POLITECHNIKA KRAKOWSKA
im. Tadeusza Kościuszki
WYDZIAŁ INŻYNIERII I TECHNOLOGII CHEMICZNEJ
INSTYTUT INŻYNIERII CHEMICZNEJ
I PROCESOWEJ
INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA
SUSZENIE MIKROFALOWE
cp - ciepło właściwe [kJ/kgK]
e - moc elektryczna [kWh]
E - natężenie pola elektromagnetycznego [V/m]
f - częstotliwość pola elektromagnetycznego [1/s]
Fv - natężenie przepływu [m3/h]
l - liczba działek na rotametrze przepływowym
m - masa [kg]
M - energia mikrofalowa [J]
n - poziom transmisji
P - energia wydzielona w materiale suszonym [J]
Q - ciepło [J]
r - ciepło parowania wody [kJ/kg]
T - temperatura [0C]
U - energia elektryczna [J]
z - zawartość wilgoci [kg/kg]
0 - stała dielektryczna próżni [F/m]
‘ - stała dielektryczna
” - współczynnik strat
- gęstość [kg/m3]
- czas pracy suszarki [s]
Indeksy dolne:
m - materiału
p - początkowa
s - suchy
sr - średnia
sz - pusta szalka
u - układu
w - wilgotny
wl - na wlocie
wyl - na wylocie
2
1. WPROWADZENIE
Jedną z nowoczesnych technik suszenia pozwalających na wydzielanie ciepła wewnątrz materiału wilgotnego jest suszenie dielektryczne, wykorzystujące zdolność niektórych dielektryków, w tym wody, do zamiany energii pola elektromagnetycznego wielkiej częstotliwości w energię cieplną. W zależności od częstotliwości fali elektromagnetycznej suszenie dielektryczne dzieli się na suszenie mikrofalami obejmujące zakres częstotliwości 109 - 1012 Hz i suszenie falami radiowymi obejmujące zakres częstotliwości od 105 do 109 Hz. Dla uniknięcia interferencji z częstotliwościami komunikacyjnymi zostały dla celów przemysłowych wyznaczone następujące zakresy częstotliwości: 13,56 MHz; 27,12 MHz; 433,9 MHz; 896 MHz; 915 MHz; 2450 MHz.
Materiały poddawane suszeniu mikrofalowemu traktować można jako mniej lub bardziej doskonałe dielektryki. Wydzielanie ciepła wewnątrz suszonego materiału następuje głównie wskutek tarcia międzycząsteczkowego dipoli dielektryka zmieniających swoją orientację przestrzenną pod wpływem zmian zewnętrznego pola elektrycznego. Zdolność danego materiału do pochłaniania energii pola elektromagnetycznego charakteryzuje współczynnik strat ” lub tangens kąta strat tg .
Tangens kąta strat określa stosunek energii czynnej pola wydzielonej w materiale w postaci ciepła do energii biernej zgromadzonej w tym materiale. Współczynnik strat jest iloczynem stałej dielektrycznej
’ i tangensa kąta strat
" ' t
g (1)
Ilość energii cieplnej P wydzielonej w objętości dielektryka zależy od właściwości dielektrycznych materiału, w tym współczynnika strat oraz od parametrów pola a więc od częstotliwości f i natężenia pola elektromagnetycznego wewnątrz ciała E
2
12
2
P
2 f E 55.
5 10
f " tg E
o
[k W ] (2)
Ponieważ wartość stałej dielektrycznej wody jest około 80 razy większe od wartości tej stałej dla typowych materiałów suszonych, więc ciepło będzie się wydzielało głównie w wilgotnych partiach materiału powodując lokalne odparowanie wilgoci.
Własności dielektryczne wilgotnego materiału zależą od temperatury, wilgotności, rodzaju wiązania wilgoci z materiałem, struktury materiału suszonego, częstotliwości fali elektromagnetycznej a nawet kierunku pola w stosunku do powierzchni ciała. Dlatego wykorzystanie do celów projektowych stosunkowo prostego wzoru (2) musi być poprzedzone doświadczalnym wyznaczeniem danych dla określonego materiału suszonego.
Źródłem energii mikrofalowej jest magnetron sprzężony z komorą suszarki. W zakresie częstotliwości 895/915 MHz możliwe jest otrzymanie 30 kW mocy mikrofalowej przy sprawności zmiany energii elektrycznej w mikrofalową rzędu 70-80 %.
Do zalet suszarek mikrofalowych należy zaliczyć:
1. wysoką sprawność energetyczną wynikającą z całkowitej zmiany energii pola elektromagnetycznego w energię cieplną,
2. wydzielanie ciepła w całej objętości suszonego materiału
(eliminuje się ten sposób szkodliwe naprężenia mechaniczne), 3. krótki czas suszenia,
4. łatwość regulacji i automatyzacji procesu suszenia,
5. sterylność procesu.
Wadą suszenia mikrofalowego jest konieczność stosowania drogiej energii elektrycznej.
