BUDAPESI MŰSZAKI ÉS AZDASÁUDOMÁNI EEEM ÉPÉSZMÉRNÖKI KAR Épületgépészeti és épészeti Eljárástechnika anszék Dr. Örvös Mária - Dr. Poós ibor DIÚZIÓS ELJÁRÁSOK ÉS BERENDEZÉSEK I. RÉSZ (Szárítás) Budapest, 2015.
artalomjegyzék 1. Bevezetés, a szárítás fajtái 4 2. Alapfogalmak 5 2.1. A száradó anyag jellemzői 5 2.2. A szárító gáz jellemzői 7 2.3. Szorpciós izoterma 13 2.4. Adiabatikus telítési hőmérséklet 15 2.5. Nedves hőmérő hőmérséklet 17 3. Szakaszos konvekciós szárítás 21 3.1. Elosztott paraméterű leírás 21 3.2. Koncentrált paraméterű leírás 26 3.2.1. Száradási jellemzők 27 3.2.2. Száradási idő 31 3.2.3. Külső fűtés és hőveszteség hatása a száradási időre 33 4. olyamatos szárítás 37 4.1. Szárító fő méretének meghatározása hőmérséklet hajtóerővel 39 4.1.1 A szárító hossza az állandó száradási sebesség szakaszán 41 4.1.2. A szárító hossza a csökkenő száradási sebesség szakaszán 42 4.2. Szárító fő méretének meghatározása gáz-nedvességtartalom hajtóerővel 43 4.3. olyamatos szárító modellezése konvektív és kontakt hőközlés esetén 44 4.4. Porlasztva szárító magasságának meghatározása 48 5. Átáramlásos szárító 51 6. Szárító kialakítások 56 6.1 Atmoszférikus konvekciós szárítók 57 6.2. Dobszárítók 64 6.3. luidizációs és pneumatikus szárítók 69 6.4. Porlasztó szárítók 72 6.5. Atmoszférikus kontakt szárítók 73 7. Irodalomjegyzék 77 Az ábrákat Kopasz Árpád gépészmérnök hallgató készítette 2
Jelölések A - felület A é - érintkező felület A 0 - üres keresztmetszet a - fajlagos érintkező felület a - hőfokvezetési tényező c - fajhő d - átmérő D - készülék átmérő D p -porlasztó fúvóka jellemző méret D - diffúziós tényező h - fajlagos entalpia H - hosszúság H U - átviteli egység-magasság - entalpia j - áram-sűrűség k c - anyagátadási tényező l -jellemző méret L - hosszúság m - tömeg - tömegáram M - móltömeg n - darabszám N - száradási sebesség H m Indexek a - anyagra utaló at - adiabatikus telítési áll - állandó e - egyensúlyi é - érintkező kt - kontakt kv - konvektív kr - kritikus K - külső oldal n - nedves na - nedves anyag n - nedves gáz S -száraz -gáz P - állandó nyomásra utaló - felületi érték 0-0 C-ra utaló t - telítési N U p - átviteli egység-szám - parciális nyomás P - össznyomás q - hőáram-sűrűség r - fázisváltozási hő r k - kapilláris sugár R - univerzális gázállandó U - hold-up - hőmérséklet t - idő V - térfogat v - sebesség Z - deszorpciós zóna magasság X - száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom x - nedves anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom - gáz abszolút nedvességtartalom -a - gáz és anyag között -fal - gáz és fal között fal-a - fal és anyag között * - egyensúlyi von - vonatkoztatási L - folyadék m - tömegre utaló n - nedves q - hőre utaló v - gőzre utaló Dimenziótlan szimplexek Le Nu Sh Sc Pr Re - Lewis-szám - Nusselt-szám - Sherwood szám - Schmidt-szám - Prandtl-szám - Reynolds-szám örög betűk m L - hőátadási tényező - sűrűség - relatív nedvességtartalom - párolgási tényező - forrás-erősség - felületi feszültség - kinematikai viszkozitás - hővezetési tényező - vastagság 3
1. Bevezetés Különböző gyártási, feldolgozási folyamatok során számos esetben fordul elő az anyag nedvességtartalmának csökkentése. Ez, a nedvesség kötési formájától, az anyag szerkezetétől, a nedvesítőszer jellemzőitől függően különböző módszerrel lehetséges. A nedvességtartalom csökkentés megvalósítható mechanikai eljárással is (pl. szűrés vagy préselés alkalmazásával). Szorosabb értelmezés szerint, szárítás alatt azt az egyidejű hő- és anyagátadással járó folyamatot értjük, amikor hőközlés hatására a nedvesség gőze diffúzióval távozik a hordozó és a hőt közvetítő közegbe. A szárítási feladatok jelentős részében a nedvesítő közeg víz és a hőt közvetítő közeg levegő. Ezekben az esetekben a művelet levegő vízgőz - víz rendszer jellemzőin keresztül vizsgálható. A nedvesség eltávolítása, a folyadék fázisú nedvesség mozgása, valamint a nedvesség gőzének eltávolítása nagymértékben függ a nedvesség kötési formától, azaz a száradó anyag szerkezeti tulajdonságaitól (miko-, makrokapilláris jellegétől). A szárítás a termikus és diffúziós eljárások tekintetében az egyik leginkább energiaigényes művelet. A feladat szempontjából szükséges nedvesség-tartalom csökkentést a lehető legkedvezőbb energia felhasználással kell megoldani. Ennek érdekében a művelet alapos ismeretére, a hő átszármaztatásának leírása, a nedvesség diffúziójának és kötési fajtáinak figyelembe vétele szükséges. A száradási folyamat vizsgálata több jelenség egyidejű ismeretére épít. Szükség van a száradó anyagon belüli folyadék és gőz halmazállapotú nedvesség mozgásának ismeretére, a hőközlés különböző formáinak ismeretére, valamint a hőátadás, az anyagátadás és az impulzus átadás között kapcsolat, az ún. analógia ismertére. Ezek felhasználásával lehetőség nyílik a száradás jellemzőinek, a szárítási időnek, a száradó anyagon belüli hőmérséklet- és nedvességtartalomeloszlásának, szárító berendezés fő méreteinek valamint a szárítás energiaszükségletének meghatározására. 4
2. Alapfogalmak A szárítás definiciója értelmében hőközlés hatására nedvesség eltávolítását végezzük, amely során a nedvesség gőze diffúzióval a hordozó (a szárító) gázba diffundál. A nedvesség lehet víz vagy oldószer, amely hőközlés következtében, fázisváltozás után távozik el a száradó anyagból. A fázisváltozás folyadék és gőz halmazállapot közötti változással (párolgással) jöhet létre. A szárítás egyik speciális eseténél az ún. fagyasztva szárításnál (liofilizálásnál) a nedvesség szilárd fázisban van jelen a száradó anyagban és a hőközlés hatására a műveleti nyomás és hőmérsékletnek megfelelően szublimációval megy végbe a fázisváltozás. A szárítási műveleteket csoportosíthatjuk a hőmérséklet nagyságának, a nyomás értékének, a hőáram irányának, a szárító kialakításának megfelelően. Kishőfokú szárításnak nevezik általában azt a szárítást, amelynél a száradó anyag hőmérséklete lényegesen kisebb, mint a nedvességnek az össznyomáshoz tartozó telítési hőmérséklet. Nagyhőfokú szárításnak nevezik azt a szárítást, amelynél a száradó anyag hőmérséklete megközelíti az össznyomáshoz tartozó telítési hőmérsékletet (pl. víznedves anyagok szárításánál a víz forrpontja). yakori eset pl. füstgázzal történő szárítás vagy kontakt-konvektív hőközlés egyidejű alkalmazása. A hőáram iránya szerint megkülönböztethetünk: Közvetlen vagy konvekciós szárítás. Ezekben az esetekben a hőt hordozó közeg (általában levegő vagy gáz) a hőt konvektív hőközlés útján adja át a száradó anyagnak. A művelet során a jellemző hőáram és a párolgás során létrejövő anyagáram iránya ellentétes. Közvetett vagy kontakt szárítás esetén a hő közvetítése valamilyen érintkező felületen (pl. fűtött felületen) keresztül történik. A párolgás ezen a felületen nem jöhet létre, a diffundáló nedvesség gőzök csak a fűtött felülettel nem érintkező részen távozhatnak, ezért ebben az esetben a száradást jellemzően meghatározó hőáram és anyagáram iránya megegyező. Egyes szárítási eseteknél a kontakt és konvektív hőközlés együttesen is megtalálható pl. köpenyoldalról gőzzel fűtött szárítódobok esetében, ahol a dob belső oldalán haladó száradó anyag szárítógázzal is érintkezik. A szárítás történhet atmoszferikus körülmények között vagy vákuumban. Ennek megfelelően a szárítók ily módon is megkülönböztethetők. 2.1.A száradó anyag jellemzői A száradó anyagban a nedvesség előfordulhat szilárd, folyadék vagy gőz halmazállapotban. Hőközlés hatására a nedvesség pl. folyadék fázisú nedvesség gőz halmazállapotba kerül (párolgás), vagy szilárd halmazállapotú nedvesség gőz halmazállapotba kerül (szublimáció). A legjellemzőbb szárítási esetekben a nedvesség folyadék fázisban van jelen, ezért a továbbiakban a folyadék fázisú nedvesség jellemzésével foglalkozunk. A száradó anyagban előforduló gőz állapotú nedvesség tömege elhanyagolható az egyéb formájú nedvesség mellett. A száradó anyagok belső pórus-szerkezetűket tekintve igen különbözőek lehetnek, ezért a nedvesség kötési formája is változó. Ez a kötés erősen befolyásolja a szárítás lefolyását. Azokban az esetekben, amikor a nedvesség és a szilárd anyag kapcsolódása erős, a nedvesség nehezen távolítható el, a száradás hőszükségletete, a szárítás ideje is nagyobb, 5
mint gyenge kötést mutató szilárd anyag nedvesség anyagpár esetén. A száradás leírásához ezen tulajdonságok ismerete elengedhetetlen. A kötés jellemzésére az ún. szorpciós tulajdonságok ismerete szükséges, melyek leírását a későbbiek során tárgyalt szorpciós izoterma című fejezet tartalmazza. A száradó anyagban a nedvesség alapvetően három kötési formája fordulhat elő: a./ felületi vagy szabad nedvesség, b./ kötött nedvesség, amely - kapillárisan kötött vagy - sejt nedvesség formájában lehet jelen. Az anyagokban lévő vegyületekben kötött nedvesség eltávolítása nem tartozik a jelenleg tárgyalt szárítás témaköréhez. A felületen tapadó felületi vagy szabad nedvesség a száradó anyag külső felületén összefüggő filmet képez. A szárítóközeggel érintkező teljes felületen ilyen esetben, a gőznyomás a telített gőz nyomásával megegyezik: pv = pvt. A nedvesség kötését alapvetően a kohéziós erők jelentik. A kapillárisan kötött nedvesség eltávolítása esetén a szárításhoz szükséges energiát a kapilláris erőkkel szemben kell kifejteni. A száradó anyag szerkezetét leggyakrabban kapillárisok képezik. A felületi nedvesség eltávozása után a felületi nedvességnél kisebb nedvességtartalom tartományban - a nedvesség a kapillárisokban van jelen a fel. Ilyenkor pl. a folyadék fázisú nedvesség a hő hatására a kapilláris belsejében alakul át gőz fázissá. A nedvesség mozgását a kapillárisokon belül a folyadék- és a gőzdiffúzió egyaránt jellemezheti. Az anyagon belül a kapillárisok méretüket, alakjukat és egymáshoz történő kapcsolódásukat tekintve igen bonyolult és összetett szerkezetet mutathatnak, ezért a belső szerkezet pontos leírása meglehetősen nehézkes. Különböző modellek léteznek a belső pórus szerkezet modellezésére [1], itt azonban csak a jellemző méretük szempontjából különböztetjük meg a kapillárisokat. - Mikrokapillárisnak nevezzük rk < 10-7 m jellemző sugarú kapillárisokat. Ennél a kapilláris méretnél a kapilláris erő jelentős. A kapilláris belsejében a folyadék felszín nem tekinthető sík felületnek, ezért a folyadék felszínen bekövetkező párolgó felületen pv < pvt. - A makrokapillárisok jellemző sugara rk > 10-7 m. Ezekben az esetekben a kapilláris erő nem jelentős, a párolgó folyadék felszínen pv = pvt gőznyomás feltételezhető. Szokás ezeket az anyagokat nem higroszkópos anyagoknak is nevezni. A sejtekben lévő nedvesség más típusú, mint az előbb említettek. Ott ugyanis a nedvesség az anyag, vagy a kapilláris felületét borította, míg itt a szilárd vázszerkezet közötti szabad teret tölti ki. Ilyen nedvesség felvétele az anyag térfogatának változásával, duzzadással jár, a kötés tehát kolloidális természetű. A folyadékrészeket elválasztó falak mind a folyadékot, mind pedig azok gőzeit áteresztik. A száradás kezdetén nagy nedvességtartalom esetén, korrektebben a kritikus nedvességtartalomnál nagyobb anyag nedvességtartalom esetén a felszínen bekövetkező párolgásnál pv = pvt() azaz 1 feltételezhető, a száradó anyag nem higroszkópikus tulajdonságúnak nevezhető. A kritikus nedvességtartalomnál kisebb nedvességtartalom tartományában az anyag higroszkópikus jelleget mutat, pv < pvt(), azaz < 1. 6
