SUŠENÍ V ELEKTROTECHNICKÉ VÝROBĚ - účel, způsoby sušení

- fyzikální podstata sušení - prakticky používané způsoby sušení - monitoring procesu sušení - druhy a provedení sušáren

důležitý, častý TEP - energie , čas - výrazně limituje cenu i Q výrobků

v mnoha oborech

1 - odstranění volné vody ze systému ( izolace )

v elektrotechnice ( dle četnosti ) 2 - ztuhnutí impregnační látky ( schnutí )

specifický účel

3 - jiný účel ( PCB, keramika … )

způsoby sušení ad 1 - teplem (θ > θn ) - rozrušit vazbu vody, vytvoř. spád vlhkosti a

teploty v materiálu, přestup mezi materiálem

a okolím

- mechanicky ( odstřeďování oleje )

- fyzikálně chemicky ( sorpce na pevných látkách )

ad 2, ad 3 - výhradně teplem univerzální způsob sušení teplem

( v praxi nejčastěji )

Sušení teplem - dle přenosu tepla na vysušovanou izolaci – metody :

- konvekce teplého vzduchu při pn - přirozená - umělá ( častěji ) - konvekce + kondenzace par solventu ( kerosin )

- Joulovo teplo ( elektroodporový ohřev ) - přímý ( Iss,st ve vysušovaném materiálu )

- nepřímý ( Iss ve vodičích ) - absorpce mikrovlnného záření - dielektrický ohřev ( ztráty v izolaci )

- IČ záření při pn , p < pn ( vakuové sušení )

Sušení pro odstraňování volné vody ze systému – základní pojmy:

vazba vody - chemická ( iontová, molekulární - vázaná voda ve struktuře ),

( druh, velikost energie ) silná vazba, nesmí se při sušení porušit θ < 150 °C - fyzikálně chemická ( absorpční, osmotická, strukturní – stěny dutin a kapilár ), slabší vazba – transport molekul vody difúzí - fyzikálně mechanická ( adhezní a kapilární – povrchové napětí, kapilární tlak ), nejslabší vazba – transport kapilaritou volná voda - slabé vazby - poruší se energií - transport - vysušení systému

vnější silové pole

volná voda

(pára, kapal.)

makrokapiláry – r > 100 nm, pR = pO

kapiláry mikrokapiláry – r < 100 nm, pR = pO

pR tlak nasyc. páry nad meniskem

kapilární tlak pO tlak nasyc. páry nad volnou hladinou

σp povrch. napětí vody

R poloměr zakřivení menisku

R = r při dokonalém smáčení

pk < 0 duté menisky – smáčivý povrch kapiláry – sací tlak – vtahování vody do kapiláry ( elevace )

pk > 0 vypuklé menisky – nesmáčivý povrch ( deprese )

pk = 0 pR jako u volné hladiny

kapilární kondenzace – při pk < pO - kondenzace vodních par v kapilárách, když tlak nasycené páry nad meniskem je menší než je parciální tlak vodních par v okolí

může nastat i když by v prostoru mimo kapiláry nenastala

Experimentální zjišťování druhu vazby ( sušení konvekcí teplého vzduchu při pn )

křivka sušení u = f ( t ) u … měrná vlhkost materiálu

termogram sušení Δ = f ( t ) Δ = (θ – θM )

Δ … rozdíl teploty vzduchu θ a materiálu θM

t … čas

Oblasti na křivce sušení: A vazba adhezí B makrokapilárami C mikrokapilárami D polymolekulární absorpcí E monomolekulární absorpcí

Podle druhu vazeb, uspořádání struktury - materiály: nenavlhavé - kompaktní nebo s velkými póry ( > 1 µm ) např. sklo, PVC, PETP , PTFE …

navlhavé - vláknitá struktura, malé póry a dutiny např. deriváty celulózy, keramika … (kapilárně pórovitý materiál)

Vlhkost materiálu MV hmotnost vody

měrná vlhkost kg / kg , nebo % MS hmotnost suché části

relativní vlhkost kg / kg , nebo %

rovnovážná vlhkost u´, m´ - ustálená vlhkost materiálu při dané φ , θ vzduchu

u´ = u , resp. m´ = m nastane, když

v materiálu je 0 transport vlhkosti i tepla u´, m´ klesá když θ roste

sorpční (1) , desorpční (2) izotermy u´, m´ = f ( φ ) při θ = konst. - charakteristické pro každý materiál - hystereze ( 1, 2 )

příklad pro papír θ = 20 ºC

hygroskopická vlhkost u´, m´ pro φ = 100 %

materiálu

φ = relat. vlhkost vzduchu

u´, m´

%

Průběh sušení – tepelná a vlhkostní bilance sušicího procesu -

statický , dynamický způsob výpočtu určení nestacionárního

( hlavní závěry ) pole teplot a vlhkosti

v průběhu sušení

vnější - povrch materiálu – okolí

přenos vlhkosti a tepla

vnitřní - uvnitř materiálu

Přenos vlhkosti vlhký materiál (u´, m´ ) - ohřátý vzduch v sušárně ( θ > θo, φ < u´, m´)

molekulární jednosměrná difuze molekul vody z povrchu do okolí - I.Fickova rovnice

