Ультразвуковая сушилка для зерна. Ультразвуковая сушка
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.
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 (электродвигатель, редукторы, цепи, шестерни); валы прокатные.
3. Ультразвуковой блок: УЗ-генератор; УЗ-излучатель.
4. Механизм прижима: пиломатериала к УЗ-излучателя; 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, 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).
Акустическая сушка – это способ обезвоживания продукта посредством интенсивного ультразвукового воздействия. Это циклический способ удаления влаги. При первичной обработке продукта влага удаляется с поверхности, затем при использовании второй ультразвуковой волны влага распределяется по капиллярам. Так происходит до тех пор, пока продукт не будет содержать в себе требуемую долю влаги.
Акустическая сушка нашла успешное применение в сельском хозяйстве, в фармацевтической, химической и пищевой промышленности. В сельском хозяйстве посредством акустической сушки обрабатывают зерновые культуры, овощи и фрукты. В пищевой промышленности акустическую сушку используют в производстве сухого молока. Наиболее широкое распространение ультразвуковая сушка получила в фармацевтике. Дорогостоящие препараты – порошки, антибиотики, таблетки – производятся в ультразвуковых камерах. Высокая стоимость препаратов обусловлена высокой производительностью оборудования и, как следствие, высокой степенью потребления энергии. В химической промышленности ультразвуковая сушка применяется для производства угольного порошка. С помощью подобных камер осуществляют сушку бумаги, хлопка, древесины.
Особенности акустической сушки
Акустическая сушка обладает рядом преимуществ: продукт не подвергается тепловой обработке, он обрабатывается в холодном виде; ввиду отсутствия температурного воздействия продукт сохраняет почти все питательные вещества и витамины, не теряет свои первоначальные свойства, не подвергается окислению.
Акустическая сушка – это единственный способ работы с термочувствительными материалами. Благодаря этому методу их структура полностью сохраняется, не теряя первоначальную форму.
Акустическая сушка – высокоскоростной метод обработки. По сравнению с вакуумной сушкой, акустическая сокращает время обработки в четыре раза. За счет этого повышается качество готового продукта.
Технология акустической сушки
Подвергаемый сушке материал должен иметь капиллярно-пористую структуру. Различные материалы имеют неодинаковое содержание влаги, поэтому интенсивность и количество ультразвуковых волн рассчитывается в соответствии с процентом влажности продукта.
Если продукт содержит большое количество влаги, используют волну высокой силы воздействия, в результате – влага буквально «вытряхивается» из продукта. Это происходит потому, что волна появляется не только у поверхности материала, но и внутри капилляров, приводя к интенсивной потере влаги.
Если капиллярно-пористый материал обладает умеренной влажностью, акустические колебания происходят более интенсивно на первой стадии и менее интенсивно на второй. Во время первой стадии скорость сушки не меняется, поэтому влага постоянно восполняется. Верхние слои продукта ее теряют, а нижние слои «выбрасывают» влагу на поверхность. Таким образом, влагообмен не прекращается до тех пор, пока не будет достигнуто оптимальное содержание влаги.
Во время второй стадии скорость сушки снижается, поэтому жидкость изнутри поступает слабо и ее убыль уже не восполняется или восполняется, но слабо.
Акустическая сушка наиболее эффективна в период первой стадии обработки продукта. Благодаря ей, улучшаются физико-химические и потребительские свойства продукта. Например, при акустической обработке семян, увеличивается их всхожесть.
Таким образом, акустический способ сушки успешен для некоторых типов производств и наиболее эффективен на первой стадии обработки продукта для увеличения скорости влагообмена и повышения качества готового продукта.
Оборудование для сушки продукции вы можете приобрести у нас. Доставка по России и Беларуси. .