A szárítás műveleténél többfajta nedvességtartalom megadás használatos. A nedves anyag tömege felírható a nedvesség és a száraz anyag tömegének összegeként: m m m (2.1) na yakran alkalmazzák a nedves anyagra vonatkozatott nedvesség-tartalmat: ml ml x kgnedvesség m m m kgnedvesanyag na L S L E nedvességtartalom értéke a definiáló összefüggés szerint 0-1 között változhat, ezért szokás ezt a nedvességtartalmat százalékos értékben is megadni. Száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalomként értelmezik S (2.2) m X m L S kgnedvesség kgszárazanyag (2.3) kifejezést, mely érték 0 - között változhat. A kétfajta nedvességtartalom közötti kapcsolat (2.1) (2.2) felhasználásával felírható az alábbiak szerint: x X 1 X X x 1 x 2.2. A szárító gáz jellemzői A szárítási feladatoknál a szárítógázban a nedvesség gőze különböző mértékben van jelen, ezért a szárítógáz jellemzése gőz-gáz elegy jellemzésére vezethető vissza. Az íly módon értelmezett gőz-gáz keverékben elméletileg egyidejűleg jelen van a nedvesség nélküli gáz és a nedvesség gőze. Abszolút nedvességtartalom Különböző fázisok érintkeztetése esetén a könnyű fázis koncentrációjának jellemzésére - szárításnál, a gáz nedvességtartalmának jellemzésére - y, jelölést alkalmazzuk. A gázban lévő gőz halmazállapotú nedvesség száraz gázhoz viszonyított arányát m a gáz abszolút nedvességtartalmának nevezzük. mv kgnedvesség kgszárazgáz (2.4) Relatív nedvességtartalom A gázban lévő nedvesség parciális nyomásának és az ugyanolyan hőmérsékletű telítési gőznyomásnak a hányadosát a gáz relatív nedvességtartalmának nevezünk. hőmérsékletű gázban lévő molekuláris eloszlású gőz parciális nyomása: p R, valamint a maximális telítettségű gőz parciális gőznyomása: p vt R vt v v v v 7
A relatív nedvességtartalom: v v (2.5) vt p p vt v =1 <1 pvt pv 2.1. ábra A relatív nedvességtartalom értelmezése A gáz abszolút és relatív nedvességtartalma közötti kapcsolat megteremthető az általános gáztörvény felírásával: m száraz gázra: p V R (2.6) M mv a nedvesség gőzére: pvv R (2.7) M v (2.4), (2.6), (2.7) felhasználásával: M v pv (2.8) M p A Dalton- törvény értelmében: P p v p a gáz abszolút nedvességtartalma (2.8) és (2.5) összefüggések felhasználásával: M v pv M v pvt M P pv M P pvt Levegő-vízgőz rendszer esetén: M v = 18 kg/kmol M = 29 kg/kmol. (2.9) ajlagos entalpia A szárítógáz entalpiája a gőz-gáz keverék entalpia értelmezésével: H H H v m h mv hv (2.10) Száraz gáz fajlagos entalpiája: 8
h P von) c (2.11) hv hv r0 rt telített folyadék =0 t 2.2. ábra Entalpia- hőmérséklet diagram A nedvesség gőzének fajlagos entalpiája 2.2. ábra alapján: hv cpl ( t von ) rt cpv ( t ) r0 cpv ( von ) (2.12) A szárítási feladatok többsége 0 C-nál nagyobb hőmérsékletű gázzal történik, ezért von =0 C (2.10) egyenletből (2.11), (2.12) és (2.4) felhasználásával gőz-gáz keverék fajlagos entalpiája: H h h hv cp ( r 0 cpv ) (2.13) m h c r c r ( c c (2.14) P 0 Pv 0 P Pv ) Nedves gáz fajhőjeként definiálható c n c c kifejezéssel a fajlagos entalpia: P Pv h r0 c (2.15) n Vízgőz tartalmú levegő esetén a nedves levegő fajhője közelítően c n 1kJ / kg/ K, o 20 150 C hőmérséklet és 3 20 g/kg nedvességtartalom tartományban. (2.14) egyenlettel értelmezett fajlagos entalpia a telítetlen gőz-gáz keverék tartományát, tartományt írja le helyesen. >tartományban a gázban lévő nedvesség folyadék formájában van jelen. Az ún. ködtartományban, ahol > t, a fajlagos entalpia az alábbi összefüggéssel határozható meg: h cp t r0 t cpv ( t ) cl (2.16) 9
(2.14) és (2.16) egyenlettel definiált egyenletek h = f(,) kapcsolatot írják le, amely megjeleníthető az ún. Mollier-diagramon is. 2.3. ábrán, különböző hőmérséklet állandók esetén láthatók a (2.14) egyenlettel értelmezett entalpia értékek. Ennél az ábrázolásmódnál a = állandó vonalak nem párhuzamosak, mint azt (2.14) összefüggés is mutatja. A Mollier-diagram szerkesztésénél =0 C izotermát az abszcissza tengelybe forgatva h = állandó értékek is elfordulnak. 2.4. ábrán a diagram elvi felépítése látható. A telítetlen gőz-gáz keverék tartományában értékig az entalpia, hőmérséklet és nedvességtartalom értékek (2.14 ) (2.15 ) egyenletekkel írhatók le. >tartományban az izotermák meredeksége (2.16) egyenlet értelmében megváltozik. A telítetlen tartományban a gőz izotermák iránytangense: h áll r c h 0 Pv v (2.17) A köd tartományban: h áll c P c Pv c n (2.18) h áll c L h L (2.19) h h2=áll 2=áll 1=áll h1=áll =0 2.3. ábra ajlagos entalpia és az abszolút nedvességtartalom kapcsolata r0 10
3=áll h h=áll =1 3 2 1 1=áll 2=áll P=áll 2.4. ábra Mollier-diagram elvi felépítése 2.5.ábra Nedves levegő entalpia-koncentráció diagram P= 1 bar nyomáson Műveletek entalpia-koncentráció diagramon ázok keverése A szárítót elhagyó gáz számos esetben jelentős hőtartalommal rendelkezik, további szárításra, kisebb nedvességtartalmú gázzal keverve még felhasználható. A 2.6. ábrán látható 1 és 2 ágakra felírható száraz gáz tömeg (áram) egyenlet: m 1 m 2 m 3 (2.20) a nedvesség mérleg egyenlet: m 1 1 m 2 2 m 3 3 (2.21) 11
az entalpia mérleg egyenlet: m 1 h1 m 2 h2 m 3 h3 (2.22) (2.20) felhasználásával (2.21) és (2.22) egyenletek: m ) m ( ) (2.23) m 1( 1 3 2 3 2 1( h1 3 2 3 h2 (2.24) egyenletet (2.23) egyenlettel elosztva: h ) m ( h ) (2.24) h1 h3 1 3 h 3 3 h 2 2 (2.25) Két különböző állapotú gáz keverésével (2.25) egyenlet és 2.6. ábra alapján látható, hogy a 3 keverék pont az 1 és 2 pontokat összekötő egyenesen, a tömeg (áramok) arányának megfelelően helyezkedik el. 1 3 h 3 1 h1 2 =1 m1 1 h1 2 m2 2 m3 3 h3 1 3 h3 h2 h2 1 3 2 2.6. ábra Mollier diagramon a keverési pont ázok nedvesítése Számos szárítási feladatnál a szárítógázt nedvesíteni kell például annak érdekében, hogy a száradó anyag felületén a repedések kialakulását elkerüljük. Permetezzünk m1 tömegű, 1 nedvességtartalmú és h1 fajlagos entalpiájú levegőbe ml tömegű, hl fajlagos entalpiájú nedvességet. A nedvesítés utáni gáz tömege m3, nedvességtartalma 3, entalpiája h3. Erre a nedvesség bepermetezési esetre felírható: a száraz gáz tömeg mérleg egyenlete: m 1 0 m 3 (2.26) a nedvesség mérleg egyenlete: m 1 1 ml m 3 3 (2.27) az entalpia mérleg egyenlet: m 1 h1 ml hl m 3 h3 (2.28) (2.26) (2.28) egyenletek segítségével h1 h3 hl cl (2.29) 1 3 12
ázok hűtése (harmatpont) Harmatpont alatt valamely abszolút nedvességtartalmú gáznak (levegőnek) azt a hőmérsékletét értjük, amelynél az, hűtés következtében telítetté válik. Ha ezt a levegőt a telítési (harmatponti ) hőmérséklet alá hűtjük, akkor abból folyadék válik ki köd formájában. Adott telítetlen állapotú gáz harmatponti hőmérséklete a Mollier-diagramon, az állandó abszolút nedvességtartalom mellett - = ig - történő hűtéssel határozható meg. 2.3. Szorpciós izoterma, egyensúly Szárítás során az anyag különböző kötési formájú nedvességtartalmát távolíthatjuk el. Az, hogy milyen típusú nedvesség eltávolítása történik szárításkor, nem csak az anyag tulajdonságaitól függ, hanem az anyag kezdeti és szárítás utáni nedvességtartalmától is. Elég nagy kezdeti nedvességtartalom esetén majdnem minden anyag nem-higroszkóposként viselkedik, majd a szabad nedvesség elpárolgása után kezdenek a higroszkópos anyagra jellemző jelenségek mutatkozni. Ha higroszkópos anyagot gőzzel hozunk érintkezésbe az bizonyos mennyiségű gőzt megköt a felületén, adszorbeál. Hosszú idő (elméletileg végtelen idő) múlva beálló állapotot egyensúlyi állapotnak nevezzük. Az egyensúlyi állapot itt is, mint fázisok közötti egyensúlyi állapotnál minden esetben, dinamikus egyensúly: kezdetben telítetlen higroszkópikus anyagon gőzmolekulák kondenzálódnak, ugyanakkor a lecsapódott nedvességből párolgással gőzmolekulák lépnek ki. elítetlen anyagnál a kondenzálódó nedvesség még nagyobb, mint az elpárolgó, így az anyag egyre nedvesebb lesz. Amint az anyag nedvesedik (telítődik), egyre kisebb a különbség a lecsapódó és az elpárolgó molekulák száma között. Az egyensúlyi állapot az, ahol ez a két mennyiség azonos. Az ilyen anyag telített, a művelet neve: adszorpció. Ha telített nedves anyagot száraz vagy eléggé száraz gázba helyezzük, az anyag mindaddig nedvességet fog leadni (száradni fog), amíg a környezetében a gőz parciális nyomása el nem éri az anyag belsejében uralkodó gőznyomást. Ez a művelet a deszorpció vagy szárítás. Az anyag ilyen nedvességtartalma az egyensúlynak megfelelő, egyensúlyi nedvességtartalom. Az anyag ilyen egyensúlyi nedvességtartalma (X * ) és hőmérsékletéhez tartozó ( pv ) egyensúlyi gőznyomás közötti összefüggést ábrázoló kapcsolat az ún. szorpciós izoterma. A gyakorlatban az egyensúlyi gőznyomás helyett pv f ( X ) kapcsolatot ábrázoló görbét értelmezik szorpciós izotermaként. A pvt szorpciós izoterma tehát azokat az anyag nedvességtartalmakat tartalmazza, amelyekre az adott hőmérsékletű és relatív nedvességtartalmú gázzal az anyag kiszárítható. A száradó anyag száradás során elérhető végső nedvességtartalmát, az anyag nedvesség kötési tulajdonságai, valamint a szárítógáz állapotjelzői befolyásolják. Ugyanolyan szorpciós jellemzőkkel rendelkező anyag kiszáríthatósági határa a szárítógáz hőmérséklete és nedvességtartalma szerint különböző lehet. Egyensúlyi nedvességtartalom alatt, * m L X *, m az adott állapotjelzőjű (, ) gázzal a száradás során nedvességtartalmat értjük. S t esetben elérhető 13
A szorpciós izoterma elméleti úton történő leírására számos módszer ismeretes [1], azonban a száradó anyagok belső szerkezetének leírásában rejlő nehézségek miatt leggyakrabban a kísérleti módszerekkel meghatározott szorpciós izotermákat alkalmazzuk. A szorpciós izoterma meghatározásának kísérleti módszereire [1] számos módszert ismertet. 2.8. ábrán különböző anyagok kísérleti módszerekkel meghatározott szorpciós izotermái láthatók. kapilláris nedvesség felületi nedvesség 2=áll 1=áll X2* X1* Xkr X 2.7. ábra Szorpciós izoterma fi [%] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 tojás 2 kávé 3 tőkehal 0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,2 0,24 X [kg/kg] fi [%] 100 90 80 70 60 50 40 =5 oc 30 =30 oc 20 =50 oc 10 0 0 0,0,4 0,08 0,12 0,16 0,2 0,24 0,28 X [kg/kg] 1. tojás 10 C-on; 2. kávé 10 C-on ; 3. tőkehal 30 C-on Kukorica szorpciós izotermái különböző hőmérsékleteken 2.8. ábra néhány anyag szorpciós izotermája 14
2.4. Adiabatikus telítési hőmérséklet Vizsgáljuk meg nedvesség párolgását telítetlen gázba olyan esetben, amikor a rendszerrel sem hőt nem közlünk, sem hőt nem vonunk el. A művelet során a nedvességet bepermetezéssel juttatjuk a gázba. Az adiabatikus telítődés jelenségét levegő-víz rendszerre vizsgálva, a 2.9. ábra jelöléseinek megfelelően, víz bepermetezéssel mindig található olyan eset, amelynél a levegő telítetté válik és hőmérséklete a bekevert vízével azonos. Ez a hőmérséklet 1 telítési görbén található. Modellezzük a jelenséget az alábbi ábrán látható rendszerrel, ahol az 1 állapotú telítetlen gázba nedvesség bepermetezése történik. A nedvesség bekeverés hatására a gáz telítődik és a 2 állapotú pont a telítési görbére esik. Ennek hőmérséklete lehet kisebb vagy nagyobb hőmérsékletű, mint a bekevert víz hőmérséklete. Adott kiindulási állapotú levegőhöz azonban mindig választható olyan vízhőmérséklet, amelyből, ha megfelelő mennyiséget keverünk be, akkor a 2 állapotú levegő telített lesz és hőmérséklete a bekevert vízével lesz azonos. Ezt a hőmérsékletet adiabatikus telítési hőmérsékletnek nevezzük. 1 h1, 1, 1 2 hat, at, at ml, hl 1 állapotú 1 hőmérsékletű és 1 abszolút nedvességtartalmú telítetlen gőz-gáz keverék entalpiája felírható (2.14) és (2.15) egyenlet szerint: ro cpv1 cn1 ro h1 cp1 1 1 (2.30) 1 1 =1 2 dh = cl d h1=áll 1 2 2. 9. ábra Adiabatikus telítődés vonala Hőveszteség mentes rendszer esetén a telítődés h = állandó mentén játszódik le, azaz az entalpia állandósága a hőmérséklet csökkenés és a nedvességtartalom növekedésével jár 15
