background image

 

 

 

1  
 

 

 

BADANIE  PARAMETRÓW  PROCESU  SUSZENIA 

 
 
1.  Cel ćwiczenia 
 
    Celem  ćwiczenia  jest  poznanie  budowy  i  zasady  działania  suszarki  konwekcyjnej  z 
mikrofalowym  wspomaganiem  oraz  wyznaczenie  krzywej  suszenia  dla  suszenia  konwekcyjnego  i 
konwekcyjno-mikrofalowego. 
 
 
2.  Podstawy teoretyczne 
 
   

Proces  cieplny  uwalniania  materiałów  stałych  lub  roztworów  od  zawartej  w  nich  wody  przez 

jej  odparowanie  nazywamy  suszeniem.  Sztuczne  suszenie  materiałów  przeprowadza  się  w 
specjalnych  urządzeniach  zwanych  suszarkami.  W  urządzeniach  tych,  czynnik  suszący  (gorące 
powietrze)  po  wchłonięciu  wilgoci  odprowadza się za  pomocą  wentylatorów,  inżektorów  i  innych 
urządzeń z komory suszarniczej na zewnątrz.  
 

W procesie suszenia wilgotny materiał styka się z powietrzem nienasyconym, w wyniku czego 

zmniejsza  się  wilgotność  materiału,  zaś  powietrze  nawilża  się.  Aby  proces  suszenia  przyspieszyć 
powietrze przed wprowadzeniem do komory suszarki zostaje podgrzane w wymienniku ciepła.  
 
Elementy termodynamiki materiału wilgotnego 
 
 

Procesowi suszenia poddawane  są ciała wilgotne o różnych własnościach  fizykochemicznych, 

strukturalno-mechaniczno i biochemicznych. 
 

Materiały  suszone  można  podzielić  na  dwie grupy  mając  na  uwadze  ich  zachowanie w czasie 

procesu: 
 
 

-  ciała koloidalne, w procesie suszenia ciała te zmieniają swoje wymiary, 

 

-  ciała kapilarno-porowate, w procesie suszenia nie zmieniają  swoich wymiarów liniowych.  

 
 

Najczęściej używanym parametrem określającym stan materiału jest jego wilgotność 

 

X = 

S

A

m

m

          

 

       (29.1) 

 
 

gdzie:   m

A

 - ilość cieczy, kg 

 

 

        m

S

 - ilość suchej masy, kg 

 

 

lub  X’ =

m

m

A

;                                 (29.2) 

gdzie m - ilość wilgotnego materiału. 
 

 

 

Często  wartości  wilgotności  X,  X’  podaje  się  w  procentach.  Zależność  między  tymi 

wielkościami jest następująca: 
 

 

 

 

 

X = 

100%

X`

100

X`

100

 

 

       (29.3) 

 

oraz 

background image

 

 

 

2  
 

 

 

 

 

X’ = 

100%

X`

100

100X

 

                  (29.4) 

 

 

 

 

Woda może być połączona z materiałem przez: 

      -  wiązanie  chemiczne,  najtrwalsze  wiązanie  nie  podlegające  rozerwaniu  podczas  zwykłego 

procesu suszenia, 

 

-  wiązanie  mechaniczne,  przyłączenie  wilgoci  podczas  bezpośredniego  kontaktu  z 

powierzchnią ciała, 

 

-  wiązanie fizyko-chemiczne, wiązanie typu adsorpcyjnego i osmotycznego. 

 
 

Podczas  procesu  suszenia  usuwa  się  z  materiału  wilgoć  związaną  mechanicznie  i 

fizykochemicznie. 
 
Kinetyka procesu suszenia 
 
 

Pod pojęciem kinetyki procesu suszenia rozumie się zmiany średniej wartości wilgoci i średniej 

temperatury w  czasie.  Pozwala  to obliczyć  ilość  odparowanej  wody oraz  zużycie  energii  cieplnej. 
Proces suszenia charakteryzowany jest: 
 

- krzywą suszenia [X = X(t)], 

 

- krzywą szybkości suszenia [ϑ  = ϑ (x)], 
- krzywą temperaturową [T = T(x)]. 

