствующее равновесному состоянию, называется равновесным влагосодержанием. Значения равновесно го влагосодержания различны для процессов сорбции и десорбции (кривые 1 и 2 на рис. 1.14). Оно зависит от вида тела и форм связи влаги с материалом, относительной влажности и температуры воздуха. Равновесное с нормальными условиями (tc = 20 ± 2°C, jс = 60 ± 5%) влагосодержание материалов можно определить по изотермам десорбции, полученным при tc = 20°С. Для капиллярно-пористых коллоидных тел (печатной бумаги и многих переплетных материалов) оно составляет 6-8,5% (точка А на рис. 1.14), а для коллоидных тел (клеев и лаков) — около 9%. Оптимальное, технологически необходимое влагосодержание полуфабрикатов Wт должно быть на 3-5% выше равновесного с нормальными условиями и составлять 9-13% (точка Б на рис. 1.14), так как при повышенном влагосодержании материалов облегчается проведение всех технологических операций, связанных с деформированием полуфабрикатов. Однако во всех случаях силового воздействия на полуфабрикат нежелательно, чтобы влагосодержание бумаги и картона превышало 15%, а клеевого слоя — 18%, та как при большем влагосодержании механическая прочность волокнистых материалов резко падает, а клеевые пленки сохраняют или приобретают липкость.   Рис. 1.14. Изотермы сорбции 1 и десорбции 2 слабоклееной бумаги Материалы готовых изделий должны иметь влагосодержание, соответствующее равновесному при нормальных условиях, так как если процесс массообмена будет завершаться в готовом изделии, то могут произойти потеря прочности и компактности, коробление сторонок крышки, потеря товарного вида на завершающих операциях и на перевалочных операциях при складировании. Продолжительность сушки. Если технологически необходимое влагосодержание Wт нанести на ординату кривой сушки, полученной при применяемых в сушильном устройстве способе и режиме сушки, то отрезок прямой WтА (см. рис. 1.12) с достаточной точностью определит продолжительность сушки tc, т.е. время, в течение которого среднее влагосодержание материалов полуфабриката при данных способе и режиме сушки достигнет значения, необходимого для успешного выполнения последующих технологических операций. Особенности сушки полуфабрикатов брошюровочно-переплетного производства. Каждый материал требует индивидуального подхода в части выбора способа, режима и продолжительности сушки до получения технологически необходимого или равновесного с атмосферными условиями влагосодержания. В брошюровочно-переплетном производстве сушка, как правило, не конечная технологическая операция, а полуфабрикаты и изделия состоят из двух и более видов материалов, различных по природе, строению и прочности связи влаги с материалом. Следует подчеркнуть следующие особенности процесса сушки в ТБПП: 1) при сушке удаляется мало влаги, так как влага вносится с клеем, масса которого составляет незначительную часть массы полуфабриката; 2) необходимо удалить только часть влаги, внесенной с клеем; 3) влагу можно не удалять, а лишь более равномерно распределить ее по объему полуфабриката или изделия; 4) процессы увлажнения и сушки протекают практически одновременно; 5) сушке подвергаются одновременно тела двух видов — коллоидное и капиллярно-пористое коллоидное, начальное влагосодержание которых различно, а конечное должно быть примерно одинаковым. Первые три особенности являются причиной того, что интенсивность сушки j [кг/(м2Чс)] полуфабрикатов и изделий очень мала. Последние две особенности определяют сложный вид кривых скорости сушки во втором периоде и то, что сушку надо проводить при умеренном подводе тепла, так как оба вида тел чувствительны к высокой температуре и к градиентам температуры и влагосодержания. Все это определяет сложность технологического процесса сушки и невозможность дать строгие рекомендации по его проведению после каждой операции склеивания, для каждой комбинации используемых материалов. С учетом этих особенностей инженер-технолог должен корректировать технологический процесс сушки каждого полуфабриката, меняя продолжительность сушки, а в непрерывном поточном производстве — и режимы сушки.