együtt, mivel a párolgásra fordított entalpia visszakerül a gázba. A valóságban az entalpia kissé nő, mivel az elpárolgó (ml) folyadék a hőjét ( ) nem a gáz entalpiájából fedezi, hanem a folyadék magával viszi. A megvalósuló állapotváltozás iránytangense: h L c L h c L L h L ami megegyezik (2.16) és (2.19) egyenleteknél definiált, ködizoterma iránytangensével. Vizsgáljuk az adiabatikus telítődés folyamatát egy olyan modellel, melynél m1 tömegű száraz gázhoz ml tömegű vizet permetezünk, miközben a gáz telítetté válik és a rendszerben sem hő közlés sem hő elvonás nem történik. A folyamat során kialakuló pont at hőmérséklettel és at nedvességtartalommal jellemezhető. Erre az esetre a nedvesség anyagmérleg: az entalpiamérleg: m1 1 ml m1 at m1h 1 mlhl m1 h at m1 h1 m1 1 at hl mhat at hl hat h1 (2.31) 1 Az 1 kiindulási levegő fajlagos entalpiája: h1 cp1 1 ro cpv1 (2.32) A nedvesedést előidéző víz fajlagos entalpiája: hl cll clat (2.33) A telítődött 2 állapotú levegő fajlagos entalpiája: h2 h c r c (2-34) at p (2.31) egyenletbe behelyettesítve (2.32) (2.33) (2.34) összefüggéseket: at at o pv at c p 1 1r o 1c pv1 atclat 1 Vonjunk ki mindkét oldalból : ( c 1 pv at ), Ezzel fenti egyenlet: c L at c p at r c cp1 1 ro c 1 pv1 atclat c 1 Lat c 1 pvat cpat atro atcpvat 1 at o at pv at c pv at Csoportosítsuk megfelelően a tagokat és emeljük ki a közös kifejezéseket: ovábbá: c p c 1 pv 1 c p c 1 pv at atro atcpvat c 1 pvat 1 ro atclat 1 atc p 1c pv ro at 1 at 1 c pvat at 1 c Lat 16
c c r c c at p 1 pv at 1 1 (2.35) (2.12) összefüggés alapján = at hőmérséklethez tartozó telített gőz fajlagos entalpiája felírható: h r c c r melyből: at o o pv pv at at L L at o at at pv at at r c c r (2.36) L at (2.36) egyenlet valamint cp 1 cpv cn felhasználással (2.35) egyenlet a következő alakra írható: at 1 cn (2.37) r 1 at (2.37) egyenlet az adiabatikus telítési hőmérséklet definiáló egyenlete, amely c n állandó esetben egyenes egyenletét adja. Izotermikus, zárt gáz folyadék rendszer esetén, nedvesítés hatására a gáz hőmérséklete és nedvességtartalma telítési értékhez tart, mely hőmérsékletet a gáz adiabatikus telítési hőmérsékletének nevezünk. at 2.5. Nedves hőmérő hőmérséklet Ha gáz áramlik folyadékfelszín felett, akkor a gáznak a folyadékkal érintkező részei telítettek lesznek a folyadék gőzével, míg a felszíntől távolabbi részek nedvességtartalma az áramló gáz főtömegének nedvességtartalma lesz. A gázt a folyadékban oldhatatlannak tételezzük fel. Ebben a koncentráció-határrétegben a koncentráció-gradiens és az anyagátadási tényező által meghatározott anyagáram, diffúzió jön létre. A folyamatot párolgásnak nevezzük, ha az iránya a folyadékfelszíntől a gáz felé mutat. Párolgáskor csak a gázfázisban van koncentráció változás, és csak az egyik anyag, a gőz diffundál. A gáz szembediffúziója csak akkor következhetne be, ha az oldódna (elnyelődne) a folyadékban. Ahhoz, hogy párolgáskor a folyadék felszínéről gőzmolekulák lépjenek be a gázba, a folyadékkal a fázisváltozási hőjét közölni kell. Ez a hőmennyiség általában az áramló gázból lép be a folyadékba, oly módon, hogy a folyadék felszínével érintkező levegő hőmérséklete kisebb lesz, mint a levegő főtömegének hőmérséklete. A hőáramot a hőmérséklet-különbség és a hőátadási tényező nagysága szabja meg: j q q Ha kis mennyiségű víz párolog, nagy mennyiségű telítetlen levegőbe, akkor a párolgás következtében a nedvesség hőmérséklete egy egyensúlyi határértékhez tart, mely hőmérsékletet nedves-hőmérő hőmérsékletnek nevezzük. Ez a határérték adott és változatlan állapotú gáz esetén független a nedvesség kiindulási hőmérsékletétől. A nedves hőmérő hőmérséklet elnevezést tulajdonképpen a mérési módszerből adódik, amely során a hőmérő érzékelőjét folyamatosan nedvesítjük és az áramló gáz hatására létrejövő egyenletes párolgás a nedves hőmérő hőmérséklet értékét mutatja a hőmérőn [4]. 17
q jm elület 2.10 Hő- és anyagáram alakulása a párolgó felület mentén olytonos felületi nedvesítés esetén a szárítógáztól érkező konvekciós hőáram a nedvesség párologtatására fordítódik, azaz felírható: q j j r (2.38) ahol q j Melyből: q, valamint jm. r q m (2.39) r (2.40) A hőátadás és az anyagátadás között fennálló analógia alapján, a hőátviteli és az anyagátviteli faktorra felírható[2]: J H J M, Nu z Sh z ahol J H Pr és J M Sc Re Pr Re Sc l elhasználva a hőátadást jellemző dimenziótlan számokat: Nu, Pr a valamint az anyagátadást jellemző dimenziótlan számokat: kc l Sh Sc D D vl vl és Re valamint összefüggéseket, az analógia alapján levezethető: a c z Sc z Le (2.42) k c c Pr A dimenziótlan számokban szereplő l, a hő- és anyagátadás szempontjából jellemző méret, D diffúziós tényező és k c - a koncentráció-különbség hajtóerővel értelmezett anyagátadási tényező. A szárítási folyamatoknál k c párolgási tényezőként értelmezik, továbbá levegő-vízgőz rendszer esetén Le z 1. 18
entiek felhasználásával a hő- és anyagátadás között fennálló analógia alapján (2.42) egyenletből c (2.40) egyenletbe összefüggés adódik, ahol gőz-gáz rendszer esetén c = c n. c n összefüggés helyettesítéssel: cn (2.43) r egyenlet adódik, amely a nedves hőmérő hőmérséklet definiáló egyenlete. olytonos felületi nedvesítés esetén a felületi hőmérséklet = n valamint = n, a telítési görbén található értékek. 2.11. ábrán a telítetlen gőz-gáz keverék tartományban lévő szárítógáz pontból a nedves hőmérő hőmérséklete a telítési görbén, a gáz állapotjelzőinek cn ismeretében meredekségű egyenessel kijelölhető. r r =1 - dh = - d r CN N= 2.11. ábra Nedves hőmérő hőmérsékletet meghatározó egyenes Összevetve az adiabatikus telítési hőmérsékletet definiáló (2.37) és a nedves hőmérő hőmérsékletet definiáló (2.43) egyenleteket megállapítható, hogy alakilag megegyeznek, bár fizikai jelentésük tekintetében alapvetően különbözőek. Az adiabatikus telítési hőmérséklet és a nedves hőmérő hőmérséklet bizonyos esetekben megegyezhet, vagy a számítások egyszerűsítése érdekében egyenlőnek feltételezhető. Szigorúan véve azonban a két hőmérséklet érték nem egyezhet meg, mivel az adiabatikus telítődés h / meredekségű egyenes mentén folyik le, míg a (2.43) egyenletben cn tulajdonképpen a határrétegen kívüli levegő és nedves hőmérő hőmérsékleten lévő telített levegő közepes nedves fajhője. Emiatt a Mollier h- diagramon az azonos nedves hőmérő hőmérsékletet adó levegőállapotokat összekötő még Le z =1 esetben sem egyenes. Ez azonban többnyire elhanyagolható és különösen - levegő-vízgőz rendszernél - az adiabatikus telítési hőmérséklet értékét és a nedves hőmérő hőmérséklet számértékét megegyezőnek vehetjük. 19
Mint azt a 2.5. és 2.12. ábra is mutatja, levegő-vízgőz rendszer entalpia-koncentráció diagramján, a két hőmérséklet közötti különbség - a gyakorlati számítások szempontjából nem számottevő. Nem szabad azonban elfelejtkezni arról, hogy ha nem levegő és vízgőz rendszerről van szó, és összetett-, vagy lamináris határréteg van, akkor a nedves hőmérő hőmérséklet nem azonos az adiabatikus telítési hőmérséklettel. h n=áll h=áll n at 2.12. ábra Adiabatikus telítési hőmérséklet és nedves hőmérő hőmérséklet entalpiakoncentráció diagramon 20
3. Szakaszos konvekciós szárítás Állandó gáz állapotjelzők mellett történő szárítás ( áll és áll.) Konvekciós szárítás esetében a szárításhoz szükséges hő a szárítógázból érkezik a száradó anyag felületére, ahol a nedvességtartalom kötési formájától függően a felületen vagy a száradó anyag belső rétegénél történik meg a fázisváltozás, a folyadék fázisú nedvesség gőz halmazállapotúvá válik és a szárítógázba diffundál. Mindez abban az esetben történhet, ha hőmérséklet és nedvességtartalom megfelelő hajtóerőt képvisel, azaz a szárítógáz hőmérséklete nagyobb, mint az anyag hőmérséklete és a szárítógáz főtömegének nedvességtartalma kisebb, mint a párolgás helyén kialakuló gáz nedvességtartalom. A száradási folyamat során, tehát - a hőközlés következtében - a gáz hőmérséklete lecsökken, nedvességtartalma pedig megnő. Abban az esetben, ha a szárítógáz hőmérsékletének és nedvességtartalmának megváltozása nem számottevő ez a változás elhanyagolható a szárítási folyamatot állandó gáz állapotjelzők mellett végzett szárítással modellezzük ( áll és áll.), és ezt az esetet nevezi az irodalom szakaszos szárítás -nak. A száradás időbeli változása során állandó gáz állapotjelzők feltételezésével a száradó anyag hőmérséklete és nedvességtartalma változik. Az a hőmérséklet- és nedvességtartalom változás nem csak a száradási idő hanem az anyag helykoordinátái szerint is változik. Elosztott paraméterű szárításnak nevezzük azt az esetet, amikor a száradás során az anyag hőmérsékletének és nedvességtartalmának változását vizsgáljuk, azaz anyag = f (hely, idő) és X = f (hely, idő). A koncentrált paraméterű leírásmódnál a száradó anyagot tömegközéppontként értelmezzük, az anyagon belüli hőmérséklet- és nedvességtartartalom-eloszlást elhanyagoljuk, azaz anyag = f ( idő) és X = f ( idő). 3.1. Elosztott paraméterű konvekciós szárítás [5] A 3.1 ábrán látható dm - elemi száradó anyag tömegében gáz, gőz, folyadék és szilárd k =4 alkotót különböztethetők meg. k = 0 (S) szilárd k = 1 (L) folyadék k = 2 (V) gőz k = 3 () gáz. S L j q j m 3.1. ábra Száradó anyag elemi része A vizsgált elemi da felületen érkezik konvekciós úton a hőáram, melyet jq- hőáram sűrűség jelöl. Ez a felület jelenti a száradás szempontjából a párolgó felületet is, ahol a nedvesség eltávozását, az anyagáram sűrűséggel jellemzett érték jm jelöli. V 21
ömeg megmaradásának elve A vizsgált elem időegység alatt bekövetkező tömeg változása jm párolgás és m forráserősség esetén: dm dt k V A j mk da V dv (3.1) ahol: k-alkotó tömegáram sűrűsége: jmk = mk vk k = 1,2,3 k-alkotó parciális tömegsűrűsége: k alkotó sebessége: vk k-alkotó tömegének térfogati forrás-sűrűsége: mk. mk mk m k V k = 0,1,2,3 Nedvességtartalom a száraz anyagra vonatkoztatva. X k m m k s k = 1,2,3 (3.1) egyenlet bal oldala felírható az alábbiak szerint: dm dt k V d dt A auss-osztogradszkij tétel szerint: A (3.1) egyenlet felírható (3.2) és (3.3) segítségével: V mk mkdv dv (3.2) t V j da divj dv (3.3) mk V mk V t mk dv V divj melyből az alkotók lokális mérlegegyenlete: mk dv V mk dv (3.4) mk divjmk mk t (3.5) egyenlet k= 0,1,2,3 esetén az alábbiak szerint alakul. (3.5) A szilárd alkotó mérlegegyenlete k=0: ms divjms ms t 0 0 A folyadék anyagmérlege k=1: ml divj t ml ml (3.6) mivel ms = áll. ml m V L X L ms V X L m V S X L ms 22
A gőz anyagmérlege k=2: X t L ms divjml ml X V ms t divj 0 divj mv mv mv mv (3.7) azaz divjmv (3.8) mv A gáz anyagmérlege k=3: A gáz forrás erőssége azaz m 0 X t X, valamint ms 0, t ms divjm m A folyadék és a gőz forrás erősségére felírható: bekövetkezhet a száradó anyagon belül. divj m 0. ml mv (3.9), mivel a gőz kondenzációja Írjuk fel (3.5) egyenletet k= 0,1,2,3 alkotókra összegezve: 3 3 3 mk divjmk mk (3.10) k0 t k0 k0 (3.6) (3.9) egyenletek felhasználásával: X L ms divjml divjmv ml mv t A teljes anyagáram sűrűség a folyadék- és a gőz tömegáramából adódik, amely a száradás során végbemenő diffúziós áramot eredményezi: jml jmv jm (3.11) Mivel ml mv, a teljes anyagmérleg a szilárd-folyadék-gáz-gőz rendszerre: X L ms divjm (3.12) t (3.12) egyenletet a teljes térfogatra kiterjesztve, a száradó anyag egészére a tömegváltozás: X L ms dv divjmdv t (3.13) V (3.13) egyenlet bal oldala másképpen felírva arra az esetre, ha a száradó anyag hely szerinti nedvességtartalom-eloszlását nem vizsgáljuk. A száradó anyagot koncentrált paraméterű rendszernek kezelve X X f (t) : L V V X L X L dx ms dv msdv ms (3.14) t t dt V 23
mivel: t X L dx dt és dv V ms m S (3.13) egyenlet jobb oldala tovább írható auss-osztrogradszkij tétel értelmében: V divj dv j da j A (3.15) (3.14) és (3.15) felhasználásával (3.13) egyenlet az alábbi alakot ölti: m S dx dt m A m m j A (3.16) m A nedvességtartalom hely szerinti változásának elhanyagolásával, a száradó anyag tömegközéppontként történő vizsgálatával, a nedvesség eltávozás intenzitását másképpen diffúziós áram-sűrűségnek (jm) vagy száradási sebességnek (N) nevezik. (3.16) egyenletből a száradási sebesség: j m ms dx N (3.17) A dt Az energia megmaradásának elve A száradó anyagra felírható energiamérleg belső forrás és kémiai reakció nélküli esetben a rendszer entalpiájának változása a be- és kilépő hőáramokból: dh ( jq hk jmk ) da dt V A ahol jq az időegység alatt a felületen belépő hőáram sűrűség hk a komponensek fajlagos entalpiája Az entalpia-sűrűség: dh h mk hk S X k hk (3.18) dv k k dh d h hdv dv dt dt t auss-osztrogradszkij tétel felhasználásával: V V h div( jq hk jmk (3.19) t k (3.18) és (3.19) segítségével, valamint a szorzat deriválási szabályainak alkalmazásával: V h t S k X k h k t S X h k k hk divjq jmk grad t k k k h divj k mk (3.10) felhasználásával, valamint k = 0,1,2,3 esetre elvégezve, az átalakítások után: S cna divjq ( hv hl ) V jmk cpk grad (3.20) t k 24
