Laboratorium Podstaw Budowy Urządzeń dla Procesów Cieplnych

Temat: Kinetyka suszenia w suszarce fluidalnej

Dr inż. Maria Boszko

ZAKŁAD APARATURY PRZEMYSŁOWEJ

POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ BM i P

Płock, 2007r.

Kinetyka suszenia w suszarce fluidalnej

1. Cel pracy

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie na podstawie pomiaru wilgotności materiału

suszonego w zależności od czasu: wilgotności krytycznej oraz stałych szybkości suszenia dla

pierwszego i drugiego okresu suszenia. Suszony jest materiał ziarnisty w warstwie fluidalnej.

2. Wprowadzenie

Suszenie ciał stałych znajduje szerokie zastosowanie w praktyce przemysłowej. Jest

procesem złożonym, podczas którego zachodzi jednoczesna wymiana ciepła i masy. Jedną z

metod suszenia jest suszenie konwekcyjne. Polega na usuwaniu wilgoci z ciał stałych za

pomocą czynnika suszącego. Najczęściej usuwaną wilgocią jest woda, a czynnikiem

suszącym ogrzane powietrze.

Suszenie w warstwie fluidalnej materiału ziarnistego jest odmianą suszenia

konwekcyjnego. Podgrzane powietrze przepływa przez złoże wilgotnego materiału z

prędkością nieco większą od minimalnej prędkości fluidyzacji. Proces suszenia przebiega

intensywnie, materiał suszony jest równomiernie. Zużywane są duże ilości podgrzanego

powietrza.

W czasie suszenia materiał zmniejsza swoją wilgotność, zaś otaczające powietrze

nawilża się.

Wilgotność materiału suszonego wyraża się w procentach masowych b lub jako

zawartość wody X, czyli ilość kilogramów wody przypadającą na 1 kg suchego materiału.

%

100

1

⋅

=

S

W

b

(6)

lub

S

W

X

=

(7)

gdzie:

b

- wilgotność [

% mas.

],

X

- zawartość wody













.

.mat

s

kg

wody

kg

,

W

- masa wody [

kg wody

],

S

1

-masa ciała wilgotnego [

kg

],

S

- masa ciała suchego [

kg s. mat.

].

Zależność między wilgotnością

b

wyrażoną w procentach a zawartością wody

X

ma postać:

b

b

X

−

=

100

(8)

Szybkość suszenia

definiuje się jako ilość wody odparowanej w jednostce czasu z

powierzchni ciała suszonego.

τ

d

dX

w

D

−

=













⋅ s

mat

s

kg

wody

kg

.

.

(9)

lub dla skończonych przyrostów

τ

∆

∆

−

=

X

w

D













⋅ s

mat

s

kg

wody

kg

.

.

(10)

3. Przebieg suszenia

Przebieg suszenia

najłatwiej jest zobrazować przez sporządzenie wykresów:

( )

τ

1

f

X

=

i

( )

X

f

w

D

2

=

(rys.1). Na obu wykresach łatwo można zauważyć, że proces

suszenia dzieli się na dwa okresy: okres pierwszy (odcinek

AB

) charakteryzujący się stałą

szybkością suszenia i okres drugi (odcinek lub część odcinka

BC

) o malejącej szybkości

suszenia.

Rys.1. Przebieg procesu suszenia: a) zmiany wilgotności ciała suszonego w zależności

od czasu suszenia

τ

, b) zależność szybkości suszenia od zawartości wody

X

.

Zawartość wody

X

kr

odpowiadająca punktowi przegięcia lub załamania (punkt

B

na

wykresach) nazywa się krytyczną zawartością wody. Jest to zawartość wody, jaką ma ciało

suszone na granicy pierwszego i drugiego okresu suszenia. Zawartość wody w materiale

suszonym pozostającą w równowadze z prężnością cząstkową pary wodnej zawartej w

przepływającym powietrzu nazywa się równowagową zawartością wody (

X

r

) (punkt

D

na

wykresach). Do takiej zawartości wody można teoretycznie wysuszyć materiał w danych

warunkach suszenia (temperatura, wilgotność względna powietrza). Praktycznie zawartość

wilgoci w ciele suszonym zmienia się od wartości początkowej

X

1

do końcowej

X

2

, przy

czym

X

2

>X

r

.

Pierwszy okres suszenia charakteryzuje się stałą szybkością suszenia. Następuje

odparowanie wilgoci z powierzchni materiału i powstająca para przedostaje się do

przepływającego powietrza. Szybkość całego procesu uwarunkowana jest przez szybkość

dyfuzji pary wodnej w warstwie powietrza. Pierwszy okres suszenia kończy się wtedy, kiedy

cała wilgoć z powierzchni zostanie odparowana.

Drugi okres suszenia charakteryzuje się malejącą szybkością suszenia. Występuje

wtedy odparowanie wilgoci w coraz głębszych warstwach ciała suszonego, przemieszczanie

się pary wodnej do powierzchni (dyfuzja wewnętrzna) i dyfuzja w warstwie przepływającego

powietrza. Na szybkość suszenia w drugim okresie ma duży wpływ struktura ciała

suszonego.

Stałe szybkości suszenia

. Dla pierwszego okresu, jeżeli zależność

( )

X

f

w

D

=

jest

prostoliniowa to stała szybkości

K

1

wyraża się wzorem:

r

kr

kr

X

X

X

X

K

−

−

⋅

=

1

1

1

1

τ









s

1

(11)

zaś dla drugiego okresu

r

r

kr

X

X

X

X

K

−

−

⋅

=

2

2

2

ln

1

τ









s

1

(12)

gdzie:

1

τ

i

2

τ

to czas trwania pierwszego lub drugiego procesu suszenia.

