СПОСОБ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ СУШКИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF HIGHLY INTENSIVE ACOUSTIC DRYING OF CAPILLARY AND POROUS MATERIALS AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к акустическим способам сушки капиллярно-пористых материалов колебаниями звуковой частоты высокой интенсивности и может быть применено на предприятиях различных отраслей промышленности и сельского хозяйства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно, что процесс сушки состоит из двух основных периодов. В первый период влага, находящаяся на поверхности материала, испаряется в окружающее пространство. Второй период начинается с момента, когда поверхностная влага в основном испарилась, в материале образовался градиент влажности и происходит диффузия влаги из нижележащих слоев к поверхности.
Акустическое воздействие при сушке значительно ускоряет процессы испарения и диффузии, что объясняется рядом эффектов, возникающих как на поверхности, так и внутри материала. Основными факторами, ускоряющими унос влаги с поверхности осушаемого материала на первом этапе сушки, являются возникающие турбулентные потоки и акустические течения у поверхности материала, нестабильность поверхностного слоя жидкости [1]. Под воздействием знакопеременных давлений, приносимых акустической волной к поверхности осушаемого материала, в объеме последнего возникают упругие колебания, в результате которых влага распределяется по объему быстрее и более равномерно. М. Смолуховский и А. Эйнштейн получили следующее выражение для коэффициента акустической диффузии: , т.е. как функцию квадрата
0
амплитуды А и частоты - v колебаний частиц [2].
Экспериментально установлено, что при интенсивности акустических колебаний более 136 дБ скорость сушки возрастает в экспоненциальной зависимости от роста интенсивности звукового поля [1]. По другим данным, полученным в том числе при эксплуатации опытно-промышленной установки по сушке древесины, этот рост начинается с уровня звукового давления, большего 150 дБ.
t
0
b
С другой стороны, скорость сушки экспоненциально зависит от температуры, о чем свидетельствует качественный анализ уравнения Аррениуса , где: D - коэффициент молекулярной диффузии, D - предэкспоненциальный множитель, Q - энергия активации диффузии, k -постоянная Больцмана, Т - температура.
Таким образом, на скорость акустической сушки для большинства материалов наибольшее влияние оказывают интенсивность звукового поля и температура в камере.
Влажность среды не столь ярко влияет на интенсивность сушки, как интенсивность звука и температура, но имеет свои особенности, значимые для сушки некоторых материалов.
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.
Применение многократных отражений ультразвуковых колебаний, их фокусировка на осушаемом материале и его периодическое вакуумирование характеризует способ сушки капиллярно-пористых материалов, заключающийся в том, что материал для сушки помещают в герметичном технологическом объеме, выполненном в форме тороида, который размещается в еще большем объеме. В зависимости от физико-химических свойств материалов и заданной степени сушки мощность механических колебаний ультразвуковой частоты выбирают в интервале от 120 до 170 дБ при частоте колебаний от 15 до 25 кГц, вакуумирование в большем объеме проводят до остаточного давления в интервале от 1 до 10000 Па [4]. Недостатками этого способа являются:
- небольшой объем камеры для осушаемого материала, измеряемый десятками литров, связанный с сильным поглощением воздухом ультразвуковых колебаний;
- в связи с тороидальной формой сушильной камеры перечень осушаемых материалов ограничен в основном сыпучими материалами;
- необходимость создания герметичной камеры сложной формы снижает надежность, увеличивает материалоемкость, повышает трудоемкость изготовления устройства;
- дополнительный компрессор и затраты энергии на создание разряжения в камере, большой расход сжатого воздуха у газоструйных излучателей и низкий их кпд увеличивают стоимость устройства и затраты при его эксплуатации;
- наличие в конструкции фокусов предопределяет неравномерность воздействия на осушаемый материал с ухудшением качества сушки.
Акустические сушки, работающие в звуковом диапазоне 70-15000 Гц, характеризуются возможностью осушать все типы капиллярно-пористых материалов в несравнимо больших объемах, чем ультразвуковые сушки, измеряемые десятками кубических метров.
Известен способ акустической сушки, в котором сушка материалов осуществляется интервалами облучения во времени и паузами между ними. Прервав процесс облучения звуком осушаемого материала на некоторое время, часть влаги из его внутренних слоев, без каких-либо затрат энергии поступает к поверхности [5]. Однако практическая реализация этого патента затруднена из-за сложности технического определения «разности влажности по длине поры осушаемого материала на интервале», входящей в формулу данного изобретения. Если принять за основу данные из описания изобретения о паузе при сушке в 1 сутки, то практическая ценность такого устройства сомнительна. Кроме того, способ достижения интенсивности звука в камере в 160 дБ, на которую указывается в описании патента, не известен, что затрудняет его промышленное применение.
