Ультразвуковая сушка пиломатериалов. Ультразвуковая сушка. Технология акустической сушки

Владельцы патента RU 2367862:

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

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

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

Современная сушка в технологическом оформлении используемых сушилок характеризуется следующими недостатками :

1) процесс чрезвычайно энергоемок и длителен;

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

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

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

1) высокая интенсивность процесса;

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

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

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

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

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

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

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

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

а) низкий КПД, не превышающий 20%;

б) быстрый износ механических узлов;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы

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

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

3. Патент РФ №2095707.

4. Патент РФ №2239137 - прототип.

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

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

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

Изобретение относится к области техники, связанной с осуществлением технологических процессов сушки различных материалов при помощи акустических колебаний ультразвуковой частоты

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

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

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

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

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.

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).

Процесс сушки заключается в удалении влаги из материала. Обычно это осуществляется за счет нагревания. Сушка твердых, сыпучих и других материалов распространена в самых разнообразных технологических процессах. В большинстве случаев в качестве теплоносителя используется нагретый воздух. Но при сушке многих химических продуктов, биологических объектов, удобрений, нельзя проводить сушку при повышенных температурах, т. к. вещества либо разлагаются, либо теряют свои бактерицидные свойства.

Когда нельзя допускать повышения температуры при сушке, сушку осуществляют под воздействием ультразвуковых колебаний.

Воздействие ультразвуковых колебаний способствует удалению влаги и позволяет ускорить процесс сушки во много раз. Коллектив лаборатории имеет большой опыт разработки и создания практических конструкций для акустической (ультразвуковой) сушки, более подробную информацию можно найти в монографии «Применение ультразвука в промышленности» глава 6.4 «Процессы акустической сушки».

6.4 Процессы акустической сушки

(Хмелёв В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: научная монография/ Алт. гос. Техн. Ун-т. им. И.И. Ползунова. — Барнаул: изд. АлтГТУ, 1997. — 160 с.)

Процесс сушки заключается в удалении влаги из материала. Обычно это осуществляется за счет нагревания. Сушка твердых, сыпучих и других материалов распространена в самых разнообразных технологических процессах .

В большинстве случаев в качестве теплоносителя используется нагретый воздух. Но при сушке многих химических продуктов, биологических объектов, удобрений, нельзя проводить сушку при повышенных температурах, т. к. вещества либо разлагаются, либо теряют свои бактерицидные свойства.
Когда нельзя допускать повышения температуры при сушке, сушку осуществляют под воздействием УЗ колебаний. Первые результаты были получены еще в 1955 г. П. Грегушем (Венгрия). На частоте 25 кГц он получил 10-кратное ускорение сушки мокрого хлопкового волокна. Позже им же было получено УЗ ускорение сушки древесины.

Процесс сушки состоит из двух основных период. Первый заключается в испарении влаги с поверхности материала и диффузии пара в окружающее пространство. Испарение влаги приводит к тому, что в материале создается градиент влажности, в результате чего влага из внутренних слоев начинает перемещаться на поверхность. Это и есть второй период.

УЗ воздействие высокой интенсивности позволяет интенсифицировать оба периода процесса сушки .
В течение первого периода сушки колебания позволяют уменьшить толщину гидродинамического пограничного слоя. В УЗ поле гидродинамический пограничный слой может быть существенно меньше диффузионного. Это значит, что колебания проникают внутрь диффузионного слоя, турбулизируют его, тем самым ускоряют процесс испарения. Наряду с уменьшением толщины пограничного слоя УЗ метод сушки обладает еще одним важным преимуществом — колебания проникают в материал и создают в нем быстро сменяющиеся зоны повышенного и пониженного давления, что интенсифицирует процессы переноса влаги из глубинных слоев к поверхности во втором периоде сушки. Другими действующими факторами УЗ воздействия являются (Рисунок 6.5): уменьшение вязкости жидкости под действием колебаний, что способствует переносу влаги из глубинных слоев к поверхности; выдавливание влаги из материала кавитационными пузырьками, возникающими в жидкости под действием колебаний; радиационное давление, выдавливающее жидкость из материала и др.

Рисунок 6.5 — Действующие факторы ультразвуковой сушки

Меньшие энергетические затраты УЗ сушки, по сравнению с конвективной, объясняются тем, что жидкость с поверхности удаляется не только за счет испарения (что требует значительных энергетических затрат на осуществление фазового перехода), но и за счет УЗ распыления в виде аэрозоля (без фазового перехода), который возникает в результате высокоинтенсивных упругих колебаний ультразвуковой частоты.

Поэтому УЗ сушка при сопоставимой мощности энергетического воздействия протекает в несколько раз быстрее по сравнению с конвективной сушкой . Известны запатентованные способы сушки капиллярно-пористых материалов в УЗ полях высокой интенсивности , подтвердившие следующие преимущества акустической сушки:

— высокая интенсивность процесса при меньших затратах энергии;
— возможность обеспечения качественной и эффективной сушки при низких температурах или, что принципиально, без повышения температуры.

Таким образом, основными действующими факторами являются:

1. Уменьшение вязкости жидкости под действием УЗ способствующее ускоренному перемещению влаги по капиллярам из глубины тела на поверхность.
2. Колебания пузырьков газа, находящихся в жидкости, которые, выдавливают влагу из капилляров.
3. Радиационное давление, направленное в капиллярах из жидкости в газ, которое перемещает столбик жидкости капилляра, перемещая его к поверхности.

Сушка в УЗ поле происходит без нагрева материала. Именно поэтому это единственный способ сушки термочувствительных и легко окисляющихся материалов. Этот способ по скорости отличается от обычных методов. Например, при сушке силикагеля при начальной влажности 25%, интенсивности излучения в 152 дБ, на частоте 8 кГц, t=15 мин — полное высушивание. На рисунке 6.6 представлены зависимости по производительности процесса сушки этилцеллюлозы.

Рисунок 6.6 — Зависимости по производительности процесса сушки этилцеллюлозы

Сравнение с вакуумной сушкой и сушкой нагретым воздухом (92°C): за это же время удалось удалить только 10-15% содержащейся влаги.
При сушке ферментов (не выдерживающих 40°C) процесс в акустическом поле занял 14 мин и скорость в сравнении с вакуумным методом повысилась в 3-4 раза.

Особенности акустической сушки (требования к аппаратуре) .

1. Существует нижняя граница интенсивности, при которой начинается заметное ускорение процесса (порядка 130...145 дБ).
2. Нет зависимости скорости сушки от частоты в диапазоне от 2 до 25 кГц.
3. Наиболее эффективна сушка для тонких слоев (порядка 2-3 см).

Рассмотрим практические схемы сушилок(Рисунок 6.7)

Рисунок 6.7 — Практические схемы сушилок

Основные — это звукофицированные сушилки с кипящим слоем для сушки порошкообразных веществ, сушилки барабанные и вибрационные.

Рассмотрим конструкцию сушилки с кипящим слоем. В вертикальном цилиндре в боковой и верхней части установлены излучатели.

Через питатель материал загружается в сушилку на колосниковую решетку. Воздух для сушки подается снизу через распределительную сетку. При прохождении воздуха через сетку и материал он начинает интенсивно перемешиваться, «кипеть», образуя псевдосжиженный слой. Постоянно перемешиваемый материал подвергается воздействию УЗК и сушится.

По мере высыхания частицы становятся легче, поднимаются по верхней перегородке и ссыпаются в бункер. Удаление влажного воздуха производится через верхний патрубок.