Document

KIERUNEK: ENERGETYKA II/3
PRZEDMIOT: SUSZARNICTWO
PROWADZACY: DR INŻ. MAGDALENA ZIELIŃSKA
TEMAT ĆWICZENIA:
BADANIE ZJAWISK TRANSPORTU CIEPŁA I MASY W CZASIE
SUSZENIA ZIARNA ZBÓŻ W ZŁOŻU FLUIDALNO –
FONTANNOWYM
CEL I ZAKRES ĆWICZENIA:
Celem ćwiczenia jest zbadanie kinetyki suszenia oraz zjawisk transportu ciepła i masy
w czasie suszenia ziarna zbóż w złożu fluidalno – fontannowym przy różnych
temperaturach powietrza suszącego.
Do badań wykorzystano dwa rodzaje jęczmienia browarnego:
 Mauritia
 Prestige
MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ:
Metodyka:
Markowski, M., Białobrzewski, I., Modrzewska A. 2010. Kinetics of spouted-bed
drying of barley: Diffusivities for sphere and ellipsoid. Journal of Food Engineering, 96,
380–387.
Zielińska, M., Markowski, M. 2007. Drying Behavior of Carrots Dried in a SpoutFluidized Bed Drier. Drying Technology. An International Journal, 25, 261-270.
MATERIAŁ BADAWCZY:
W celu przeprowadzenia badania użytym materiałem były dwie odmiany jęczmienia
browarnego: Mauritia oraz Prestige o początkowej wilgotności odpowiednio ok. 14% i
15%. Wilgotność podczas badań określono zgodnie z normami PN-91/A-74010 (ISO
712:1985). Początkowo ziarna zostały nawilgocone sztucznie, a następnie
przechowywane w chłodni w temperaturze 10°C.
Porcję ziarna o masie 3,2 kg wyciągano z chłodni na godzinę przed rozpoczęciem badań
w celu doprowadzenia wyrównania temperatury jęczmienia do temperatury otoczenia.
Następnie materiał kierowano do suszarki fluidalno-fontannowej.
22
STANOWISKO DOŚWIADCZALNE
Na Rys. 1 przedstawiono schemat stanowiska doświadczalnego, który wykorzystano do
badań suszenia ziarna jęczmienia browarnego.
Rys. 1. Schemat stanowiska doświadczalnego do suszenia: 1 – wentylator; 2, 15 –
termohigrometry; 3 - zawór regulacyjny przepływu powietrza; 4 – grzałki; 5, 6, 7, 8, 9,
10 – czujniki temperatury; 11 – komora suszarnicza; 12 – skrzynka sterująca; 13 –
regulator temperatury; 14 - anemometr (Zielińska, Markowski 2007).
Z pomieszczenia zasysane było powietrze przez wentylator (1) i następnie przepływało
do komory suszenia (11) przez nagrzewnicę przepływową (4), gdzie następowało
podgrzanie powietrza do wymaganej temperatury. Zawór (3) miał za zadanie regulację
przepływu czynnika suszącego w zależności od danej prędkości przepływu powietrza
przez warstwę suszonego złoża. Podgrzane powietrze z nagrzewnicy (4) przepływało do
komory (11), w której znajdowały się czujniki temperatury (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11). W
skrzynce sterującej (12) umieszczony był regulator temperatury (13). Zadaniem
termohigometrów (2, 15) był pomiar wilgotności i temperatury na wlocie i wylocie do
aparatu, natomiast anemometr (14) służył do odczytu szybkości przepływu powietrza
suszącego na wylocie z kolumny. Dodatkowo stanowisko doświadczalne wyposażone
było w wagę elektroniczną o zakresie pomiarowym od 0 do 5000g oraz komputer, do
którego podłączone były termopary oraz czujniki wilgotności względnej powietrza.