mivel h k c elhasználva: jmk cpk grad 0 k P h h r és V L (3.20) egyenlet a következő alakra hozható: S cna divjq r V (3.21) t A száradó nedves anyag hőmérséklet-eloszlását és nedvességtartalom-eloszlását meghatározó differenciálegyenlet-rendszer felírható (3.12 ) és (3.21) alapján: X L ms divjm t S cna divjq r V t enti differenciál-egyenletekkel, a különböző nedvesség kötési formákkal jellemzett szárítási szakaszokra értelmezett kezdeti- és peremfeltételek segítségével, meghatározhatók a száradó anyag hely és idő szerinti hőmérséklet és nedvességtartalom értékei. Ilyen számítással meghatározott hőmérséklet- és nedvességtartalom eloszlásokat [1,6] közöl. 3.2 és 3.3 ábrákon száradó síklap, méréssel kapott hőmérséklet-, tömeg- és nedvességtartalom változás görbéi láthatók. 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 mmért g szg C 1 C 3 C 20,00 10,00 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 t [min] 3.2. ábra Száradó anyag tömegének, hőmérsékletének valamint a szárítógáz hőmérsékletének alakulása a szárítási idő függvényében 25
Nedvességtartalom-eloszlás X [kg/kg] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 t= 0 perc t= 10 perc t= 20 perc t= 100 perc t=175 perc t= 300 perc 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 z [cm] t= 600 perc z= 0 cm a síklap felületén, z = 10 cm a középsíknál mért nedvességtartalom 3.3. ábra Nedvességtartalom-eloszlás a száradó síklap keresztmetszetében állandó időpillanatokban 3.2. Koncentrált paraméterű szárítás Koncentrált paraméterű leírás esetén, a száradó anyagon belüli hőmérséklet- és nedvességtartalom-eloszlást nem vizsgáljuk. A száradó anyag hőmérséklete és nedvességtartalma csak a szárítási idő függvénye: anyag = f (t) és X = f (t). Az anyagra felírható tömegmérleg-egyenlet alapján a száradási sebességet definiáló (3.17) egyenlet : ms dx jm N A dt A száradási sebesség a nedves anyag tömegének változásával felírható: 1 dmna jm N (3.22) A dt elhasználva (2.1) és (2.3) egyenleteket: N 1 dm A dt na 1 d( ms ml ) A dt 1 dm A dt S dm dt L 1 d( ms X ) A dt ms A dx dt (3.23) mivel dm S 0. dt 26
3.2.1. Száradási jellemzők Nem duzzadó, nem zsugorodó kapillár-pórusos anyagot közel állandó gáz állapotjelzők mellett ( áll. és áll.) szárítva, a száradási idő során az anyag tömegének csökkenése valamint hőmérsékletének emelkedése figyelhető meg. A hőmérséklet és tömeg változás alakulását egy szárítócsatornában elvégzett egyszerű hőmérséklet és tömeg-méréssel is előállíthatjuk. 3.4 ábrán a száradó anyag hőmérsékletének és tömegének változása látható a szárítási idő függvényében. A nedves anyag tömegének ismertében a nedvességtartalom változás (2.1) és ( 2.3) összefüggésekkel meghatározható. Hasonló módon (3.22) szerint a száradási sebesség is meghatározható a nedves anyag tömeg-változásának ismeretében. 3.5. ábra a szárítási idő függvényében a nedvességtartalom és a száradási sebesség alakulását mutatja. A nedvességtartalom és a száradási sebesség közötti kapcsolat a 3.6. ábrán látható. mna A B?áll B' B" mna=f(t) =f(t) A' A" A B =n C' C mna* C' D I II III 3.4. ábra A száradó anyag hőmérsékletének és tömegének alakulása a száradási idő függvényében X A X0 A' A" A B' B" B X=f(t) N=áll N=f(t) Xkr X* C' C D D I II III t 3.5. ábra A száradó anyag nedvességtartalma és a száradási sebesség a szárítási idő függvényében 27
N III II I N=áll b. a. B A' A" A D X* 3.6. ábra Száradási sebesség az anyag nedvességtartalmának függvényében Hőveszteség-mentes szárítás esetén, a szárítógázból konvekcióval érkező hőáram a nedvesség elpárologtatására és a száradó anyag melegítésére fordítódik: Xkr X0 X j qkonvekció s j j (3.24) qmelegítés párologtatás A konvekciós hőáram felírható: j q qkonvekció s (3.25) ms cna d A melegítésre fordított hőáram: jqmelegítés A dt (3.26) ms dx A párologtatás hőárama: j párolog tatás jm r N r r A dt (3.27) (3.24) egyenlet (3.25) (3.27) felhasználásával: m c d dt m dx dt S na S ( ) r (3.28) A A ekintsük a 3.4. 3.5. ábrákon látható jellegzetes száradási szakaszokat. I. Kialakulási szakasz 3.4. ábrán a száradó anyag hőmérsékletének és tömegének alakulása látható a szárítási idő függvényében. A kialakulási szakasz a száradási idő tekintetében általában igen rövid, a teljes száradási idő tekintetében számos esetben elhanyagolható. Ezt a szakaszt az állandó hőmérséklethez nedves hőmérő hőmérséklethez - való tartás jellemzi, függetlenül az indulási hőmérséklettől. Ennek részletes levezetését [ 5 ] közli. 28
A kialakulási szakaszon anyag hőmérséklete és tömegének változása A-B vagy A -B vagy A -B görbe szerint közelít az állandósult hőmérséklethez, illetve az egyenletes nedvességváltozáshoz. A száradó anyag hőmérséklete A-B görbe mentén közelít az állandó száradási sebesség szakaszát jellemző anyag hőmérsékletéhez, abban az esetben, ha az anyag kiindulási hőmérséklete 0<n (melegedve száradás). A hőmérséklet változás A -B görbe szerint megy végbe, ha 0>n (hűlve száradás). Amennyiben a száradó nedves anyag kiindulási hőmérséklete 0 = n, a kialakulási szakaszon a hőmérséklet végig állandó, azaz kialakulási szakasz nem különíthető el. A kiindulási hőmérséklettől függően a tömeg-változás A-B görbe szerint alakul, abban az esetben, ha az anyag kiindulási hőmérséklete kisebb, mint a szárítógáz nedves-hőmérő hőmérséklete. A tömeg-változás A-B görbén történik, ha az anyag kiindulási hőmérséklete nagyobb, mint a szárítógáz nedves-hőmérő hőmérséklete. Egyenletes nedvesség eltávozás jellemzi a folyamatot 0 = n esetben, amikor a görbe A-B jelleget mutat. Hasonló jelleg figyelhető meg a 3.5. ábrán a nedvességtartalom és a száradási sebesség alakulásánál is. II. Állandó száradási sebesség szakasza A száradás második szakaszát a felület folytonos nedvesítése jellemzi, a kapillárisok a felületre szállítják a nedvességet és az egyenletes nedvesítést biztosítják. A nedvesség felületi kötődése miatt szokás ezt a szakaszt a szabad nedvesség szakaszának is nevezni. Az egyensúlyi nedves-hőmérő - hőmérséklet kialakulásának következtében a felületre érkező hőáram a nedvesség elpárologtatására fordítódik, azaz: j qkonvekció s j mivel j 0, azaz anyag = = n = áll. párologtatás qmelegítés d A felületi nedvesség szakaszán 0, ezért, (3.28) egyenlet alapján: dt dx áll. azaz a száradási sebesség állandó: N áll N, mint az a 3.5. és 3.6. ábrákon dt áll is látható. A állandó száradás szakasza akkor ér véget, amikor a felület folytonos nedvesítése megszűnik, helyenként száraz foltok kialakulása kezdődik meg. A felület folytonos nedvesítéséhez tartozó nedvességtartalmat kritikus - Xkr - nedvességtartalomnak nevezzük. III. Csökkenő száradási sebesség szakasza A száradás harmadik jellegzetes szakasza akkor kezdődik, amikor a felület folytonos nedvesítése megszűnik, a kapillárisok nem képesek a nedvességet a felszínre szállítani, ezért a felületen helyenként nedvességgel borított részek, helyenként száraz foltok figyelhetők meg. Kapillár-pórusos anyagok esetén a száradás III. szakaszán két további rész figyelhető meg, a 3.6. ábrán a. és b. jellel megkülönböztetett részek. Az a szakaszt a felületi foltok megjelenése jellemzi, majd a felület teljes kiszáradása után, a száradó felülettől kezdődően száraz réteg alakul ki, amelyen a nedvesség gőz-diffúzió formájában jut keresztül. A teljesen száraz felület kialakulása után a párolgási felület az anyag belső rétegénél helyezkedik el. A nedvesség a belső, nedves rétegekben folyadék-diffúzióval, míg az egyre mélyebb száraz réteget képező szakaszon gőz-diffúzióval mozog. 29
Ezen a szakaszon a felületre érkező hőáram a nedvesség elpárologtatása mellett ismét a száradó anyag hőmérsékletének növelésére is fordítódik. A nedvesség csökkenésével egyidejűleg az anyag hőmérséklete a szárítógáz hőmérsékletéhez tart, ugyanakkor anyag d dt A nedvesség csökkenése folytán 0 dx dt és 0 dx áll dt és d dt 0, a száradási sebesség N N áll., azaz N 0. A nedvességtartalom az adott szárítógáz állapotjelzői által meghatározott ún. egyensúlyi nedvességtartalomhoz - X* - tart. A száradás ezen szakaszán a hőmérséklet emelkedése, a tömeg és a nedvességtartalom csökkenése, valamint a száradási sebesség változása jól megfigyelhető a 3.4. és 3.5. ábra III. szakaszán. 3.6. ábrán látható, hogy a száradási sebesség szorpciós izoterma által meghatározott egyensúlyi nedvességtartalomhoz tart. A száradási folyamat alatt, a párolgó felület hőmérsékletének és nedvességtartalmának alakulása nyomon követhető - diagramon is. Az előzőekben ismertetett szakaszok megfigyelhetők 3.7 ábrán is, ahol a felületi telítettséget jellemző relatív nedvességtartalom értékek is láthatók. Az A B szakaszt az anyag hőmérsékletének emelkedése jellemzi, miközben a felületi telítettség =1. B C szakasz, az állandó száradási sebesség szakasza egyetlen ponttal jellemezhető, mivel e szakaszon a felületi hőmérséklet végig állandó. A csökkenő száradási sebesség szakasza C-D pontok között játszódik le, ahol a párolgó felületi gáz relatív nedvességtartalmat jellemzic-d szakaszon a változás nem a C-D pontokat összekötő egyenes mentén játszódik le, mivel ezen a szakaszon az anyag felületére érkező hőáram már nem csak a nedvesség párologtatására, hanem hőmérsékletének növelésére is fordítódik. (2.43) összefüggés és (2.11) ábra alapján D pontból kiinduló egyenes meredeksége áll N 0, az anyag nedvességtartalma pedig a c r r amely a felületi nedvesítést jellemző hőmérsékletet és nedvességtartalmat metszi ki. A görbült és az egyenes közötti távolság gyakorlatilag a melegítésre fordított hőmennyiséggel arányos. n B C A D 0 =n 3.7. ábra. elületi hőmérséklet és nedvességtartalom alakulása 30
Hasonlóképpen a párolgó frontot jellemző hőmérséklet és relatív nedvességtartalom értékek nyomon követhetők a 3.8. ábrán látható szorpciós izotermán is. =1 C B A =áll =áll D X* X Xkr X0 X 3.8. ábra A párolgó front hőmérséklete és nedvességtartalma a szorpciós izotermán 3.2.2. Száradási idő Szakaszos szárítás esetén alapvetően fontos az adott nedvességtartalom-változás megvalósításához szükséges idő ismerete. Ennek meghatározását legegyszerűbben a száradási sebesség-anyag nedvességtartalom görbe ismeretében történhet. A száradási sebesség definíciója (3.23) alapján, a száradási idő felírható: ms dx dt A N Nem zsugorodó, nem duzzadó anyagok esetén A ~ állandó, valamint a száraz anyag tömege ms = állandó, azaz t2 t1 ms dt A X 2 X1 dx N (3.29) Alkalmazzuk a száradási idő meghatározására az egyes szakaszok sajátosságainak figyelembe vételével - (3.29) összefüggést. A száradás I. szakasza a teljes száradás idejét tekintve általában nagyon rövid pár perces, többnyire elhanyagolhatónak tekinthető szakasz. ételezzük fel ezen a szakaszon is a száradási sebesség állandóságát. 31
N III II I N=áll t=t1 N N2 X* X2 X Xkr X1 X0 3.9. ábra A szárítási idő meghatározásának elve X Végezzük a szárítást t = 0 idő és X = X0 kiindulási nedvességtartalomtól t = t1 idő és X = X1 nedvességtartalom között, melyet a szabad nedvesség párolgása jellemez, azaz X1 > X kr. Az I. és II. szakaszon a száradási idő 3.9. ábra jelöléseinek felhasználásával - az alábbi összefüggéssel számítható: t 1 t 1 0 tt1 t01 m dt A X X1 S X X 0 dx N ms ( X 0 X1) A N A száradás III. szakaszán, a kritikus nedvességtartalomnál kisebb nedvességtartalom tartományban a száradási sebesség nem állandó. Közelítsük a száradási sebességnedvességtartalom görbét ezen a szakaszon a 3.9. ábrán jelölt - - - egyenessel, melynek egyenlete: áll (3.30) X X N N áll (3.31) * X kr X Vizsgáljuk a száradáshoz szükséges időt, ha a száradás t = 0 és X = X kr valamint t = t2 és X = X 2 tartományban végezzük. (3.29) és (3.31) összefüggések felhasználásával: * tt 2 2 1 ms dx ms X kr X m S ( X kr X ) X t2 t2 0 dt dx ln * A N A ( X X ) N A N X t0 X X X X kr X X X X 0 * áll áll * kr 2 X X * * (3.32) Abban az esetben, ha az anyag száradása a 3.9. ábrán látható X = X0 és III. szakaszra eső X = X 2 nedvességtartalom tartományban történik, a száradáshoz szükséges idő (3.30) és (3.32) összefüggések segítségével az alábbiak szerint számítható: * ms ( X 0 X kr ) ms ( X kr X ) 1 t2 ln A N áll A N áll X kr X t t (3.31) * X X 2 * 32
