Ультразвуковая сушилка для зерна. Строительство домов из бревна. Процессы акустической сушки

Ученые из Нижнего Новгорода изобрели инновационный метод сушки пиломатериала. Эксперты заявляют, что это настоящий прорыв в производстве материалов из дерева и строительстве деревянных домов .

Пока у нижегородцев подготовлен только один агрегат, предназначенный для сушки дерева с помощью ультразвука, в процессе которой модифицируются свойства получаемого пиломатериала. Аналогов подобного «сушильного аппарата» нет ни в одной стране мира.

Методы сушки пиломатериала в России

Статистика говорит, что сегодня просушке подвергаются всего пятнадцать процентов всех производимых в России пиломатериалов. Причина такого явления в несовершенстве практикуемых технологий, в основе которых лежит изменение агрегатного состояния воды (испарение).

Существующие методы просушки всего пиломатериала, используемого для разных сфер, включая строительство деревянных домов, отличаются друг от друга незначительно.

Могут меняться методы нагрева дерева или технология испарения влаги, качество используемой для этого энергии и способы отвода газа из сушильной камеры.

В условиях производства используют термоконвекционный, аэродинамический и вакуумный методы сушки пиломатериала. Также практикуется сушка дерева с помощью СВЧ-тока. Все эти методики требуют большого расхода электричества. Для просушки одного кубического метра материала требуется в среднем от 200 до 250 кВт/ч.

Из-за таких расходов себестоимость высушенного пиломатериала существенно превышает стоимость дерева естественной влажности и его обработку. Новый метод позволяет уменьшить этот показатель.

Традиционные методы сушки не обеспечивают получение древесины хорошего качества - готовым изделиям свойственны коробление и растрескивание, может наблюдаться неоднородная («пятнистая») влажность по всей длине заготовки.

Большую проблему составляет и экологическая сторона вопроса - производство выбрасывает в воздух токсические газы и выпаренную древесную влагу, которая содержит растворы кислот и щелочей, пары скипидара, метанол. Представляют опасность и продукты сгорания топлива, которое используется для нагрева теплоносителя.

Ультразвуковая технология

Разработчики из Нижнего Новгорода пошли другим путем. Предложенный ими метод работает на другом механизме удаления влаги. Процесс просушки с помощью ультразвука помогает существенно снизить потребление электроэнергии, так как не нужно расходовать ее на нагрев дерева, теплоносителей и элементов установки.

Возможность использовать просушку с помощью ультразвука обусловлена свойствами дерева - этого природного полимера. Благодаря этому отпадает необходимость менять агрегатное состояние жидкости, которая содержится в дереве (превращать жидкость в пар).

При использовании ультразвука влага удаляется из дерева в своем первоначальном виде (жидкости), что позволяет уменьшить удельное энергопотребление на пятьдесят процентов. Некоторые эксперты говорят даже о семидесяти процентной экономии.

Преимущества ультразвукового метода сушки

Получаемые изделия характеризуются:

Отсутствием коробления и растрескивания;
Антисептическим компонентом (в частности, речь идет об уничтожении сапрофитов и гифов в заготовке и последующая стойкость к повторным заражениям этими опасными грибками);
Минимальным коэффициентом влагопоглощения;
Улучшением резонансных свойств дерева;
Увеличением стойкости к гнилостным процессам.

Преимущества ультразвукового оборудования:

Увеличенный КПД;
Уменьшение размеров сушильных агрегатов;
Экономия электроэнергии;
Упрощение технологического процесса и простота сбора выделяемой жидкости;
Улучшение экологической картины производства - отсутствуют токсические выбросы;
Возможность совместить линии по обработке и просушке древесины, благодаря чему можно минимизировать затраты на производство.

Особенности процесса сушки ультразвуком

Ультразвуковая установка по просушке пиломатериала работает по принципу конвейера. Такая особенность продиктована особенностями методики. Также конвейерная подача позволяет комбинировать сушку материала с деревообработкой.

Благодаря комбинированию разного оборудования можно избежать штабелевания готовых деревянных изделий, их выгрузки/загрузки в «сушилку».

Существующие до сих пор технологии не дают возможности использовать эту насыщенную разными микроэлементами жидкость, так как в процессе сушки она просто испарялась.

Принципиально новый способ сушки пиломатериалов, предложенный нижегородскими учеными, способен произвести революцию в деревообработке. Таково мнение экспертов. На сегодняшний день разработан опытный образец оборудования для ультразвуковой сушки пиломатериалов, модификации свойств древесины и получения сырья для химической и парфюмерной промышленности в едином технологическом процессе. Аналогов такому оборудованию в мире нет. Его разработчики - инновационная компания "Промин" - обещают уже через год выпустить первый высокопроизводительный промышленный образец, а через два поставить на российский рынок до 20 установок.