 

1.3.8. Конвективная сушка Общая характеристика способа. Конвективной называют сушку, при которой теплоносителем является нагретый или комнатной температуры воздух, обычно подаваемый к высушиваемому телу вентиляторами. Интенсивность конвективного теплообмена qк (Вт/м2) в первом периоде сушки, когда коэффициент конвективного теплообмена aк[Вт/(м2 ЧК)] не зависит от влагосодержания тела, равна (1.41) Полученное телом тепло расходуется на нагревание сухого вещества и на испарение влаги. Если пренебречь теплом, идущим на нагревание тела, ввиду его малости, то интенсивность конвективной сушки jк[кг/(м 2Чс)] в первом периоде можно определить по уравнению (1.42) где Lп — удельная теплота парообразования, Дж/кг; Dp — коэффициент диффузии пара, отнесенный к разности давлений, с/м; рп — парциальное давление пара у поверхности материала, Па; jс — относительная влажность воздуха, %. Интенсивность конвективной сушки в зависимости от применяемых режимов может изменяться в широких пределах, но по сравнению с другими способами сушки остается всегда невысокой, так как коэффициент конвективного теплообмена мал, а температуру воздуха нельзя увеличивать беспредельно. Конвективная сушка обеспечивает «мягкий режим» — малые значения температуры и градиентов температуры и влагосодержания, что исключает разрушение структуры материала; для нее характерны большая продолжительность сушки и малые энергетические затраты. Этот способ применяется при сушке коллоидных тел (лаков, клеев), когда другие способы сушки могут привести к порче материала. Применяется он и для сушки других видов тел в случаях, когда длительность процесса не имеет существенно го значения, а также в сочетании с другими способами, когда необходимо получить менее жесткий режим Режим сушки. Режимами конвективной сушки являются термодинамические параметры воздуха — температура, скорость движения и влажность воздуха. Интенсивность jк [кг/(м2Ч с)] и скорость сушки NI (%/с) в первом периоде, согласно уравнению (1.44), пропорциональны разнице температур DT = Tc _ Tп = Тс _ Тм. С увеличением Тс растет и DT, поэтому скорость сушки в первом периоде пропорциональна температуре воздуха (рис. 1.15) и может быть выражена формулой (1.43) где NI — скорость сушки в первом периоде при температуре tc, %/с; N0 — скорость сушки в первом периоде при 0°С, %/с; bt — термический коэффициент скорости сушки, К-1. Безгранично повышать температуру воздуха даже в первом периоде сушки нельзя по следующим причинам. Температура поверхности материала равна температуре мокрого термометра только при tcЈ70°C. При tc>70°C Тп > >Тм, уменьшается величина DT = Tc _ Tп [см. формулу (1.42)] и создается значительный температурный градиент внутри материала, направленный противоположно градиенту влагосодержания. В результат е рост скорости сушки отстает от роста температуры, появляется опасность порчи материала у коллоидных тел — образования поверхностной корки, растрескивания, снижения прочности. Температура воздуха при сушке полуфабрикатов, склеенных латексными клеями, не должна превышать 45°С. При использовании клеев на животной основе температура воздуха не должна превышать 70°С, а при сушке фотослоев на сильно задубленном желатине — 90°С.   Рис. 1.15. Зависимость скорости конвективной сушки от температуры воздуха При увеличении скорости движения воздуха повышается коэффициент теплообмена aк, заметно возрастают интенсивность и скорость сушки полуфабрикатов в первом периоде (рис. 1.16). Во втором периоде скорость движения воздуха мало влияет на скорость сушки. В процессе сушки воздух целесообразно подавать через сопла с узкой (5 мм) щелью: сопловое дутье позволяет значительно увеличить скорость движения воздуха и при скоростях до 100 м/с резко интенсифицировать процесс сушки, если направление струи перпендикулярно поверхности испарения. Объясняется это тем, что если поток воздуха направлен перпендикулярно поверхности испарения, то по сравнению с параллельным потоком можно получить более чем двукратно е увеличение скорости сушки. Кроме того, при высокой скорости воздушного потока граничный поверхностный слой диффузионного теплообмена толщиной около 1 мм разрушается, вследствие чего молекулярный перенос влаги заменяется более интенсивным молярным переносом, диффузия заменяется конвекцией. С увеличением скорости движения воздуха растут затраты электроэнергии, а также давление воздушного потока на поверхность тела: при скорости воздуха 2,5 м/с оно составляет 5 Па, а при 20 м/с — 350 Па. Поэтому при скорости движения воздуха более 2,5 м/с полуфабрикаты должны быть надежно закреплены на транспортере, а при скорости свыше 20 м/с необходима звукоизоляция сушильного устройства. Из уравнения (1.42) видно, что чем меньше влажность воздуха, тем выше интенсивность и скорость сушки в первом периоде. Изменение влажности воздуха влечет за собой изменение скорости и продолжительности сушки, требует изменения других режимных параметров, чтобы сохранить постоянным влагосодержание полуфабрикатов на выходе сушильного устройства. При исследовании процессов сушки влажность воздуха должна обязательно регистрироваться. Во втором периоде влажность воздуха практически не влияет на скорость сушки. Уменьшить влажность воздуха при tc = const можно отсосом воздуха из сушильного устройства.   Рис. 1.16. Зависимость скорости конвективной сушки от скорости движения воздуха

 

1.3.9. Радиационно-конвективная сушка

Радиационно-конвективная сушка является комбинированным способом, в котором теплоносителем являются электромагнитные волны инфракрасного и видимого диапазонов и окружающий тело воздух.

