+7 (495) 545-21-53

Библиотека

Название: Эффективность акустической сушки
Автор: Корецкий С.Л.

Эффективность акустической сушки.


В качестве примера для сравнения возьмем чисто термическую и термоакустическую сушку прессованного торфа. Допустим, при термической сушке в течении года мы должны высушить 2200 тонн торфа исходной  влажностью 60% до 30%, т.е. нам нужно испарить 660 тонн воды.  Уточним затраты энергии на испарение в зависимости от температуры. Испарение - эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода - теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Удельная теплота испарения воды зависит от температуры, при которой испаряется вода. Эта зависимость определяется следующей эмпирической формулой:

Lи = (25 – 0,024tп) 105,                   
где 25·105 Дж/кг — удельная теплота испарения при температуре поверхности воды, равной 0°С; tп — температура поверхности испаряющейся воды. 
        Предположив, что температура процесса будет равна 100°С, определяем удельную теплоту испарения воды 25*105-0,024*100*105 = 22,6*105 (Дж/кг) или 0,5398 кВт на 1 кг воды, соответственно для испарения  660 тонн  необходимо 356268 кВт*час или 306300 Мкал. Нам придется помимо испарения воды нагревать и сам торф допустим с 20 до 100°С.  Удельная теплоемкость торфа равна 1965 Дж/кг, тогда
Qт=c*m*∆T=1965*2200000*80=345840000000Дж,
что эквивалентно 82600 Мкал.  Не менее, так как в вышеприведенных расчетах принято испарение свободной воды с поверхности, а в любом материале для достижения необходимой влажности нужно удалить и часть связанной влаги, что потребует еще большей энергии. "...Только теоретически на испарение «свободной» влаги потребуется не менее 0,66 кВтч/кг, на диффузию «связанной» влаги 0,55 кВтч/кг и 0,77 кВтч/кг на ее испарение." Учтем необходимые затраты на дифузию "связанной" влаги для нашего примера. 

=0,55*600000=330000 кВтч, что эквивалентно 283 700 Мкал

Таким образом для термической сушки 2200 тонн прессованного торфа потребуется 306300+82600+283700=672600 Мкал

