1 Wst... 2 2 Własnoci ateriału ilgotnego... 3 2.1 Podział ateriałó suszonych... 3 2.2 Własnoci strukturalne ateriałó suszonych... 3 2.3 Wilgotno ateriału... 4 2.4 Mechaniz izania ilgoci ateriale... 4 2.5 Rónoaga suszarnicza... 5 3 Terodynaika oietrza ilgotnego... 8 3.1 Podstaoe araetry oietrza ilgotnego... 8 4 Kinetyka rocesu suszenia... 11 4.1 Krzye suszenia... 11 4.2 Krzye szybkoci suszenia... 12 4.3 Krzye teeraturoe... 15 5 Ogólne zasady obliczania suszarek... 17 5.1 Bilans ateriałoy i cielny całej suszarki... 18 5.1.1 Bilans ateriałoy ilgoci... 18 5.1.2 Bilans cielny... 18 6 Ogólny odział aarató suszarniczych. Paraetry racy suszarek.... 21 6.1 Zasady odziału suszarek... 21 7 Sybole... 22
1 Wst Suszenie usuanie ilgoci rzez odaroanie yniku doroadzenia energii cielnej, jest jedny z najbardziej rozoszechnionych rocesó jednostkoych ielu gałziach rzeysłu (rzeysł cheiczny, soyczy, aierniczy, saochodoy, tekstylny itd.). Jednoczenie suszenie jest jedny z najniej oznanych rocesó jednostkoych, ze zgldu na trudno oisu ateatycznego jednoczesnego ruchu cieła, asy i du ciałach stałych, które rónych technologiach suszarniczych aj czsto diaetralnie róne łasnoci n. suszenie drena i suszenie rzeaku. W ostatnich latach daje si zaobseroa tendencja zrostoa, jeeli chodzi o zainteresoanie suszarnicte zaróno rzeysłu jak i badaczy. Jest to soodoane ieloa czynnikai: 1) zrastajcyi yaganiai dotyczcyi jakoci roduktu - suszenie czsto jako eta kocoy cigu technologicznego a decydujcy ły na jako roduktu, 2) ysokii yaganiai zizanyi z recyzyjn kontrol rocesu, 3) rosnc otrzeb otyalizacji rocesó od kte zuycia energii suszenie jest rocese ysoce energochłonny. Szacuje si, e yniku rocesu suszenia usua si rocznie około 27 ln ton ody 1 (na odaroanie jednej tony ody zuya si od 3 do 8 ton alia uonego). Energia zuyta toku rocesó suszarniczych stanoi kilkanacie rocent iatoego zuycia energii. 4) zaostrzenie nor ochrony rodoiska i nor bezieczesta. 1 Struiłło Cz., Referat otierajcy X Syozju Suszarnicta, Łód 2003.
2 Własnoci ateriału ilgotnego Jak soniano e stie rocesach suszarniczych ay do czynienia z rónorodnyi ateriałai, których łasnoci aj decydujcy ły na ybór etody suszenia i jej raidłoe odeloanie. 2.1 Podział ateriałó suszonych Materiały suszone ona odzieli na nastujce gruy 2 : 1) ciała niehigroskoijne kailarno-oroate takie jak iasek, ielone inerały, niektóre kryształy, czstki ykonane z olieró i niektóre ateriały ceraiczne. Ilo ilgoci izana orach ateriału jest inialna (oijalnie ała). Materiały tego tyu nie kurcz si trakcie rocesu suszenia. 2) ciała higroskoijno-oroate takie jak glina, sita olekularne, dreno. Ciała te i duo ilgoci zaróno na sojej oierzchni jak i entrz oró, ocztkoy okresie suszenia kurcz si. Moey je odzieli na higroskoijne kailarno-oroate osiadajce ikro- i akroory n. dreno oraz cile (strictly) higroskoijne osiadajce jedynie ikroory n. zeolity. 3) ciała koloidalne takie jak ydło, kleje, niektóre oliery n. nylon i liczne rodukty soycze. Ciała tego tyu nie osiadaj oró. Cała ilgo groadzona jest na oierzchni ciała stałego. 2.2 Własnoci strukturalne ateriałó suszonych Jak ida z orzedniego odrozdziału cech charakterystyczn ateriałó suszonych ikszoci rzyadkó jest ich oroato, czyli obecno entrz ustych rzestrzeni zanych kailarai lub orai o róny kształcie i yiarach. Aby scharakteryzoa ateriał oroaty roadzona szereg araetró, z których najaniejsze to 3 : - oroato v = (2.2.1) V - krto L = (2.2.2) l d - rzealno (araetr charakteryzujcy odchylenie kanału dyfuzji od odeloego kanału cylindrycznego). Poniea raktyce sotykay si z ielk liczb rónych ateriałó oroatych o czsto bardzo skolikoanej strukturze, celoy stało si roadzenie odeli tego tyu ciał stałych. Najrostszy odele ciała oroatego jest k rostych kailar lub układ ołczonych ze sob kailar cylindrycznych. 2 Mujundar A. S., Menon A. S., Drying of Solids: Princiles, Classification, and Selection of Dryers, Handbook of Industrial Drying, Second Edition, vol. 1,edited by A. S. Mujundar, Marcel Dekker Inc., 1995. 3 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983.