По оценке специалистов, в России обязательной сушке подвергается в настоящее время не более 15% всех пиломатериалов. Причина тому - несовершенство существующих технологий, которые основаны на изменении агрегатного состояния воды (испарении) и отличаются только способами нагрева древесины, испарения жидкости, подведения необходимой для этой цели энергии и способами отвода содержащегося в сушильной камере газа. Предложенный нижегородскими инженерами новый способ сушки пиломатериалов основан на изменении физической природы механизма удаления содержащейся в древесине жидкости и влечет за собой резкое (в несколько раз) снижение удельного энергопотребления технологического оборудования. При использовании ультразвуковой технологии исчезает необходимость расхода энергии на нагрев теплоносителей, древесины, элементов конструкции сушильной камеры и т.п.
Сушка пиломатериалов известными на сегодняшний день способами (термоконвекционным, вакуумным, СВЧ-токами, аэродинамическим) требует высоких энергозатрат - 200-250 кВт/ч на кубометр. Это приводит к тому, что стоимость качественной сушки превышает стоимость древесины и стоимость ее распиловки. Традиционным способам присущи низкая производительность, возникновение дефектов древесины (коробление, растрескивание и т.п.), неоднородность остаточной влажности по длине пиломатериала ("пятнистая влажность"), а также наличие экологических проблем. Это выброс в атмосферу или "древесной" влаги, содержащей органические кислоты, щелочи, скипидар, метанол и т.п., или продуктов сгорания топлива при нагреве теплоносителя, необходимого для обогрева сушильной камеры, или опасность утечки фреона из системы охлаждения для конденсационных сушильных камер.
Современные тенденции совершенствования сушильного оборудования имеют эволюционный характер и не могут принципиальным образом устранить эти недостатки. Возможно лишь улучшение характеристик действующего оборудования на единицы или десятки процентов. Причина в том, что неизменным остается физический принцип сушки - испарение содержащейся в древесине влаги. В этом случае можно говорить только об увеличении коэффициента полезного действия всего сушильного комплекса за счет улучшения конструкции сушильной камеры, использования новых теплоизоляционных материалов, оптимизации режимов сушки и т.п.
Уникальные свойства древесины как естественного полимера, имеющего сложную капиллярную структуру, позволяют создать технологию сушки пиломатериалов без изменения агрегатного состояния содержащейся в ней влаги. При сушке ультразвуком содержащаяся в древесине влага удаляется в виде жидкости. Это в несколько раз снижает удельные энергозатраты и увеличивает производительность оборудования на 50-70%.
По результатам выполненных инновационной компанией "Промин" исследований (воздействие УЗ на свойства древесины) отмечено следующее:
- повышение качества пиломатериала (исключение коробления, растрескивания и т.п.);
- уничтожение сапрофитов и гифов, высокая стойкость к последним после сушки;
- низкое влагопоглощение после сушки;
- повышение резонансных характеристик древесины;
- повышение стойкости к гниению.
Другими важными преимуществами новой технологии являются:
- повышение производительности оборудования, резкое уменьшение его габаритов, веса и потребляемой мощности;
- улучшение экологических показателей (отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу и легкий сбор выделенной из пиломатериалов жидкости);
- возможность создания совмещенной производственной линии сушка-обработка пиломатериала и, как следствие, повышение экономических показателей процесса деревопереработки.
Выведение содержащейся в древесине влаги в виде жидкости может составить самостоятельный коммерческий интерес в отношении получении сырья для химической и парфюмерной промышленности. В настоящее время обогащенная полезными веществами и микроэлементами влага, содержащаяся в древесине, извлекается выпариванием с последующей конденсацией. Это обусловливает высокое энергопотребление и низкую производительность процесса, а также неизбежно приводит к частичной потере ценных веществ и микроэлементов (известно, что при любом фазовом переходе происходит очистка от примесей, что составляет основу многих методов получения чистых материалов).

Установка для ультразвуковой сушки пиломатериалов, модификации свойств древесины и получения сырья для химической и парфюмерной промышленности в едином технологическом процессе состоит из следующих основных блоков:
1. Рама (выполняет роль несущей конструкции).
2. Механизм протяжки пиломатериала:
- привод (эл. двигатель, редукторы, цепи, шестерни);
- валы прокатные.
3. Ультразвуковой блок:
- УЗ-генератор;
- УЗ-излучатель.
4. Механизм прижима:
- пиломатериала к УЗ-излучателю;
- приводных валов.
В установке используется конвейерный принцип подачи пиломатериала, что диктуется и физическим принципом воздействия на последний, и открывает возможность совмещения данного оборудования с деревообрабатывающим, например, со строгальным станком. Это обстоятельство позволит исключить такие операции, как штабелевание пиломатериала, его загрузка и выгрузка из сушильной камеры.
На рис. 1 показана блок-схема установки. Роль несущей конструкции в установке выполняет рама (1), на которой закреплены механизм протяжки пиломатериала (2), УЗ-излучатель (3) и механизм прижима (5).