Temperatury mierzono na wlocie i wylocie oraz wewnątrz komory suszenia za pomocą
termopar i termohigrometrów, które miały na celu obserwację zmiany temperatury
podczas suszenia złoża. Komputer, który posiadał specjalne oprogramowanie,
wykonywał funkcje rejestrująco - sterujące podczas doświadczenia.
23
Na Rys. 2. przedstawiono rozmieszczenie siedmiu termopar w różnych punktach
pomiarowych oraz dwóch czujników.
Rys. .2. Schemat suszarki fluidalno – fontannowej z rozmieszczeniem termopar
i czujników (Zielińska, 2005).
Na Rys. 2 zaprezentowano schemat budowy komory suszarniczej z rozmieszczeniem
termopar i czujników. Komora była przezroczysta i umożliwiała obserwację ruchu złoża
podczas doświadczenia. Komora suszarnicza miała wymiar HK = 1m. Sitowe dno
komory posiadało oczka o średnicy 4 mm. W dolnej części komory umieszczono
element stożkowy (dyfuzor) o wysokości HD = 250 mm. Średnica wewnętrzna
przewodu wynosiła DC = 90 mm, którym doprowadzano czynnik suszący do komory
suszarniczej o średnicy wewnętrznej DA = 180 mm. Wysokość fontanny wynosiła HF =
0,35m ± 0,1m, natomiast wysokość złoża wynosiła HZ = 0,2 m ± 0,02m.
PRZEBIEG EKSPERYMENTU
Przed wykonaniem eksperymentu odmierzono porcję zboża, do której dodano
wyliczoną wcześniej już masę wody w celu uzyskania pożądanej wilgotności złoża.
Wilgotność początkową ziarna zgodnie z PN-91/A-74019 określono podczas jego
suszenia w temperaturze 105°C metodą suszarkową przez okres około 2 h. Następnie
tak wysuszone ziarno pozostawiano w eksykatorze na około 20 min w celu wyrównania
wilgoci w ziarnie. Po wyznaczonym czasie ważono je na wadze laboratoryjnej.
Początkowa masa dwóch próbek wynosiła 5 g.
24
W tym samym momencie przeprowadzano rozgrzewanie suszarki do odpowiedniej
temperatury powietrza suszącego, która odpowiednio wynosiła 30°C, 40°C, 50°C, i
60°C, ładowano zboże i zaczynano pomiary.
W trakcie przeprowadzania eksperymentu mierzono:
1. przepływ powietrza suszącego na wlocie i wylocie z kolumny;
2. wysokość złoża, wysokość fontanny;
3. ciśnienie całkowite, dynamiczne i statyczne z U-rurki;
4. ciśnienie atmosferyczne.
Po zakończeniu pomiarów wilgotność końcową określono metodą wagową, susząc dwie
próbki złoża przez okres około 1,5 h o wadze 5g każda.
METODYKA OBLICZEŃ:
Na podstawie uzyskanych wyników obliczano takie dane jak:
1. gęstość powietrza suszącego,
2. objętościowe natężenie przepływu powietrza suszącego,
3. wilgotność ziarna na podstawie bilansu masowego wilgoci,
4. szybkość suszenia.
Gęstość powietrza suszącego obliczono ze wzoru (2), objętościowe natężenie
przepływu powietrza (3), wilgotność ziarna na podstawie bilansu masowego wilgoci
oraz szybkość suszenia ze wzoru (4.6).
Wyniki dotyczące gęstości ziarna (ρz) i jego średnicy zastępczej (dp) oraz gęstości złoża
(ρzł) i jego porowatości (ε), przeprowadzone przez Markowskiego i in. [2007],
wykorzystano w niniejszej pracy.
Pomiar czasu suszenia
Czas mierzono w odstępach co 20 sekund od momentu rozpoczęcia procesu suszenia w
suszarce fluidalno – fontannowej.
