SUSZENIE MIKROFALOWE I KONWEKCYJNE
TEORIA
Większość materiałów poddawanych procesowi suszenia należy do grupy mniej lub bardziej doskonałych dielektryków. Każda cząsteczka dielektryka zawiera elementarne ładunki elektryczne związane siłami wewnątrzcząsteczkowymi, tworzące tzw. dipole.
Orientacja poszczególnych dipoli jest na tyle dowolna, że dielektryk jako całość jest elektrycznie obojętny. Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego powstają siły elektrodynamiczne, które powodują obrót i ustawianie się dipoli równolegle do kierunku zewnętrznego pola elektrycznego, co w konsekwencji prowadzi do zmniejszania się natężenia pola elektrycznego wewnątrz dielektryka. Przemieszczanie się dipoli pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego nazywa się polaryzacją.
Jeżeli pole elektryczne jest przemienne, to wraz ze zmianą kierunku pola zachodzi ciągłe przemieszczanie się ładunków i związanych z nimi cząsteczek, czemu towarzyszy zjawisko tarcia międzycząsteczkowego, powodujące wydzielenie energii cieplnej.
W przypadku pól elektrycznych wielkiej częstotliwości (częstotliwości radiowe i mikrofalowe) polaryzacja dipoli ze względu na masę i bezwładność cząsteczek opóźnia się względem zmian pola elektrycznego, co przejawia się w tzw. stratach dipolowych.
Opóźnienie polaryzacji jest tym większe, im większa jest częstotliwość pola, przy czym dla określonej częstotliwości, tzw. częstotliwości relaksacji, osiąga ono wartość maksymalną.
Przy dalszym zwiększaniu częstotliwości ruch dipoli nie nadąża za zmianami pola i straty dipolowe maleją (rys.1). Ponieważ ilość ciepła wydzielonego w dielektryku zależy od strat Rys.1 Zależność stałej dielektrycznej ε’ i współczynnika strat ε’tgδ od częstotliwości f dla wody (T= 25°C).
dipolowych, w praktyce suszarniczej najlepsze efekty można byłoby uzyskać, stosując pole elektromagnetyczne zmieniające się z częstotliwością 2.7⋅1010Hz (częstotliwość relaksacji wody).
Zdolność danego materiału do pochłaniania energii pola elektromagnetycznego charakteryzuje współczynnik strat ε’’ lub tangens kąta strat tgδ. Tangens kąta strat określa stosunek energii czynnej pola, wydzielonej w materiale w postaci ciepła, do energii biernej zgromadzonej w tym materiale.
Współczynnik strat ε’’ definiuje się jako iloczyn stałej dielektrycznej materiału i tangensa kąta strat:
ε’’ = ε’ tgδ
1
Ilość energii cieplnej P wydzielonej w jednostce objętości dielektryka zależy od właściwości dielektrycznych materiału i parametrów pola, a więc od częstotliwości f i natężenia pola elektromagnetycznego wewnątrz ciała E: P = 2πfε0ε’’E2 = 55.5⋅10-12fε’tgδE2
Z fizycznego punktu widzenia wilgotny materiał jest układem trójfazowym (czasem dwufazowym) ciało stałe – woda – powietrze. Elektromagnetyczne własności takiego układu zależą nie tylko od jego składu, temperatury, częstotliwości pola elektromagnetycznego, ale także od trudnych do ścisłego zdefiniowania czynników, takich jak struktura materiału, stan jego powierzchni czy rodzaj wiązania wilgoci z materiałem.
Podczas suszenia dielektrycznego nagrzewanie ciała do temperatury wrzenia zachodzi na tyle intensywnie, że szybkość parowania cieczy wewnątrz ciała znacznie przewyższa prędkość jej przenoszenia, która jest ograniczona przez opory przepływu wynikające ze struktury ciała. W rezultacie wewnątrz ciała powstaje gradient ogólnego ciśnienia, który jest główną siłą napędową procesu ruchu masy.
Cykl suszenia dielektrycznego można podzielić na 4 okresy (rys.2): Rys.2 Zależność szybkości suszenia dX/dt od wilgotności materiału.
