О применении средств контроля в исследованиях сушильных процессов

В статье приводятся данные о некоторых методах проведения экспериментальных исследований сушильных процессов в каплях жидких дисперсных систем высыхающих на твердых диффузионно-непроницаемых подложках. Приводится описание оригинальной конструкции динамических весов для измерения убыли веса материала в потоке сушильного агента.

Ключевые слова: сушка, капля, подложка, весы.

В последние годы возрос интерес к механизму явлений происходящих при сушке капель различных жидкостей. Этот интерес связан с рядом новых приложений и направлений исследований: в физике конвекции и турбулентности, в физико-химии явлений связанных с задержкой или смещением линии 3-х фазной границы капли, в нелинейной термодинамике образования упорядоченных структур в высыхающих каплях (дегидратационная самоорганизация, эффект кофейных пятен и т. п.), в микробиологии биологических жидкостей, в том числе молекул протеинов и ДНК, в медицинской диагностике и т. п. [1].

Исходя из современного состояния теории и практики сушки жидких материалов на подложках к экспериментальной установке необходимо предъявлять следующие требования:

-          экспериментальное исследование процесса должно производиться в широком диапазоне температур сушильного агента (с учетом сложившейся практики до 300 ^оС)

-          должен быть реализован широкий диапазон скоростей сушильного агента с реализацией различных способов обдува (углов, пульсаций, направлений потока и т. п.)

-          установка должна иметь возможность быстрого перехода с режима на режим

-          необходимо оперативно измерять (поддерживать) температуру, вес и другие параметры процесса с достаточной точностью

Для исследования кинетики сушки жидких и пастообразных дисперсных систем нами разработана многорежимная визуальная сушильная установка. Она позволяет производить сушку и/или термообработку исследуемого материала в диапазоне температур от 20 до 280 ^ОС. Мощность установленных калориферов 2 кВт. Скорость обдува материала варьируется от 0.5 до 25 м/с. Для высушивания можно использовать материалы в жидком состоянии (нанесение капли на подложку или удержание капли на термопаре без подложки), пастообразном состоянии (нанесение пасты на подложку) или твердом состоянии (установка твердой частицы на подложку или подвешивание на термопаре).

В качестве подложки можно использовать любой материал, любой толщины, устанавливать подложку под любым углом к набегающему потоку сушильного агента. Подложка монтируется на перемещающуюся подставку. Для контроля температуры сушильного агента и температуры высушиваемого продукта используются термопары ХК с диаметром спая 0.2 мм. В материалах существенной толщины можно установить несколько термопар по толщине материала. Управление вентиляторами осуществляется с помощью лабораторных трансформаторов. Термопары подключаются к многоканальному электронному самописцу «Термодат».

В качестве материала подложек нами был выбран фторопласт Ф-4 как наиболее распространенный и безопасный материал, применяемый в сушилках с кипящим слоем инерта.

Для исследования кинетики сушки крупных капель в качестве конструкции подложки использовался диск и прямоугольная пластина (см. рис. 1–2.).

Такие формы подложек позволяют наносить и удерживать каплю на поверхности подложки, полностью покрыть поверхность подложки и сохранять свою форму при обдуве.

Визуальное наблюдение и измерение размеров поверхности материала производится либо в проходящем, либо в отраженном свете через катетометр, скоростную видеокамеру или фотоаппарат с макрорежимом.

Основную проблему при исследовании процесса сушки представляет собой регистрация убыли влаги в высыхающей капле Это связано с небольшим количеством удаляемой в процессе сушки влаги по сравнению с весом образца и вспомогательных устройств: рамка, стойки и т. п. и неизбежными при скоростном конвективном обдуве пульсациями потока воздуха. При этом важно точно сохранять положение образца в сушильной камере. Это необходимо для обеспечения постоянства аэродинамической составляющей в процессе эксперимента. Тогда ее можно учесть путем градуировки и проверки в конце эксперимента [2].

Рис. 1. Схема малой и большой дисковой подложки.

Малый диск: d = 7 мм, δ = 2 мм; Большой диск: d = 25 мм, δ = 3 мм.

Рис. 2. Схема прямоугольной пластины подложки.

Колебания образца и весоизмерительных устройств, возбуждаемые аэродинамической составляющей и пульсациями воздуха, могут превышать действие на весы силы, возникающей вследствии убыли влаги в исследуемом образце (особенно при высокоскоростном обдуве). Отфильтровать эти помехи в исходном сигнале, идущем с обычных весов, не представляется возможным, так как их действие на весовые устройства совершенно аналогично изменению веса образца.

Хорошие результаты по точности взвешивания и чувствительности были получены на усовершенствованных весах на магнитной подушке с электронным демпфированием колебаний и автоматической компенсацией изменения веса образца. При этом электронное демпфирование колебаний позволяет отфильтровать большую часть помех от пульсаций воздуха, а автоматическая компенсация изменения веса позволила удерживать образец в заданном положении, независимо от изменения веса и условий сушки [3].

Схема механической части модернизированных электронных весов представлена на рис.3.

Рис. 3. Механическая схема весов

Вследствие изменения веса образца, закрепленного на стойке с рамкой 1, изменяется положение коромысла весов 3, отслеживаемое фотодатчиками 4, сигнал с которых поступает на схему, обрабатывается и посылается на компенсирующую катушку 2. Внутри катушки 2 расположен магнит 5, который жестко прикреплен к коромыслу весов 3. Ток, протекающий по катушке 2, пропорционален изменению положения подвесной системы весов, т. е. стойки 1 и коромысла 3. Поэтому в результате взаимодействия магнитного поля компенсирующей катушки 2 с магнитным полем магнита 5, подвесная система весов всегда удерживается в одном и том же положении. Изменение тока катушки 2 показывает фактическую убыль веса образца и регистрируется прибором (в нашем случае типа ОВЕН).

Максимальный вес, удерживаемый электромагнитной компенсацией схемы, составляет не более 300г. Чувствительность весов не менее 0.005 г.

Литература:

1.         Пахомова, Ю. В. Особенности механизма и кинетики сушки капель дисперсий (на примере сушки послеспиртовой барды) / Ю. В. Пахомова, В. И. Коновалов, А. Н. Пахомов // Вест. Тамб. гос. техн. ун-та. — 2011. — Т. 17, № 1. — С. 70–82.

2.         Пахомов, А. Н. Возможности самоорганизации дисперсных систем при сушке на подложке/ А. Н. Пахомов, Ю. В. Пахомова, Е. А. Ильин// Вестник Тамбовского государственного технического университета. — 2012. — Т. 18, № 3. — С. 633–637.

3.         Фролов, А. А. Электронные весы для записи кривой сушки / Фролов А. А., Пахомов А. Н.// Труды ТГТУ. — 2000. — Вып.6. — С. 193–196.