Свойства инфракрасных волн. Генераторами инфракрасных электромагнитных волн являются любые нагретые, обычно твердые тела — точечные, линейные или плоские излучатели. Если температура излучателя Т_и не превышает 875 К, то спектр испускания целиком располагается в инфракрасной зоне, а длина волны, соответствующая максимуму излучения, по закону Вина* равна 3,31 мкм. Такие излучатели обеспечивают максимальный энергетический кпд, минимальный расход энергии в расчете на 1 кг испаренной влаги, удобны для сушки тел с большим влагосодержанием. Недостатком их является большая тепловая инерционность, т.е. большое время разогрева и охлаждения. Когда из полуфабрикатов удаляется незначительное количество влаги и теплоэнергетический показатель сушильного устройства не имеет решающего значения, для сокращения продолжительности сушки применяют практически безынерционные лампы «для сушки» или кварцевые инфракрасные лампы КИ-200-1000 с температурой нити накала 2500 К. Длина волны максимального излучения l_м = 1,15 мкм этих ламп располагается близ инфракрасной границы видимого спектра. Энергетический кпд их около 70%, поскольку часть энергии расходуется на видимое излучение.

Плотность потока излучения в соответствии с законом Стефана — Больцмана ** зависит от абсолютной температуры излучателя, а последняя — от потребляемой мощности Р. Инфракрасные лучи подчиняются законам геометрической оптики и, в частности, закону облученности и законам отражения. Если излучатель точечный, то средняя облученность тела Е_ср определяется по формуле

(1.44)

где a_ср — средний угол падения энергетического пучка, рад; R_и — расстояние до излучателя, м.

 

*Длина волны, соответствующая максимуму излучения l_м, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела Т: l_м = С/Т, где С = 2,898Ч10^-3 м × К — постоянная Вина.

**Плотность потока излучения всех длин волн Y (Вт/м²) спектра испускания абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры: Y = sT, где s = 5,67 × 10^-8 Вт/(м² × К⁴) — постоянная Стефана — Больцмана.

Для линейных и плоских излучателей облученность характеризуется угловым энергетическим коэффициентом k_w [см. формулу (1.45)], который учитывает долю использования плотности потока излучения и зависит от соотношения площадей нагреваемого тела и излучателя и расстояния между ними.

Чтобы полнее использовать поток излучения, повысить коэффициент k_w и выровнять облученность от точечных и линейных излучателей, применяют плоские, цилиндрические, параболические и эллиптические рефлекторы, устанавливаемые за излучателем. Плоские отражатели, дающие расходящийся отраженный пучок, в сушильных устройствах не применяются. Параболические рефлекторы успешно применяются в прожекторах и в фарах автомобилей, дают параллельный отраженный пучок инфракрасных и видимых лучей. Они могут быть эффективно использованы в сушильных устройствах, если полуфабрикаты движутся вдоль оси отражения или перпендикулярно ей, но непрерывным потоком. В сушильно-передающих устройствах СПУ и СПУ-270 поточных линий «Книга» и «Книга-270» применение параболических отражателей для 21 кварцевой инфраксной лампы не дало ощутимого эффекта по двум причинам: 1) полуфабрикаты (сшитые книжные блоки после первичной обработки) двигались перпендикулярно осям ламп и отражателей, при этом суммарная ширина отражателей составляла лишь малую часть пути движения полуфабрикатов; 2) при обработке блоков изданий форматом от 70x90/32 до 84x108/16 использовалось лишь 46-72% прямых лучей от нитей накала кварцевых ламп.

Эффективность использования отраженных лучей рефлекторами различной формы может быть определена значением коэффициента использования отраженных лучей k_ол = a/(2p), где — плоский угол при линейном излучателе, определяющий долю используемых отраженных лучей. Наибольшее значение коэффициента k_ол у эллиптических рефлекторов, дающих сходящийся отраженный пучок (рис. 1.17). По данным автора, при использовании эллиптических отражателей продолжительность сушки блоков, заклеенных ПВАД, сокращается в 1,6-1,7 раза по сравнению с отражателями других типов. Эллиптические отражатели наиболее эффективны при движении полуфабрикатов вдоль оси излучателя или в момент выстоя полуфабриката перед излучателем при поперечном движении транспортера.

