ЛЕНТОЧНАЯ СУШИЛКА Российский патент 2003 года по МПК F26B15/00 F26B3/34 

Изобретение относится к сушильному и печному оборудованию и применимо при термической обработке с/х продуктов, при выпечке пищевых продуктов, а также при технологическом обезвоживании промышленных товаров (сыпучих сред, химреагентов, лекарств, полезных ископаемых, материалов строительной, текстильной, бумажно-полиграфической и обувной промышленности).

Процессы сушки многообразны по своим принципам и методам (механические, конвективные, контактные, радиационные, сублимационные, осмотические, виброкипящие, высокочастотные, паровые, газовые, электрические, электроразрядные, солнечные и т.п.) и в этой связи многообразны и по своим конструкторским решениям (центробежные, конвейерные, ленточные, поддонные, коридорные, камерные, шахтные, барабанные, шнековые трубчатые, распылительные, вибрационные, периодические, непрерывные и т.п.).

Известно большое количество сушилок, использующих совокупность методов и конструкторских решений. Они представлены обширной технической литературой и даже ГОСТами. В [1] приведен анализ сушилок и список литературы с 94 источниками. Этот список можно многократно увеличить с учетом выданных авторских свидетельств и патентов. Однако достаточно полное представление об аналогах и прототипах можно составить по [1-5].

Наиболее широко используются устройства одного класса - конвективные конвейерные сушилки, выполняемые с вентиляторами и подвижными (чаще всего ленточными) конвейерами для обеспечения непрерывного (т.е. частично автоматизированного) процесса сушки.

Примером такой непрерывной сушилки является конвективная конвейерная паровая сушилка Шебекинского завода типа Г4-КСК-15 с четырьмя ленточными конвейерами при площади рабочих лент 15 м² [2]. Как аналоги могут быть также приняты: [3], [4] и терморадиационные сушилки, представленные на рис. 10-11 а (ламповая) и на рис. 10-11 б (панельная газовая) [I], стр.623.

Все указанные сушилки, как правило, состоят из теплового шкафа (или сушильной камеры, духовки, корпуса), расположенных внутри него подвижной системы рабочих мест, например одного или нескольких подвижных конвейеров, и системы вентиляции (с принудительной или естественной конвекцией) и источника тепловой энергии.

Система рабочих мест чаще всего представлена конвейером, который перемещает высушиваемый продукт и выполнен в виде замкнутой ленты (металлической сетки или перфорированной металлической полосы) на опорных барабанах (или валиках) с общим или индивидуальным приводом.

Источником тепловой энергии называется, как правило, горячий пар, поступающий из котельной, электролампы или паро-, газо-, электрокалориферы с переносом вентилятора нагретого воздуха к рабочим лентам (при интенсивных процессах сушки) или естественной конвекцией.

Недостатком всех указанных устройств является тот факт, что конструктивно источник тепловой энергии не удается приблизить непосредственно к осушаемому продукту. Ближе всех располагают обычно лампы или электронагреватели. Но даже в этом случае источник тепловой энергии отделен некоторым (воздушным, вакуумным) промежутком и поэтому всегда существуют потери тепловой энергии при ее переносе к осушаемому продукту.

Это обстоятельство привело к возникновению так называемых контактных сушилок. В них высушиваемый продукт непосредственно контактирует с горячей поверхностью. К контактным относятся многие устройства для периодической выпечки или обжарки пищевых продуктов, начиная с бытовой сковородки.

Примером контактных сушилок, приближающихся к изобретению по физическому принципу процесса сушки, являются сушилки, представленные на рис. 10-10 (а, б, в) на стр.622 [1], которые также могут быть приняты за аналоги.

Подвижная система рабочих мест в них представлена вращающимися нагреваемыми барабанами или вальцами, контактируемыми с осушаемым продуктом. Вальцы (по сравнению с лентами) при ограниченных габаритах, конечно, ниже по своей производительности, а следовательно, и по эффективности.

Замена подвижных лент вальцами объясняется тем, что найти удачное решение для непосредственного нагрева подвижных лент никому пока не удалось. Сделать это сложнее, чем нагреть изнутри вальцы небольших размеров или неподвижные стенки устройств.

