Акусти́чне (ультразвукове́) суші́ння — видалення вологи з матеріалу під впливом акустичних коливань високої інтенсивності ультразвукового діапазону.
Особливості використання
Принципова особливість способу полягає у тому, що прискорення (у 2-6 разів) процесу сушіння продуктів відбувається без підвищення їхньої температури. Реалізується так зване холодне сушіння. Ця обставина знімає негативні наслідки, пов'язані з термічним впливом на продукт. Саме тому акустичне сушіння є єдиним способом, що придатний для сушіння термочутливих матеріалів та речовин, що легко окислюються.
Акустичне сушіння є доцільним для дрібнодисперсних матеріалів, що перебувають у завислому стані або в стані безперервного перемішування. Цей спосіб дозволяє сушити широкий набір матеріалів: продукцію сільського господарства (зерно, овочі, фрукти та інші), деревину, бавовну, лікарські препарати і трави, папір, продукцію хімічної та інших галузей промисловості.
Обробка продуктів акустичними коливаннями високої інтенсивності сприятливо позначається на фізико-хімічних і споживчих властивостях сухого продукту (наприклад, збільшує схожість насіння тощо).
Сушіння акустичним способом відрізняється від звичайних методів і за швидкістю вироблення сухих продуктів. Наприклад, при сушінні ферментів (які руйнуються при температурі 40 °C) в акустичному полі швидкість сушіння продуктів у порівнянні з вакуумними методами зростає у 3-4 рази.
Основні принципи акустичного сушіння
В значній мірі ефективність ультразвукового сушіння пов'язана з прискоренням процесів теплообміну в ультразвуковому полі. При цьому матеріал, що висушується зазнає з боку газового середовища впливу ультразвукового поля з рівнем інтенсивності до 145 дБ, що створюється зазвичай газоструминними випромінювачами.
Механізм впливу пружних хвиль на вологу залежить від агрегатного стану матеріалу, його вологості, розміру частинок матеріалу, що підлягає сушінню, типу зв'язку вологи і характеристик акустичного поля.
Акустичне сушіння за значної вологості
При дуже високій вологості (вологовмісті) капілярно-пористих матеріалів (200–500%) відбувається чисто механічне видалення вологи, яке зводиться до своєрідного «витрушування» рідини з капілярів. Це відбувається внаслідок подрібнення крапель при виникненні біля поверхні матеріалу сильних акустичних потоків і появи капілярних хвиль. У певній мірі ці процеси схожі з процесами, що відбуваються при ультразвуковому розпиленні, з тією різницею, що в останньому випадку енергія ультразвукових коливань підводиться з боку рідини. Механічний вплив залежить від інтенсивності акустичної хвилі, значно зростаючи при збільшенні її рівня понад 165 дБ. Найсильніше цей вплив проявляється в пучностях стоячої хвилі, де акустичні потоки є максимальними.
Акустичне сушіння за помірної вологості
За помірної вологості капілярно-пористого матеріалу (10-70%) вплив акустичних коливань на процес сушіння проявляється з високим і малим ступенями інтенсифікації на першій та другій стадіях, відповідно.
Перша стадія, що характеризується сталою швидкістю сушіння, відрізняється тим, що волога, яка видаляється з поверхні матеріалу сушінняя безперервно поповнюється вологою, що надходить з його внутрішніх шарів. Швидкість сушіння визначається на цій стадії градієнтом концентрації рідини в дифузійному приграничному шарі. Під впливом ультразвуку процес випаровування рідини з поверхні різко прискорюється, оскільки у вологій поверхні виникають акустичні потоки, що викликають деформацію дифузійного приграничного шару. При цьому шар стає тоншим, градієнт концентрації зростає, що і призводить до прискорення видалення вологи з поверхні. Істотний вплив акустичних потоків у перший період сушіння пов'язаний з відносно малою товщиною їх приграничного шару. Порівняння ультразвукового сушіння з конвективним при постійному обдуванні поверхні матеріалу показує, що навіть коли швидкість акустичних потоків порівнянна зі швидкістю постійного потоку повітря при охолодженні, ультразвукове сушіння відбувається значно швидше з огляду на те, що товщина приграничного шару для акустичних потоків є меншою, ніж товщина гідродинамічного приграничного шару.
