АКУСТОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ СУШКИ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК F26B5/02 F26B7/00 

Изобретение относится к технологиям удаления воды из материалов, имеющих пористую или волокнистую структуру, и может использоваться в различных отраслях промышленности, например в лесоперерабатывающей, мебельной и строительной - для сушки древесины, фармакологической - для приготовления лекарственных препаратов, химической - для производства твердых химических веществ и плотных суспензий, а также в сельском хозяйстве - для сушки зерна, фруктов, овощей, трав и других продуктов.

Известны различные способы удаления воды из материалов, в том числе традиционные термические, в которых тепло передается просушиваемым материалам непосредственно от источника тепла - контактная сушка, конвективно-термические, в которых тепло передается от источника тепла к высушиваемому предмету или материалу посредством потока нагретого газа, или пара, например воздуха, - бесконтактная сушка, а также акустические способы, в которых на материал воздействуют акустическим полем. Термический и конвективно-термический способы сушки достаточно широко распространены, но имеют ряд недостатков, главными из которых являются высокая энергоемкость и потеря потребительских качеств осушаемого материала при нагревании: зерно теряет биологическую активность, дерево коробится и растрескивается, термолабильные вещества разлагаются и т.д. Принципиальное отличие и существенное преимущество акустического способа сушки перед упомянутыми термическими и конвективно-термическими состоит в том, что этот способ - "холодный", не требующий нагревания материала, а удаление из него влаги происходит под действием звука, или ультразвука.

Например, известен акустический способ обезвоживания водных суспензий, в котором на водную суспензию одновременно воздействуют звуковым или ультразвуковым полем и электрическим полем [Патенты США 4561953 и 4747920]. Суспензия при этом продвигается в обезвоживающую камеру между электродами, один из которых способен пропускать воду. Звуковое, или ультразвуковое, поле прикладывают к суспензии одновременно с электрическим полем с такой частотой и амплитудой, чтобы вызвать отделение воды от частиц суспензии. Одновременно электрическое поле, действующее между электродами, заставляет частицы суспензии мигрировать от водопроницаемого электрода, а воду - мигрировать в направлении этого электрода. Затем воду удаляют через проницаемый электрод. Недостатками этого способа являются: пригодность его исключительно для осушивания суспензий, технологическая сложность и значительные энергозатраты.

Известен другой способ акустической сушки, в котором также дополнительно используется электрическое поле [Патенты США 5114560 и 5292421]. В этом способе рабочее пространство расположено между подвижными элементами для подачи влажного материала вдоль технологического пути. Когда влажный материал продвигается, электрический ток проходит через материал между механизмами первого электрода и второго электрода, расположенных рядом с транспортным элементом. Механизм акустического передатчика, расположенного рядом с рабочим пространством, одновременно подвергает влажный материал воздействию акустического поля при движении влажного материала вдоль технологического пути. Акустическое поле генерируется массивом акустических передатчиков, расположенных вдоль части технологического пути. Этот способ применим для высушивания различных материалов, однако он также имеет ряд недостатков, к которым относятся сложность осуществления и, соответственно, сложность технологической аппаратуры для его осуществления, а также высокая энергоемкость.

Известен также акустический способ сушки волокнистых материалов, в котором обработку акустическим полем осуществляют на начальном этапе сушки в двух зонах полей стоячих акустических волн с интервалом 2-5 мин [Заявка на изобретение РФ 99105625, 2062416, МПК F 26 В 7/00]. При этом координаты пучностей одной зоны совпадают с узлами другой. Этот способ сложен в применении, так как требует точной юстировки оборудования в соответствии с пучностями и узлами двух зон полей стоячих акустических волн.

Известен также акустический способ сушки капиллярно-пористых материалов, в котором из осушаемого материала удаляют влагу под действием акустического поля, которым воздействуют на осушаемый материал циклически, с паузами между циклами [Патент РФ 2062416, МПК F 26 В 7/00].

Этот способ по наибольшему числу сходных признаков является ближайшим аналогом предлагаемого акустотермического способа сушки материалов и принят за прототип изобретения. Этот способ характеризуется большей, относительно других известных способов сушки, скоростью высушивания материалов и меньшими энергозатратами, однако современные темпы развития промышленности и сельского хозяйства требуют все больших скоростей сушки при более низких энергозатратах.

Изобретение решает задачу увеличения скорости высушивания материалов при одновременном снижении энергозатрат на сушку.

Поставленная задача решается тем, что предлагается акустотермический способ сушки материалов, который осуществляют циклически, в каждом цикле предварительно нагревая осушаемый материал и воздействуя затем на него акустическим полем.

Последовательность циклов может быть непрерывной, что по сути означает чередование нагревания и акустической обработки. Время высушивания и энергозатраты дополнительно снижаются, если между окончанием предыдущего и началом следующего циклов выдерживают паузу.

Наиболее заметно увеличивается скорость высушивания, если нагревание осуществляют до температуры, при которой значение коэффициента влагопроводности высушиваемого материала возрастает не менее чем в два раза.

Целесообразно при осуществлении способа использовать акустическое поле с частотой не менее 70 Гц, так как при более низких значениях ухудшаются технико-экономические параметры способа.