Temperatura powietrza:
Temperaturę powietrza na wlocie do kolumny (Tin) obliczono ze wzoru:
Tin  Tzm  100  40 ,
(1)
gdzie: Tin – temperatura powietrza na wlocie do kolumny, K; Tzm – temperatura
zmierzona odczytana z termohigrometru podczas przepływu powietrza przez kolumnę.
Gęstość powietrza suszącego
Gęstość powietrza suszącego
z równania:
 air,in 
Patm  28,96
,
8314  Tin
(ρair,in)
na
wlocie
do
kolumny
wyznaczono
(2)
gdzie: ρair,in - gęstość powietrza suszącego na wlocie do aparatu, kg/m3; Patm – ciśnienie
atmosferyczne, Pa.
25
Objętościowe natężenie przepływu powietrza suszącego
Objętościowe natężenie przepływu powietrza suszącego
do kolumny obliczono ze wzoru:
Vin  uin  Ain ,
(Vin)
na
wlocie
(3)
gdzie: Vin - objętościowe natężenie przepływu powietrza suszącego na wlocie
do aparatu, m3/s; uin – prędkość powietrza na wlocie do kolumny suszarki, m/s;
Ain – pole powierzchni wlotu do kolumny suszarki, m2.
Zakładając, że prędkość przepływu powietrza w przekroju całej kolumny jest taka sama,
mierzono anemometrem prędkość przepływu powietrza na wylocie z komory trzy razy,
uznając ich średnią za pomiar prędkości przepływu czynnika suszącego
na wlocie do aparatu.
Pole powierzchni aparatu (Ain) na wlocie do komory suszarki odpowiadało kołowej
strukturze. Zatem korzystając ze wzoru na pole powierzchni koła można obliczyć:
Ain    (0,5  d w ) 2 ,
(4)
gdzie: dw – średnica wewnętrzna przekroju kolumny, przez które przepływało suszone
powietrze, m.
Bilans masowy wilgoci oraz prędkość suszenia
Bilans masowy wilgoci oraz prędkość suszenia wyznaczono na podstawie równań (5)
oraz (6):
du
 ms  Y   air,in  Vin
dt
(5)
Y  Yout  Y0 ,
(6)
gdzie: du/dt – szybkość suszenia, 1/s; ms – masa suchej substancji, kg; Yout – wilgotność
powietrza na wylocie z kolumny, kg/kg; Y0 – początkowa wilgotność suszonego
powietrza, kg/kg.
Znając zawartość wody oraz masę złoża obliczono ubytek wody po wysuszeniu
materiału w suszarce fluidalno – fontannowej.
Masa suchej substancji ms wynosiła: 2,9664 kg.
26
Zawartość wilgoci w powietrzu na wlocie (Y0) oraz wylocie (Yout) kolumny obliczono z
równania:
PV
,
(7)
Y  0,62198
Patm  PV
gdzie: Y – zawartość wilgoci w powietrzu, kg/kg; PV – ciśnienie cząstkowe pary
wodnej, kPa; Patm – ciśnienie atmosferyczne, kPa.
Wilgotność względna powietrza (φ) zależy od ciśnienia cząstkowego pary wodnej (PV)
oraz ciśnienia nasycenia (PS):
P
(8)
 V .
PS
gdzie:
17,2693882  t
),
t  273,30
przy czym 0t100C.
PS  0,61078 exp(
(9)
Pomiar wilgotności względnej powietrza odbywał się poprzez wykorzystanie
elektronicznego termohigrometru.
Przekształcając ostatecznie wzór (7), podstawiając (8) otrzymamy:
PS  
.
Y  0,62198
Patm  PS  
(10)
Początkową zawartość wody (u0) materiału suszonego wyznaczono ze wzoru:
wo
,
(11)
u0 
100  wo
gdzie: w0 – wartość początkowa wilgotności zaczerpnięta z przeprowadzanych
badań, %.
