Устройство для сушки капиллярно-пористых материалов акусто-термическим способом

Изобретение относится к средствам сушки различных, преимущественно, капиллярно-пористых материалов и может использоваться в сельском хозяйстве для сушки зерна и другой сельхозпродукции, в деревообрабатывающей промышленности для сушки древесины и опилок, в пищевой промышленности для сушки продуктов питания, а также в других отраслях промышленности. Устройство для сушки капиллярно-пористых материалов включает сушильную камеру, в которой установлены звуконепроницаемые перегородки, делящие ее внутренний объем на изолированные секции, каждая из которых снабжена отдельным источником звука, а также источник нагретого воздуха, установленный таким образом, чтобы нагретый воздух поступал из него в каждую секцию сушильной камеры. Изобретение должно обеспечить экономичную сушку капиллярно-пористых материалов. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к средствам сушки различных, преимущественно, капиллярно-пористых материалов и может использоваться в сельском хозяйстве для сушки зерна и другой сельхозпродукции, в деревообрабатывающей промышленности для сушки древесины и опилок, в пищевой промышленности для сушки продуктов питания, а также для тех же целей в других отраслях промышленности.

Известно большое количество устройств, предназначенных для сушки материалов различными способами. Для термической сушки широко используется в качестве сушильного агента сухой нагретый воздух, который пропускается через сушильную камеру, содержащую осушаемый материал. Например, известна сушилка для сушки древесины, содержащая сушильную камеру, дно которой имеет две полости, в одну из которых подают горячие продукты сгорания из борова печи от сжигания отходов древесины, а в другую подают сушильный агент - горячий воздух, нагретый в трубах, размещенных в борове печи [Патент РФ № 2153640]. Для подготовки сушильного агента могут использоваться в качестве источника тепла электрообогреватели, например ТЭНы, и другие известные средства.

Для осуществления акустической сушки сушильная камера снабжается источником звука, излучающим акустические волны определенных параметров, которые воздействуют на осушаемый материал и удаляют из него влагу. Например, известно устройство для сушки зерна акустическим способом, включающее бункер, снабженный питателем для подачи сыпучего материала в контактный тепломассообменник, шахту промежуточного охлаждения, соединяющуюся с тепломассообменником, и по высоте которой в перфорированных концентраторах установлены излучатели звука с отражателями воздушного потока [А.С. СССР № 675266, 1979 г.]. К недостаткам этого устройства следует отнести низкую производительность и высокие энергозатраты, обусловленные одновременным использованием нескольких излучателей звука, а также непригодность для проведения более перспективного способа проведения сушки - акустотермического.

Акустотермический способ сушки включает в себя как термическое, так и акустическое воздействие на осушаемый материал. Он заключается в циклическом воздействии на осушаемый материал акустическим полем, причем в каждом цикле материал предварительно должен быть нагрет [Патент РФ № 2215953, 2003 г.]. Эффект от такого воздействия на материал увеличивается, если между циклами выдерживают паузу, достаточную для того, чтобы влага из внутренних слоев материала по порам или капиллярам достигла его наружных слоев. Этот способ сушки характеризуется более низкими энергозатратами относительно каждого из упомянутых акустического и термического способов сушки.

Известно устройство для проведения только акустической сушки, которое содержит сушильную камеру и излучатель звука, причем сушильная камера выполнена в форме канала - звукопровода, вдоль которого вертикально расположены контейнеры с затворами загрузки и выгрузки осушаемого материала, имеющие сетчатые стенки [Патент РФ № 2095707, 1997 г.]. Основным недостатком этого устройства является его непригодность для проведения упомянутого выше менее энергозатратного акустотермического способа сушки. Это устройство принято за прототип изобретения по наибольшему количеству сходных с предлагаемым устройством признаков.

Изобретение решает задачу создания устройства сушки капиллярно-пористых материалов, пригодного для проведения сушки акустотермическим способом, при этом простого по конструкции и экономичного.

