Влияние частоты звука, размера тела и его расположения на скорость сушки

Приведенные в предыдущем параграфе формулы для безразмерного коэффициента массообмена выведены для тел вполне определенной конфигурации, однако с некоторым допущением они могут быть применены и для тел несколько иной формы, если их размеры выдерживаются по отношению к длине звуковой волны. Во всяком случае, эти выражения позволяют понять тенденцию изменения массообмена при изменении тех или иных параметров и, в частности, объяснить, почему в одних экспериментальных работах исследуемые процессы интенсифицируются с ростом частоты звука, а в других повышение частоты ведет к снижению эффекта, получаемого за счет акустического воздействия.

Экспериментальные данные по массообмену в звуковом поле при указанных условиях отсутствуют, поэтому обратимся для сопоставления к работе [32], в которой исследован теплообмен в условиях стоячей волны на ультразвуковых частотах.

которое имеет ту же зависимость от частоты, что и теоретическая формула. Таким образом, для тел, больших по сравнению с длиной волны, целесообразно повышать частоту звука.

что приблизительно и наблюдается на практике [31].

равноправно входят как частота, так и амплитуда смещения, то, исходя из того, что изменение каждой из этих величин неравноценно сказывается на ускорении процесса, авторы пришли к выводу, что основным физическим фактором, определяющим интенсификацию массообмена, является амплитуда смещения, а не амплитуда колебательной скорости.

т. е. приблизительно 40%. Реально же, как было указано выше, он несколько меньше.

при рэлеевских пото-

а, следовательно, о характере влияния частоты можно говорить лишь предположительно. В частности, нам не удалось отыскать в литературе данные, полученные при выполнении всех требований, ограничивающих диапазон изменения величины колебательной скорости, размера тела и частоты, чтобы проверить справедливость указанной зависимости. Видимо, частично по этой причине экспериментально полученные кривые и отличаются от теоретических.

а также наличием в бегущей волне звукового ветра (эккартовского потока), скорость которого пропорциональна квадрату частоты.

довольно хорошо соблюдается (рис. 22, а). Однако в работе [4] на губчатых образцах размером 5x5x2 мм, помещенных в пучность скорости на 10 мин (этот промежуток времени гораздо короче длительности первого периода сушки), влияния частоты в диапазоне 0,6—5,3 кгц (Р = 153 дб) отмечено не было (рис. 22, б). По нашему мнению, этот результат можно объяснить высоким влагосодержанием образца (~550%), в связи с чем на начальной стадии сушки, по-видимому, происходило механическое удаление влаги, тем более, что губчатый полихлорвиниловый образец имел крупнопористую структуру и податливый скелет.

Если же обратиться к данным по сушке различных продуктов в полупроизводственных условиях, когда загружалось значительное количество материала, то картина частотной зависимости становится более сложной. Хотя из работ Буше трудно получить частотную характеристику процесса, так как в большинстве случаев одновременно с частотой меняется и уровень звукового давления, однако из работы [7] видно, что при сушке алюмогеля (с наличным влагосодержанием 90 кг 1кг), перемещавшегося в звуковом поле на колеблющемся транспортере, процесс шел лучше на высокой частоте (48% влаги было удалено на частоте 1,2 кгц при звуковом давлении 154 дб, а на частоте 12 кгц — при Р = 143 дб за то же время). Вообще, для промышленного использования Буше считает наиболее эффективным диапазон частот 6—10 кгц, в частности, для барабанной сушки получена приведенная на рис. 23 зависимость относительной эффективности сушки мелкодисперсных материалов от частоты при постоянном уровне звукового давления [5].

К сожалению, автор работы не указывает, относится ли эта зависимость и к первому периоду сушки или только ко второму. Если для второго периода такой избирательный характер частоты довольно понятен (на низких частотах затухание в капиллярах мало, а на высоких — велико, но одновременно сильно возрастают и потери в среде), то в период постоянной скорости эту зависимость объяснить трудно.

на низких частотах наблюдается значительный рост плотности теплового потока.

Известно [9], что при испарении (диффузии) в условиях свободной конвекции возникают конвективные токи диффундирующего вещества, причем если молекулярный вес вещества больше молекулярного веса воздуха, то потоки направлены вниз, а в случае меньшего молекулярного веса (пар) — вверх. Аналогичные явления наблюдаются и при теплообмене, когда нагретый воздух поднимается вверх. Так как при воздействии звука у тела возникает своя система потоков, то конвективные и акустические потоки будут взаимодействовать между собой, особенно когда значение звукового давления близко к критическому. Таким образом, видимо, не безразлично, каково направление звуковых колебаний по отношению к направлению земного тяготения.

При горизонтальных колебаниях конвективные потоки пара (или нагретого воздуха) в нижней части сферы направлены в одном направлении с акустическими (рис, 24, а), а в верхней — навстречу друг другу. Очевидно, именно взаимодействие этих потоков образует над горизонтально расположенным нагретым цилиндром два вихря, названных термоакустическими потоками [68]. Появление вихрей такого рода, очевидно, возможно и в случае диффузионных потоков. При вертикальном направлении колебаний картина меняется (рис. 24, б): потоки, идущие в одном направлении, наблюдаются в верхних квадрантах, а встречные — в нижних. Визуальное наблюдение потоков у нагретого цилиндра показало, что при таком взаимном расположении источника звука и препятствия термоакустических потоков не образуется, но существует широкая зона турбулентных течений [69]. Другими словами, направление колебаний существенно влияет на физику процессов и пограничный слой вблизи цилиндра. Вследствие того, что конвективные токи направлены вверх, в отсутствие звука локальные значения критерия Нуссельта в нижней части цилиндра существенно выше, чем в верхней, где движется нагретый воздух. Поэтому горизонтальное направление колебаний менее выгодно, так как оно увеличивает потоки в нижней части цилиндра, где теплообмен и так достаточно интенсивен. При вертикальном же направлении озвучивания происходит ускоренный отвод тепла в верхней половине цилиндра, где без звука он был незначительным. В результате, при вертикальном направлении колебаний общий теплообмен увеличивается, что и показано в работах [69, 70], Так, при горении горизонтально расположенного цилиндра в вертикальном звуковом поле выгорание поверхности происходит не только на боковых частях, где набегают потоки, но и в верхней его части, где потоки складываются [70].

Хотя применительно к сушке подобные опыты никем не ставились, однако следует полагать, что физика процесса остается такой же, поэтому вертикальное направление звуковых колебаний более целесообразно, чем горизонтальное. Что касается проверки этого явления при испарении камфары [61] (см. рис. 17), то поскольку измерение уноса материала производилось в пяти точках в верхней части сферы, а молекулярный вес камфары гораздо больше кажущегося молекулярного веса воздуха, то, по-видимому, повышенный поток вещества в нижней части шара замечен не был.

Во всяком случае при выборе того или иного расположения образца и направления колебаний следует учитывать взаимное воздействие тех и других типов потоков.