1 - рама; 2 - механизм протяжки; 3 - УЗ-илучатель; 4 - УЗ-генератор; 5 - механизм прижима; 6 - доска; 7 - горизонтальный столик; 8 - поддон для сбора выводимой из доски жидкости.
Доска (6) с помощью механизма протяжки (2) перемещается по горизонтальному столику (7), в который вмонтирован УЗ-излучатель (3), запитываемый от УЗ-генератора (4). Для уменьшения потерь ультразвуковой волны при ее отражении от пиломатериала, используется механизм прижима (5) доски (6) к УЗ-излучателю (3). Для исключения проскальзывания пиломатериала механизм протяжки также обеспечен механизмом прижима. Распространяющаяся в древесине ультразвуковая волна приводит к выделению содержащейся там влаги в виде жидкости. Визуально это выглядит следующим образом: из движущейся по УЗ-излучателю доски вытекает жидкость.
Установка для УЗ-сушки пиломатериалов, модификации свойств древесины и получения сырья для химической и парфюмерной промышленности в едином технологическом процессе будет полностью отвечать требованиям ГОСTа и будет обеспечена полным комплектом необходимой для эксплуатации документации (описание, технологический регламент, сертификаты).

Опытный образец оборудования для ультразвуковой сушки пиломатериалов, модификации свойств древесины и получения сырья для химической и парфюмерной промышленности в едином технологическом процессе, которую разработали российские ученые, способен произвести революцию в деревообработке.

Аналогов такому оборудованию в мире нет. Его разработчик - инновационная компания "Промин" - обещает уже через год выпустить первый высокопроизводительный промышленный образец, а через два - поставить на российский рынок до 20 установок принципиально нового способа сушки пиломатериалов.

Существующие технологии, основанные на изменении агрегатного состояния воды (испарении) и отличаются только способами нагрева древесины, испарения жидкости, подведения необходимой для этой цели энергии и способами отвода газа, содержащегося в сушильной камере-несовершенны. Предложен новый способ сушки пиломатериалов основан на изменении физической природы механизма удаления жидкости, содержащейся в древесине и обеспечивает значительное (в несколько раз) снижение удельного энергопотребления технологического оборудования. При использовании ультразвуковой технологии исчезает необходимость расхода энергии на нагрев теплоносителей, древесины, элементов конструкции сушильной камеры и т.п.

Сушка пиломатериалов известными способами (термоконвективним, вакуумным, СВЧ-токами, аэродинамическим) требует высоких энергозатрат - 200-250 кВт / ч на кубометр. Это приводит к тому, что стоимость качественной сушки превышает стоимость древесины и стоимость ее распиловки. Традиционные способы имеют низкую производительность, вызывая дефекты древесины (коробление, растрескивание и т.д.), неоднородность остаточной влажности по длине пиломатериала ("пятнистая влажность"), а также вредные по экологии за выбросов в атмосферу "древесной" влаги, содержащей органические кислоты, щелочи, скипидар, метанол и др., продуктов сгорания топлива при нагреве теплоносителя, необходимого для обогрева сушильной камеры, которая также за опасности выброса фреона из системы охлаждения для конденсационных сушильных камер.

Современные тенденции совершенствования сушильного оборудования имеют эволюционный характер и не могут устранить эти недостатки. Разве что лишь улучшение характеристик действующего оборудования на единицы или десятки процентов. Причина в том, что неизменным остается физический принцип сушки - испарение влаги, содержащейся в древесине. В этом случае можно говорить только об увеличении коэффициента полезного действия всего сушильного комплекса за счет улучшения конструкции сушильной камеры, использования новых теплоизоляционных материалов, оптимизации режимов сушки и т.д.

Уникальные свойства древесины как естественного полимера, имеющего сложную капиллярную структуру, позволяют создать технологию сушки пиломатериалов без изменения агрегатного состояния влаги, содержащейся в ней. При сушке ультразвуком влага, содержащаяся в древесине, удаляется в виде жидкости. Это в несколько раз снижает удельные энергозатраты и увеличивает производительность оборудования на 50-70%.

По результатам исследований инновационной компании "Промин" о влиянии УЗ на свойства древесины, в частности выявлено: повышение качества пиломатериала (избежания коробления, растрескивания и т.д.); уничтожение сапрофитов и гифов, высокая стойкость к микроорганизмам после сушки; низкое влагопоглощение после сушки; повышение резонансных характеристик древесины; повышение стойкости к гниению.

Другими важными преимуществами новой технологии являются: повышение производительности оборудования, резкое уменьшение его габаритов, веса и потребляемой мощности; улучшения экологических показателей (отсутствие выбросов вредных веществ в атмосферу и легкий сбор выделенной из пиломатериалов жидкости); возможность создания целостной производственной линии "сушка-обработка пиломатериала "и, как следствие, повышение экономических показателей процесса деревопереработки.

Вывод влаги, содержащейся в древесине, в виде жидкости может составить самостоятельный коммерческий интерес в плане получения сырья для химической и парфюмерной промышленности. В настоящее время обогащенная полезными веществами и микроэлементами влага, содержащаяся в древесине, извлекается выпариванием с последующей конденсацией. Это предопределяет высокое энергопотребление и низкую производительность процесса, а также неизбежно приводит к частичной потере ценных веществ и микроэлементов (известно, что при любом фазовом переходе происходит очистка от примесей, что составляет основу многих методов получения чистых материалов.

