УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СУШКИ ПТИЧЬЕГО ПОМЕТА

Техническое решение - полезная модель относится к области сельского хозяйства, а именно к производству обеззараженных органических удобрений путем сушки влажного птичьего помета.
На сегодняшний день задача переработки птичьего помета с целью производства удобрений решается путем сушки в установках барабанного типа с конвективным способом подачи нагретого сушильного агента [1-4]. Устройства для сушки птичьего помета содержат сушильный барабан цилиндрической формы, вращающийся вокруг продольной оси, внутри которого жестко закреплено перемешивающее устройство, выполненное в виде вала с установленными на нем лопастями со скребками в виде отрезков с профилем винтовой линии [1]. В передней части барабана расположен узел загрузки влажного помета, а в задней - узел выгрузки готового продукта.
Основным недостатком известных устройств является низкая эффективность процесса сушки из-за малого времени пребывания помета в сушильном барабане. Это приводит к тому, что на выходе сушильной установки помет имеет повышенную влажность (требуется проводить повторный цикл сушки), и не обеспечивается обеззараживание (малое время действия нагретого воздуха) помета после сушки.
Известно также устройство [2], содержащее внутренний перфорированный барабан, заключенный во внешний цилиндрический корпус, и вращающийся транспортирующий орган с винтовой поверхностью, расположенный в зазоре между корпусом и барабаном. При этом нагретый воздух поступает во внутренний объем перфорированного барабана, а высушиваемый помет - в зазор между корпусом и барабаном и по внешней поверхности барабана перемещается к выгрузному окну.
Однако, частично устраняя недостатки известных устройств, описанное устройство для сушки помета:
- характеризуется малой долей использования полезного объема сушильной камеры, т.к. процесс сушки происходит только в области между внешним корпусом и внутренним барабаном, при этом вся внутренняя полость барабана используется только для равномерного распределения теплоносителя;
- использует прямоточный способ подачи сушильного агента аналогично патенту [3], при котором не обеспечивается обезвоживание помета в рациональном режиме, поскольку подаваемый сушильный агент на входе в барабан увлажняется при взаимодействии с пометом высокой начальной влажности и не обеспечивает дальнейшую эффективную сушку по мере продвижения по сушильному барабану.
Частично указанные недостатки устраняются в устройстве для сушки птичьего помета, наиболее близком к предлагаемому техническому решению и принятом за прототип [4].
Устройство для сушки птичьего помета, принятое за прототип, содержит два объема цилиндрической формы разного диаметра, размещенных соосно и механически соединенных между собой для обеспечения совместного вращения вокруг продольной оси. Барабаны снабжены шнеками, закрепленными на их внутренней поверхности и имеющими противоположную навивку. Для осуществления процесса сушки устройство снабжено узлами загрузки и разгрузки помета и патрубками подачи и отвода сушильного агента.
В устройстве принятом за прототип нагретый сушильный агент подается в противотоке относительно высушиваемого материала, что обеспечивает наилучшие условия для протекания процесса тепло- и массообмена, по сравнению с патентами [2, 3]. При этом, рабочий объем внутреннего барабана устройства также используется для сушки помета. Использование двух барабанов увеличивает не менее, чем в 2 раза время пребывания высушиваемого помета в рабочем объеме сушильной установки и повышает эффективность сушки.
Устройство, принятое за прототип, позволяет частично устранить недостатки известных устройств и производить процесс сушки птичьего помета, однако также имеет следующие недостатки:
1. Практическая реализация прототипа связана с необходимостью нагрева сушильного агента до высокой температуры (600-650°C), что обуславливает значительные энергозатраты на процесс сушки.
2. Поскольку процесс сушки осуществляется при высокой температуре сушильного агента, то происходит не только уничтожение патогенной микрофлоры, но и разрушение содержащихся в помете полезных для растений органических веществ. В результате ухудшается качество получаемого продукта и, как следствие, значительно уменьшается прирост урожайности, обеспечиваемый внесением переработанного (высушенного) птичьего помета. Это делает экономически не целесообразным применение устройства при переработке птичьего помета в удобрение.
3. Влажный помет в прототипе сразу попадает на поверхность внутреннего сушильного объема, нагретого входящим сушильным агентом до высокой температуры, в результате чего прилипает к поверхности сушильного объема и покрывается сухой корочкой, затрудняющей равномерное его просушивание.