Ciało oroate ona take odeloa jako koozycj odoiednio ułoonych ałych, jednakoych kulek. 2.3 Wilgotno ateriału Podstaoy araetre oisujcy ilgotny ateriał jest jego ilgotno zdefinioana jako: X = (2.3.1) S lub ' X = (2.3.2) Wielkoci te oizane s ze sob nastujcyi zalenociai: ' X X = (2.3.3) ' 1 X X X ' = 1 + (2.3.4) X W raktyce suszarniczej yrónia si ene charakterystyczne rodzaje ilgotnoci. Wilgotnoci rónoago nazyay zaarto ilgoci bdca stanie rónoagi z ar zaart czynniku suszcy (oietrzu). W danych arunkach rocesu (rzy danej teeraturze i ilgotnoci czynnika suszcego) ona ysuszy ateriał jedynie do ilgotnoci rónoagoej. Wilgotno krytyczna jest to z kolei ilgotno graniczna oidzy ierszy a drugi okrese suszenia (atrz rozdział o kinetyce suszenia). 2.4 Mechaniz izania ilgoci ateriale Wilgo ateriale suszony oe znajdoa si rónych iejscach. Std yróniay ilgo oierzchnio, kailarn i koórko 4. Wilgo oierzchnio stanoi arsteka cieczy znajdujca si na oierzchni ciała stałego, bdca kontakcie z czynnikie suszcy, rzy czy, rno ary nad jej oierzchnia jest róna rnoci ary nasyconej danej teeraturze. Wilgo kailarn torzy ciecz zgroadzona e ntrzu ciała suszonego, rzy czy jej zachoanie zaley od rednicy oró. Ruch ilgoci do oierzchni ciała stałego oodoany jest siłai kailarnyi tz. ikroorach o rednicy niejszej od 10-7. Cinienie ary nad zierciadłe cieczy ikroorach jest znacznie niejsze ni rno ary nasyconej i aleje rocesie suszenia. Przy dostateczne duych orach tz. akroorach ilgo kailarna zachouje si odobnie jak ilgo oierzchnioa (siły kailarne trac znaczenie) (atrz rozdział 6.2.2). 4 Kneule F., Suszenie, Arkady, Warszaa, 1970.
Wilgo koórkoa ooduje cznienie ateriału i torzy z ni układ koloidalny, chodzc skład jego struktury rzeciiestie do ilgoci oierzchnioej i kailarnej, które zasze okryaj oierzchni ateriału (zentrzn lub entrzn). Wilgo ateriale suszony oe by izana na róne sosoby 5 : 1) izanie cheiczne ilo ilgoci okrelona jest stosunkai stechioetrycznyi. Wilgo zizana ten sosób nie oe by uolniona zykły rocesie suszenia. 2) izanie fizyko-cheiczne ilgo izana jest siłai adsorcyjnyi i osotycznyi, które ystuj ciałach koloidalnych. 3) izanie fizyko-echaniczne ilgo jest izana nieokrelonych stosunkach siłai kailarnyi i zilania. 2.5 Rónoaga suszarnicza Woda zaarta na oierzchni ateriału ilgotnego aruje i nad jej zierciadłe rno ary odnej róna jest rnoci nasycenia. Wilgo oe ic dyfundoa do czynnika suszcego, gdy rno ary ni zaartej jest niejsza od rónoagoej (desorcja ilgoci). Proces ten tra, a do osignicia stanu rónoagi (cinienie ary odnej nad oierzchni ciała suszonego róne jest cinieniu ary odnej czynniku suszcy). W rzyadku, gdy rno ary odnej czynniku suszcy jest iksza od rnoci rónoagoej, nastuje nasycanie ciała stałego (sorcja ilgoci). Kontaktujc dany ateriał stałej teeraturze z oietrze o rónej ilgotnoci, a do osignicia rzez niego ilgotnoci rónoagoej, ona otrzya tz. izoter (rys 2.5.1). W zalenoci od sosobu ziany ilgotnoci oietrza ay izotery sorcji (zikszay ilgotno oietrza) lub desorcji (zniejszay ilgotno oietrza). Rys.2.5.1. Krzye sorcji dla rónych ateriałó teeraturze 25 0 C 6. 5 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983. 6 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983.