1. Okres wstępnego podgrzewania, 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 równe jest 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 (rzędu 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.
Podstawowym elementem suszarki dielektrycznej jest komora, w której zachodzi pochłanianie dostarczonej do niej energii przez materiał suszony. Komorę taką może stanowić falowód lub, tak jak w naszym przypadku, rezonator wnękowy (komora rezonansowa). Do zalet suszarek mikrofalowych należy zaliczyć:
• wysoką sprawność energetyczną wynikająca z całkowitej zamiany energii pola elektromagnetycznego w energię cieplną,
2
• wydzielanie ciepła w całej objętości materiału suszonego; eliminuje się w ten sposób szkodliwe naprężenia mechaniczne,
• krótki czas suszenia,
• możliwość całkowitego wysuszenia materiału.
Przy konwekcyjnym suszeniu wilgotnych materiałów, wilgoć przemieszcza się w kierunku od środka materiału do jego brzegu, gdzie materiał jest omywany przez czynnik suszący (powietrze, gazy spalinowe). Przyjmuje się, że przemieszczanie się wilgoci (migracja) ma charakter dyfuzyjny, w którym siłą motoryczną jest różnica pomiędzy koncentracjami wilgoci w różnych punktach materiału. Odnosi się to do tzw. I okresu suszenia, w którym temperatura materiału suszonego jest stała i równa temperaturze mokrego termometru ϑM = constans.
Ilość wilgoci zawartej w materiale odniesiona do masy materiału suchego nazywa się wilgotnością materiału:
m ⎡
cieczy
kg
⎤
w =
w ⎢
⎥
ms ⎣
.
mater
.
such
kg
⎦
W wyniku wzajemnego oddziaływania wilgotnego materiału i materiału suszonego, wilgoć przejdzie z materiału do powietrza (lub odwrotnie), po czym ustala się równowaga i wymiana wilgoci kończy się.
Wilgotność materiału w stanie równowagi nazywa się wilgotnością równowagową wr.
Stwierdzono doświadczalnie, że pod wpływem gradientu temperatury w wilgotnych materiałach, wilgoć przemieszcza się w kierunku strumienia ciepła r
W = - k
T
T grad ϑ kT – współczynnik analogiczny do współczynnika kw,
⎡ kg ⎤
kT ⎢
⎥
⎣m°Cs⎦
r
⎡ kg ⎤
W =
T
⎢
- strumień wilgoci wywołany gradientem temperatury 2 ⎥
⎣m s⎦
ϑ[°C] – temperatura materiału.
Sumaryczna ilość wilgoci przemieszczającej się w wyniku działania obu gradientów wynosi: r
r
r
W = W − W = - k
w
T
w grad w + kT grad ϑ
Suszenie
materiału składa się z trzech procesów:
1. przemieszczania wilgoci wewnątrz suszonego materiału do jego powierzchni, 2. przemiana fazowa cieczy w parę,
3. przemieszczanie się pary od powierzchni materiału do otaczającego powietrza.
Na powierzchni wilgotnego materiału tworzy się graniczna warstwa powietrzno – wodna, która znajduje się w równowadze z wilgocią materiału. Stąd warstwa ta będzie nasycona w temperaturze materiału. Siłą motoryczną dyfuzji wilgoci z warstwy powierzchniowej do 3
otaczającej przestrzeni jest stężenie pary w powietrzu przy powierzchni materiału xn i otoczeniu xa. Zatem:
r
W ⋅ nr =
=
−
n
W
(
B xn xa )
⎡ kg ⎤
B – współczynnik parowania ⎢
2 ⎥
⎣m s⎦
xn – zawartość pary na powierzchni materiału (para nasycona)[kg pary / kg such. pow.]
xa – zawartość pary w otaczającym powietrzu [kg pary / kg such. pow.]
Ilość wilgoci, która przeszła przez warstwę graniczną do otaczającej przestrzeni musi być równa ilości wilgoci doprowadzonej do tej warstwy z materiału.
Prędkość suszenia jest limitowana:
1. wymianą pary pomiędzy warstwą na powierzchni materiału a otoczeniem w I okresie suszenia
2. migracją wilgoci w materiale w II okresie suszenia.
