КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 23-29-10118
НазваниеВлияние параметров акусто-конвективной сушки на свойства сельскохозяйственных, биофармацевтических и строительных материалов.
Руководитель Жилин Александр Анатольевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл
Конкурс №76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена
Ключевые слова акусто-конвективная сушка, тепломассоперенос, сушка семенного зерна, биологических и строительных материалов, фрактография образцов, морфология, удельная поверхность, гранулометрия, микроструктура, гидрофильность, структурно-механические свойства.
Код ГРНТИ30.51.31
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Теоретические и экспериментальные работы, проводимые авторами в течение 40 лет в ИТПМ СО РАН, позволили выявить значительную интенсификацию массопереноса и экстракции влаги образцов в акустических полях. В частности показано, что после получасовой акусто-конвективной сушки (АКС) зернистого силикагеля полностью сохраняется целостность зерен осушаемого материала даже после десятка циклов осушения. Для достижения аналогичного значения конечной влажности силикагеля при тепловом воздействии в действующем производственном оборудование требуется существенно больший промежуток времени (до пяти часов). После нескольких циклов сушки зерна силикагеля начинают растрескиваться и превращаться в мелкие фракции, что существенно снижает их способность абсорбировать влагу. Таким образом, цель проекта заключается в разработке научных и инженерных основ технологии АКС волокнисто-, ячеисто- и капиллярно-пористых материалов с высоким уровнем интенсивности.
В настоящее время разрабатываемая технология АКС востребована в сельском хозяйстве и других отраслях промышленности (строительной, перерабатывающей, пищевой, фармацевтической и химической), где в качестве осушаемого сырья выступают волокнистые, пористые и сыпучие материалы (зерно, бумага, мясо, древесина, ячеистый газобетон, силикагель, орехи и т.п.).
Несмотря на то, что технология реализуется на протяжении нескольких десятков лет и уже апробирована на целом ряде образцов, представляющих интерес для многих отраслей промышленности результаты АКС воздействия на живые (биологические) материалы до сих пор детально не изучены. В частности, необходимо изучить влияние АКС на морфологические и структурно-механические характеристики исследуемого материала.
Выполнение данного проекта заключается в комплексном подходе, включающем: физический эксперимент, численное моделирование газодинамического течения с внедренным объектом исследования в тракт АКСУ и анализа структурно-механических свойств обработанных материалов.
Основным достоинством разрабатываемой технологии является сушка материалов при комнатной температуре с меньшими затратами времени и энергоресурсов на единицу продукции.
Разработанная в рамках данного проекта технология, не имеющая аналогов, позволит выйти на рынок с коммерческим предложением для предприятий, использующих сушку пористых материалов в любых объемах.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Жилин А.А., Примаков А.В.
Исследование влияния цилиндрической резонирующей полости на ближнее акустическое поле струи в биканальной системе
Челябинский физико-математический журнал, Челябинский физико-математический журнал. 2024. Т. 9. № 2. С. 277-286. (год публикации - 2024)
10.47475/2500-0101-2024-9-2-277-286
2.
Жилин А.А., Чесноков А.Е., Скороход К.А.
Сравнение физических характеристик высокопористых материалов при их акустической и традиционной сушке
Челябинский физико-математический журнал, Челябинский физико-математический журнал. 2024. Т. 9. № 2. С. 337-346. (год публикации - 2024)
10.47475/2500-0101-2024-9-2-337-346
3.
Жилин А.А.
Экспериментальное исследование параметров газодинамического течения в канале АКСУ с глубоким цилиндрическим резонатором в присутствии и без исследуемого образца
Челябинский физико-математический журнал, Челябинский физико-математический журнал. 2024. Т. 9. № 2. С. 222-231. (год публикации - 2024)
10.47475/2500-0101-2024-9-2-222-231
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Экспериментально исследованы тепловые процессы в АКУ для диапазона начальных давлений в форкамере от 3 до 10 атм. Получена динамика нагрева газа в трех точках-мониторах, расположенных внутри тракта АКУ, и вдоль наружной поверхности резонатора.