Поставленная задача решается тем, что предлагается устройство для сушки капиллярно-пористых материалов, включающее сушильную камеру, в которой установлены звуконепроницаемые перегородки, делящие ее внутренний объем на изолированные секции, каждая из которых снабжена отдельным источником звука, а также источник нагретого воздуха, установленный таким образом, чтобы нагретый воздух поступал из него в каждую секцию сушильной камеры.

В зависимости от вида осушаемого материала сушильная камера может иметь различную конфигурацию.

Так, для сушки дерева (бревен и досок) целесообразно выполнять корпус сушильной камеры в форме параллелепипеда с параллельными друг другу боковыми вертикальными стенками, параллельными друг другу горизонтальными нижней и верхней стенками, со звуконепроницаемыми перегородками, установленными горизонтально или комбинированно-горизонтально и вертикально в продольном направлении (вдоль стороны камеры, имеющей большую длину), а также средством загрузки/выгрузки, выполненным в виде открывающейся передней или задней стенки камеры. В этом случае секции располагаются горизонтально и имеют длину, равную длине сушильной камеры. Источники звука помещаются в каждой секции на задней или передней стенке камеры. Нагретый воздух подается в каждую секцию отдельно.

Перегородки между секциями выполняются звуконепроницаемыми, например, они могут быть выполнены из двух слоев металла, между которыми располагается звукоизолирующий материал: минеральная вата, поролон, пенопласт и др. Таким же образом могут быть выполнены стенки сушильной камеры.

Для сыпучих материалов сушильная камера может быть выполнена различной формы (ее полость может представлять собой цилиндр или параллелепипед), но для облегчения загрузки целесообразно располагать секции и, соответственно, звуконепроницаемые перегородки вертикально, а средство выгрузки материала располагать в дне каждой секции.

Также для сыпучего материала может использоваться та же конструкция, что и описанная выше для древесины, но в этом случае материал должен помещаться в сетчатые контейнеры с размером ячейки сетки меньше размера фракции сыпучего материала, которые устанавливаются в секции сушильной камеры.

Для обеспечения равномерности акустической обработки осушаемого материала сушильную камеру необходимо снабдить поглотителем звука, который располагается со стороны, противоположной стенке, на которой установлен источник звука. Поглотитель звука может быть выполнен в форме пластины из звукопоглощающего материала, например минеральной ваты, или в форме специальных клиньев из звукопоглощающего материала.

Источник нагретого воздуха может быть выполнен в виде средства нагревания воздуха (например, трубчатого теплообменника, трубчатого электронагревателя (ТЭНа) или др.) и средства принудительной подачи нагретого воздуха в сушильную камеру, например вентилятора.

Схема сушильной камеры предлагаемого устройства для сушки дерева с четырьмя секциями изображена на чертеже, где 1, 2, 3, 4 - секции сушильной камеры, 5 - излучатель звука, 6 - звукоизолирующая перегородка, 7 - поглотитель звука.

Устройство работает следующим образом (на примере сушки древесины).

Сушильная камера, как упомянуто выше, разделена звукоизолирующими перегородками 6 на 4 секции, имеющие последовательную нумерацию: 1, 2, 3, 4. Предполагается, что оптимальное время прогрева осушаемого материала подогретым воздухом составляет 4 часа, а оптимальное время акустического облучения за цикл составляет 1 час.

Подогретый до необходимого уровня воздух подается в секцию 1. Через 1 час после начала его подачи в секцию 1 он начинает подаваться также и в секцию 2. Через 2 часа подогретый воздух подается в секции 1, 2 и начинает подаваться в секцию 3. Через 3 часа подогретый воздух подается в секции 1, 2, 3 и начинает подаваться в секцию 4. Подача подогретого воздуха во все секции одновременно продолжается в течение 1 часа. В результате за 4 часа работы устройства подогретый воздух подавался в секцию 1 - в течение 4 часов, в секцию 2 - в течение 3-х часов, в секцию 3 - в течение 2-х часов, в секцию 4 - в течение 1 часа. После этого подача подогретого воздуха в секцию 1 прекращается и включается источник звука на 1 последующий час, а в остальные секции нагретый воздух продолжает поступать в течение следующего часа. После этого нагретый воздух прекращает подаваться в секцию 2 и включается источник звука этой секции на 1 час. Еще через 1 час прекращается подача нагретого воздуха в секцию 3 и включается источник звука этой секции также на 1 час. Еще через 1 час прекращается подача нагретого воздуха в секцию 4 и включается источник звука этой секции на 1 следующий час. Далее процесс повторяется. В результате в каждой секции осуществляется обработка материала нагретым воздухом в течение 4 часов, а обработка звуком - в течение 1 часа. Далее описанная последовательность операций многократно повторяется до достижения требуемого значения конечной влажности осушаемого материала.

