Atklājumi.lv

Modris Purmalis. Iztvaikošanas un žāvēšanas intensifikācija bez siltuma pievadīšanas

Šajā darbā aprakstīti eksperimenti ar elektriskā lauka un jonizēta gaisa pielietošanu iztvaikošanas un žāvēšanas procesos, lai intensificētu to norisi bez materiāla karsēšanas un siltā gaisa izmantošanas. Parādīta arī šo paņēmienu energoefektivitāte.

1. Iztvaikošana elektriskajā laukā

Benzīna, ūdens uc. šķidrumu paātrinātu iztvaikošanu ārējā elektriskajā laukā (ĀEL lauks) apraksta Asakava, izvedot formulu, kas norāda uz ĀEL kā katalizatoru iztvaikošanas procesā [1]. Šķidrumu iztvaikošanas intensifikācija aprakstīta Bologas, piem. [2] un Revzina [3] darbos. Tomēr tajos gandrīz nemaz netiek parādīta šo paņēmienu energoefektivitate.

Šajos eksperimentos parādīts enerģijas patēriņš uz 1kg iztvaicējamā mitruma kWh/kg un arī iztvaikošanas paātrinājums, salīdzinot ar parasto iztvaikošanu.

Eksperimentu shemas parādītas zīm.1.

Zīm.1. 1 – tērauda adata ar + vai – potenciālu, 2 - alumīnija trauks ar iztvaicējamo šķidrumu un – vai + potenciālu, 3 – lustra no 5 tērauda adatam ar + vai – potenciālu. a) - variants +/--1E--/+M, b) - variants bez lauka Mbl, c) - variants +/--5E--/+M ,kur: 1E – elektrods no 1 adatas, M - masa (trauks ar šķidrumu), bl - bez lauka,5E – elektrods no piecām adatām (lustra).

Eksperimenta sākumā lēzenā alumīnija traukā 2 ielej 1g ūdens un pakar virs tā adatu 1, kurai pieslēdz vienperioda strāvas taisngrieža attiecīgo polu. Otru polu pieslēdz traukam 2. Starp
adatas 1 galu un ūdens virsmu izveidojas elektriskais lauks un ūdens virsma sāk virmot, veidojas koncentriski apļi. Vienlaicīgi ūdeni ielej arī traukā bez lauka - b) - variants Mbl.

Eksperimentu rezultati parādīti tabulās 1-4:

1.tabula Variants +1E--M

Iztvaicējamā ūdens daudzums G = 1g. Apkārtējās vides temperatūra ta.v. = 19°C. Iztvaikošanas laiks un iztvaicētais ūdens daudzums bez lauka attiecīgi τbl=5,25h un Gbl=0,19g/h.

Iztvaikošanas laiks un iztvaicētais ūdens daudzums ar lauku attiecīgi τe,h un Ge,g/h (skat. tabulā).

Iztvaikošanas paātrinājums dτ = τbl/τe. Patērētā enerģija 1kg ūdens iztvaicēšanai Pi, kWh/kg.

2.tabula Variants --1E+M

Kā redzams no 1. un 2. tabulas, ūdens iztvaikošanas ātrums pieaug vidēji 5,2-5,4 reizes un enerģijas patēriņš uz 1kg iztvaicētā ūdens ir tikai vidēji 0,083-0,123 kWh. Pēc klasiskās termodinamikas 1kg ūdens iztvaicēšanai pie 19°C nepieciešams 2456,2 k J jeb 2456,2/3600=0,682 kWh enerģijas. Mūsu gadījumā, ja ņemam Pi=0,123 kWh/kg, starpība sastāda 0,682-0,123=0,559 kWh/kg. No kurienes tiek ņemta šī enerģiju starpība?

No apkārtējās vides? Kā ĀEL var ierosināt apkārtējās vides enerģijas pāreju uz ūdens iztvaicēšanu, pie kam paša lauka enerģija sastāda tikai 0,123/0,682*100=18% no 1kg ūdens iztvaicēšanai nepieciešamās enerģijas. Jautājums paliek atklāts.

