+7 (495) 545-21-53

Библиотека

Название: продолжение. Акустическая сушка пористых тел
  В начало
Представляет интерес сравнить изменение распределения влаги в образцах при акустической и конвективной (обдув потоком воздуха) сушке (рис. 5.9 и 5.10 соответственно). На рисунках приведены томограммы распределения влаги в объеме образцов (осреднено по плоскостям, параллельным торцевой плоскости) и расположенные непосредственно под ними графики распределения влаги по нормали к годичным кольцам (аналогичны графикам рис. 5.8). На томограммах степень почернения пропорциональна содержанию влаги. Слева на рис. 5.9, 5.10 — результаты до воздействия, справа — после. Результаты рис. 5.9 — облучение звуком, рис. 5.10 — обдув потоком воздуха.

    


В обоих случаях время воздействия было одинаковым - 10 мин. Сопоставление данных, представленных на рис. 5.9 и 5.10, свидетельствует о том, что механизмы воздействия на материал при акустической и традиционной конвективной сушках принципиально различаются. Из томограмм и графиков рис. 5.10 следует, что при конвективной сушке характер распределения влаги в объеме образца в процессе сушки не изменяется; основные события разыгрываются на его поверхности. При этом основная часть влаги остается в крупных капиллярах, т.е. в ранних зонах годичного кольца. Сушка сводится в соответствии с известной классической схемой к движению влаги из внутренних слоев образца к его поверхности и ее последующему уносу.
Картина массопереноса в режиме акустической сушки существенно иная (см. рис. 5.9). Наряду с уносом влаги с поверхности образца существенно изменяется и распределение ее в объеме. Под воздействием знакопеременных давлений, приносимых акустической волной к поверхности образца, в объеме последнего возникают упругие колебания, в результате которых влага перетекает из крупных капилляров ранней зоны годичного кольца в мелкие капилляры поздней зоны. Как следствие, возрастает площадь поверхности образца с высоким значением влагосодержания. Без сомнения, именно это и является одним из факторов повышения скорости сушки капиллярно-пористого материала при акустическом взаимодействии по сравнению с традиционным конвективным способом.

5.2.4. Результаты эксперимента с модельными объектами

Древесина представляет собой объект с достаточно сложной капиллярно-пористой структурой (см. рис. 5.6). Это обстоятельство вызывает дополнительные трудности при создании математической модели акустической сушки материалов. В отсутствие теории акустической сушки работу по созданию такой модели целесообразно начать с более простого объекта - материала с детерминированной и заранее известной капиллярно-пористой структурой. С этой целью выполнен цикл экспериментов с модельными объектами, результаты которых представлены ниже. Модельные объекты представляли собой цилиндрические поликапиллярные трубки из свинцового стекла (см. также раздел 3.3). Внешний диаметр цилиндрической трубки 5,2 мм, характерная длина 24 мм. В трубке по всей ее длине расположены 2790 параллельных капилляров диаметром 70 мкм каждый. Капилляры не пересекаются между собой, их оси параллельны оси трубки. Заметим, что диаметры капилляров модельного образца близки к диаметрам капилляров древесины, свойственных ранней зоне годичного кольца.
Опыты по акустической сушке модельных объектов проведены при частоте звука 400 Гц и интенсивности звука 176 дБ. Кинетические кривые экстракции влаги из образца поликапиллярной трубки (аналог сушки) получены для двух ситуаций: режим «озвучивания» (аналог акустической сушки) и режим обдува в отсутствие звука (аналог конвективной сушки), что позволило выявить влияние эффекта «озвучивания» на процесс сушки. Как в режиме «озвучивания», так и в режиме обдува при отсутствии звука средняя по сечению канала скорость потока воздуха составляла 26 м/с.
Процедура эксперимента состояла в следующем. До начала эксперимента образец взвешивали на аналитических весах, после чего заполняли дистиллированной водой и взвешивали повторно. По разнице весов определяли начальный вес G„0 воды, заполнившей образец Затем образец помещали в канал акустического излучателя и подвергали воздействию («озвучиванию» или обдуву) в течение некоторого времени, после этого повторно взвешивали и определяли произошедшее за это время уменьшение веса воды ДО = G(t) - G„о Далее процедура повторялась до тех пор, когда разница между значениями G(f) для соседних моментов времени становилась достаточно мала. В итоге получены кинетические кривые «сушки» для ряда ситуаций, описываемых ниже. На каждом из представленных графиков (рис. 5.11, 5.12) по вертикальной оси отложено относительное изменение веса воды (-AG/G„0), по горизонтальной — время  «сушки» в минутах. Апробированы две ситуации, связанные с  ориентацией волнового вектора и вектора скорости потока воздуха относительно оси образца: перпендикулярно (см. рис. 5.11) и параллельно (см. рис. 5.12). Верхние кривые получены в режиме «озвучивания», нижние — в режиме обдува. Отметим основные особенности полученных результатов.



