+7 (495) 545-21-53

Библиотека

Название: часть 5 АКУСТИЧЕСКАЯ СУШКА
к содержанию

Глава 5 

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ СУШКИ 

Акустический способ сушки до сих пор находится в стадии экспериментальных исследований, а возможности этого нового метода изучены далеко недостаточно, однако появились сообщения о разработке и даже  выпуске ряда лабораторных и полупромышленных сушильных установок. При этом характерно, что почти все основные конструктивные типы существующих сушилок были опробованы в «акустическом» варианте. 
Ниже мы рассмотрим некоторые из этих устройств, не останавливаясь на особенностях применяемых в них источников звука, так как последние подробно описаны в первой книге настоящей монографии [74]. Инте- 
Интересующимся динамическими сиренами, которые тоже могут применяться в сушильных устройствах, можно рекомендовать работы [7, 75]. Здесь мы лишь укажем, что все источники, предназначенные для излучения в газовые среды, обладают сравнительно низким к. п. д. В частности, динамические сирены имеют к. п. д., не превышающий 30—35%, а мощные газоструйные излучатели — даже 25%. Учитывая довольно малую эффективность компрессоров, обеспечивающих излучатели сжатым газом (~60—65%), очевидно, что стоимость звуковой энергии весьма высока, и в настоящее время, к сожалению, нет надежд на возможность существенного увеличения эффективности таких источников звука. Поэтому целесообразность применения чисто звуковых методов упирается, главным образом, в недостаточную экономичность, о чем и будет сказано в конце главы. 
 
§ 1. Барабанные сушилки 
Специфические особенности механизма акустической сушки (в первую очередь поверхностный характер воздействия звуковых волн на влажный материал и слабое проникновение колебаний в глубь, даже при материале с пористой структурой) заставляют конструкторов обращаться к таким устройствам, в которых обрабатываемый продукт хотя бы часть того времени, которое он находится в звуковом поле, был бы во взвешенном состоянии и непрерывно перемешивался. С этой точки зрения барабанная сушилка с лопастным механизмом, поднимающим продукт на некоторую высоту и затем сбрасывающим его на дно, — один из наиболее приемлемых вариантов для акустической обработки. По-видимому, из этих соображений именно барабанные сушилки и были использованы одними из первых для исследования акустического способа сушки [10], их же начали серийно выпускать в лабораторном варианте. Сравнительно малое количество опубликованных данных не позволяет в настоящее время дать сколько-нибудь подробную характеристику барабанных сушилок, тем более, что об их эффективности существуют противоречивые мнения. Акустические сушилки барабанного типа отличаются от обычных лишь наличием излучателя, создающего в камере звуковое поле высокой интенсивности. Как правило, в сушилках с непрерывным циклом работы излучатель бывает расположен в торце барабана, против того места, где находится загрузочный бункер, так что материал по мере движения перемещается по направлению к источнику звука. Возможность непрерывного пересыпания продукта и интенсивного звукового воздействия на взвешенные частицы дала повод авторам работы [75] утверждать, что для акустической сушки наиболее перспективна именно барабанная сушилка, а ряду исследователей использовать этот тип сушильного устройства для пропроведения опытов. Так, Хаксолл [77] указал на возможность  двухкратного ускорения сушки дробленой пшеницы в барабанной сушилке при средней интенсивности в камере 147 дб (частота 11 кгц).  Несколько более скромные результаты он получил на кукурузных зернах [76] при звуковом давлении около 165 дб (рис. 29), что, по-видимому, следует отнести за счет более крупных частиц обрабатываемого продукта. 

                             

Схематически изображенная на рис. 30 сушилка имеет производительность около 20 кг/час при мощности акустического излучателя 100— 300 вm и скорости вращения барабана, меняющейся в пределах от 15 до 60 об/мин [7]. Некоторые результаты, полученные на этом оборудовании при различных режимах работы, приведены в табл. 3. 




