Комбинированные методы сушки с применением звуковой энергии

Учитывая высокую стоимость звуковой энергии и возможность интенсификации процессов сушки другими методами, интересно рассмотреть одновременно действие звука и других физических факторов, таких как температура, высокочастотное электромагнитное поле и т. п.

На рис. 29 были показаны кривые, характеризующие одновременное действие горячего воздуха и звука в барабанной сушилке при сушке зерен кукурузы. Из кривых ясно, что дополнительный нагрев материала может существенно увеличить производительность оборудования, но с повышением температуры относительная эффективность звукового воздействия падает. Аналогичные явления наблюдались нами при сушке этилцеллюлозы [60], глюконата кальция и других материалов.

Большое количество работ по совмещению акустического и других методов сушки было проведено во Всесоюзном научно-исследовательском институте новых строительных материалов (ВНИИНСМ). В качестве образцов использовались модельные капиллярно-пористые материалы, такие как глинисто-шамотная керамика, песок и другие. В работе [84] проводилось сопоставление конвективного и акустического методов при температурах подаваемого воздуха 20, 70 и 140° С. Нагретый воздух подводился через газоструйный излучатель. При снятом резонаторе сушка осуществлялась конвективным способом; с резонатором излучатель обеспечивал у сушащейся керамической пластины поле со звуковым давлением около 160 дб. Комбинированный метод при температуре 20° С повышал скорость сушки в 2,5 раза против конвективной, при 70° С выигрыш составлял 120%, а при 140° С — всего 40%.

На рис. 39 приведены кривые сушки кварцевого песка с начальным влагосодержанием около 21% при контактном, акустическом и комбинированном методах. Комбинированный метод позволяет в 4,5 раза ускорить процесс при приблизительно двухкратном снижении температуры материала [85]. Кривые сушки показывают, что при акустическом и комбинированном методах отсутствует начальный участок прогрева материала (во всяком случае, при слое материала сравнительно небольшой толщины), который отчетливо наблюдается при контактной сушке. Однако если учесть, что акустический метод целесообразен именно для тонких образцов и при слоях дисперсных материалов, не превышающих 25—30 мм, то отсутствие фазы разогрева можно считать характерной особенностью этого способа.

Наличие температурного градиента, направленного навстречу градиенту влажности, может до некоторой степени снижать скорость сушки при совместном действии горячего газа и звукового поля. Поэтому наиболее рационально сочетать акустический и высокочастотный методы сушки [86]. Первый интенсивно удаляет влагу с поверхности сушащегося материала, а высокочастотный нагрев влаги внутри образца способствует ускоренной подаче ее на поверхность. При таком сочетании методов повышается влагопроводность и термовлагопроводность материала.

Проверка комбинированного метода и сравнение его с акустическим и высокочастотным, действующими но отдельности, была выполнена на керамической пластине диаметром 110 мм и толщиной 24 мм [87]. На рис. 40 приведены кривые сушки и температуры материала.

В первый период скорость акустической сушки выше, чем при высокочастотной, но, начиная с влагосодержания 0,104 кг/кг, скорости изменяются. Комбинированный метод удачно сочетает преимущество одного способа в первом периоде и другого — во втором. Возникновение в материале положительного градиента температуры (около 8° на 1 см толщины) и увеличение вследствие этого диффузии влаги приводит к повышению интенсивности сушки на 30—90% по сравнению с акустическим (в зависимости от влажности материала) и на 60—30% по сравнению с высокочастотным. Правда, при этом температура образца с 32° С при акустической сушке повышается до 78° С, но она все же существенно отличается от температуры при высокочастотном методе (96° С).

Сравнение акустической сушки с инфракрасной проводилось на асбесте [85] и глинисто-шамотной керамике [35]. Если опыты ставились таким образом, чтобы температура материала на конечной стадии при обоих методах была одной и той же, то скорость сушки при воздействии звукового поля (f=7 кгц, Р=158 дб) оказалась приблизительно в три раза выше. Сравнение комбинированного метода сушки при одновременном действии и звуковой волны, и инфракрасного облучения на 12-миллиметровую керамическую пластину размером 115 мм, показало, что выигрыш по времени при приблизительно одинаковой температуре материала составляет 100%.

Кривые сушки и температуры образца при различном уровне звукового давления и постоянной температуре поверхности инфракрасного излучателя (t=390° С) в процессе сушки комбинированным методом приведены на рис. 41. Следует отметить, что при инфракрасной сушке в указанном режиме работы нагревателя температура материала в конце второго периода достигает 140° С, тогда как при комбинированном методе она существенно ниже и составляет 71° С (при Р—163 дб), что приблизительно соответствует нагреву пластины в звуковом поле при указанной плотности звуковой энергии.

* * *

Проведенный обзор экспериментальных и теоретических работ по вопросам акустической сушки показал, что процесс в первый период определяется в основном скоростью акустических течений, возникающих у поверхности обрабатываемого материала. Особенностью этих течений является малая толщина пограничного слоя (50—100 мк), в результате чего акустические течения значительно эффективнее обычного воздушного потока.

Во второй период процесс интенсифицируется в результате нагрева, обусловленного поглощением звука в порах и капиллярах материала, радиус которых больше толщины пограничного слоя. При сушке материала в слое возможен нагрев обрабатываемого продукта на 20—40° С (в зависимости от уровня звукового давления), однако этого можно избежать, применяя метод взвешенного слоя или пневмотранспортные сушилки. Акустическая сушка эффективна для мелкодисперсных и термочувствительных материалов (полистирол, фармацевтические препараты и т. п.).

Основная задача заключается в создании рациональных конструкций сушилок, в которых будет обеспечена высокая интенсивность звуковой энергии (10—20 вт/см2) при минимальных экономических затратах.

Применение акустической сушки в сочетании с такими методами, как высокочастотный, инфракрасный или конвективный, может привести к существенному повышению производительности оборудования.