 
 

Na rys. 29.1 a,b,c  przedstawiono krzywe charakteryzujące proces suszenia. 

background image

 

 

 

3  
 

Rys. 29.1. Przebiegi krzywych charakteryzujących proces suszenia: a - krzywa suszenia, b - krzywa 

szybkości suszenia, c - krzywa temperaturowa 

 
 

Szybkość  suszenia  definiuje  się  jako  ilość  wilgoci  odparowanej  z  materiału  suszonego  w 

jednostce czasu na jednostkę powierzchni suszonej: 

 

 

 

 

ϑ 





2

m

s

kg

Δt

A

ΔX

m

  

               (29.5) 

 
gdzie:   m

- masa materiału suchego, kg 

 

 

  X

 

-  wilgotność bezwzględna materiału, kg/kg 

 

 

  A - powierzchnia, m

2

 

 

 

  t  - czas suszenia, s 

 

background image

 

 

 

4  
 

 

W  technice  suszenia  duże  znaczenie  mają  krzywe  temperaturowe,  gdyż  jakość  wysuszonego 

materiału zależy w znacznym stopniu od temperatury w jakiej był realizowany proces oraz od jego 
czasu  trwania.  Czas  suszenia  oblicza  się  oddzielnie  dla  pierwszego  i  drugiego  okresu  suszenia  ze 
względu na odmienny charakter krzywych szybkości suszenia.  
 

Dla okresu stałej prędkości suszenia oblicza się czas z zależności: 

 

 

 

 

 

t

1

 = 

(

)

1

kr

1

s

X

X

A

m

ϑ

 

 

       (29.6) 

 
gdzie:   X

kr 

- zawartość wilgoci w końcu pierwszego okresu, 

 

 

  X

1  

- zawartość wilgoci na początku procesu suszenia, 

 

 

  

ϑ

1

 - szybkość suszenia. 

 
 

Dla okresu malejącej szybkości suszenia, czas suszenia określa zależność:  

 

 

 

 

 

t

2

 = 

2

1

2

1

2

kr

S

ln

X

X

A

m

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

   

       (29.7) 

gdzie:  ϑ

2

 - szybkość suszenia w drugim okresie, 

 

 

X

2  

- zawartość wilgoci w końcu drugiego okresu. 

 
 

Podczas procesu suszenia  mogą  nastąpić zmiany  jakości  mate-riału. Na pogorszenie materiału 

istotny wpływ mogą mieć:  
 
 

-  wysoka temperatura, 

 

-  przegrupowanie składników i wewnętrzny przepływ masy, 

 

-  stosowanie obniżonego ciśnienia.  

 
 
 
Klasyfikacja suszarek 
 
 

Spośród  wielu  kryteriów,  jakie  bierze  się  pod  uwagę  przy  podziale  suszarek,  najczęściej 

wymienia się następujące: 
 

-  ciśnienie panujące w suszarce - suszarki atmosferyczne i próżniowe, 

 

-  charakter pracy urządzenia - suszarki o działaniu ciągłym i okresowym, 

 

-   sposób  doprowadzenia  ciepła  -  suszarki  konwekcyjne,  kontaktowe,  dielektryczne, 

sublimacyjne, mikrofalowe, 

 

-  rozwiązania  konstrukcyjne  -  suszarki  komorowe,  tunelowe  taśmowe,  szybowe,  bębnowe, 

walcowe itp.  

 
Suszarki konwekcyjne z wspomaganiem mikrofalowym 
 
 

W  suszarkach  konwekcyjnych  proces  suszenia  polega  na  przejmowaniu  wilgoci  z  suszonego 

materiału  przez  strumień  gorącego  powietrza.  Konwekcja,  zwana  unoszeniem  ciepła  występuje 
wtedy,  gdy  poszczególne  cząstki  ciała  w  którym  odbywa  się  wymiana  ciepła  zmieniają  swoje 
położenie.  Im  ruch  jest  szybszy  tym  więcej  ciepła  ulegnie  wymianie.  Proces  suszenia  przez 
konwekcję jest jednak długotrwały i może prowadzić do zmian materiału.  
 

W  celu  przyspieszenia  tego  procesu  podejmuje  się  próby  wspomagania  suszenia 

konwekcyjnego  energią  mikrofal.  Czas  suszenia  konwekcyjnego  wspomaganego  energią  mikrofal 
można  skrócić  o  ponad  60%.  Badania  wykazały,  że  energia  mikrofal  istotniej  wpływa  na  proces 

background image

 

 

 

5  
 

suszenia  w  jego  końcowej  fazie  niż  wtedy,  gdy  materiał  zawiera  znaczne  ilości  wody.  Skurcz 
materiału suszonego konwekcyjnie-mikrofalowo jest mniejszy niż suszonego konwekcyjnie.  
 