Есть указания на то, что для более эффективной обработки продукта следует стремиться к созданию в барабане стоячей звуковой волны [5],. причем желательно использовать полуволновые барабаны. Буше получил весьма неплохие результаты по сушке сахарного песка при весьма низких уровнях звука, не превышающих 143 дб; этот результат нам кажется весьма странным, особенно учитывая, что в других работах тот же автор [7 ] указывает на этот уровень, как на критический. Буше работал с сушилками, через которые подавался не только сухой воздух, предназначенный для удаления выделившейся влаги, но и воздух, отработанный в сирене. Высокие скорости последнего приводят к взмучиванию и уносу не только высушенного продукта, но частично и влажного. Это создает большие неудобства, так как увеличиваются потери продукта, образуется пыль. Поэтому один из наиболее приемлемых методов снижения потерь материала состоит в использовании газоструйных излучателей, работающих с выбросом отработанного воздуха через отводной стакан таким образом, чтобы воздух не попадал в сушильную камеру. Приблизительно такие же барабанные сушилки были созданы в университете штата Коннектикут (США) [6] и в Акустическом институте АН СССР [78]. Учитывая, что при некоторых условиях газоструйные излучатели могут работать в эжекционном режиме, отработанный воздух может быть использован для транспортировки высушенного продукта [791. Американская опытная сушилка с барабаном длиной 1,2 м и диаметром 20,3 см имеет производительность до 45 кг/час, в зависимости от особенностей обрабатываемого продукта. Излучатель фирмы «Branson», работающий на частоте 10,9 кгц, создает в сушильной камере стоячую звуковую волну с уровнем около 160 дб в пучности. В работе [6] сообщено также о разработке более производительной установки (до 230 кг/час), предназначенной для сушки фармацевтических материалов, так как предварительные опыты показали весьма обнадеживающие результаты при сушке аскорбиновой кислоты (с начальной влажностью 8%) акустическим способом. Некоторые результаты по сушке сыпучих материалов в лабораторной барабанной сушилке приведены в табл. 4. Из этих данных следует, что звуковая энергия позволяет повысить производительность оборудования в среднем приблизительно в два раза. 




Основной недостаток барабанных сушилок состоит в низком коэффициенте заполнения объема, составляющем 3—16%. Этот недостаток особенно усугубляется при применении акустических устройств, так как при малом количестве материала звуковая энергия используется недостаточно эффективно. При этом в барабанах большого размера очень трудно создавать поле высокой интенсивности, которое, как мы видели, наиболее целесообразно при интенсификации сушки, особенно в случае обработки мелкодисперсных материалов. 

§ 2. Туннельные сушилки 
Поиски более рационального метода использования звуковой энергии и более высокого заполнения объема сушилки привели к созданию нескольких разновидностей сушилок туннельного типа. Впервые такое 
устройство для сушки листовых материалов предложил Буше [2]. Обрабатываемый лист протягивается в узком туннеле, верхняя и нижняя части которого равномерно заполнены газоструйными излучателями, помещенными в экспоненциальные рупора (рис. 31).

Учитывая высокие уровни интенсивности звука на выходе из рупора и достаточно равномерное поле вдоль оси туннеля (что достигается применением общего удлиненного рупора в каждой линии), по-видимому, такое устройство позволяет обеспечить высокую производительность, однако, судя по опубликованным материалам, такая сушилка не была выполнена в металле и опробована, возможно, из-за большого расхода сжатого воздуха. Как видно из рис. 31, материал подвергается воздействию звуковых колебаний, главным образом, в перпендикулярном направлении, однако для более полного использования звуковой энергии в некоторых случаях целесообразнее облучать обрабатываемый материал параллельно его поверхности, что и было сделано в опытах по интенсификации сушки бумажной ленты с полупроводниковым покрытием [78]. При сушке в туннельных сушилках сыпучих материалов обычно применяются вибрирующие транспортеры, позволяющие перемешивать и перемещать продукт вдоль туннеля. При этом излучатели могут располагаться как непосредственно над транспортером [5], так и под некоторым углом к движущемуся материалу [80]. По-видимому, наклон излучателя по отношению к поверхности обрабатываемой массы решающего значения не имеет, и с этой точки зрения обе рассматриваемые сушилки приблизительно равноценны. Однако учитывая большой объем сушилки конструкции Научно-исследовательского института химического машиностроения (НИИХИММАШ) [80], очевидно, что она имеет те же недостатки, которые отмечались для барабанной сушилки: при малом объеме, занимаемом обрабатываемым продуктом, средняя плотность звуковой энергии, определяемая объемом всей сушилки, невелика, поэтому расход энергии весьма значителен. Следует полагать, что именно этим обстоятельством и объясняется низкая производительность указанной сушилки. Одной из разновидностей туннельной сушилки, предназначенной для обработки сыпучих материалов с размером зерен 3—5 мм, является скребковая сушилка АС-1 [81]. В этой установке процесс сушки разбит на два цикла, поэтому сушилка имеет два тороидальных туннеля. Материал поступал в бункер верхнего туннеля и перемещался по окружности с помощью скребков. Выравнивающий нож обеспечивал поддержание толщины слоя материала в заданных пределах (обычно около 20 мм). Излучатели типа ГСИ-4 [8] были расположены на верхней крышке туннеля, так что материал двигался под излучателями в кольцевой зоне шириной 300 мм (при наружном диаметре камеры 1500 мм). Верхняя камера предназначена для съема влаги в первый период сушки, она была оборудована пятью излучателями, равномерно распределенными по кольцевому каналу. При установке излучателей на высоте 100 мм над материалом наибольшее значение звукового давления(непосредственно под генератором звука) достигало 166 дб при неравномерности поля вдоль камеры около 15 дб. Среднее звуковое давление в сушилке составляло 154 дб. Из верхней камеры материал поступал в нижнюю, где досушивался. Для удаления более прочно связанной влаги целесообразно повышать уровень звука, поэтому в нижнем туннеле количество излучателей было увеличено до 7. Схема такой скребковой сушилки изображена на рис. 32. Средняя производительность устройства достигала около 200 кг/час. 