Чтобы интенсифицировать процесс акустической сушки, впервые предложено использование сочетания акустического и термического воздействия в акустотермическом способе сушки материалов [6], которое осуществляется циклически, воздействуя акустическим полем на предварительно нагретый осушаемый материал. Последовательность циклов может быть непрерывной, что, по сути, означает чередование нагревания и акустической обработки. Недостатки этого способа сушки были «унаследованы» из способа акустической сушки [5]. Помимо этого при нагреве материала традиционным способом расходуется энергия, сам процесс занимает продолжительное время, а затем во время озвучивания материал снова охлаждается. Все это снижает эффективность данного способа.
Устройство для акустотермической сушки капиллярно-пористых материалов [7], принятое за прототип, в котором камера состоит из 4 секций, разделенных звуконепроницаемыми перегородками, и снабжена нагревателем. Устройство вначале подогревает материал, а затем происходит его озвучивание в акустическом поле, после чего процедура повторяется. На одном конце каждой секции расположены источники звука, которые работают поочередно, а на другом поглотители звука. Изобретение, очень похожее по своей сути на прототип [7], - способ многокамерной сушки материалов с помощью акустического, термического и конвективного воздействия на осушаемый материал, в котором подогретый воздух подают в камеру источника звука и создают в ней одновременно акустическое поле и конвективный поток, направленный в общий звукопровод [8].
Поток воздуха подают в каждую сушильную камеру отдельно или во все одновременно до получения заданной влажности материала. Также, как и в прототипе, его скорость в камере определяется давлением воздуха, подаваемого на газоструйный излучатель, площадями сечения его сопла и сушильной камеры. Отличие этого устройства от прототипа в том, что газоструйный излучатель находится в центре устройства, а камеры крестообразно примыкают к нему. В одном предложении материал нагревается теплым воздухом, нагнетаемым в камеру до акустического воздействия, в другом во время воздействия. Оба эти устройства предполагают периодическое акустическое воздействие. В паузах происходит выравнивание влажности по объему материала естественным образом. Для обеспечения равномерности озвучивания осушаемого материала в устройстве [7] и способе [8] принята концепция формирования в камере плоской бегущей волны. В связи с этим:
- в торце камеры, противоположной излучателю звука, устанавливается поглотитель звука, в котором безвозвратно теряется значительная часть энергии звуковых волн, что является основным недостатком этих устройств акустической (звуковой) сушки;
- максимальные размеры поперечного сечения камеры ограничены половиной длины волны рабочей частоты излучателя;
- в соответствии с данными [12] о максимальной акустической мощности газоструйных излучателей 2 кВт можно утверждать, что 155 дБ - предельная интенсивность в подобных установках и достижение оптимальной интенсивности 160-170 дБ разумными затратами энергии невозможно.
К другим недостаткам прототипа и вышеперечисленных устройств акустической сушки звукового диапазона относятся:
- потери энергии звуковых волн в стенках камеры и перегородках, выполненных из листов металла и звукопоглощающего материала, расположенного между ними;
- значительное превышение санитарных норм по шуму, требующее дополнительных затрат по шумоизоляции;
- ухудшение равномерности звукового поля из-за отражения акустических колебаний от конструкций в камере для размещения осушаемого материала и самого материала;
- все вышеупомянутые устройства акустической сушки используют газоструйные излучатели, которые имеют большой расход сжатого воздуха и низкий кпд, что снижает технико-экономические показатели устройств;
- большая потребляемая мощность снижает доступность новой технологии для небольших предприятий;
- сушка некоторых материалов в описанных устройствах затруднена или невозможна в связи с тем, что сжатый воздух для излучателей поступает из компрессора с высокой температурой, поднимая температуру в камере до нежелательных для термолабильных материалов значений, а его охлаждение требует больших затрат энергии. Например, при сушке медицинских биопрепаратов нагрев свыше 40°C ведет к их химическому разложению;
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание такого способа акустической сушки капиллярно-пористых материалов, которым:
обеспечиваются нужды промышленных предприятий в высокопроизводительной сушке объемом от единиц до десятков кубических метров путем создания в камерах звукового поля интенсивностью 160-170 дБ в диапазоне 70-15000 Гц;
- достигается высокое качество сушки любых капиллярно-пористых материалов с возможностью оптимизации минимального энергопотребления и скорости сушки;
- простыми мерами реализуются допустимые санитарные нормы по шуму.
