9.9. Инфракрасное газовое оборудование
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 9.22. Падающее на однослойный материал инфракрасное излучение (рис. 9.22, 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. 9.22, 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.
На рис. 9.22, 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. 9.22, 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, фарфорофаянсовых 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.
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.
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 тепло изолирована.
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.
