SUSZENIE MIAZGI ZIEMNIACZANEJ ZAABSORBOWANEJ NA NOŚNIKU POROWATYM W SUSZARCE FONTANNOWEJ

Transkrypt

1 ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 530: SUSZENIE MIAZGI ZIEMNIACZANEJ ZAABSORBOWANEJ NA NOŚNIKU POROWATYM W SUSZARCE FONTANNOWEJ Stanisław Peroń 1, Anna Pęksa 2, Mariusz Surma 1 1 Instytut InŜynierii Rolniczej, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu 2 Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Wstęp Alternatywną metodą suszenia surowców o konsystencji miazgi (np. wycierki ziemniaczanej) moŝe być suszenie nośnikowe zwanym równieŝ kontaktowosorpcyjnym [MITURA, KAMIEŃSKI 1994; KOZŁOWSKI i in. 2006]. Metoda polega na wymieszaniu w odpowiednich proporcjach miazgi z nośnikiem, zgranulowaniu mieszaniny oraz jej wysuszeniu. PoniewaŜ zarówno otręby pszenne (jako nośnik) jak i wycierka ziemniaczana (jako surowiec) stanowią produkty uboczne - stąd ich skojarzenie wydaje się być odpowiednim sposobem zagospodarowania tych surowców np. na paszę. Celem pracy było zbadanie przebiegu procesu suszenia w złoŝu fontannowym miazgi ziemniaczanej zaabsorbowanej na nośniku porowatym, jakim były otręby pszenne. Badania zmierzały w kierunku: - oceny przebiegu procesu suszenia miazgi ziemniaczanej zaabsorbowanej na nośniku - otrębach pszennych w warunkach złoŝa fontannowego w zaleŝności od temperatury czynnika suszącego, - sformułowanie opisu kinetyki procesu suszenia fontannowego miazgi ziemniaczanej zaabsorbowanej na otrębach. Warunki i metodyka badań Na rysunku 1 przedstawiono schemat laboratoryjnej suszarki fontannowej, na której prowadzono badania. Wentylator promieniowy (1) zasysał powietrze z otoczenia a następnie tłoczył je poprzez nagrzewnicę elektryczną (3) do stoŝkowo-cylindrycznej komory suszenia (5) wypełnionej surowcem (6). Komorę (5) wykonano częściowo ze szkła organicznego. Średnica części cylindrycznej komory wynosiła 0,09 m, jej pojemność ok. 0,00213 m 3 a kąt rozwarcia stoŝka w dolnej części komory 80. Po stronie ssącej wentylatora znajdowała się zasuwa (2) umoŝliwiająca regulację przepływu czynnika suszącego przez złoŝe suszonego materiału.