В обоих случаях звуковое поле дает дополнительный и заметный вклад в количество воды, экстрагируемой из поликапиллярной трубки. Вклад монотонно возрастает со временем. Этот результат коррелирует со всей совокупностью известных фактов об увеличении скорости акустической сушки материалов по сравнению с конвективной. При ориентации оси образца по нормали к волновому вектору вклад акустики в процесс «сушки» особенно велик, без преувеличения можно сказать, что он является доминирующим. 
Во втором случае (см. рис. 5.12) картина, хотя и остается тою же качественно, существенно изменяется количественно. Во-первых, за то же самое время, что и в первом случае (см. рис. 5.11), из образца удаляется заметно больше воды. Особенно заметка эта разница в результатах, полученных в режиме обдува. Она объясняется просто и естественно: когда ось образца параллельна вектору скорости потока отработанного воздуха в канале, вода из капилляров выбрасывается скоростным напором набегающего потока воздуха. Этот фактор, можно полагать, обусловливает сравнительно небольшой дополнительный вклад акустики. Наибольшую ценность как база для математического моделирования процессов акустической сушки материалов представляют результаты рис. 5.11.

5.3. Возможный механизм экстракции влаги в процессах акустической сушки пористых материалов

Один из главных вопросов, возникающих при использовании акустического способа сушки, — это вопрос об энергозатратах на создание акустического поля. В практике именно энергозатраты являются одним из основных технико-экономических показателей любого технологического процесса. Традиционно [1]  мнение о том, что при акустическом, как и всяком другом способе сушки, влагу необходимо сначала испарить, а затем удалить с поверхности осушаемого материала, хотя, как отмечено в разделе 5.1, процесс испарения при акустической сушке никто непосредственно в эксперименте не наблюдал. В энергетическом балансе процесса сушки это предполагает неизбежно существенные затраты энергии на парообразование (теплота парообразования). Это обстоятельство, по мнению Ю. Я. Борисова (1], заранее предопределяет экономическую несостоятельность акустического способа сушки. Чтобы наглядно показать более сложный характер необходимых энергозатрат при сушке, приведем хорошо известный из бытовой практики пример. Предположим, требуется удалить влагу из мокрой тряпки. Сделать это можно разными способами: можно положить ее на батарею отопления или вывесить на солнце. Тогда процесс сушки пройдет, в первом приближении, по схеме, обсуждаемой в [1]. Но мокрую тряпку можно и просто «выжать» руками. При этом, очевидно, испарения воды не потребуется, но результат сушки материала будет тем же, что и в первом случае. Совершенно ясно, что затраты энергии на удаление одного и того же количества воды из мокрой тряпки существенно различны. Приведенный пример лишь подчеркивает актуальность и важность вопроса об агрегатном состоянии влаги при ее удалении из осушаемого материала в режиме акустической сушки. Для разрешения этого вопроса необходимо непосредственно в эксперименте получить информацию об экстракции влаги из образца в режиме акустической сушки. Для этой цели была изготовлена установка с системой оптического детектирования (рис. 5.13).