Na podstawie pomiaru zmiany masy materiału suszonego w czasie wykreśla się tzw. krzywą suszenia.
Na
początku suszenia, w ciągu krótkiego czasu, linia suszenia ma kształt krzywej – jest to okres podgrzewania materiału. Po tym zaczyna się okres stałej prędkości suszenia charakteryzujący się linią prostą na wykresie. W punkcie krytycznym K1 charakter linii suszenia zmienia się w ten sposób, że staje się ona krzywą dążącą asymptotycznie do wartości równowagowej Wr w zadanych warunkach suszenia. Jest to okres malejącej prędkości suszenia.
W I okresie suszenia następuje wydzielanie wilgoci swobodnej (makrokapilarnej i zwilżania). Ciśnienie pary nad materiałem jest równe ciśnieniu pary nad lustrem czystej cieczy odparowywanej w tych warunkach.
W II okresie następuje wydalanie wilgoci związanej.
⎡
kg _ cieczy
⎤
W⎢
⎥
⎣ kg _ such. _
.
mater ⎦
okres stałej prędkości okres malejącej prędkości Krzywa suszenia
suszenia (I okres)
suszenia (II okres)
ϑ[°C] Równanie opisujące prędkość suszenia
W
w I okresie
0
dw
=
=
−
n
W
(
B xn xa )
ϑ
dt
a
Eksperymentalnie ustalono
B = 0 12
,
⋅ (v ⋅ ρ )0,8
v – prędkość opływania materiału
⎡m⎤
K1
W
przez powietrze
kr
⎢ ⎥
⎣ s ⎦
ϑM
⎡ kg ⎤
ϑ
ρ - gęstość powietrza
0
⎢ 3 ⎥
W
⎣m ⎦
r
okres
czas
podgrzewania
4
Temperatura materiału suszonego wzrasta w okresie podgrzewania aby osiągnąć temperaturę mokrego termometru ϑM, która to temperatura pozostaje na stałym poziomie aż do punktu krytycznego K1. Potem ponownie wzrasta by w końcu osiągnąć temperaturę czynnika suszącego ϑa w momencie, gdy wilgotność materiału osiągnie wartość równowagową.
Oprócz krzywej suszenia dla analizy jego przebiegu jest stosowana krzywa prędkości suszenia.
W drugim okresie suszenia prędkość
suszenia wyznacza się zjawiskami
dw
II okres
K1
(I okres)
związanymi z przemieszczaniem się
dt
wilgoci w materiale. Zakłada się, że siłą
motoryczną procesu suszenia w II
okresie jest różnica pomiędzy
zawartością wilgoci w materiale w i
równowagową zawartością wilgoci Wr.
Zatem prędkość suszenia dla II okresu
jest:
dw = −k(W − r
W )
dt
k – współczynnik suszenia
charakteryzujący intensywność
wymiany wilgoci
wr
wkr
w
PRZEBIEG POMIARÓW
1. Przygotować dwie próbki; materiał badany – glina.
2. W trakcie suszenia próbek w komorze mikrofalowej i konwekcyjnej mierzone wielkości zapisywać w tabeli:
MASA PRÓBKI
ZUŻYCIE
KOMORA
NR POMIARU
CZAS [min]
[g]
ENERGII [Wh]
1
0
2
0.5
3
1
MIKROFALOWA
.
.
.
.
.
.
1
0
2
0.5
3
1
KONWEKCYJNA
.
.
.
.
.
.
3. Na podstawie otrzymanych danych sporządzić następujące wykresy: 5
• ubytek wilgoci (masy próbki) w funkcji czasu,
• zużycie energii w funkcji czasu,
• zużycie energii na jednostkę masy.
4a. Obliczyć zużycie energii w trakcie całego procesu suszenia w obu przypadkach (łącznie z czasem nagrzewania komory w przypadku suszenia konwekcyjnego).
4b. Obliczyć zużycie energii na odparowanie określonej ilości cieczy, ale takiej samej w obu przypadkach, licząc od końca pomiarów.
UWAGA !
Parametry suszenia oraz dane do p.4b. ustala prowadzący ćwiczenie.
6