3
2. KINETYKA SUSZENIA MIKROFALOWEGO
Charakter przebiegu procesu suszenia ilustrują wykresy sporządzane zazwyczaj w następujących układach współrzędnych:
a) wilgotność materiału - czas suszenia ( krzywa suszenia )
b) szybkość suszenia - wilgotność materiału ( krzywe szybkości suszenia ) c) temperatura materiału - wilgotność ( krzywa temperaturowa ) Krzywe suszarnicze konstruuje się na podstawie pomiarów zmian masy materiału i jego temperatury w czasie. Zobrazowanie zmian średniej zawartości wilgoci oraz średniej temperatury w czasie pozwala określić kinetykę procesu. W tym celu najdogodniej posługiwać się krzywymi suszenia lub krzywymi szybkości suszenia.
A
B
ateriale z
mw
oci
C
wilg
artośćw
D
Za
E
Czas
Rys. 1. Krzywa suszenia dla warunków ustalonych.
Wstępne podgrzewanie przedstawia odcinek AB. Bezpośrednio po nim następuje I okres suszenia (odc. BC), w którym zawartość wilgoci w suszonej próbce maleje z czasem prostoliniowo.
Szybkość suszenia jest w tym okresie stała i równa liczbowo tangensowi kąta nachylenia stycznej do krzywej. Po przekroczeniu punktu krytycznego C krzywa zaczyna asymptotycznie zbliżać się do prostej odpowiadającej równowagowej zawartości wilgoci w materiale suszonym zr. Odcinek CE
obrazuje II okres suszenia tzw. okres stale zmniejszającej się szybkości suszenia.
Siłą napędową procesu ruchu masy podczas suszenia dielektrycznego jest gradient ogólnego ciśnienia powstający wewnątrz ciała suszonego. Wynika on z ograniczonej oporami przepływu prędkości przenoszenia cieczy, która paruje w całej objętości ciała.
Cykl suszenia dielektrycznego można podzielić na 4 okresy:
1. Okres wstępnego ogrzewania, podczas którego temperatura ciała wilgotnego dla ciał temperaturowo odpornych może wzrosnąć do temperatury wrzenia cieczy. W okresie tym nie ma ubytku wilgoci, a ciśnienie wewnątrz ciała jest równe ciśnieniu atmosferycznemu.
2.Okres wzrostu ciśnienia od ciśnienia atmosferycznego do ciśnienia maksymalnego, w którym powstająca wewnątrz ciała para przepływa w kierunku powierzchni. W przypadku ciał bardzo wilgotnych (ok.200 %) powstająca para może powodować przepływ do powierzchni nie odparowanej jeszcze wilgoci.
3.Okres stałej szybkości suszenia, w którym prędkość przepływu pary wewnątrz materiału ograniczona jest oporami przepływu.
4.Okres zmniejszającej się szybkości suszenia, w którym zmniejszenie ilości wilgoci w materiale zmniejsza siłę napędową powodującą przepływ wilgoci do powierzchni. W tym okresie temperatura ciała może wzrosnąć, ponieważ ciało prawie suche staje się głównym odbiorcą energii elektromagnetycznej.
4
/dt
II
dx
III
IV
I
z
Rys. 2 Krzywa szybkości suszenia mikrofalowego
3. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO
Schemat stanowiska badawczego obrazuje rysunek 3
8
4
5
1
2
9
6
7
7
3
H O
2
11
10
Rys.3 Instalacja do badania kinetyki suszenia mikrofalowego
1- waga elektroniczna, 2- magnetron, 3- szalka wagi (próbka materiału suszonego), 4- watomierz, 5-zasilacz, 6- rotametr, 7- termopary, 8- termometr alkoholowy, 9- komora suszarki, 10- zawór, 11-wężownica z wodą
5
Mikrofalowa komora suszenia (9) wyposażona jest w generator mikrofal (2) o mocy 500 W i częstotliwości 2450 MHz. Wewnątrz komory suszarniczej znajduje się szalka ze szkła żaroodpornego (3), na której umieszcza się próbki materiału. Szalka sprzężona jest z wagą elektroniczną (1) umożliwiającą ciągły pomiar masy próbki w trakcie procesu. Temperaturę jaka panuje w komorze rejestruje się przy pomocy termometru alkoholowego (8) wyskalowanego od 0 do 200 0C. Wewnątrz komory znajduje się także szklana wężownica (11), przez którą przepływa woda z instalacji wodociągowej. Obserwowany na rotametrze cieczowym (6) przepływ objętościowy wody reguluje się zaworem (10). Temperaturę wody wskazują dwie termopary (7) zainstalowane przed i bezpośrednio po wlocie wężownicy do komory suszenia. Ilość energii elektrycznej pobranej z sieci podczas suszenia mierzona jest przy pomocy watomierza (4).
Tak wyposażone stanowisko badawcze pozwala badać kinetykę suszenia w polu elektromagnetycznym poprzez sporządzenie krzywych suszenia oraz bilansować ciepło układu.