Установка представляет собой канал 3 квадратного сечения со стороной 52 мм. Излучатель звука гартмановского типа, включающий сопло 1 диаметром 10 мм с числом Маха 1,0 и резонатор 2 диаметром 20 мм с подвижным поршнем, позволяющим непрерывно изменять частоту излучаемого звука. Блок излучения звука включает подстроечный поршень 4.
Для изучения механизма экстракции влаги в режиме акустической сушки использован модельный поликапиллярный объект, представляющий в сечении шестигранник и выполненный из стекла. Поперечный размер шестигранника 2 мм, длина 20 мм. Он содержит 1840 прямолинейных непересекающихся капилляров, ориентированных вдоль оси многогранника. Диаметр каждого капилляра 40 мкм. Нижнее основание модельного
образца 7 было погружено в изготовленную из оргстекла кювету с водой 8. Сверху кювета плотно закрыта крышкой. Для визуализации процессов экстракции влаги из капилляров модельного образца использована оптическая система, реализующая известный метод Тепплера. Эта система состоит из источника параллельного пучка света, включающего лазер ОГМ-20 и блок развертки луча 10, поворотного зеркала 11, фокусирующей линзы 12 и фотокамеры 13. Опыты проводили при частоте акустического поля 450 Гц и интенсивности звука 170 дБ

. Результаты эксперимента представлены на рис. 5.14. В поле оптической системы видна верхняя часть модельного образца с плоским торцом. В режиме акустического облучения с указанными выше характеристиками акустического поля сфотографирована картина со временем экспозиции та Т, где Т — период акустических колебаний. На фотоснимках отчетливо видны темные крупные пятна, выбрасываемые из верхнего торца модельного образца. Это, несомненно, капли воды различного размера. Полученные результаты непосредственно свидетельствуют, что при акустической сушке влага может экстрагироваться из осушаемого материала в виде жидкой фазы . 
 
5.4. Заключение 
Резюмируя изложенное, можно сделать вывод о том, что в отличие от конвективной сушки, сводящейся к процессам на поверхности образцов осушаемого материала, акустическая сушка сопровождается мощным физическим воздействием на весь объем образцов как на упругопластическую систему и вызывает перераспределение влаги в объеме. В результате этого перераспределения возрастает площадь поверхности образца с высоким влагосодержанием и, как следствие, резко увеличивается скорость сушки.
Результаты экспериментов с объектами, обладающими простейшей и заранее известной капиллярно-пористой структурой, могут стать основой для разработки математических моделей акустической сушки материалов. 
Вопреки традиционным представлениям о распределении влаги в реальном капиллярно-пористом материале (древесине) как в изотропном материале, установлено, что распределение влаги в древесине имеет весьма сложный характер, обусловливаемый наличием годичных колец.



 
* Авторы дайной главы благодарны старшему научному сотруднику ИТПМ СО РАН каид техн. наук А. П. Петрову за выполнение части эксперимента по регистрации процесса оптической системой.

 


Литература к главе 5
1. Борисов Ю. Я., Гынкина Н.М. Акустическая сушка // Физика и техника мощного ультразвука/ Под ред. проф. Л. Д. Розенберга. Кн.III. Физические основы ультразвуковой технологии. Ч. IX. М.: Наука. 1970. С. 581—640.
2. Boucher R. М. Ultrasonics Boosts Heatless Drying // Chem. Enfi. 1959. V.66, N 23. P. 151.
3. Кубанский П. H. Влияние акустических течений на пррцесс конвективного теплообмена // Акуст. журн. 1959. Т. V. вьт. 1. С. 51.
4. Борисов Ю. Я., Cinamnuxm К). Г. Изменение толщины пограничного слоя при наличии звукового поля // Там же. 1966. Т. XII, вып. 3. С. 372.
5. Бурдуков А. П., Елчин В. И., Накоряков В. Е. Некоторые вопросы массообмсна в ультразвуковом поле // Кинетика горения ископаемых топлив. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1965. С. 97.
6. Лыков А. В. Теория сушки. М.: Госэнергоиздат, 1950.
7. Льюис Л., Карлсон Д. Положение центрального скачка уплотнения в недорасширенной газовой струе и в струе газа с твердыми частицами // Ракетная техника и космонавтика. 1964. Т. 2, № 4. G239--241.
8. Борисов Ю. Я. Газоструйныс излучатели гартмановского типа // Источники мощного ультразвука. Кн. I/ Под ред. проф. Л. Д. Розенберга. М.: Наука. 1967. С. 9—108. 
9. Уголев Е. И. Древесиноведение с основами лесного товароведения. М.: Лесная пром-сть, 1975.
10. Глазнев В. Н., Коптюг И. В., Коробейников Ю. Г. Физические особенности акустической сушки древесины// Инж-физ. журн. 1999. Т. 72. № 3. С. 433—435.
11. Кречетов И. В. Сушка древесины. М.: Лесная пром-сть, 1980.


 
Назад