Сушильные шкафы
Сушильные шкафы
Эти шкафы в основном работают в диапазоне температур окружающей среды до около 500°C. Существуют различные типы сушильных шкафов для лабораторий, каждый из которых имеет свое специфическое назначение. Три наиболее распространенных типа лабораторных печей:
Сушильные шкафы с естественной конвекцией.
Эти шкафы используют естественную конвекцию для циркуляции воздуха по всей камере.
Шкафы с принудительной циркуляцией воздуха оснащены вентилятором, который равномерно распределяет тепло по периметру шкафа и обеспечивает превосходную однородность температуры и ее быстрое восстановление.
Вакуумные сушильные шкафы.
Эти шкафы работают под вакуумом и используются для сушки или обезвоживания образцов.
При выборе подходящего сушильного шкафа для лаборатории или производства необходимо учитывать следующие важные аспекты:
Скорость нагрева:
Сушильный шкаф должен иметь достаточную теплопроизводительность. Он должен нагревать материал или компонент до желаемой температуры в течение определенного времени. Помимо нагревательной способности шкафа, есть и другие факторы, которые имеют решающее значение для определения скорости нагрева:
- Размер и форма материала, который необходимо нагреть или высушить;
- Теплопроводность материала, который необходимо нагреть или высушить;
- Скорость и направление конвекционного воздуха, воздействующего на поверхность материала.
Количество времени, которое требуется материалу для достижения желаемой температуры, называется временем выдержки. Фактический нагрев материала начинается после истечения времени выдержки. Для задач, требующих точного контроля температуры, идеально подходят сушильные шкафы с программируемым управлением. Такие печи не начинают цикл выдержки, пока продукт или камера печи не достигнут заданной температуры.
Время охлаждения:
Количество времени, необходимое для выхода нагретого воздуха из камеры шкафа и поступления более холодного окружающего воздуха, называется временем охлаждения. Сушильные шкафы должны иметь соответствующие средства управления, позволяющие оператору регулировать температуру шкафа в зависимости от требований применения. Это необходимо для обеспечения контролируемой скорости охлаждения в камере.
Вопрос/Ответ
Стандартные сушильные шкафы с конвекционным нагревом (естественная или принудительная конвекция воздуха) работают в диапазоне +30…+300°C и предназначены для сушки лабораторной посуды, реагентов, образцов, термостатирования и проведения ускоренных испытаний на теплостойкость — они являются наиболее универсальным и распространённым типом сушильного оборудования в лаборатории. Сухожаровые шкафы (высокотемпературные стерилизаторы) работают в диапазоне +160…+250°C и применяются исключительно для стерилизации сухим жаром лабораторной стеклянной посуды, инструментов и других термостойких материалов — при температуре +160°C в течение 2 часов или +180°C в течение 60 минут обеспечивается уничтожение всех форм микроорганизмов, включая споры. Вакуумные сушильные шкафы работают при пониженном давлении (до 1–10 мбар) в сочетании с умеренным нагревом (+30…+200°C), что позволяет удалять влагу и растворители при значительно более низких температурах, чем при атмосферном давлении — это незаменимо для сушки термолабильных веществ, пористых и гигроскопичных материалов, а также для дегазации полимеров и смол.
В шкафу с гравитационной (естественной) конвекцией воздух циркулирует за счёт разности плотностей горячего и холодного воздуха — этот процесс медленный и создаёт значительный температурный градиент по высоте камеры (разница между верхними и нижними полками может достигать 10–30°C), что делает такие шкафы пригодными только для несложных задач сушки без жёстких требований к точности температуры. Шкаф с принудительной конвекцией оснащён вентилятором, обеспечивающим активную циркуляцию воздуха по всему объёму камеры — это сокращает время выхода на рабочую температуру в 2–3 раза, обеспечивает равномерность температурного поля ±2…±5°C по всему объёму и значительно ускоряет сушку за счёт интенсивного воздухообмена над поверхностью образца. Шкафы с принудительной конвекцией предпочтительны для большинства лабораторных задач — они обеспечивают воспроизводимые и стандартизованные условия сушки; шкафы с гравитационной конвекцией оправданы лишь при работе с порошкообразными образцами, которые может сдуть поток воздуха от вентилятора.
Температурный диапазон выбирается исходя из наиболее высокой рабочей температуры, необходимой для планируемых задач, с запасом 20–30% — работа на предельной температуре шкафа снижает точность регулирования и ресурс нагревательных элементов; для стандартных аналитических задач (сушка при +105°C, озоление при +200°C) достаточно шкафа с максимальной температурой +250…+300°C. Объём камеры определяется максимальными габаритами и суммарным количеством образцов, одновременно размещаемых в шкафу, с учётом того, что степень загрузки камеры не должна превышать 50–60% свободного объёма — избыточная загрузка нарушает конвекцию и создаёт значительную неравномерность температуры. При выборе между несколькими моделями с одинаковым объёмом предпочтение следует отдавать шкафам с бо́льшим числом регулируемых по высоте полок, наличием смотрового окна в двери и внутренней подсветкой — эти конструктивные особенности значительно упрощают работу и контроль процесса сушки без открытия двери.
Вакуумный сушильный шкаф снижает давление в камере до 1–50 мбар, что понижает температуру кипения растворителей и воды — при давлении 10 мбар вода кипит при +7°C, что позволяет высушивать термолабильные образцы при температуре +30…+50°C без деградации чувствительных компонентов. Незаменимые применения вакуумного сушильного шкафа: сушка гигроскопичных аналитических образцов (тетраборат натрия, хлорид кальция, оксид фосфора) до постоянной массы перед взвешиванием в гравиметрическом анализе, удаление остаточных растворителей из синтезированных соединений без их термической деградации, дегазация полимерных смол и клеёв перед использованием, сушка пористых и волокнистых материалов, которые деформируются при конвективной сушке. При работе с вакуумным сушильным шкафом необходимо обеспечить химическую совместимость паров удаляемого растворителя с вакуумным насосом — конденсация агрессивных или горючих паров в масляном насосе приводит к его быстрому износу; для работы с органическими растворителями используют ловушку (cold trap) между шкафом и насосом, охлаждаемую жидким азотом или сухим льдом.
Категорически запрещается сушить в стандартных (неискробезопасных) сушильных шкафах образцы, содержащие легковоспламеняющиеся растворители или выделяющие горючие пары при нагреве — даже небольшое количество паров диэтилового эфира, ацетона, гексана или спирта внутри закрытого шкафа образует взрывоопасную смесь, которая воспламеняется от нагревательных элементов или двигателя вентилятора. Для сушки образцов с остаточными ЛВЖ используют специализированные сушильные шкафы в искробезопасном исполнении (аналогично требованиям к холодильникам для ЛВЖ) или проводят предварительное испарение растворителя в вытяжном шкафу при комнатной температуре до безопасного остаточного содержания. При работе с шкафами при высоких температурах (выше +150°C) необходимо использовать термостойкие перчатки при извлечении образцов и тиглей, не допускать попадания воды или холодных предметов на раскалённые элементы конструкции, а также не перегружать камеру сверх допустимой нагрузки на полку — деформация перегруженной полки при высоких температурах может привести к опрокидыванию образцов и контакту с нагревателями.