Процесс сушки состоит из двух основных этапов. Первый заключается в испарении влаги с поверхности материала в окружающее пространство. Изменение скорости испарения в первый период может осуществляться либо снижением давления в камере, либо за счет изменения параметров подаваемого воздуха: увеличение скорости, температуры или снижения влажности последнего. По мере испарения влаги с поверхности материала наступает момент, когда скорость подачи влаги на поверхность оказывается недостаточной, чтобы обеспечить прежнюю скорость испарения, вследствие чего скорость сушки начинает падать, в материале на разном расстоянии от поверхности создается разная влажность, в результате чего влага из внутренних слоев начинает перемещаться к поверхности. Этот момент соответствует критической влажности и отмечает конец первого и начало второго периода. Во втором периоде скорость сушки определяется скоростью перемещения жидкой и газообразной фаз внутри материала и зависит, главным образом, от внутренних условий. Жидкость к зоне испарения движется от мест более влажных к местам менее влажным, от горячих мест к холодным. Эти процессы описываются законами диффузии. Диффузия характеризуется количеством вещества, проходящим в единицу времени через данную поверхность в направлении нормали к ней. В материале однородном по температуре и давлению плотность потока массы одного из компонентов (јᵢ - в рассматриваемом случае это влажность материала) за счет молекулярной диффузии определяется законом Фика: 
                                    Ji=-Ddy/dx 
где y— местная концентрация данного вещества, равная отношению массы компонента к объему смеси, D — коэффициент молекулярной диффузии одного компонента относительно другого. Зависимость коэффициента диффузии от температуры описывается формулой:
                                                            Dt=Doe-Q/RT где –D предэкспоненциальный множитель (фактор диффузии), Q– энергия активации диффузии. Важно для данного рассмотрения, что коэффициент молекулярной диффузии (D) экспоненциально зависит от температуры. Коэффициент диффузии увеличится в 2-3 раза, что в среднем соответствует нагреванию осушаемого материала на 20-40 градусов.
При акустической сушке предполагается для обеспечения равных условий сравнения дополнительно нагревать материал  на 50 град., имея ввиду, что до 50 градусов материал будут нагрет  воздухом из компрессора, прошедшим через источник звука. Для нашего сравнения термической и акустотермической сушек важно отметить, что в акустотермической  сушке присутствует, помимо влияния температуры на коэффициент диффузии, экспоненциальная зависимость от акустического воздействия.
Акустическая диффузия представляет собой процесс диффузии, интенсифицированный упругими колебаниями. В случае однородной среды, для которой процесс описы­вают уравнением Фика, диффузию можно в принципе ускорить, увеличивая градиент плотности диффундиру­ющего вещества и коэффициент диффузии. Так как при большой интенсивности воздействия неизбежно возникают гидродинамические эффекты молярного перемешивания, то влияние упругих волн на молекулярные процессы следует рассматривать при колебаниях с малой амплитудой. В этих условиях ускорение диффузии можно рас­сматривать как эффект увеличения коэффициента переноса. М. Смолуховский и А. Эйнштейн обосновали следующее выражение для   коэффициента диффузии:
                                 D = 1/3l2v0 ,
т. е. как функцию квадрата амплитуды l и частоты- v0 тепловых колебаний частиц. (Кардашев Г.А., Михайлов П.Е. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты. М. Машиностроение, 1973)
Продолжим сравнение:
Чтобы высушить 2200 тонн торфа, акустической сушке нужно работать: 2200т / 3 т/час = 733 часа, умножим на 80кВт (мощность установленного оборудования) = 58667 кВт ч, что эквивалентно 50440 Мкал. С учетом цикличности акустического воздействия, для расчета примем равным 50% времени сушки, но с учетом затрат на вентиляцию в 4 кВт. получим, что количество энергии снизится до 30057 кВтч, что эквивалентно 25840 Мкал. Дополнительно необходимо нагреть торф и воду еще на 50 градусов:
Qт=c*m*∆T=1965*2200000*50=216150000000Дж, 
что эквивалентно 51630 Мкал, 
Qв=c*m*∆T=4183*2200000*50=460130000000Дж,
что эквивалентно 109900 Мкал Сложив тепловые затраты на подогрев с затратами на возбуждение акустических колебаний получим суммарные затраты 187370 Мкал и сравниваем с тепловыми затратами на чисто термическую сушку: 672600 Мкал делим на 187370 Мкал, получаем - в 3,6 раза энергопотребление акустической сушки ниже термической сушки.
В ходе проведения ОКР по сушке рыбы апробирована новая конструкция камеры, в которой достигнут тот же уровень интенсивности, но при мощности установленного оборудования около 45 кВа. Указанные нововведения позволят сократить потребляемую э/энергию на расчетный объем осушаемого материала до 17958,5 кВа ч или 15 440 Мкал. Что приведет к сокращению общего потребления энергии до 176970 Мкал и соответственно эффективность по энергопотреблению возрастет до 4,8 раза и будет около 93 квтч на тонну осушаемого продукта. 

Акустотермическая сушка торфа эффективнее чисто термической по энергопотреблению более чем в четыре раза. При оценке эффективности акустической сушки  необходимо учитывать еще и фактор времени. Скорость сушки, которая за счет существенного влияния акустического воздействия на коэффициент диффузии и создания турбулентных потоков на поверхности и некоторых других факторов, значительно увеличивающих унос влаги с поверхности материала, в разы превышает скорость при термической сушке. По совокупности этих факторов акустотермическая сушка на порядок эффективнее термической сушки. Приведенную методику расчета эффективности акустической сушки можно применить для многих капилярно-пористых материалов.
 
Назад