В установке используется конвейерный принцип подачи пиломатериала, что диктуется и физическим принципом воздействия на последний, и открывает возможность совмещения данного оборудования с деревообрабатывающим, например, из строгальный станок. Это обстоятельство позволяет исключить такие операции, как штабелирования пиломатериала, его загрузка и выгрузка из сушильной камеры.

Установка для УЗ-сушки пиломатериалов, модификации свойств древесины и получения сырья для химической и парфюмерной промышленности в едином технологическом процессе будет полностью соответствовать требованиям нормативных документов и будет обеспечена полным комплектом необходимой для эксплуатации документации (описание, технологический регламент, сертификаты).

Владельцы патента RU 2367862:

Изобретение относится к области техники, связанной с осуществлением технологических процессов сушки различных материалов при помощи акустических колебаний ультразвуковой частоты. Изобретение может быть использовано в фармацевтической, химической и биологической промышленности, а также при переработке продукции сельского хозяйства. Предложенное устройство для ультразвуковой сушки содержит тороидальный контейнер для высушиваемого материала, который установлен в корпусе сушилки, и излучатель ультразвуковых колебаний, выполненный в виде изгибно-колеблющегося диска, размеры и форма которого выбраны из условия обеспечения заданных частоты и направленности излучения ультразвуковых колебаний. Излучатель соединен с пьезоэлектрическим преобразователем, питаемым электронным генератором ультразвуковой частоты. Внутренняя поверхность корпуса сушилки образована вращением вокруг акустической оси изгибно-колеблющегося диска двух пересекающихся осесимметричных парабол, имеющих общий фокус. Тороидальный контейнер выполнен в виде двух секций, расположенных в горизонтальной плоскости, причем одна из секций контейнера находится в области общего фокуса парабол, а вторая расположена на равном удалении от боковой стенки сушильной камеры и первой секции. Устройство должно обеспечить повышение эффективности акустического воздействия и увеличение скорости сушки. 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к технике сушки капиллярно-пористых материалов и может быть использовано для сушки биологических объектов, продуктов химической, легкой и других отраслей промышленности без повышения температуры и разрушения структуры продуктов и веществ.

В настоящее время для сушки большинства продуктов пищевого и фармацевтического назначения используют конвективный способ, заключающийся в том, что сухой воздух прогревается с использованием встроенного нагревательного элемента, нагретый воздух с помощью вентилятора направляется в барабан (технологический объем) сушилки, проходит через высушиваемый материал, увлажняется, затем вне пределов барабана охлаждается с помощью холодной воды или воздуха. Процесс длится столько времени, сколько нужно для высыхания материала .

Современная сушка в технологическом оформлении используемых сушилок характеризуется следующими недостатками :

1) процесс чрезвычайно энергоемок и длителен;

2) сушилки не могут быть малогабаритными, так как это уменьшает воздушный объем в барабане, что, с одной стороны, ограничивает скорость процесса, а с другой, увеличивает его себестоимость;

3) высокая температура приводит к пересыханию и порче биологических объектов. Для исключения этого момента необходимо снабжать сушилку «умной» и дорогой электронной системой контроля температуры высушиваемого материала, что значительно увеличивает стоимость сушилки.

Приведенные недостатки объясняются не низким уровнем проработанности конструктивных решений, а недостатками положенного в основу метода - конвективной сушки. Перспективным вариантом замены или дополнения конвективного способа сушки является сушка в акустических полях высокой интенсивности, что связано со следующими достоинствами метода:

1) высокая интенсивность процесса;

2) возможность обеспечения качественной и эффективной сушки при низких температурах или принципиально без повышения температуры (исключение разрушения структуры, сохранение всхожести зерна и т.п.);

3) возможность разработки самонастраивающихся ультразвуковых генераторов, что не требует пользовательского контроля над работой системы.

Вышеперечисленные достоинства объясняют большой интерес к технологии ультразвуковой сушки. Однако попытки практической реализации процесса ультразвуковой сушки сталкиваются с рядом технологических сложностей:

1) необходимость создания акустических колебаний в воздушной среде с интенсивностями более 140 дБ;

2) необходимость создания сушильной камеры, обеспечивающей равномерное воздействие акустических колебаний по всему высушиваемому материалу.

В настоящие время при создании устройств для акустической сушки эти проблемы решают путем использования аэродинамических излучателей и создания сушильных камер, как правило, в виде протяженного канала прямоугольной формы. Примером такой сушильной установки может служить известное устройство для сушки капиллярно-пористых сыпучих материалов . Это устройство представляет собой сушильную камеру, выполненную в виде канала-звукопровода, с одного торца которого расположен излучатель звука, с противоположного - звукопоглощающий материал.