Zawartość wody w materiale suszonym:
Zawartość wody (u ) obliczono z równania:
t
du
u  u 0   dt ,
dt
t0
(12)
gdzie: u – zawartość wody w materiale suszonym, kg/kg; u0 – zawartość początkowa
wody w materiale suszonym, kg/kg; t0 – czas na początku procesu suszenia, s; t – czas
następny podczas procesu suszenia, s.
Metoda trapezów
Metodę trapezów można wykorzystać do obliczenia całki oznaczonej jako pola pod
krzywą. Obszar dzieli się na n trapezów i sumuje się ich pola. Pole trapezu:
P=1/2*(a+b)*h
27
KIERUNEK: TRiL II/3
PRZEDMIOT: Technologia Żywności
PROWADZACY: DR INŻ. MAGDALENA ZIELIŃSKA
TEMAT ĆWICZENIA:
BADANIE ZJAWISK TRANSPORTU CIEPŁA I MASY W CZASIE
SUSZENIA ZIARNA ZBÓŻ W ZŁOŻU FLUIDALNO –
FONTANNOWYM
CEL I ZAKRES ĆWICZENIA:
Celem ćwiczenia jest zbadanie kinetyki suszenia oraz zjawisk transportu ciepła i masy
w czasie suszenia ziarna zbóż w złożu fluidalno – fontannowym.
Metodyka wg:
Markowski, M., Białobrzewski, I., Modrzewska A. 2010. Kinetics of spouted-bed
drying of barley: Diffusivities for sphere and ellipsoid. Journal of Food Engineering, 96,
380–387.
Zielińska, M., Markowski, M. 2007. Drying Behavior of Carrots Dried in a SpoutFluidized Bed Drier. Drying Technology. An International Journal, 25, 261-270.
Należy obliczyć liczbę Nusselta dla zjawiska wymiany ciepła oraz liczbę Sherwooda
dla zjawiska wymiany masy z następujących wzorów:
(1)
Nu  a( Peh ) b ( H / d p ) c
Sh  d ( Pem ) e ( H / d p ) f
(2)
gdzie: a, b, c, d, e, f – stałe; Peh – liczba Pecleta dla zjawiska wymiany ciepła [-];
Pem – liczba Pecleta dla zjawiska wymiany masy [-]; H – wysokość złoża [m];
dp – rozmiar cząstki [m].
Wielkości stałych w równaniu 1 i 2 zaczerpnięto z literatury. Przyjęto,
że stałe (zależące m.in. od kształtu suszonych cząstek) wynoszą odpowiednio: a =0,743;
b= 1,100; c= - 1,35; d= 0,172; e= 1,100; f= - 0,98.
Liczba Pecleta dla zjawiska wymiany ciepła wynosi:
d p v   Cp
Peh 
K
natomiast dla wymiany masy:
dp v
Pem
D
(3)
(4)
28
gdzie: v – prędkość przepływu powietrza [m/s]; Cp – ciepło właściwe powietrza
[J/kgK]; K – przewodność cieplna powietrza [J/smK]; D – współczynnik pary wodnej
w powietrzu [m2/s].
Ciepło właściwe powietrza należy przyjąć jako równe 2020 J/kgK.
Średnicę zastępczą ziarna dp należy przyjąć jako równą 4,47 mm.
Zgodnie z danymi literaturowymi przewodność cieplną powietrza (K) można wyrazić
równaniem:
(5)
K  0,697  10 4 T  0,02367
gdzie: T – temperatura powietrza, K.
Wartości współczynnika dyfuzji pary wodnej w powietrzu (D) w zakresie temperatur 20
- 90°C można obliczyć ze wzoru:
D  0,083
9,82  10 4  T 


3600  Patm  273 
1,81
(6)
W celu wyznaczenia współczynników wnikania ciepła (hT) oraz masy (hm) korzystamy
z równań kryterialnych pozwalających obliczyć wartości liczby Nusselta oraz
Sherwooda:
hT  d p
(7)
Nu 
K
hm  d p
(8)
Sh 
D
29