При низких давлениях (3 и 4 атм.) не происходит формирования бочкообразной структуры струи, резонатор прогревается на 50-100 градусов вследствие торможения струи и образования серии вихрей.
При выходе на рабочий режим АКУ (более 5 атм.) получен прогрев резонатора (на 350 – 450 градусов). Динамика нагрева газа у торца резонирующей полости состоит из скачкообразного роста в первую минуту, постепенного нагрева на протяжении получаса и выхода на равновесное состояние в течение часа.
Показано, что температура газа в форкамере не зависит от начального давления, а температура рабочего потока в рабочей части АКУ линейно убывает от 15,4 C при 3 атм. до 7,3 C при 10 атм.
Выявлено, что при давлениях в форкамере свыше 7 атм. температура газа вдоль поверхности резонатора и возле закрытого торца резонатора постоянна.
Численное моделирование в изотермическом и адиабатическом приближении показало, что в изотермическом случае приводит к: 1) росту давления возле торца резонатора как в фазе заполнения (от 3,86 до 4,89) и фазе опустошения (от 0,66 до 0,71); 2) уменьшению температуры в окрестности торца резонатора в фазе заполнения (от 499 до 358 К); 3) нарастанию уровня звукового давления во всем тракте волновода (от 186 до 200 дБ в резонаторе; от 168 до 173 дБ в рабочей части), а в адиабатическом показал: 1) нарастание уровня звукового давления вблизи торца резонатора до 197 дБ (196,9; 195,5 и 197,6 при нерасчетности 3,4; 4,4 и 5,1 соответственно); 2) что частота полученных сигналов коррелирует с экспериментом и составила 116, 129 и 128 Гц соответственно; 3) существование высокотемпературной застойной зона вблизи торца с температурой 815, 809, 792 K при коэффициенте нерасчётности 3,4; 4,4 и 5,1 соответственно.
Экспериментально показано, что размещение образца в рабочей части АКСУ приводит к повышению температуры в области возле закрытого торца резонатора, а также к изменению АЧХ потока на входе в рабочую часть, путем разворота начального сигнала на 180 градусов относительно точки начала оси координат. Построенная физико-математическая модель подтверждает эффект отражения сигнала. Определена максимальная температура газа возле торца резонатора составившая 471 С.
Количественно определена динамика роста значения pH и понижения температуры для исследуемых образцов воды при оказании на них воздействия рабочего потока на пяти режимах работы АКУ. Обнаружено, что после прекращения акустического воздействия pH продолжает возрастать в течение 20 мин, после чего pH резко падает. Проведенная серия экспериментов по охлаждению контрольных порций воды показала удовлетворительное соответствие с теоретической зависимостью по росту pH воды с уменьшением её температуры. Установлено, что рост pH воды вызван высокоинтенсивным акустическим воздействием, а не обусловлен уменьшением её температуры. Показана корреляция полученных данных по динамике pH при акустическом воздействии с результатами экспериментов по ультразвуковому, электромагнитному, лазерному и механическому воздействию на воду полученными другими авторами.
Показано, что кислотность бумаги является одной из главных причин ее разрушения. В качестве капиллярно-пористых материалов подготовлены образцы из:
Образец 1 - книжной бумаги 1957 г. с pH 4,95, начальной влажностью 9%; изготовленной на основе древесной целлюлозы, содержащей лигнин, который подвержен окислению под действием света и воздуха, что со временем привело к пожелтению страниц;
Образец 2 - книжной бумаги 1960 г. с начальной влажностью 4,5%, pH 5,04, которая была произведена из древесной массы. Листы книги имеют характерный сероватый оттенок;
Образец 3 - бумаги сборника "Физика горения газов" 1977 г. с начальной влажностью 4,2%, pH 5,7, изготовлена из офсетной бумаги и включает синтетические волокна для улучшения влагостойкости и устойчивости к истиранию;
Образец 4 - офисной бумаги "SVETOCOPY" с pH 5,83 и начальной влажностью 4,8%, которая изготавливается из высококачественной целлюлозы с использованием рафинированных древесных волокон, что придает ей высокую белизну.
