CC BY
12
Владимир Драгун
заместитель директора по научной работе
Института тепло— и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси,
член-корреспондент
РАЗРАБОТКА В РАЗВИТИИ
Теория сушки является важным и динамично развивающимся разделом науки о тепло— и массопереносе преимущественно прикладной направленности. Сушка влажных материалов является одновременно и технологическим процессом. Во время него меняются структурно-механические, технологические, биохимические, оптические, электрофизические и другие свойства, которые в зависимости от назначения материалов приобретают большее или меньшее значение. Изменение комплекса свойств обусловлено тем, что в процессе сушки происходит изменение форм связи влаги с материалом и ее частичное удаление путем испарения. Поэтому теория сушки в трактовке ее создателей включает в себя не только разделы тепло— и массопереноса в капиллярно-пористых телах, но и учение о формах связи влаги с влажными материалами, ряд основных разделов физико-химической механики и некоторые разделы технологий, биохимии, физико-математического моделирования и т.д., в создание которых выдающийся вклад внесли академик АН СССР П.А. Ребиндер и академик АН БССР А.В. Лыков.
Все многообразие влажных материалов, подвергаемых сушке, можно по предложенной ими классификации разделить на три вида: капиллярно-пористые, коллоидные и коллоидные капиллярно-пористые тела. Процесс сушки этих материалов, механизм тепло— и влагопереноса в каждой из категорий имеют свои особенности, и поэтому при описании кинетики сушки отдельно рассматривается сушка капиллярно-пористых и коллоидных тел.
В 1932 г. для анализа кинетики процесса сушки А. Лыков предложил температурные кривые, на основе которых были установлены основные закономерности механизма сушки и, в частности, разработана теория углубления зоны испарения. Эти и другие основополагающие закономерности и положения отражены в замечательной книге А. Лыкова «Теория сушки», удостоенной Государственной премии СССР.
Следующим важным этапом развития теории сушки является установление в 1933—1935 гг. явления термодиффузии влаги (термо-влагопроводность), что совместно с концентрационной диффузией послужило основой для создания системы дифференциальных уравнений влаго— и теплопереноса в капиллярно-пористых телах, находящейся в полном согласии с основными положениями термо-
динамики необратимых процессов, где явления переноса тепла и массы рассматриваются в их неразрывной связи.
На протяжении более чем 35 лет теория углубления поверхности испарения получила убедительное экспериментальное подтверждение, причем удалось установить взаимосвязь между скоростью углубления зоны испарения и критерием фазовых превращений. Таким образом, был осуществлен заметный прогресс в теории сушки.
Система уравнений взаимосвязанного тепло— и массопереноса была решена для разнообразных условий взаимодействия капиллярно-пористых тел с окружающей средой.
Для разработки оптимальных технологий сушки необходимо знать основные закономерности тепло— и влагопереноса в капиллярно-пористых телах и других сушимых объектах. Совокупность знаний по тепло— и влагопереносу, физико-химической механике, учению о формах связи влаги с влажными материалами, влиянию методов интенсификации на процессы переноса энергии и вещества дает возможность определить оптимальные режимы сушки, соответствующие технологическому регламенту, типу конкретных материалов,
возможностям использования и хранения. разработка, обоснование и реализация оптимальных режимов при создании конкретных сушильно-термических технологий и оборудования требуют детальных фундаментальных и прикладных исследований в области термодинамики влажного воздуха, теплопередачи при горении топлив за счет использования высокоинтенсивных и вместе с тем экономичных источников тепла, ряда разделов физико-химической кинетики и других дисциплин.
Наряду с формированием теоретических основ процессов сушки в Беларуси успешно развивались инженерные разработки конкретных технологий сушки самых различных материалов. Центром этих работ с 1952 г. стала сушильно-термическая лаборатория института тепло— и массообмена. особенно крупные достижения белорусских ученых в 50—60-е гг. ХХ столетия связаны с решением важнейшей народнохозяйственной проблемы — разработкой высокоинтенсивных методов сушки зерновых культур. широкое признание получили зерносушилки системы итмо АН Бсср, выполненные под руководством и. любошица, завершившиеся созданием и выпуском как сверхмощных аппаратов производительностью 50—60 т/час для целинных и залежных земель, так и относительно небольших для отдельных хозяйств. В этих моделях реализован метод сушки термочувствительных материалов в режиме осциллирования, большое количество подобных сушилок успешно эксплуатировалось на элеваторах Западной сибири и Казахстана, обеспечивая высокое качество высушиваемого зерна (как продовольственного, так и семенного). солидный теоретический фундамент, новаторская инженерная мысль создали в дальнейшем благоприятные условия для быстрого развития работ института по сушильно-термической проблематике.
