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.

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. .

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.

Экология потребления.Дом:Стирка и сушка белья не такая интересная тема, как научные достижения в области хранения энергии или возобновляемые источники энергии, но эти процессы занимают достаточно большое количество времени, а вместе с ним и значительную долю семейного бюджета.

Стирка и сушка белья не такая интересная тема, как научные достижения в области хранения энергии или возобновляемые источники энергии, но эти процессы занимают достаточно большое количество времени, а вместе с ним и значительную долю семейного бюджета.

Современная технология сушки одежды, которая использует произведённое с помощью электричества тепло, чтобы испарить воду из одежды, давно нуждается в модификации. Есть способы уменьшения количества воды в одежде перед сушкой, например, высокоскоростные центрифуги.

Новое решение предложили Ученые из Национальной лаборатории Oak Ridge, при поддержке Министерства энергетики США и GE Appliances, которые разработали прототип инновационной технологии сушки одежды. Она может сократить время сушки белья до всего 20 минут, и уменьшить количество энергии, используемой для каждой загрузки на 70%.

Вместо того чтобы использовать высокую температуру для удаления воды из одежды, этот прототип использует высокочастотные колебания - ультразвуковые волны – произведенные с помощью пьезоэлектрических преобразователей с питанием от настраиваемого усилителя.

«Этот метод сушки дает сногсшибательное результаты», сказал ученый лаборатории Айоб Момен (Ayyoub Momen), который разработал прототип.

«Мы смогли высушить кусок ткани всего за 14 секунд. Если вы захотите это сделать в тепловой сушильной камере при различных температурах, вам потребуется несколько минут».

Ультразвуковая сушилка для белья эффективна при быстром удалении воды из одежды и обладает низким энергопотреблением, но выпускает «прохладный туман» вместо теплого влажного воздуха, как происходит с обычными сушилками (правда, и это вызывает проблемы влажности и плесени). По этой причине ученые советуют отводить «выбросы» сушилки наружу здания, но кто знает, возможно, следующим этапом для ученых будет разработка способа повторного использования конденсируемого тумана для стирки следующей загрузки белья.

По данным Министерства энергетики США, Лаборатория и компания GE совместно работают над разработкой коммерческой версии продукта, и планируют иметь выпустить прототип уже осенью этого года. Если предположить, что ультразвуковая сушилка станет экономически эффективным методом для модернизации коммерческих стиральных машинок, то она существенно снизит расходы электроэнергии на сушку белья. опубликовано

ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на НАШ youtube канал Эконет.ру, что позволяет смотреть онлайн, скачать с ютуб бесплатно видео об оздоровлении, омоложении человека..

Ставьте ЛАЙКИ, делитесь с ДРУЗЬЯМИ!

Современные сушильные машины не лишены недостатков: многие хозяйки сталкивались со значительной усадкой вещей после стирки. Как правило, волокна ткани сокращаются в результате термического воздействия . Совершенно другой принцип действия имеет ультразвуковая сушка, разработанная в национальной лаборатории Oak Ridge при участии General Motors.

Как понятно из названия, сушильное устройство работает при помощи ультразвуковых волн , в отличие от традиционных устройств, применяющих горячий воздух. После загрузки мокрого белья, пьезоэлектрический преобразователь начинает излучать высокочастотные УЗ-волны, которые полностью высушивают ткань менее чем за полчаса. В зависимости от плотности и типа материала, объема загрузки, изделия сохнут от 1 до 20 минут. Вода, извлеченная из белья, превращается в пар и перетекает в специальную емкость, где обратно конденсируется. Хозяйке останется лишь слить полученную жидкость и достать абсолютно сухие изделия. Благодаря такой технологии исключается усадка волокон ткани, а также образование катышков на ее поверхности.

Из-за высокой скорости работы сушильная машина обладает прекрасными показателями энергоэффективности: по сравнению с традиционными устройствами, она тратит на 70% меньше электроэнергии.

Когда ждать в продаже

На данный момент это лишь изобретение, но его создатели работают над запуском коммерческой версии устройства, который планируется в 2017 году. Предполагается, что основными покупателями данной продукции станут мини-прачечные – их привлечет низкий расход электроэнергии и доступная стоимость устройства. Кстати, о стоимости: предполагаемая розничная цена будет установлена порядка 500 долларов США.