Техническое решение состоит в том, что стенки сушильной камеры достаточной толщины изготавливаются из тяжелых материалов с высоким акустическим сопротивлением (например, бетона), обеспечивающими 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 щумозащиту, так и отражение звуковых колебаний от стен, конструкций и осушаемого материала внутри камеры, увеличивающее долю акустической энергии, воздействующую на осушаемый материал. В качестве источника звука используется генератор звука в диапазоне 70-15000 Гц, позволяющий получить акустическую мощность для достижения поставленной задачи. 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. Для согласования источника звука с камерой применяется экспоненциальный рупор. Технический результат заявляемого предложения - достижение интенсивности звуковой энергии в 160-170 дБ, при которой максимально реализуются все преимущества акустической сушки.
Чем больше различаются акустические сопротивления воздуха и материала стены, тем меньшая доля звуковой энергии проникает через поверхность раздела
1
2
1
2
этих двух сред. Этот вывод можно сделать из формулы Эйлера, которая для случая большой разницы акустических сопротивлений двух сред трансформируется в приближенную формулу: , где β - коэффициент проникновения звуковых колебаний, c - скорость звука в воздухе, с - скорость звука в материале стены, ρ - плотность воздуха, ρ - плотность материала стены [9].
2
Чтобы стена не играла роли большой мембраны и не передавала звуковую энергию в окружающее пространство, ее толщина должна быть достаточно большой. Толщина стен камеры зависит от используемой частоты и массы единицы площади стены. Например, для соблюдения санитарных норм по шуму в производственных помещениях (СН 2.2.4/2.1.8.562-96 - 80 дБ) при изготовлении камеры только из бетона (удельный вес 2400 кг/м), формула для расчета толщины стены h будет иметь вид: ,  где f - рабочая частота излучателя, Гц. (Получено из закона массы R=20 log mf - 47,5, R - звукоизоляция, дБ; m - масса 1 м ограждения, кг; f - частота колебаний, Гц. [10]). Для частоты в 2 кГц толщина стенки камеры будет около 500 мм, что вполне допустимо. Применяя комбинированную шумозащиту, можно получить необходимый уровень интенсивности звука в камере заданного размера и приемлемую толщину стены камеры.
Другая часть предлагаемого технического решения касается мер для более равномерного распределения акустического поля внутри камеры, путем установки отражателя на противолежащей упомянутому источнику звука стене, изготовленного из того же материала, что и стены. Форма отражателя имеет вид выпуклых неоднородностей, геометрические размеры которых приближаются к длине волны излучателя, предпочтительно выполненные в виде трех, четырехгранных призм или конусов, а их количество кратно поперечным размерам камеры.
Наиболее длительный процесс, определяющий время сушки, - диффузия влаги к поверхности материала. Как выше отмечалось, в объеме осушаемого материала возникают упругие колебания, в результате которых влага распределяется по объему быстрее и равномернее. В связи с этим последняя часть предлагаемого технического решения направлена на оптимизацию скорости сушки и энергоэффективности, для чего акустическое воздействие на осушаемый материал должно быть, как правило, постоянным. Помимо сильного влияния интенсивности звука и температуры влажность воздуха оказывает меньшее воздействие, но имеет выраженный максимум, который меняется во время сушки в зависимости от разницы влагосодержания среды и материала[3]. Это важно учитывать при сушке некоторых материалов для недопущения образования зон, препятствующих диффузии и испарению влаги. Например, из-за большого градиента влажности на поверхности осушаемой рыбы и поступающего в камеру сухого воздуха на ее поверхности образовывалась корочка, которая резко замедляла процесс сушки и приводила к браку продукции. Сушка же в более влажной атмосфере проходила нормально. Последующим постепенным повышением температуры и понижением влажности нагнетаемого в камеру воздуха достигаются наилучшие органолептические качества продукции.
Исходя из ограничений, накладываемых свойствами обрабатываемого материала, в устройствах, реализующих данный способ сушки, регулированию подлежит скорость потока воздуха у поверхности материала, его температура и влажность с целью уравнивания скоростей испарения и диффузии влаги материала к поверхности. Это достигается помимо использования отработанного источником звука воздуха применением дополнительной системы вентиляции, обеспечивающей необходимые параметры воздухообмена в камере, чем достигается высокое качество сушки любых капиллярно-пористых материалов и минимальное время сушки.
