Представления о механизме акустической сушки

Под акустической сушкой понимают процесс удаления влаги из материала, происходящий под воздействием звукового поля высокой интенсивности. Прежде чем остановиться на физических явлениях, происходящих во влажном материале при обработке его звуком, кратко рассмотрим существующие в настоящее время гипотезы относительно механизма удаления влаги в звуковом поле.

В соответствии с двумя периодами сушки материала, воздействие звука в каждый из этих периодов должно иметь различный характер. В первых своих работах по акустической сушке Буше [3, 10] высказал следующие предположения о воздействии звука в первом периоде сушки. В соответствии с законом Дальтона [см. формулу (1)], изменение скорости массо-передачи может происходить за счет двух факторов: увеличения коэффициента K, определяемого гидродинамическими условиями на поверхности, и уменьшения барометрического давления. Согласно Буше, акустическое поле может влиять на оба эти параметра.

Во-первых, звуковая волна, распространяясь вдоль поверхности материала, создает места с повышенным и пониженным давлениями. Предполагается, что в моменты прохождения фазы сжатия процесс испарения не изменяется, тогда как в фазе разрежения создается частичный вакуум, в результате чего скорость испарения возрастает. Это положение Буше обосновывает тем, что опытным путем установлено преобладание эффекта расширения над эффектом сжатия. При этом указывается, что хотя даже при высоких уровнях звука изменение давления составляет единицы процентов, однако повторяясь много раз в секунду (с частотой звука), этот эффект оказывает заметное действие.

Во-вторых, на процесс испарения влияет турбулизация воздуха у поверхности влажного тела, создаваемая звуковой волной. Турбулентные потоки разрушают диффузионный пограничный слой и тем самым способствуют увеличению массопереноса. Наряду с этим Буше считает возможным возникновение на поверхности влажного материала своего рода поверхностной кавитации, способствующей удалению влаги. Ни одно из этих предположений автором не было проверено, однако, как будет показано в дальнейшем, исследования частично подтверждают справедливость предложенной гипотезы применительно к первому этапу сушки, хотя весомость тех или иных факторов, влияющих на испарение, далеко не одинакова.

Солоф [6] считает, что за ускорение сушки в звуковом поле ответственна пульсационная составляющая скорости воздушного потока, т. е. колебательная скорость, которая по его расчетам приблизительно в 10 раз больше, чем скорость воздуха, реально применяемая в барабанных сушилках. А так как коэффициент теплопередачи, от которого зависит скорость тепловой сушки в барабанных сушилках, приближенно выражается как корень квадратный из скорости подаваемого в сушилку воздуха, то, по его мнению, десятикратное увеличение колебательной скорости хорошо объясняет трехкратное ускорение сушки, которое наблюдается при наиболее часто применяемых режимах озвучивания.

Однако простой расчет показывает, что при звуковом давлении 165 дб амплитуда колебательной скорости составляет 11,6 м/сек, а не 110 м!сек, как ошибочно указано в работе [6], поэтому приведенное объяснение явно ошибочно. Само влияние пульсационной составляющей потока будет рассмотрено в дальнейшем.

Что касается влияния звука во втором периоде сушки, то Солоф считает возможным лишь термическое действие вследствие поглощения части звуковой энергии и влияние понижения давления у поверхности материала в фазе разрежения.

Грегуш [11] полагает, что факторы, влияющие на сушку в первый период, при звуковом облучении, действуют лишь при удалении осмотически связанной влаги, тогда как во втором периоде сушки звуковые волны непосредственно влияют на влагопроводность. Автор этой гипотезы предлагает три возможных механизма этого воздействия.

Первый — поскольку коэффициент влагопроводности обратно пропорционален вязкости жидкости и существуют указания, что вязкость жидкости в ультразвуковых полях снижается [12], то влагопроводность повышается за счет уменьшения вязкости жидкости в капиллярах. Кроме того, влагопроводность повышается и в результате ускорения диффузии пара в капиллярах за зоной испарения.

Второй — процесс сушки возможно ускоряют пузырьки воздуха, защемленные в капиллярах и пульсирующие под влиянием изменения температуры при чередовании сжатий и разрежений в звуковой волне. Такие пузырьки, по Грегушу, способны вызвать миграцию влаги в капиллярах.

Третий фактор — радиационное давление, которое направлено из мест с большим акустическим сопротивлением в места с меньшим значением рс, в данном случае из воды в воздух.

Так как все три причины ускорения процесса сушки зиждятся на возможности проникновения акустической энергии из газовой среды в жидкую без потерь, то Грегуш делает попытку обосновать возможность такого проникновения с помощью цереходного парового слоя, который обеспечивает плавное изменение волнового сопротивления среды от газа до рс жидкости.

Последнее утверждение представляется нам по меньшей мере сомнительным, учитывая, что подобный переходный слой составляет десятые и сотые доли длины волны (толщины пограничного диффузионного слоя во много раз меньше длин волн на частотах, применяемых при акустической сушке), в результате чего волна просто не замечает этот переходный слой. Поэтому доля звуковой энергии, прошедшей в жидкость, находящуюся в капилляре, будет ничтожно мала и, следовательно, предлагаемый механизм воздействия маловероятен. Опытов, имеющих своей целью подтвердить или опровергнуть предложенную гипотезу, никто не ставил, поэтому сейчас еще трудно судить, насколько она правильна, однако косвенные опыты, изложенные в гл. 4, опровергают данную гипотезу.