WPŁYW STRUMIENIA MASY CZYNNIKA SUSZCEGO NA SUSZENIE ROZPYŁOWE KONCENTRATU BRZECZKI SŁODOWEJ

Transkrypt

1 Acta Sci. Pol., Technica Agraria 3(1-2) 2004, WPŁYW STRUMIENIA MASY CZYNNIKA SUSZCEGO NA SUSZENIE ROZPYŁOWE KONCENTRATU BRZECZKI SŁODOWEJ Mariusz Surma, Stanisław Pero Akademia Rolnicza we Wrocławiu Streszczenie: Wykonano dowiadczenie nad suszeniem brzeczki słodowej w przeciwprdowej laboratoryjnej suszarce rozpyłowej AVP ANHYDRO LAB1. Proces prowadzono przy temperaturze czynnika suszcego C, przy zawartoci suchej substancji w surowcu 30%. Kocowa wilgotno suszu wynosiła 2,8 4,0%. rednia rednica objtociowa kropel rozpylanego surowca wynosiła 30,5 µm. Okrelono wpływ strumienia masy powietrza na wielko strumienia wilgoci i suszu z jednostki objtoci komory suszenia oraz sprawno ciepln suszarki. Słowa kluczowe: brzeczka słodowa, suszenie rozpyłowe, strumie masy powietrza WYKAZ OZNACZE -1 g p strumie masy powietrza suszcego, kg m -3 h -1 w strumie masy odparowanej wody, kg m -3 h u 1 pocztkowa zawarto wody w surowcu, kg H 2 O kg -1 s.s. u 2 kocowa zawarto wody w suszu, kg H 2 O kg -1 s.s. d k rednia rednica objtociowa kropel, µm t 1 temperatura powietrza na wlocie do suszarki, C t 2 temperatura powietrza na wylocie z suszarki, C t o temperatura otoczenia, C s wydajno suszarki w suszu, kg h -1 m wydajno suszarki w surowcu, kg.h -1 q c jednostka zuycia ciepła na odparowanie, kj kg -1 H 2 O η c sprawno cieplna suszarki, - ϕ o wilgotno wzgldna otoczenia, % Adres do korespondencji Corresponding Author: Mariusz Surma, Stanisław Pero, Instytut Inynierii Rolniczej Akademii Rolniczej we Wrocławiu, ul. Chełmoskiego 37/41, Wrocław

2 98 M. Surma, S. Pero WSTP I CEL PRACY Koncentrat brzeczki słodowej (zwany równie ekstraktem słodowym) stanowi naturalny zagszczony wycig wodny otrzymywany najczciej ze słodu jczmiennego. W Polsce produkuje si rocznie ok. 250 tys. ton słodu jczmiennego. Celem słodowania jest wzbogacenie ziarna w enzymy, nadanie mu odpowiednich cech aromatycznych oraz zmiana struktury ziarna ułatwiajca przemiany enzymatyczne zachodzce podczas zacierania słodu. Brzeczka słodowa zawiera m.in. witaminy z grupy B, PP, enzymy i mikroelementy oraz szereg innych wartociowych substancji. Składniki zawarte w brzeczce słodowej s łatwo przyswajalne przez organizm ludzki [Bogdaski 1966]. Wykorzystanie ekstraktów słodowych w rónych działach przemysłu spoywczego i nie tylko (piwowarstwo, cukiernictwo, przemysł koncentratów i odywek, przemysł farmaceutyczny, kosmetyczny) pociga za sob potrzeb modyfikacji składu i właciwoci brzeczek w zalenoci od wymaga kontrahenta [Fraj i Ssiadek 1984]. Ekstrakt słodowy w Polsce produkowany jest jedynie w formie gstego syropu o zawartoci suchej substancji 75 80% i jako taki stanowi przedmiot obrotu towarowego. Zawarto wody wynoszca 20 25% jest czynnikiem ograniczajcym trwało ekstraktu, co wymusza stosowanie przez producenta rodków konserwujcych, np. benzoesanu sodu. Konsystencja syropu stanowi utrudnienie w stosowaniu przy rónych procesach technologicznych. Wygodny w stosowaniu, trwały i bez konserwantów jest ekstrakt słodowy w formie proszku, dotychczas importowany z krajów zachodnich. Opracowanie techniki otrzymywania wysuszonego ekstraktu z krajowych surowców powinno si spotka z duym zainteresowaniem ze strony potencjalnych odbiorców. Z dostpnej literatury i praktyki wynika, e istnieje dua luka informacyjna w zakresie kinetyki oraz parametrów suszenia ekstraktów słodowych. Powysza luka dotyczy w szczególnoci suszenia rozpyłowego. Niniejsza praca stanowi wycinek szerszych bada, a jej celem jest ocena wpływu wielkoci strumienia masy czynnika suszcego tłoczonego do komory suszenia na wydajno suszarki, jednostkowe zuycie ciepła i sprawno ciepln instalacji podczas suszenia rozpyłowego roztworu koncentratu brzeczki słodowej. MATERIAŁY I METODY Badania przeprowadzono w laboratorium suszarniczym Instytutu Inynierii Rolniczej Akademii Rolniczej we Wrocławiu. Do bada uyto koncentratu słodu jczmiennego o zawartoci 75% s.s. produkowanego przez Słodowni w Wolsztynie. Zawarto waniejszych składników koncentratu w odniesieniu do masy surowca wynosiła: maltozy 18,2%; glukozy i fruktozy 4,97%; dekstryn 6,28%; protein 2%; tłuszczu 0,3%. Na rysunku 1 przedstawiono schemat suszarki rozpyłowej APV ANHYDRO LAB1 na której prowadzono dowiadczenie. Suszark wyposaono w oryginaln fabryczn pneumatyczn dysz rozpylajc SU4. Po rozcieczeniu koncentratu wod do zawarto- ci wody u = 2,33 kg H 2 O kg -1 s.s. (30% s.s.) tłoczono go pompa perystaltyczn o nap- Acta Sci. Pol.