Предлагаемое техническое решение - полезная модель, направлено на устранение недостатков существующих устройств, а именно, на обеспечение возможности низкотемпературной (не более 90°C) и энергоэффективной сушки влажного птичьего помета для производства органических удобрений, сохраняющих полезные вещества, необходимые растениям, за счет использования комбинированного термо-акустического воздействия.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном устройстве для сушки птичьего помета, содержащем два объема цилиндрической формы разного диаметра, размещенных соосно и механически соединенных между собой для обеспечения совместного вращения вокруг продольной оси, присоединение внешнего сушильного объема к внутреннему произведено при помощи многополуволновых волноводов ультразвуковых колебательных систем, расположенных на внешней поверхности внешнего объема. Присоединение к внутренней поверхности внешнего объема выполнено в плоскости волновода, соответствующей минимальной амплитуде колебаний, а к внешней поверхности внутреннего объема в плоскости волновода с максимальной амплитудой колебаний. Количество и рабочая частота ультразвуковых колебательных систем выбираются из условия обеспечения их крепления к внутреннему объему на расстояниях, кратных половине длины волны изгибных ультразвуковых колебаний в материале стенки внутреннего объема. На обоих торцах внешнего сушильного объема установлены излучатели ультразвуковых колебаний, выполненные в виде изгибно-колеблющихся дисков механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями. Диаметр дисков равен диаметру внутреннего барабана, а расстояние между дисками выбрано из обеспечения условий резонансного усиления излучаемых ультразвуковых колебаний. Между преобразователями и излучателями установлены отражатели ультразвуковых колебаний, выполненные в виде центральных конусов с углом раскрытия в 90 градусов и диаметрами основания, равными диаметру излучателя, встречно направленные вершинами к торцам внешнего сушильного объема, дополненные усеченными расходящимися конусами с внутренними диаметрами, соответствующими диаметрам основания центральных конусов и внешними диаметрами, соответствующими диаметру внешнего сушильного объема с углом раскрытия в 90 градусов.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении задача реализации низкотемпературной сушки помета, сохранения его полезных свойств и снижения энергоемкости процесса решается за счет:
- бесконтактного воздействия ультразвуковыми колебаниями на частоте более 20 кГц, безопасной для человека, и с интенсивностью в диапазоне 135-155 дБ, обеспечивающей возможность реализации процесса сушки без нагрева высушиваемого материала, и характеризующегося стерилизационным эффектом, который способствует снижению патогенной микрофлоры, содержащейся в помете;
- резонансного усиления ультразвуковых колебаний во внешнем и внутреннем объемах сушильной камеры, обеспечиваемого путем выбора расстояния между дисковыми излучателями, кратным половине длине волны ультразвуковых колебаний в воздухе;
- крепления ультразвуковых колебательных систем к внутреннему объему сушилки на расстояниях друг от друга, кратных половине длины волны изгибных ультразвуковых колебаний в материале стенки внутреннего объема, что обеспечивает контактное ультразвуковое воздействие, позволяющее на начальной стадии процесса сушки удалять влагу из высушиваемого помета (без ее перевода в газообразное состояние) путем ее механического выбивания из высушиваемого помета. За счет этого обеспечивается снижение энергозатрат на процесс сушки;
- использования сушильного агента, нагретого до температуры не более 90°C, что позволяет сохранить ценные вещества, содержащиеся в помете, и сократить энергозатраты на нагрев воздуха.
Кроме того, благодаря применению отражателей, воздействие на высушиваемый помет осуществляется одновременно колебаниями, создаваемыми обеими сторонами плоского излучателя. Поскольку диаметр дискового излучателя равен диаметру внутреннего объема, то колебания, создаваемые стороной излучателя, обращенной к внутреннему объему, воздействуют только на помет, находящийся во внутреннем объеме.
При этом колебания, создаваемые стороной излучателя, обратной по отношению к внутреннему объему, направляют в пространство между внутренним и внешним объемами после отражения и прохождения расстояния, превосходящего продольный размер излучателя на величину, кратную половине длины волны излучаемых ультразвуковых колебаний в воздухе.
Таким образом, обеспечивается равномерность ультразвукового воздействия по всему сушильному объему с излучающей поверхности, превосходящей площадь непосредственно излучателя как минимум вдвое.
Суть предлагаемого технического решения поясняется фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3. На фиг. 1 схематично представлена конструкция предлагаемого устройства. На фиг. 2 схематично представлено применение отражателей, обеспечивающих воздействие на высушиваемый помет одновременно колебаниями, создаваемыми обеими сторонами плоского излучателя. На фиг. 3 представлены результаты экспериментальных исследований, подтверждающих функциональные возможности и эффективность устройства при сушке помета.