Krzy sorcji dla ielu ateriałó dzieliy na da obszary 7,8 (rys 2.5.2). Dla ϕ <0.4-0.6 ay do czynienia ze zjaiskie czystej adsorcji jedno lub ieloarstoej, któr oey oisa rónaniai Languira, izoter BET lub Freundlicha (tabela 2.5.1). Tabela 2.5.1. Rónania oisujce izoter sorcji. Naza Izotera Languira teoria arsty onoolekularnej X r Wyraenie = X Cϕ 1+ Cϕ Izotera BET teoria arsty ultiolekularnej Izotera Freundlicha X r = X Cϕ ( 1-ϕ )( 1+ Cϕ ϕ ) X r n = Aϕ Dla ϕ > 0.6 dochodzi do tz. kondensacji kailarnej. Zaiast jednej lub kilku arst zaadsorboanych czstek ary odnej na oierzchni nailanego ciała stałego ojaia si arsteka cieczy, której grubo zrasta raz ze zroste cinienia ary odnej oietrzu. Nastnie torzy si zierciadło cieczy o enisku klsły, dla którego cinienie nasycenia aleje, co srzyja dalszej kondensacji. Ciecz yełnia ory o coraz ikszej rednicy, co zniejsza krzyizn enisku i ziksza cinienie nasycenia. Proces kondensacji stonioo ustaje, a do stanu rónoagi, który cinienie ary nad eniskie (cinienie nasycenia) jest róne cinieniu ary otaczajcy oietrzu (ois zjaisk kailarnych został skrótoo oisany rozdziale 6.2.2). Krzye sorcji i desorcji nie okryaj si ze sob. Krzya desorcji skazuje zasze ysz arto ilgotnoci rónoagoej ateriału dla danej ilgotnoci oietrza ni krzya sorcji (rys. 2.5.2). Zjaisko to nazyay histerez suszarnicz. Istnieje iele teorii usiłujcych ytłuaczy zjaisko histerezy suszarniczej. Jedn z nich jest teoria zilania oierzchni kailar Zsigondy ego 9. W rocesie desorcji cianki czcioo yełnionych kailar s ilgotne yniku czego enisk lustra cieczy a niejszy roie krzyizny ni rzyadku, gdyby cianki były całkoicie suche, tak jak dzieje si to czasie sorcji. Poniea cinienie nasycenia nad eniskie jest roorcjonalne do roienia krzyizny enisku (roienia kailary) (atrz rozdział 2.6), zate jest ono niejsze dla rocesu desorcji. Dla danej ilgotnoci ateriału ilgotno rónoagoa oietrza jest zizku z ty niejsza czasie desorcji (rys. 2.5.2). 7 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983. 8 Kneule F., Suszenie, Arkady, Warszaa, 1970 9 Kneule F., Suszenie, Arkady, Warszaa, 1970
10 Kneule F., Suszenie, Arkady, Warszaa, 1970 Rys. 2.5.2. Krzye rónoagi suszarniczej 10 1- izotera sorcji 2 izotera desorcji
3 Terodynaika oietrza ilgotnego Przez ojcie gaz ilgotny rozunie si ieszanin suchego gazu i ary. Najczciej stosoanyi raktyce gazai s: oietrze i saliny, które zaieraj ar odn, a trakcie rocesó suszarniczych ulegaj dalszeu naileniu. Wszystkie rozaania niniejszy rozdziale ograniczyy do oietrza ilgotnego (ieszaniny oietrza suchego i ary odnej), które stanoi czynnik suszcy. Aby óc oranie obliczy suszark konieczna jest znajoo nie tylko łasnoci ateriału suszonego, ale take araetró czynnika suszcego. 3.1 Podstaoe araetry oietrza ilgotnego Zaarto ary odnej danej objtoci suchego oietrza nie oe rzekroczy enej aksyalnej artoci, która jest zalena od teeratury i cinienia. Warto ta ronie raz ze zroste teeratury i sadkie cinienia. Jeeli danych arunkach cinienia i teeratury oietrze zaiera aksyaln ilo ary odnej to óiy, e jest ono nasycone. W ozostałych rzyadkach ay do czynienia z oietrze nienasycony. Podstaoy araetre oietrza ilgotnego uyany rzy obliczeniach suszarniczych jest ilgotno bezzgldna asoa zana czsto skrócie ilgotnoci bezzgldn, któr definiujey nastujco: Y = (kg ary odnej/kg oietrza suchego) (3.1.1) Stosuj rónanie gazu doskonałego, osobno dla suchego oietrza i ary odnej otrzyujey: V = RT (3.1.2) M V = RT (3.1.3) M Przekształcajc oysze rónania ze zgldu na i i odstaiajc do rónania (3.1.1) uzyskujey: Y = = 0.62 (3.1.4) M M P Znacznie rzadziej stosoany araetre jest si ilgotno bezzgldna objtocioa: YV = (kg ary odnej/ 3 oietrza ilgotnego) (3.1.5) V Jeeli e zorze (3.1.1) zaiast asy zastosujey liczb oli to otrzyay definicj ilgotnoci bezzgldnej oloej: Y n M Y = = Y (3.1.6) n M 0.62 =
