Розвиток наукових основ енергоефективного термовакуумного сушильного устаткування

Abstract

Дисертація присвячена науково-технічній проблемі зі створення і впровадження у виробництво нових високоефективних, енергоощадних термовакуумних методик сушіння гетерогенних матеріалів і розробленню наукових основ теплотехнічного обладнання цільового призначення для інтенсифікації теплообмінних процесів. Теоретично і експериментально вивчено кінетику видалення вологи із гетерогенних матеріалів залежно від часу, температури нагрівання і тиску. Розроблено високоефективну термовакуумну енергоощадну технологію сушіння та одночасного подрібнення дисперсних матеріалів. Цей процес підтверджено на прикладі отримання у термовакуумній установці дрібнодисперсного порошку діоксиду цирконію із гідроксиду цирконію, сушіння та подрібнення бурого вугілля і відходів деревообробної промисловості. Термовакуумний метод скорочує існуючий технологічний процес, знижує температуру сушіння, зменшує енергоспоживання більше ніж у три рази порівняно з існуючими сушильними установками. Створено дискретний метод термовакуумного сушіння великогабаритних капілярно-пористих матеріалів і підтверджено на прикладі сушіння сирцю керамічних великогабаритних вогнетривів і деревини. За термовакуумною технологією тривалість сушіння керамічних виробів скоротилась у 12 разів порівняно із застосовуваним конвективним методом сушіння, енерговитрати на одиницю видаленої вологи зменшуються більше, ніж у 2,5 рази. Термовакуумна технологія дозволила скоротити час сушіння деревини на 30% порівняно із існуючими методами. Вдосконалено технологічний процес сушіння силових кабелів із паперовою ізоляцією і створено нову термовакуумну установку. Новостворена технологія і установка дозволила порівняно з існуючою технологією скоротити час сушіння більше ніж у 1,5 рази, знизити енергетичні витрати більш, ніж у 2 рази, усунути брак кабельної продукції, поліпшити умови праці обслуговуючого персоналу, підвищити культуру виробництва, зменшити забруднення навколишнього середовища, виробляти кабель із перерізом струмопровідної жили до 800 мм2, замість обмеження, яке було раніше – 240 мм2. Розроблена термовакуумна технологія видалення вологи із біологічного матеріалу. Сушіння відбувалось у вакуумній камері за температури 313 К, (40 οС). Це виключало перегрівання і псування органічної продукції, зберігало поживні речовини і підвищувало її якість. Термовакуумні установки і метод термовакуумного сушіння запатентовані в Україні, Росії, Європі та впроваджені у виробництво. Диссертация посвящена решению актуальной научно-технической проблеме энерго- и ресурсосбережения в термовакуумных установках разного предназначения и интенсификации в них теплообменных процессов. Проведена разработка теплофизических процессов и теплотехнического оборудования для сушки влажных материалов с различными структурными и теплотехнологическими характеристиками. Показано, что результативность термовакуумных установок разного назначения зависит от эффективности подвода теплоты к влажному материалу, интенсивности перемещения влаги из внутренних слоев высушиваемого материала к поверхности и скорости отвода влаги от поверхности высушиваемого материала в окружающую среду. Теоретически рассмотрено влияние неоднородной микроструктуры во влажном материале на релаксационные процессы термо- и массопереноса во время термовакуумной сушки. В процессе выполнения научно-исследовательских работ по термовакуумной сушке влажных материалов теоретически исследована кинетика испарения влаги с поверхности высушиваемого материала в зависимости от режимных параметров термовакуумной установки. На основании теоретических и экспериментальных исследований создан метод получения мелкодисперсного порошка диоксида циркония из гидроксида циркония в термовакуумной установке. Термовакуумный метод существенным образом сокращает технологический процесс получения диоксида циркония из гидроксида циркония, температура сушки снижается, энергопотребление уменьшается более чем в три раза по сравнению с существующими сушильными установками. Разработан термовакуумный метод сушки и измельчения бурого угля, который уменьшает содержание серы и азота в высушенном угле, что приводит к снижению объема вредных выбросов в атмосферу при его сжигании и повышает теплотворную способность. При этом количество электроэнергии, затраченной на получение мелкодисперсного бурого угля влажностью менее 1% из сырья с исходной влажностью 40% при температуре нагревательного элемента 250 °C и среднем давлении окружающей среды 300 мм рт.