3 Wpływ strumienia masy czynnika suszcego na suszenie rozpyłowe koncentratu brzeczki dzie bezstopniowym do rozpylacza. Strumie masy surowca podawanego do suszarki regulowano w zakresie 1,051 1,789 kg h -1. Surowiec suszono w przeciwprdzie. Rozpylenie surowca prowadzono przy cinieniu powietrza w dyszy rozpylajcej p = 1 bar Rys. 1. Schemat suszarki rozpyłowej APV ANHYDRO LAB1: 1 pojemnik z brzeczk, 2 pompa, 3 kierownica strug powietrza, 4 nagrzewnica, 5 wentylator, 6 cyklon, 7 odbieralnik, 8 susz, 9 rozpylacz, 10 przewód doprowadzajcy sprone powietrze, 11 komora suszenia Fig. 1. Scheme of spray dryer APV ANHYDRO LAB1: 1 container with malt worth, 2 pump, 3 prewhirl vanes, 4 heater, 5 fun, 6 cyclon, 7 receiver, 8 dry material, 9 sprayer, 10 pressure air pipe, 11 drying chamber Próbk rozpylanego materiału pobierano w odległoci 0,5 m od wylotu dyszy na płytk Petriego powleczon cienk warstwa oleju silikonowego Silform. Obraz kropel wyłapanych przez olej silikonowy przekazywany przez mikroskop BIOLAR B 2308 sprzony z kamer (Color CCD KAMERA VCC-3770P) i komputerem rejestrowano i analizowano. Do odczytu wielkoci rednic kropel (fotografowanych pod mikroskopem) uyto programu Corel Photo Paint. W oparciu o krzywe rozkładu okrelono redni rednic objtociow kropel dla kadej z prób. Podobn technik analizy rozkładu kropel surowca opisano w pracy Orzechowskiego i Prywera [1991], Filkowej i Cedika [1984], Azzoprodiego [1979], Hiroyasu i in. [1980]. Temperatura na wlocie do suszarki wynosiła C, na wylocie C. Temperatur powietrza na wlocie i wylocie z suszarki oraz temperatur suszu osadzajcego si w cyklonie mierzono termoparami CuKo (±1 C). Ilo ciepła dostarczanego do suszarki okrelono na podstawie pomiaru zuycia energii elektrycznej przez nagrzewnic trójfazowym licznikiem energii elektrycznej. Przyjmowano, e 1 kwh jest równowana 3600 kj ciepła. Ciepło zuyte na odparowanie 1 kg wody q c obliczono mnoc mas odparowanej wody przez entalpi właciwa pary wodnej. Sprawno cieplna su- Technica Agraria 3(1-2) 2004