Осушаемый материал загружается в камеру любым удобным способом, например, на тележке как древесина (см. Фиг.1). Для сушки материалов вязкой консистенции, сыпучих, таких как прессованный в гранулы торф, минерало-органические удобрения, отстой сточных вод, материал засыпается в цилиндрическую вращающуюся камеру через загрузочное устройство (см. Фиг.2). В этом случае устройство выполняется из стали достаточной толщины, с частотой излучателя, подобранной для выполнения требований настоящего способа по интенсивности звука в камере и санитарных норм по шуму снаружи. Процесс сушки каждого конкретного материала происходит в соответствии с заранее отработанной технологией.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 Эскизный проект акустической сушки древесины по предлагаемому способу. На фигуре 1: 1 - камера, 2 - динамическая сирена и рупор, 3 - тележка с пиломатериалом, 4 - отражатель, 5 - защитный экран, 6 - механизм перемещения тележки, 7 - дополнительная шумоизоляция. Система вентиляции камеры не показана.
Фиг.2 Схема устройства для сушки сухих и вязких материалов во вращающейся камере по предлагаемому способу. На фигуре 2: 1 - камера, 2 - динамическая сирена и рупор, 4 - отражатель, 8 - привод вращения цилиндрической камеры. Устройство загрузки-выгрузки не показано.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеприведенные примеры и пояснения даются только для иллюстрации принципов конструирования и работы устройства и ничто в настоящем разделе не должно толковаться как ограничение объема притязаний.
При активном участии одного из авторов, в Новосибирске в 2001-2008 годах была построена опытно-промышленная установка для сушки древесины на основе «Способа акустической сушки капиллярно-пористых материалов» [5], которая впоследствии прошла ряд реконструкций. В камере внутренними размерами 1,7×1,7×6,5 метров газоструйным излучателем удалось достичь интенсивности звука немногим более 148 дБ, при которой изменения влажности древесины в процессе периодического озвучивания были недостаточными для сушки. С целью интенсификации процесса сушки опытно-промышленная установка была оснащена системой подогрева и дополнительной вентиляцией в соответствии с акустотермическим способом сушки [6], что практически не внесло изменений в процесс сушки, установка не работала. В целях повышения интенсивности звукового поля в камере было предложено устройство для акустотермической сушки капиллярно-пористых материалов [7], в соответствии с которым камера опытно-промышленной установки была разделена на 4 части звуконепроницаемыми перегородками, и снабжена дополнительной системой подачи теплого воздуха в камеру. В результате всех этих изменений при потребляемой мощности 200 кВт интенсивность звука в каждой секции достигла 155 дБ, процесс сушки, например, сосновой доски толщиной 50 мм продолжался 10-12 часов до влажности 14-16 процентов. В этом виде установка вполне успешно работала в составе деревообрабатывающего предприятия около 2 лет.
Отличие опытно-промышленной установки по сушке рыбы, построенной в 2011 г.в Рязанской области, от установки-прототипа заключалось в использовании динамической сирены в качестве источника звука, отражателя в виде черыхгранной призмы на месте поглотителя и отсутствии звуконепроницаемых перегородок. В камере этой установки при потребляемой мощности немногим более 37 кВт, интенсивность звукового поля достигала тех же 155 дБ, но уже во всем 19 кубовом объеме камеры. Удвоение давления воздуха, подаваемого на динамическую сирену, поднимало интенсивность до 160 дБ при удовлетворительной равномерности звукового поля по объему камеры.
Время озвучивания при сушке сосновой доски при 165 дБ на опытной установке Института теоретической и прикладной механики СО РАН составляло немногим более 1 часа [13]. На опытно-промышленной установке по сушке древесины время озвучивания сосновой доски - 4-6 часов, общее время сушки материала было 10-12 часов. Следует ожидать, что время сушки по заявляемому способу при интенсивности звука 160-170 дБ сократится не менее чем в 2-3 раза и достигнет 4-5 часов.
3
В нижеприведенной таблице 1 приведены данные сушек древесины различных типов объемом около 10 м осушаемого материала [14, 15]*.
По сравнению с паровоздушной сушкой при равных объемах осушаемого материала экономия только электроэнергии и тепла превышает 2 млн. рублей в год. С учетом большей в 11 раз производительности установки она окупается менее чем за один год.
Аналогичное сравнение с прототипом показывает возможность экономии электроэнергии в сумме более 4 млн. руб. в год при большей в 2 раза производительности.