Для обеспечения одинаковой скорости сушки материала по всему объему сушильной камеры необходимо обеспечить одинаковую интенсивность звука в ее продольном и поперечном сечениях. В продольном сечении эту задачу решает поглотитель звука, установленный на границе сушильной камеры, обеспечивая режим бегущей волны в названном сечении. Для обеспечения одинаковой интенсивности звука в поперечном сечении сушильной камеры необходимо и достаточно, чтобы распространяющаяся в ней звуковая волна была плоской. Это требование накладывает ограничение на выбор частоты (длины волны) излучаемого звука при заданном размере поперечного сечения сушильной камеры. Известно, что волна в канале - звукопроводе будет плоской при выполнении следующего условия [С.Н.Ржевкин «Курс лекций по теории звука» - М.: Изд-во МГУ, 1960 г.]:

Здесь λ - длина волны излучаемого звука, f - его частота, с - скорость звука в среде, где он распространяется (в рассматриваемом случае средой является воздух, поэтому с=340 м/с).

При заданных характеристиках излучателя интенсивность излучаемого им звука J связана с его характерным линейным размером r и частотой излучаемого звука (если излучатель - диполь, что характерно для рассматриваемой ситуации) следующим соотношением:

Здесь k - волновое число излучаемого звука. Если в (1) использовать предельную ситуацию Δ=c/2f, то из (2) получим:

Из (3) следует, что при заданных характеристиках излучателя интенсивность излучаемого им звука в сушильной камере, а следовательно, и скорость сушки материала очень сильно зависят от соотношения r/Δ. Например, при заданной мощности внешнего источника энергии, питающего излучатель звука, и фиксированном значении его линейного размера r разделение сушильной камеры на 4 секции, как изображено на чертеже, повышает интенсивность звука в каждой секции, а следовательно, и скорость сушки материала в 16 раз.

Важно отметить, что расход незначительно нагретого (на 40-60°) воздуха для прогрева осушаемого материала требует много меньше затрат энергии, чем для питания излучателей звука.

В результате разделения сушильной камеры на несколько звукоизолированных секций в несколько раз повышается объем ее разовой загрузки, т.е. ее производительность. Вследствие повышения интенсивности звука в каждой секции по сравнению с обычной односекционной камерой при той же подводимой к излучателю звука мощности возрастает скорость сушки, что, соответственно, сокращает время сушки. Как следствие, устройство позволяет снизить энергозатраты, а это означает повышение технико-экономических показателей сушки. При этом конструкция устройства проста и технологична.

1. Устройство для сушки капиллярно-пористых материалов, включающее сушильную камеру, снабженную источником звука, отличающееся тем, что в сушильной камере установлены звуконепроницаемые перегородки, делящие ее внутренний объем на изолированные секции, каждая из которых снабжена отдельным источником звука, при этом оно содержит источник нагретого воздуха, выполненный таким образом, чтобы нагретый воздух поступал из названного источника в каждую секцию сушильной камеры.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что звуконепроницаемые перегородки в сушильной камере установлены горизонтально.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что звуконепроницаемые перегородки в сушильной камере установлены вертикально.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что звуконепроницаемые перегородки в сушильной камере установлены горизонтально и вертикально.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что звуконепроницаемые перегородки выполнены из двух слоев металла, между которыми расположен слой непроницаемого для звука материала.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сушильная камера снабжена поглотителем звука.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник нагретого воздуха содержит средство нагревания воздуха и средство его подачи в сушильную камеру.