Процес акустичного впливу на першій стадії сушіння розпочинається з деякого порогового значення звукового тиску, що залежить від конфігурації тіла, типу акустичних потоків, що виникають, і різниці концентрацій рідини (тобто різниці вологості) на поверхні матеріалу та в оточуючому середовищі.
Зазвичай критичний рівень звукового тиску лежить в межах (130–140 дБ). Діапазон частот, що застосовуються залежить від багатьох факторів, але головним чином від затухання звуку у середовищі і допустимих норм шуму при роботі обладнання.
Друга стадія сушіння, що означається зазвичай як період спадної швидкості, характеризується малою вологістю матеріалу і слабким надходженням рідини зсередини, у зв'язку з чим не поповнюється спадання її вмісту на поверхні і вплив акустичних коливань зводиться до збільшення коефіцієнта дифузії рідини в результаті її нагрівання при поглинанні ультразвуку в макрокапілярах та порах. Однак нагрівання матеріалу в звуковому полі є незначним і збільшення коефіцієнта дифузії не перевищує 100–200% тобто істотного прискорення сушіння на цій стадії не спостерігається.
Застосування ультразвуку є найефективнішим у період сталої швидкості сушіння, тобто на першій стадії. На другій стадії процес сушіння носить переважно циклічний характер, хвиля вибиває вологу, що знаходиться на поверхні продукту, потім волога, яка залишилася рівномірно розподіляється по капілярах і процес повторюється знову. Це відбувається до тих пір, поки продукт не досягне заданої вологості.
Переваги ультразвукового сушіння
Найдоцільнішим є ультразвукове сушіння для дрібнодисперсних матеріалів, що перебувають у процесі оброблення в завішаному стані або у стані неперервного перемішування, так як при цьому є малим порогове значення звукового тиску і забезпечується рівномірне оброблення продукту. Швидкість сушіння зменшується із зростанням товщини шару обробки.
До переваг методу сушіння в акустичних полях високої інтенсивності належить:
- висока інтенсивність процесу сушіння (при сушінні деревини, наприклад, вона може зрости у 5 і більше разів);
- можливість забезпечення якісного та ефективного сушіння при низьких температурах, або принципово без підвищення температури (що виключає руйнування структури, збереження схожості зерна тощо);
- менші енергозатрати; експерименти дозволяють стверджувати що енергозатрати можна зменшити у 1,5-2 і більше разів;
- можливість сушіння практично усіх матеріалів без суттєвої зміни конструкції сушарки;
- екологічність технології завдяки відсутності продуктів горіння палива.
Недоліки методів акустичного сушіння
Згадані вище переваги пояснюють велику зацікавленість технологіями ультразвукового сушіння. Однак спроби практичної реалізації процесу зустрічаються з низкою технологічних ускладнень:
- потреба у створенні акустичних коливань у повітряному середовищі з інтенсивностями у 140 дБ;
- необхідність створення сушильної камери, що забезпечувала б рівномірну взаємодію акустичних коливань у всьому об'ємі матеріалу сушіння.
Конструктивні особливості сушильних камер
Створенні ультразвукові сушильні установки мають у своїй основі спільну конструктивну схему. Для генерування акустичних коливань в них використовуються різні типи аеродинамічних випромінювачів, а сушильна камера виконується зазвичай, у вигляді подовгастого каналу звуководу. Форма поперечного перерізу каналу може бути довільною, але найпоширенішою є прямокутна форма, завдяки простоті розрахунків поширення в ній акустичних хвиль.