Это устройство позволяет осуществлять процесс акустической сушки материалов, однако ему присущи некоторые недостатки:

1) использование в качестве источника звука газоструйного излучателя, обладающего следующими недостатками:

а) низкий КПД, не превышающий 20%;

б) быстрый износ механических узлов;

в) невозможность работы на высоких частотах (более 20 кГц) и, как следствие, необходимость защиты обслуживающего персонала от акустического излучения (в описываемом устройстве использована частота 150 Гц);

г) необходимость подвода сжатого воздуха высокого давления, для чего необходимо использование компрессора;

д) большие массогабаритные характеристики, исключающие возможность создания малогабаритной сушилки;

2) неоптимальная форма сушильной камеры, выполненная в виде протяженного канала прямоугольной формы, приводящая к низкой эффективности использования акустической энергии и отсутствию фокусирования акустических колебаний на высушиваемом материале;

3) применение на тыльном торце сушильной камеры заглушки-звукопоглотителя, приводящее к тому, что реализуется режим бегущей волны и до 80% акустической энергии поглощается в звукопоглотителе и не участвует в процессе сушки (согласно описанию устройства интенсивность у поглотителя всего на 5-6 дБ ниже, чем у излучателя, следовательно, если, как указано в описании, в устройстве реализуется режим бегущей волны, то на сушку затрачивается не более 5 дБ, остальное поглощается в поглотителе).

Все перечисленные недостатки снижают эффективность акустического воздействия и не обеспечивают приемлемой скорости сушки.

Недостатки известного устройства были частично устранены устройством для осуществления сушки капиллярно-пористых материалов, приятым за прототип , содержащим тороидальный сетчатый контейнер для высушиваемого материала, установленный в корпусе сушилки, и излучатель акустических колебаний ультразвуковой частоты.

При реализации процесса сушки при помощи устройства по за счет специальной формы сушильной камеры обеспечивается фокусировка ультразвуковых колебаний на высушиваемом материале, благодаря чему повышается скорость и равномерность сушки. Однако в устройстве только частично устранены существенные недостатки известных устройств акустической сушки (например, использование в качестве источника ультразвуковых колебаний газоструйного излучателя). Прототипу свойственны и другие недостатки:

1) малые объемы высушиваемого материла, обусловленные необходимостью размещения высушиваемого материала в области фокусирования;

2) невозможность осуществления «деликатной» сушки, вызванная необходимостью подачи в сушильную камеру больших объемов воздуха для работы газоструйного излучателя;

3) низкий КПД сушилки из-за использования газоструйного излучателя (КПД не превышает 20%).

Таким образом, устройство, принятое за прототип, не позволяет реализовать процесс сушки с максимальной эффективностью.

Предлагаемое техническое решение устройства ультразвуковой сушки состоит из тороидального сетчатого контейнера для высушиваемого материала, установленного в корпусе сушилки, и излучателя акустических колебаний ультразвуковой частоты. При этом излучатель ультразвуковых колебаний выполнен в виде изгибно-колеблющегося диска, размеры и форма которого выбраны из условия обеспечения заданных частоты и направленности излучения ультразвуковых колебаний. Излучатель соединен с пьезоэлектрическим преобразователем, питаемым электронным генератором ультразвуковой частоты. Внутренняя поверхность корпуса сушилки образована вращением вокруг акустической оси изгибно-колеблющегося диска двух пересекающихся осесимметричных парабол, имеющих общий фокус. Тороидальный контейнер выполнен в виде двух секций, расположенных в горизонтальной плоскости, причем одна из тороидальных секций контейнера находится в области общего фокуса парабол, а вторая расположена на равном удалении от боковой стенки сушильной камеры и первой секции.

В предлагаемом устройстве ультразвуковой сушки задача повышения эффективности акустического воздействия и увеличения скорости сушки решается за счет:

1) создания сушильной камеры специальной формы, обеспечивающей формирование оптимального акустического поля, фокусирования ультразвуковых колебаний в высушиваемом сырье и формирование режима стоячей волны, что позволяет обеспечить наиболее полное использование энергии ультразвуковых колебаний;

2) использования в качестве источника ультразвуковых колебаний пьезоэлектрической ультразвуковой колебательной системы с излучателем в виде изгибно-колеблющегося диска, позволяющего формировать равномерно ультразвуковое излучение на большой площади.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется фиг.1, на которой схематично представлено предлагаемое устройство ультразвуковой сушки. Предлагаемое устройство состоит из излучателя ультразвуковых колебаний в виде изгибно-колеблющегося диска 1, размеры и форма которого выбраны из условия обеспечения заданных частоты и направленности излучения ультразвуковых колебаний, соединенного с пьезоэлектрическим преобразователем 2, установленным в корпусе сушилки. Пьезоэлектрический преобразователь питается от генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты (на фиг.1 не показан). Корпус сушилки состоит из верхней 3 и нижней 4 секций. Верхняя секция выполнена съемной и предназначена для загрузки высушиваемого материала. В корпусе сушилки также расположен контейнер для высушиваемого материала, состоящий из двух тороидальных секций. Одна из тороидальных секций 5 контейнера расположена в области общего фокуса парабол. Вторая секция 6 контейнера расположена на равном расстоянии а от боковой стенки сушильной камеры и первой секции. При этом желательно, чтобы габаритные размеры сушилки выбирались из условия обеспечения минимума расстояния а.