 

Если полуфабрикаты движутся непрерывным потоком в направлении, перпендикулярном оси излучателя, то кратковременный интенсивный нагрев от сфокусированного пучка дает эффект импульсного режима сушки. Чтобы избежать местного перегрева, плоскость движения полуфабрикатов и вторая фокальная плоскость эллипсоида должны быть разнесены на величину R_и в соответствии с определяющим размером В.

По разработкам кафедры ТП и ПП МГУП эллиптические отражатели кварцевых ламп могут быть заменены более простыми в изготовлении цилиндрическими. Они могут быть успешно применены в тех случаях, где нет необходимости точной фокусировки отраженных лучей и объект сушки располагается вне плоскости фокусировки изображения излучателя.

Инфракрасные лучи поглощаются поверхностью тела, проникая на глубину от 0,1 до 7,0 мм в зависимости от размеров и структуры капилляров, однако максимальная глубина проникновения тепловых лучей в ткани, бумагу и картон не превышает 1,0 мм. Глубина проникновения лучей увеличивается с уменьшением длины волны (с повышением Т_и) и с уменьшением влагосодержания тела. Независимо от глубины проникновения лучей поверхность материала в начале процесса сушки прогревается значительно сильнее внутренних слоев. Это вызывает интенсивное испарение влаги с поверхности тела и большой температурный градиент, направленный к поверхности испарения.

Общая характеристика способа. Интенсивность радиационно-конвективного теплообмена q_рк (Вт/м²) в первом периоде сушки равна

(1.45)

 

где k_w — угловой коэффициент, зависящий от вида излучателя и взаимного расположения излучателя и тела; a_п — коэффициент поглощения; Т_и — абсолютная температура излучателя, К; Т_п — абсолютная температура поверхности тела, К.

Первый член уравнения характеризует радиационный теплообмен, а второй — конвективный. В общем потоке тепла доля конвективного теплообмена составляет всего 1,5_3,0%, однако конвективная составляющая теплообмена позволяет изменять величину и направление вектора температурного градиента, регулировать температуру поверхности тела, интенсивность и жесткость режима сушки.

Для этого способа характерны значительные затраты электроэнергии, высокая плотность теплового потока, в 30-70 раз превышающая плотность потока при конвективной сушке, и большие температурные градиенты (2-5 К/мм). Поэтому скорость сушки примерно на порядок выше, а продолжительность сушки меньше. Однако рост скорости сушки не пропорционален количеству полученного телом тепла, так как он зависит от скорости перемещения влаги под влиянием градиентов температуры и влагосодержания, направленных, как правило, противоположно и определяемых видом тела и режимами сушки. Радиационно-конвективная сушка применяется тогда, когда нужна малая продолжительность сушки и нет опасности порчи материала. В отделочных и брошюровочно-переплетных процессах она используется в лакировально-сушильных автоматах, в оборудовании для клеевой припрессовки полимерной пленки, в заклеечно-сушильном оборудовании поточных линий и в секциях агрегатов клеевого бесшвейного скрепления при изготовлении книжных изданий.

Особенности сушки различных тел. При сушке коллоидных тел градиенты температуры и влагосодержания на протяжении всего процесса направлены противоположно. В начале процесса температурный градиент оказывается доминирующим, и под его влиянием влага перемещается по направлению потока тепла в глубь тела, увеличивая градиент влагосодержания. Со временем gradU становится больше k_тЧgradU [см. формулу (1.40)], доминирующим становится градиент влагосодержания, и тогда направление потока влаги изменяется на обратное: она начинает перемещаться навстречу потоку тепла, к зоне испарения, и общее влагосодержание тела постепенно уменьшается.

В капиллярно-пористых и капиллярно-пористых коллоидных телах сильно нагретые воздух и пар выходят из макрокапилляров, а более холодный влажный воздух из погранично го слоя в них засасывается. При этом поверхностные слои тела охлаждаются, а максимум температуры оказывается на некоторой глубине от поверхности тела (рис. 1.18). В тонких телах точки максимумов температуры могут совпасть, тогда градиенты gradT и gradU совпадут по направлению, что приведет к быстрому удалению влаги.