 
§ 3. Сушилки с кипящим слоем и распылительные устройства 
Сушилки с кипящим слоем имеют ряд преимуществ перед барабанными, поэтому в последние годы они завоевали признание. К числу этих преимуществ прежде всего относятся более высокая интенсивность сушки, больший коэффициент заполнения объема, возможность сепарации сухих частиц. Все преимущества сохраняются и для сушилки с применением звуковой энергии. Более того, в сушилках с кипящим слоем благодаря сравнительно высокой проникающей способности звука в слой обрабатываемого материала звуковая энергия используется более полно. Однако не следует забывать, что в сушилках с кипящим слоем вследствие чрезвычайно выгодных условий гидродинамического воздействия воздуха на  взвешенные частицы, процесс сушки протекает весьма эффективно и без интенсифицирующего действия звуковых колебаний, поэтому, естественно, что возможности акустического метода проявляются здесь существенно слабее. 
По-видимому, впервые массообмен в кипящем слое при воздействии звуковых (низкочастотных) колебаний был осуществлен в работе [51], где проводилась возгонка нафталина с поверхности шариков размером 
3—6 мм при слое до 20 мм. Авторы отмечали, что в присутствии звука ожижение слоя происходило при более низких скоростях воздуха, причем пористость слоя составляла около 0,5, в зависимости от высоты слоя 
и соотношения между колебательной скоростью и скоростью воздуха (обычно соотношение составляло V0~10-20vвозд ). Коэффициент массопередачи в основном зависел от уровня звукового давления, и выигрыш за счет воздействия звуковых колебаний составлял немногим более 100%, причем при ожиженном слое выигрыш за счет влияния звука оказывался меньше, чем для спокойного слоя. 



На рис. 33, а показана сушилка с кипящим слоем, разработанная в НИИХИММАШ [80]. Воздух, обеспечивающий взвешенное состояние материала, подается через одну из статических сирен, служащих для воздействия на кипящий слой звуковыми колебаниями. Отличительной особенностью конструкции является использование звука не только для сушки продукта, но и для уменьшения пылеообразования, в результате акустической коагуляции аэрозолей. Чтобы отработанный в излучателях воздух не влиял на режим работы сушилки, звук от сирен в сушильную камеру передавался через разделительные мембраны. Экономичность таких сушилок, по-видимому, оказалась низкой, что связано с низкой эффективностью использования звуковой энергии (разделительные мембраны поглощают более 50% падающей на них энергии, колосниковая решетка, через которую проникает звук вместе с воздухом от нижнего излучателя, тоже задерживает часть энергии), вследствие чего они не нашли промышленного применения. 
Более экономичной следует признать сушилку конструкции Всесоюзного научно-исследовательского института новых строительных материалов (ВНИИНСМ) [82], в которой озвучивание осуществляется непосредственно газоструйным излучателем, расположенным в верхней части сушильной камеры (рис. 33, б). Применение в сушилке излучателя ГСИ-4, обладающего эжектирующим действием, позволяет осуществлять транспортировку высохшего продукта за счет отработанного в излучателе воздуха; более тяжелые влажные частицы находятся в нижней части камеры, у решетки, тогда как сухие поднимаются в верхнюю часть, где и подхватываются эжектируемым потоком. Сухой продукт высаживается в циклоне. Подобное устройство может работать и без подачи дополнительного воздуха через решетку, так как при высоких интенсивностях звука, создаваемых ГСИ-4, взмучивание продукта происходит и вследствие звукового воздействия. Естественно, что создание кипящего слоя за счет подачи нагретого воздуха существенно повышает производительность установки (габл. 5). 