В предлагаемом варианте сушильной камеры процесс сушки осуществляется следующим образом. Обе тороидальные секции контейнера заполняют высушиваемым материалом. Затем контейнер с высушиваемым материалом помещают в корпус сушилки и осуществляют воздействие ультразвуковыми колебаниями до момента удаления необходимого количества влаги. При генерировании изгибно-колеблющимся диском плоской волны распределение ультразвуковых колебаний внутри сушильной камеры примет вид, показанный на фиг.2 стрелками. Изгибно-колеблющийся диск излучает ультразвуковые колебания в обе стороны относительно своей плоскости, которые отражаются от внутренней ветви параболы, образующей поверхность корпуса сушилки, и фокусируются в высушиваемом материале. Часть ультразвуковых колебаний, отраженных от высушиваемого материала, расположенного в первой тороидальной секции контейнера, попадает на внешнюю ветвь параболы, отражаясь от которой, равномерно распределяется по высушиваемому материалу, расположенному во второй тороидальной секции контейнера. При выборе расстояния b1+b2+b3+b4, кратном длине волны ультразвуковых колебаний в воздушной среде, будет обеспечиваться режим стоячей волны, который является самым энергетически выгодным режимом ультразвукового воздействия. Благодаря выполнению внутренней поверхности корпуса сушилки в виде параболы расстояние b1+b2+b3+b4 будет равным для каждой точки поверхности изгибно-колеблющегося диска и контейнера с высушиваемым материалом. В результате будет обеспечена равномерность высушивания материала по всему объему.

На фиг.3 показана конструктивная схема ультразвуковой сушилки, реализованная на практике. Для повышения эффективности электроакустического преобразования пьезоэлектрический преобразователь выполнен в виде трехполуволновой ультразвуковой колебательной системы с концентратором 7 . Для повышения эффективности сушки система снабжена устройствами подачи 8 и отвода 9 сушильного воздуха. Разработанная сушильная камера позволяет реализовать следующие режимы сушки: конвекционно-ультразвуковую, вакуумно-ультразвуковую и сушку с попеременным изменением давления в сушильной камере. Разработанная сушильная камера имеет следующие технические характеристики: интенсивность формируемых акустических колебаний, не менее 140 дБ; частота колебаний, генерируемых изгибно-колеблющимся дисковым излучателем 22 кГц; максимальная амплитуда (размах амплитуды) колебаний дискового излучателя 100 мкм; диаметр излучающего диска колебательной системы не более 250 мм; материал дискового излучателя и концентратора - титановый сплав; диаметр сушильной камеры 750 мм; материал сушильной камеры - металл; интенсивность акустических колебаний в сушильной камере (при интенсивности излучения 140 дБ) не менее 150 дБ; максимальная загрузка сушильной камеры 15 кг.

Для определения эффективности созданной конструкции сушильной камеры были проведены экспериментальные исследования, при которых использовался дисковый излучатель с потребляемой электрической мощностью 200 Вт. Температура в сушильной камере поддерживалась на уровне 23-26°С, влажность 50-65%. Дополнительная подача и отвод сушильного воздуха не использовались, т.е. для подтверждения эффективности использовался самый нерациональный способ сушки.

Были проведены две серии экспериментов. Время сушки принималось равным 160 минутам. В первой серии экспериментов в качестве высушиваемого материала использовался размоченный в воде желатин. Результаты сушки приведены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты сушки желатина
Время, мин	Масса, г	Скорость, г/мин	Влагосодержание, %
10	4709		172,04
20	4413	29,6	154,94
30	4125	28,8	138,30
40	3843	28,2	122,01
50	3670	17,3	112,02
60	3386	28,4	95,61
70	3192	19,4	84,40
80	3027	16,5	74,87
90	2868	15,9	65,68
100	2732	13,6	57,83
110	2614	11,8	51,01
120	2513	10,1	45,18
130	2428	8,5	40,27
140	2349	7,9	35,70
150	2277	7,2	31,54
160	2221	5,6	28,31

Таким образом, после 160 минут сушки желатина его конечное влагосодержание составило 28,31%, при этом энергозатраты составили 0,6 кВт. При использовании ультразвуковой сушилки с газоструйным преобразователем для высушивания такого же количества желатина потребовалось 230 минут при энергозатратах в 2,3 кВт.

Во второй серии экспериментов осуществлялся процесс сушки моркови. Результаты экспериментов приведены в таблице 2.