2 382 S. Peroń, A. Pęksa, M. Surma Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego: 1 - regulator temperatury, 2 - termopara, 3 - nagrzewnica 4 - wentylator, 5 - komora suszenia, 6 - złoŝe materiału, 7 - miernik temperatury i prędkości czynnika suszącego, 8 - wilgotnościomierz Fig. 1. Scheme of measuring stand: 1 - temperature controller, 2 - thermoelement, 3 - heater, 4 - fan, 5 - drying chamber, 6 - spouted bed, 7 - the measure of temperature and speed of factor drying, 8 - hygrometer Utrzymanie zadanej temperatury suszenia (± 0,1 C) w komorze umoŝliwiał regulator temperatury (4). Anemometr skrzydełkowy (8) umieszczony wewnątrz króćca pomiarowego pozwalał na pomiar i odczyt prędkości czynnika suszącego przez komorę suszarki, z dokładnością ± 0,1 m s -1. Do badań wykorzystano ziemniaki odmiany Bryza. Z ziemniaków przygotowano na tarce miazgę, z której odsączano wodę do osiągnięcia wilgotności ok. 70%. Następnie miazgę mieszano z otrębami pszennymi o wilgotności ok. 12% w stosunku wagowym 1 : 1 i granulowano w granulatorze ciśnieniowym uzyskując sypki materiał w formie makaroników o średnicy ok. 5 mm i długości 5 20 mm i wilgotności 37,5 40,6% - zdolny do fontannowania, przy prędkości powietrza na wlocie wynoszącej 5 6 m s -1. Po przygotowaniu odpowiedniej porcji granulatu, pobierano z niej próbę o masie ok. 300 g, którą po zwaŝeniu umieszczano w komorze suszenia formując warstwę surowca o wysokości H o = 0,15 m i suszono. Suszenie prowadzono w temperaturze 50 i 90 C do końcowej wilgotności ok. 10%. Pomiaru ubytków masy próbek dokonywano, co 2 minuty, kaŝdorazowo zdejmując ze stanowiska i waŝąc komorę suszenia z zawartością na wadze technicznej z dokładnością ± 0,1 g. Wilgotność początkową i końcową materiału określano metodą suszarkową w temperaturze 105 C. Szybkość suszenia obliczano w oparciu o mierzone ubytki wody w surowcu. Średni objętościowy strumień odparowania q v obliczano odnosząc ubytki masy próbki surowca do 1 m 3 objętości komory suszenia i do czasu 1 godziny. Czas trwania procesu suszenia mierzono zegarem z sekundnikiem. KaŜdy cykl pomiarów powtarzano trzykrotnie.

3 SUSZENIE MIAZGI ZIEMNIACZANEJ ZAABSORBOWANEJ NA NOŚNIKU Wyniki pomiarów Wpływ dwóch skrajnych temperatur czynnika suszącego (50 i 90 C) na dynamikę wysychania fontannującego złoŝa miazgi ziemniaczanej zaabsorbowanej na pszennych otrębach pokazano na rysunku 2. Na kaŝdy z punktów składa się średnia z 3 pomiarów. Rys. 2. Fig. 2. Spadek zawartości wody u w czasie τ dla róŝnych temperatur czynnika suszącego H o = 0,15 m, v = 6 m s -1 Drop of water fraction u versus time τ at different temperatures of drying medium H o = 0.15 m, v = 6 m s -1 Jak wynika z przebiegu punktów, temperatura czynnika suszącego (zgodnie z oczekiwaniem) wpływała istotnie na dynamikę procesu. W przypadku wyŝszej temperatury czynnika suszącego wynoszącej 90 C - wysuszenie surowca od zawartości wody ok. 0,6 do ok. 0,1 kg H 2 O kg -1 s.m. - trwało 10 minut, a spadek zawartości wody u w czasie τ przebiegał wykładniczo według zaleŝności: u = 0,6415e -0,2035x (1) przy współczynniku determinacji R 2 = 0,99. Dla niŝszej temperatury czynnika suszącego (przy zachowaniu stałości pozostałych parametrów procesu) niezbędny czas do wysuszenia materiału wyniósł ok. 30 minut. ZaleŜność spadku zawartości wody w czasie (pomijając 2 pierwsze minuty procesu) moŝna tutaj równieŝ opisać równaniem wykładniczym w postaci: u = 0,634e -0,0692x (2) przy współczynniku determinacji R 2 = 0,99. PoniewaŜ wilgotność początkowa surowca suszonego w temperaturze 50 C była wyŝsza o ok. 3% od wilgotności materiału suszonego w 90 C - dodatkowo na rysunku 2 pokazano spadek zredukowanej zawartości wody U red w funkcji czasu, co pozwoliło na porównanie przebiegu procesu suszenia obu surowców w zaleŝności od temperatury

4 384 S. Peroń, A. Pęksa, M. Surma czynnika suszącego. Rys. 3. Fig. 3. Zmiany zredukowanej zawartości wody U red w funkcji czasu τ dla róŝnych temperatur czynnika suszącego H o = 0,15 m, v = 6 m s -1 Change of reduced water fraction U red versus time at different temperatures of drying medium H o = 0.15 m, v = 6 m s -1 Rysunek 4 przedstawia przebieg szybkości suszenia du/dτ w funkcji zawartości wody u - dla wspomnianych temperatur czynnika suszącego. Rys. 4. Szybkość suszenia w zaleŝności od zawartości wody dla róŝnych temperatur