  Похожая сушилка в свое время была предложена Буше [10], однако кипящий слой обеспечивался не звуковыми колебаниями и не воздухом, а при помощи вибратора, а сушка осуществлялась звуком, создаваемым газоструйным излучателем. Для материалов, окисляющихся в воздухе, обработка звуком проводилась через звукопроницаемую мембрану, а отсос выделяющейся влаги — вакуумным насосом. Результаты сушки некоторых коллоидных материалов, проведенной на таких установках [1], показаны на рис. 34. 
 


Так как при сушке одним из самых важных параметров, влияющих на процесс удаления влаги как в первый, такиво второй период, является интенсивность звука, то особый интерес представляют такие сушилки, в которых удается создать весьма высокие уровни звукового давления, превышающие, скажем, 170—172 дб. Вследствие того, что уровень звука пропорционально снижается с удалением от источника звука (газоструйные излучатели в отсутствие рефлекторов и рупоров создают поле, близкое к сферическому [59]), то, естественно, что для получения возможно более высокой плотности звуковой энергии можно воспользоваться двумя путями: 1) использовать ближнюю зону излучателя; 2) применить концентраторы, собирающие всю излученную энергию в сравнительно узкий пучок. 
Первый способ [83] был реализован в своеобразной разновидности распылительной сушилки, причем в качестве форсунки использовался сам газоструйный излучатель. Раствор подавался в зону генерации звука либо через центральный стержень генератора звука [5], либо снаружи воздушной струи, вблизи от кольцевого сопла так, что ударные волны, возникающие в генераторе, не только распыляли раствор, но и обеспечивали высокую интенсивность испарения образующихся капель [83]. 
Буше указывает, что в распылительном устройстве скорость сатюризации сахара возрастает от 3 до 10 раз. К сожалению, автор не приводит данных по производительности распылительных сушилок.
Второй путь — использование концентраторов, направленный на увеличение времени пребывания обрабатываемого материала в поле высокой интенсивности, был применен нами в своеобразной пневмотранспортной сушилке, которая представляла собой несколько эллиптических концентраторов, соединенных между собой переходными рупорами и трубопроводами. В одном из фокусов каждого такого концентратора располагался газоструйный излучатель типа ГСИ-5, поэтому продукт, подаваемый в сушилку, в каждом концентраторе два раза проходил через зону высокой интенсивности (в первом и во втором фокусах). В этом случае на частоте 18—19 кгц удалось при сравнительно небольшом расходе воздуха (около 0,25 м3/мин на каждый излучатель) получить уровни, достигающие 176—177 дб, что в бегущей волне соответствует интенсивности, превышающей 40 Вm /см2. В такой сушилке скорость удаления влаги возрастает во много раз за счет большой скорости движения продукта по трубопроводу, а также в результате воздействия интенсивных звуковых колебаний, однако при высокой начальной влажности продукта для достижения конечной влажности, составляющей доли процента, приходится использовать несколько (3—4) последовательно включенных концентраторов. Сушка мелкодисперсных продуктов (например, эмульсионного полистирола) занимает несколько секунд. Результаты, полученные на сушилке подобного рода, приведены на рис. 35. В настоящее время трудно определить, являются ли высокие скорости сушки следствием высоких скоростей потока, транспортирующего материал, или влияния ударных волн, воздействующих на влажные частицы. Скорее всего, здесь играют роль оба фактора. Однако этот вопрос нуждается в дополнительном исследовании. 
Назад