4 100 M. Surma, S. Pero szarki c obliczono, dzielc ciepło zuyte na odparowanie 1 kg wody q c przez ciepło dostarczone przez nagrzewnic. Strumie masy powietrza okrelano na podstawie pomiarów jego prdkoci w rurze wylotowej cyklonu anemometrem skrzydełkowym AA 2113 (±1 m s -1 ). Pomiaru prdkoci powietrza w komorze suszarki dokonano termoanemometrem AM-4202 (±0,1 m s -1 ). Zawarto ekstraktu (suchej masy) w surowcu okrelano refraktometrem RL1. Wilgotno suszu okrelano metod suszarkow. Mas surowca oraz suszu mierzono na wadze elektronicznej WPT 3/6 (±0,5 g). Strumie masy odparowanej wody obliczano na podstawie znajomoci masy pocztkowej surowca oraz wilgotnoci pocztkowej i kocowej suszonego materiału. Wilgotno wzgldn i temperatur otoczenia mierzono psychrometrem Assmanna z dokładnoci ±2% oraz termometrem rtciowym z dokładnoci ±0,2 C. Czas trwania dowiadczenia okrelano zegarem z sekundnikiem. Kady cykl pomiarów powtarzano trzykrotnie. WYNIKI I DYSKUSJA Ruch powietrza determinuje szybko i stopie odparowania wody poprzez oddziaływanie na ruch rozpylonych kropel w strefie suszenia, stopie obcienia komory suszcej mas surowca oraz promie rozpyłu w obszarze którym cyrkuluj czstki surowca. Rysunek 2 przedstawia rozkład prdkoci powietrza suszcego wewntrz komory suszarki dla strumienia jego masy g p (w przeliczeniu na 1 m 3 komory) wynoszcego 103 kg m -3 h -1. Jak wynika z rysunku najwysza prdko wystpiła w osi komory w pobliu rozpylacza 3,4 3,6 m s -1. 1,1-1,3 0,6-0,9 0,7-0,9 1,5-1,9 0,6-0,8 1,1-1,3 2,5-2,8 0,6-1,0 0,4-0,5 3,4-3,6 0,4-0,6 0,5-0, Rys. 2. Rozkład prdkoci powietrza w komorze suszarki rozpyłowej (m/s) Fig. 2. The air velocity distribution in spray drying chamber (m/s) Acta Sci. Pol.

5 Wpływ strumienia masy czynnika suszcego na suszenie rozpyłowe koncentratu brzeczki Objtociowy strumie wilgoci W, kgh2o. m -3 h -1 Volumetric moisture flux W, kg H2O. m -3 h -1 1,6 1,4 1,2 1 0,8 W = 0,0128 g p 0,4797 R 2 = 0, Strumie masy powietrza g p, kg. m -3 h -1 Air flux g p, kg. m -3 h -1 Rys. 3. Wykres zalenoci W = f(g p ) dla m = 1,051 1,789 kg h -1, p = 1 bar, u 1 = 2,33 kgh 2 O kg -1 s.s., u 2 = 0,029 0,042 kg H 2 O kg -1 s.s., d k = 30,5 µm, t 1 = C, t 2 = C, t o = 19,2 C, ϕ o = 41% Fig. 3. Diagram of relationship W = f(g p ) for m = 1,051 1,789 kg. h -1, p = 1 bar, u 1 = 2,33 kg H 2 O kg -1 s.s., u 2 = 0,029 0,042 kg H 2 O kg -1 s.s., d k = 30,5 µm, t 1 = C, t 2 = C, t o = 19,2 C, ϕ o = 41% W pozostałych miejscach komory rozkład prdkoci był przypadkowy i wahał si od 0,4 1,3 m s -1. Wskazania termoanemometru (przedstawione na rysunku 3) sugeruj wystpowanie w komorze drga prdkoci. W komorze zlokalizowano obszary, gdzie w tym samym punkcie rónica prdkoci powietrza sigała nawet 40%. Tak znaczne wartoci stopnia burzliwoci musz wpływa na przebieg procesu suszenia rozpyłowego, oddziałujc zarówno na proces przenoszenia pdu, ciepła i masy midzy fazami, jak i wprowadzajc do procesu element niestacjonarnoci utrudniajcy modelowanie i sterowanie. Zaleno objtociowego strumienia wilgoci W od strumienia masy tłoczonego przez wentylator powietrza g p (przy zachowaniu stałoci u 1, u 2, d k, t 1, p) pokazano na rysunku 3. Zaleno ta przebiega liniowo i mona j przybliy wzorem: Technica Agraria 3(1-2) 2004 W = 0, g p 0,4979 (1) przy współczynniku determinacji R 2 = 0, Jak wynika z wykresu w zakresie strumienia masy powietrza ok kg m -3 h (przypadajcego na 1 m 3 objtoci komory) warto W zawierała si w granicach