Schemat kuchenki mikrofalowej przedstawia rysunek 4
2
3
5
4
1
6
7
Rys.4 Schemat kuchenki mikrofalowej
1 - automatyczny przycisk otwierania zasuwy drzwiowej
2 - szybka zabezpieczająca przed przenikaniem mikrofal na zewnątrz, pozwalająca na obserwację materiału znajdującego się w komorze
3 - talerz obrotowy
4 - regulator czasu
5 - nastawiacz poziomu transmisji
6 - przycisk uruchamiający
7 - przycisk otwierający
6
4. METODYKA BADAŃ
Przed przystąpieniem do badań pomiarowych należy sprawdzić prawidłowe działanie aparatury tj.: mikrofalowej komory suszenia, wagi elektronicznej, stopera, watomierza. Po uprzednim zapoznaniu się z instrukcją obsługi wagi, przystępuje się do jej kalibracji. W tym celu należy wykonać następujące czynności:
- odłączyć od wagi szalkę ze szkła żaroodpornego
- ustawić wagę w poziomie
- włączyć zasilacz wagi do sieci
- postawić na wadze szalkę kalibracyjną
- uruchomić zasilanie wagi klawiszem (ON), na wyświetlaczu pojawi się liczba <15.00>, oznaczająca czas nagrzewania wagi (15 minut 00 sekund) malejący do 0.00
- po zakończeniu czasu nagrzewania sygnalizowanego zbliżaniem się wskazania zegara do zera, na wyświetlaczu wagi pojawiają się wszystkie segmenty świetlne <-188.888> oraz znaki <c...c> oznaczające gotowość wagi do kalibracji
- postawić odważnik kalibracyjny 100g co spowoduje pojawienie się znaków <u...u> sygnalizujących odbywanie się procesu kalibracji
- po czasie ok. 10 sekund na wyświetlaczu pojawi się cyfra <100.000> oznaczająca zakończenie kalibracji i po zdjęciu odważnika waga jest gotowa do normalnej pracy
- podłączyć do wagi szalkę ze szkła żaroodpornego znajdującą się w komorze suszenia Następnie przygotowuje się próbkę materiału do suszenia o zadanej zawartości wilgoci.
Przystępując do zasadniczej części badań należy:
- odczytać wskazania watomierza oraz masę pustej szalki
- otworzyć mikrofalową komorę suszenia i nałożyć kilka gramów wilgotnego materiału
- zapisać masę szalki z próbką
- odkręcić zawór
- ustawić stały przepływ wody przez wężownicę na rotametrze
- podłączyć termopary
- nastawić poziom transmisji 1, 2 lub 3 (podaje prowadzący)
- nastawić na regulatorze czasowym czas suszenia na około 5 minut
- równocześnie z uruchomieniem komory suszenia włączyć stoper
- co 10 sekund odczytywać wskazania wagi, termopar oraz
termometru znajdującego się w komorze suszenia
- po samoczynnym wyłączeniu się suszarki sygnalizowanym dzwonkiem odczytać wskazanie watomierza
- pozostawić komorę otwartą aż do wychłodzenia do temperatury pokojowej
UWAGA!!!
PROMIENIOWANIE MIKROFALOWE JEST
SZKODLIWE DLA ZDROWIA
7
Tabela 1 Protokół badawczy
m
z
Twl
Twyl
T
e [kWh]
lp.
[s]
[g]
[kg/kg]
[0C]
[0C]
[0C]
1 0
2 10
3 20
4 30
5 40
6 50
7 60
8 70
9 80
10 90
11 100
12 110
13 120
14 130
15 140
16 150
17 160
18 170
19 180
20 190
21 200
22 210
23 220
24 230
25 240
26 250
27 260
28 270
29 280
30 290
31 300
nastawiony poziom transmisji mikrofal n=
pobrana w trakcie pomiaru moc ek -ep=
działki rotametru l=
Qv=
masa pustej szalki msz=
Na podstawie danych zamieszczonych w tabeli 1 należy:
1. Obliczyć zmiany zawartości wilgoci w [kgH2O/kgs.m.] w czasie dla materiału użytego w doświadczeniu według wzoru
( m m ) ( m m )
m m
w
sz
s
sz
w
s
( m m )
z =
m
m
s
sz
= s
sz [kgH2O/kgs.m.] (3)
8
2. Sporządzić krzywą suszenia z = f() dla badanego materiału i na jej podstawie prześledzić kinetykę procesu
3. Obliczyć wartość wyemitowanej przez magnetron energii mikrofalowej według zależności M = P [kJ] (4)
4. Obliczyć ilość ciepła wydzielonego w materiale suszonym
Q
m = (mw - ms) r mw cp
(Tsr -Tp) [kJ] (5)
5. Obliczyć ilość pobranej energii elektrycznej w trakcie procesu U = e [kJ] (6) 6.Na podstawie pomiarów zmian temperatury wody w wężownicy przed i po wlocie do komory suszenia oraz natężenia przepływu wody zbilansować ciepło układu Q
u = Fv
cp (Twyl - Twl) [kJ] (7)
7. Obliczyć sprawność zamiany energii mikrofalowej na energię cieplna wydzielona w materiale suszonym oraz określić efektywność zamiany energii elektrycznej na mikrofalową 8. Obliczyć jednostkowe zużycie ciepła w [kJ/gH2O]
9