ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения конструкторско-технологической разработки.

Изобретение относится к области техники, связанной с созданием технологических процессов сушки различных материалов и применением акустических (ультразвуковых) колебаний в технике сушки материалов, а именно к способам интенсификации процесса при помощи акустических колебаний высокой интенсивности в сочетании с периодическими изменениями давления вокруг высушиваемого материала. Изобретение может быть использовано для создания современной материально-технической базы в химической, биологической, фармацевтической промышленности, а также в сельском хозяйстве.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном способе сушки капиллярно-пористых материалов, заключающемся в том, что материал для сушки помещают в технологический объем, размер которого превосходит объем высушенного материала, размещают в этом объеме газоструйный преобразователь, подают через него в объем сжатый воздух, осуществляют преобразование энергии потока газа в энергию упругих колебаний, обеспечивают распространение акустических колебаний к поверхности высушиваемого материала до момента удаления заданного количества влаги, высушиваемый материал помещают в технологический объем, выполненный в форме тороида. Попеременно обеспечивают герметизацию или проницаемость стенок тороида. Технологический объем в форме тороида с высушиваемым материалом помещают в больший по размерам объем, представляющий собой объемную фигуру, имеющую в сечении два одинаковых эллипса, пересекающихся таким образом, что сечения совпадают по одному из фокусов эллипсов. Газоструйный преобразователь располагают в общем для двух эллипсов фокусе, технологический объем с материалом для сушки размещают в области вторых фокусов, распространение акустических колебаний к поверхности технологического объема с высушиваемым материалом обеспечивают за счет многократных отражений внутри большего объема и фокусировки, причем акустическое воздействие чередуют с герметизацией объема с высушиваемым материалом, уменьшением давления в большем объеме и последующей разгерметизацией объема с высушиваемым материалом. В зависимости от физико-химических свойств материалов и заданной степени сушки мощность механических колебаний ультразвуковой частоты выбирают в интервале от 120 до 170 дБ при частоте колебаний от 15 до 25 кГц, вакуумирование в большем объеме проводят до остаточного давления в интервале 1 до 10000 Па, причем величину остаточного давления в большем объеме устанавливают исходя из соотношения объемов, обеспечивая суммарное для двух объемов давление в интервале от 10 до 70000 Па, в течение интервала времени от 0,2 до 6 с.

Разработанный способ поясняется фиг.1, на которой схематично показана конструктивная схема сушильной установки.

На фиг.1 показано, что высушиваемый материал помещают в технологический объем, выполненный в форме тороида 1. В процессе реализации предложенного способа попеременно обеспечивают герметизацию или проницаемость стенок этого технологического объема 1, выполненного в форме тороида. На практике возможна реализация непрерывного процесса сушки за счет организации перемещения материала в технологическом объеме и периодической разгрузки и загрузки. Технологический объем в форме тора с высушиваемым материалом помещают в большой объем 2 сушилки, представляющий собой объемную фигуру, имеющую в сечении два одинаковых эллипса, пересекающихся таким образом, что сечения совпадают по одному из фокусов сечений. Газоструйный преобразователь 3 размещают в общем для двух эллипсов фокусе. Объем с материалом 1 размещают в области вторых фокусов большего объема 2 сушилки.

Использование сушильной камеры подобной формы позволяет, с одной стороны, сконцентрировать акустические колебания на высушиваемом материале за счет многократных отражений внутри объема и фокусировки, с другой стороны, исключить необходимость перемешивания материала в силу того, что объект сушки находится в зоне облучения акустическими колебаниями со всех сторон.

Процесс сушки проводят циклами, состоящими из двух этапов: этапа сброса давления и этапа акустического воздействия. Сброс давления или резкий вакуумный удар достигается за счет понижения давления в большем объеме 2 и последующей резкой разгерметизации объема 1 с высушиваемым материалом. В результате чего давление в объемах 2 и 1 выравнивается в течение короткого интервала времени и высушиваемый материал подвергается резкому перепаду давления. Связь между первоначальными давлениями в объемах и в суммарном объеме может быть найдено из уравнений Менделеева-Клапейрона, записанных для объемов, и определяется следующей зависимостью:

где Р ₁₂ - суммарное для объемов 1 и 2 остаточное давление;

Р ₁ - давление в объеме 1;

Р ₂ - давление в объеме 2;

v ₁ - объем 1;

v ₂ - объем 2.