Iztvaikošanas paātrināšanās var būt saistīta arī ar ūdens virsmas spraiguma samazināšanos un molekulu kustības paātrinašanos lauka ietekmē, uz ko norāda ūdens virsmas stipra virmošana ar manāmu centru pret adatu.

Zīm. 2 un 3 parāda iztvaicētā ūdens daudzuma Ge, g/h pieaugumu ĀEL ietekmē atkarībā no pieliktās elektriskās jaudas P,W attiecīgi pa variantiem +1EM—M un –1E+M.

3.tabula Variants +5E--M

4.tabula Variants --5E+M

3.un 4.tabulā parādīti eksperimentu rezultāti pēc iekārtas shemas no zīm. 1, c). Šeit vienas adatas vietā pret ūdens virsmu novietotas koncentriski 5 adatas lustras veidā 3.

Eksperiments tiek veikts tāpat kā pēc shemām a) un b) zīm. 1. Arī ūdens virsma ievērojami virmo, bet bez manāma centra pret lustru 3.

Pēc 3. un 4. tabulas redzams, ka +5E—M variantā vidēji P pieaugusi 3 reizes un Pi 2,4 reizes, bet audzis arī iztvaikošanas ātrums līdz 6,5 reizēm. Viss tas izskaidrojams ar adatu skaita palielinājumu, tomēr –5E+M variantā iztvaikošanas ātrums samazinās līdz 4,4 reizēm,lai gan jauda P pieaug 2,3 reizes un Pi 2,9 reizes.

Pozitīvi rezultāti iegūti arī iztvaicējot tādos pašos apstākļos ūdens-cukura un ūdens-NaCl šķīdumus attiecībā 5:1,piemēram, ūdens-NaCl šķīduma iztvaikošana paātrinās vidēji 8 reizes, pie kam Pi = 0,14...0,24 kWh/kg atkarībā no adatu polaritātes. Tam var būt praktiska nozīme farmaceitiskā un pārtikas rūpniecībā, kur iztvaicējamie šķidrumi nepieļauj augstākas temperatūras par 50 vai vēl zemākiem °C.

2. Žāvēšana jonizētā gaisā

Jonizatorā apstrādata gaisa izmantošanu kā žāvēšanas aģentu apraksta darbos [4,5] uc. Var minēt arī jonu matu žāvēšanas fēnu ar iebūvētu negatīvo jonu ģeneratoru [6]. Žāvēšana jonizētā gaisā paātrina žūšanas procesu un šo paņēmienu var izmantot farmaceitiskā, biopreparātu un pārtikas rūpniecībā, kur jāžāvē pie zemām temperatūrām. Tomēr ir maz ziņu par šo iekārtu un paņēmienu energoefektivitati.

Ražošanas kaltēm enerģijas patēriņš uz 1kg iztvaicētā mitruma var būt 1-3 un vairāk kWh/kg [7] atkarībā no kaltes tipa un žāvējamā materiala, graudu kaltēm 0,98-1,38 kWh/kg [8] atkarībā no siltā gaisa un graudu temperatūras –mitruma % sākuma un beigu stāvokļiem.

Zemāk minētajos eksperimentos sasniegtie rezultāti var tikt izmantoti, lai samazinātu šo enerģijas patēriņu, pie kam žāvēšana var notikt zemās temperatūrās.

Eksperimentu shema parādīta zīm.4.

Zīm.4 Eksperimentālās iekārtas shema. 1 - koronējošais elektrods Ek ar d=0,12mm; 2 - jonizatora korpuss Kp ; 3 - augstsprieguma taisngriezis ; 4 - žāvēšanas kamera ; 5 - mitrs filtrpapīrs M, savienots ar --/+ potenciālu.

Eksperimenta sākumā slapju filtrpapīra strēmeli 2*20=40 cm2 nosver un pakar dubultā uz tieva metāla stienīša žāvēšanas kamerā 4, lai radītu elektrisku kontaktu ar + vai – taisngrieža polu atkarībā no varianta. Pēc tam ieslēdz taisngriezi 3 un uzņem laiku. Starp elektrodu 1 un jonizatora korpusu 2 rodas koronas tipa izlāde, kas jonizē apkārtējo gaisu un tas virzās uz augšu filtrpapīra pretējā potenciala un dabīgās vilkmes iespaidā. Pēc 30 minūtēm taisngriezi 3 izslēdz un filtrpapīru atkal nosver. Svara starpība dτ būs 30 minūtēs iztvaicētais mitrums, ko salīdzina ar tādā pašā veidā iegūto svara starpību Gk pie izslēgta taisngrieža 3.