Способ осуществляют следующим образом. Осушаемый материал, например дерево, помещают в сушильную камеру, через которую, например, пропускают теплый сухой воздух, под действием которого материал нагревается. По мере нагревания возрастает величина коэффициента влагопроводности материала: D ~ Тⁿ, где Т - температура осушаемого материала в градусах Цельсия, а показатель n может иметь значения в диапазоне 3-10 в зависимости от материала. Как только величина коэффициента влагопроводности увеличится, например, в два - три раза, что в среднем соответствует нагреванию различных материалов на 20-50^oС, термическую обработку осушаемого материала прекращают, и создают в камере акустическое поле с использованием, например, установленных в камере генераторов акустических волн. Под воздействием акустического поля влага удаляется из пор и капилляров материала со скоростью, зависящей от величины коэффициента влагопроводности. Поскольку при предварительном нагревании коэффициент влагопроводности увеличился приблизительно в два - три раза, во столько же раз возрасла и скорость удаления влаги из материала в акустическом поле, так как в соответствии с законом Фика: I = dw/dt = - D dw/dx, где I - поток влаги в направлении к поверхности материала; D - коэффициент влагопроводности материала; w - влажность материала; t - время; х - координата, направленная от внутренних слоев к поверхности материала. Следовательно, увеличение значения коэффициента влагопроводности приводит к увеличению потока влаги из внутренних слоев материала к его поверхности и, как следствие, к увеличению скорости высушивания dw/dt. Когда обработку акустическим полем прекращают, завершается один цикл. В следующем цикле последовательность действий повторяют. Если между циклами выдерживают паузу, влага из внутренних слоев материала во время паузы продолжает поступать к его поверхности, без затрат энергии, что, соответственно, дополнительно снижает энергозатраты на сушку.

Характерно, что по мере снижения содержания влаги в материале, скорость сушки dw/dt уменьшается. В начальный период зависимость содержания влаги от времени сушки близка к линейной. Чем меньше остается в осушаемом материале влаги, тем труднее она удаляется. Поэтому циклы могут быть неодинаковыми - различаться как по длительности нагревания, так и по длительности обработки акустическим полем - это определяется в каждом случае отедельно. Также может варьироваться длительность паузы между циклами, если сушку проводят с паузами между циклами. Для каждого материала может быть подобрана оптимальная комбинация термического, акустического воздействий в цикле и пауз между циклами, обеспечивающая максимальную скорость высушивания и минимальные энергозатраты, зависящая от его плотности, пористости или волокнистости, объема, начальной влажности, размеров сушильной камеры и других параметров.

Пример 1.

Высушиванию подвергают модельные образцы сосны размером 50х16х16 мм с начальном содержанием влаги W_o = 28,9% и начальной температурой 20^oС. Образцы помещают в сушильную камеру. Через камеру пропускают нагретый до температуры 43^oС воздух. При нагревании образцов до температуры 43^oС обработку нагретым воздухом прекращают. Далее в камере с помощью генераторов создают акустическое поле частотой 300 Гц. Обработку в акустическом поле продолжают в течение 5 мин. После этого обработку прекращают, что соответствует завершению цикла. В результате осушаемый материал имеет влажность W_к = 28,4%, т.е. за 1 цикл, влажность снизилась на 0,6%.

Пример 2 (прототип).

Высушиванию подвергают те же образцы, что и в примере 1, однако сушку ведут без предварительного нагревания материала в цикле. После акустической обработки образцов в течение 5 мин W_к=28,8%, т.е. за 1 цикл, влажность снизилась на 0,1%, что в 6 раз ниже, чем в примере 1.

Пример 3.

Высушиванию подвергают деревянную доску толщиной 27 мм при начальном влагосодержании W_o= 70%. Предварительно доску нагревают от стационарного теплового источника на 25^oС. После этого тепловой источник отключают, и включают генератор акустических волн частотой 300 Гц и воздействуют на доску акустическим полем. Скорость сушки составляет 15% в час.

Пример 4 (прототип).

Высушиванию подвергают такую же, как в примере 3, деревянную доску толщиной 27 мм при тех же начальных условиях. Сушку проводят без нагревания материала в каждом цикле. Скорость сушки при этом составляет 5% в час, что в 3 раза ниже, чем в примере 3.

Таким образом, циклическое воздействие на осушаемый материал акустическим полем с предварительным нагреванием его в каждом цикле позволяет увеличить скорость сушки в несколько раз. При этом подогрев, например на 20-50^oС, не влияет на физико-механические свойства материала или его биологическую активность, как при термических способах сушки, соответственно, материал не портится и не теряет своих потребительских качеств. Оценки показали, что энергозатраты на подогрев осушаемого материала на 20-50^oС в циклическом режиме пренебрежимо малы по сравнению с энергозатратами на акустическую обработку того же материала, что свидетельствует о снижении энергозатрат на сушку материалов предлагаемым акустотермическим способом.

Изобретение относится к технологиям удаления воды из материалов, имеющих пористую или волокнистую структуру, и может использоваться в различных отраслях промышленности, например в лесоперерабатывающей, мебельной и строительной - для сушки древесины, фармакологической - для приготовления лекарственных препаратов, химической - для производства твердых химических веществ и плотных суспензий, а также в сельском хозяйстве - для сушки зерна, фруктов, овощей, трав и других продуктов. Способ сушки материалов осуществляют циклически, причем в каждом цикле осушаемый материал предварительно нагревают до увеличения коэффициента влагопроводности, по крайней мере, в два раза, а затем воздействуют на него акустическим полем. Между окончанием предыдущего цикла и началом следующего цикла выдерживают паузу, а частота акустического поля выбирается не ниже 70 Гц. Изобретение должно обеспечить увеличение скорости высушивания материалов при одновременном снижении энергозатрат на сушку. 2 з.п.ф-лы.

1. Способ сушки материала, по которому на осушаемый материал циклически воздействуют акустическим полем, при этом в каждом цикле материал предварительно нагревают, отличающийся тем, что осушаемый материал предварительно нагревают в каждом цикле до увеличения его коэффициента влагопроводности, по крайней мере, в два раза. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что между началом последующего цикла и окончанием предыдущего цикла выдерживают паузу. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частота акустического поля, которым воздействуют на осушаемый материал, не ниже 70 Гц.