Когда один барабан или так называемый валец не обеспечивает необходимой производительности, сушилки выполняются многовальцовыми, как это показано на рис. 10-10 б [1], где сам высушиваемый продукт (ткань) проходит в виде ленты через целую систему вальцов.

Недостатками указанных контактных сушилок являются следующие два момента.

Во-первых, они являются контактными только по физическому процессу сушки, но по конструкции, как и конвективные сушилки, удалены от реального источника тепловой энергии.

Контактные вальцы сушилок (см. табл. 10-7 на стр.617 [1]) "обогреваются внутри паром, горячей водой или маслом". Но они тоже должны быть предварительно разогреты и являются промежуточными теплоносителями для переноса тепловой энергии. А для их нагрева нужны дополнительные устройства, которые по сути и являются удаленными источниками тепловой энергии. Кроме того, теплоносители (особенно газообразные) далеко не полностью отдают конструкции все тепло, приобретенное за счет теплоемкости.

Поэтому и в данном случае сушилки имеют все тот же недостаток - дополнительные потери тепловой энергии на передаче тепловой энергии.

Во-вторых, подвод теплоагента (пара, горячих газа, воды или масла) к вращающимся барабанам или вальцам, как правило, выполняется с уплотнениями, которые усложняют конструкцию сушилки. При упрощенном исполнении (или отсутствии) уплотнений возникают значительные дополнительные потери тепловой энергии.

Более близким по техническому решению и физическому принципу сушки является контактное устройство для нагрева, сушки и прокаливания сыпучих материалов по патенту RU 2161761 С1, МПК⁷ F 26 B 17/12, 3/34 [4].

Одним из недостатков является то, что сушилка представляет собой сушилку преимущественно прерывного процесса сушки (бункерного типа), так как загрузка бункера и высвобождение высушенного материала осуществляется дискретно, а следовательно, имеет более низкую производительность, чем ленточные сушилки [1]. Принцип сушки - использование источника тепловой энергии в виде индукционного нагревательного элемента.

К сожалению, задача повышения надежности и КПД решается в нем далеко не самым лучшим образом.

Не подвергая сомнению работоспособность прототипа и не останавливаясь детально на особенностях перераспределения и выравнивания тепловых потоков (профильное оребрение, согласования сечений ферромагнитных стенок, выбор плотности тока в обмотке), которые также достижимы только за счет некоторого снижения эффективности, можно отметить второй недостаток аналога - пониженную эффективность источника тепловой энергии. Это связано с рядом элементов конструкции:
1. Индукционный нагревательный элемент не эффективен по геометрии магнитной системы, представленной стенками труб и поперечными магнитными шунтами сложной формы, далеких от оптимальной геометрии магнитной системы. Следствием будет значительное рассеяние магнитного поля (т.е. полезной будет лишь часть магнитного потока).

Даже в оптимальной магнитной системе трансформатора потоки рассеяния составляют порядка 5-10%. В данном случае они будут существенно больше, по крайней мере, в 2-3 раза.

2. Главным источником тепловыделения будет сама обмотка (джоулево тепловыделение), а индуцированная часть тепловыделения - незначительной (неэффективной) по двум причинам: в силу удаленности стенок от обмотки и в силу рассеяния магнитного поля, указанного в п.1 формулы изобретения.

Индукционный нагревательный элемент работает преимущественно, как простой электронагреватель, со своими вопросами соответствия электросопротивления обмотки величине стандартного напряжения электропитания (не рассмотренные в патенте). Согласно п.2 формулы изобретения обмотка выполняется из сплава повышенной коррозионной стойкости, а следовательно, и повышенного электросопротивления, что является признанием указанного момента. Для чистого индукционного элемента характерно, что потери в обмотке минимальны - она выполняется из проводников с высокой электропроводностью.

Ограничение плотности теплового потока обмотки (см. п.2 формулы изобретения патента [4] ) до малоэффективного индуцированного тепловыделения в стенках равноценно снижению общей эффективности устройства.

3. Обмотка нагревательного элемента малонадежна по прочности. Она полностью погружена в сыпучие среды и постоянно подвержена внешним механическим разрушениям при движении этих сред, даже если выполнена из коррозионностойкого сплава.

