Laboratorium Podstaw Budowy Urządzeń dla Procesów Cieplnych
Temat: Kinetyka suszenia w suszarce fluidalnej
Dr inż. Maria Boszko
ZAKŁAD APARATURY PRZEMYSŁOWEJ
POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ BM i P
Płock, 2007r.
Laboratorium Podstaw Budowy Urządzeń dla Procesów Cieplnych
Temat: Kinetyka suszenia w suszarce fluidalnej
Dr inż. Maria Boszko
ZAKŁAD APARATURY PRZEMYSŁOWEJ
POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ BM i P
Płock, 2007r.
Kinetyka suszenia w suszarce fluidalnej
1. Cel pracy
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie na podstawie pomiaru wilgotności materiału
suszonego w zależności od czasu: wilgotności krytycznej oraz stałych szybkości suszenia dla
pierwszego i drugiego okresu suszenia. Suszony jest materiał ziarnisty w warstwie fluidalnej.
2. Wprowadzenie
Suszenie ciał stałych znajduje szerokie zastosowanie w praktyce przemysłowej. Jest
procesem złożonym, podczas którego zachodzi jednoczesna wymiana ciepła i masy. Jedną z
metod suszenia jest suszenie konwekcyjne. Polega na usuwaniu wilgoci z ciał stałych za
pomocą czynnika suszącego. Najczęściej usuwaną wilgocią jest woda, a czynnikiem
suszącym ogrzane powietrze.
Suszenie w warstwie fluidalnej materiału ziarnistego jest odmianą suszenia
konwekcyjnego. Podgrzane powietrze przepływa przez złoże wilgotnego materiału z
prędkością nieco większą od minimalnej prędkości fluidyzacji. Proces suszenia przebiega
intensywnie, materiał suszony jest równomiernie. Zużywane są duże ilości podgrzanego
powietrza.
W czasie suszenia materiał zmniejsza swoją wilgotność, zaś otaczające powietrze
nawilża się.
Wilgotność materiału suszonego wyraża się w procentach masowych b lub jako
zawartość wody X, czyli ilość kilogramów wody przypadającą na 1 kg suchego materiału.
%
100
1
⋅
=
S
W
b
(6)
lub
S
W
X
=
(7)
gdzie:
b
- wilgotność [
% mas.
],
X
- zawartość wody
.
.mat
s
kg
wody
kg
,
W
- masa wody [
kg wody
],
S
1
-masa ciała wilgotnego [
kg
],
S
- masa ciała suchego [
kg s. mat.
].
Zależność między wilgotnością
b
wyrażoną w procentach a zawartością wody
X
ma postać:
b
b
X
−
=
100
(8)
Szybkość suszenia
definiuje się jako ilość wody odparowanej w jednostce czasu z
powierzchni ciała suszonego.
τ
d
dX
w
D
−
=
⋅ s
mat
s
kg
wody
kg
.
.
(9)
lub dla skończonych przyrostów
τ
∆
∆
−
=
X
w
D
⋅ s
mat
s
kg
wody
kg
.
.
(10)
3. Przebieg suszenia
Przebieg suszenia
najłatwiej jest zobrazować przez sporządzenie wykresów:
( )
τ
1
f
X
=
i
( )
X
f
w
D
2
=
(rys.1). Na obu wykresach łatwo można zauważyć, że proces
suszenia dzieli się na dwa okresy: okres pierwszy (odcinek
AB
) charakteryzujący się stałą
szybkością suszenia i okres drugi (odcinek lub część odcinka
BC
) o malejącej szybkości
suszenia.
Rys.1. Przebieg procesu suszenia: a) zmiany wilgotności ciała suszonego w zależności
od czasu suszenia
τ
, b) zależność szybkości suszenia od zawartości wody
X
.
Zawartość wody
X
kr
odpowiadająca punktowi przegięcia lub załamania (punkt
B
na
wykresach) nazywa się krytyczną zawartością wody. Jest to zawartość wody, jaką ma ciało
suszone na granicy pierwszego i drugiego okresu suszenia. Zawartość wody w materiale
suszonym pozostającą w równowadze z prężnością cząstkową pary wodnej zawartej w
przepływającym powietrzu nazywa się równowagową zawartością wody (
X
r
) (punkt
D
na
wykresach). Do takiej zawartości wody można teoretycznie wysuszyć materiał w danych
warunkach suszenia (temperatura, wilgotność względna powietrza). Praktycznie zawartość
wilgoci w ciele suszonym zmienia się od wartości początkowej
X
1
do końcowej
X
2
, przy
czym
X
2
>X
r
.
Pierwszy okres suszenia charakteryzuje się stałą szybkością suszenia. Następuje
odparowanie wilgoci z powierzchni materiału i powstająca para przedostaje się do
przepływającego powietrza. Szybkość całego procesu uwarunkowana jest przez szybkość
dyfuzji pary wodnej w warstwie powietrza. Pierwszy okres suszenia kończy się wtedy, kiedy
cała wilgoć z powierzchni zostanie odparowana.
Drugi okres suszenia charakteryzuje się malejącą szybkością suszenia. Występuje
wtedy odparowanie wilgoci w coraz głębszych warstwach ciała suszonego, przemieszczanie
się pary wodnej do powierzchni (dyfuzja wewnętrzna) i dyfuzja w warstwie przepływającego
powietrza. Na szybkość suszenia w drugim okresie ma duży wpływ struktura ciała
suszonego.
Stałe szybkości suszenia
. Dla pierwszego okresu, jeżeli zależność
( )
X
f
w
D
=
jest
prostoliniowa to stała szybkości
K
1
wyraża się wzorem:
r
kr
kr
X
X
X
X
K
−
−
⋅
=
1
1
1
1
τ
s
1
(11)
zaś dla drugiego okresu
r
r
kr
X
X
X
X
K
−
−
⋅
=
2
2
2
ln
1
τ
s
1
(12)
gdzie:
1
τ
i
2
τ
to czas trwania pierwszego lub drugiego procesu suszenia.