Tālāk no elektroda 1 notiek arī jonu rekombinācija un rodas aktivizētas gaisa O2* un N2* molekulas, kas savukārt aktivizē ūdens molekulu iztvaikošanu.

Ge un Gk – iztvaicētā mitruma daudzums stundā ar un bez gaisa apstrādes jonizatorā. Apkārtējās vides temperatūra ta.v.=19°C.

No 5. un 6. tabulas redzams, ka enerģijas patēriņš Pi žāvēšanai ir mazāks variantā +Ek–Kp–M, t.i. pie pozitīvās koronas, kad elektrodam 1 ir pozitīvais potenciāls. Tas pats redzams arī iztvaicēšanas eksperimentos.

Zīm. 5 redzama žāvēšanas ilguma atkarība no žāvēšanas gaisa temperatūras, pie kam žāvēšanas paātrinājums dτ = τk /τe samazinās līdz ar žāvēšanas gaisa temperatūras paaugstināšanu, tātad līdz ar pievadītā siltuma enerģijas pieaugumu. No tā jāsecina, ka zemās temperatūrās, apmēram līdz 50°C, izdevīgi izmantot jonizētu gaisu ar minimālu siltuma patēriņu.

Zīm. 6 parādīta koka brusu 7,5*10 cm žāvēšanas ilguma atkarība no žāvēšanas temperatūras [9] rūpnieciskajā kaltē ar gaisa uzsildīšanu kaloriferā. Salīdzinot zīm. 5 un 6 līknes τk un τbr, redzams, ka abas līknes ir līdzīgas un lineāras, tātad žāvēšanas process bez jonizētā gaisa padeves eksperimentālajā kaltē norit tāpat kā rūpnieciskajā. Tas norāda uz to, ka arī rūpnieciskajā kaltē var izmantot jonizatorā apstrādātu gaisu, nomainot tvaika kalorīferu pret gaisa jonizatoru, kuru var izgatavot uz vietas no profildzels, skārda un tievas nihroma stieples. Arī barošanas bloks (augstsprieguma taisngriezis) izgatavojams uz vietas ja ir transformātors vismaz 220/5000 V un dažas augstsprieguma diodes.

Var izmantot arī jau gatavus gaisa elektrofiltrus, izmantojot tikai jonizējošo daļu, ar barošanas bloku komplektā, piemēram ,TRION HE Plus 1400 , gaiss 900-2380 m3/h, elektriskā jauda 40W [10].

Literatūra

1.Y.Asakawa et al : JSME 1966 General meeting. Advadanced Print No.150 (in Japanese).
2.M.K.Болога, В.М.Руденко. Об интенсификации испарения жидкости под воздействием электрического поля. ЭЛЕКТРОННАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ, 1975, № 3, сс.37-39.
3.И.С.Ревзин. Влияние электрического поля на испарение жидкостей. ЭЛЕКТРОННАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ, 1976, № 4, сс.27-29.
4. 3.М.Я.Пурмал. Сушка ионизованным воздухом без подвода тепла к высушиваемому материалу. ЭЛЕКТРОННАЯ ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ, 1978, № 2, сс.45-47.
5.ASV patents N 3,111,398, kl.34-1, 1963.
6.www.zepter-trade.com/LG-812
7. ПРОМЫШЛЕННАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ТЕПЛОТЕХНИКА. Справочник. М.,Энергоатомиздат, 1991, с.213, табл.4.47.
8.J.Āboliņš, P.Zariņš, P.Zeltiņš. Graudu kaltes un kaltēšana. LVI, Rīgā, 1954, 17.lpp.
9.Э.А.Микит, К.К.Упманис. Интенсификация сушки пиломатериалов в камерах периодического действия. М.-Л.,Гослесбумиздат, 1961,с.7, табл.1.
10.www.trion.kiev.ua

© Atklajumi.lv. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.