tehnički procesi sušenja - unizg.hr · 2018-03-23 · kao što su masa, gustoća, viskoznost,...

TehniTehniččki procesi suki procesi suššenjaenja

Doc.dr.sc. Saša Mudrinić

Zavod za termodinamiku, toplinsku i procesnu tehniku

Katedra za tehničku termodinamiku

Tehnički procesi sušenja - Predavanje II 2

Metode određivanja vlažnosti tvariVlažnost ima utjecaj na fizikalna svojstva tvarikao što su masa, gustoća, viskoznost, indeks loma, električna provodnost i slično.

Tijekom vremena razvile su se različite metode mjerenja tih fizikalnih veličina kako bi se preko njih mogla izraziti vlažnost tvari.


Infracrvenosušenje

Halogenosušenje

Sušioniks vagom

Mikrovalnosušenje

Fosforpentoksid

Destilacija

Karl-Fischertitracija

Kalcij karbid

Infracrvenaspektroskopija

Mikrovalnaspektroskopija

NMR spektroskopija

Određivanjegustoće

Refraktometrija

Električna provodnost

Plinskakromatografija

Metode određivanjavlažnosti tvari

Gravimetrijskemetode

Kemijskemetode

Spektroskopskemetode

Drugemetode

Metode određivanja vlažnosti tvari


Gravimetrijska metoda sušionika s vagomUkoliko se masa uzorka smanji s m1 na m2, početni sadržaj vlage X1 može se izračunati jednadžbom:

gdje je X2 konačni sadržaj vlage.

111/ 2

2

12

22

211

XmmX

XmmmX


Uzorak se suši tako da ostatak vlage bude zanemarivo malen, X2 0, pa se sadržaj vlage X1 može izravno izračunati iz izmjerenih masa:

Uzorak se obično suši pri temperaturi 105 2 °C dok masa m2 ne postane konstantna, što onda predstavlja masu suhe tvari za te uvjete sušenja.

1

2

11

mmX


Vrijeme sušenja određuje se iskustveno i ovisi o vrsti materijala.

Temperatura u sušioniku ne smije biti viša od temperature ishlapljivanja ili izgaranja drugih sastojaka osim vode kao što su razna organska otapala, alkoholi, masti, ulja i aromatični sastojci.


U tablici su prikazane temperature i vrijeme sušenja za neke poljoprivredne kulture:

Vrijeme sušenja Zrno Temperatura sušenja, °C

sati minute Masa uzorka, g

Ječam 130 20 0 10 Kukuruz 103 72 0 15 ili 100* Zob 130 22 0 10 Raž 130 16 0 10 Soja 103 72 0 15 Suncokret 130 3 0 10 Pšenica 130 19 0 10


Faze sušenjaProces sušenja nekog vlažnog materijala može se podijeliti na više faza koje su označene na tzv. krivuljama sušenja


Sa

drža

j vla

geX,

kg/

kg

Vrijeme t, s

AB

C

D

Brzi

na s

ušen

ja,

kg w

/(m2 s

)

Sadržaj vlage X, kg/kg00

00

A

BC

E

D

a) b)

Različite faze sušenja


Brzi

na s

ušen

ja,

kg w

/(m2 s

)

00 Vrijeme t, s

A

B C

D

c)

A

B C

D

Tem

pera

tura

mat

erija

la

Vrijeme t, s

d)

Temperatura ulaznog zraka

Različite faze sušenja


Dio krivulje AB je faza predgrijavanja:

vrlo male promjene sadržaja vlage

brzina sušenja je gotovo jednaka nuli.


Dio BC je faza „konstantne brzine sušenja“ (eng. constant-rate period):

brzina sušenja neovisna o sadržaju vlage i konstantna je u vremenu

sva se dovedena toplina troši na ishlapljivanje vlage s površine zrna.


Za vrijeme te faze sušenja površina materijala se održava zasićenom kretanjem vlage unutar poroznog materijala zrnate strukture

Kod neporoznog materijala (organske tvari) faza konstantne brzine sušenja može biti vrlo kratka i slabo izražena


Ako svu toplinu potrebnu za ishlapljivanje vode daje zrak samo konvekcijom, tada se temperatura slobodne vodene površine približava temperaturi granice hlađenja vode, sH.

Ukoliko se toplina dovodi i provođenjem, zračenjem, ili njihovom kombinacijom, tada je temperatura zasićene površine veća od temperature sH a manja od temperature zasićenja vode za zadani tlak.


Temperatura zasićene površine materijala ostaje konstantna.

Brzina sušenja ovisi samo o dovedenoj toplini:

temperatura, tlak i strujanje zraka

vrijednosti koeficijenata prijelaza topline i mase

Iste zakonitosti kao kod ishlapljivanja sa slobodne vodene površine.


Brzina sušenja , odnosno masa vlage koja se u jednoj sekundi odvede s 1 m2 zasićene površine materijala, definirana je kao:

U fazi „konstantne brzine sušenja“ može seizračunati s pomoću izraza:

tX

Am

ddst

s

ukc

rq


gdje je quk ukupna gustoća toplinskog toka dovedenog konvekcijom, kondukcijom i zračenjem, a r (s) latentna toplina ishlapljivanja za ravnotežnu temperaturu vodene površine s.