Znajomość stałych szybkości suszenia i poszczególnych zawartości wody ( X ) pozwala
oszacować czas trwania pierwszego i drugiego okresu suszenia w suszarce w skali
przemysłowej.
4. Stanowisko pomiarowe
Schemat stanowiska pomiarowego przedstawia rys.2. Zasadnicze elementy aparatury to:
komora suszarnicza 7 o średnicy 190mm i wysokości 50mm wykonana z plexi, wentylator 1
i nagrzewnica 3 o regulowanej mocy (maks.18kW). Przepływ powietrza regulowany jest
przy pomocy zaworu 4. Prędkość przepływającego powietrza mierzona jest rurką Pitota w
rurze doprowadzającej powietrze do komory suszarniczej. Temperatura powietrza mierzona
jest na wlocie do aparatu. Stanowisko wyposażone jest w mechanizm wprawiający w drgania
sito, który w tym eksperymencie nie jest wykorzystywany. Możliwy jest również pomiar
spadku ciśnienia powietrza na złożu.
Rys.2. Schemat stanowiska laboratoryjnego: 1- wentylator, 2- przewód doprowadzający
powietrze do nagrzewnicy, 3- nagrzewnica, 4- zawór regulujący prędkość przepływu
powietrza, 5- przewód doprowadzający ogrzane powietrze do komory fluidyzacyjnej, 6-
dystrybutor gazu, 7- komora fluidyzacyjna, 8- silnik, 9- mechanizm mimośrodowy
wywołujący drgania sita, 10- tachometr, 11- materiał suszony.
u
p
∆
- pomiar spadku ciśnienia dynamicznego,
z
p
∆
- pomiar spadku ciśnienia na sicie i złożu,
t- pomiar temperatury,
n- pomiar obrotów silnika.
5. Metodyka pomiarów
Przed umieszczeniem materiału wilgotnego w komorze suszenia stanowisko jest
wygrzewane przez kilka minut aż do uzyskania, dla zadanego przepływu powietrza, żądanej
temperatury. Oznaczana jest także w tym czasie wilgotność początkowa materiału. Następnie
umieszcza się komorze suszenia odważoną ilość materiału wilgotnego. Równocześnie
włączony zostaje stoper w celu pomiaru czasu trwania procesu. W czasie suszenia w
odstępach kilkuminutowych odczytywana jest wartość temperatury powietrza i obliczana
prędkość przepływu na podstawie wskazań manometru podłączonego do rurki Pitota oraz
pobierane są próbki materiału wilgotnego do specjalnych naczyniek w celu określenia ich
wilgotności. Wilgotność materiału suszonego wyznaczamy przy pomocy wagosuszarki
Sartorius 30MA.
Zasada działania wagosuszarki polega na pomiarze masy próbki z chwilą umieszczenia
w aparacie, następnie wysuszeniu jej do „stałej masy” i jej pomiarze. Na podstawie tych
pomiarów obliczana jest i wyświetlana procentowa wilgotność próbki.
6. Uwagi o bezpieczeństwie pracy
Podczas wykonywania ćwiczenia obowiązują ogólne zasady bezpieczeństwa pracy z
urządzeniami znajdującymi się pod napięciem. Wyłącznik główny można załączyć po
uzyskaniu zgody osoby prowadzącej zajęcia. Nagrzewnicę można załączyć tylko wtedy, gdy
pracuje wentylator. Próbki materiału z suszarki należy wyjmować w rękawicach.
Po zakończeniu eksperymentu wyłączyć należy nagrzewnicę a po kilku minutach także
wentylator.
7. Opracowanie wyników
Wyniki pomiarów i obliczeń umieszczamy w tablicy (tabl.1).
Tablica 1. Wyniki pomiarów i obliczeń procesu suszenia.
L
p
.
Czas
τ
Wilgotność
materiału
b
Zawartość
wilgoci w
materiale
X
Szybkość
suszenia
D
w
Tempera
tura
powietrza
t
Prędkość
powietrza
u
Krytyczna
X
kr
i
równowagow
a zawartość
wilgoci
X
r
[ s ]
[ % ]
.
.mat
s
kg
wody
kg
⋅ s
mat
s
kg
wody
kg
.
.
[
o
C ]
s
m
.
.mat
s
kg
wody
kg
1
0
2 300
3
. . .
4
…
5
…
6
…
X
kr
=
X
r
=
Obliczenia:
-
zawartość wilgoci X dla każdego wykonanego pomiaru b obliczamy ze wzoru (8),
-
szybkość suszenia w
D
ze wzoru (10) ,
-
stałe szybkości suszenia dla pierwszego i drugiego okresu K
1
i K
2
według wzorów
(11) i (12).
Należy również:
-
sporządzić wykresy
)
(
1
τ
f
X
=
i
)
(
2
X
f
w
D
=
; z wykresów tych odczytujemy wartości
krytycznej (X
kr
) i równowagowej (X
r
)zawartości wilgoci,
-
na podstawie wyników pomiarów sformułować wnioski do przeprowadzonego
eksperymentu.
Literatura:
1.
Dziubiński M., Rzyski E., „Ćwiczenia laboratoryjne z inżynierii procesowej”.
Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 2000.
2.
Strumiłło Cz.: „Podstawy teorii i techniki suszenia”. WNT, Warszawa 1983.
3.
Pabis S.: „Teoria konwekcyjnego suszenia produktów rolniczych”. PWRiL,
Warszawa 1982, str. 95-97, 127-133.