Таким образом, достижение требуемого остаточного давления может обеспечиваться либо регулировкой глубины вакуумирования в объеме 1 (Р ₁), либо варьированием отношения объемов камер 1 и 2, так как

Основные параметрические показатели сброса давления (начальное давление, остаточное давление, продолжительность сброса) могут широко варьироваться в зависимости от физико-химических свойств объекта сушки.

Резкое снижение давления приводит к возникновению дополнительной движущей силы сушки - нерелаксируемому градиенту общего давления. В результате падения давления происходит бурное парообразование по всему объему высушиваемого материала, и формирующийся молярный поток выносит из материала вместе с паром и часть влаги в жидкой фазе. Таким образом, механизм сушки оказывается аналогичным механическому обезвоживанию посредством прессования или центрифугирования.

Как уже отмечалось, существует нижняя граница мощности воздействия акустической энергии, начиная с которой процесс сушки интенсифицируется. По различным оценкам пороговая интенсивность составляет 140-150 дБ. В случае, если мощность колебаний не достигает пороговой отметки акустическая сушка ничем не отличается от конвективной. В предлагаемом способе сушки нижняя граница диапазона выбираемой мощности колебаний снижена до 120 дБ. Снизить границу позволяет форма сушильной камеры, в которой высушиваемый материал располагается в области наивысшей концентрации звуковой энергии и, как следствие, мощность воздействия на материал значительно превышает пороговую отметку и при меньших, чем в прототипе, значениях мощности излучателя.

В рамках предлагаемого способа частоту колебаний выбирают в диапазоне от 15 до 25 кГц. Выбор высоких частот объясняется способностью коротких волн проникать в мелкие поры и капилляры высушиваемого материала (в том числе и в те, которые формируются за счет резкого перепада давления) и тем самым интенсифицировать процесс сушки.

Регулируя процесс парообразования, можно добиться и структурного видоизменения высушиваемого капиллярно-пористого тела, и частичного или полного разрушения. В случае допустимости структурных видоизменений параметры сушки необходимо выбирать именно так. Структурные изменения сводятся к укрупнению и приданию правильной геометрической формы порам и капиллярам, присутствующим в объекте.

На фиг.2 схематично показана структура капиллярно-пористого материала до сброса давления (А) и после (Б). Заштрихованная область - зона проникновения ультразвуковых колебаний в материал. Указанные изменения благоприятно сказываются на товарных характеристиках высушиваемого материала. Применительно к пищевым продуктам - приводят к улучшению вкусовых качеств (например, хруст для чипсов и др.), применительно к строительным материалам - уменьшают коэффициент теплопроводности.

Структурные изменения материалов значительно интенсифицируют процесс сушки на этапе акустического воздействия. Интенсификация происходит за счет увеличения площади поверхности воздействия ультразвуковых волн.

Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность акустического (ультразвукового) воздействия на высушиваемый материал за счет рационального размещения высушиваемого материала в сушилке, фокусировки колебаний в области размещения высушиваемого материала, резкого снижения давления, приводящего к возникновению дополнительной движущей силы сушки - нерелаксируемого градиента общего давления, увеличения энергии колебаний, вводимых в высушиваемый материал, снижения энергозатрат, уменьшения нагрева поверхностных слоев материала.

В результате реализации предлагаемого технического решения повышается эффективность процесса акустической сушки, осуществлена оптимизация конструкций акустических сушилок с точки зрения обеспечения максимальной эффективности воздействия акустическими колебаниями на высушиваемый материал, уменьшения нагрева поверхностных слоев.

Таким образом, предлагаемый способ сушки капиллярно-пористых материалов обеспечивает повышение производительности, сокращение длительности процесса сушки, снижение энергоемкости, повышение экономичности и улучшение потребительских качеств высушиваемого объекта.