Wilgotno zgldn oietrza danej teeraturze yraay nastujcy zore: Y = = Y ϕ V (3.1.7) V ax ax Stosujc rao gazó doskonałych rzy załoeniu, e danej teeraturze n <P, oey oyszy zór rzekształci do ostaci: = ϕ (3.1.8) n Wilgotno zgldn oietrza bardzo czsto yraa si rocentach: ' ϕ = 100 (3.1.9) n Przekształcajc rónanie (3.1.8) ze zgldu na i odstaiajc do rónania (3.1.4) otrzyujey zizek idzy ilgotnoci zgldn i bezzgldn oietrza: Y ϕ P ϕ n = 0.62 (3.1.10) n Innyi anyi araetrai charakteryzujcyi ilgotne oietrze s: teeratura teroetru suchego, teeratura teroetru okrego i teeratura unktu rosy. Teeratura teroetru suchego jest to teeratura ieszaniny oietrza i ary odnej yznaczona rzez zanurzenie niej teroetru, którego czujnik nie był zilony. Teeratura unktu rosy to teeratura, rzy której oietrze osignie stan nasycenia odczas chłodzeniu od stały cinienie. Teeratur teroetru okrego definiujey jako teeratur, któr osignie ała ilo ody odaroujca do duej objtoci ilgotnego oietrza. Jeeli kulk teroetryczn teroetru oiniey gaz zanurzon odzie i uieciy struieniu szybko oruszajcego si nienasyconego oietrza, to óczas teroetr o eny czasie skae nisz teeratur ni teroetr suchy. Jeeli teeratura ody bdzie ocztkoo ysza ni teeratura rosy dla rzełyajcego oietrza to dojdzie do odaroyania i dyfuzji ary odnej. Cieło otrzebne do aroania bdzie ocztkoo obierane z ody doroadzajc do obnienia jej teeratury. Obnienie teeratury ody oniej teeratury rzełyajcego gazu (teeratury teroetru suchego) bdzie oodoało ruch cieła z oietrza do ody. Teeratura ody ustali si na taki stały ozioie, aby ilo cieła rzekazyanego z gazu do ody była róna iloci cieła otrzebnej na odaroanie. Ta teeratura bdzie łanie teeratur teroetru okrego. Struie cieła otrzebny do odaroania ilgoci oey yrazi zorai: Q = r (3.1.11) Q = α A(t t ) (3.1.12) Natoiast struie odaroanej ody zalenoci: A(Ys Y) = β (3.1.13)
Podstaiajc rónanie (3.1.13) do rónania (3.1.11), a nastnie tak otrzyan zaleno orónujc ze zore(3.1.12) otrzyujey: Ys Y 1 = t t r Badania doiadczalne ykazały, e: (3.1.14) =C (3.1.15) Po odstaieniu zalenoci (3.1.15) do (3.1.14) otrzyujey rónanie zane rónanie teeratury teroetru okrego: Y C s Y = t t r (3.1.16) Obliczenia cielne rzeian oietrza okrego yagaj znajooci jego entalii. Entalia oietrza ilgotnego okrelana jest najczciej jako sua entalii oietrza suchego i entalii zaartej ni ary odnej: i = i + Yi (3.1.17) Entali oietrza suchego yraay zore (stan odniesienia gaz teeraturze 0 0 C): i =C t (3.1.18) a entali ary odnej zalenoci (stan odniesienia ciecz teeraturze 0 0 C): i =C t+r 0 (3.1.19) Po odstaieniu róna (3.1.18-19) do zoru (3.1.17) otrzyujey: i =C t +(C t+r 0 )Y=t(C +YC )+r 0 Y (3.1.20)
4 Kinetyka rocesu suszenia Pod ojcie kinetyki suszenia rozuie si ziany redniej zaartoci ilgoci i redniej teeratury ateriału suszonego czasie. Dane te ozalaj okreli ilo odaroanej ilgoci oraz zuycie energii cielnej. Na skutek ruchu cieła i asy oidzy ateriałe suszony a czynnikie suszcy (zaróno entrz jak i na oierzchni ciała) dochodzi do zian ilgotnoci i teeratury ateriału suszonego. Ruch cieła i asy entrz ateriału zaley znacznej ierze od charakteru izania ilgoci, zizku z ty kinetyka tego rocesu uarunkoana jest głónie łasnociai fizykocheicznyi ateriału suszonego. Ziany redniej ilgotnoci i teeratury ciała suszonego zale jednak rzede szystki od ruchu cieła i asy oidzy oierzchni ciała a otaczajcy orodkie. Najczciej kinetyk suszenia ledzi si yznaczajc jedn z trzech krzyych: 1. ilgotnoci ateriału funkcji czasu suszenia (krzya suszenia), 2. szybkoci suszenia funkcji ilgotnoci ateriału (krzya szybkoci suszenia), 3. teeratury ateriału funkcji ilgotnoci ateriału (krzya teeraturoa), rzy czy szybko suszenia definiuje si jako: sdx = (4.1) Adτ 4.1 Krzye suszenia Tyo krzy suszenia rzedstaiono na rys. 4.1.1. Rys. 4.1.1 Krzya suszenia dla arunkó ustalonych 11. W ocztkoy stadiu rocesu dochodzi do ogrzeania ateriału (krzya AB). Po ułyie enego czasu otrzyujey zaleno rostolinio (odcinek BC). W ty okresie szybko suszenia, która róna jest 11 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983.