 

Режимы сушки. Режимами радиационной составляющей радиационно-конвективной сушки являются мощность излучателя, расстояние от излучателя до поверхности высушиваемого тела, а при прерывистом облучении — продолжительность периода облучения и его соотношение с так называемым периодом отлежки. С увеличением мощности излучателя и уменьшением расстояния до излучателя скорость сушки возрастает, а продолжительность уменьшается (рис. 1.19). При увеличении мощности излучателя и уменьшении расстояния до него режим сушки становится более жестким: увеличиваются температура поверхности материала и температурный градиент, особенно во втором периоде сушки. Это может привести к ухудшению технологических свойств полуфабрикатов или к их порче — растрескиванию, обугливанию и даже сгоранию. В то же время, как показали исследования, проведенные в МГУП автором, если сушка блоков, заклеенных ПВАД, заканчивается в тот момент, когда из блока удаляется только 60% влаги, внесенной с клеем, прочность клеевого скрепления тетрадей увеличивается по мере роста энергетической облученности поверхности корешка. Это объясняется тем, что интенсивный нагрев до температуры стеклования поливинилацетата (29°С) способствует взаимной диффузии шарообразных частиц поливинилацетата друг в друга и диффузии адгезива в субстрат, в результате чего возрастает когезионная и адгезионная прочность клеевого соединения.

 

Импульсный режим облучения. Радиационно-конвективную сушку целесообразно проводить с перерывами в облучении. В этом случае в период облучения Т_об тело получает тепло, необходимое для испарения влаги, а в период отлежки Т_от охлаждается вследствие испарения жидкости за счет аккумулированного тепла. Так как испарение происходит в поверхностных слоях, то в период отлежки температура поверхности тела Т_п резко снижается, поэтому температурный градиент меняет свое направление и уже не замедляет, а ускоряет перенос влаги в зону испарения под действием градиента влагосодержания. При обдуве поверхности тела сравнительно холодным воздухом (Т_с < Т_п) модуль температурного градиента в период отлежки увеличивает ся, повышается и интенсивность перемещения влаги к зоне испарения. Импульсное облучение делает режим менее жестким, снижает общее значение градиентов gradT и gradU, уменьшает вероятность опасного перегрева и растрескивания тела, дает значительную экономию электроэнергии.

Оптимальное значение Т_об зависит от интенсивности подвода тепла, вида и влагосодержания тела: чем больше мощность излучателя и меньше влагосодержание тела, тем меньше должен быть период облучения при прочих равных условиях. Оптимальное значение периода отлежки определяется скоростью диффузии влаги в теле: чем меньше коэффициент диффузии (например, в капиллярно-пористых коллоидных телах), тем больше должен быть Т_от. При выборе оптимального соотношения Т_об/Т _от нужно стремиться к тому, чтобы зависимость между влагосодержанием тела и периодом облучения была линейной.

По данным исследований, проведенных автором в МГУП, импульсная сушка блоков инфракрасными лампами после заклейки корешка может дать 1,5-3-кратную экономию электроэнергии, если период облучения лежит в пределах 0,5-2,0 с, а отношение Т_об/Т _от > 3; однако при Т_об/Т _от > 8 продолжительность сушки блоков значительно увеличивается.

 

1.3.10. Кондуктивная сушка Общая характеристика. При кондуктивной сушке теплоносителем является твердое нагретое тело, с которым объект сушки находится в плотном контакте. Передача тепла, необходимого для нагревания материала, подвергаемого сушке, в первом периоде сушки происходит за счет теплопроводности обоих тел; во втором периоде, когда общее влагосодержание тела мало, — в основном переносом массы пара. Температура контактирующей поверхности влажного тела Тк уже в начале процесса сушки близка к температуре излучателя Ти, а температура последующих слоев вследствие низкой теплопроводности материала значительно ниже (рис. 1.20), поэтому создается высокий температурный градиент (около 20 К/мм), всегда направленный к контактирующей поверхности и способствующий переносу влаги к зоне испарения. Непосредственный подвод тепла и высокий градиент температуры обеспечивают высокую скорость сушки тонких материалов, которая может быть на один-два порядка выше скорости конвективной сушки. Контактирующий слой и слой открытой поверхности в начале процесса сушки быстро теряют влагу, поэтому центральные участки на всем протяжении процесса имеют максимальное влагосодержание. При этом от центра к контактирую щей поверхности действует градиент влагосодержания, препятствующий переносу влаги, а от центра к открытой поверхности — способствующий ее удалению. Температура открытой поверхности Тп уже в первом периоде сушки значительно выше температуры мокрого термометра и во всех сечениях со временем сушки возрастает, поэтому при длительном контакте с горячей поверхностью теплоносителя возникает опасность перегрева и порчи материала. Кондуктивный способ передачи тепла и сушки применяется в процессах припрессовки полимерных пленок к оттискам, при приклейке каптальных тесем к бумажной ленте и в процессах тиснения. В мелко- и среднесерийном производстве изданий в обложке, скрепляемых клеевым бесшвейным способом с применением ПВАД, контактный обогрев корешка после крытья блоков обложкой на плите, нагретой до 90°С, позволяет сократить время естественной сушки полуфабрикатов перед их трехсторонней обрезкой и время изготовления тиража. Применение этого способа для сушки крышек исключается, так как односторонняя подача тепла неизбежно приводит к их короблению. Неприемлем этот способ и для сушки заклеенных блоков, так как клеевой слой исключает возможность контакта с нагретым клеем.   Рис. 1.20. Распределение температуры и влагосодержания тела при кондуктивной сушке Режим сушки. Плотность теплового потока qкд (Вт/м2), полученного телом при кондуктивной сушке, определяется по формуле (1.46) где l — теплопроводность материала, Вт/(м * К); dм — толщина тела, м. Режимом кондуктивной сушки является температура теплоносителя Т, а теплопроводность l и толщина материала dм — технологическими факторами процесса. При прочих равных условиях чем больше температура теплоносителя и теплопроводность влажного тела, тем выше скорость сушки. Формула (1.46) справедлива, когда температура теплоносителя не превышает 60°С, так как при Т > 60-85°С изменяется механизм переноса массы и тепла: создаются градиент влагосодержания gradU и градиент общего давления gradp. При температуре нагревателя выше 150°С контакт полуфабрикатов с нагретым телом не должен быть длительным из-за разрушения целлюлозы бумаги, картона или ткани. В случае кондуктивного нагрева корешка после крытья блоков обложкой длительный контакт приводит к пожелтению обложки и ее отпариванию из-за интенсивного парообразования в клеевом слое.