Таблица 2 Результаты сушки моркови
Время, мин	Масса, г	Влажность, %	Скорость, г/мин
10	1509	601,43
20	1464	579,74	4,5
30	1425	561,53	3,8
40	1388	543,89	3,7
50	1349	525,34	3,9
60	1310	506,75	3,9
70	1274	489,78	3,6
80	1239	472,61	3,6
90	1205	456,35	3,4
100	1168	439,04	3,6
110	1137	424,20	3,1
120	1105	409,03	3,2
130	1075	395,20	2,9
140	1047	381,88	2,8
150	1023	370,33	2,4
160	996	357,06	2,8

После сушки моркови ее влагосодержание уменьшилось приблизительно в два раза, при этом энергозатраты составили 0,6 кВт. При использовании ультразвуковой сушилки с газоструйным преобразователем для высушивания такого же количества желатина потребовалось 300 минут при энергозатратах в 3 кВт.

Приведенные значения показывают эффективность предлагаемого технического решения и перспективность его применения в качестве промышленных и малогабаритных коммерческих сушильных установок.

Мелкосерийное производство разработанного устройства для ультразвуковой сушки планируется начать в 2009 году.

Список литературы

1. Физические основы ультразвуковой технологии [Текст] / под ред. Л.Д.Розенберга. - М.: Наука, 1969. - 689 с.

2. Хмелев В.Н. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности [Текст] / В.Н.Хмелев, А.В.Шалунов [и др.]. - Барнаул: АлтГТУ, 2007. - 416 с.

3. Патент РФ №2095707.

4. Патент РФ №2239137 - прототип.

5. Khmelev V.N. High Power Ultrasonic Oscillatory Systems / V.N.Khmelev, S.V.Levin, S.N.Tsyganok, A.N.Lebedev //International Workshop and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM"2007: Workshop Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2007. - P.293-298.

Устройство для ультразвуковой сушки, содержащее тороидальный сетчатый контейнер для высушиваемого материала, установленный в корпусе сушилки и излучатель акустических колебаний ультразвуковой частоты, отличающееся тем, что излучатель ультразвуковых колебаний выполнен в виде изгибно-колеблющегося диска и соединен с пьезоэлектрическим преобразователем, питаемым электронным генератором ультразвуковой частоты, внутренняя поверхность корпуса сушилки образована вращением вокруг акустической оси изгибно-колеблющегося диска двух пересекающихся осесимметричных парабол, имеющих общий фокус, а тороидальный контейнер выполнен в виде двух секций, расположенных в горизонтальной плоскости, причем одна из тороидальных секций контейнера находится в области общего фокуса парабол, а вторая расположена на равном удалении от боковой стенки сушильной камеры и первой секции.

Изобретение относится к акустическому способу сушки любых капиллярно-пористых материалов звуковыми колебаниями высокой интенсивности и может быть использовано во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства, где требуется осушение материалов объемом, измеряемым десятками кубических метров. Сушильная камера изготавливается из тяжелых материалов с высоким акустическим сопротивлением (например, бетона), со стенами достаточной толщины, обеспечивающими минимальное проникновение звуковых колебаний, которые, отражаясь от стен, конструкций и осушаемого материала внутри камеры, увеличивают долю акустической энергии, воздействующую на осушаемый материал. На одной из стен камеры установлен мощный источник звука, создающий звуковое поле интенсивностью 160-170 дБ в диапазоне 70-15000 Гц. На стене камеры, противолежащей источнику звука, установлен отражатель. Использованием вентиляции обеспечивают необходимые параметры воздухообмена в камере, что позволяет обеспечить достижение минимального времени сушки и недопущение образования в осушаемом материале зон, препятствующих диффузии и испарению влаги, регулированию подлежит скорость потока воздуха у поверхности материала в сушильной камере, его температура и влажность с целью уравнивания скоростей испарения и диффузии влаги материала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Удаление влаги из материала под влиянием интенсивных акустических колебаний

Анимация

Описание

Ультразвуковая сушка - удаление влаги из материала под влиянием интенсивных акустических колебаний. В значительной мере эффективность ультразвуковой сушки связана с ускорением процессов теплообмена в ультразвуковом поле. При этом высушиваемый материал подвергается со стороны газовой среды воздействию ультразвукового поля с уровнем интенсивности і 145 дБ, создаваемого обычно газоструйными излучателями.

Механизм воздействия упругих волн на влагу зависит от агрегатного состояния материала, его влажности, размера частиц высушиваемого материала, типа связи влаги с ним и характеристик акустического поля.

При очень высокой влажности (влагосодержании) капиллярно-пористых материалов (200-500%) имеет место чисто механическое удаление влаги, которое сводится к своеобразному "вытряхиванию" жидкости из капилляров. Это происходит вследствие дробления капель при возникновении у поверхности материала сильных акустических потоков и появления капиллярных волн. В известной степени эти процессы аналогичны процессам, протекающим при ультразвуковом распылении, с той разницей, что в последнем случае энергия ультразвуковых колебаний подводится со стороны жидкости. Механическое воздействие зависит от интенсивности акустической волны, сильно возрастая при увеличении ее уровня выше 165 дБ и ослабевает с появлением частоты; наиболее сильно оно проявляется в пучностях скорости стоячей волны, где акустические потоки максимальны.

При умеренной влажности капиллярно-пористого материала (10-70%) воздействие акустических колебаний на процесс сушки проявляется с высокой и малой степенью интенсификации на первой и второй стадии, соответственно.