tangensoi kta nachylenia rostej BC osiada arto stał (ierszy okres suszenia). Linioy sadek ilgoci czasie zachodzi do tz. ierszego unktu krytycznego C. Po rzekroczeniu unktu C rosta rzechodzi krzy zbliajc si asytotycznie do rónoagoej zaartoci ilgoci X r (drugi okres suszenia). W zizku z rzedstaiony oyej charaktere zian zaartoci ilgoci czasie, ierszy okres suszenia nazyay okrese stałej rdkoci suszenia, a drugi okres suszenia nazyany okrese stale zniejszajcej si rdkoci suszenia. 4.2 Krzye szybkoci suszenia Na rys. 4.2.1 okazano klasyczn krzy szybkoci suszenia. Rys. 4.2.1. Krzya szybkoci suszenia 12. Podobnie jak na krzyej suszenia ona na niej yróni da obszary: obszar stałej szybkoci suszenia i okres alejcej szybkoci suszenia. Taki rzebieg rocesu ona yjani nastujco. Poierzchnia ateriału ilgotnego rzed rozoczcie rocesu okryta jest całkoicie arstek cieczy, któr naley traktoa jako ilgo niezizan. W czasie kontaktu ateriału z oietrze o ałej zaartoci ilgoci nastuje roces odaroania ilgoci, którego szybko ona rzedstai rónanie: A(Ys Y) = β (4.2.1) Wsółczynnik nikania asy β od oierzchni suszonej do gazu rzy stałej rdkoci i kierunku rzełyu gazu ozostaje stały. Odaroanie cieczy yaga dostarczania cieła rónego ciełu aroania, tak ic oierzchnia cieczy na ateriale ilgotny osignie teeratur rónoago, której ilo cieła rzekazyanego jej rzez gaz bdzie róna ciełu rzeiany fazoej (ciełu aroania). Zate ilgotno 12 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983.
oietrza tu nad arstek cieczy na oierzchni ateriału Y s nie bdzie si zieniała (odoiada ona ilgotnoci nasycenia teeraturze arsteki cieczy na oierzchni ateriału). Ponadto yniku zachoania stałych arunkó rocesu ilgotno gazu Y utrzyyana jest na stały ozioie. W zizku z ty na odstaie zoru 4.2.1 szybko suszenia nie zienia sej artoci (ierszy okres). W ocztkoy okresie suszenia teeratura oierzchni ciała suszonego i arsteki cieczy na jego oierzchni jest niejsza od teeratury rónoagoej, zizku z ty rdko suszenia ronie, a do osignicia artoci dla ierszego okresu suszenia (rys. 4.2.1 odcinek AB). W rzadziej sotykany rzyadku ocztkoa teeratura ateriału suszonego jest ysza od teeratury rónoagoej (rys. 4.2.1 odcinek A B). Pocztkoy okres suszenia jest zazyczaj tak krótki, e oija si go rzy obliczeniach suszarniczych. Jeeli ilgotno ateriału sadnie oniej enej artoci nazyanej krytyczn ilo ilgoci dostarczanej do oierzchni ciała stałego aleje, co ooduje zniejszenie artoci Y s, a co za ty idzie szybkoci suszenia (drugi okres suszenia). W okresie ty o szybkoci suszenia decyduje szybko ruchu ilgoci entrz ateriału. Przedstaiony rzebieg rocesu suszenia a charakter ogldoy i nie sradza si e szystkich rzyadkach. Zaley on rzede szystki od struktury entrznej ateriału. Kneule 13 odzielił ateriały ze zgldu na ich struktur a co za ty idzie kształt krzyej suszenia na die gruy: ateriały higroskoijne i niehigroskoijne (rys. 4.2.2). Bezorednio o ierszy okresie suszenia (rys. 4.2.2 odcinek AB) nastuje g niego okres tz. suszenia nienasyconego (rys. 4.2.2 odcinek CD), który sadek rdkoci suszenia jest ozorny, oniea aleje ona skutek ojaienia si na oierzchni ciała iejsc suchych (zniejszenie oierzchni czynnej) a nie sadku rdkoci odaroania. W ateriałach niehigroskoijnych ilgo torzy oierzchni aroania, która cofa si głb ateriału iar ostu suszenia. Materiał taki oey ysuszy do X=0 (rys. 4.2.2 odcinek DE ). Materiały higroskoijne nie aj yranej oierzchni aroania, ystuj nich obszary o rónej ilgotnoci, og by one ysuszone jedynie do ilgotnoci rónoagoej X r, o osigniciu której rdko suszenia sada do zera. Wiele ateriałó ykazuje higroskoijno jedynie zakresie niskich ilgotnoci (odcinek ED rys. 4.2.2), 13 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983.
Rys. 4.2.2 Krzya szybkoci suszenia g Kneula 14. Keey 15 rzedstaił krzy szybkoci suszenia dla ciał, których ilgo rozuszczona jest ich całej objtoci (ciała koloidalne) (rys. 4.2.3). Wilgo rzeieszcza si do oierzchni takiego ciała yniku dyfuzji. W rzeciiestie do ciał kailarno oroatych oietrze nie dostaje si do ntrza ciała. Krzya szybkoci suszenia nie osiada odcinka stałej rdkoci suszenia, ona na niej yróni jedynie unkt seudokrytyczny C. Rys. 4.2.3 Krzya szybkoci suszenia g Keeya 16 dla ciał koloidalnych. Łyko 17 z kolei yrónia sze tyó krzyych suszenia, które rzedstaiono na rysunku 4.2.4 i oisano tabeli 4.2.1. Rys. 4.2.4 Krzye szybkoci suszenia g Łykoa (ois tabeli 4.2.1) 18. 14 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983. 15 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983. 16 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983. 17 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983. 18 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983.