Устройство для сушки птичьего помета (фиг 1.) содержит два объема цилиндрической формы разного диаметра 1 и 2, размещенных соосно и механически соединенных между собой для обеспечения совместного вращения вокруг продольной оси. Присоединение внешнего сушильного объема 1 к внутреннему 2 произведено при помощи многополуволновых волноводов ультразвуковых колебательных систем 3 [5].
Колебательные системы 3 расположены на внешней поверхности внешнего объема 1 и присоединены к его внутренней поверхности в плоскости волновода, соответствующей минимальной амплитуде колебаний, а к внешней поверхности внутреннего объема 2 - в плоскости волновода с максимальной амплитудой колебаний. Количество и рабочая частота ультразвуковых колебательных систем 3 выбираются из условия их крепления к внутреннему объему 2 на расстояниях, кратных половине длины волны изгибных ультразвуковых колебаний в материале стенки внутреннего объема 2.
На обоих торцах внешнего сушильного объема 1 установлены излучатели ультразвуковых колебаний, выполненные в виде изгибно-колеблющихся дисков 4, механически и акустически связанных с пьезоэлектрическими преобразователями [6]. Диаметр дисков равен внутреннему диаметру внутреннего сушильного объема 2, а расстояние между дисками выбрано из обеспечения условий резонансного усиления излучаемых ультразвуковых колебаний.
Между преобразователями и излучателями установлены отражатели (фиг. 2) ультразвуковых колебаний 5, выполненные в виде центральных конусов с углом раскрытия в 90 градусов и диаметрами основания, равными диаметру излучателя, встречно направленные вершинами к торцам внешнего сушильного объема 1.
Центральные конусы отражателя 5 дополнены усеченными расходящимися конусами с внутренними диаметрами, соответствующими диаметрам основания центральных конусов и внешними диаметрами, соответствующими диаметру внешнего сушильного объема 1, с углом раскрытия в 90 градусов.
Устройство для сушки помета располагается в горизонтальном положении и удерживается опорами 6, содержащими ролики 7 для обеспечения возможности вращения внешнего цилиндрического объема 1.
Предложенное устройство работает следующим образом: внешний цилиндрический объем 1 совместно с жестко связанным внутренним цилиндрическим объемом 2 приводятся во вращение при помощи внешнего электродвигателя (на фиг. 1 не показан). Нагретый до температуры 90°C сушильный агент (воздух) подается в рабочее пространство между внутренним 2 и внешним 1 цилиндрическими объемами.
Двигаясь в этом пространстве (и постепенно остывая и увлажняясь за счет взаимодействия с высушиваемым пометом) воздух достигает отражателя 5 ультразвукового излучателя дискового типа 4, расположенного на противоположной стороне внешнего цилиндрического объема 1. Здесь воздушный поток меняет направление и перемещается в область внутреннего цилиндрического объема 2, где воздух окончательно остывает и увлажняется за счет взаимодействия с исходным пометом высокой начальной влажности (около 75%). Отработанный воздух выводится в атмосферу через патрубок отвода отработанного сушильного агента.
Одновременно с этим на ультразвуковые колебательные системы 3 и ультразвуковые излучатели дискового типа 4 подается электрическое напряжение, обеспечивающее генерацию ультразвуковых колебаний.
Влажный помет через узел загрузки помета подается во внутренний цилиндрический объем 2.
При продвижении помета по внутреннему цилиндрическому объему 2 происходит постепенное снижение влажности помета за счет взаимодействия с ультразвуковым полем во внутреннем цилиндрическом объеме 2, контактного воздействия с колеблющимися на ультразвуковой частоте стенками внутреннего цилиндрического объема 2 и нагретым воздухом, перемещающимся во внутреннем цилиндрическом объеме 2.
Для осуществления контактного воздействия используются ультразвуковые колебательные системы 3, возбуждающие механические ультразвуковые колебания на корпусе внутреннего цилиндрического объема 2. Механические колебания внутреннего цилиндрического объема 2 контактным способом передаются на высушиваемый куриный помет высокой (около 75%) начальной влажности. За счет этого происходит его дополнительная высокоэффективная контактная сушка и механическое выбивание влаги, которая удаляется сушильным агентом.
Для создания ультразвукового поля в сушильной газовой среде, используются два встречно-расположенных ультразвуковых излучателя 4 дискового типа. Поскольку ультразвуковые излучатели дискового типа 4 обеспечивают излучение колебаний как лицевой (направленной в сторону внутреннего пространства цилиндрических объемов 1 и 2), так и обратной сторонами, то с обратной стороны ультразвуковых излучателей дискового типа 4 установлены отражатели 5, выполненные в виде двух усеченных конусов.