Gustoća toplinskog toka konvekcijom:

k koeficijent prijelaza topline konvekcijom, ztemperatura toplog zraka a p temperatura površine materijala

pzkk q


Gustoća toplinskog toka zračenjem:

zr koeficijent prijelaza topline zračenjem od neke vruće površine temperature zr

Gustoća toplinskog toka kondukcijom kroz metalnu stijenku, q :

pzrzrz q

pzλ kq

vt

vt

s

s

k

11

k


gdje su:

k koeficijent prijelaza topline konvekcijom na strani vrućeg zraka koji zagrijava stijenku

s debljina stijenke

s koeficijent toplinske provodnosti stijenke

vt debljina sloja vlažne tvari (materijala)

vt koeficijent toplinske provodnosti vlažne tvari (materijala)


Brzina sušenja c kod prisutne konvekcije, kondukcije i zračenja:

p je ravnotežna temperatura površine materijala

p

pzrzrpzkc

rk


Daltonov zakon ishlapljivanja:

b faktor proporcionalnosti koji ovisi o značajkama strujanja zraka uz površinu vode

ps je parcijalni tlak vodene pare neposredno uz slobodnu vodenu površinu (što je i tlak zasićenja za temperaturu s)

pd je parcijalni tlak vodene pare podalje od slobodne vodene površine.

dsc ppb


Obzirom da postoji veza između pd, ps, xd i xskoristeći poznate jednadžbe:

i

može se napisati i jednadžba prema Lewisu:

Ako se toplina ishlapljivanja dovodi samo konvekcijom

d

dd 622,0

pppx

s

ss 622,0,

ppppx

dsc xx

dsHdsHsHzsH

kc xxppb

r


Iz jednadžbe se vidi da postoji veza između koeficijenta prijelaza topline k i koeficijenta ishlapljivanja :

omjer ( cp / k) naziva se Lewisov faktor ishlapljivanja i koji je za sustav voda-zrak vrlo blizu jedinice, a ovisi o intenzitetu difuzije vodene pare i provođenja topline kroz tanki laminarni granični sloj koji se formira neposredno iznad slobodne vodene površine i kroz koji se toplina prenosi provođenjem a voda difuzijom

sHdsHk

sHz

rxxc

c pp


Iz ovih se jednadžbi može zaključiti da brzina sušenja vlažnog materijala u periodu konstantne brzine sušenja ovisi o koeficijentu prijelaza topline, koeficijentu ishlapljivanja, površini vlažnog materijala, razlici temperaturai razlici sadržaja vlage između vlažne površine i struje zraka.


Temperatura zasićene površine vlažnog materijala približava se temperaturi granice hlađenja vode, ali kada se ne može zanemariti izmjena topline zračenjem sa zagrijanim površinama ili provođenjem kad su čestice u dodiru sa zagrijanom površinom, onda se povećava temperatura površine materijala, povećava se tlak zasićenja ps (krivulja napetosti) i prema tome i brzina sušenja


Dio CDE predstavlja fazu „padajuće brzine sušenja“ (eng. falling-rate period).

Dotjecanjem vode u materijalu više ne može prenositi dovoljno vlage da se cjelokupnapovršina održava zasićenom.


Na nezasićenim dijelovima površine tada se smanjuje brzina sušenja jer parcijalni tlak vodene pare na površini ps postaje manji od psH pa se smanjuje razlika parcijalnih tlakova vodene pare (ps – pd), u unutrašnjosti materijala se javlja gradijent sadržaja vlage, a temperatura materijala na suhom dijelu počinje rasti, pa se toplina prenosi u unutrašnjost.


Točka C u kojoj započinje ta faza naziva se još i kritičnim sadržajem vlage Xkrit.

U točki E površina postaje potpuno nezasićena, a brzina sušenja se još više smanjuje jer dalje ovisi samo o prijenosu vlage i topline kroz suhe površinske slojeve materijala.


Vlage u materijalu ima sve manje te postaje diskontinuirana faza, a slojevi materijala prema unutrašnjosti se sve više zagrijavaju.

Dio CE se obično naziva i „prvom fazom padajuće brzine sušenja“, a DE „drugom fazom“. Sušenje završava u točki D kad se dostigne ravnotežni sadržaj vlage Xr.


Važno je napomenuti da mnogi prehrambeni proizvodi, npr. žitarice, uopće nemaju fazu konstantne brzine sušenja.

Kritični sadržaj vlage nije jednoznačno svojstvo materijala nego ovisi i o brzini sušenja i mora se odrediti eksperimentalno.


U fazi konstantne brzine sušenja vrijeme sušenja t može se izračunati iz jednadžbe:

a u fazi padajuće brzine sušenja:

21c

st XXAmt

1

2

dstX

X XX

Amt


Uz pretpostavku linearne ovisnosti dobiva se:

2,c

1,c

2,c1,c

21st ln

XX

Amt


Primjer 1:

Posuda površine 4 m2 ispunjena je tekućim proizvodom gustoće 1000 kg/m3 i visine 7 mm. Proizvod ima početni sadržaj čvrste tvari 8% i suši se brzinom 420 gw/min.

Potrebno je izraziti brzinu sušenja obzirom na promjenu sadržaja vlage proizvoda!

tehnički procesi sušenja - unizg.hr · 2018-03-23 · kao što su masa, gustoća, viskoznost,...

Documents