ст., составляет 250 кВт ч/т. Удельные энергозатраты теплоты на 1 кг выпаренной влаги сокращены в 2 раза по сравнению с барабанными сушилками. Разработан термовакуумный метод сушки отходов деревообрабатывающей промышленности, который позволяет сушить опилки равномерно и до заданной влажности. Продолжительность сушки опилок в термовакуумной установке составляет 20 секунд. Процесс сушки непрерывный. Создан дискретный технологический процесс термовакуумной сушки крупногабаритных капиллярно-пористых сред, с целью уменьшения длительности сушки и снижения энергетических затрат. По термовакуумной технологии продолжительность сушки габаритных керамических изделий сокращается в 12 раз по сравнению с конвективным методом сушки, энергозатраты на единицу выделенной влаги уменьшаются более, чем в 2,5 раза. Термовакуумная технология сокращает время сушки пиломатериалов в 1,5...2 раза и позволяет сократить энергозатраты на 30% по сравнению с существующими методами. На базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований усовершенствован технологический процесс термовакуумной сушки бумажной изоляции электрических кабелей, что позволило сократить время сушки, улучшить условия труда обслуживающему персоналу, повысить культуру производства, уменьшить загрязнение окружающей среды. Установлена концептуальная общность теоретических и научно-технических решений теплообмена в термовакуумных установках сушки термолабильных материалов. Сушка происходит в вакуумной камере при температурах и давлении, что исключает перегревание и порчу термолабильных материалов, сохраняет питательные вещества в высушенной продукции и повышает ее качество, что свидетельствует об относительно мягком воздействии режима термовакуумной сушки на биологические объекты. Метод термовакуумной сушки и термовакуумные установки запатентованы в Украине, России, Европе и внедрены в производство. The thesis focuses on the scientific and technical problem of development and manufacturing application of new high-performance energy-efficient thermal installations and enhancement of heat exchange processes in them. Theoretical and experimental investigations of the kinetics of moisture removal from different media, depending on time, heating temperature and pressure in vacuum chamber have been done. The experimental results allowed to create ecologically clean, high-performance, energy-efficient thermal installations and determine optimal heat exchange processes in them. There have been developed a high-performance thermal vacuum installation and energy-efficient technology for zirconium dioxide fine powder production from zirconium hydroxide. The thermal vacuum method reduces the technological process (one operation instead of three). The drying temperature decreases by 200°, and the power consumption reduces 3 times. A discrete technological thermal vacuum drying process for large-size chrome oxide green refractoriness has been developed, allowing to reduce the drying time to 5 days, which is 12 times less as compared to drying at atmospheric temperature. The power consumption per unit of removed moister reduced more than 2,5 times. A vacuum drying mode for drying wood has been developed, which ensures a 30% drying time reduction as compared to the existing drying methods. A thermal-vacuum installation has been developed, and a drying saturation technological process for paper-insulated cabling products has been improved. The developed installation allows a drying time reduction of more than 1.5 times, reduces power consumption 2 times, eliminates defective cabling production, improves operating staff working conditions and production standards, and reduces environment pollution. The installation allows producing cable with the size of lead of cable up to 800 mm2 against the previous restriction of 240 mm2. A thermal vacuum technology for drying grain has been developed allowing continuous and high-performance drying of wet grain to dry condition without changing its physical, physiological and biochemical properties. A specific feature of the developed thermal vacuum technology is drying biological material in a vacuum chamber at a temperature not above 313 K to exclude overheating and deterioration of agricultural products, preserve nutrients in products, and improve their quality. The developed thermal vacuum drying installations and energy-efficient technologies can be applied in various industries.