Tabela 4.2.1. Ois krzyych szybkoci suszenia z rysunku 4.5. Materiał suszony Krzya na rys. 4.2.4 Ciała kailarno oroate o duej oierzchni łaciej odaroania: aier, cienki karton tkaniny, cienka skóra Ciała kailarno oroate o ałej oierzchni łaciej odaroania: yroby ceraiczne iasek, glina 1 2 3 i 4 4 Ciała koloidalne n. krochal 2 Układy złoone kailarno oroato koloidalne n. chleb, torf 4, 5, 6 4.3 Krzye teeraturoe Krzye szybkoci suszenia daj zasadzie jakocioy ogld na rzebieg rocesu. Wg Łykoa do analizy drugiego okresu suszenia nadaj si leiej krzye teeraturoe. Na rysunku 4.3.1 rzedstaiono krzye teeraturoe dla ntrza i oierzchni ateriału, który kurczy si trakcie rocesu suszenia. Po ocztkoy zniejszeniu ilgotnoci ateriału teeratura jego oierzchni szybko zrasta, a do osignicia teeratury teroetru okrego. Po rzekroczeniu ilgotnoci krytycznej teeratura znou ronie do osignicia teeratury otoczenia, co odoiada ilgotnoci rónoagoej ateriału. Teeratura entrz ateriału ronie nieco olniej ni na oierzchni i osiga teeratur teroetru okrego óniej. W ierszy okresie suszenia obie krzye teeraturoe okryaj si. Po rzekroczeniu ilgotnoci krytycznej teeratura entrz ciała ronie olniej ni na jego oierzchni. Po osigniciu ilgotnoci rónoagoej teeratury yrónuj si (całe ciało a t sa teeratur). Krzye teeraturoe aj due znaczenie dlatego, e jako ysuszonego ateriału zaley duej ierze od teeratury i czasu suszenia. Jak ida teeratura ateriału suszonego ierszy okresie suszenia jest inna ni teeratura czynnika suszcego, zizku z ty oey stosoa oietrze o ysokiej teeraturze i nieielkiej ilgotnoci n. dla teeratury oietrza 200 0 C i ilgotnoci bezzgldnej 0.008 teeratura teroetru okrego a ic i ateriału ynosi 47 0 C. Ciała krystaliczne lub zgranuloane ochodzenia nieorganicznego, które groadz ilgo szczelinach i duych orach osiadaj bardzo długi ierszy okres suszenia a ilgotno krytyczna a bardzo ał arto. Nie zieniaj onadto soich łacioci trakcie suszenia. Ciała takie oey suszy bardzo intensynie, rzy uyciu bardzo gorcego oietrza. Drug gru torz ciała ochodzenia organicznego, których ilgo albo jest integraln czci ich struktury, albo uiziona bardzo ałych orach. Materiały te aj bardzo krótki ierszy okres suszenia koczcy si rzy ysokich artociach ilgotnoci krytycznej. Drugi okres suszenia jest take krótki. Ciała te og zienia soje łacioci toku suszenia. Moe dochodzi to kania i kurczenia si ich oierzchni.
Rys. 4.3.1. Krzye teeraturoe (1 - teeratura oierzchni ateriału, 2 - teeratura rodku ateriału) 19. 19 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983.
5 Ogólne zasady obliczania suszarek 20 Projektoanie suszarki olega na znalezieniu nastujcych ielkoci: yiaró suszarki, nieznanych araetró lotoych i ylotoych oietrza i ateriału, zuycia czynnika suszcego i zuycia cieła. Na odstaie tych ielkoci dobra naley urzdzenia oocnicze, jak nagrzenice, entylatory, cyklony it. oraz araetry ich racy, a take okreli doboe lub rzyadajce na l kg roduktu koszty zuycia energii it. Najczciej rojektujc suszark ay do dysozycji nastujce inforacje: a) ty suszarki, b) ydajno rzeliczeniu na suchy ateriał, c) ilgotno ateriału na locie i ylocie z suszarki, d) teeratur ateriału na locie i ylocie z suszarki, e) ilgotno oietrza lotoego. Wyznaczenie nieznanych araetró jest cele rojektoania i stanoi złoone zagadnienie otyalizacyjne. Cele rojektoania jest boie dobranie nie jakiejkoliek suszarki, ale takiej, która jest otyalna dany zakresie ziennoci araetró rojektoych. W raktyce najczciej oija si roble otyalizacji rzez rzyjcie a riori artoci trzech araetró: rdkoci gazu, jego teeratury i natenia rzełyu struienia oietrza. Wartoci te dobiera si na odstaie raktyki lub doiadcze stnych, których oszukuje si otyalnych arunkó roadzenia rocesu. Zaiast natenia rzełyu oietrza uya si czsto do oblicze tz. łacie zuycie oietrza, lub tz. jednostkoe zuycie oietrza, co ozala uniezaleni obliczenia od ydajnoci aaratu. Proble obliczania suszarki sroadza si óczas do nastujcych unktó: a) yznaczenia oarciu o bilanse iloci yienionego cieła lub asy teeratury gazu ylotoego i jego ilgotnoci, b) yznaczenia redniej siły nadoej rocesu oarciu o teeratur gazu ylotoego lub jego ilgotnoci, c) yznaczenia sółczynnikó nikania cieła i asy, d) yznaczenia oierzchni yiany oarciu o rónania kinetyki ruchu cieła i asy. Poysze dane stanoi odsta do zarojektoania ozostałych eleentó instalacji suszarniczej. Z unktu idzenia cigłoci racy rozróniay suszarki o działaniu cigły i okresoy. W suszarkach cigłych załadoanie i yładoanie ateriału zachodzi sosób cigły. Wilgotno ateriału oraz araetry oietrza zieniaj si z długoci lub ysokoci aaratu, rzy czy kady rzekroju suszarki ilgotno ateriału i araetry oietrza aj stałe artoci czasie: óiy, e roces suszenia rzebiega arunkach ustalonych. Suszarki cigle cechuje orónaniu z aaratai okresoyi ełniejsze ykorzystanie aaratu, iksza rónoierno suszenia, lesze arunki kontroli i autoatyzacji regulacji oraz oszczdno energii cielnej. 20 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983.