Электронный журнал «Техническая акустика» http://www .ejta.org
В. Н. Хмелев, А. В. Шалунов, Р. В. Барсуков, С. Н. Цыганок,
А. Н. Лебедев
Бийский Технологический институт ГОУВПО АлтГТУ, г. Бийск, 659305, Трофимова, 27, e-mail: [email protected]
Исследование эффективности ультразвуковой сушки
В статье описывается установка для ультразвуковой сушки, обладающая улучшенными техническими характеристиками, достигнутыми за счет применения созданных излучателей и сушильной камеры специальной формы. Приводятся результаты экспериментальных исследований,
подтвердивших высокую эффективность созданной установки при сушке капиллярно пористых материалов. Показывается, что максимальная эффективность сушки достигается при осуществлении ультразвукового воздействия совместно с подачей нагретого (не более 40°С) сушильного агента. При этом обеспечивается сокращение времени сушки и снижение энергозатрат на 20%.
Ключевые слова: сушка, ультразвук, колебательная система, сушильная камера, переработка сельскохозяйственной продукции.
ВВЕДЕНИЕ
Наибольшее распространение для сушки различных материалов в настоящее время получили конвективные (тепловые) сушилки, характеризующиеся высоким энергопотреблением, большим процентом брака за счет перегрева или неравномерного высушивания и продолжительным временем процесса сушки.
Одним из наиболее эффективных путей решения этой проблемы является реализация процесса сушки за счет энергетического воздействия ультразвуковыми (УЗ) колебаниями высокой интенсивности. Такое воздействие не приводит к нагреву высушиваемого материала. Благодаря этому УЗ сушка является единственно возможным способом сушки термочувствительных, термолабильных и легко окисляющихся продуктов. Кроме того, обработка сырья УЗ колебаниями благоприятно сказывается на потребительских свойствах продукта (например, сохраняет вкусовые качества продукции, увеличивает срок хранения и всхожесть семян и др.) . Однако, в последнее время, некоторые исследователи приводят результаты экспериментов, свидетельствующие о неэффективности сушки УЗ колебаниями в бесконтактном режиме (без прямого контакта излучателя с высушиваемым материалом). Причина этого, по мнению авторов статьи, заключается в несовершенстве конструкций используемых излучателей и отсутствии специализированных сушильных камер, обеспечивающих резонансное усиление УЗ колебаний.
1. РАЗРАБОТАННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СУШКИ
Для реализации процесса сушки с применением УЗ колебаний была спроектирована и создана малогабаритная ультразвуковая сушильная установка с камерой специальной формы и УЗ колебательной системы с дисковым излучателем . Разработанное оборудование позволяет осуществлять процесс сушки при температуре сушильного агента, в качестве которого выступает нагретый воздух, не более 40 °С.
Форма сушильной камеры обеспечивает резонансное усиление и равномерное распределение УЗ колебаний, излучаемых обеими сторонами диска, по всей поверхности высушиваемого материла, расположенного на поддонах . Направления распространения УЗ колебаний и воздушных потоков в камере показаны на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема ультразвуковой сушильной установки
Созданная установка состоит из излучателя ультразвуковых колебаний в виде изгибно-колеблющегося диска, соединенного с пьезоэлектрическим преобразователем. Размеры и форма преобразователя и диска выбраны из условия обеспечения заданной частоты и направленности излучения. Пьезоэлектрический преобразователь питается от генератора электрических колебаний УЗ частоты (на рис. 1 не показан).
Корпус сушилки состоит из верхнего и нижнего отражателей, показанных вместе с излучателем на рис. 2. Верхний отражатель (крышка) выполнен съемным, и предназначен для загрузки высушиваемого материала.
Рис. 2. Верхний (а) и нижний (б) отражатели сушильной камеры
В корпусе сушилки размещен контейнер для высушиваемого материала, состоящий из трех кольцеобразных поддонов, внешний вид которых показан на рис. 3. Поддоны располагаются горизонтально, на расстоянии по вертикали друг от друга 30 мм.