časová změna koncentrace vlhkosti vzduchu v místě x - II.Fickova rovnice

Přenos tepla povrch - okolí ( Newtonova rovnice )

přestup vody z povrchu do okolí gradient vlhkosti uvnitř materiálu ( výparné teplo – bere z okolí ) ( koncentrační gradient ) transport vody z vnitřku k povrchu difúzí, kapilaritou - dle druhu vazeb a struktury materiálu povrch - okolí rozdíl teplot vznik termodifuze ( gradient teploty ) povrch - vnitřek materiálu

- směrově shodný grad T s grad. vlhkosti - termodifuze podporuje a urychluje sušení- směrově různý grad T s grad. vlhkosti - termodifuze zpomaluje sušení

aby sušení probíhalo

spojitý transport vlhkosti z vnitřku – vně materiálu nutno zajistit průběžně :

ohřev materiálu θM ( okolní vzduch θ ) – topný zdroj , v proudění ( tep. přestup )

odvod vlhkosti ze sušárny - řízení φ vzduchu ( odvětrávání - přirozené,umělé,

( φ < u´, m´) sorpce na PL,

kondenzace par při θ )

průběh a rychlost sušení fce ( θM , v , φ )

( dynamika sušicího procesu )

rychlost sušení je omezená - dodržet vysoušecí spád ( kontinuita transportu vody v mat.)

specificky podle sušeného materiálu

experimentální stanovení - režim sušení ( θM , v , φ )

z křivek sušení pro daný materiál

při nedodržení

- dlouhá doba sušení, obsazení sušárny, produktivita TEP

- riziko přesušení povrchových vrstev ( prodloužení doby sušení ),

tepelná destrukce materiálu, praskliny, deformace

Typický průběh sušení materiálu konvekcí teplého vzduchu při normálním tlaku – 4 etapy

1 – ohřev předmětů θ - teplota vzduchu v sušárně

2 – předsoušení ( konst.rychlost sušení ) θM - teplota suš. materiálu

přes K ( bod zlomu ) u - měrná vlhkost materiálu

3 – dosoušení na rovnov. vlhkost u´ t - čas

4 – chladnutí ( někdy mimo sušárnu )

Kontrola TEP sušení – měření změn vybraných fyzikálních veličin během sušení

( např. C, tg δ, Ri , m kondenzátu = fce t )

m mo

Technicky používané způsoby sušení teplem ( podle přenosu Q na materiál )

- konvekce ohřátého vzduchu, p = pn - nejpoužívanější způsob sušení, přenos

tepla, vlhkosti - vzduch

ventilační sušení - ventilace přirozená, umělá ( častěji ) - otevřený systém, odvod vlhkého vzduchu ven, nehospodárné, pro všechny účely ( i nevýbušné provedení – ředidla ) - řízení průběhu sušení θ , v , φ ( částečný, úplný odvod vlhkého vzduchu )

1 držáky ( police ) s předměty 2 topné články 3 izolovaná skříň 4 komín s regulační klapkou 5 dno s otvory

Schéma sušárny s umělou ventilací

cirkulační sušení - uzavřený systém ohřátého proudícího vzduchu,

absorbenty par ( SiO2 , Al2O3 + CoCl2 ) , kondenzátory par vody -

hospodárné ( t ) , kvalitní sušení ( m´ ) - pouze pro vodu

Schéma uspořádání cirkulační sušárny

Př. Teplovzdušné ventilační sušárny ( přirozená, umělá ventilace , μP řízení …) laboratorní – objem do cca 1 m3 , P ~ 1 kW průmyslové - objem řádově až 10 m3 , P ~ 10 kW - komorové, vozové, průběžné

Laboratorní sušárna fy BMT (CZ) Velká komorová sušárna fy Genlab (GB) typ R 012625 typ HDO 100

θmax = 250 °C θmax = 350 °C vnitř. objem 707 l vnitř. objem 10 m3

Průběžné ventilační sušárny fy Hedinair Ovens (GB)

pro θmax = 200 až 650 °C,

šířky pásu 300 až 2000 mm,

volitelné délky vyhřívané části

- sušení při p < pn ( vakuové sušení ) oproti pn

výhoda t , m´ snížení, úspora energie - bod varu vody < 100 °C , termodegradace materiálu , odplynění nevýhoda neúčinná konvekce, ohřev radiací

kombinovaný proces sušení

konvekční ohřev při pn ( cca 75 % θM ) , dále snížení p < pn ohřev radiací pro

udržení θM

požadavek

- výkonná vývěva s vřazeným kondenzátorem, vymrazovačkou par - robustní těsněná sušárna

vakuum tlak Pa var vody °C hrubé 100 kPa - 2500 Pa 101308 100 střední 2500 Pa - 500 Pa ( pro sušení ) 53320 83 jemné 500 Pa - 1 Pa 10664 47 vysoké 1 Pa - 10-4 Pa 2333 20 ultravysoké < 10-4 Pa 613 0 107 -20

nákladné zařízení

režim vakuového sušení

- konstantní vakuum

- proměnné vakuum - v etapě dosoušení pulzace p ( p1 , p2 ) vyvolají změnu θM povrchu

využití termodifuze - další snížení t , m´

Průběh vakuového pulzačního sušení

( 6 kPa )