W suszarkach okresoych ateriał załadouje si sosób okresoy, rzy czy czasie rzebiegu rocesu ozostaje on nieruchoy, zgldnie ulega rzeieszczeniu lub ieszaniu. Wilgotno ateriału suszarce zienia si zalenoci od rzełyu oietrza oraz czasie. Suszarki okresoe charakteryzuj si rostot konstrukcji oraz onoci regulacji arunkó suszenia rzez odaanie oietrza o rónych araetrach rónych etaach rocesu zalenoci od yaga. W yniku zniejszajcej si intensynoci ruchu asy ilo ilgoci usuanej z ateriału jednostce czasu aleje. W nastnych rozdziałach zajiey si obliczanie suszarek tyu cigłego. 5.1 Bilans ateriałoy i cielny całej suszarki 5.1.1 Bilans ateriałoy ilgoci Wilgo doroadzana jest do suszarki struieniach oietrza ilgotnego i ateriału ilgotnego chodzcych do aaratu, natoiast odroadzana struieniach oietrza i ateriału ouszczajcych suszark. W arunkach ustalonych ilo ilgoci doroadzanej jest róna iloci ilgoci odroadzanej, oey ic naisa: X + Y = X + Y (5.1.1.1) s 1 1 s 2 2 o rosty rzekształceniu otrzyujey s(x1 X 2) (Y2 Y 1) = (5.1.1.2) Poysze yraenia yznaczaj ilo ilgoci odroadzanej suszarce = (X X ) = (Y Y ) (5.1.1.3) s 1 2 2 1 Natenie suchego oietrza rzełyajcego rzez suszark ona ic obliczy z zalenoci: s = = X 1 X 2 Y 2 Y 1 (5.1.1.4) Włacie zuycie oietrza liczone na kilogra odaroanej suszarce ilgoci obliczyy ze zoru: s 1 1 = = X X Y Y 1 2 2 1 (7.1.1.5) Rónanie oysze skazuje, e łacie zuycie oietrza zaley jedynie od ilgotnoci ocztkoej i kocoej oietrza suszcego. Wraz ze zroste ilgotnoci kocoej Y 2 łacie zuycie oietrza aleje, natoiast ronie ze zroste ilgotnoci ocztkoej Y 1. 5.1.2 Bilans cielny Poietrze rzed ejcie do suszarki ogrzea si odgrzeaczu, onadto entrz suszarki og by zainstaloane dodatkoe oierzchnie grzejne. Pozycje rzychodu cieła to: 1) cieło noszone z oietrze zentrzny i 1,
2) cieło dostarczane do oietrza odgrzeaczu zentrzny Q z, 3) cieło noszone z ateriałe okry s1 C1t 1, uzgldniajc zaleno = + s1 s2 cieło noszone z ateriałe zaisa ona ostaci C t + C t s2 1 1 1 1 4) cieło noszone z urzdzeniai transortoyi t Ctt t1, 5) cieło dostarczane rzez odgrzeacze entrzne Q. Pozycje rozchodu cieła to: 1) cieło odroadzane z oietrze odlotoy i 2, 2) cieło odroadzane z ateriałe ysuszony s2 C2t 2, 3) cieło odroadzane z urzdzeniai transortoyi t Ctt t2, 4) cieło traktoane jako straty do otoczenia Q s. W ustalonych arunkach roadzenia rocesu ozycje rzychodu cieła ona rzyróna do ozycji rozchodu cieła. Otrzyay óczas i1 s2 C1t 1 C1t 1 Qz t Ctt t1 Q i2 s2 C2t 2 t Ctt t2 Qs + + + + + = + + + (5.1.2.1) Cieło zuyane na roadzenie rocesu suszenia Q + Q = (i i ) + (C t C t ) C t + C (t t ) + Q (5.1.2.2) z 2 1 s2 2 2 1 1 1 1 t t t2 t1 s Pozycje zestaione o raej stronie rónania (5.1.2.2) rzedstaiaj odoiednio: (i i ) cieło zuyane na zikszenie entalii oietrza, 2 1 Q = (C t C t ) cieło zuyane na odgrzanie ateriału, s2 2 2 1 1 Q = C (t t ) cieło zuyane na odgrzanie urzdze transortoych, t t t t2 t1 C1t 1 cieło doroadzane do suszarki z ilgoci zaart ateriale, Q s cieło tracone do otoczenia, roorcjonalne do oierzchni obudoy aaratu oraz rónicy teeratur o obu stronach obudoy Po rzyjciu oyszych oznacze, cieło dostarczane do odgrzeacza zentrznego yrazi ona rzy oocy zalenoci Q = (i i ) + Q + Q + Q Q C t (5.1.2.3) z 2 1 t s 1 1
