Устройство бесконтактной акустической сушки материалов
DEVICE FOR NON-CONTACT ACOUSTIC DRYING OF MATERIALS

Изобретение относится к области техники, связанной с осуществлением технологических процессов сушки различных материалов при помощи акустических колебаний. Изобретение может быть использовано в фармацевтической, химической и биологической промышленности, а также при переработке продукции сельского хозяйства без повышения температуры и разрушения структуры продуктов и веществ.
Низкочастотные (от 20 кГц до 100 кГц) ультразвуковые колебания и звуковые колебания, могут распространяться воздушным путем. Мощный низкочастотный ультразвук применяется для промышленной коагуляции аэрозолей, абсорбции газа, акустической сушки, интенсификации процессов горения, пеногашения, предпосевной обработки семян и т.п. [В.Н. Хмелев, А.Н. Сливин, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности / Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010 – 203c.].
Перспективным вариантом замены или дополнения известных конвективных способов сушки (обдувании сушимого материала потоком нагретого воздуха) является сушка в акустических полях высокой интенсивности, которая отличается высокой интенсивностью процесса и возможностью обеспечения качественной и эффективной сушки при низких температурах или принципиально без повышения температуры (исключение разрушения структуры, сохранение всхожести зерна и т.п.).
Механизмы ультразвуковой сушки очень сложны. При этом действующими факторами являются: уменьшение вязкости жидкости под действием акустических волн, что способствует ускоренному перемещению влаги по капиллярам из глубины тела на поверхность; выдавливание влаги из капилляров кавитационными пузырьками газа, под действием акустических колебаний; радиационное давление, направленное в капиллярах из жидкости в газ, перемещает столбик жидкости капилляра, перемещая его к поверхности [Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1970].
Известно, что процесс сушки ускоряется лишь при высоких уровнях звукового давления и существует «критический уровень звукового давления», до которого ультразвуковая сушка ничем не отличается от обычной конвективной сушки (от 140 до 150 дБ). Так как скорость акустической сушки материала, при прочих равных условиях, зависит от интенсивности звука, то по этой причине возникает необходимость обеспечения достаточной для эффективной сушки интенсивности колебаний (от 140 до 150 дБ) на самых удаленных участках сушилки. Это может обеспечиваться только увеличением интенсивности акустического излучения, формируемого, например, газоструйным излучателем колебаний (более 150…170 дБ), что технически реализуется очень сложно, требует специальных мер защиты обслуживающего персонала от акустических колебаний.
Существующие способы и устройства акустической сушки условно можно классифицировать по частоте использованного сигнала как звуковые от 70 до 15000 Гц и ультразвуковые от 15000 Гц и выше.
Известен способ акустической сушки капиллярно-пористых материалов [Патент РФ 2062416], заключающийся в том, что сушку ведут с чередующимися интервалами акустического воздействия и паузами между ними. При этом сушка осуществляется при интенсивности 160 дБ на частоте звука 800 Гц.
Известно устройство малогабаритной барабанной сушилки [В.Н. Хмелев, Г.В. Леонов, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве. – Биск: Изд-во Алт. Гос. Техн. Ун-та, 2007. – 400 с., с. 321-326], состоящее из корпуса, в котором размещены барабан, привод барабана и акустический излучатель. Акустический излучатель на основе пьезоэлектрической системы создавал интенсивность ультразвуковых колебаний не менее 135 дБ.
Известно устройство для пропитки и сушки капиллярно-пористых материалов [Патент РФ 2010701], содержащее ванну, заполненную жидкой рабочей средой, и подвижные электроды с широкополосными ультразвуковыми излучателями, генератор ультразвуковых колебаний, источник постоянного напряжения, усилитель с программным управлением, усилитель мощности, соединенные последовательно между собой по входу микропроцессорного блока. Для сушки материалов используются ультразвуковые колебания в широком диапазоне частот 1-20 кГц.
Известен способ сушки волокнистых материалов [Патент РФ 2171959], заключающийся в обработке его акустическими волнами и удалении влаги при повышенной температуре, при этом обработку акустическими волнами осуществляют на начальном этапе сушки волокнистого материала в двух зонах полей стоячих акустических волн с интервалом 2 – 5 мин, при этом координаты пучностей одной зоны совпадают с узлами другой.
