Акустический способ сушки материалов

Акустический способ сушки материалов

Реферат

Изобретение относится к области техники, связанной с созданием технологических процессов сушки различных материалов и применением акустических (ультразвуковых) колебаний в технике сушки материалов, а именно к способам интенсификации процесса при помощи акустических колебаний высокой интенсивности. Изобретение может быть использовано для создания современной материально-технической базы во всех областях промышленности и сельского хозяйства, где одним из технологических этапов является сушка.

Процесс сушки, заключающийся в удалении влаги из материала, с одной стороны, является одним из ключевых этапов различных технологических процессов, с другой стороны, одной из самых затратных стадий обработки. Качество и скорость реализации процесса сушки в значительной степени определяют качество и себестоимость конечного продукта.

Интенсификация процессов тепломассообмена и, в частности, экстракции влаги материалов под действием акустических колебаний высокой интенсивности (акустическая сушка) отличается рядом специфических особенностей [1].

1. Интенсификация процессов массообмена под действием акустических колебаний происходит только при высоких уровнях звукового давления. В случае воздействия на материалы колебаниями с низким уровнем интенсивности (менее 130 дБ) процесс сушки ничем не отличается от конвективной сушки. То есть существует «критический» уровень звукового давления, при котором осуществляется акустическая сушка.

2. Большинство экспериментальных работ свидетельствуют о нелинейной зависимости интенсивности массообмена при сушке от величины звукового давления. Установлено, что, начиная с интенсивности акустических колебаний в 140-160 дБ, процесс испарения идет по экспоненциальному закону. То есть эффективность сушки существенно возрастает с увеличением звукового давления, превышающего «критический» уровень.

3. Наиболее эффективный способ формирования акустических колебаний высокой интенсивности в газовой среде - применение газоструйных преобразователей. Создание акустических колебаний высокой интенсивности (>140 дБ) с помощью других типов преобразователей (пьезоэлектрических или магнитострикционных) невозможно, так как при такой интенсивности амплитуда колебаний поверхности механического устройства должна превышать 0,1 мм, что нереализуемо на практике из-за механического разрушения материала, то есть обеспечить режим эффективной акустической сушки можно только при помощи газоструйных преобразователей.

В настоящее время разработано большое количество способов акустической (ультразвуковой) сушки [2-5], основанных на использовании газоструйных преобразователей для создания высокоинтенсивных акустических колебаний. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ акустической сушки [5, принятый за прототип], разработанный в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН.

Способ акустической сушки по [5] заключается в размещении материала для сушки в замкнутом объеме, размер которого превосходит объем высушиваемого материала, размещении в этом объеме газоструйного преобразователя, подаче через него в объем сжатого воздуха, преобразовании энергии потока газа в энергию упругих колебаний, распространении акустических колебаний к поверхности высушиваемого материала до момента удаления заданного количества влаги.

Способ, принятый за прототип, позволяет обеспечить акустическую сушку материалов, однако имеет следующие недостатки:

1. Низкую эффективность сушки, обусловленную тем, что на практике обеспечивается незначительное превышение «критического» уровня звукового давления. Этот недостаток приводит к длительному времени сушки.

2. Невозможность повышения эффективности сушки за счет увеличения уровня звукового давления над уровнем «критического» давления, поскольку это требует увеличения давления газа, подаваемого в газоструйный излучатель, увеличения диаметра соплового отверстия. При этом увеличиваются расходы на создание сжатого воздуха и усложняются системы акустической защиты сушильных установок.

3. Ограниченную область применения, поскольку на практике используются промышленные крупногабаритные установки, эксплуатация которых возможна только с применением специализированных компрессорных станций. Этот недостаток делает невозможным создание малогабаритных сушилок, работающих с применением стандартных бытовых компрессоров.

Все вышеперечисленные недостатки снижают эффективность принятого за прототип способа акустической сушки, приводят к снижению производительности технологической операции сушки, а в отдельных случаях делают его экономически невыгодным или практически невозможным (например, для наиболее востребованных на практике малогабаритных сушилок).

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков существующего способа акустической сушки материалов, создание способа сушки материалов, способного обеспечить повышение эффективности акустического воздействия, повышение производительности операций сушки.

Кроме того, предлагаемый акустический способ способен обеспечить повышение привлекательности самого метода акустической сушки, снижение стоимости процесса и позволит создать мобильные малогабаритные сушилки.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном акустическом способе сушки, заключающемся в размещении материала для сушки в замкнутом объеме, размер которого превосходит объем высушиваемого материала, размещении в этом объеме газоструйного преобразователя, подаче через него в объем сжатого воздуха, преобразовании энергии потока газа в энергию упругих колебаний, распространении акустических колебаний к поверхности высушиваемого материала до момента удаления заданного количества влаги, подачу сжатого воздуха в замкнутый объем осуществляют через дополнительный технологический объем, обеспечивают поочередную герметизацию и разгерметизацию соединения замкнутого и дополнительного объемов, причем длительность пауз t₂ выбирают с учетом условий затухания колебаний в замкнутом объеме и необходимости накопления сжатого газа в дополнительном объеме в количестве, достаточном для обеспечения работы преобразователя в течение длительности t₁ воздействия акустических колебаний.