Znajomość stałych szybkości suszenia i poszczególnych zawartości wody ( X ) pozwala

oszacować czas trwania pierwszego i drugiego okresu suszenia w suszarce w skali

przemysłowej.

4. Stanowisko pomiarowe

Schemat stanowiska pomiarowego przedstawia rys.2. Zasadnicze elementy aparatury to:

komora suszarnicza 7 o średnicy 190mm i wysokości 50mm wykonana z plexi, wentylator 1

i nagrzewnica 3 o regulowanej mocy (maks.18kW). Przepływ powietrza regulowany jest

przy pomocy zaworu 4. Prędkość przepływającego powietrza mierzona jest rurką Pitota w

rurze doprowadzającej powietrze do komory suszarniczej. Temperatura powietrza mierzona

jest na wlocie do aparatu. Stanowisko wyposażone jest w mechanizm wprawiający w drgania

sito, który w tym eksperymencie nie jest wykorzystywany. Możliwy jest również pomiar

spadku ciśnienia powietrza na złożu.

Rys.2. Schemat stanowiska laboratoryjnego: 1- wentylator, 2- przewód doprowadzający

powietrze do nagrzewnicy, 3- nagrzewnica, 4- zawór regulujący prędkość przepływu

powietrza, 5- przewód doprowadzający ogrzane powietrze do komory fluidyzacyjnej, 6-

dystrybutor gazu, 7- komora fluidyzacyjna, 8- silnik, 9- mechanizm mimośrodowy

wywołujący drgania sita, 10- tachometr, 11- materiał suszony.

u

p

∆

- pomiar spadku ciśnienia dynamicznego,

z

p

∆

- pomiar spadku ciśnienia na sicie i złożu,

t- pomiar temperatury,

n- pomiar obrotów silnika.

5. Metodyka pomiarów

Przed umieszczeniem materiału wilgotnego w komorze suszenia stanowisko jest

wygrzewane przez kilka minut aż do uzyskania, dla zadanego przepływu powietrza, żądanej

temperatury. Oznaczana jest także w tym czasie wilgotność początkowa materiału. Następnie

umieszcza się komorze suszenia odważoną ilość materiału wilgotnego. Równocześnie

włączony zostaje stoper w celu pomiaru czasu trwania procesu. W czasie suszenia w

odstępach kilkuminutowych odczytywana jest wartość temperatury powietrza i obliczana

prędkość przepływu na podstawie wskazań manometru podłączonego do rurki Pitota oraz

pobierane są próbki materiału wilgotnego do specjalnych naczyniek w celu określenia ich

wilgotności. Wilgotność materiału suszonego wyznaczamy przy pomocy wagosuszarki

Sartorius 30MA.

Zasada działania wagosuszarki polega na pomiarze masy próbki z chwilą umieszczenia

w aparacie, następnie wysuszeniu jej do „stałej masy” i jej pomiarze. Na podstawie tych

pomiarów obliczana jest i wyświetlana procentowa wilgotność próbki.

6. Uwagi o bezpieczeństwie pracy

Podczas wykonywania ćwiczenia obowiązują ogólne zasady bezpieczeństwa pracy z

urządzeniami znajdującymi się pod napięciem. Wyłącznik główny można załączyć po

uzyskaniu zgody osoby prowadzącej zajęcia. Nagrzewnicę można załączyć tylko wtedy, gdy

pracuje wentylator. Próbki materiału z suszarki należy wyjmować w rękawicach.

Po zakończeniu eksperymentu wyłączyć należy nagrzewnicę a po kilku minutach także

wentylator.

7. Opracowanie wyników

Wyniki pomiarów i obliczeń umieszczamy w tablicy (tabl.1).

Tablica 1. Wyniki pomiarów i obliczeń procesu suszenia.

L

p

.

Czas

τ

Wilgotność

materiału

b

Zawartość

wilgoci w

materiale

X

Szybkość

suszenia

D

w

Tempera

tura

powietrza

t

Prędkość

powietrza

u

Krytyczna

X

kr

i

równowagow

a zawartość

wilgoci

X

r

[ s ]

[ % ]













.

.mat

s

kg

wody

kg













⋅ s

mat

s

kg

wody

kg

.

.

[

o

C ]









s

m













.

.mat

s

kg

wody

kg

1

0

2 300

3

. . .

4

…

5

…

6

…

X

kr

=

X

r

=

Obliczenia:

-

zawartość wilgoci X dla każdego wykonanego pomiaru b obliczamy ze wzoru (8),

-

szybkość suszenia w

D

ze wzoru (10) ,

-

stałe szybkości suszenia dla pierwszego i drugiego okresu K

1

i K

2

według wzorów

(11) i (12).

Należy również:

-

sporządzić wykresy

)

(

1

τ

f

X

=

i

)

(

2

X

f

w

D

=

; z wykresów tych odczytujemy wartości

krytycznej (X

kr

) i równowagowej (X

r

)zawartości wilgoci,

-

na podstawie wyników pomiarów sformułować wnioski do przeprowadzonego

eksperymentu.

Literatura:

1.

Dziubiński M., Rzyski E., „Ćwiczenia laboratoryjne z inżynierii procesowej”.

Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 2000.

2.

Strumiłło Cz.: „Podstawy teorii i techniki suszenia”. WNT, Warszawa 1983.

3.

Pabis S.: „Teoria konwekcyjnego suszenia produktów rolniczych”. PWRiL,

Warszawa 1982, str. 95-97, 127-133.