6 102 M. Surma, S. Pero 0,835 1,424 kg H 2 O m -3 h -1 co potwierdza w tym przypadku do silny wpływ parametru g p na W. Wskutek wzajemnego sprzenia midzy faz rozproszon (rozpylonymi kroplami) a faz cigł (czynnikiem suszcym) oczywist rzecz jest odpowiednie zasilanie komory suszenia mas surowca. Jak wynika z dowiadczenia zbyt duy wydatek surowca w stosunku do moliwoci suszarki powoduje niedosuszenie tego produktu lub co gorsza oblepianie cian suszarki materiałem, jego przegrzewanie i tworzenie si zlepów. Z kolei zbyt małe podawanie surowca do komory powoduje spadek jej wydajnoci i sprawnoci. Wydajno suszarki, kg. h -1 Drier capacity, kg. h -1 2,0 1,7 1,4 1,1 0,8 0,5 m = 0,0155g p - 0,5565 R 2 = 0,99 s = 0,0048g p - 0,1697 R 2 = 0,99 surowiec (raw material) susz (dry material) 0, Strumie masy powietrza g p, kg. m -3 h -1 Air flux g p, kg. m -3 h -1 Rys. 4. Wykres zalenoci m = f(g p ) i s = f(g p ) dla p = 1 bar, u 1 = 2,33 kg H 2 O kg -1 s.s., u 2 = 0,029 0,042 kg H 2 O kg -1 s.s., d k = 30,5 µm, t 1 = C, t 2 = C, t o = 19,2 C, ϕ o = 41% Fig. 4. Diagram of relationship m = f(g p ) and s = f(g p ) for p = 1 bar, u 1 = 2,33 kg H 2 O kg -1 s.s., u 2 = 0,029 0,042 kg H 2 O kg -1 s.s., d k = 30,5 µm, t 1 = C, t 2 = C, t o = 19,2 C, ϕ o = 41% Na rysunku 4 przedstawiono współzalenoci pomidzy strumieniem masy powietrza g p, a wydajnoci suszarki w surowcu m i suszu s. Jak wynika z wykresów funkcje m = f(g p ) oraz s = f(g p ) przebiegaj liniowo wg zalenoci: przy R 2 = 0,99 przy R 2 = 0,99 m = 0,0155 g p 0,5565 (2) s = 0,0048 g p 0,1697 (3) Zwikszanie strumienia gorcego powietrza g p w granicach kg m -3 h -1 umoliwiło zwikszenie iloci podawanego surowca z ok. 1 do ok. 1,8 kg h -1, co z kolei zwikszyło wydajno suszarki w suszu od ok. 0,33 do ok. 0,57 kg h -1. Acta Sci. Pol.