Рис. 3. Внешний вид поддонов для размещения высушиваемого материала (а) и их размещение в объеме сушильной камеры (б)
Внешний вид сушильной установки в сборе с системой управления и генератором электрических колебаний ультразвуковой частоты представлен на рис. 4.
Рис. 4. Внешний вид сушильной установки
Для подтверждения эффективности созданной сушильной установки был проведен ряд экспериментов. На начальном этапе исследовалось распределение уровня интенсивности ультразвукового излучения в объеме сушильной камеры. От величины и равномерности распределения интенсивности УЗ излучения зависят, соответственно, скорость и качество высушивания материала.
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЯ ИНТЕНСИВНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
Для определения уровня интенсивности ультразвуковых колебаний в разработанной сушильной камере были проведены два типа экспериментов:
Измерение уровня интенсивности колебаний без верхней крышки сушильной камеры на различном расстоянии от излучателя;
Измерение уровня интенсивности колебаний в замкнутом объеме с закрытой верхней крышкой. При этом, благодаря специально рассчитанным размерам сушильной камеры, должен обеспечиваться режим стоячей волны во всем объеме сушильной камеры.
Для измерений использовался специализированный шумомер , имеющий расширенный частотный (до 30 кГц) и амплитудный (до 153 дБ) диапазоны. На рис. 5 представлены графики распределения уровня интенсивности ультразвуковых колебаний по оси излучателя для первого случая.
Рис. 5. Распределение уровня интенсивности звуковых колебаний над поверхностью
дискового излучателя: а - на расстоянии 250 мм от излучателя; б - на расстоянии 700 мм от излучателя
Из представленных зависимостей видно, что применение нижнего отражателя сушильной камеры позволяет, за счет использования отраженного излучения тыльной стороны диска, формировать область высокоинтенсивного звукового поля диаметром, двукратно превышающим диаметр дискового излучателя. Уровень интенсивности ультразвукового поля, формируемого за счет отраженных колебаний, приблизительно соответствует уровню интенсивности первичного звукового поля, излучаемого лицевой стороной диска.
Отклонения значений уровня интенсивности от среднего значения могут быть объяснены расположением нижнего отражателя в ближней зоне излучения тыльной стороны дискового излучателя, которая, как известно, характеризуется высокой степенью неоднородности звукового поля. Это факт подтверждается проведенными измерениями уровня интенсивности звукового поля на расстоянии 700 мм от поверхности дискового излучателя, которое можно рассматривать как область дальнего поля. Результаты измерений, представленные на рис. 5б, и свидетельствуют о меньших флуктуациях ультразвукового поля.
Картина существенным образом изменяется при измерении уровня интенсивности в закрытом объеме сушильной камеры (с установленным верхним отражателем-крышкой). Результаты измерений, полученные в этом случае, показаны на рис. 6.
I. ДБ 150 140 130
Рис. 6. Распределение уровня интенсивности звуковых колебаний в закрытом объеме сушильной камеры
Из представленных результатов следует, что в закрытом объеме сушильной камеры было получено практически однородное поле.
Таким образом, созданная сушильная камера обеспечивает во всем внутреннем объеме равномерное распределение УЗ колебаний с уровнем интенсивности в 150 дБ (обеспечивается за счет установления режима стоячей волны), что является достаточным для реализации процесса ультразвуковой сушки. Потребляемая электронным генератором электрическая мощность, при этом, не превышает 150 Вт.
Проведенные исследования подтвердили эффективность разработанного дискового излучателя и оптимальность конструкции сушильной камеры.
Дальнейшие исследования были посвящены определению оптимальных режимов реализации процесса УЗ сушки.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СУШКИ
Варьируемыми параметрами при проведении исследований являлись: скорость подачи сушильного агента в объем камеры, температура сушильного агента, тип (ткань, морковь, женьшень), форма и месторасположение высушиваемых образцов внутри сушильной камеры.
Эффективность процесса сушки определялась по остаточному влагосодержанию образца и скорости его сушки (количество удаляемой влаги в граммах в секунду, отнесенное к массе образца).