 

1.3.11. Сушка в высокочастотном электромагнитном поле Общая характеристика способа. Влажные материалы можно рассматривать как полупроводники или диэлектрики (т.е. материалы с удельным сопротивлением соответственно около 10-1-10-8 и 10-9-10-15 Ом×м) с включением некоторого количества слабых электролитов. Если диэлектрик поместить в высокочастотное электромагнитное поле, то полярные молекулы диэлектрика будут совершать колебательные движения, так как электрическая составляющая поля создает пару сил, стремящуюся ориентировать оси молекул в направлении вектора напряженности поля. Явление поворота полярных молекул под действием электрической составляющей электромагнитного поля называется дипольной поляризацией. Кроме дипольной поляризации бывают также ионная и электронная поляризации, вызванные смещением ионов и деформацией электронного облака. Во влажных телах, имеющих включения электролитов, каждое включение ведет себя подобно гигантской поляризованной молекуле, что вызывает структурную поляризацию, а явления электролиза и электроосмоса — электрическую поляризацию. Ориентации полярных молекул препятствуют их тепловое движение и силы межмолекулярного взаимодействия, поэтому дипольная поляризация имеет релаксационный, запаздывающий характер с периодом релаксации 10-13-10-7 с. Период электронной релаксации равен 10-16-10-14 с, ионной — 10-14-10-12 с, структурной — 10-8-10-3 с, электрической — 10-4-10-2 с. Если период релаксации больше периода электромагнитных колебаний, то поляризация сопровождается большим выделением тепла, дает возможность получить мощные источники тепла, равномерно распределенные внутри тела. Количество теплоты, выделившейся при высокочастотном нагреве за единицу времени в единице объема тела, Qвч (Вт/м3), определяется по формуле (1.47) где e0 = 8,85 * 10-12 Ф/м — электрическая постоянная; kп = — коэффициент диэлектрических потерь; er — диэлектрическая проницаемость материала; dп — угол диэлектрических потерь, рад; n — частота поля, Гц; U — действующее напряжение, В; d — расстояние между обкладками конденсатора, м. При сушке тел в высокочастотном электромагнитном поле температура наружных слоев тела меньше, чем центральных, из-за интенсивного испарения и связанного с ним охлаждения поверхностных слоев. Поэтому уже в начальной стадии процесса имеется температурный градиент, который быстро увеличивается и всегда направлен от поверхности испарения к центру тела, способствуя удалению влаги (рис. 1.21).   Рис. 1.21. Распределение температуры и влагосодержания в теле при сушке в ВЧ-поле в моменты времени t2 > t1 Термодиффузия влаги под действием температурного градиента создает градиент влагосодержания, который на всем протяжении процесса оказывает сопротивление переносу влаги к зоне испарения. При интенсивном прогреве скорость парообразования во много раз превышает скорость переноса пара внутри тела, поэтому при температуре тела свыше 60°С возникает градиент общего давления, который во втором периоде сушки становится доминирующим фактором в механизме переноса влаги. При высоких градиентах температуры, влагосодержания и давления возникают опасные напряжения внутри материала, поэтому, чтобы уменьшить абсолютные значения градиентов и избежать появления внутренних трещин и одновременно снизить расход электроэнергии примерно в 2 раза, поверхность тела рекомендуется прогревать с использованием комбинированных способов подвода тепла. Комбинированная высокочастотно-конвективная сушка переплетных крышек успешно применялась в типографии «Красный пролетарий» в 1950-е гг.: крышки полностью высыхали за 60 с, не коробились и в дальнейшем не плесневели. Высокочастотный нагрев корешковой зоны книжных блоков используется в крупносерийном производстве книжных изданий в обложке и в переплетной крышке. В заклеечно-сушильных автоматах, в заклеечно-окантовочных агрегатах и в агрегатах клеевого бесшвейного скрепления различных зарубежных фирм