( 2 kPa )

- sušení v parách solventu - specifický případ vakuového sušení - velké předměty

konvekce + kondenzace zahřátých par solventu ( kerosin ) účinný, rychlý ohřev θM

na chladnějším povrchu při p1 < pn

vakuové dosušení při p2 < p1 odčerpání zbylých par

kerosinu a vody

Př. sušení velkého transformátoru - TEP postupně

- čerpání sušárny, ohřívání předmětu infrazářiči,

vně ohřev kerosinu ( páry cca 200 °C )

- vpuštění par, kondenzace ohřev předmětu na θM , p ~ 24 kPa

- uzávěr přívodu par, p ~ 2,7 kPa z kondenzátu páry, odsávání s vodou

- další p < 2 kPa finální vakuové dosoušení

výhody

- rovnoměrnost a účinnost ohřevu, kvalita sušení ( t , m´ ) nízké

- bez kyslíku termooxidační stárnutí izolace

nevýhody

- složitější a drahé zařízení, riziko chemické reaktivity solventu s materiálem

- sušení ohřevem využívajícím Jouleovo teplo přímé - průchod I sušeným materiálem elektroodporové sušení ( např. keramické polotovary ) nepřímé - I prochází vodivou částí, nepřímo ohřívá sušenou izolaci ( např. vinutí strojů, kabely …) nepřímé sušení ( častěji ) - ohřev z vnitřku ven účinná termodifuze úspora energie ( ztráty Q ) lze ve volném prostoru ( bez sušárny )

obvykle při Iss = konst.

j = Iss / S … cca 2 až 3 A / mm2 při θ , ρ , R

Ro < R , Uo < U známe-li TKR vodiče, potom

napětí při požadované teplotě θM U = Uo . [ 1 + TKR ( θM - θo ) ]

pokud ne, pak regulace Iss

θ

θ

θ

Ukázka přímého elektroodporového sušení keramických polotovarů ( válce ) v laboratorních podmínkách

- Sušení ve vnějším silovém poli

mikrovlnný ohřev

f = 300 MHz až 300 GHz , zdroj magnetron f = 900 nebo 2450 MHz

polární voda - absorpce energie - selektivní ohřev ( ostatní části ne )

vnitřní přetlak - transport ven ( termodifuze )

ohřev dielektrickými ztrátami pro polární izolační materiály ( nař. papírová

měrný tepelný výkon ( ztráty ) izolace kabelů )

f = 1 MHz až 10 MHz , E = 0,05 až 0,15 V/cm

rovnoměrný ohřev ( termodifuze ), regulace θM změnou f , E

ohřev infračerveným zářením používaný při p < pn , resp. při pn

část spektra elmag. záření

λ = 0,7 až 10 μm po dopadu absorpce ( reflexe ) - dle materiálu - θM

zářiče - žhavicí vlákna ( žárovky ), uhlík, kovová nebo keramická topná tělesa

hlavní parametry - intenzita záření, λ účinnost ohřevu zářiče

Porovnání jednotlivých typů zářičů

max. účinnost ohřevu když

λ max. emise = λ max. absorpce

např. voda λ max. absorpce = 3 μm

tj. λ max. emise uhlíkového vlákna

Schéma průběžné infračervené sušárny s pásovým dopravníkem

- ostatní způsoby sušení kombinace předchozích metod ( zejména s vakuem ) akustické sušení – vibrace - teplý vzduch

- sušené předměty

Režim sušení správné nastavení parametrů TEP zejména:

- teplota

θM > θ varu vody , var fce p

při pn … θM cca 110 °C až 180 °C ( tep. odolnost izolace , hospodárnost )

p < pn … θM < 100 °C ( výhodné – obvykle 60 °C až 100 °C )

- tlak ( úroveň vakua ) vliv na t , m´ dle velikosti sušárny, vývěvy … řádově 1 Pa až 1000 Pa

- doba sušení, změny θ , p ( ohřev, chladnutí )

dle druhu vysušovaných předmětů, sušárny , požadavků na m´…. - experimentálně riziko - termooxydační degradace izolace, mechanické poškození

Př. vakuové sušení trafa středního P …. θM =100 °C , t sušení 6 hod , p = 1 kPa ohřev < 15 °C / hod , čerpání < 16 kPa / hod, zavzdušňování < 35 kPa / hod

t , m´ až 2 x