4. Обмотка, как тепловыделяющий элемент, ограничена по эффективности. Реально она не может быть голой - по технике безопасности и возможности короткого замыкания по увлажненному продукту. Она выполнима с электроизоляцией, а следовательно, и с металлическим защитным чехлом, как обычные ТЭНы (теплоэлектронагревательные элементы). При этом контакт продукта осуществим не с жилой обмотки, а с ее чехлом (т.е. непосредственного контакта нет). Поэтому естественны незначительные дополнительные тепловые потери на электротеплоизоляции. В ряде случаев это снизит плотность тепловыделения (плотность тока) в жиле и общую эффективность устройства.

5. Несмотря на низкую долю индукционного тепловыделения, более заметным оно будет в центре - во внутренней трубе (в силу характера распределения магнитных полей). Однако утверждение, что оребрение увеличит тепловыделение от вихревых токов эквивалентно ее оребренному сечению, является ошибочным. Исследование вихревых токов в телах произвольного сечения показывает, что они будут существенно разными в разных элементах внутренней трубы (в элементах разных форм). И самыми маленькими - в оребрениях. В этой связи усматривается дополнительный источник снижения эффективности устройства.

Наиболее близкой по конструкции к изобретению является все же ленточная конвективная сушилка, например, по патенту [5].

Сушилка имеет все тот же недостаток - дополнительные потери тепловой энергии на передаче тепловой энергии.

Задачей данного изобретения является снижения тепловых потерь.

Указанная задача достигается тем, что ленточная сушилка включает тепловую камеру, конвейер с рабочей лентой в виде замкнутой полосы на опорных вращающихся барабанах и источник тепловой энергии, при этом источник тепловой энергии выполнен в виде однофазного трансформатора, у которого первичная обмотка подключена к источнику электропитания, а вторичной обмоткой является замкнутая рабочая лента конвейера, проходящая своей свободной от высушиваемого объекта частью через окно магнитопровода и выполняемая из электропроводного материала, при этом опорные барабаны рабочей ленты выполняются электроизолированными.

Суть изобретения поясняется чертежом, где
1 - тепловая камера;
2 - конвейер;
3 - опорные вращающиеся барабаны;
4 - магнитопровод;
5 - первичная обмотка электропитания.

Конструкция предлагаемого изобретения состоит из теплового шкафа (сушильной камеры или корпуса) (1), конвейера в виде замкнутой рабочей ленты (2) на опорных вращающихся барабанах (3), которые приводятся во вращение любым приводом (ручкой, электродвигателем, двигателями внутреннего сгорания и т.п.), и источника тепловой энергии, выполненного из трех элементов конструкции - магнитопровода (4), первичной обмотки однофазного электропитания (5) с числом витков w1 и рабочей ленты конвейера (2), которая, проходя через окно магнитопровода, при электропроводном исполнении сама оказывается источником тепловыделения.

Конструкцию предлагаемой контактной ленточной сушилки выполняют таким образом, что рабочая лента конвейера (2) своим свободным участком (например, возвратной ветвью) проходит через окно магнитопровода (4) и, будучи электропроводной (например, металлической сеткой или перфорированной металлической лентой), выполняет роль одновитковой (w2=1) вторичной обмотки однофазного трансформатора. В ней будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС), а в замкнутом кольце электропроводной рабочей ленты - электрический ток с тепловыделением на ее активном электрическом сопротивлении. Причем форма замкнутой рабочей ленты конвейера (2), как произвольного электрического контура, может быть любой, используя для изменения ее геометрии любое количество опорных валиков.

Характерно, что индуцированная в рабочей ленте ЭДС не зависит от того, находится ли она в покое или перемещается.

Таким образом, сама рабочая лента выполняет роль непосредственного источника тепловыделения. Исчезает потребность в использовании промежуточных теплоносителей с их проблемами передачи тепла нагреваемому телу. Поэтому тепловые потери на перенос тепловой энергии будут снижены до минимума.

Перенос энергии в нагреваемую рабочую ленту осуществляют бесконтактно - индукционным методом точно так же, как это происходит в любом однофазном трансформаторе. Эффективность такой передачи, как показывает опыт разработки трансформаторов, велика. КПД трансформатора (в зависимости от мощности) находится в диапазоне 75-95%.

Рабочее напряжение в замкнутой электропроводной рабочей ленте будет снижаться пропорционально коэффициенту трансформации Ктр=w1/w2. Примерно во столько же раз возрастет электрический ток в рабочей ленте (в зависимости от ее электрического сопротивления).

