SUŠENÍ V ELEKTROTECHNICKÉ VÝROBĚ - účel, způsoby sušení - fyzikální podstata sušení - prakticky používané způsoby sušení - monitoring procesu sušení - druhy a provedení sušáren

1 - odstranění volné vody ze systému ( izolace ) 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 pro odstraňování volné vody ze systému – základní pojmy: 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

Podle druhu vazeb, uspořádání struktury - materiály: 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)

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

laboratorní – objem do cca 1 m3 , P ~ 1 kW 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

nákladné - 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

λ max. emise = λ max. absorpce max. účinnost ohřevu když λ max. emise = λ max. absorpce např. voda λ max. absorpce = 3 μm tj. λ max. emise uhlíkového vlákna Porovnání jednotlivých typů zářičů

Schéma průběžné infračervené sušárny s pásovým dopravníkem

kombinace předchozích metod ( zejména s vakuem ) - sušené předměty - 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