Известен способ сушки капиллярно-пористых материалов [Патент РФ 2548696], состоящий в том, что осушаемый материал помещается в камеру с установленным в ней мощным источником звука с экспоненциальным рупором, в диапазоне 70-15000 Гц интенсивностью 160-170 дБ в камере, имеющей стены достаточной толщины, изготовленные из тяжелых материалов с высоким акустическим сопротивлением и обеспечивающие минимальное проникновение звуковых колебаний, с отражателем, расположенным на стене камеры, противолежащей источнику звука, выполненным из того же материала, что и стены, вместе обеспечивающие как необходимую шумозащиту, так и отражение звуковых колебаний от стен, конструкций и осушаемого материала внутри камеры, увеличивающее долю акустической энергии, воздействующую на осушаемый материал.
При этом нижняя граница диапазона обусловливается возможностями источника и приближением к резонансным частотам строительных конструкций, которые могут вызвать их повреждение. Верхняя граница ограничена необходимым объемом камеры для нужд производства, так как с ростом частоты увеличивается поглощение звука воздухом, растет потребляемая мощность и, соответственно, ухудшаются технико-экономических показатели устройства.
Недостатками известных устройств являются необходимость создания акустических колебаний в воздушной среде с интенсивностями более 140 дБ и необходимость создания сушильной камеры, обеспечивающей равномерное воздействие акустических колебаний по всему высушиваемому материалу.
Недостатки известных устройств были частично устранены устройством для осуществления сушки капиллярно-пористых материалов [Патент РФ №2239137], 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 [Патент РФ №2239137] за счет специальной формы сушильной камеры обеспечивается фокусировка ультразвуковых колебаний на высушиваемом материале, благодаря чему повышается скорость и равномерность сушки.
В [Патенте РФ 2367862] предложено устройство ультразвуковой сушки, состоящее 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. 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 известном устройстве ультразвуковой сушки задача повышения эффективности акустического воздействия и увеличения скорости сушки решается за счет 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.
Недостатками известных устройств являются необходимость создания акустических колебаний в воздушной среде с интенсивностями более 140 дБ и необходимость создания сушильной камеры специальной формы, выполняющей роль зеркальной антенны, фокусирующей акустическое излучение на материале сушки.
Наиболее близким аналогом к заявляемому решению, принятым в качестве прототипа, является устройство для бесконтактной сушки капиллярно-пористых сыпучих материалов, содержащее акустический излучатель, соосно установленную с ним сушильную камеру, а в противоположной стороне от излучателя в сушильной камере установлен акустический поглотитель, загрузочное и разгрузочное устройства [Патент РФ 2095707].
Недостатком устройства для бесконтактной сушки капиллярно-пористых сыпучих материалов являются необходимость создания акустических колебаний в воздушной среде с интенсивностями более 140 дБ и отсутствие возможности фокусировки излучения на материале сушки.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно упрощение устройства акустической сушки за счет повышения интенсивности акустического излучения на материале сушки без повышения мощности источника излучения.
Указанная задача решена благодаря тому, что устройство бесконтактной акустической сушки материалов, содержащее акустический излучатель, соосно установленную с ним в сушильную камеру, а в противоположной стороне от излучателя в сушильной камере установлен акустический поглотитель, загрузочное и разгрузочное устройства, отличается тем, что на выходе акустического излучателя установлена мезоразмерная кубоидная пластинчатая акустическая линза с размером ребра не менее λ, где λ – длина волны излучения в окружающем пространстве линзы, составленная из решетки параллельных V образных пластин с полным углом раствора α в диапазоне более 65 и менее 120 градусов, с расстоянием между пластинами не более λ/2 и создающая область повышенной интенсивности акустического поля на высушиваемом материале протяженностью от теневой поверхности линзы до 5λ и с субволновым поперечным размером. Кроме того, акустический излучатель может быть совмещен с рупорной антенной.
Заявляемое устройство бесконтактной акустической сушки материалов обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестных из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на изобретение.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема устройства бесконтактной акустической сушки материалов.
На фиг. 2 приведен пример результатов экспериментального (а) и математического моделирования фокусировки излучения мезоразмерной кубоидной акустической линзы с составленной из решетки параллельных V-образных пластин и с величиной ребра кубоида 3λ, где λ – длина волны используемого излучения.
Обозначения: 1 акустический излучатель; 2 акустическое излучение; 3 сушильная камера; 4 мезоразмерная кубоидная линза; 5 область фокусировки акустического излучения; 6 высушиваемый материал; 7 акустический поглотитель.
Работа устройства происходит следующим образом.