7 Wpływ strumienia masy czynnika suszcego na suszenie rozpyłowe koncentratu brzeczki Zaleno jednostkowego zuycia ciepła q c oraz sprawnoci cieplnej η c suszarki od wielkoci strumienia masy powietrza g p pokazano na rysunku Jednostkowe zuycie ciepła qc, kj. kg -1 H2O Unitary usage of heat qc, kj. kg -1 H2O q [kj/kg H O] q c =-30,775g p R 2 =0,98 Sprawno cieplna suszarki ηc, - Thermal efficiency of drier ηc, , Strumie masy powietrza g p, kg. m -3 h -1 Air flux g p, kg. m -3 h -1 0,24 0,23 0,22 0,21 0,2 η c = 0,0006g p + 0,135 R 2 = 0,99 Rys. 5. Wykres zalenoci q c = f(g p ) oraz η c = f(g p ) dla m = 1,051 1,789 kg h -1, u 1 = 2,33 kg H 2 O kg -1 s.s., u 2 = 0,029 0,042 kg H 2 O kg -1 s.s., d k = 30,5 µm, t 1 = C, t 2 = C, t o = 19,2 C, ϕ o = 41%, p = 1 bar Fig. 5. Diagram of relationship q c = f(g p ) and η c = f(g p ) for m = 1,051 1,789 kg h -1, u 1 = 2,33 kg H 2 O kg -1 s.s., u 2 = 0,029 0,042 kg H 2 O kg -1 s.s., d k = 30,5 µm, t 1 = C, t 2 = C, t o = 19,2 C, ϕ o = 41%, p = 1 bar Naley nadmieni, e nie uwzgldniono tutaj energii pobieranej przez wentylator suszarki napdzany silnikiem komutatorowym o mocy znamionowej 0,75 kw. Obserwacje wykazały, e zmiana wielkoci strumienia powietrza w granicach kg m -1-3 h (poprzez zmian przesłony na wlocie do wentylatora) spowodowała wzrost pobieranej mocy elektrycznej od ok. 0,20 kw do ok. 0,40 kw. Wielkoci te nie przekraczaj 10% energii pobranej przez nagrzewnic, przy tych wydatkach powietrza. rednio biorc mona przyj, e przy uwzgldnieniu zuycia energii przez wentylator ogólna sprawno suszarki w zalenoci od wydatku powietrza bdzie si kształtowa w granicach 0,18 0,20, a jej przebieg bdzie podobny jak na rysunku 5. Jak wynika z przedstawionych danych zwikszanie strumienia czynnika suszcego g p w zakresie kg m -3 h -1 stosunkowo niewiele zmniejszyło jednostkowe zuycie ciepła q c (od do kj kg -1 H 2 O), zwikszajc o ok. 11% sprawno termiczn suszarki. Równania opisujce przebieg zalenoci q c = f(g p ) oraz η c = f(g p ) zamieszczono poniej: przy R 2 = 0,98 przy R 2 = 0,99 q c = -30,755 g p (4) η c = 0,0006 g p + 0,135 (5) Technica Agraria 3(1-2) 2004

8 104 M. Surma, S. Pero WNIOSKI 1. W komorze suszarki zlokalizowano obszary, gdzie w tym samym miejscu rónica prdkoci sigała 40% co oznacza wystpowanie w komorze drga prdkoci czynnika suszcego. Prdko powietrza przy stałym wydatku wentylatora była wysza w miejscach połoonych wzdłu osi komory suszenia w porównaniu z innymi miejscami w komorze. Zwikszenie strumienia masy czynnika suszcego podawanego do komory suszarki o ok. 50% (przy zachowaniu stałoci jego temperatury oraz stopnia rozpylenia i wilgotnoci pocztkowej surowca) spowodowało wzrost wydajnoci suszarki w odparowanej wodzie i suszu o ok. 70% a take wzrost jej sprawnoci cieplnej o ok. 11%. PIMIENNICTWO Azzoprodi B. J., Measurement of drop sizes. Internat. J. Heat Mass Transfer 22, Bogdaski K., Zarys technologii koncentratów ywnociowych, witaminowych i odywek. PWN, Warszawa Filkova I, Cedik P., Nozzle Atomization in Spray Drying. Advances in Drying, Mujumdar A. S. (ed.). 3, Hemisphere, Washington, Fraj A, Ssiadek R., Produkcja i zastosowanie ekstraktu słodowego. Przegl. Piek. Cukier. 2, Hiroyasu H., Kadota T., Arai M., Supplementary comments: Fuel spray characterization in diesel engines. Proceedings of the Symposium on Combustion Modeling in Reciprocating Engines. New York London, Plenum Press. Orzechowski Z., Prywer J., Rozpylanie cieczy, WNT, Warszawa. THE INFLUENCE OF THE MASS STREAM OF DRYING MEDIUM ON THE SPRAY DRYING PROCESS OF MALT WORT CONCENTRATE Abstract. Experiments on drying of malt wort have been carried out in countercurrent laboratory spray drier APV ANHYDRO LAB1. The proces was conducted at the temperature of drying medium o C, at concentration of raw material 30% dry substance. The final moisture content of dry product was %. The mean volumetric diameter of atomized of malt wort was 30.5 µm. The influence of stream of air on the value of moisture flux, dry product flux from unit volume of drying chamber, and thermal efficiency have been determined. Key words: malt wort, spray drying, air flux Zaakceptowano do druku Accepted for print: Acta Sci. Pol.