 

 

 

 

 

3.  Schemat i opis stanowiska laboratoryjnego  
 
 

Schemat stanowiska do badania procesu suszenia przedstawia rys. 29.2. Dodatkowym 

wyposażeniem stanowiska jest:  
 

-  waga o dokładności do 0,1 g, 

 

-  termopary mierzące temperaturę na wejściu i wyjściu z suszarki,   

 

-  prędkościomierz przepływu powietrza. 

 
 

Rys. 29.2. Schemat stanowiska do badania parametrów suszarki konwekcyjno-mikrofalowe: 1 - 

komora suszarnicza, 2 - wentylator, 3 - podgrzewacz elektryczny,  4 - podgrzewacz 
mikrofalowy,  5 - półki ażurowe. 

 
 
4.  Przebieg ćwiczenia 
 
 

Dla wyznaczenia przebiegu krzywej suszenia należy wykonać następujące czynności:  

 

-  zapoznać się z obsługą stanowiska, 

 

-  uruchomić  stanowisko  w  celu  osiągnięcia  stanu  równowagi  cieplnej  w  komorze  (około 

70°C)  (dla  suszenia  konwekcyjnego  włączyć  podgrzewacz  elektryczny,  a  dla  suszenia  z 
wspomaganiem mikrofalowym włączyć również podgrzewacz mikrofalowy, 

 

-  przygotowane próbki z owoców lub warzyw (pokrojone w kostkę o wymiarach 10 x 10 x 10 

lub  w  plastry  o  grubości  5-8  mm)  po  określeniu  ich  masy  umieścić  w  komorze  na 
ażurowych półkach,  

 

-  w czasie suszenia w określonych odcinkach czasu rejestrować masę próbki. 

 
 

Masę wilgoci w próbce w końcu doświadczenia m

A2 

 oblicza się z równania  

 

 

 

 

m

A2 

 = 

2

2

2

X

1

X

m

+

 

 

 

       (29.8) 

 
gdzie:    m

- masa materiału w końcu doświadczenia, 

 

 

  X

2  

- wilgotność materiału na końcu doświadczenia. 

 
 

background image

 

 

 

6  
 

 
 

Masę absolutnie suchego materiału w próbce oblicza się jako różnicę 

 

 

 

 

m

S

 = m

2

 - m

A2                                

      (29.9) 

 
 

Znając  wskazanie  wagi  w  kolejnych  pomiarach,  wyznacza  się  ubytek  masy  próbki  przez 

odejmowanie każdego wskazania wagi od wskazania poprzedzającego.  
 

Masę  wilgoci  w  próbce  wyznacza  się  w  następujący  sposób.  Po  zakończeniu  doświadczenia 

oblicza się masę wilgoci w materiale z równania 29.8.  
 

Masę  wilgoci  dla  pomiaru  poprzedzającego  ostatni,  oblicza  się  dodając  do  wartości 

wyznaczonej  z  równania  29.8  ubytek  wilgoci.  Ubytek  wilgoci  wyznacza  się  odejmując  każde 
wskazanie wagi od poprzedniego.  
 

Postępując  identycznie  dla  kolejnych  pomiarów  wyznacza  się  masę  wilgoci  na  początku 

doświadczenia m

A0

 . 

 

W oparciu o otrzymane dane wyznacza się krzywą suszenia dla obu sposobów suszenia.  

 
 
5.  Analiza wyników pomiarów i wnioski 
 
 

Wyznaczone  doświadczalnie  oraz  obliczone  na  podstawie  podanych  zależności  parametry 

procesu suszenia zapisuje się w tabeli 29.1. 
 

Porównując wyznaczone krzywe dokonać analizy badanych procesów suszenia.  

 
Tabela  29.1. Tabela pomiarowa 

 

Nr 

pomiaru 

Czas 

pomiaru 

Wskazani

wagi 

Ubytek 

wilgoc

Temperatura 

°C 

 

Zawartoś

ć 

wilgoci w 

 

kg 

kg 

próbki 

w  

komorze 

materiale 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
6.  Literatura 
 
[29.1] Ochęduszko S.: Termodynamika stosowana. WNT. Warszawa 1967 
[29.2] Pabis S.: Teoria konwekcyjnego suszenia produktów rolniczych. PWRiL. Warszawa 1982 
[29.3] Pabis J.: Podstawy techniki cieplnej w rolnictwie. PWRiL. Warszawa 1983 
[29.4]  Popko  H.,  Popko  R.:  Maszyny  przemysłu  spożywczego  –  ćwiczenia  laboratoryjne.  Skrypt 

PL. Lublin 1986 

[29.5] Staniszewski B.: Wymiana ciepła, podstawy teoretyczne. PWN. Warszawa 1983