Сушка увлажненных образцов проводилась на трех режимах работы АКСУ с постоянным давлением в форкамере 6 атм. и температурой рабочего потока 15°C. Режим 1 имеет максимальную интенсивность второй гармоники 164,5 дБ при 363Гц. Образец 1 и 4 через 15 мин достигли влажности 4 и 4,5%, pH 4,85 и 5,32. Образцы 2, 3 через 7 минут достигли влажности 4,8 и 5 %; pH 5,13 и 5,67.
Режим 2 с максимальной интенсивностью первой гармоники 172 дБ при 800Гц. Образец 1 имеет влажность 5,4%, за 15 минут; pH 4,97; образец 2 – 5,2%, за 15 минут; pH 5,33; образец 3 – 5,63%, за 7 минут; pH 4,5; образец 4 – 5,21%; pH 6,2.
Режим 3 – 185 дБ при 280 Гц. Образец 1 имеет влажность 2%, за 15 минут; pH 4,95; образец 2 имеет влажность 2%, за 15 минут; pH 5,13; образец 3 имеет влажность 1,5%, за 7 минут; pH 5,67; образец 4 имеет влажность 3%; pH 5,4. Все осушаемые образцы получили механическое повреждение
Тепловая сушка бумаги в сушильном шкафу 120 градусов. Показано, что после завершения сушки образцы сохранили первоначальный цвет, однако наблюдалось значительное снижение их эластичности; резкое изменение влажности привело к снижению сопротивлению излому. Анализ полученных данных показал, что: образец 1 имеет влажность 5%, pH 6,8, плотность бумаги 61 г/м², зафиксировано отделение из бумажной массы мелкой фракции волокон; у образцов 2-4 зафиксировано набухание волокнистой структуры; образец 2 имеет влажность 4,8%, за 15 минут; образец 3 имеет влажность 4,7%, за 15 минут; образец 4 имеет влажность 4,9%.
Термо-конвективная сушка бумаги при температуре воздушного потока 140 C. Процесс сушки можно сопоставить с процессом в сушильном шкафу; однако, в отличие от него, время, затраченное на сушку, было значительно сокращено, что напрямую указывает на эффективность применения данного метода. Однако форсированная сушка привела к нежелательному короблению бумаги, а также повышению ее пористости, пухлости и впитывающей способности. Общая продолжительность процесса сушки составила 600 с. После завершения сушки образцы сохранили первоначальный цвет, однако наблюдалось увеличение локальных деформаций (перегибы и морщины) для всех образцов бумаги.
Публикации
1.
Жилин А.А.
Осушение зерен пшеницы акусто-конвективным потоком в биканальной системе с ярко выраженным эффектом Гартмана
ДИНАМИКА МНОГОФАЗНЫХ СРЕД. Издательско-полиграфический центр НГУ. Новосибирск, Динамика многофазных сред. Тезисы докладов XVIII Всероссийского семинара с международным участием, посвященного 115-летию со дня рождения Сергея Алексеевича Христиановича. Новосибирск, 2023. С. 39-40 (год публикации - 2023)
10.25205/978-5-4437-1520-9
2. Жилин А.А. Экспериментальное исследование распределения тепла в глубокой резонансной полости Гартмана–Шпренгера Материалы XV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI’2024). Издательство МАИ. Москва, Материалы XV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI’2024). 2024. М.: Изд-во МАИ. С. 16-17. (год публикации - 2024)
3.
Жилин А.А.
Влияние высокоинтенсивных акустических волн на водородный показатель воды
ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, Инженерно-физический журнал. 2024. Т. 97. № 5. С. 1393-1401. (год публикации - 2024)
10.1007/s10891-024-03010-0
4.
Скороход К.А., Жилин А.А., Чесноков А.Е.