Згідно з цією конструктивною схемою на одному торці сушильної камери розташовується випромінювач ультразвукових коливань, на протилежному — звуковідбивач або звукопоглинач.
Див. також
Примітки
- Технології [ 24 грудня 2013 у Wayback Machine.] на сайті «Акустическая сушка материалов». (рос.)
Джерела
- Физические основы ультразвуковой технологии [Текст] / под ред. Л. Д. Розенберга. — М.: Наука, 1969. — 689 c.
- Кардашев Г. А., Михайлов П. Е. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты, М. Машиностроение, 1973. — 223 c.
- Применение ультразвука в промышленности. Под ред. А. И. Маркова. — М.: Машиностроение, 1975. — 240 с.
Посилання
- Корецкий С. Л. Эффективность акустической сушки [ 24 грудня 2013 у Wayback Machine.] на сайті «Акустическая сушка материалов».
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Akusti chne ultrazvukove sushi nnya vidalennya vologi z materialu pid vplivom akustichnih kolivan visokoyi intensivnosti ultrazvukovogo diapazonu Osoblivosti vikoristannyaPrincipova osoblivist sposobu polyagaye u tomu sho priskorennya u 2 6 raziv procesu sushinnya produktiv vidbuvayetsya bez pidvishennya yihnoyi temperaturi Realizuyetsya tak zvane holodne sushinnya Cya obstavina znimaye negativni naslidki pov yazani z termichnim vplivom na produkt Same tomu akustichne sushinnya ye yedinim sposobom sho pridatnij dlya sushinnya termochutlivih materialiv ta rechovin sho legko okislyuyutsya Akustichne sushinnya ye docilnim dlya dribnodispersnih materialiv sho perebuvayut u zavislomu stani abo v stani bezperervnogo peremishuvannya Cej sposib dozvolyaye sushiti shirokij nabir materialiv produkciyu silskogo gospodarstva zerno ovochi frukti ta inshi derevinu bavovnu likarski preparati i travi papir produkciyu himichnoyi ta inshih galuzej promislovosti Obrobka produktiv akustichnimi kolivannyami visokoyi intensivnosti spriyatlivo poznachayetsya na fiziko himichnih i spozhivchih vlastivostyah suhogo produktu napriklad zbilshuye shozhist nasinnya tosho Sushinnya akustichnim sposobom vidriznyayetsya vid zvichajnih metodiv i za shvidkistyu viroblennya suhih produktiv Napriklad pri sushinni fermentiv yaki rujnuyutsya pri temperaturi 40 C v akustichnomu poli shvidkist sushinnya produktiv u porivnyanni z vakuumnimi metodami zrostaye u 3 4 razi Osnovni principi akustichnogo sushinnyaV znachnij miri efektivnist ultrazvukovogo sushinnya pov yazana z priskorennyam procesiv teploobminu v ultrazvukovomu poli Pri comu material sho visushuyetsya zaznaye z boku gazovogo seredovisha vplivu ultrazvukovogo polya z rivnem intensivnosti do 145 dB sho stvoryuyetsya zazvichaj gazostruminnimi viprominyuvachami Mehanizm vplivu pruzhnih hvil na vologu zalezhit vid agregatnogo stanu materialu jogo vologosti rozmiru chastinok materialu sho pidlyagaye sushinnyu tipu zv yazku vologi i harakteristik akustichnogo polya Akustichne sushinnya za znachnoyi vologosti Pri duzhe visokij vologosti vologovmisti kapilyarno poristih materialiv 200 500 vidbuvayetsya chisto mehanichne vidalennya vologi yake zvoditsya do svoyeridnogo vitrushuvannya ridini z kapilyariv Ce vidbuvayetsya vnaslidok podribnennya krapel pri viniknenni