В результате исследований было обнаружено, что при выполнении мезоразмерной кубоидной акустической линзы 4 с составленной из решетки параллельных V-образных пластин и с величиной ребра кубоида более λ, где λ – длина волны используемого излучения и с полным углом раствора α в диапазоне более 65 и менее 120 градусов, формируется субволновая область фокусировки 5 непосредственно на теневой поверхности линзы 4 и протяженностью от теневой поверхности линзы до 5λ.
При величине ребра кубоидной линзы 4 менее λ, область фокусировки 5 не формируется.
При полном угле раствора V-образных пластин менее 65 градусов область фокусировки 5 акустического излучения расплывается, и усиление интенсивности акустического излучения в данной области не происходит по сравнению с интенсивностью освещающей волны. При полном угле раствора V-образных пластин более 120 градусов область фокусировки 5 находится в теле кубоидной линзы 4 и не попадает на материал сушки 6.
Установлено, что протяженность области фокусировки излучения уменьшается с увеличением угла раскрытия V-образных пластин.
С увеличением характерных размеров кубоидной линзы возрастает интенсивность фокусировки излучения и может превышать интенсивность освещающей волны в несколько раз. Например, кубоидная линза с величиной ребра λ формирует область фокусировки 5 и максимальной интенсивностью превышающей интенсивность освещающей волны примерно в 1,5 – 2 раза. Кубоидная линза с величиной ребра 2λ формирует область фокусировки 5 и максимальной интенсивностью превышающей интенсивность освещающей волны примерно в 3,5 – 4 раза и соответственно с величиной ребра 3λ –  в 6 – 8 раз.
При выполнении кубоидной линзы в форме куба формируется осесимметричная область фокусировки, а при выполнении в форме совершенного кубоида (прямоугольного параллелепипеда) формируется плоская область фокусировки – «акустический нож».
Выполнение пластин кубоидной частицы из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды, например, металла или керамики обеспечивает эффективное распространение акустической волны между пластинами.
Достоинством кубоидной металлопластинчатой акустической линзы является независимость ее фокусирующих свойств от параметров окружающей среды (скорости звука), так как материал окружающей среды находится в структуре линзы, а ее относительный показатель преломления зависит только от физической длины параллельных пластин или от угла наклона этих пластин по отношению к падающему излучению, а также ее высокая прочность и надежность, что позволяет ее использовать для фокусировки интенсивного акустического излучения.
В устройство бесконтактной акустической сушки материалов последовательно загружают влажный материал сушки 6 в сушильную камеру 3 и включают акустический излучатель 1, который формирует интенсивное акустическое излучение 2 которое освещает мезоразмерную кубоидную акустическую линзу 4, составленную из V-образных пластин. В результате фокусировки акустического излучения 2 формируется субволновая область фокусировки 5. В области фокусировки излучения 5 происходит концентрация акустического излучения и в этой области размещается осушаемый материал 6. Известно [Физические основы ультразвуковой технологии. Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1970], что максимальная эффективность акустического воздействия обеспечивается при перпендикулярном воздействии.
Акустическое излучение, проходя сквозь сушильную камеру 3 от источника акустического излучения 1 к акустическому поглотителю 7, взаимодействует с осушаемым материалом 6 и экстрагирует влагу из него. При истечении времени, необходимого для заданного конечного значения влажности осушаемого материала 6, акустический источник 1 выключают.
Акустический излучатель 1 может быть совмещен с рупорной антенной для более равномерного облучения кубоидной линзы 3 и повышения эффективности фокусировки акустического излучения.
В качестве источников акустического излучения могут использоваться, например, одна из разновидностей газоструйного излучателя звуковых и ультразвуковых волн, например, струйного генератора Гартмана, динамической сирены; магнитострикционные преобразователи; генератор звука в диапазоне 70-15000 Гц, позволяющий получить акустическую мощность для достижения поставленной задачи [В.Н. Хмелев, Г.В. Леонов, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве. – Биск: Изд-во Алт. Гос. Техн. Ун-та, 2007. – 400 с.].
В качестве акустических поглотителей могут быть использованы различные известные устройства акустических поглотителей, например, [Неустойчивость горения ЖРД. Под ред. Д.Т. Харрье, Ф.Г. Рирдона. – М.: Мир, 1975, с. 599-600; А.С. (СССР) 930364; Патенты РФ 2646876, 139581; DE 19804862; DE 10251506; ЕР 1031671; GB 2251256; US 5942736].
За счет концентрации акустического излучения в области фокусировки, в которой располагается высушиваемый материал, возможно уменьшить мощность акустического источника не менее чем в 1,5 раза, сохраняя необходимую величину интенсивности акустического излучения для сушки материала.