Крупные, пионерные работы были выполнены коллективом лаборатории и профильными отделами сКБ итмо в 70—80-е и последующие годы. так, исследование аэродинамики закрученных потоков и кинетики высокоинтенсивной сушки растворов и суспензий привело к созданию способа сушки жидких материалов, реализованного в конструкциях распылительных сушилок. На основе изучения тепло-массопереноса в двухфазных потоках при комбинированном подводе тепла разработан метод сушки медпрепаратов. он лег в основу создания поточно-механизированной линии — непрерывной технологии производства таблетируемых лекарственных препаратов. На основе исследований терморадиационной сушки и отверждения покрытий из полимерных материалов созданы и внедрены на многих предприятиях радиотехнической и электронной промышленности терморадиационные сушильно-термические установки, конвейерные линии.
широкое освоение в производстве в ссср сушилок медпрепаратов типа смК (руководители — с. репринцева, Н. Федорович), комплектов сушильного оборудования для полимеров типа Ксо (руководитель — Н. Антонишин) стало самым значительным достижением института в организации серийного выпуска продукции. долгие годы комплекс работ по сушильной тематике, возглавляемый профессором П. Куцом, опирался на крупный научно-технический потенциал лаборатории и отделов сКБ с оП. Естественно, с ликвидацией сКБ с оП возможности по доведению разработок до освоения на производстве снизились, прежде всего, из-за ослабления конструкторской и производственной части. однако творческий энтузиазм ученых и
инженерно-технических работников, трудящихся в этом важном сегменте научно-технической деятельности, заинтересованность их в доведении научно-технических новинок до практического использования и в последующий период, в том числе в наши дни, дают замечательные плоды. отметим, что появление программ нового типа — государственных программ прикладных научных исследований — наилучшим образом учитывает возможности академических институтов, структуру имеющегося потенциала и одновременно ориентирует на скорейшее прохождение цикла «исследования — разработки — производство».
В течение многих лет институт тепло— и массообмена им. А.В. лыкова НАН Беларуси выполняет большой объем работ по созданию высокоэффективных сушильных технологий и техники для различных отраслей промышленности. В результате институт наделен полномочиями головной организации по государственной программе прикладных исследований «Энергоэффективная сушка и термообработка материалов» на 2003—2005 гг.
Цели программы — создание новых видов сушильно-термического оборудования, а также разработка и передача для последующей подготовки к промышленному освоению и использованию в народном хозяйстве высокоэффективных тепломассообменных технологий для сушки, термообработки, грануляции и других процессов широких классов материалов, которые применяются практически на каждом предприятии республики Беларусь. используя полученные результаты по проблеме переноса энергии и вещества, можно считать, что гППи «сушка» является естественным связующим звеном между гПоФи «Энергия», заданиями гНтП и инновационными проектами, которые в конечном итоге обеспечат эффективное освоение создаваемых уникальных технологических сушильно-термических процессов и оборудования, направленных на получение, использование и хранение весьма распространенных и важных материалов, веществ и объектов. При реализации программы выполнен значительный объем оригинальных прикладных исследований и разработок, доведенных до широкого практического использования.
111 йуй—-Г 1
I _И
■ Ч1
Легендарные «сушильщики» — П. Куц (справа) и К. Чижик (эксперименты в лаборатории каждый день с 1959 г.). Стенд по комбинированной сушке дисперсных материалов и растворов
46
НАУКА И ИННОВАЦИИ №2(36)_2006
Проведениепусконападочных работустановкидлязащитной пропиткидревесины вместимостью до 30 м3 материала на Любаньском комбинате строительных материалов. Слева направо: начальник цеха В. Корочкин; директор комбината А. Яхновец; ведущий научный сотрудник ИТМО НАН Беларуси В. Кожин; ведущий конструктор ИТМО НАН Беларуси С. Бекиш.
Приведем основные итоги выполнения ее заданий:
• разработаны, обоснованы и исследованы принципы построения и базовые конструкции широкого и разнообразного комплекса нового сушильно-термического оборудования и технологий при различных методах энергоподвода (конвективного, кондуктивного, терморадиационного, комбинированного с использованием различных физических полей, эффектов и организации оптимальной гидроаэродинамики процессов);
• изучены и описаны закономерности процессов интенсификации тепло— и массопереноса при сушке широких классов материалов (древесины, в том числе обработанной, пищевых продуктов и компонентов, сельскохозяйственной продукции, композиционных покрытий, изделий медтехники, составов для буровых растворов, стройматериалов, технической изоляции и др.); предложены, обоснованы и реализованы способы и технические устройства, обеспечивающие эффективное использование тепла и энергетических ресурсов в сушильно-термических технологиях.
