Конвективный способ. Конвективный способ сушки получил в промышленности наибольшее распространение благодаря простоте конструкции сушилок, их экономичности и несложности обслуживания, а также лучшей теоретической разработке.
Сущность конвективного способа сушки состоит в том, что под влиянием тепла, подведенного к материалу потоком воздуха или дымовых газов, влага испаряется и в виде водяного пара переходит в окружающий воздух (или дымовые газы). При этом влажность материала, превышающая равновесную для данных условий, будет снижаться до тех пор, пока количество влаги в нем не придет в.равновесие с влагой, содержащейся в воздухе. Сушка атмосферным воздухом называется естественной. Изменяя параметры воздуха, можно создать условия, при которых сушка будет протекать до необходимой конечной влажности материалов с требуемой интенсивностью. Создание установленных параметров воздуха, называемых режимом сушки и определяющих интенсивность процесса, характеризует искусственную сушку.
Процесс сушки представляет собой сложный комплекс явлений тепло- и влагообмена в системе влажный материал — воздух. Явление теплообмена связано с затратами тепла для превращения влаги в пар, для преодоления энергии связи гидратационной влаги с материалом, частично удаляемой из него. Очевидно, количество отдаваемого воздухом тепла возрастает с повышением температуры воздуха, коэффициента теплоотдачи а (увеличивающегося с ростом скорости воздуха), с понижением температуры материала (уменьшающейся с падением относительной влажности воздуха и увеличением скорости его движения). В процессе сушки температура высушиваемого материала ниже температуры воздуха. Сушка происходит до тех пор, пока существует разность температур воздуха и материала, доказывающая существование явления теплообмена.
Переход влаги из материала в воздух, т. е. влагообмен, характеризуется двумя процессами:
испарением влаги с поверхности влажного материала и перемещением ее в виде пара в окружающий воздух;
перемещением влаги внутри материала из более глубоких слоев к поверхности (внутренней диффузией).
Если парциальное давление пара над поверхностью материала больше парциального давления пара в окружающем воздухе, пары жидкости из материала будут перемещаться в окружающий воздух. Как указывалось выше, влага в процессе сушки испаряется с поверхности материала, а в некоторых случаях и на некоторой глубине от этой поверхности.
Испарение влаги в процессе сушки подобно явлению адиабатического испарения со свободной поверхности жидкости, т. е. испарению без дополнительного сообщения или отведения тепла. Устанавливающаяся при этом постоянная температура жидкости равна температуре мокрого термометра и определяется температурой, относительной влажностью и скоростью движения воздуха.
Подобное явление наблюдается при сушке материалов достаточной влажности. Пока влажность материала не понизится до гигроскопической, обусловленной влагой сорбции и влагой капиллярного всасывания, температура поверхности материала остается постоянной и равной температуре мокрого термометра.
Интенсивность испарения во многом определяется состоянием окружающего материал воздуха. На поверхности влажного материала образуется пограничный слой воздуха, влажность которого больше, чем влажность окружающего воздуха. Молекулам пара, находящимся на поверхности материала, необходимо сообщать дополнительную энергию, чтобы они могли пройти через пограничный слой. При определенной скорости воздуха эта задача облегчается. Наибольший эффект достигается при увеличении скорости воздуха до 0,5 м/с. Дальнейшее увеличение скорости воздуха увеличивает скорость испарения, хотя и не так заметно.
Очевидно, для непрерывного испарения влаги, кроме способности воздуха воспринимать влагу, необходимо непрерывное передвижение ее из внутренних слоев материала к поверхности испарения. В противном случае испарение влаги прекратится, несмотря на то что внутренние слои материала имеют еще достаточную влажность. Частицы заключенной в материале жидкости находятся в равновесии при равномерном распределении влаги по всему материалу и при равенстве температур материала в различных точках.
Нарушение одного из условий приводит к перемещению влаги в материале. В процессе сушки происходит непрерывное испарение влаги с поверхности материала, поэтому концентрация ее убывает от центра к его поверхности. Так как влага движется из мест большей концентрации в места меньшей концентрации, то непрерывное испарение создает условия для непрерывного перемещения влаги к поверхности материала. Таким образом, разность концентраций влаги при сушке является источником внутренней диффузии.
Нарушение равенства температур в различных точках материала также приводит к перемещению влаги из точек высокой температуры в точки более низкой температуры. Следовательно, если внутри влажного материала существуют градиенты влажности и температуры, то влага будет перемещаться в результате действия обоих факторов, если направления градиентов совпадают. В противном случае (влажность на поверхности материала меньше, чем в центре, а температура выше) градиент температуры служит сопротивлением перемещению влаги.