3.2.3. Külső fűtés és hőveszteség hatása a száradási időre Az állandó száradási sebesség szakaszára ismertetett felületi hőmérséklet- és nedvességtartalom meghatározás azokban az esetekben ad helyes eredményt, amikor a rendszert hőveszteség mentesnek tekinthetjük és a konvektív hőközlésen túlmenően más kiegészítő hőforrás nincs a rendszerben. Valóságos szárító berendezéseknél még jól szigetelt szárítók esetén is - bizonyos hőveszteséggel számolni kell. Számos szárítónál a konvektív hőközlés mellett kontakt, felületi hőforrás növeli a hőáramot. Ezekben az esetekben a száradás intenzitását meghatározó hajtóerő- a főtömeg és a felületi hőmérséklet közötti hőmérséklet-különbség - különbözik a tiszta konvektív hőközlésnél tárgyalt esettől. Kontakt hőközlés, külső fűtés esetén A szárítás intenzitásának növelése érdekében számos esetben a meleg gázzal történő hőközlés mellett pl. a köpeny oldaláról kiegészítő fűtést alkalmaznak. Dobszárítók esetén köpenyoldalról vízgőz kondenzációjával külső hőközlés növeli a hőáramot. Előfordulnak olyan esetek is, amikor a dob belsejében haladó anyag mozgását segítő lapátok is fűtöttek, ami további hőáramot juttat a száradó anyaghoz. e jm jqkv N=áll danyag k bf kf k jqkt dfal 3.10. ábra Szárítás kontakt-konvektív hőközlés mellett Vizsgáljuk a 3.10. ábrán látható modellt, amelynél egyidejűleg kontakt és konvektív hőközlés valósul meg. A szárító egy ilyen elemén, a szárítógáz oldaláról konvektív úton érkező hőáram - jqkv - mellett, köpenyoldalról, külső fűtés útján jqkt - kontakt hőáram is érkezik a száradó anyagoz. A felületi nedvesség szakaszát vizsgálva felírható: Jelöljük a nedvesség felületi egyensúlyi hőmérsékletét = e j qkv j j r N r (3.32) qkt A szárítógáz oldaláról a felületre érkező konvektív hőáram-sűrűség: j ) (3.33) qkv m ( e A köpenyoldalról érkező kontakt hőáram-sűrűség: jqkt K ( K Kf ) ( ) fal ( Kf bf ) ( ) anyag( bf e ) k ( K e ) (3.34) áll 33
34 ahol a fal illetve a száradó anyag hővezetési tényezője a fal és a száradó anyag vastagsága- (3.32)-be (3.33) és (3.34) behelyettesítésével: e e K e r k ) ( ) ( ) ( (3.35) Keressük az egyensúlyi görbén a felületi pont helyét = e =e jelöléssel: K r k ) ( ) ( ) ( (3.36) A felületi hőmérsékletet meghatározó egyenes egyenlete: ) ( ) ( r k r K (3.37) Alakítsuk át a fenti egyenletet: ) ( ) ( k r K (3.38) Képezzük (3.38) egyenletből: ) (1 ) 1 ( k r k r d d (3.39) Külső hőközlés nélküli esetben,az állandó száradási sebesség szakaszán felírható (2.39) egyenlet szerint: áll m qkv r N r j j r A felületi pont helye = és = jelöléssel az egyensúlyi görbén: r (3.40) Az egyenlet átrendezésével: ( ) r (3.41) enti egyenlet hőmérséklet szerinti deriváltja: r d d (3.42) Keressük a felületi hőmérsékleteket meghatározó egyenesek metszéspontját (3.38) és (3.41) egyenletek egyenlőségéből: ) ( ) ( ) ( r k r K (3.43) =K
3.11. ábra alapján látható, hogy a két egyenes metszése =K nél található. A felületi hőmérsékletet kiadó pontok =1 görbén, r meredekséggel, n pontban a külső fűtés nélküli esetben adják meg a felületi hőmérsékletet. Külső hőforrás esetén az anyag felületi hőmérsékletét és telítési nedvességtartalmát jellemző e pontot, az egyenesek közös k metszéspontjából kiindulva, a (1 ) merekségű egyenes jelöli ki. r A felületi nedvesség szakaszán az állandó száradási sebesség (3.27) egyenlet szerint, ms dx jmáll Náll valamint (2.38) szerint jm. A dt Külső fűtés nélküli tiszta konvektív szárítás esetében a száradási sebesség: ms dx Náll ( n A dt ) (3.44) valamint adott X nedvességtartalom változáshoz szükséges idő: ms X tkv A ( ) (3.45) Kontakt fűtés esetén a száradási sebesség: ms dx N áll ( e A dt ) (3.46) és az adott X nedvességtartalom változáshoz szükséges idő: ms X tkt A ( ) (3.47) 3.11. ábrán látható, hogy kontakt fűtés esetén (e ) > (n ), azaz azokban az estekben, amikor k >, az anyag szárításához szüksége idő tkt tkv, minden olyan esetben, amikor a szárításnál a felületi nedvesség a meghatározó. n e e e e- n- n n s r k 1 n e K 3.11. ábra A felületi hőmérséklet alakulása konvekciós és kontakt hőközlés esetén r 35
Hőveszteség esetén Hasonló módon felírhatók a (3.32) (3.39) szerinti egyenletek a 3.12 ábra szerinti k esetre, amikor a külső oldali hőmérséklet kisebb, mint a szárítógáz hőmérséklete, azaz a hő nem csak a nedvesség elpárologtatására, hanem a köpenyen keresztül eltávozó hőveszteségre is fordítódik. a sr a sr ( 1+ k ) a f=1 n n e e k e n 3.12. ábra A felületi hőmérséklet alakulása hőveszteség esetén külső veszteség estére A tisztán konvektív hőközlés és a hőveszteség jelenlétében történő szárítás esetét összevetve megállapítható, hogy a felületi hőmérsékletből adódó hajtóerő csökkenés miatt tkv thőveszteség,, mivel (e ) < (n ), ahol t t kv höveszteség ms X A ( n ) ms X A ( ) e 36
4. olyamatos szárítás (változó gáz állapotjelzők mellett történő szárítás áll és áll.) 3. fejezetben - a hőveszteség és külső fűtés nélküli szárítási eseteknél - a nedvesség elpárologtatásához szükséges hő a szárítógáz segítségével jut a száradó anyag felületére. Mindazon esetekben, amikor a nedvesség tömegéhez képest nagy mennyiségű (nagy tömegáramú) gázzal végezzük a szárítást, a szárítógáz belépési és a szárítót elhagyó hőmérsékletében és nedvességtartalmában jelentkező különbség nem jelentős, azaz a szárítás során a gáz állapotjelzőit állandónak feltételezhetjük. Legtöbb esetben azonban, a száradás során a szárítógáz hőt közvetít a száradó anyagnak, mely következtében a szárítógáz hőmérséklete is jelentősen csökkenhet. A száradó anyagból, a nedvesség szárítógázba történő bepárolgása pedig, a szárítógáz nedvességtartalmát jelentős mértékben megnövelheti. Ilyenkor, a száradás ideje alatt a sem a szárítógáz hőmérséklete sem nedvességtartalma nem tekinthető állandónak ( áll és áll.). A száradás során a hőmérséklet és a nedvességtartalom hajtóerőben bekövetkező változás nem hagyható figyelmen kívül. Az állandó gáz állapotjelzőkkel modellezett esethez képest itt, a hajtóerő csökkenés a száradási idő, a szárításhoz szükséges érintkező felület vagy a szárító hosszának növekedését eredményezi. A szárítással foglalkozó irodalmak esetenként ezt a szárítást folyamatos szárítás -nak nevezik. 4.1. ábrán egy ilyen szárító vázlata látható, ahol a szárítógáz belépési és kilépési hőmérséklete, nedvességtartalma jelentősen eltér egymástól.. m be be ki ki. ms X abe Xbe dh aki Xki be ki a aki H=0 abe dh 4.1. ábra A száradó anyag és a szárítólevegő hőmérsékletének változása a szárító hossza mentén H=H Nedvesség anyagmérleg a teljes szárítóra 4.1. ábra jelöléseinek felhasználásával: m X m m X m (4.1) S be be S ki ki H Hőmérleg a teljes szárítóra: m h m h m h m h Q (4.2) S abe be S aki ki veszt 37
. m jg jm h + dh h + d. ms daé X X + dx dh 4.2. ábra A szárító elemi része Vizsgáljuk a 4.2. ábrán látható elemi dh szártó szakaszra a gázban lévő nedvesség anyagmérlegét: m j da m ( d ) (4.3) m é jm daé m d (4.4) A szárítógáz hőmérlegét vizsgálva az elemi dh hosszra felírható hőveszteség-mentes esetre: m h jm daé hv m ( h dh ) jq daé (4.5) Átrendezve: jm daé hv m dh jq daé (4.4) egyenlet felhasználásával, az előző egyenlet átírható a következő alakra: m d h m dh j da (4.6) V q é 2.2. fejezetben a telítetlen gőz-gáz elegy fajlagos entalpiájának vizsgálatánál láttuk, hogy a gáz entalpiája a gáz hőmérsékletétől és nedvességtartalmától függ: h f (, ) h h azaz, dh d d hvd cnd (4.7) mivel (2.17) és (2.18) egyenlet szerint: h r cpv hv 0 áll h cp áll cpv cn (4.6) egyenlet (4.7) felhasználásával: m d h m ( h d c d ) V V n j q da é m d h m h d m c d j da (4.8) V V Ha a gőz felmelegítését elhanyagoljuk, azaz hvf ~ hv feltételezhető, (4.8) egyenletben: V V n m d h m h d. q é 38
A szárító elemi dh részére felírt hőmérleg az alábbi alakot ölti: m c d j da (4.9) n Mivel (3.25) egyenlet szerint a konvekciós hőáram felírható: j q é q alakban, a hőmérleg hőveszteség-mentes esetre: m c d ( ) da (4.10) n (4.4) egyenletből, az anyagáram-sűrűséget definiáló j m egyenlet felhasználásával a szárító elemi dh szakaszán, a gáz nedvesség mérlegegyenlete az alábbi alakot ölti: é é ( ) da m d (4.11) 4.1 Szárító fő méretének meghatározása hőmérséklet hajtóerővel (4.10) egyenlet értelmében a szárítógáz és a száradó anyag közötti érintkező felület kifejezhető: m cn d daé ( ) melyből a 4.1. ábrán látható integrálási határok felhasználásával a száradáshoz szükséges érintkező felület: A é Aé Aé Aé 0 da é ki be m cn d ( ) m c be n ki d (4.12) Száradó anyagok geometriai vagy párolgó felületének meghatározása általában csak nehézkesen és pontatlanul lehetséges. Legtöbbször az érintkező felület helyett a szárító jellemző méretének pl. hosszának vagy magasságának ismerete szükséges. A száradó anyag felületének jellemzésére olyan mérőszám adható meg, amely a szárító geometriájától és az érintkeztetés, anyag mozgatás módjától is függ. Ez a halmazok jellemzésénél is alkalmazott ún. fajlagos érintkező felület: daé daé a (4.13) dv A0 dh ahol dv- a szárító elemi térfogata dh- a vizsgált szárító elem hossza daé érintkező (párolgó) felület a vizsgált elemben A0 geometriai (ún. üres) keresztmetszet a fajlagos érintkező felület [m 2 /m 3 ] A szárítóra felírható (4.10) hőmérleg-egyenlet (4.13) egyenlet felhasználásával a következő formára hozható: n 0 m c d ( ) a A dh (4.14) 39
h=áll A szárító hossza az integrálási határok kijelölése után: ahol: H H H dh ki m cn d m c a A ( ) a A be n H 0 0 0 be ki d H U N U (4.15) az átviteli egység magasság hőmérséklet-különbség hajtóerővel: H U m c a n A 0 [m] (4.16) az átviteli egységszám, hőmérséklet-különbség hajtóerővel: a be d N U [-] (4.17) ki enti módszert az átviteli egységek módszerének nevezik. Ez a módszer széles körben alkalmazott olyan esetekben, amikor a hőátadás és/vagy anyagátadás érintkező felülete nem vagy csak nehezen jellemezhető szokásos geometriai felülettel. (4.15) összefüggésben az [W/m 3 /K] szorzat, a térfogati hőátadási tényezőnek nevezett mennyiség. Ez az adott szárító típusnál, a gáz-szilárd anyag érintkeztetési formától függő, általában kísérletileg meghatározható érték. Adott szárítási feladat esetén, a szárítandó anyagból eltávolítandó nedvesség ismeretében a szárítót elhagyó szárítógáz hőmérséklete és nedvességtartalma (4.1) összefüggés segítségével meghatározható, ha a gáz telítődését h ~ állandó mentén feltételezzük. be ki be ki =n be ki 4.3. ábra A szárítógáz belépési és kilépési hőmérséklete valamint nedvességtartalma, entalpia-koncentráció diagramon 40