В предлагаемом способе за счет постоянной работы источника сжатого воздуха в период герметизации длительностью t₂ происходит увеличение давления в дополнительном объеме, что позволяет в последующий интервал разгерметизации длительностью t₁ значительно повысить интенсивность акустического воздействия за счет более высокого рабочего давления, создаваемого малопроизводительным источником сжатого воздуха.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена зависимость изменения давления в дополнительном объеме и соответствующая ей зависимость интенсивности воздействия акустических (ультразвуковых) колебаний на материал в замкнутом объеме. В начальный момент времени в дополнительном объеме создано давление выше критического уровня. На период времени t₁ обеспечивают разгерметизацию соединения замкнутого и дополнительного объемов, подают избыточное давление на газоструйный преобразователь, создают акустические колебания в замкнутом объеме сушилки. По причине того, что для создания избыточного давления используется маломощный компрессор, производительность которого не обеспечивает требуемого расхода, давление в дополнительном объеме снижается, соответственно снижается и интенсивность продуцируемых колебаний. При достижении в дополнительном объеме давления Р₀ обеспечивают герметизацию соединения замкнутого и дополнительного объемов, генерацию колебаний прекращают. При этом за счет работы компрессора давление в технологическом объеме возрастает. При отсутствии источника колебаний интенсивность акустических колебаний в замкнутом объеме резко затухает, воздействие на материал оказывают отраженные от внутренних поверхностей волны. Подбирая форму замкнутого объема таким образом, чтобы сфокусировать на высушиваемом материале как прямые, так и отраженные от внутренних поверхностей колебания, можно добиться значительного меньшего затухания интенсивности колебаний за время t₂, соответствующее длительности пауз воздействия.

При малых значениях t₁ и t₂ за счет частой смены режимов фазовые соотношения формируемых колебаний носят случайный характер, излучение происходит в широком диапазоне рабочих частот, что исключает возможность образования стоячих волн и неравномерной просушки.

Практические значения величин t₂ пауз и времени t₁ в зависимости от типа и производительности используемого компрессорного оборудования, а также формы и размера замкнутого объема можно изменять в широком диапазоне от минимального времени, необходимого для начала формирования устойчивых колебаний до нескольких секунд.

Предлагаемый способ за счет периодического накопления воздуха в дополнительном объеме при высоком давлении позволяет использовать относительно дешевые «бытовые» компрессоры. Создание с их помощью периодических интервалов времени колебаний с высоким по интенсивности уровнем, а за счет нелинейной зависимости между рабочим давлением и интенсивностью массопереноса при сушке позволяет, с одной стороны, интенсифицировать процесс, а с другой - снизить энергозатраты и повысить экономическую эффективность. Использование маломощных и доступных компрессоров позволяет расширить область применения предлагаемого способа сушки за счет создания малогабаритных и мобильных сушильных установок.

Таким образом, предлагаемый способ сушки материалов обеспечивает повышение производительности, сокращение длительности процесса сушки, снижение энергоемкости и повышение экономичности процесса.

В настоящее время Бийским технологическим институтом ведутся работы по созданию промышленного образца сушилки по описанному способу. Промышленное применение запланировано в 2006 году.

Источники информации

1. Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д.Розенберга. М.: Наука, 1970.

2. Патент РФ №2215953.

3. Патент РФ №2171959.

4. Патент РФ №2062416.

5. Патент РФ №2095707 - прототип.

Акустический способ сушки материалов, заключающийся в размещении материала для сушки в замкнутом объеме, размер которого превосходит объем высушиваемого материала, размещении в этом объеме газоструйного преобразователя, подаче через него в объем сжатого воздуха, преобразовании энергии потока газа в энергию упругих колебаний, распространении акустических колебаний к поверхности высушиваемого материала до момента удаления заданного количества влаги, отличающийся тем, что подачу сжатого воздуха в замкнутый объем осуществляют через дополнительный технологический объем, обеспечивают поочередную герметизацию и разгерметизацию соединения замкнутого и дополнительного объемов, причем длительность t₂ пауз выбирают с учетом условий затухания колебаний в замкнутом объеме и необходимости накопления сжатого газа в дополнительном объеме в количестве, достаточном для обеспечения работы преобразователя в течение длительности t₁ воздействия акустических колебаний.