Первая стадия, характеризуемая постоянной скоростью сушки, отличается тем, что удаляемая с поверхности высушиваемого материала влага непрерывно восполняется поступающей из его внутренних слоев. Скорость сушки определяется в этой стадии градиентом концентрации жидкости в диффузионном пограничном слое. Под воздействием ультразвука процесс испарения жидкости с поверхности резко ускоряется, поскольку во влажной поверхности возникают акустические потоки, вызывающие деформацию диффузионного пограничного слоя при этом слой становится тоньше, градиент концентрации растет, что и приводит к ускорению удаления влаги с поверхности. Существенное влияние акустических потоков в первый период сушки связано с относительно малой толщиной их пограничного слоя. Сравнение ультразвуковой сушки с конвективной при постоянном обдуве поверхности материала показывает, что даже когда скорость акустических потоков сравнима со скоростью постоянного потока воздуха при обдуве, ультразвуковая сушка протекает значительно быстрее ввиду того, что толщина пограничного слоя для акустических потоков меньше, чем толщина гидродинамического пограничного слоя (последняя приблизительно равна толщине диффузионного пограничного слоя).

Процесс акустического воздействия в первой стадии сушки начинается с некоторого порогового значения звукового давления р cr , зависящего от конфигурации тела, типа возникающих акустических потоков и разности концентраций жидкости (т.е. различия влажности) на поверхности материала С м и в окружающей среде . Например, для порошкообразных материалов с условно-сферическими частицами диаметром d меньшим, чем длина звуковой волны:

где r с - волновое сопротивление газовой среды;

g - ускорение свободного падения;

r - плотность газа.

Обычно критический уровень звукового давления лежит в пределах (130-140 дБ). Диапазон применяемых частот зависит от многих факторов, но определяется главным образом затуханием звука в среде и допустимыми нормами шума работающего оборудования 8-18 кГц.

Вторая стадия сушки, обозначаемая обычно как период падающей скорости, характеризуется малой влажностью материала и слабым поступлением жидкости изнутри, в связи с чем не восполняется ее убыль на поверхности и воздействие акустических колебаний сводится к увеличению коэффициента диффузии жидкости в результате ее нагрева при поглощении ультразвука в макрокапиллярах и порах. Однако нагрев материала в звуковом поле невелик и увеличение коэффициента диффузии не превышает 100-200% и существенного ускорения сушки на этой стадии не наблюдается.

Применение ультразвука наиболее эффективно в период постоянной скорости сушки, т.е. в первой стадии.

К достоинству ультразвуковой сушки относится возможность ускорения процесса в 2-6 раз без существенного повышения температуры материала, что особенно важно при сушке легко окисляющихся термочувствительных продуктов.

Наиболее целесообразна ультразвуковая сушка для мелкодисперсных материалов, находящихся в процессе озвучивания во взвешенном состоянии или в состоянии непрерывного перемешивания, т.к. при этом мало значение Р cr и обеспечивается равномерная обработка продукта. Скорость сушки понижается с увеличением толщины обрабатываемого слоя.

Временные характеристики

Время инициации (log to от 0 до 1);

Время существования (log tc от 1 до 6);

Время деградации (log td от 0 до 1);

Время оптимального проявления (log tk от 1 до 5).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Ультразвуковая сушка порошкообразного материала

Рис. 1

Обозначения:

1 - мелкодисперсная среда;

2 - излучатель;

3 - ультразвуковая ванна.

Для реализации ультразвуковой сушки стандартную лабораторную ультрезвуковую ванну заполнить тонким (порядка сантиметра) слоем влажного порошка (хорошо пойдет кварцевый песок). Над частью поверхности слоя на расстоянии порядка 1 см расположить плоский ультразвуковой излучатель (магнитострикционный или пьезокерамика). Включить излучатель. Убедиться, что попрошок в зоне его облучения сохнет быстрее, чем вне ее.

Применение эффекта

Ультразвуковая сушка является специфической разновидностью процесса сушки, используемого при реализации многих технологических процессов в промышленности, сельском хозяйстве и строительстве.

Особенность ультразвуковой сушки обусловлена достаточно высокой стоимостью используемой энергии и низким КПД (20-25%) излучателей, работающих в газовых средах. Именно поэтому она применяется главным образом при производстве дорогостоящих биологических и фармацевтических препаратов, в частности, термочувствительных порошков из антибиотиков, гормональных препаратов и т.д.

В последние годы проводятся работы в направлении использования ультразвуковой сушки при обезвоживании угольной пыли, сушке зерновых, в производстве сухого молока и т.д. Для сушки применяются ультразвуковые сушилки, которые, как правило, отличаются от традиционных конвективных сушилок лишь тем, что в них в месте расположения продукта с помощью газоструйного излучателя того или иного типа создается мощное акустическое поле. При сушке наиболее эффективны сушилки с "кипящим" слоем, туннельные, распылительные и барабанные.

Литература

1.Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой.- М.: Советская Энциклопедия, 1979.