Начальное и текущее влагосодержание высушиваемых образцов определялось по следующему выражению:
где mmeK - текущее значение массы образцов;
начальное значение массы
образцов.
Измерение массы образцов осуществлялось взвешиванием, на лабораторных весах «MW-II», фирмы «CAS» с точностью до 0,1 г.
Скорость сушки определялась с использованием следующего выражения:
V = -^ач-тек 100%:
эксп нач.общ
где тнач - масса образцов, измеренная непосредственно перед началом цикла сушки; ттек - масса образцов, измеренная после цикла сушки; хэксп - время цикла сушки.
Весь цикл экспериментов был разделен на три основных этапа:
1) определение степени интенсификации процесса сушки ультразвуковыми колебаниями;
2) определение равномерности высушивания материала в различных частях сушильной камеры;
3) определение эффективности сушки ультразвуковыми колебаниями различных материалов.
3.1. Степень интенсификации процесса сушки ультразвуковыми колебаниями
На начальной стадии экспериментов оценивался вклад в процесс сушки, вносимый ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности. В качестве объекта сушки использовалась хлопчатобумажная ткань, в виде отдельных полос размерами 20x150 мм. Их общий начальный (влажный) вес составлял 3 кг.
На рис. 7, в виде гистограммы, представлены сравнительные результаты по скорости сушки, полученные с воздействием и без воздействия УЗ колебаний. Время проведения каждого эксперимента равнялось 30 мин. Скорость сушки, представленная на гистограмме, усреднена по всему времени проведения эксперимента.
Рис. 7. Эффективность сушки ультразвуковыми колебаниями
Из гистограмм на рис. 7 следует, что воздействие ультразвуковыми колебаниями позволяет увеличить скорость ультразвуковой сушки от 2 до 6 г/мин на один кг массы высушиваемого образца при температуре 40 градусов Цельсия. При этом прирост скорости сушки и, следовательно, эффективность сушки ультразвуковыми колебаниями возрастает с увеличением температуры и скорости потока сушильного агента (от 0,25 м3/мин до 0,5 м3/мин).
Этот эффект можно объяснить следующим образом. При длительном воздействии (время эксперимента 30 мин.) нагретого воздуха, на высушиваемый материал, скорость удаления влаги с его поверхности превышает скорость ее подачи из внутренних слоев материала. Это приводит к образованию на поверхности материала, слоя с пониженным влагосодержанием, который препятствует дальнейшему эффективному удалению влаги.
При воздействии ультразвуковых колебаний, в высушиваемом материале возникает движение влаги из внутренних слоев материала к поверхностным, в достаточном количестве для ее эффективного удаления. Это препятствует образованию осушенного поверхностного слоя и значительно повышает эффективность сушки в целом.
Таким образом, приведенные результаты экспериментов показывают целесообразность применения ультразвуковых колебаний в сочетании с подачей нагретого сушильного агента.
3.2. Определение равномерности высушивания материала
При проведении этой серии экспериментов, эффективность сушки оценивалась отдельно для каждого из 6 секторов каждого поддона. Затем результаты усреднялись по всему поддону, и производилось сравнение результатов, полученных для каждого поддона. В качестве высушиваемого материала использовались образцы из предыдущих опытов. Время экспериментов - 30 мин.
На рис. 8 представлены гистограммы остаточной влажности тестовых образцов по секторам, для верхнего, среднего и нижнего поддонов соответственно.
I СУЗ Без УЗ
номер сектора а)
номер сектора
номер сектора в)
Рис. 8. Распределение остаточной влажности образцов по секторам поддонов а - верхний поддон; б - средний поддон; в - нижний поддон
Из рис. 8 следует, что равномерность высушивания образцов по всем секторам приблизительно равная в пределах одного поддона. Величина остаточной влажности между секторами отличается не более чем на 1...3%, что свидетельствует о равномерном температурном и ультразвуковом поле внутри сушильной камеры.