bilya poverhni materialu silnih akustichnih potokiv i poyavi kapilyarnih hvil U pevnij miri ci procesi shozhi z procesami sho vidbuvayutsya pri ultrazvukovomu rozpilenni z tiyeyu rizniceyu sho v ostannomu vipadku energiya ultrazvukovih kolivan pidvoditsya z boku ridini Mehanichnij vpliv zalezhit vid intensivnosti akustichnoyi hvili znachno zrostayuchi pri zbilshenni yiyi rivnya ponad 165 dB Najsilnishe cej vpliv proyavlyayetsya v puchnostyah stoyachoyi hvili de akustichni potoki ye maksimalnimi Akustichne sushinnya za pomirnoyi vologosti Za pomirnoyi vologosti kapilyarno poristogo materialu 10 70 vpliv akustichnih kolivan na proces sushinnya proyavlyayetsya z visokim i malim stupenyami intensifikaciyi na pershij ta drugij stadiyah vidpovidno Persha stadiya sho harakterizuyetsya staloyu shvidkistyu sushinnya vidriznyayetsya tim sho vologa yaka vidalyayetsya z poverhni materialu sushinnyaya bezperervno popovnyuyetsya vologoyu sho nadhodit z jogo vnutrishnih shariv Shvidkist sushinnya viznachayetsya na cij stadiyi gradiyentom koncentraciyi ridini v difuzijnomu prigranichnomu shari Pid vplivom ultrazvuku proces viparovuvannya ridini z poverhni rizko priskoryuyetsya oskilki u vologij poverhni vinikayut akustichni potoki sho viklikayut deformaciyu difuzijnogo prigranichnogo sharu Pri comu shar staye tonshim gradiyent koncentraciyi zrostaye sho i prizvodit do priskorennya vidalennya vologi z poverhni Istotnij vpliv akustichnih potokiv u pershij period sushinnya pov yazanij z vidnosno maloyu tovshinoyu yih prigranichnogo sharu Porivnyannya ultrazvukovogo sushinnya z konvektivnim pri postijnomu obduvanni poverhni materialu pokazuye sho navit koli shvidkist akustichnih potokiv porivnyanna zi shvidkistyu postijnogo potoku povitrya pri oholodzhenni ultrazvukove sushinnya vidbuvayetsya znachno shvidshe z oglyadu na te sho tovshina prigranichnogo sharu dlya akustichnih potokiv ye menshoyu nizh tovshina gidrodinamichnogo prigranichnogo sharu Proces akustichnogo vplivu na pershij stadiyi sushinnya rozpochinayetsya z deyakogo porogovogo znachennya zvukovogo tisku sho zalezhit vid konfiguraciyi tila tipu akustichnih potokiv sho vinikayut i riznici koncentracij ridini tobto riznici vologosti na poverhni materialu ta v otochuyuchomu seredovishi Zazvichaj kritichnij riven zvukovogo tisku lezhit v mezhah 130 140 dB Diapazon chastot sho zastosovuyutsya zalezhit vid bagatoh faktoriv ale golovnim chinom vid zatuhannya zvuku u seredovishi i dopustimih norm shumu pri roboti obladnannya Druga stadiya sushinnya sho oznachayetsya zazvichaj yak period spadnoyi shvidkosti harakterizuyetsya maloyu vologistyu materialu i slabkim nadhodzhennyam ridini zseredini u zv yazku z chim ne popovnyuyetsya spadannya yiyi vmistu na poverhni i vpliv akustichnih kolivan zvoditsya do zbilshennya koeficiyenta difuziyi ridini v rezultati yiyi nagrivannya pri poglinanni ultrazvuku v makrokapilyarah ta porah Odnak nagrivannya materialu v zvukovomu poli ye neznachnim i zbilshennya koeficiyenta difuziyi ne perevishuye 100 200 tobto istotnogo priskorennya sushinnya na cij stadiyi ne sposterigayetsya Zastosuvannya ultrazvuku ye