CC BY
29
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 235 1973
ИНДУКЦИОННАЯ ТЕРМИЧРХКАЯ ОБРАБОТКА СЫПУЧИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Е. Д. ЗАЙЦЕВ, А. И. СЛОСМАН, В. В. ХАРЧЕНКО
Известны трудности термической обработки мелкодисперсных л слипающихся материалов. Одним из способов обработки подобных веществ является их обработка в кипящем слое инертных частиц [1]. Однако для высокотемпературной обработки веществ, требующих особой чистоты, сбора продуктов разложения или очистки псевдоожижа-ющего агента, он является малоэффективным.
Для термической обработки мелкодисперсных и слипающихся веществ возможно применение высокочастотного электрического поля. В случае обработки сыпучих веществ в электрическом поле высокочастотного конденсатора происходит непрерывное выделение тепла в объеме диэлектрика, вызванное токами проводимости и диэлектрическими потерями. Однако интенсивность нагрева и сушки при воздействии электрического поля на диэлектрик низка, если малы диэлектрические потери и слабы токи проводимости. Коэффициент полезного действия установок для нагрева диэлектриков токами высокой частоты не превышает 40—50 процентов [2]. Установки капризны в эксплуатации, затрудняют радиосвязь, требуют хорошей вентиляции конденсатора в случае сушки веществ с большой влажностью.
Романовский С. Г. применил индукционную сушку древесины токами промышленной частоты, которая оказалась в данном случае эффективной [3].
Нами исследовались нагрев и сушка сыпучих диэлектриков индукционным способом. Применение индукционного способа стало возможным ь результате введения металлических частиц в обрабатываемый материал. Вводимые в сыпучий диэлектрик инертные металлические частицы являются постоянно действующими источниками тепла, равномерно распределенными в плотном слое материала. Тепло выделяется 'з инертных металлических частицах в результате наведения в них электромагнитным полем индуктора вихревых токов.
Процесс термообработки по данному способу может вестись непрерывно, время пребывания материала в зоне обработки легко регулируется; достигается большая производительность при малых размерах аппарата, однородная температурная обработка материала, возможность сушить мелкодисперсные материалы без пылеуноса и материалы с большой влажностью.
Интенсификация процесса термической обработки сыпучих диэлектриков происходит в результате большого тепловыделения в металличе-
ских частицах, тесного контакта с ними обрабатываемого материала, развитой поверхности теплообмена. в
Кроме того, интенсивное нагревание окружающего частицы влажного материала приводит к потокам газа в слое, которые взрыхляют и перемешивают мелкодисперсный сыпучий диэлектрик.
Если использовать металлические частицы, у которых магнитная проницаемость |л 1, то они приходят в движение в результате взаимодействия частиц с электромагнитным полем индуктора, в результате чего смесь перемешивается и тем самым достигается равномерная термическая обработка.
Следует отметить, что на перенос влаги действует термодинамическая сила, представляемая произведением градиента индукции магнитного поля V В на вектор поляризации я м [4].
I. Опыты на частоте 2500 гц
Установка состоит из генератора ПВ 50—2500, приборов измерения и управления, индуктора диаметром 180 мм, изготовленного из медной трубки диаметром 14 мм, имеющего 18 витков, ¡и кварцевого аппарата, представляющего собой усеченный конус (больший диаметр — 130 мм, меньший диаметр—100 мм, высота —250 мм). Обрабатываемый материал смешивается с металлическими частицами (шары из стали ШХ15 диаметром 3,15 мм и 7,93 мм). Концентрация металлических частиц менялась от ]/з Д02/з но весу в пересчете на сухую смесь. Мощность, потребляемая в индукторе, менялась в опытах от 0,5 до 6 кет.
В аппарат загружался 1 кг смеси с различной концентрацией шаров и различной влажностью материала и аппарат помещался в индук.тор. Для исследования кинетики нагрева и сушки использовались типичные диэлектрики: корунд белый и кварцевый песок, гранулометрический состав которых приводится в табл. 1.
Таблица 1
Материал - 0,05 + 0,05 -0,08 +0.08 -0,125 +0,125 -0,25 +0,25 -0,4 +0,4 -063
Кварцевый
песок 0,026 0,54 8,8 78,3 6,7 5,6.
Корунд
белый 88,1 10,3 1,2 0,4
Изучение прогревания металлических шариков диаметром 3,15 мм показало, что слой высотой 100 мм прогревается относительно равномерно, наибольшее изменение температуры наблюдалось вдоль сосуда и составляет ± 50°С при средней температуре шаров 700°С. Максимальные колебания температуры в поперечном сечении в середине аппарата составляют ± 26°С. Неравномерность нагрева может быть объяснена конвективным теплообменом на поверхности аппарата. Прогрев сухого и влажного сыпучего диэлектрика (корунда и кварцевого песка) 1не происходит без добавки металлических частиц.
Наибольшая разность температур по объему при нагревании смеси корунда и шаров диаметром 3,15 мм (при концентрации 1 /2 по весу) составляет + 25°С при средней температуре смеси 500°С, а 1 кг смеси прогревается в течение 10 минут до указанной выше температуры при мощности, потребляемой в индукторе 4 кет.
Визуально наблюдалось движение шаров в аппарате, которые как бы медленно кипят (шевелятся), приподнимаются над дном, аппарата
т. 1.9
после подачи энергии от высокочастотного генератора на индуктор, после прекращения подачи энергии шары падают и лежат ровным слоем неподвижно, по достижении температуры 700°С шары перестают двигаться в поле индуктора и устанавливаются в цепочки вдоль линий силового поля.