Контактный способ. Этот способ сушки основан на принципе термодиффузии: основной движущей силой влаги является градиент температуры, а диффузия влаги происходит в виде жидкости.
Сушка осуществляется при одностороннем подогревании материала горячей поверхностью. Градиент температуры создается как в результате одностороннего подогревания, так и в результате понижения температуры поверхности материала в первый период сушки, т. е. при испарении влаги с открытой поверхности.
При контактном способе сушки решающими факторами, влияющими на скорость сушки, являются перепад температуры и толщина материалов.
В обувной промышленности за последние годы стало широко применяться предварительное формование деталей и узлов заготовок, совмещенное с сушкой контактным способом. Формование кожаных задников на машинах объединения «Инвеста» (Чехия), предварительное формование и сушка носочной части заготовок (с подносном) при узловой сборке обуви рантового и клеевого методов крепления на машинах АФМЗ-0 и ФЗП-0 дают возможность совместить операции формования и сушки деталей контактным способом.
Основным препятствием на пути внедрения контактного способа сушки является необходимость применения пустотелых колодок, которые не изменяли бы размеров при нагревании и последующем охлаждении и не затрудняли бы процесс формования.
В работах МТИЛП показана возможность использования электропроводящих полимерных покрытий для получения электро-обогреваемой поверхности неметаллических колодок.
Сушка инфракрасными лучами. Одним из прогрессивных способов сушки, значительно сокращающим ее продолжительность, является сушка инфракрасными лучами (радиационная). Способ основан на подводе энергии к высушиваемому материалу посредством электромагнитных колебаний волн инфракрасного диапазона спектра. Из диапазона 0,77—370 мкм для сушки используются волны ограниченного участка спектра от 0,77 до 10^-12 мкм.
В обувной промышленности этот способ широко применяется для сушки заготовок верха обуви, покрытий, аппретур, красок, сушки и активации клеевых пленок. Заготовки или детали размещают вблизи источника так, чтобы инфракрасные лучи были направлены перпендикулярно их поверхности.
Источником инфракрасных лучей может служить всякое тело, нагретое до достаточно высокой температуры и генерирующее лучи различной длины. Но каждой температуре соответствует максимальное излучение волны определенной длины.
В настоящее время в качестве генераторов инфракрасных лучей используют светлые коротковолновые ламповые излучатели и темные длинноволновые (трубчатые излучатели, нихромовые спирали и т.д.). Темные излучатели при работе генерируют только инфракрасные лучи длиной волны не менее 0,77 мкм; видимое свечение практически отсутствует. Светлые излучатели наряду с инфракрасными лучами генерируют и видимый свет длиной волны меньше 0,77 мкм.
Различие спектральных характеристик источников инфракрасного излучения (ИФК) в зависимости от положения максимума позволяет селективно (избирательно) воздействовать на обрабатываемые материалы. Применяя тот или иной источник излучения, можно достичь глубокого проникания ИКЛ при высокой проницаемости материала (пропускательной способности спектра данного диапазона длин волн) или добиться поверхностного нагревания при существенном поглощении лучей данной длины и низкой пропускательной способности.
Количество передаваемого от источника излучения тепла характеризуется энергетическим балансом: удельные мощности, подведенные к источнику и отданные излучением и конвекцией, Вт/м2.
Исходя из соотношения генераторы ИКЛ можно разделить на генераторы с преобладанием радиационного, радиацнонно-конвективного и конвективно-радиационного режимов передачи тепла. Характер теплопередачи зависит от температуры излучающей поверхности.
Светлые источники характеризуются радиационным режимом теплопередачи, темные—комбинированным режимом. Последнему режиму отдается предпочтение при выборе режима сушки заготовок, так как обеспечивается обработка нагретым воздухом затененных от потока инфракрасных лучей зон заготовки. Для сушки и активации клеевых пленок как из латексов, так и из растворов наиболее эффективны темные излучатели .
Спектральные характеристики темных излучателей хорошо согласуются с оптическими свойствами обувных материалов и клеевых пленок.
Среди темных излучателей лучшими считаются трубчатые электронагреватели (ТЭН). Большинство обувных материалов пропускает (с малыми потерями) инфракрасные лучи длиной волны 3,5—5 мкм, что соответствует рабочей температуре ТЭНа (600° С). Следовательно, ТЭНы обеспечивают глубокое проникание ИКЛ в высушиваемые материалы. Это очень важно, так как при сушке заготовок требуется удалить влагу или растворитель из деталей, находящихся между слоями материала, обладающего в ряде случаев низкой паропроницаемостью (например, кожи с нитро-покрытием).