5 SUSZENIE MIAZGI ZIEMNIACZANEJ ZAABSORBOWANEJ NA NOŚNIKU czynnika suszącego H o = 0,15 m, v = 6 m s -1 Fig. 4. Drying rate versus water content for different temperatures of drying medium H o = 0.15 m, v = 6 m s -1 Jak wynika z przebiegu punktów dla temperatury czynnika suszącego 90 C maksymalna wartość szybkości suszenia wynosiła 0,081 kg H 2 O kg -1 s.m. min -1, minimalna ok. 0,015 kg H 2 O kg -1 s.m. min -1. Średnią wartość du/dτ dla wspomnianego okresu moŝna przyjąć jako 0,052 kg H 2 O kg -1 s.m. min -1. W przypadku temperatury suszenia 50 C maksymalna wartość szybkości suszenia wynosiła 0,049 kg H 2 O kg -1 s.m. min -1, aby pod koniec procesu zmaleć do 0,006 kg H 2 O kg -1 s.m. min -1 Średnia wartość du/dτ dla temperatury czynnika 50 C moŝna oszacować na ok. 0,02 kg H 2 O kg -1 s.m. min -1. Istotną wielkością świadczącą o przydatności suszarki dla praktyki jest masa wody, jaką moŝna odparować z jednostki objętości komory suszenia w jednostce czasu, czyli tzw. objętościowy strumień wilgoci q v. Na rysunku 5 pokazano zaleŝność średniej wartości q v od temperatury czynnika suszącego. Rys. 5. temperatura; temperature ( C) Wpływ temperatury suszenia na wielkość średniego objętościowego strumienia wilgoci H o = 0,15 m, v = 6 m s -1

6 386 Fig. 5. S. Peroń, A. Pęksa, M. Surma The influence of drying medium temperature on the value of average volumetric stream of moisture H o = 0,15 m, v = 6 m s -1 Jak wynika z histogramu wzrost temperatury czynnika suszącego z 50 do 90 C (przy zachowaniu stałości grubości warstwy surowca oraz stałej prędkości czynnika suszącego) spowodował wzrost wielkości q v od ok. 94 do ok. 144 kg H 2 O m -3 na godz. Dla porównania wielkość q v np. dla suszarek tunelowych do owoców i warzyw (przy temperaturze czynnika na wlocie ok. 66 C i jego prędkości ok. 1,4 m s -1 oszacowana na podstawie literatury [PABIS, KULIK 1991] wahała się w granicach 2,2 3,11 kg H 2 O m -3 godz. -1. RóŜnice co do wielkości strumienia wilgoci między suszarką tunelową a fontannową przytoczoną w niniejszej publikacji mogą budzić wątpliwości. NaleŜy jednak zaznaczyć, Ŝe w przypadku fontannowania złoŝa obserwuje się intensywne odnawianie powierzchni cząstek surowca trących o siebie i ściany komory a takŝe wysokie i wyrównane wartości współczynnika wnikania ciepła od czynnika suszącego do cząstek, co wspomaga proces suszenia. Z drugiej strony wiadomo, Ŝe materiał roślinny złoŝony z Ŝywych komórek (np. krajanki owocowo-warzywne) trudniej traci wodę niŝ, np. miazga ziemniaczana ze zniszczoną na tarce strukturą komórkową, której płyn komórkowy - dodatkowo jeszcze zaabsorbowano na porowatym szkielecie nośnika - jakim były otręby. Szkielet taki charakteryzuje się tym, Ŝe łatwo wiąŝe wodę, ale równieŝ łatwo ją oddaje [WITROWA, RAJCHERT 1999]. Stąd sprzęŝenie tych mechanizmów mogło spowodować wysoką intensywność odparowania wody. Nie bez znaczenia jest równieŝ fakt, Ŝe w przypadku suszarki fontannowej - najczęściej korzystniejszy jest stosunek objętości surowca do objętości komory suszenia niŝ, np. w przypadku suszarki tunelowej lub taśmowej. Wnioski 1. Spadki zawartości wody w surowcu suszonym fontannowo w temperaturze 50 C i 90 C moŝna opisać w całym zakresie procesu suszenia równaniem wykładniczym przy wysokim współczynniku determinacji. 2. Wzrost temperatury czynnika suszącego od 50 C i 90 C skutkował ponad dwukrotnym zwiększeniem średniej szybkości suszenia. 3. Proces suszenia fontannowego charakteryzował się wysoką wartością średniego objętościowego strumienia wilgoci q v wahającą się w zaleŝności od temperatury powietrza od ok. 94 do ok. 147 kg H 2 O m -3 godz. -1. Literatura MITURA E., KAMIEŃSKI W Suszenie serwatki na nośniku porowatym. Mat. VIII Symp. Suszarnictwa, VI, Warszawa: KOZŁOWSKI R., PEROŃ S., ZDROJEWSKI Z., KRAJEWSKI M Wstępne badania suszenia gęstwy droŝdŝowej zaabsorbowanej na nośniku porowatym w suszarce fontannowej. InŜynieria Rolnicza 3(78): PABIS J. KULIK J Kierunki rozwoju suszarnictwa warzyw w Polsce. Mat. VII Symp. Suszarnictwa, Łódź: WITROWA-RAJCHERT D Rehydracja jako wskaźnik zmian zachodzących w tkance