кратковременный высокочастотный нагрев корешка сочетается с естественной досушкой и охлаждением полуфабрикатов на длинном транспортере при передаче их на операцию обрезки. В конце 1980-х гг. Киевским филиалом ВНИИ полиграфии совместно с СКБ ТОЗ «Кристалл» была разработана заклеечно-сушильная установка БЗШ-270 с высокочастотным сушильным модулем, рассчитанная на среднесерийное производство. Рабочий конденсатор в ней длиной около 2 м состоит из двух гребенок, изготовленных из медных прутков высотой 180 мм, установленных с разной частотой по ходу движения транспортера с книжными блоками, что позволило отрегулировать интенсивность высокочастотного нагрева, скорость парообразования и избежать потери прочности клеевого соединения. Режимы сушки. В производственных условиях режимами сушки могут быть мощность излучателя (часть используемой мощности) и время нахождения полуфабриката в высокочастот ном электромагнитном поле, так как частоту электромагнитных колебаний в сушильных устройствах изменять нельзя: Европейским стандартом для медицины, науки и техники отведена очень узкая полоса частот n = 27,12 МГц ± 0,6%. Эта частота не может быть оптимальной для всех высушиваемых материалов, твердых тел и находящихся в них или на их поверхности жидкостей, тем более что нагревать желательно не твердое тело, а только жидкость, чтобы сообщить ей энергию, необходимую для испарения. В Саратовском государственном техническом университете под руководством В.Б.Байбурина проводится работа по применению более высоких частот электромагнитного излучения в брошюровочно-переплетном производстве — в диапазонах высокой частоты (до 50 МГц) и в диапазоне сверхвысокой частоты (СВЧ) (до 2000 МГц) — с целью повышения эффективности использования генераторов ВЧ и СВЧ и уменьшения энергетических затрат. Использование иных частот, кроме разрешенных Европейским стандартом, возможно лишь при достижении полной изоляции высокочастотных электромагнитных колебаний в закрытом корпусе, не пропускающем их в окружающее пространство. В сушильных устройствах непрерывного действия с этой целью используются металлические экраны, отражающие ультракороткие электромагнитные волны, и специальные материалы, поглощающие это излучение; для приема полуфабрикатов и вывода продукции из сушильного устройства применяют ся специальные СВЧ-фильтры.   Рис. 1.22. Зависимость коэффициента диэлектрических потерь от влагосодер жания тела и частоты ВЧ-поля для материалов с преобладанием капиллярной (1) и адсорбционной (2) влаги Для регулирования интенсивности сушки и времени облучения полуфабрикатов генераторы ВЧ и СВЧ составляют из нескольких магнетронов, которые могут подключаться к волноводам секционно. Время высокочастотной сушки может изменяться регулировкой скорости движения транспорте ра с полуфабрикатами. Технологические параметры. Скорость высокочастотной сушки в значительной степени определяется электростатическими характеристиками высушиваемых материалов — их диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь. Диэлектрическая проницаемость материала определяется его плотностью (объемной массой), влагосодержанием и температурой, а также частотой электромагнитного поля. Тангенс диэлектрических потерь зависит от удельного электрического сопротивления материала (следовательно, от природы и влагосодержания тела) и от напряженности поля. Значение коэффициента диэлектрических потерь kп зависит от формы связи влаги с материалом, влагосодержания тела и частоты поля [см. формулу (1.47) и рис. 1.22]. Зависимость электростатических характеристик материалов от их влагосодержания определяет различную скорость сушки полуфабрикатов с разным начальным влагосодержанием. Поэтому если на выходе из сушильного устройства необходимо получить полуфабрикаты с одинаковой конечной влажностью (и деформационными свойствами), то и в сушильное устройство они должны поступать с одинаковым начальным влагосодержанием.

