Побочным эффектом космических экспериментов стала новая технология сушки.
Во время лабораторных экспериментов в области авиации и космонавтики ученые Института теоретической и прикладной механики СО РАН открыли неожиданный эффект: деревянный короб установки, на которой велись исследования газовых струй, стал намного легче. Физики выяснили, что шумозащитная деревянная конструкция за считанные минуты сильно высохла. Так руководители лаборатории выдвинули идею акусто-конвективной сушки пористых материалов - от дерева, кедровых орехов и силикатного геля до пшеницы, риса и мяса.
В основе технологии акусто-конвективной сушки лежит эффект Гартмана, который был открыт в начале ХХ века. Он состоит в том, что при помещении полой трубки с закрытым торцом в струю, вытекающую со скоростью звука в атмосферу при избыточном давлении, взаимодействие струйного потока с преградой происходит в автоколебательном режиме и сопровождается мощным акустическим излучением и образованием звуковых волн, интенсивность которых достигает 180 децибелов. Первым практическим применением этого открытия, кстати, стал паровозный свисток.
При сушке сырой древесины тепловым способом влага за счет нагрева испаряется только с поверхности. При этом поверхность высыхает, а внутри вода остается и продолжает нагреваться. При нагреве вода расширяется, на уже высохшей поверхности появляются трещины, доска или брус приходят в негодность.
Уникальность акусто-конвективной сушки состоит в том, что она происходит равномерно и не использует нагрев.
– Звуковая волна действует на весь объем материала независимо от его расположения, - уточняет научный сотрудник лаборатории термомеханики и прочности новых материалов ИТПМ СО РАН Ксения Скороход.
- Ускорение сушки происходит путем перераспределения влаги в объекте за счет его колебаний под действием звуковых волн. В результате по мере осушения влага переносится к поверхности образца.
При традиционной тепловой сушке в печах часть продукции из-за перегрева становится непригодной: дерево трескается, пшеница и любое другое посевное зерно теряют способность к проращиванию.
А тепловая сушка рукописного фонда (книг, карт, ценных бумаг) в целях сохранения может, напротив, привести к уничтожению источников - распаданию до состояния пыли. Чтобы этого избежать, используют тщательное проветривание продуктов, которое способствует более равномерному распределению влаги. Оборудование сушильного комплекса системами вентиляции требует дополнительных энергозатрат.
Ученые сделали специальную установку для акусто-конвективной сушки и провели серию экспериментов. Такая сушка оказалась намного эффективнее тепловой и даже ультразвуковой.
– Проведенные совместные исследования с Международным томографическим центром СО РАН по изучению распределения влаги в древесине до и после акусто-конвективной сушки показали, что влага в годовых кольцах равномерно распределяется между ними, а часть выходит на поверхность и испаряется, - рассказал старший научный сотрудник лаборатории волновых процессов в ультрадисперсных средах кандидат физико-математических наук Александр Жилин.
- Затем мы проверили эффект на сельскохозяйственной продукции по просьбе алтайских производителей подсолнечного масла. После отжима семян остается жмых подсолнечника, который отлично подходит для корма скота, однако перевозка этого жмыха будет существенно дешевле, если его предварительно высушить, а уже на месте перед подачей скоту снова смешать с водой. Эксперимент показал, что вес жмыха после сушки снизился в разы.
Следующим материалом для исследования стал кедровый орех. Срок хранения этого продукта можно продлить, удалив из него излишки влаги. На вкусовые качества этот процесс не влияет. Затем ученые попытались выйти на международный рынок, поскольку в сушке нуждаются многие производители.
Например, представители компании по производству пропаренного риса из Южной Кореи после обработки риса на установке акусто-конвективной сушки отметили, что рис не становится мутным или желтоватым, как при тепловой обработке, а сохраняет исходный уровень прозрачности и цветовой оттенок. К.Скороход, будучи материаловедом, пояснила, что из-за равномерной сушки чешуйки риса не отрываются от поверхности, поэтому сохраняется эффект полировки и не требуется дополнительного просеивания для удаления частиц сломанного риса.
Интересно, что корейская делегация, прибывшая в институт с экскурсией, ознакомилась с установкой в общих чертах, после чего попыталась реализовать ее у себя на производстве.
Однако специалисты не учли эффект Гартмана, а построили обычную трубу, через которую поступал сжатый воздух, поэтому создание установки успехом не увенчалось.
Акусто-конвективную сушку можно применять и в промышленности. Особенно тщательного высушивания требует силикагель - вещество, которое широко используется в разных областях промышленности для контроля низкого уровня влажности.
Ученые зафиксировали, что для высушивания нескольких десятков литров силикагеля на установке акусто-конвективной сушки требуется всего 20 минут. При тепловом воздействии на это уйдет около пяти 5 часов, что по энергозатратам в 7,5 раза больше.
Продукты питания, такие как мясо, для увеличения срока годности вообще не подвергаются нагреву, поскольку могут потерять товарный вид. Для его сохранения продукты обрабатывают специальными составами.
Обычно эти составы содержат пропиленгликоль, лактат, ацетат и цитрат натрия. Они помогают сохранить цвет и продлить срок хранения. Но все эти составы не особенно полезны для нашего здоровья. Чтобы белковый продукт стал сохраннее, можно уменьшить в нем количество влаги, ведь в сухой среде микробы не размножаются.
Ученые сделали специальную установку, использующую эффект Гартмана, для осушения продукции с сохранением ее внешнего вида и вкуса и провели серию экспериментов на разных материалах.
– Доведение лабораторной установки до промышленного образца и внедрение технологии акусто-конвективной сушки в промышленное производство требуют инвестиций и времени, - отметил заведующий лабораторией волновых процессов в ультрадисперсных средах кандидат физико-математических наук Игорь Бедарев. - Ученые ИТПМ СО РАН готовы к сотрудничеству с представителями промышленности.
Мария РОГОВАЯ
Фото предоставлено пресс-службой ИТПМ СО РАН