Рабочая лента будет находиться под небольшим напряжением (в пределах 1-10 В). Поэтому эксплуатация сушилки не вызовет затруднений по технике безопасности. Для устранения утечек электрического тока по другим элементам конструкции (через опорные барабаны) они должны быть выполнены из неэлектропроводных материалов или с электроизоляционным покрытием.

Число витков первичной обмотки вычисляется по закону электромагнитной индукции: w1=U1/(4,44•f•S•Bm), где U1- действующее напряжение однофазной сети в вольтах (например, 127 или 220 B); f- частота сети (50 Гц); S - принятое сечение магнитопровода в м²; Вm - амплитудное значение магнитной индукции в стали магнитопровода (обычно от 0,5 до 1 Тл). Электропитание осуществимо от однофазной промышленной сети. С целью уменьшения габаритов и массы источника тепловой энергии, а также для облегчения выбора оптимальной геометрии рабочих лент оно осуществимо также от промежуточного преобразователя напряжения и частоты.

Тепловую камеру (1) выполняют герметичной при вакуумном исполнении ленточной сушилки и, как и в конвективных сушилках, она может иметь всасывающие или и выходные окна для организации конвективной вентиляции (принудительной - с вентиляторами или самопроизвольной - при естественной конвекции).

Наличие тепловой камеры (корпуса, духовки) принципиально не является обязательным. При подсушке промышленных продуктов и товаров, поджарке или выпечке небольших по толщине слоев пищевых продуктов устройство работоспособно и без корпуса или теплового шкафа, что будет сопровождаться некоторой потерей тепловой энергии.

Предложенная конструкция впервые представляет сушилку, где осушаемый (выпекаемый, обжариваемый) продукт контактирует с нагретой подвижной рабочей лентой, являющейся источником тепловыделения. Она имеет минимальные потери тепловой энергии при сохранении высокой производительности и может найти применение как в промышленности, так и в индивидуальном хозяйстве.

Источники информации
1 Теплотехнический справочник. Под общей редакцией В.И. Юренева и П.Д. Лебедева. Том 2. 2-ое изд. М: Энергия, 1976.

2. Гришин М.А., Атаназевич В.И., Семенов Ю.Г. Установки для сушки пищевых продуктов. Справочник. - М.: Агропромиздат, 1989.

3. Свидетельство на полезную модель RU 11596U1, МПК⁶ F 26 В 17/04 от 21.04.99.

4. Патент RU 2161761 C1, МПК⁷ F 26 В 17/12, 3/34 от 24.02.2000.

5. Патент RU 2061937 С1, МПК⁶ F 26 B 17/04 от 28.12.93.

Изобретение относится к сушильному и печному оборудованию и применимо при термической обработке с/х продуктов, при выпечке пищевых продуктов, а также при технологическом обезвоживании промышленных товаров (сыпучих сред, химреагентов, лекарств, полезных ископаемых, материалов строительной, текстильной, бумажно-полиграфической и обувной промышленности). Согласно изобретению ленточная сушилка включает тепловую камеру, конвейер с рабочей лентой в виде замкнутой полосы на опорных вращающихся барабанах и источник тепловой энергии, при этом источник тепловой энергии выполнен в виде однофазного трансформатора, у которого первичная обмотка подключена к источнику электропитания, а вторичной обмоткой является замкнутая рабочая лента конвейера, проходящая своей свободной от высушиваемого объекта частью через окно магнитопровода и выполняемая из электропроводного материала, при этом опорные барабаны рабочей ленты выполняются электроизолированными. Изобретение должно обеспечить снижение тепловых потерь. 1 ил.

Ленточная сушилка, включающая тепловую камеру, конвейер с рабочей лентой в виде замкнутой полосы на опорных вращающихся барабанах и источника тепловой энергии, отличающаяся тем, что источник тепловой энергии выполнен в виде однофазного трансформатора, у которого первичная обмотка подключена к источнику электропитания, а вторичной обмоткой является замкнутая рабочая лента конвейера, проходящая своей свободной от высушиваемого объекта частью через окно магнитопровода и выполняемая из электропроводного материала, при этом опорные барабаны рабочей ленты выполняются электроизолированными.