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.. 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 X = m m A S (9.1) gdzie: m A - ilość cieczy, kg m S - ilość suchej masy, kg gdzie m - ilość wilgotnego materiału. lub X = m A m ; (9.) Często wartości wilgotności X, X podaje się w procentach. Zależność między tymi wielkościami jest następująca: oraz X = 100 X` 100 X` 100% (9.3) 1
X = 100X 100% 100 X` (9.4) 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. 9.1 a,b,c przedstawiono krzywe charakteryzujące proces suszenia.
Rys. 9.1. 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 ϑ = A Δt s m (9.5) gdzie: m S - masa materiału suchego, kg X - wilgotność bezwzględna materiału, kg/kg A - powierzchnia, m 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: t 1 = ms A ϑ 1 ( X X ) kr 1 (9.6) gdzie: X kr - zawartość wilgoci w końcu pierwszego okresu, X 1 - zawartość wilgoci na początku procesu suszenia, ϑ 1 - szybkość suszenia. Dla okresu malejącej szybkości suszenia, czas suszenia określa zależność: gdzie: ϑ - szybkość suszenia w drugim okresie, X - zawartość wilgoci w końcu drugiego okresu. ms X kr X ϑ1 ln t = A ϑ1 ϑ ϑ (9.7) 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. 9.. Dodatkowym wyposażeniem stanowiska jest: - waga o dokładności do 0,1 g, - termopary mierzące temperaturę na wejściu i wyjściu z suszarki, - prędkościomierz przepływu powietrza. Rys. 9.. Schemat stanowiska do badania parametrów suszarki konwekcyjno-mikrofalowe: 1 - komora suszarnicza, - 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 m A oblicza się z równania m X m A = 1+ X (9.8) gdzie: m - masa materiału w końcu doświadczenia, X - wilgotność materiału na końcu doświadczenia. 5
Masę absolutnie suchego materiału w próbce oblicza się jako różnicę m S = m - m A (9.9) 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 9.8. Masę wilgoci dla pomiaru poprzedzającego ostatni, oblicza się dodając do wartości wyznaczonej z równania 9.8 ubytek wilgoci. Ubytek wilgoci wyznacza się odejmując każde wskazanie wagi od poprzedniego. Postępując identycznie dla kolejnych pomiarów wyznacza się masę wilgoci na początku doświadczenia m A0. 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 9.1. Porównując wyznaczone krzywe dokonać analizy badanych procesów suszenia. Tabela 9.1. Tabela pomiarowa Czas pomiaru Nr pomiaru Wskazani e wagi Ubytek wilgoc i Temperatura C Zawartoś ć wilgoci w s kg kg próbki w komorze materiale 6. Literatura [9.1] Ochęduszko S.: Termodynamika stosowana. WNT. Warszawa 1967 [9.] Pabis S.: Teoria konwekcyjnego suszenia produktów rolniczych. PWRiL. Warszawa 198 [9.3] Pabis J.: Podstawy techniki cieplnej w rolnictwie. PWRiL. Warszawa 1983 [9.4] Popko H., Popko R.: Maszyny przemysłu spożywczego ćwiczenia laboratoryjne. Skrypt PL. Lublin 1986 [9.5] Staniszewski B.: Wymiana ciepła, podstawy teoretyczne. PWN. Warszawa 1983 6