najefektivnishim u period staloyi shvidkosti sushinnya tobto na pershij stadiyi Na drugij stadiyi proces sushinnya nosit perevazhno ciklichnij harakter hvilya vibivaye vologu sho znahoditsya na poverhni produktu potim vologa yaka zalishilasya rivnomirno rozpodilyayetsya po kapilyarah i proces povtoryuyetsya znovu Ce vidbuvayetsya do tih pir poki produkt ne dosyagne zadanoyi vologosti Perevagi ultrazvukovogo sushinnyaNajdocilnishim ye ultrazvukove sushinnya dlya dribnodispersnih materialiv sho perebuvayut u procesi obroblennya v zavishanomu stani abo u stani neperervnogo peremishuvannya tak yak pri comu ye malim porogove znachennya zvukovogo tisku i zabezpechuyetsya rivnomirne obroblennya produktu Shvidkist sushinnya zmenshuyetsya iz zrostannyam tovshini sharu obrobki Do perevag metodu sushinnya v akustichnih polyah visokoyi intensivnosti nalezhit visoka intensivnist procesu sushinnya pri sushinni derevini napriklad vona mozhe zrosti u 5 i bilshe raziv mozhlivist zabezpechennya yakisnogo ta efektivnogo sushinnya pri nizkih temperaturah abo principovo bez pidvishennya temperaturi sho viklyuchaye rujnuvannya strukturi zberezhennya shozhosti zerna tosho menshi energozatrati eksperimenti dozvolyayut stverdzhuvati sho energozatrati mozhna zmenshiti u 1 5 2 i bilshe raziv mozhlivist sushinnya praktichno usih materialiv bez suttyevoyi zmini konstrukciyi susharki ekologichnist tehnologiyi zavdyaki vidsutnosti produktiv gorinnya paliva Nedoliki metodiv akustichnogo sushinnyaZgadani vishe perevagi poyasnyuyut veliku zacikavlenist tehnologiyami ultrazvukovogo sushinnya Odnak sprobi praktichnoyi realizaciyi procesu zustrichayutsya z nizkoyu tehnologichnih uskladnen potreba u stvorenni akustichnih kolivan u povitryanomu seredovishi z intensivnostyami u 140 dB neobhidnist stvorennya sushilnoyi kameri sho zabezpechuvala b rivnomirnu vzayemodiyu akustichnih kolivan u vsomu ob yemi materialu sushinnya Konstruktivni osoblivosti sushilnih kamerStvorenni ultrazvukovi sushilni ustanovki mayut u svoyij osnovi spilnu konstruktivnu shemu Dlya generuvannya akustichnih kolivan v nih vikoristovuyutsya rizni tipi aerodinamichnih viprominyuvachiv a sushilna kamera vikonuyetsya zazvichaj u viglyadi podovgastogo kanalu zvukovodu Forma poperechnogo pererizu kanalu mozhe buti dovilnoyu ale najposhirenishoyu ye pryamokutna forma zavdyaki prostoti rozrahunkiv poshirennya v nij akustichnih hvil Zgidno z ciyeyu konstruktivnoyu shemoyu na odnomu torci sushilnoyi kameri roztashovuyetsya viprominyuvach ultrazvukovih kolivan na protilezhnomu zvukovidbivach abo zvukopoglinach Div takozhUltrazvukova obrobka SushinnyaPrimitkiTehnologiyi 24 grudnya 2013 u Wayback Machine na sajti Akusticheskaya sushka materialov ros DzherelaFizicheskie osnovy ultrazvukovoj tehnologii Tekst pod red L D Rozenberga M Nauka 1969 689 c Kardashev G A Mihajlov P E Teplomassoobmennye akusticheskie processy i apparaty M Mashinostroenie 1973 223 c Primenenie ultrazvuka v promyshlennosti Pod red A I Markova M Mashinostroenie 1975 240 s PosilannyaKoreckij S L Effektivnost akusticheskoj sushki 24 grudnya 2013 u Wayback Machine na sajti Akusticheskaya sushka materialov