A kilépési állapot felvételével, a letelítődés mértékének megválasztásával, a szárítógáz mennyisége (tömeg és térfogat árama) meghatározható. A szárítógáz áramlási keresztmetszete - A0 - az adott anyag jellemzőinek ismeretében az elragadási sebesség vagy haladási sebesség ismeretében előzetesen felvehető. A geometriai - A0 keresztmetszetet, a szárító hosszának meghatározása után az adott szárító típusnál szokásos H/D arány alapján vissza kell ellenőrizni. A szárító hosszának vagy magasságának kiszámítása, pl. porlasztva szárítók és pneumatikus szárítók esetén a tartózkodási idő és az anyag haladási sebességének ismeretében összefüggéssel is számítható, ahol v a nedves anyag, készülékhez viszonyított haladási sebessége, t a száradó anyag tartózkodási ideje. Vannak szárítóberendezések, amelyeknél az anyag haladási sebességét nem lehet, vagy nehézkes közvetlenül kifejezni. Ilyen esetekben a visszatartott anyagmennyiséget használják a tartózkodási idő, vagy a készülék hosszméretének meghatározására. Ezt a módszert alkalmazzák, pl. keverővel ellátott szárítódobok esetében is. A visszatartott anyagmennyiség (hold-up) a szárító, vagy bármely berendezés térfogatának a diszperz fázissal ( a szárítandó szemcsés vagy darabos anyaggal) elfoglalt hányada: V U V anyag, ahol Vanyag - a szárító V térfogatában lévő száradó anyag térfogata [m 3 ] V - a szárító térfogata [m 3 ]. A szárítóban lévő száradó nedves anyagra felírható: m anyag ebből: t t anyag m V anyag anyag anyag V anyag anyag mivel a szárító térfogata V m anyag anyag A H V V A 0 H. 0 anyag U A H m anyag 0 H v t 4.1.1 A szárító hossza az állandó száradási sebesség szakaszán Azokban az esetekben, amikor az anyag száradása alapvetően a felületi nedvességtartalom tartományában történik, azaz Xki >Xkr, az anyag hőmérsékletét közelítően nedves hőmérőhőmérséklet jellemzi ~ n. Amennyiben ez a hőmérséklet 4.4. ábrának megfelelően állandónak tekinthető, (4.17) egyenlet szerint az átviteli egységmagasság az alábbi formára hozható: N U be ki d be ln (4.18) ki Ilyen esetben a szárító hossza az alábbi összefüggéssel számítható: m cn H ln a A 0 be ki (4.19) 41
be ki =n =áll H=0 H=H H 4.4. ábra A szárítógáz és a száradó anyag hőmérsékletének alakulása a szárító hossza mentén, a felületi nedvesség párolgási szakaszában 4.1.2. A szárító hossza a csökkenő száradási sebesség szakaszán Mindazon esetekben, amikor a száradást alapvetően nem csak a felületi nedvesség szakasza jellemzi, hanem a nedvesség a kapillárisokban és a pórusokban kötött formában távozik azaz Xki Xkr - a párolgó felszín hőmérséklete állandó. A hőmérséklet egyenáramú közegvezetés esetén 4.5. ábra szerint változik. be i ki abe =n i aki H=0 Hi H=H H 4.5. ábra A szárítógáz és a száradó anyag hőmérsékletének alakulása a szárító hossza mentén Ezekben az esetekben az átviteli egységszám meghatározása (4.17) összefüggés szerint, 4.6. ábrának megfelelően történik. Ehhez elő kell állítani a szárító hossza mentén a szárítógáz és a száradó anyagot jellemző összetartozó hőmérsékleteket (i i )Hi. A szárító mentén kialakuló hőmérséklet-értékek meghatározása általában kisminta berendezésen, a hasonlósági feltételek állandósága mellett elvégzett mérésekkel lehetséges. 42
1 - be ki d = NU i - i 1 i - i ki i be 4.6. ábra Az átviteli egységszám meghatározási módszere 4.2 Szárító fő méretének meghatározása gáz-nedvességtartalom hajtóerővel A szárítógáz nedvességtartalmának vizsgálata alapján dh elemre (4.11) egyenlet értelmében ( ) daé m d összefüggés vezethető le. Ennek felhasználásával a szárítógáz és a száradó anyag közötti érintkező felület kifejezhető: m d daé ( ) 4.1. ábrán látható integrálási határok felhasználásával a száradáshoz szükséges érintkező felület gázoldali hajtóerőkkel: A é Aé Aé Aé 0 da é ki be m d ( m ) ki be d (4.20) elhasználva (4.13) összefüggéssel definiált fajlagos érintkező felületet, (4.11) egyenlet a következő alakra hozható: m d ( ) a A dh (4.21) 0 A szárító hossza az integrálási határok kijelölése után: ahol: H H H dh ki m a A d m a A ki H 0 0 0 be be d H U N U (4.22) az átviteli egység magasság gáz-nedvességtartalom hajtóerővel: m HU [m] (4.23) a A 0 az átviteli egységszám, gáz-nedvességtartalom hajtóerővel: N U ki be d [-] (4.24) 43
Az átviteli egységek módszerével mindkét hajtóerő oldaláról meghatározható a szárításhoz szükséges méret: H HU NU HU NU (4.25) A hőmérséklet-különbség hajtóerő oldalánál 4.1.1 és 4.1.2 fejezetekben ismertetett speciális esetek hasonló módon érvényesek a gáz nedvességtartalom oldaláról vizsgált esetekben is. A felületi nedvesség szakaszán az átviteli egységszám a következő összefüggésből számolható mindaddig, amíg a száradó anyag végső nedvességtartalmára fennáll Xki >Xkr: N U ki be d ln Ilyen esetben a szárító hossza az alábbi összefüggéssel számítható: be ki (4.26) H m a A 0 ln be ki (4.27) (4.23) és (4.27) összefüggésben [kg/m 3 /s] szorzat, a térfogati párolgási tényezőnek nevezett mennyiség. Ez az adott szárító típusnál, a gáz-szilárd anyag érintkeztetési formától függő, általában kísérletileg meghatározható érték. a 4.3. olyamatos szárító modellezése konvektív és kontakt hőközlés esetén Az előzőekben tárgyalt szárítási modelleknél a hő közvetítése a konvektív hőáramot biztosító szárítógáz segítségével történt. A hőáram növelése érdekében, pl. köpenyoldali fűtést is alkalmazhatunk, amely a fallal érintkező száradó anyag kontakt fűtését eredményezi. Az ilyen hőközlésű ún. kontakt-konvektív szárítókban összetett folyamatok játszódnak le. A hőhordozó közeg egyrészt a szárító gáz, ami a konvekciós hőátadást biztosítja, másrészt a köpenyoldalról fűtőközeg végzi a kontakt hőátadást. yakran az anyag mozgatását és előrehaladását végző keverő-elem is fűtve van, ami természetesen tovább növeli a kontakt hőátadó felület nagyságát. A kontakt hőközlés történhet gőz kondenzáltatásával vagy elektromos fűtés alkalmazásával. 4.7. ábrán egy köpenyoldalon gőzfűtésű egyenáramú dobszárító vázlata látható. 4.7. ábra Kontakt-konvektív szárító vázlata 44
Egyidejű kontakt-konvektív hőközlés esetén (4.1) (4.11) egyenletek, a kontakt hőáram figyelembe vételével alkalmazhatók a szárító hosszának meghatározására. A 4.8. ábrán látható esetben a köpeny oldaláról érkező jqkt kontakt hőáramsűrűség a nedves anyag melegítésére és az abban lévő nedvesség elpárologtatására, valamint a szárítógázzal (levegővel) érintkező helyeken a levegő melegítésére is fordítódik. ermészetesen a szárítógáz felületen keresztül történő melegítése a hőmérsékletek függvénye. Amennyiben a szárítógáz hőmérséklete kisebb, mint a fal hőmérséklete, a fal és a szárítógáz között jqkv konvektív hőáram melegíti a szárítógázt. A szárítógáz jq-a konvektív hőáramot juttat a száradó anyag irányába. A száradó anyag felületéről a nedvesség jm anyagáram sűrűséggel vagy más elnevezéssel N száradási sebességgel távozik. gőz szárító gáz szárítandó anyag m,, h ma X jm=n jqkv jqa jqkt fal m + d h + dh X + dx 4.8. ábra Egyenáramú kontakt-konvektív szárító modellje Kontakt-konvektív hőközlés esetén kapcsolat alakul ki: a szárítógáz és az anyag között, melyet -a jelöléssel különböztetünk meg, a fűtött fal és a száradó anyag között, melyet fal-a jelölés jelöl, a szárítógáz és a fűtött fal között, melyet -fal indexezés jelöl. 4.8. ábán látható elemi dh hosszúságot vizsgálva, az említett folyamatok alapján felírhatók a száradó anyagra és a szárító gázra a hő- és anyagmérleg egyenletek. dh szakaszra a nedvesség anyagmérlege a gázban: átrendezve m N da m ( d), a m d N da (4.28) a dh szakaszra a nedvesség anyagmérlege az anyagban: átrendezve m X N da m ( X dx ), a a a da a a m dx N (4.29) áz entalpiamérlege a dh szakaszra: 45
átrendezve m h N da ( r c ) j da m ( h dh ) j a q kv o pv fal q kv a ( r 0 fal pv q a a q a m dh j da N da c ) j da (4.30) da a, A száradó anyag entalpiamérlege a dh szakaszra: átrendezve m h a a j q kt da fala j q a da a N da a ( r 0 C pv ) m a ( h a dh a ), m dh j da j da N da ( r 0 C ) (4.31) a a q kt fala q a (4.28) (4.31) egyenletek számításra alkalmas összefüggéssé alakíthatók: a a - a száradási sebesség a levegő oldali hajtóerővel kifejezve: N ( ) - a konvektív hőáram-sűrűség kifejtésével: j ) k ( q kv - a kontakt hőáram-sűrűség kifejtésével: j q kt pv kv ( fal kv göz kt ( fal ) kkt ( göz ) - a gáz- és a száradó anyag érintkeztetését jellemző fajlagos érintkező felület definiálásával: da a da a aa, melyből da a aa A0 dh. dv A0 dh - a gáz és a fal közötti fajlagos érintkező felület definiálásával: da fal a fala0 dh. - a nedves anyag fajlagos entalpiájának elemi megváltozása: ha ha dha da dx Cnada CLadX a X (4.28) (4.31) egyenletek a fenti átalakításokkal: d aa A0 ( ) dh m d dh A0 m c n ) (4.32) m c pv d aaa ( ) kkva fal( göz ) ( ) (4.33) A dh A koncentrált paraméterű leírás miatt: a, da A k kta fal( göz a ) dh m c 0 a na dx m d (4.34) dh m dh a aaa ( a ) 0 r c na dx dh (4.35) 46
(4.28) (4.31) egyenletek (4.32) (4.35) egyenletté történő részletes átalakítási lépéseit [11] irodalom ismerteti. A kontakt-konvektív hőközlésű folyamatos szárítóban a szárítógáz nedvességtartalmának és hőmérsékletének megváltozását valamint a száradó anyag nedvességtartalmának és hőmérsékletének megváltozását leíró differenciálegyenlet-rendszer: d dh a m a A 0 ( ) c pv d a ( ) k a ( ) ( ) (4.36) d A0 a a kv fal göz dh m cn cn dh (4.37) dx m d dh m a dh (4.38) da A r dx k a a kt fal a ( göz a ) a a ( a ) dh m c c dh (4.39) a na A szárító hossza mentén a száradó anyag nedvességtartalmának és a szárító levegő hőmérsékletének változása (4.36) (4.39) egyenletek felhasználásával kiszámítható. A dobszárító hossza mentén kialakuló anyag és szárítólevegő hőmérsékletek és nedvességtartalmak láthatók a 4.9. ábrán, ahol köpenyoldalról a kontakt fűtést gőz=130 C kondenzációs hőmérséklet biztosítja. na 140 120 100 [ C] 80 60 40 gőz levegő anyag 20 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 H [m] 4.9. ábra A száradó anyag, a szárítólevegő és a fűtőgőz hőmérsékletének változása a dobszárító hossza mentén 47
4.4. Porlasztva szárító magasságának meghatározása Szivattyúzható állagú, folyadékok vagy pasztaszerű anyagok szárításának egyik leggyakrabban alkalmazott szárítási eljárása a porlasztva szárítás. A cseppfolyós halmazállapotú anyagot az érintkező felület megnövelése érdekében célszerű cseppekre bontani, porlasztani. A cseppekre porlasztott anyag a szárítókamrában közvetlenül érintkezik a szárítógázzal. A konvekciós hőátadás hatására a nedvesség a cseppekből a meleg gázáramba párolog. A hőátadás következtében létrejövő száradás a még folyékony halmazállapotú cseppeknél kezdődik, majd a megszilárduló szemcsék továbbszáradásával folytatódik. A szárítási folyamat alatt képződő párát a szárítógáz viszi magával. A száraz, porszerű terméket a kamra alján lehet összegyűjteni vagy a szárítógáz ragadja magával. Ez esetben a szárított anyag porleválasztóval különíthető el a gázáramból [9]. Porlasztással történő szárítást általában a száradó anyag nagy nedvességtartalmának változása jellemzi, azaz nagy mennyiségű nedvesség diffundál a hordozó gázba, előidézve annak jelentős nedvességtartalom növekedését és komoly hőmérséklet-változást okozva. Ennek értelmében porlasztva szárításnál nem hagyható figyelmen kívül a hőmérséklet- és nedvességtartalom-hajtóerő megváltozása, tehát a szárítás csak változó gáz állapotjelzőkkel modellezhető helyesen. Vizsgáljuk a szárítás során végbemenő folyamatokat a 4.10. ábrán látható porlasztva szárító elvi ábrája alapján. abe. ms Xbe szárító gáz be. m be v vs t0 H=0 abe be szárító gáz t=t H=H aki ki ki ki. ms jm jq Xki száraz anyag ms1 Aé1 4.10. ábra Porlasztva szárító elvi ábrája 48
A nedvesség anyagmérlege a teljes szárítóra felírva, a 4.10. ábra jelöléseinek felhasználásával (4.1) egyenletnek megfelelően: m X X ) m ( ) (4.40) S ( be ki ki be ételezzük fel, hogy n darab egyenletes méretű és tömegű részecske jön létre porlasztással. A porlasztott halmaz száraz tömege: ms n m S 1 (4.41) A porlasztással létrejött halmaz érintkező felület: Aé n A é 1 (4.42) A szárítás során t idő alatt porlasztott száraz tömeg: m S t n m S 1 (4.43) A porlasztó H hossza mentén vs sebességgel haladó ds jellemző méretű részecskére felírható: H v S t (4.44) A tartózkodási idő alatt annyi anyagot kell betáplálni, amennyi azt a darabszámot reprezentálja, amelynek éppen Aé érintkező felülete van. ms1 Aé (4.41) és (4.43) egyenletekből t n, valamint n felhasználásával a porlasztó m S Aé1 szárító terének magassága: H A m é S1 vs (4.45) Aé m 1 S Korábban (4.12) egyenlet szerint, az érintkező felületre az átviteli egységszámmal felírtuk: m cn Aé NU Ennek felhasználásával a szárítótér magassága: m H v S c n ms1 m A S é1 N U (4.46) Definiáljuk a részecske sűrűségét: m S 1 (4.47) V ahol - m S1 a porlasztás során létrehozott részecske átlagos száraz tömege, - V 1 a porlasztás során létrehozott részecskék átlagos térfogata. A száradó részecske készülékhez viszonyított sebessége ( v S ) az ülepedési sebesség ( v Sü ) és a szárítógáz sebességének ( v )vektoriális összege: vs vsü v (4.48) A porlasztva szárítóban a gázsebességhez képest az ülepedési sebesség, a kis részecske méret miatt általában elhanyagolható: v Sü v, ezért v S v A nedvességtartalom-változás megvalósításához szükséges szárítótér hosszúság: 1 49