данные результаты базируются на выявленных механизмах связи влаги с материалами и исследованиях материалов как объектов сушки.
среди наиболее важных и принципиальных достижений следует отметить создание эффективных лесосушильных технологий и оборудования (задание «сушка-13» и комплекс хоздоговоров по этой тематике). В итмо имеется положительный опыт оснащения предприятий минлесхоза сушильным и импригнационным оборудованием. В 1-м квартале минувшего года введены в эксплуатацию автоматизированные лесосушильные камеры с объемом загрузки 50 м3 каждая, во 2-м — блок из четырех лесосушильных камер с объемом загрузки по 50 м3 каждая. По результатам проведенных министерством тендеров заключены хоздоговоры между итмо им. А.В. лыкова НАН Беларуси и лесхозами (Василевичский, Жит-ковичский) по созданию трех лесосушильных камер в 4-м квартале 2005 г. минлесхоз рассчитывает на расширение проводимых в ин-
ституте опытно-конструкторских и производственно-технологических работ по созданию качественной энергоэффективной техники и технологий для сушки и защитной пропитки пиломатериалов и оцилиндрованной древесины, производства топлива из отходов лесопиления и деревообработки.
с использованием результатов работ по заданию сушка-13 в институте разработана, изготовлена и внедрена (совместно с ооо «берос») лесосушильная камера с объемом загрузки 40 м3 условных пиломатериалов. место внедрения: ЗАо «стройфинанс» (смоле-вичский р-н, минская обл.). разработан и поставлен комплект технологического оборудования для лесосушильной камеры с объемом загрузки 78 м3 пиломатериалов. место внедрения: Новополоцкая инвестиционно-строительная компания (Новополоцк, Витебская обл.). была подготовлена конструкторская документация и поставлен комплект оборудования для блока четырех сушильных камер для сушки древесины с объемом загрузки 50 м3 каждая (Кличев, мо-гилевская обл.). разработаны, изготовлены и поставлены заказчику два комплекта оборудования для лесосушильных камер с объемом загрузки 40 м3 каждая (Хойники, гомельская обл.). сдан в эксплуатацию блок из двух лесосушильных камер в столбцовском лесхозе с объемом загрузки 100 м3 условных пиломатериалов. разработан, изготовлен и введен в действие блок из четырех лесосушильных камер в Кличевском лесхозе объемом загрузки 200 м3 условных пиломатериалов. Выиграны тендеры на создание сушильных камер для глХУ «Житковичский лесхоз» и глХУ «Василевичский лесхоз». разработана конструкторская документация на сушильную установку для производства порошкообразного лигнопола и изготовлена сушильная установка производительностью 55 кг/ч, промышленные испытания которой проводятся у заказчика — оАо «Завод горного воска» ( свислочь, минская обл.). Введена в эксплуатацию сушильная камера на 50 м3 древесины в ооо «дорожник-сервис» (Красное). Поставлено оборудование для лесосушильной камеры на 25 м3 предприятию ооо «Витамин» (Вилейка). Выполнена модернизация 5 камер по 40 м3 на предприятии сП «Профитсистем» (ивацевичи). В качестве источника энергии во всех камерах применены водогрейные котлы, работающие на отходах деревообработки указанных хозяйств.
работы в этом направлении расширяются. был выигран ряд тендеров с лесохозяйственными организациями, на основании этих конкурсов заключаются договоры на поставку оборудования.
В настоящее время итмо им. А.В. лыкова НАН беларуси является единственным в республике производителем автоматизированных лесосушильных камер конвективного типа с объемом загрузки 40— 60 м3 пиломатериалов, работающих на горячей воде. разработаны технологии качественной сушки пиломатериалов и оцилиндрован-ной древесины.
следует отметить, что важнейшей особенностью работ института по сушильной тематике являются тесные и взаимообогащающие связи с коллегами, научными центрами россии, Украины, других стран сНг, ближнего и дальнего зарубежья. Высоко оценены специалистами и потребителями уже проведенные совместные работы, а также перспективные направления по созданию передовых сушильно-термических технологий.