На рис. 9а представлены результаты сравнения остаточной влажности усредненной по каждому из поддонов.
Верхний поддон Средний поддон Нижний поддон Верхний поддон Средний поддон Нижний поддон
Рис. 9. Распределение остаточной влажности образцов по поддонам а - сушка 30 мин; б - повторная сушка еще 30 мин
Повышенная остаточная влажность образцов на нижнем поддоне (рис. 9а), при сушке с УЗ колебаниями, может быть обусловлена высокой эффективностью УЗ колебаний приводящей, при значительном начальном влагосодержании образцов (более 160% по отношению к массе сухого материала), к распылению влаги с их поверхности. Распыленная влага не успевает удаляться системой подачи сушильного агента и оседает на материал, расположенный на нижнем поддоне.
Этот факт подтверждается повторной сушкой образцов с начальным влагосодержанием равным значению, полученному в предыдущем опыте. Результаты этого эксперимента, представленные на рис. 9б, демонстрируют высокую равномерность сушки материала в камере, при условии отсутствия кавитационного распыления влаги с его поверхности. Это позволяет проводить оценку эффективности УЗ сушки, как по образцам расположенным на одном из поддонов, или его части, так и по всей массе высушиваемого материала.
3.3. Определение эффективности сушки ультразвуковыми колебаниями различных материалов
Проведение заключительного этапа экспериментов было направлено на определение эффективности сушки ультразвуковыми колебаниями образцов различных продуктов, формы и размеров. В качестве экспериментальных образцов использовалась: морковь, нарезанная калиброванными дисками диаметром до 28 мм и толщиной 5 мм; морковь нарезанная брусками 35x5x3 мм; корень женьшеня цельный; корень женьшеня, нарезанный дисками толщиной 4.5 мм. Суммарный вес высушиваемых образцов каждого типа составлял 3 кг. Каждый тип образцов подвергался четырем комбинациям энергетического воздействия в сочетаниях, показанных в таблице 1.
Таблица 1. Схема эксперимента
Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 Опыт 4
Маркер Маркер Маркер Маркер
Подача сушильного агента 0,5 м3/мин + + + +
Нагрев сушильного агента (40°С, 1000 Вт) - - + +
Ультразвуковое воздействие (150 Вт) - + - +
Внешний вид экспериментальных образцов до начала сушки показан на рис. 10.
Рис. 10. Фото использовавшихся образцов: а - морковь, нарезанная дисками; б - морковь, нарезанная брусками; в - корень женьшеня; г - корень женьшеня, нарезанный дисками
На рис. 11 показана зависимость остаточного влагосодержания моркови от времени сушки.
Как и в случае с сушкой хлопчатобумажной ткани, приведенные результаты экспериментов показывают, что в обоих случаях, заметный эффект от воздействия УЗ колебаний проявляется только при подаче нагретого сушильного агента и может достигать 50 г влаги на 1 кг массы высушиваемого образца. При этом, эффект от ультразвукового воздействия увеличивается с течением времени. Это объясняется тем, что при сушке только нагретым воздухом, на всей поверхности моркови образуется слой с пониженным влагосодержанием, который препятствует эффективному удалению влаги с поверхности.
Время эксперимента, тин а)
10 20 Время эксперимента, мин
Рис. 11. Зависимость остаточного влагосодержания моркови от времени сушки: а) - морковь, нарезанная дисками; б) - морковь, нарезанная брусками
С течением времени толщина этого слоя увеличивается, еще более уменьшая выход влаги. При воздействии УЗ колебаний, этого не происходит. Это свидетельствует о том, что и при сушке объектов с капиллярно-пористой структурой, основным вкладом ультразвуковых колебаний в процесс сушки является перенос влаги из внутренних слоев высушиваемого материала на его поверхность, которая затем удаляется при помощи сушильного агента.
При этом, эффект от применения УЗ колебаний более значительный в случае, показанном на рис. 11 б, соответствующем большей суммарной поверхности массопереноса.
