1

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.


2. 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 =

S

A

m

m

(29.1)

gdzie: m

A

- ilość cieczy, kg

m

S

- ilość suchej masy, kg

lub X’ =

m

m

A

; (29.2)

gdzie m - ilość wilgotnego materiału.

Często wartości wilgotności X, X’ podaje się w procentach. Zależność między tymi

wielkościami jest następująca:

X =

100%

X`

100

X`

100

⋅

−

⋅

(29.3)

oraz

2

X’ =

100%

X`

100

100X

⋅

−

(29.4)

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. 29.1 a,b,c przedstawiono krzywe charakteryzujące proces suszenia.

3

Rys. 29.1. 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:

ϑ =









⋅

⋅

⋅

2

m

s

kg

Δt

A

ΔX

m

(29.5)

gdzie: m

S

- masa materiału suchego, kg

X

- wilgotność bezwzględna materiału, kg/kg

A - powierzchnia, m

2

t - czas suszenia, s

4

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

=

(

)

1

kr

1

s

X

X

A

m

−

⋅

ϑ

(29.6)

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:

t

2

=

2

1

2

1

2

kr

S

ln

X

X

A

m

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

−

−

⋅

(29.7)

gdzie: ϑ

2

- szybkość suszenia w drugim okresie,

X

2

- zawartość wilgoci w końcu drugiego okresu.

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

5

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. 29.2. Dodatkowym

wyposażeniem stanowiska jest:

- waga o dokładności do 0,1 g,

- termopary mierzące temperaturę na wejściu i wyjściu z suszarki,

- prędkościomierz przepływu powietrza.

Rys. 29.2. Schemat stanowiska do badania parametrów suszarki konwekcyjno-mikrofalowe: 1 -

komora suszarnicza, 2 - 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

A2

oblicza się z równania

m

A2

=

2

2

2

X

1

X

m

+

⋅

(29.8)

gdzie: m

2

- masa materiału w końcu doświadczenia,

X

2

- wilgotność materiału na końcu doświadczenia.

6

Masę absolutnie suchego materiału w próbce oblicza się jako różnicę

m

S

= m

2

- m

A2

(29.9)

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 29.8.

Masę wilgoci dla pomiaru poprzedzającego ostatni, oblicza się dodając do wartości

wyznaczonej z równania 29.8 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 29.1.

Porównując wyznaczone krzywe dokonać analizy badanych procesów suszenia.

Tabela 29.1. Tabela pomiarowa

Nr

pomiaru

Czas

pomiaru

Wskazani

e

wagi

Ubytek

wilgoc

i

Temperatura

°C

Zawartoś

ć

wilgoci w

s

kg

kg

próbki

w

komorze

materiale

6. Literatura

[29.1] Ochęduszko S.: Termodynamika stosowana. WNT. Warszawa 1967
[29.2] Pabis S.: Teoria konwekcyjnego suszenia produktów rolniczych. PWRiL. Warszawa 1982
[29.3] Pabis J.: Podstawy techniki cieplnej w rolnictwie. PWRiL. Warszawa 1983
[29.4] Popko H., Popko R.: Maszyny przemysłu spożywczego – ćwiczenia laboratoryjne. Skrypt

PL. Lublin 1986

[29.5] Staniszewski B.: Wymiana ciepła, podstawy teoretyczne. PWN. Warszawa 1983