H m m S cn V A 1 é1 N U v S (4.49) ahol V 1 A é 1 a porlasztás során létrehozott részecskék átlagos térfogat-felület aránya. A hőátadás, az anyagátadás és az impulzus átadás analógiáján alapuló elméletek, gömb körüli áramlás esetén a nyomásesés illetve a súrlódási tényező alkalmazása általában nem használható fel a hő- és anyagátadási tényezők meghatározására, mivel az alakellenállás sokkal nagyobb, mint a súrlódási ellenállás. A hőátadási és az anyagátadási tényezőket kísérleti méréseken alapuló dimenziótlan egyenletek segítségével lehet meghatározni. A hőátadási tényező meghatározására jó közelítéssel alkalmazhatók [7, 8] alapján az alábbi egyenletek: Szabadon hulló cseppek hőátadására: 1 / 2 1/ 3 Nu (2 0,6 Re Pr ) 4 ha3,5 Re 7,6 10 és0,7 Pr 400 Megfúvott gömbök hőátadására: 1/2 2/3 0,4 Nu 2 0,4 Re 0,06 Re Pr 4 ha3,5 Re 7,6 10 és0,7 Pr 400 ahol fötömeg 0,12 ( ) fal d Nusselt-szám: Nu v d Reynolds-szám: S Re Prandtl-szám: c Pr a valamint, a dimenziótlan számokban szereplő d száradó csepp jellemző átmérője. A porlasztott termék minőségének egyik fontos jellemzője a szemcse méret-eloszlása. A cseppképzés során létrehozott cseppek nem azonos méretűek. A cseppképzés mechanizmusát, továbbá a porlasztott halmaz méret-eloszlásának jellemzését több irodalmi forrás is részletesen taglalja [1,10]. Porlasztott halmaz méret-eloszlását leggyakrabban log-normál és Rosin-Rammler eloszlásokkal jellemzik. Átlagos cseppméretnek nevezzük azt a méretet, amely az egész halmazt jellemzi. Porlasztva szárításkor általánosan elfogadott a térfogatfelület aránnyal megadott ún. d32, térfogat-felület közepes átmérő, ami az összes csepp térfogatának és felületének arányából adódik: ahol fn - a dn méretű cseppek száma dn - a csepp átmérője d n 1 3,2 n 1 f f n n d d 3 n 2 n 50
A különféle típusú porlasztókkal létrehozott cseppméret-eloszlások jellemzőinek meghatározására igen sok kísérlet készült. Az elméleti megfontolások és a kísérletek eredményei azt mutatták, hogy bármely közepes átmérő közelítően meghatározható a Dp fúvókanyílás átmérőjének vagy egyenértékű átmérőjének ismeretében például az alábbi összefüggés alapján [8]: d3,2 Dp vl a 0,35 a vl 0,2 5( ) ( ) D p a L ahol Dp a porlasztó fej (fúvóka) jellemző mérete a a porlasztóból kilépő anyag sűrűsége a a porlasztóból kilépő anyag dinamikai viszkozitása a a porlasztóból kilépő anyag sűrűsége L- a porlasztott folyadék és a szárítógáz közötti felületi feszültség vl - a folyadék sebessége a szárítógázhoz képest a porlasztóból való kilépéskor. 5. Átáramlásos szárítás Ha a száradó nedves, általában szemcsés anyagot tartóhálóra helyezzük, és a szárítógázt átáramoltatjuk rajta, akkor a száradás lefolyását tekintve a gáz folyamatosan áthalad az anyagon, nedvességet visz magával, nedvességgel telítődik. A száradás során az anyag helyzetét nem változtatja, belőle a nedvesség a szárítógázba diffundál, az anyag nedvességtartalma csökken. A száradás során az anyag nedvességtartalma nem lesz egyenletes, a szárítógáz belépési helyénél hamarabb eléri a kisebb nedvességtartalmat. Ha a szemcsék méretéhez képest az ágy elég vastag, akkor a száradás az 5.1. ábrán illusztrált szakaszok szerint játszódik le. ki ki ki ki XXkr X0 X0 X0 XXkr X<Xkr XXkr X<Xkr. m be be be be t=0 t=t1 t=t2 t=t3 5.1. ábra A száradás folyamata átáramlásos szárítás esetén 51
Indulásnál t = 0 időpillanatban a teljes ágy nedvességtartalma Xkiindulási = X0. Az álló ágy, belépő levegővel érintkező része egy idő múlva eléri a belépő levegő állapotához tartozó nedves hőmérő hőmérsékletet, az ágyon áthaladó levegő, pedig egy bizonyos Z magasságú ágy vastagságon belül telítődik. Az ágy többi részén áthaladó levegő már nem vesz fel több nedvességet, így ott az anyag nedvességtartalma megegyezik a kiindulási nedvességtartalommal: X = X0. Egy idő múlva a telítődési sávon belül állandó száradási sebesség alakul ki és a levegő adiabatikusan telítődik. Ezt a folyamatot illusztrálja az 5.1. ábra t = t1 időpillanattal jelölt része. Amikor az ágy azon részén, amelyen a belépő levegővel érintkezik, elpárolog a szabad nedvesség, akkor a szabad nedvesség párolgásának sávja a levegő haladási irányába elmozdul. Ezt a jelenséget deszorpciós (száradási) hullámnak nevezzük. A deszorpciós hullám meghatározott állandó sebességgel halad az ágyon keresztül a levegő kilépési irányába. A deszorpciós hullám (vagy más néven deszorpciós zóna) mögött a kötött nedvesség párolog, a deszorpciós zónában a szabad nedvesség, míg a zóna előtt kiindulási nedvességtartalmú anyag van. A száradás ezen szakaszát az 5.1. ábra t = t2 időpillanata illusztrálja. A deszorpciós zóna hossza (Z) az indulás pillanatában a legnagyobb, mivel amikor a zóna messze van a kiindulási helytől, akkor a kötött nedvesség párolgása miatt telítettebb levegőt kap, mint amikor közelebb van, ezért a levegő rövidebb sávon belül telítődik. Ezért a deszorpciós hullám eleje és vége más-más sebességgel halad. Az 5.1. ábrán jelölt t = t3 időpillanatban a zóna eléri az ágy felső részét, az ágy jelentős részén már kiszáradt anyag található, csak a felső részén, a zónában történik nedvességtartalom változás. E szakaszban a szárítógáz már nem telítődik, az anyag nedvességtartalmának csökkenésével egyidejűleg a szárítógáz kilépési nedvességtartalma közelít a belépési nedvességtartalmához. A szárítógáz nedvességtartalom változásának jellegét 5.2. ábra mutatja. ki be t=0 t1 t2 t3 t 5.2. ábra A szárítógáz nedvességtartalmának változása A fenti jelenségek nem, vagy csak nagyon kialakulásukban jelentkeznek vékony ágyon keresztül történő áramlásnál, vagy akkor, ha igen nagy a szárítógáz mennyisége. Ilyenkor a szárítógáz már kezdettől fogva telítetlenül távozik és a deszorpciós hullámnak csak a belépő frontja alakul ki. 52
Az átáramlásos szárítóban a szárítandó anyag áll: ( m S ), a szárítógáz pedig ( m ) átáramlik rajta keresztül, ezért a szakaszos és a folyamatos szárítónál alkalmazott egyenleteket speciálisan lehet alkalmazni. Az 5.3. ábrán látható elemi szárítórész segítségével a szárító H magassága a már ismert egyenletek segítségével meghatározható. + d daé dh A0. m 5.3. ábra Az átáramlásos szárító elemi része A szárítás kezdetekor: t = 0 X = X0 > Xk A szárítás végén: t = tv X = Xki A szárító dh elemén, dt idő alatt a száradó anyag nedvességtartalmának megváltozása dx. Ez a folyamat felírható: m ( ki ) dt m be S dx A teljes szárítás alatt: tt m ( ) dt X X ki be t0 X X 0 ki m S dx A száradási sebesség átáramlásos szárítás dh szelvényében az alábbiak szerint definiálható: m ms dx dn d (5.1) Aé Aé dt m illetve a teljes szárítás idejére: N ( ki be ) (5.2) Aé Az időegység alatt előárolgó nedvesség: dx m ( ki be ) ms N Aé (5.3) dt 53
A nedvesség mérleg a szárító dh elemében: m d ( ) da (5.4) a A0 A fajlagos érintkező felület értelmezése szerint: da é dh Ezzel átírva: m d ( ) a A0 dh (5.5) Ebből a szárító magasság: m d dh (5.6) A0 a Az integrálást elvégezve a kijelölt határok között: é H H H 0 dh ki be m d A a A szárító magasság a korábban alkalmazott átviteli egységek módszerével is felírható: 0 (5.7) m H A a 0 ki be d H ahol az átviteli egység magasság és a gáz hajtóerővel kifejezett átviteli egység szám: U N U (5.8) H U m A a 0 és N U ki be d Ha a felületi nedvességtartalom = állandó, akkor a szárító magassága az alábbi összefüggéssel számítható: m be be H ln HU ln A a 0 ki ki (5.9) Átáramoltatásos szárítás esetén általában az ágy magassága ismert és többnyire a szárítási időt keressük. Az állandó száradási sebesség szakaszán (5.9) egyenlet felhasználásával a szárítási idő az alábbiak szerint számítható. (5.9) egyenletből: vagy másképpen felírva: be ki e H H U melyből: ki be ki be be be H ki be H 1 e U (5.10) be U ki be ( be )(1 e ) (5.11) A száradási sebesség definíciójának felhasználásával (5.1) egyenlet alapján: H H 54
m m H N ( ) ( ) (1 U ki be be e ) A0 A0 A szárítási idő a száradási sebesség anyag nedvességtartalmának felhasználásával (5.1) egyenletből: tt dt X X ki t0 X X 0 ms dx A N elhasználva (5.12) és (5.13) egyenleteket a megadott nedvességtartalom-változáshoz szükséges idő: é H (5.12) (5.13) m t m S 1 1 e H H U X 0 X ki be (5.14) 55
6. Szárító kialakítások A szárítás igen költséges eljárás, ezért a szárítást megelőző lépésekben törekednek arra, hogy a lehető legtöbb nedvességet eltávolítsák az anyagból. Az eltávolítandó anyag legtöbbször víz, de vannak olyan eljárások, melyek során oldószert kell eltávolítani. Az oldószerek többnyire robbanékony tulajdonsággal rendelkeznek, ezért fontos, hogy ezen berendezések tűz- és robbanásveszély szempontjából megfeleljenek az előírásoknak. A robbanásveszély nem csak oldószeres anyagoknál áll fenn, hanem a víznedves anyagok szárítása során is a száradás előrehaladtával. Ennek oka, hogy egyes porok levegővel keveredve robbanásveszélyes elegyet alkothatnak. Balesetvédelmi és tűzvédelmi szempontból tehát jelentősége van a berendezés kialakításának, a szárítandó anyagnak, a szárító közegnek és a szárítás körülményeinek. Szárítók csoportosítása: 1. A berendezés üzeme szerint a. szakaszos b. folytonos 2. A szárítóban uralkodó nyomás szerint a. atmoszférikus b. vákuum 3. A hőközlés módja szerint a. hőáramlásos b. hősugárzós c. hővezetéses d. dielektromos 4. A szárítóközeg és anyag egymáshoz viszonyított mozgása szerint a. egyenáramú b. ellenáramú c. keresztáramú Minden típusnál mesterségesen történik a szárítás, általában szárítóközeg hozzávezetésével. A vegyiparban a konvekciós szárítás a legelterjedtebb mind a feldolgozott anyagmennyiség, mind az alkalmazott berendezések száma szerint. yakran a többi szárítóeljárásnál is fellép konvekció, holott nem konvekciós szárításról van szó. A szárító berendezések működésének a legszembetűnőbb és a legegyszerűbb csoportosítási módja az üzem szerinti felosztás. A szakaszos szárítókba rendszerint kézi erővel juttatják a szárító anyagot. A töltés után meghatározott ideig folyik a szárítás. Az idő lejárta után a készüléket kiürítik, kiszedik a száradt anyagot. Előfordulhat, hogy a szárítás közben a megfelelő szárítás eléréséért az anyagot át kell mozgatni. Általában ez is kézzel történik. A szakaszos szárító berendezéseknél a levegő az egyik oldalon lép be, a másik oldalon pedig távozik. A belépéskor a friss szárítóközeg jobban kiszárítja az ott lévő anyagot, mint a másik oldalon. Az áthaladás közben a szárítóközeg nedvességtartalma folyamatosan emelkedik, egyre kevesebb nedvességet tud magával vinni, ezért a kilépő oldalon gyakran több nedvesség marad az anyagban. Mindez inhomogén szárazanyagot eredményezhet. A folyamatos szárítókba gépesített úton juttatják az anyagot folyamatosan. A berendezéseken folyamatosan vándorol végig az anyag és eközben folyamatosan szárad. Az anyagelvétel is folyamatos. A folyamatos szárítás során gyakran egy homogénebb nedvességtartalmú száraz anyagot kapunk. A folyamatos szárítók a szakaszos berendezésekből fejlődtek ki. Itt meg kell jegyezni, hogy ettől függetlenül a szakaszos berendezések nem elavult, korszerűtlen gépek. Vannak helyek, ahol az anyagok jellege nem engedi meg, hogy folyamatos szárítón 56