Энергопотребление установки в 40-80 кВт доступно для большинства небольших предприятий промышленности.
В литературе авторами не обнаружены описания устройств и способов, позволяющих осуществлять акустическую сушку любых капиллярно-пористых материалов при интенсивности звукового поля 160-170 дБ в диапазоне 70-15000 Гц, обеспечивающих значимые для производства объемы осушаемого материала, с энергозатратами на единицу продукции и временем сушки, меньшими, чем показано в Таблице 1. Заявляемый способ предполагает возможность регулирования параметров воздушной среды на любом этапе сушки, что при воздействии акустического поля значительной интенсивности, недостижимого разумными затратами энергии в камерах прототипа и других известных устройств акустической (звуковой) сушки, дает возможность эффективной сушки любых капиллярно-пористых материалов. Вышеперечисленное позволяет сделать заключение: заявляемое техническое решение соответствует первому условию патентоспособности изобретения - новизна.
Характеристики звукового поля в диапазоне 70-15000 Гц интенсивностью 160-170 дБ, обеспечивающие все преимущества акустической сушки в значимых для производства объемах, достигаются изготовлением стен и отражателя достаточной толщины из тяжелых материалов с высоким акустическим сопротивлением. Данное техническое решение, помимо создания мощным источником звука необходимой интенсивности звукового поля в сушильной камере, позволяет одновременно обеспечить санитарные нормы по шуму устройства. Если механизм достижения высокоинтенсивного звукового поля, обеспечивающего энергоэффективность, скорость сушки, значительные объемы осушаемого материала и широту применения заявляемого способа акустической (звуковой) сушки, подтвержденный представленными расчетами и данными опытно-промышленной эксплуатации устройств акустической сушки, был ранее не известен, а показатели нового способа недостижимы другими способами и устройствами сушки, при этом предложенные технические решения, достигающие этот результат, не вытекают явным образом из известного на сегодняшний день уровня техники, решающего аналогичную задачу акустической (звуковой) сушки как минимум эквивалентным образом, то предлагаемое техническое решение соответствует второму условию патентоспособности изобретения - изобретательскому уровню.
Эксперименты, проведенные авторами на установке с частичным применением элементов заявляемого изобретения при сушке рыбы, овощей, фруктов и некоторых других материалов, доказали эффективность предложенных решений. Полученные при этом результаты соответствуют расчетам и данным, полученным ранее при опытно-промышленной эксплуатации установки-прототипа по сушке древесины и на опытной установке в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН. Все это свидетельствует о соответствии третьему условию патентоспособности изобретения - промышленной применимости.
Применение заявляемого способа позволяет интенсифицировать сушку капиллярно-пористых материалов при меньших энергетических и трудовых затратах в объемах, удовлетворяющих потребности промышленного производства и сельского хозяйства.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. «Физические основы ультразвуковой технологии» Под. ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1970.
2. Кардашев Г.А., Михайлов П.Е. «Тепломассообменные акустические процессы и аппараты». М.: Машиностроение, 1973.
3. Лыков А.В. «Теория сушки». М.: Энергия, 1968.
4. Патент РФ на изобретение №2239137 «СПОСОБ СУШКИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ».
5. Патент РФ на изобретение №2062416 «СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОЙ СУШКИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ».
6. Патент РФ на изобретение №2215953 «АКУСТОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ СУШКИ МАТЕРИАЛОВ».
7. Патент РФ на изобретение №2283995 «УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУШКИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ АКУСТО-ТЕРМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ».
8. Патент РФ на изобретение №2270966 «СПОСОБ СУШКИ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ».
9. Путилов К.А. «Курс физики» т.1, Государственное издательство физико-математической литературы, 1963.
10. «Борьба с шумом на производстве», под ред. Е.А. Юдина, «Машиностроение», 1985.
11. «Ультразвуковая аппаратура промышленного назначения», Гершгал Д.А. Энергия, 1967.
12. «Ультразвук. Маленькая энциклопедия». Под ред. Голяминой И.П., «Советская энциклопедия», 1979.
13. Сайт Института теоретической и прикладной механики СО РАН http://www.itam.nsc.ru/applications/acousticdrying.html.
14. Л.: Лесной эксперт.2004 №16.
15. Сайт ООО НПО "Витекс" (Научно-производственно-коммерческое объединение по разработке и внедрению вакуумно-импульсных технологий) http://www.witeks.ru/technology/kvis 15/tehno.html.