После прохождения внутреннего цилиндрического объема 2 помет пересыпается на внешний цилиндрический объем 1 и продолжает движение в обратном направлении навстречу потоку сушильного агента.
Поскольку внешняя поверхность внутреннего цилиндрического объема 2 также совершает механические колебания с ультразвуковой частотой, то при попадании помета на внешнюю поверхность внутреннего цилиндрического объема 2 также происходит его высокоэффективная контактная сушка. Кроме того, сам внутренний цилиндрический объем 2 становится источником ультразвуковых колебаний, излучаемых в рабочее пространство между внутренним 2 и внешним 1 цилиндрическими объемами, а также в пространство внутреннего цилиндрического объема 2.
В результате в пространстве между внешним 1 и внутренним 2 цилиндрическими объемами помет также подвергается энергетическому воздействию трех видов: бесконтактное ультразвуковое воздействие, контактное ультразвуковое воздействие, термическое воздействие нагретого сушильного агента.
Двигаясь по внешнему цилиндрическому объему 1, высушенный помет достигает узла выгрузки высушенного помета. Здесь происходит удаление высушенного помета из сушильной установки, например, при помощи шлюзового затвора (на фиг. 1 не показан).
Устройство для ультразвуковой сушки можно применять как автономно, так и в составе технологических линий для переработки птичьего помета.
Разработанное устройство имеет следующие технические характеристики:
Начальная влажность помета, %
75
Частота ультразвуковых колебаний, кГц
22±1
Производительность, кг помета/час, не менее
1000
Температура сушильного агента, °C, не более
90
Максимальная мощность, потребляемая источниками ультразвуковых колебаний, кВт
5,7
Напряжение питающей сети с частотой 50 Гц источников ультразвуковых колебаний, В
220±22
Габаритные размеры (Ш×Г×В), мм
5500×2100×1900
В результате экспериментальных исследований (фиг. 3.) было установлено, что разработанная сушильная установка обеспечивает производительность сушки до 1000 кг помета/час при конечной влажности 20% (влажность товарного помета используемого для производства удобрений). Сравнительные испытания созданной сушилки в сравнении с сушилкой, аналогичной прототипу, показали, что при равной производительности энергозатраты на процесс сушки снижаются не менее, чем в 7 раз, за счет снижения температуры сушильного агента с 650°C до 90°C и применения контактного и бесконтактно ультразвукового воздействия.
Предложенное устройство было разработано и испытано в производственных условия предприятия ООО «Центр ультразвуковых технологий». Устройство готовится для промышленного применения.
Список литературы, использованной при составлении заявки
1. Способ и установка для утилизации птичьего помета [Текст]: патент 2447045 РФ: МПК C05F 3/00; C05F 3/06; B09B 3/00 / Шаповалов Ю.Н., Ульянов А.Н., Корчагин В.И., Протасов А.В.; патентообладатель: Ульянов А.Н.; заявка №2010143469/13 от 26.10.2010. Опубликовано: 10.04.2012.
2. Устройство для сушки помета [Текст]: патент 91148 РФ: МПК F26B 17/20; F26B 3/34 / Курдюмов В.И., Аксенова Н.Н., Губейдуллин Х.Х.; патентообладатель: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия»; заявка №2009137180/22 от 07.10.2009. Опубликовано: 27.01.2010.
3. Сушилка для куриного помета [Текст]: патент 2027130 РФ: МПК6 F26B 11/04 / Серга Г.В., Филин К.В.; патентообладатель: Серга Г.В., Филин К.В.; заявка №5005024/06 от 10.09.1991. Опубликовано: 20.01.1995.
4. Устройство для сушки птичьего помета [Текст]: патент 9446 РФ: МПК6 C05F 3/06 / Гайдт Д.Д., Седошенко Н.Р.; патентообладатель: Открытое акционерное общество «Фламинго»; заявка №97102837/20 от 03.03.1997. Опубликовано: 16.03.1999.
5. Хмелев, В.Н. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности [Текст] / В.Н. Хмелев, А.Н. Сливин, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010.-203 с.
6. Ультразвуковая колебательная система для газовых сред: патент 132000 РФ МПК B06B 1/00 (2006.01) / Хмелев В.Н., Галахов А.Н., Шалунов А.В.,
Нестеров В.А., Голых Р.Н.; патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ»; заявка №2013123940/28 от 24.05.2013. Опубликовано: 10.09.2013.