haladjanak keresztül. Vannak olyan helyek is, ahol a szárítandó anyagmennyiségek olyan kicsik, hogy gazdaságtalan lenne folyamatos szárítókat beépíteni. A szakaszos és folyamatos szárító berendezések tehát egyaránt jelen vannak a mindennapjainkban, használjuk mindkét eljárást. A szárítóban uralkodó nyomás felosztása szerint a leggyakrabban alkalmazott szárítók az atmoszférikus szárítók. Más besorolás szerint a szárítók nagy része konvektív szárító. A második leggyakrabban használt berendezések a kontakt szárítók. Ezt a fajta szárítást a szivattyúzható anyagok esetén és a vákuumszárítás során gyakran alkalmazzák. A szárítási fajták túlnyomó részét ez a két eljárás teszi ki, ezért a következőkben ezen két szárítás gépeit mutatom be a teljesség igénye nélkül. 6.1. Atmoszférikus konvekciós szárítók Szárítószekrény és szárítókamra Ezek a legegyszerűbb a legegyszerűbb szárító berendezések. A szárítószekrény és a szárítókamra méretben különböznek. Leggyakrabban gyümölcsök, zöldségek szárítására, aszalására használják ezeket a gépeket. A szárítószekrény kisebb méretű. Ebbe a szárítandó anyagokat tálcákra helyezve rakják be a kialakított helyekre. Ez egy kicsit több időt vesz igénybe a kamrába való behelyezéshez képest. A kamrás szárításkor a szárítandó anyagokat tálcákra helyezik, majd a tálcákat kocsikra. A kamrába való ki- és berakodás ideje lerövidül, mert csak a kocsikat kell ki- és betolni. A friss levegőt egy ventilátor szívja be, amely kaloriferen halad keresztül. A felmelegedett levegő áthalad a tálcák között és a kivezetőnyíláson távozik. A fáradt levegő egy részét visszavezetik a frisshez. Ez a szárítás hatásfokát nem rontja, de a levegő előmelegítése révén jelentős energiát, költséget takarítanak meg. Ide tartozik még a favorit aknás szárító, mely egy szakaszos üzemű, ellenáramú berendezés. A konzerviparban ezt használják a leggyakrabban. Működése annyiban különbözik a fent tárgyalt két berendezéstől, hogy a tetején és az alján van egy-egy ajtó. A gép a levegőt lentről felfelé áramoltatja. A felső ajtón helyezhetők be a tálcák, de egyszerre csak egy. A gép meghatározott időnként egy egységnyivel süllyeszti a tálcaoszlopot. Minden süllyedés után kivehető egy-egy tálca a gép aljánál lévő ajtón. 57
6.1. ábra Szárítókamra 6.2. ábra Szárítószekrény 58
Alagútszárító 6.3. ábra avorit aknás szárító Az alagútszárítók atmoszférikus nyomáson működő folytonos szárítók. Az alagút, amelyben a szárítás lezajlik, egy hosszúkás, vízszintes kamra. Ebben haladnak végig az egymás után kapcsolt kocsik. A kocsikra helyezik a szárítandó anyaggal megrakott tálcákat. A szárítandó anyag és a szárító közeg egymáshoz viszonyított mozgása szerint lehet egyenilletve ellenáramú. Az alagút tetején helyezik el a ventillátort, amely a friss levegőt egy hőcserélőn vezeti keresztül. A felmelegített levegő végighalad az alagúton, körbejárja a száradó anyagot a karma másik végén távozik, mint fáradt levegő. Ennek egy részét visszavezetik a friss levegőhöz az energia- és költségmegtakarítás miatt. Az alagútszárítóknak több fajtáját is használják. Az egyszerűbb és kisebbeknél egy ventilátort használnak a légmozgatásra. Vannak olyan berendezések is, amelyeknél több fokozatott használnak. Minden egyes fokozat önmagában egy egyszerű alagútszárító külön-külön ventillátorral, kaloriferrel és terelőlemezekkel. Szalagos szárítók A szalagos szárítók az atmoszférikus folytonos szárítók csoportjába tartoznak. Leginkább szemcsés és szálas anyagokat szárítanak velük. A szalagos szárítók felépítése két fajta lehet. Az egyszerűbb és kisebb méretű az egyszalagos szárítók, melyeknél egy végtelenített szalag található. A másik fajtájuk a többszalagos szárítók, melyeknél több végtelenített szalag található egymás alatt. 59
6.4. ábra Alagútszárító 6.5. ábra öbbfokozatú léghevítéses alagútszárító Az egyszalagos szárítók szalagja rendszerint egymáshoz kapcsolt peremes tálcákból áll. A tálcákat általában perforált fémlemezekből vagy drótszövetből készítik. A többszalagos szárítók szalagjait végtelenített acélszövetből készítik. A szalagok egymás alatt helyezkednek el hosszirányba eltolva egymástól. Így a felső szalagról lehulló anyag az alatta lévőre hullik és folytatja útját. Mindkét kialakításnál hasonló a szárító közeg útja. A levegőt axiálventillátorok fújják a szalag alá, amely a perforáción és réseken keresztülhaladva az anyag között is végighalad függőleges irányba, így szárítva a szárítandó anyagot. A nedves levegő a szalag felett kialakított légelszívó nyílásokon távozik. A szárítóközeg áramlási iránya fordított is lehet a fent leírtakhoz képest. Általában 1 4 szalagos berendezéseket készítenek, így a szárító felület a 2 m 2 -től az 50m 2 -ig terjedhet. A szalag szélessége és a hőenergia-felhasználás nagyban függ a szárítandó anyag jellemzőitől. A szalagos szárítók nagy hátránya, hogy a szalagok alsó ága üresen fut, kihasználatlan. 60
6.6. ábra Kerámiaipari egyszalagos szárító ravitációs (csörgedező) toronyszárítók 6.7. ábra öbbszalagos szárító A szárítók ezen típusa is atmoszférikus, folytonos szárító. A szárító belsejében nincsenek mozgó alkatrészek. A függőleges toronyszárítókat mezőgazdasági területeken használják szemes takarmányok szárítására. Szerkezeti felépítésük egyszerű. A toronyba vízszintesen keresztben helyezkednek el a háromszög vagy háztető keresztmetszetű légcsatornák, melyek alja nyitott. Ezekbe fújják be a szárító közeget. A száradó anyagot folyamatosan adagolják be felülről és folyamatos az anyagelvétel a torony alján. A szárító közeg felfelé áramlik, miközben szárítja az anyagot. A torony felső részébe kontakt előmelegítőket is szerelhetnek be, melyek előmelegítik a nedves anyagot. Ez különösen célszerű nagy kezdeti nedvességtartalmú közegek esetén. A szárítás idejét a beadagolási és elvételi sebességgel, valamint a szárító levegő paramétereivel tudják befolyásolni. 61
6.8. ábra toronyszárító légvezeték elrendezése 6.9. ábra Átlós áramirányú MIA-toronyszárító 62
orgótányéros vagy turbinaszárítók öbb elnevezésük is van ezeknek a szárítóknak. orgótányéros vagy turbinaszárító gyűrűtálcás emeletes vagy más néven szegmenstányéros etázsos készülék. A közepükön egy függőleges tengelyű ventillátorcsoport helyezkedik el, erről kapta a turbinaszárító nevet. Olyan anyagokat szárítanak velük, amelyeket általában tálcákon helyeznek el. Ezek többnyire porszerű és szemcsés anyagok, iszapok, pépek, kristályszemcsék. A berendezés egy álló, hengeres házban helyezkedik el. Az anyag vízszintes, gyűrű alakú tálcákon helyezkedik el, amelyek egymás alatt vannak. Az szárítandó anyagot felül adagolják be a legfelső tálcára. Minden egyes tálcához tartoznak terelőlapok, amelyek a száradó anyagot egy fordulat megtétele után egy tálcával lejjebb juttatják. A ventillátorcsoport egy tengelyen helyezkedik el. elváltva található rajta szívó és nyomó turbóventillátor. A nyomók az oszlop külseje felé terelik a levegőt, a szívók pedig visszaszívják onnan. Eközben a szárító közeg körüljárja az anyagot. A friss levegő betáplálása alul, a külső szélen van, a nedves levegőt pedig felül, az oszlop közepén szívják el. A tálcaátmérők 2-től 9-ig terjedhet, számuk 10 20. A tálcák összfelülete 20m 2 -től az 1000m 2 -ig terjedhet. 6.10. ábra orgótányéros (turbina-) szárító 63
Vibrációs spirálszárító A vibrációs szárítók atmoszférikus, folytonos szárítók. Érdekességük, hogy az anyagot nem terelőelem vagy légsugár mozgatja, hanem vibráció. Az anyag szemcséi egy spirálpályán mozognak felfelé. A szárító közeg az anyagréteg felett halad ellenirányban. A szemcsék a rezgés hatására elmozdulnak a pályán, és elmozdulnak egymáshoz képest is. A tapasztalatok szerint ezen mozgás ellenére nem számottevő az aprózódás és nincs jelentős porképződés sem. Az anyagot a torony alján adagolják be, mely a spirálpályán végighaladva felül távozik. A torony tetején szívják be a friss levegőt, melyet egy kalorifer melegít fel. A nedves levegő elszívása a torony alján történik. A vibráció létrehozására a torony aljánál, a spirálpálya alatt elhelyezkedő mechanikus vagy elektromágneses vibrátor szolgál. A megfelelő rezgésszám beállítását pontos számítások és fontos kísérletek előzik meg, csak így működhet megfelelően a szárító. 6.2. Dobszárítók 6.11. ábra Vibrációs spirálszárító Atmoszférikus körülmények között működő berendezések, melyek üzeme általában folyamatos, de vannak közöttük szakaszos változatok is. Szemcsés anyagok szárítására használják őket. orgódobos vagy forgóhengeres szárítóknak is nevezik őket. 64
Három nagy csoportra oszthatók fel: a. közvetlen, direkt szárítók, ahol a szárítandó anyag közvetlenül érintkezik a szárítóközeggel b. közvetett, indirekt szárítók, ahol a szárítandó anyag nem érintkezik közvetlenül a szárítóközeggel, a szükséges hőmennyiséget egy szilárd elválasztó falfelületen közöljük c. vegyes működésűek, ahol mindkét fenti módszert alkalmazzák a berendezés egy-egy szakaszán Kialakításuk, alakjuk és működési elvük sokféle. Működési elvük szerint lehetnek: a. konvekciós b. konvektív c. vegyes működésűek A dobban az anyag és a szárítóközeg haladhat ellen- és egyenáramban is. A dob a vízszintessel szöget zár be. A dob forgása és a lejtés biztosítja az anyag előrehaladását. A dob belsejében a jobb átkeveredés és a szárító közeggel való minél nagyobb felületen való érintkeztetés elősegítésére különböző betéteket használnak. A betétek kiválasztását a szárítandó anyag milyensége határozza meg. Egyes berendezéseknél torlasztó szárnyakat alkalmaznak, melyekkel megnövelik a szárítási időt. A berendezések kialakításának változatosságát az is jól mutatja, hogy például a cukorszárítónál a szárítóval egybeépítenek egy hűtődobot is, mely a szárított cukrot lehűti a kívánt hőmérsékletre. A továbbiakban röviden ismertetek néhány fontosabb fajta dobszárítótípust. 6.12. ábra Dobszárító betétek 65
6.13. ábra Cukorszárító és -hűtő dob Roto-louvre-szárító A forgószárítók különlegesen fontos típusa ez. Egyesíti a forgódobos és az átáramlásos szárítók jellegzetességeit. A szárító dob helyett egy szárító kúpot forgatnak. A dobpalást kiképzése speciális. Megfelelő forgásirány és fordulatszám esetén a szárítóközeg át tud hatolni a paláston, viszont a szemcsés anyag nem. Olyan anyagok szárítására alkalmas, melyek nem vagy csak kevés port tartalmaznak. 6.14. ábra Roto-Louvre szárító 66
Közvetlen füstgáz szárítóközegű dobszárító A szárítóközeg füstgáz, melyet egy szilárd tüzelésű kazánban hoznak létre. A füstgázt ventillátorok segítségével mozgatják. A kazánból porleválasztóba vezetik a füstgázt, majd innen a szárítódobba, ahol haladási iránya megegyezik a száradó anyag mozgásának irányával, tehát egyenáramú készülék. Közvetett fűtésű dobszárító 6.15. ábra Közvetlen működésű dobszárító Nevezik átáramlásos szárítónak is. Sok esetben nem megengedett, hogy a szárítandó anyag közvetlenül érintkezzen a füstgázzal. Ilyyen esetekben a levegőt gőz vagy egyéb fűtésű kaloriferekben melegítik fel. A felmelegített levegő közvetíti a párolgáshoz szükséges hőt, illetve felveszi és elszállítja a nedvességet. Az alábbi ábrán lévő berendezés egy ilyen szárító. A szárítóban egy külső és egy belső henger helyezkedik el. A meleg füstgáz keresztülhalad a hengereken, vezethető egyen- illetve ellenáramban is. A füstgáz felmelegíti a hozzáadott levegőt, ami kontakt módon, a falon keresztül végzi a hőközlést Vegyes melegítésű dobszárítók ő részei egy dob és egy kereszt keresztmetszetű központi csőből áll. A szárítandó anyag a dob és a központi cső között halad. A belépő füstgáz a központi csőbe érkezik, ahol kontakt módon adja át hőjét az anyagnak. Ezután továbbhalad és a gyűrű alakú térben közvetlenül érintkezve szárít, majd ventilátor segítségével távozik a berendezésből.. 67
6.16. ábra Közvetett működésű dobszárító 6.17. ábra Vegyes melegítésű dobszárító Keverős dobszárító Az ábrán látható szárító szakaszos üzemű. Ez eddigiekkel ellentétben itt a dob áll, az anyagot egy keverőszerkezet mozgatja. A keverőelem az anyagot felemeli és érintkezésbe hozzá a szárító közeggel. A keverőelem lassan mozog és forgásirányát egy automatikus reverzálómű adott időközönként megfordítja. Ez a fajta mozgatás biztosítja az anyag hosszirányú elkeveredését. Megfelelő kialakítással és beállítással folyamatossá tehető a berendezés. 68