ТЭН состоит из трубки, являющейся излучающей поверхностью, по оси которой проходит нагревательная спираль. Спираль изолирована от излучающей поверхности трубки заполнителем (окисью магния), сохраняющим электроизоляционные свойства при высоких температурах. Трубки для рабочих температур до 500° С изготовляют из углеродистой стали, для более высоких температур — из латуни или нержавеющей стали. Нагревательную спираль выполняют из сплавов высокого сопротивления —хромаля, нихрома и др. Заполнитель обеспечивает более интенсивный теплоотвод от нагревательной спирали к излучающей трубке.
Одним из преимуществ темных излучателей по сравнению со светлыми является меньшая зависимость эффективности нагревания от цвета высушиваемого материала. Это немаловажно, если учесть необходимость одновременной сушки обуви различных расцветок.
Эффект сушки инфракрасными лучами зависит от равномерности и плотности (количества лучистой энергии на единицу площади) облучения поверхности материала, в свою очередь тесно связанных с формой отражателя инфракрасных излучателей для создания концентрированного равномерного потока лучей. Известно, что плоский отражатель незначительно повышает плотность потока лучей в заданном направлении по сравнению с плотностью открытого, не снабженного отражателем излучателя. Наилучшей является параболическая форма отражателя.
Темные источники позволяют достичь значительной плотности облучения при малых расстояниях от изделия, в то время как для светлых источников типа зеркальных ламп это неосуществимо, так как стеклянный баллон не позволяет приблизить изделие к излучающей нити лампы.
Сушка токами высокой частоты (ТВЧ). При этом способе материал, помещенный в поле токов высокой частоты, поглощает часть энергии и нагревается без соприкосновения с какими-либо токонесущими деталями. Однородные тела нагреваются по всему объему.
Под влиянием нагревания часть влаги испаряется из материала.
Силой, движущей влагу из материала к поверхности испарения, являются градиенты температуры и влажности.
Под действием электрического поля молекулы обувных материалов (диэлектриков) поляризуются. Поляризация сопровождается трением молекул, на что затрачивается часть электрической энергии поля, которая превращается в тепло. В результате материалы быстро нагреваются. Скорость нагревания зависит от частоты, длины волны и мощности электрического поля, а также от свойств материала.
Ценным свойством является селективное действие поля ТВЧ. Если в поле ТВЧ поместить неоднородное тело (например, обувь с деталями из различных материалов разной толщины), то, подбирая длину волны, можно достичь быстрого поглощения энергии, а следовательно, и быстрого нагревания одних ее частей при ничтожном нагревании или даже без нагревания других.
Опыты по сушке ТВЧ обуви, затянутой на колодке, показали применимость такой сушки .
Показатели физико-механических свойств кожи после сушки в поле ТВЧ не ухудшаются, а заготовки отличаются меньшей жесткостью лицевой поверхности, чем при сушке конвекцией. Это объясняется тем, что при конвективной сушке подводимая извне тепловая энергия распространяется внутри материала по законам теплопроводности, и температура внутренних слоев всегда ниже температуры наружных. В поле ТВЧ материал нагревается одновременно и равномерно по всему объему. Так как испарение влаги, происходящее главным образом с поверхности материала, сопровождается затратами тепла на парообразование, а температура окружающего воздуха ниже, чем температура материала, то температура наружных слоев ниже температуры внутренних. Такой механизм сушки гарантирует равномерность процесса и предотвращает пересушивание поверхности материала, а следовательно, и возникновение внутренних напряжений и коробление материала.
Применение токов высокой частоты ускоряет сушку материалов, но требует значительного расхода электроэнергии.
Недостатками сушки токами высокой частоты являются сложность оборудования и обслуживания, необходимость соблюдать строгие правила техники безопасности при эксплуатации установок, работающих под высоким напряжением, и более высокая стоимость сушки по сравнению со стоимостью сушки другими способами.
Одной из особенностей сушки ТВЧ диэлектриков является возрастание тепловой неоднородности по слоям заготовки. Незначительное повышение температуры одного участка многослойной конструкции приводит к прогрессирующему росту температуры на этом участке, приводящему обычно к тепловому и электрическому пробоям и повреждению заготовки.
Опытная установка для сушки токами высокой частоты клеевой пленки на подошвах применяется на обувной фабрике в Ростове-на-Дону.