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 mA

m

X =

S

(29.1)

gdzie: mA - ilość cieczy, kg

mS - ilość suchej masy, kg

mA

lub X’ =

m ; (29.2)

gdzie m - ilość wilgotnego materiału.

Często wartości wilgotności X, X’ podaje się w procentach. Zależność między tymi wielkościami jest następująca:

100 ⋅ X` ⋅ 100%

−

X = 100

X`

(29.3)

oraz

1

100X

⋅ 100%

−

X’ = 100

X`

(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.

2

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:

m ⋅ ΔX  kg 



2 

A ⋅ Δt

s ⋅

ϑ =

 m 

(29.5)

gdzie: mS - masa materiału suchego, kg

X - wilgotność bezwzględna materiału, kg/kg

A - powierzchnia, m2

t - czas suszenia, s

3

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: ms

(X − X

kr

1 )

A ⋅ ϑ

t

1

1 =

(29.6)

gdzie: Xkr - zawartość wilgoci w końcu pierwszego okresu,

X1 - zawartość wilgoci na początku procesu suszenia,

ϑ

1 - szybkość suszenia.

Dla okresu malejącej szybkości suszenia, czas suszenia określa zależność: m

X − X

ϑ

S

kr

2

1

⋅

ln

A

ϑ − ϑ

ϑ

t

1

2

2 =

2

(29.7)

ϑ

gdzie: 2 - szybkość suszenia w drugim okresie,

X2 - 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 4

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 mA2 oblicza się z równania m ⋅ X

2

2

1 + X

mA2 =

2

(29.8)

gdzie: m2 - masa materiału w końcu doświadczenia,

X2 - wilgotność materiału na końcu doświadczenia.

5

Masę absolutnie suchego materiału w próbce oblicza się jako różnicę mS = m2 - mA2 (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 mA0 .

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

Czas

Wskazani Ubytek

Temperatura

Nr

pomiaru

e

wilgoc

°C

Zawartoś

pomiaru

wagi

i

ć

wilgoci w

s

kg

kg

próbki

w

materiale

komorze

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

6