ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 530: 381-387 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.
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.
SUSZENIE MIAZGI ZIEMNIACZANEJ ZAABSORBOWANEJ NA NOŚNIKU... 383 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
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
SUSZENIE MIAZGI ZIEMNIACZANEJ ZAABSORBOWANEJ NA NOŚNIKU... 385 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
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. 1994. Suszenie serwatki na nośniku porowatym. Mat. VIII Symp. Suszarnictwa, 20-22 VI, Warszawa: 281-289. KOZŁOWSKI R., PEROŃ S., ZDROJEWSKI Z., KRAJEWSKI M. 2006. Wstępne badania suszenia gęstwy droŝdŝowej zaabsorbowanej na nośniku porowatym w suszarce fontannowej. InŜynieria Rolnicza 3(78): 161-168. PABIS J. KULIK J. 1991. Kierunki rozwoju suszarnictwa warzyw w Polsce. Mat. VII Symp. Suszarnictwa, Łódź: 115-122. WITROWA-RAJCHERT D. 1999. Rehydracja jako wskaźnik zmian zachodzących w tkance
SUSZENIE MIAZGI ZIEMNIACZANEJ ZAABSORBOWANEJ NA NOŚNIKU... 387 roślinnej w czasie suszenia. Rozpr. habilit., Fundacja Rozwój SGGW Warszawa: 11-21. 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. 0.02-0.052 kg H 2 O kg -1 DM min -1, and the growth of average volumetric moisture flux value of ca. 94-147 kg H 2 O m -3 h -1. Prof. dr hab. Stanisław Peroń Instytut InŜynierii Rolniczej Uniwersytet Przyrodniczy ul. Chełmońskiego 37/41 51-630 WROCŁAW e-mail: peron@imr.ar.wroc.pl