Смесь шаров и сухого корунда также находится в движении и перемешивается.
При сушке смеси диэлектрика и шаров наблюдается вначале медленное перемешивание (прогрев до 95—99°С), а далее интенсивное перемешивание, которое продолжается до конца сушки.
Г«с
зоо. 40 О -/ * -2 о - 3 --- -4 /1
эо 1 / /
/00, го *—*—*—- ' ¿л // у
/о /0 У /V
«г
° 5 >0
Рис. 1. Кривые сушки и температуры для корунда (сплошные линии кривые сушки, штриховые — температурные кривые): 1 — мощность, потребляемая в индукторе 3 кет, концентрация металлических частиц 50 процентов, диаметр металлических частиц 3,15 мм; 2— мощность — 3 кет, концентрация — 70 процентов, диаметр'—3,15 мм; 3 — мощность—1 кет, концентрация — 70 процентов, диаметр — 3,15 мм; 4 — нагрев без добавки металлических частиц
Далее изучалась кинетика сушки путем отбора проб высушиваемого материала через минуту с последующей сушкой их в сушильном шкафу при температуре 250°С до постоянного веса.
В момент сушки замерялась температура термопарой хромель-ко-лель, эдс от которой фиксировалась потенциометром типа ПП-63. (Опыты показали, что термопара хромель-копель не прогревается в поле Индуктора, питаемого током частотой 2500 герц).
На рис. 1, 2, 3 показаны кривые температуры и сушки кварцевого песка и корунда без добавки и с добавкой металлических частиц. Прогрев и сушка корунда происходят быстрее, что связано, очевидно, с тем. что частицы корунда намного меньше, чем песка, поэтому они лучше перемешиваются токами газа и металлическими частицами.
Из рисунков видно, что оптимальной является для данных опытов концентрация металлических частиц 1 /2 по весу в пересчете на сухую смесь.
Повышение мощности, потребляемой индуктором, уменьшает время прогрева, так что оптимальными энергетическими характеристиками
работы индукционной сушилки будут номинальные для данного высокочастотного генератора.
-I
£30
100 .
/5 Т/^.ссн /
Рис. 2. Кривые сушки и температуры для кварцевого песка (сплошные линии кривые сушки, штриховые — температурные кривые): 1 — мощность, потребляемая в индукторе 3 кет, концентрация металлических частиц 70 процентов; 2 — мощность — 2 кет, концентрация-—70 процентов: 3 — мощность — 4 кет, концентрация — 50 процентов; 4 — мощность— 2 кет, концентрация — 50 процентов; 5 — мощность—4 кет, концентрация—50 процентов; б—нагрев без добакки металлических частиц; кривые 1—4 — диаметр металлических частиц 3,15 мм\ кривая 5 —диаметр металлических частиц 7,93 мм
Рис. 3. Кривые сушки и температуры (сплошные линии кривые сушки, штриховые — температурные кривые): 1—корунд, 50 процентов металлических частиц, мощность, потребляемая в индукторе 0,5 кет; 2 — песок, 30 процентов металлических частиц, мощность 3 кет; 3 — нагрев корунда и песка без добавки металлических частиц
Повышение диаметра частиц (который должен будет выбираться из условий оптимального тепловыделения и максимальной поверхности теплообмена металлических частиц) с 3,15 мм до 7,93 мм (кривая 5,
рис, 2) не уменьшает тепловыделения, но ухудшается равномерность прогрева и сушки материала в силу прекращения перемешивания и уменьшения поверхности теплообмена.
И. Опыты на частоте 200000 гц
Установка состоит из лампового генератора А3-43, приборов управления и контроля, индуктора диаметром 65 мм, состоящего из 4-х витков, изготовленных из трубки 6 мм и фарфорового тигля диаметром 60 мм, в который загружался кварцевый песок, размеры последнего приведены в табл. 1, в смеси с шарами из стали ШХ15 диаметрами 3,15 мм и 2 мм. Концентрация металлических частиц в обеих сериях опытов '/■> в пересчете на сухую смесь. Вес смеси, загружаемой в тигель, 200 г. Температура смеси измерялась термопарой ХК, которая помещалась в тигель после прекращения подачи тока на индуктор.
Результаты опытов сведены в табл. 2.
Таблица /:
Начальная вл. (абсолютная) в проц. Вес смеси, г Время сушки, сек Температура СМ2СИ через 50 сек Мощность, потребляемая в индукторе, кзт Концентрация частиц Диаметр частиц, мм Конечная влажн. (абсолютная), %
10 200 30 380 2 1/2 3,15 0
10 200 30 380 2 1(2 3,15 0
10 200 30 470 2 1/2 2,0 0
10 200 25 410 2 1/2 2,0 0
.10 200 300 80 2 9,2
Таким образом, опыты показали, что в случае термической обработки сыпучих диэлектрических материалов, особенно мелкодисперсных и слипающихся, применение индукционного нагрева может быть перспективным.
ЛИТЕРАТУРА
1. Л. С. А к с е л ь р о д, Г. Б. Пантер. О рабочем режиме аппарата для сушки и прокаливания гидроокиси железа в псевдоожиженном слое инертного материала. «Химическое и нефтехимическое машиностроение», 1968, № 4, стр. 14.
2. А. В. Н е т у ш и л и др. Высокочастотный нагрев в электрическом поло. М., 1961.
3. С. Г. Романовский. Индукционная сушка токами промышленной частоты. Киев. Гостехиздат УССР, 1963.
4. А. В. Лыков. Теория сушки. Изд. «Энергия», 1968, стр. 531—534.