На рис. 12 приведен характер изменения остаточного влагосодержания образцов женьшеня от времени сушки.
Рис. 12. Зависимость остаточного влагосодержания женьшеня от времени сушки а - корень женьшеня, цельный; б - корень женьшеня, нарезанный дисками
Графики на рис. 11а свидетельствуют о низкой эффективности сушки корня женьшеня цельного. Вклад в эффективность сушки, вносимый ультразвуковыми колебаниями, также оказывается весьма незначительным. Не наблюдается увеличение эффекта, вносимого ультразвуковыми колебаниями и при нагреве сушильного агента. Полученные результаты могут быть объяснены наличием на поверхности кореньев женьшеня защитной пленки - кожицы, которая препятствует активному испарению
влаги с их поверхности, а также выходу влаги из внутренних слоев кореньев на поверхность под действием УЗ колебаний, сводя тем самым к минимуму эффект от применения ультразвука. Зависимости на рис. 11.б, напротив, показывают весьма значительный вклад, вносимый ультразвуковыми колебаниями в эффективность сушки, который может достигать до 29 грамм на килограмм массы образца.
Приведенные результаты экспериментов позволяют утверждать, что основным движущим фактором ультразвуковой сушки является развивающийся в звуковом поле эффект перемещения влаги по капиллярам к поверхности.
Для обобщения полученных результатов, и сравнения эффективности ультразвуковой сушки различных образцов, на рис. 13 приведена гистограмма остаточного влагосодержания всех рассмотренных образцов.
Рис. 13. Гистограмма скорости ушки различных образцов:
1 - корень женьшеня; 2 - морковь, нарезанная дисками;
3 - корень женьшеня, нарезанный дисками; 4 - морковь, нарезанная брусками
Таким образом, в результате проведенных исследований была показана эффективность ультразвуковой сушки в предложенной сушилке и определены условия обеспечения максимальной скорости процесса, без нагрева материала до температур, превышающих 40 градусов Цельсия.
4. ОЦЕНКА ЭНЕРГИТИЧЕСКОИ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СУШКИ
На основании полученных результатов была проведена оценка энергетической эффективности ультразвуковой сушки. Оценка проводилась по потребляемой из электрической сети мощности. Были приняты следующие исходные данные: электрическая мощность, потребляемая ультразвуковым генератором - 150 Вт,
мощность, потребляемая электрическим нагревателем сушильного агента - 1000 Вт, время цикла сушки - 30 мин, затраты на подачу сушильного агента не учитывались.
Расчет эффективности процесса проводился согласно следующему выражению:
где Р - потребляемая электрическая мощность; г - время цикла сушки; т - масса удаленной влаги.
Полученные результаты приведены в таблице 2. В таблице приняты обозначения столбцов, соответствующие следующим типам высушиваемых образцов: 1 -
хлопчатобумажная ткань; 2 - морковь, нарезанная дисками; 3 - морковь, нарезанная брусками; 4 - корень женьшеня цельный; 5 - корень женьшеня, нарезанный дисками.
Таблица 2. Сравнение энергетической эффективности
Вид воздействия Кол-во удаленной влаги, г. Энергетическая эффективность, Вт мин / г
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
Подача нагретого сушильного агента 750 315 375 180 330 40 95 80 167 90
Подача нагретого сушильного агента и УЗ воздействие 1050 381 525 210 417 33 90 66 164 83
УЗ воздействие 300 66 150 30 87 15 68 30 150 51
Таким образом, приведенные в таблице 2 данные свидетельствуют о высокой эффективности применения ультразвуковых колебаний для сушки различных продуктов, обеспечивающей в некоторых случаях снижение энергозатрат на 20%, при сохранении времени сушки и уменьшении конечного влагосодержания продукта. Приведенные значения энергетической эффективности, также свидетельствуют о необходимости дальнейшего совершенствования излучателей УЗ колебаний для увеличения мощности создаваемых колебаний. Согласно полученным данным, это позволит еще более увеличить скорость и снизить энергозатраты на процесс сушки.