7 SUSZENIE MIAZGI ZIEMNIACZANEJ ZAABSORBOWANEJ NA NOŚNIKU roślinnej w czasie suszenia. Rozpr. habilit., Fundacja Rozwój SGGW Warszawa: Słowa kluczowe: miazga ziemniaczana, nośnik porowaty, suszarka fontannowa Streszczenie Doświadczenie przeprowadzono w laboratoryjnej suszarce fontannowej. Pomiary prowadzono przy stałej prędkości powietrza na wlocie (ok. 6 m s -1 ) i dwóch temperaturach suszenia (50 C i 90 C). Początkowa wysokość złoŝa suszonego materiału wynosiła 0,15 m. PodwyŜszenie temperatury czynnika suszącego od 50 C do 90 C spowodowało w warunkach doświadczenia wzrost średniej szybkości suszenia od ok. 0,02 do ok. 0,052 kg H 2 O kg -1 s.m. min -1 oraz wzrost średniego strumienia odparowania od ok. 94 do ok. 147 kg H 2 O m -3 godz. -1. DRYING OF POTATO PULP ABSORBED ON THE POROUS CARRIER IN A SPOUTED DRYER Stanisław Peroń 1, Anna Pęksa 2, Mariusz Surma 1 1 Institute of Agricultural Engineering, University of Environmental and Life Sciences, Wrocław 2 Department of Food Storage and Technology, University of Environmental and Life Sciences, Wrocław Key words: potato pulp, porous carrier, spouted bed dryer Summary The trials were carried out in a laboratory spouted dryer. Measurements were taken at a constant air flow velocity in the inlet (v = 6 m s -1 ) and two temperatures of drying (50 and 90 C). The initial height of dried material was 0.15 m. Increasing of the temperature of drying medium from 50 C to 90 C, caused the growth of the average drying rate of ca kg H 2 O kg -1 DM min -1, and the growth of average volumetric moisture flux value of ca kg H 2 O m -3 h -1. Prof. dr hab. Stanisław Peroń Instytut InŜynierii Rolniczej Uniwersytet Przyrodniczy ul. Chełmońskiego 37/ WROCŁAW peron@imr.ar.wroc.pl