Изменение структурно-механических свойств зерен силикагеля осушаемых при акустической и традиционной сушке
ДИНАМИКА МНОГОФАЗНЫХ СРЕД. Издательско-полиграфический центр НГУ. Новосибирск, Динамика многофазных сред. Тезисы докладов XVIII Всероссийского семинара с международным участием, посвященного 115-летию со дня рождения Сергея Алексеевича Христиановича. Новосибирск, 2023. С. 89-90. (год публикации - 2023)
10.25205/978-5-4437-1520-9
5. Примаков А.В., Жилин А.А. Исследование влияния коэффициента нерасчетности струи на генерацию акустических колебаний в тракте биканального волновода Материалы XV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI’2024). Издательство МАИ. Москва, Материалы XV Международной конференции по прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI’2024). 2024. М.: Изд-во МАИ. С. 20-22. (год публикации - 2024)
6. Жилин А.А., Примаков А.В. Моделирование параметров газодинамического потока в цилиндрической полости при взаимодействии с внешней набегающей нерасчетной струёй Математическое моделирование в механике. Институт вычислительного моделирования СО РАН. Красноярск, Материалы докладов Всероссийской конференции «Математическое моделирование в механике», посвященное 50-летию ИВМ СО РАН. 2024. Красноярск: ИВМ СО РАН. С. 84-87. (год публикации - 2024)
7.
Примаков А.В., Жилин А.А.
Исследование влияния глубины цилиндрического резонатора на газодинамические параметры потока в биканальной системе
ДИНАМИКА МНОГОФАЗНЫХ СРЕД. Издательско-полиграфический центр НГУ. Новосибирск, Динамика многофазных сред. Тезисы докладов XVIII Всероссийского семинара с международным участием, посвященного 115-летию со дня рождения Сергея Алексеевича Христиановича. Новосибирск, 2023. С. 83-84. (год публикации - 2023)
10.25205/978-5-4437-1520-9
8. Примаков А.В., Жилин А.А. Моделирование газового потока резонирующих газодинамических систем в адиабатическом приближении Математическое моделирование в механике. Институт вычислительного моделирования СО РАН. Красноярск, Материалы докладов Всероссийской конференции «Математическое моделирование в механике», посвященное 50-летию ИВМ СО РАН. 2024. Красноярск: ИВМ СО РАН. С. 178-180. (год публикации - 2024)
Возможность практического использования результатов
1) Применение разрабатываемого в рамках проекта сушильного оборудования на элеваторах, расположенных на территории Новосибирской области, позволит улучшить сохранность зерновых культур на протяжении всего периода хранения. Предлагаемая технология хранения может быть выбрана с целью снижения объёма потерь продукта и сохранения его первоначального качества. Нарушение технологий хранения крайне нежелательное явление, поскольку активизируется действие ферментов, что приводит к необратимым изменениям химического состава. Постоянным компонентом зерновой массы являются микроорганизмы, жизнедеятельность которых также снижает посевные и товарные качества зерна. Новая технология сушки повысит эффективность зерноперерабатывающих производств за счет повышения процента сохранности семенного и товарного продукта, снижения энергозатрат при эксплуатации, компактности и масштабируемости.
2) Применение акусто-конвективного подхода в деревоперерабатывающем производстве позволит повысить интенсивность сушки сырья с управляемым процессом в широком диапазоне, который обеспечит достижение требуемой влажности древесины. Основное преимущество акусто-конвективной сушки заключается в протекании процесса без повышения температуры сушильного агента. Необходимо отметить, что осушаемое сырье подвергается равномерному акустическому воздействию по сечению вдоль тракта сушильной установки. При этом обеспечивается бездефектная сушка толстых сортаментов с высокой прочностью высушенной древесины.
3) Технология с применением низкотемпературного экстрагирования влаги в фармацевтической отрасли Новосибирска позволит повысить действенность ряда лекарственных препаратов за счет сохранения биологических свойств, тем самым увеличить эффективность их производства.