 

1.3.12. Плазменная сушка При этом способе сушки теплоносителем является низкотемпературная (около 1500 К) плазма — открытое пламя газовых горелок. Если пламя непосредственно касается поверхности высушиваемого тела, то плазменную сушку можно рассматривать как комбинацию радиационно-конвективной и кондуктивной сушки, так как пламя одновременно является подвижной средой, источником излучения инфракрасных электромагнитных волн и нагревателем. Плотность теплового потока qп (Вт/м2), полученного телом при плазменной сушке, определяется по формуле (1.48)   где qрк и qкд рассчитываются по формулам (1.45) и (1.46). Скорость плазменной сушки очень высока, так как достаточно высоки температура пламени и энергия частиц ионизованного раскаленного газа и продуктов его горения. Контакт тела с открытым газовым пламенем должен быть кратковременным, поскольку температура пламени значительно выше температуры самовоспламенения многих полиграфических материалов. Этот способ может быть использован при сушке корешков заклеенных блоков. В целях пожарной безопасности используются специальные автоматические устройства, выключающие газовые горелки при остановке транспортера с полуфабрикатами. Скорость сушки можно регулировать изменением высоты пламени, изменением расстояния от горелок до поверхности тела. Длительность сушки может регулироваться шириной пламени и изменением скорости движения транспортера с полуфабрикатами.

 

 1.3.13. Технологические факторы, влияющие на скорость сушки

На скорость и продолжительность сушки полуфабрикатов оказывают влияние технологические факторы, которые могут изменяться в процессе работы. Если не учитывать их влияния и соответственно не изменять режим сушки, то полуфабрикаты могут оказаться пересушенными или недосушенными, что неизбежно приведет к ухудшению качества продукции на последующих операциях.

Сушка блоков. К технологическим факторам, влияющим на скорость сушки блоков после заклейки корешка, после приклейки корешкового материала и капталобумажной полоски, после окантовки корешка, относятся: природа и влагосодержание применяемого клея, толщина клеевого слоя; объемная масса, отделка и проклейка бумаги блока; объем тетрадей блока; наличие и тип корешкового и окантовочного материала.

От природы клея зависят энергия связи влаги в коллоидном теле и оптимальная концентрация сухого вещества, влагосодержание рабочего раствора клея. Влагосодержание ПВАД, применяемой для заклейки корешка и при клеевом бесшвейном скреплении, сравнительно невелико — от 100 до 200% (при содержании сухого остатка от 50 до 33%). Основная часть влаги в ПВАД, связанная капиллярными силами, легко удаляется при испарении и впитывании в бумагу.

При использовании клея повышенной концентрации, с относительно меньшим влагосодержанием, затрудняется миграция влаги в клеевом слое, снижается интенсивность j[кг/(м² * с)] и увеличивается продолжительность сушки полуфабрикатов t_c (с), если количество клея, нанесенного на единицу поверхности, остается постоянным (рис. 1.23).

 

С увеличением расхода клея Р_к (кг/м²) данной концентрации с клеем вносится больше влаги, поэтому скорость сушки возрастает, но вместе с этим увеличивается и ее продолжительность, так как при увеличении толщины клеевого слоя миграция влаги из центральных слоев к периферии затрудняется.

Из многочисленных показателей тиражной бумаги, регламентированных ГОСТом, для сушки имеют значения те, которые в конечном счете определяют ее пористость и гидрофильность. В производственных условиях об этих показателях бумаги можно судить по ее композиции, отделке, объемной массе и степени проклейки. Как правило, бумага, содержащая древесную массу (№ 3 и № 2), машинной гладкости с малой (до 0,80 г/см³) объемной массой, имеет более крупные капилляры по сравнению с бумагой, содержащей только целлюлозу (№ 1), каландрированной и высококаландрированной с большой объемной массой. Поскольку влага макрокапилляров легко удаляется при сушке, то продолжительность сушки блоков, изготовленных из бумаги с большим количеством макрокапилляров, меньше, чем у блоков, изготовленных из бумаги, содержащей большое количество микрокапилляров (рис. 1.24).

Степень гидрофильности печатной бумаги зависит от ее проклейки, поэтому характер перемещения влаги в процессах увлажнения и сушки у клееной и неклееной бумаги различный: миграция влаги в бумаге с высокой проклейкой затруднена, в связи с чем продолжительность сушки блоков, изготовленных из офсетной и иллюстрационной бумаги, выше, чем у блоков, изготовленных из неклееной и слабоклееной бумаги (см. рис. 1.24, кривая 1).

 

Рис. 1.24. Кривые радиационно -конвективной сушки блоков для различных видов бумаги: 1 — офсетной № 2 машинной гладкости; 2 — типографской № 1 каландрированной; 3 — типографской № 2 машинной гладкости