В целом, разработанная ультразвуковая сушильная установка обладает техническими характеристиками, приведенными в таблице 3.
Таблица 3. Технические характеристики УЗ сушильной установки
Наименование параметра Единица измерения Значение
Мощность, потребляемая УЗ генератором Вт 150
Мощность, потребляемая нагревателем (ТЭН) Вт 1000
Размеры сушильной камеры, диаметр, высота мм 850x600
Максимальная температура нагрева сушильного агента оС 40
Расход сушильного агента м3/мин 0,5
Частота УЗ колебаний кГц 24
Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук и их научных руководителей № МК-383.2008.8.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований создана конструкция ультразвуковой сушильной установки, обеспечивающей эффективную сушку термолабильных материалов и продуктов при температуре сушильного агента не более 40°С с одновременных воздействием ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности. При этом высокая степень интенсификации процесса сушки ультразвуковыми колебаниями (прирост до 50 г на 1 кг высушиваемого материала) позволяет снизить температуру сушильного агента, без потери в качестве и скорости сушки. Последнее особенно важно для производств, где нагрев высушиваемого продукта недопустим или нежелателен.
Высокая эффективность процесса сушки обеспечена за счет применения в конструкции сушильной установки дискового излучателя, формирующего УЗ поле с уровнем интенсивности не менее 130 дБ, и резонансного объема сушильной камеры, обеспечивающего усиление уровня интенсивности до 150 дБ.
Результаты проведенных экспериментов показывают перспективность и целесообразность создания комбинированных сушильных установок (ультразвуковые -конвекционные) с оптимальным соотношением доли тепловой и акустической энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Л. Д. Розенберг Физические основы ультразвуковой технологии. М.: Наука, 1969. -689 с.
2. S. de la Fuente-Blanco, E. Riera-Franco de Sarabia, V. M. Acosta-Aparicio, A. Blanco-Blanco, J. A. Gallego-Juarez. Food drying process by power ultrasound. Ultrasonics, Elsevier USA, 2006, 44, р. 523-527.
3. Глазнев В. Н. Устройство для сушки капиллярно-пористых сыпучих материалов. Патент РФ № 2095707.
4. E. Riera-Franco de Sarabia, J. A. Gallego-Juarez, G. Rodriguez-Corral, V. M. Acosta-Aparicio, E. Andres-Gallegos. Application of high-power ultrasound for drying vegetables. 19th International Congress on Acoustic, Madrid, Spain, 2007.
5. В.Н. Хмёлев, А.В. Шалунов и др. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности. Барнаул: АлтГТУ, 2007. 416 с.
6. A. N. Lebedev; A. V. Shalunov; S. S. Khmelev; N. V. Kuchin; A. V. Shalunova. Ultrasonic Oscillating System for Radiators of Gas Media. International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM"2008. Novosibirsk: NSTU, 2008.
7. V. N. Khmelev, S. V. Levin, S. N. Tsyganok, A. N. Lebedev. High Power Ultrasonic Oscillatory Systems. International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM"2007: Workshop Proceedings. Novosibirsk: NSTU, 2007, p. 293-298.
8. Choo Kwang Moon, V. N. Khmelev, A. V. Shalunov, Lee Hyo-Jai, A. N. Lebedev,
M. V. Khmelev. Compact Ultrasonic Dryer for Capillary-porous and Loose Materials. Ninth International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM"2008: Workshop Proceedings. Novosibirsk: NSTU, 2008, p. 295-299.
9. V. N. Khmelev, D. V. Genne, A. A. Bahirev, I. I. Savin The Meter of the Level High-Intensity Ultrasonic Pressure. International Workshops and Tutorials on Electron Devices and Materials EDM"2006: Workshop Proceedings. Novosibirsk: NSTU, 2006, p. 232-233.
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.
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.
