Влияние характеристик ультразвукового поля на условия низкотемпературного удаления влаги из капиллярно-пористых материалов

Проект направлен разработку нового комплексного подхода к реализации процесса ультразвуковой сушки заключающегося в установлении взаимосвязи между режимами (частота, амплитуда) и условиями (создание резонансных режимов воздействия, формирования акустических микротечений у поверхности) ультразвукового воздействия характеристиками (геометрические размеры или толщины слоев высушиваемого материала, соответствующие резонансу на частоте ультразвукового воздействия) и внутренней структурой высушиваемого материала (характеристики отдельных капилляров и функция распределения капилляров по ориентации и размерам), обеспечивающих максимально эффективное удаление влаги, как без повышения температуры высушиваемого материала, так и частично или полностью без фазового перехода удаляемой влаги. Решение поставленных при выполнении гранта задач обеспечило получение следующих основных результатов. Выявлен новый механизм интенсификации процесса удаления влаги из высушиваемых материалов путем ее диспергирования, за счет выявления режимов и условий взаимодействия ультразвуковых колебаний с высушиваемым материалом, обеспечивающих реализацию механизма удаления (полного либо частичного) влаги без фазового перевода в пар. Было установлено, что ультразвуковое воздействие обеспечивает возбуждение колебаний в твердом каркасе высушиваемого материала, состоящем из разнонаправленных капилляров, соединенных между собой жесткой структурой. В результате такого воздействия формируется колебательное движение жидкости в капилляре, создаются условия возникновения и захлопывания кавитационных пузырьков с формированием ударной волны, обеспечивающей выплескивание жидкости из капилляра. Впервые показано, что наиболее эффективно удаление влаги в капельном виде без фазового перехода в пар обеспечивается за счет взаимодействии УЗ колебаний (на частоте не менее 20 кГц) с высушиваемым материалом, разделенным на частицы резонансных размеров. Это становится возможным, поскольку УЗ воздействие обеспечивает возбуждение колебаний в твердом каркасе высушиваемого материала, состоящим из разнонаправленных капилляров, соединенных между собой жесткой структурой. Впервые предложена и разработана комплексная модель процесса удаления влаги из капиллярно-пористых материалов без фазового перехода за счет УЗ диспергирования в порах и капиллярах. Созданная модель базируется на энергетическом подходе и рассматривает все стадии процесса преобразования энергии УЗ колебаний при удалении жидкости из пор без фазового перехода: начиная от перехода энергии акустических колебаний из газа в высушиваемый образец и заканчивая ростом и деформацией кавитационных пузырьков в капиллярах с последующим захлопыванием и формированием капли. Установлен оптимальный диапазон (150-170 дБ) уровней звукового давления, при котором реализуется механизм удаления влаги без перевода в пар. Нижняя граница диапазона определяется возникновением и развитием кавитационного диспергирования жидкости, а верхняя – максимальным поперечным размером пузырька, который будет достигнут в результате его расширения и деформации. Предельный поперечный размер пузырька ограничен диаметром капилляра. Кроме того, уменьшается амплитуда ударной волны при увеличении отношения продольного размера пузырька к поперечному. В области создания практических конструкций для реализации предложенного способа ультразвуковой сушки разработаны практические конструкции ультразвуковых излучателей выполненных в виде изгибно-колеблющихся дисков и сушильных камер специальной формы, обеспечивающих равномерное воздействие ультразвуковыми колебаниями на высушиваемый материал, а также возможность работы в режиме резонансного усиления (патент РФ №2795140). Эксперименты, проведенные с использованием разработанных сушильных камер и ультразвуковых излучателей, позволили подтвердить адекватность разработанных математических моделей, точность выявленных режимов ультразвукового воздействия и возможность обеспечения повышения скорости процесса (и снижения энергетических затрат) капиллярных материалов по сравнению с существующими способами сушки. Таким образом, в результате выполнения проекта решены все поставленные задачи, достигнуто понимание путей дальнейшего развития и создан научно-методический задел для продолжения выполнения работ.