Rónanie to słuy do obliczania zuycia cieła odgrzeaczu zentrzny. Suszark teoretyczn definiujey jako tak suszark, której nie ystuj straty cieła na ogrzanie ateriału i urzdze transortoych, nie a strat cieła do otoczenia, nie dostarczane jest cieło rzez odgrzeacz entrzny oraz teeratura t 1 = 0 C. A zate suszarce teoretycznej cieło zuyane jest tylko na odyszenie entalii oietrza odlotoego. Q = (i i ) (5.1.2.4) z 2 1 Rónic zuycia cieła odgrzeaczu zentrzny suszarki rzeczyistej i teoretycznej okrelay jako dodatkoe straty cieła suszarki rzeczyistej. Poniea dodatkoe straty cieła składaj si z ielkoci dodatnich i ujenych, to ielko tych strat oe by odoiednich rzyadkach dodatnia lub ujena. Tak ic odgrzeaczu zentrzny suszarki rzeczyistej zuycie cieła oe by iksze lub niejsze ni odoiedni odgrzeaczu suszarki teoretycznej. Podgrzeacz suszarki rzeczyistej zuya niej cieła ni suszarce teoretycznej, óczas, gdy suszarce uieszczone s odgrzeacze entrzne o duej oierzchni yiany cieła lub tedy, kiedy do suszarki doroadzany jest ateriał o ysokiej teeraturze. Zuycie cieła rzyadajce na l kg odaroanej ilgoci suszarce teoretycznej (tz. łacie zuycie cieła) yznaczy ona z rónania: q z Qz (i2 i 1) = = (5.1.2.5) Włacie zuycie cieła suszarce rzeczyistej yznacza si z rónania: q z lub (i2 i 1) + Q + Qt + Qs Q C1ts1 = (5.1.2.6) (i2 i 1) qz = + q + qt + qs q C1t s1 (5.1.2.7) Przy analizie rocesu suszenia due znaczenie a yraenie oznaczone sybole = q qt qs + q + C1ts1 (5.1.2.8) std (i2 i 1) qz = (5.1.2.9)
6 Ogólny odział aarató suszarniczych. Paraetry racy suszarek 21. 6.1 Zasady odziału suszarek Istnieje kilka rónych sosobó klasyfikacji suszarek. Soród ielu kryterió, jakie bierze si od uag rzy odziale suszarek, najczciej yienia si nastujce: 1) cinienie anujce suszarce suszarki atosferyczne i rónioe, 2) charakter racy aaratu suszarki o działaniu okresoy i cigły, 3) sosób doroadzania cieła suszarki konekcyjne, kontaktoe, radiacyjne, dielektryczne, subliacyjne, 4) rozizanie konstrukcyjne suszarki kooroe, tuneloe, taoe, szyboe, bbnoe, alcoe, neuatyczne, rozyłoe, ibracyjne it. Podział suszarek ze zgldu na sosób dostarczania cieła i rozizania konstrukcyjne rzedstaiono na rys. 6.1.1. Suszenie konekcyjne Suszenie kontaktoe Suszenie od dzialanie ola energetycznego Suszarki z olye arsty aterialu rzez czynnik suszcy Suszarki: 1. kooroe 2. tuneloe 3. turbinooólkoe 4. taoe 5. szyboe Suszarki bbnoe Suszarki dysersyjne Suszarki: 1. fluidalne 2. ibracyjne 3. ibrofluidalne 4. ulsofluidalne 5. fontannoe 6. struienioe 7. rozryskoe Suszarki: 1. alcoe 2. okresoe z ieszadle 3. talerzoe Suszarki: 1. radiacyjne 2. dielektryczne 3. akustyczne Rys. 6.1.1. Podział suszarek ze zgldu na sosób transortu cieła i rozizania konstrukcyjne Ze zgldu na rónorodno etod suszenia i ich techniczn realizacj najleiej bdzie oisya suszarki cisły zizku z danyi dotyczcyi ich budoy i arunkó racy, które bd oóione nastnych rozdziałach. Poniea jednak zasadniczy arunkie roadzenia rocesu suszenia jest ruch i zuycie energii na rzeian fazo ilgoci zaartej ateriale, dlatego etody suszenia klasyfikuje si najczciej zalenoci od sosobu dostarczania cieła do ateriału. 21 Struiłło Cz, Podstay teorii i techniki suszenia, WNT, Warszaa, 1983.