Повышение эффективности сушки целлюлозы ультразвуковым воздействием

Abstract

Актуальность исследования обусловлена тем, что существенная часть возобновляемых и ископаемых энергоресурсов расходуется на выработку тепла и электроэнергии, необходимых для реализации процесса сушки. При этом сушка целлюлозы в силу многотоннажности производств является одним из существенных потребителей энергоресурсов. Одним из способов снижения энергетических затрат на процесс сушки является воздействие ультразвуковыми колебаниями. Практически отсутствуют исследования по ультразвуковому воздействию во время сушки целлюлозы. Поэтому необходимо рассмотреть возможные варианты бесконтактного ультразвукового воздействия при конвективной сушке древесной целлюлозы. Цель: выявление наиболее рациональных вариантов размещения высушиваемого материала с учетом направления воздействия ультразвуковых колебаний и потока теплого воздуха относительно слоев высушиваемого материала при различных температурах. Объекты: процесс бесконтактного ультразвукового воздействия на древесную целлюлозу. Методы. Для определения распределения амплитуд колебаний дискового излучателя использовалось математическое моделирование на основе метода конечных элементов. В экспериментальной части исследований влагосодержание материала определялось весовым методом с использованием поверенных технических средств. Результаты. При параллельном направлении ультразвуковых колебаний относительно тонких слоев целлюлозы показано сокращение времени сушки в 2,5 раза при уровне звукового давления 162±3 дБ и температуре сушильного агента 60 °С. Выявлено, что снижение температуры сушильного агента позволяет повысить относительную эффективность ультразвукового воздействия. Оценка энергетической эффективности показала, что применение ультразвукового воздействия приводит к уменьшению затраченной на сушку электроэнергии в 2,3 раза по сравнению только с конвективной сушкой при прочих равных условиях. Проведенные исследования подтвердили эффективность ультразвукового способа сушки для промышленного применения и позволили рекомендовать варианты наиболее рационального размещения высушиваемого материала при проектировании конструкций сушильных камер.

Relevance. Significant part of renewable and fossil energy resources is spent to generate heat and electricity needed to implement drying. At the same time, cellulose drying, due to the large-tonnage production, is one of the significant consumers of energy resources. One of the ways to reduce energy costs of drying is ultrasonic vibrations impact. There are practically no studies on ultrasonic exposure during cellulose drying. Therefore, it is necessary to consider possible options for non-contact ultrasonic treatment during convective drying of wood cellulose. Aim. To identify the most rational options for placing the material to be dried, taking into account the direction of exposure to ultrasonic vibrations and the flow of warm air relative to the layers of the material to be dried at different temperatures. Objects. Non-contact ultrasonic action on wood cellulose. Methods. Mathematical modeling based on the finite element method was used to determine the distribution of oscillation amplitudes of a disk radiator. In the experimental part of the research, a material moisture content was determined by the weight method using verified technical means. Results. When ultrasonic vibrations have parallel direction relative to cellulose thin layers, a 2.5-fold reduction in drying time was shown at a sound pressure level of 162 ±3 dB and a drying agent temperature of 60°C. The authors have found that temperature decrease of a drying agent makes it possible to increase the relative efficiency of ultrasonic treatment. An assessment of energy efficiency showed that the use of ultrasonic exposure leads to a 2.3-fold decrease in the energy spent on drying compared to only convective drying, all other things being equal. The conducted studies confirmed the effectiveness of the ultrasonic drying method for industrial use and made it possible to recommend options for the most rational placement of the material to be dried when designing the structures of drying chambers.