BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS AZDASÁTUDOMÁNYI EYETEM Épületgépészeti és épészeti Eljárástechnika Tanszék Hallgatói segédlet Konvekciós szárítás Készítette: Átdolgozta: Bothné Dr. Fehér Kinga, adjunktus Dr. Poós Tibor, adjunktus Szabó Viktor, egyetemi tanársegéd Budapest, 2018. augusztus 31.
1. Mérés célja Félüzemi konvekciós szárító csatorna megismerése, szárítás folyamán lejátszódó egyidejű hő- és anyagátadási folyamat vizsgálata. ipszlap szárítási görbéinek felvétele koncentrált paraméterű mérés segítségével (m-t, T-t, N-t, N-X), a szárítás különböző szakaszainak azonosítása. Az állandó száradási sebességű tartományban a hőátadási tényezőt (α) és a párolgási tényezőt (σ) meghatározása. Átlagos hőátadási tényező számítása Nu=f(Re) kriteriális egyenletből. Az átadási tényezők ismeretében a Lewis törvényen keresztül megvizsgálni a hő- és anyagátadás analógiáját. 2. A mérőberendezés leírása (1. ábra) Ventilátor szállítja a beszívó mérőperemen átáramló levegőt, amely egy elektromos fűtőtesten áthaladva felmelegszik az általunk előzetesen beállított hőmérsékletre. A levegő térfogatáramát a csatorna keresztmetszetébe helyezett pillangószeleppel állíthatjuk be. A felmelegített levegő terelőlapokkal és áramlássimító csövekkel ellátott csővezetéken keresztül jut el a szárítótérbe. Itt helyezkedik el egy mérlegen a próbatest. A szárítógáz a mérőteret elhagyva a szabadba áramlik egy kéményen keresztül. 2
1. ábra A mérőberendezés vázlata 3. A mérés elmélete Konvekciós szárítás esetén a hőáram a gáz főtömegéből a száradó anyagba irányul, míg az ezzel egyidejűleg az anyagáram iránya ezzel ellentétes. A konvekciós szárítás történhet folyamatosan, vagy szakaszosan. A mérés során a gáz állapotjelzői állandónak tekinthetők, tehát szakaszos szárítást vizsgálunk. A száradó anyag pillanatnyi nedvességtartalma: X m m S mna ms m S g L / g (1) A száradási sebesség: N 1 A é dm dt na m A S é dx dt m A S é X t kg / m 2 s (2) A száradó anyagra jellemző görbék (2. ábra) segítségével jól elkülöníthetők a szárítás különböző szakaszai. 3
2. ábra. A száradó anyag hőmérsékletének és tömegének alakulása a száradási idő függvényében 3. ábra. A száradó anyag nedvességtartalma és száradási sebessége a szárítási idő függvényében 4
Látható, hogy rövid kialakulási szakasz után a száradás egyenletes sebességűvé válik, majd a száradási sebesség csökken. 1. Kialakulási szakasz (A-B): a szárítandó anyag hőmérséklete a kiindulási hőmérsékletről az egyensúlyi hőmérséklethez, a nedves hőmérő hőmérséklethez tart. 2. Állandó száradási sebességű szakasz (B-C): ekkor a szabad nedvesség párolog az anyag felületéről, a száradási sebesség állandó. Az anyag hőmérséklete is állandó és megegyezik a nedves hőmérő hőmérsékletével. 3. Csökkenő száradási sebességű szakasz (C-D): a próbatest felületén először száraz foltok jelennek meg, a száraz foltok alóli pórusokból, kapillárisokból is megindul a nedvesség eltávozása. Mikor az anyag felületén már nem található nedvesség, egy párolgási front indul az anyag belseje felé a próbatestet egy növekvő vastagságú száraz felületi rétegre és egy zsugorodó nedves magra osztva. 4. Kiegyenlítődési szakasz (D): mikor a párolgási front eléri a próbatest középvonalát, az anyag gyakorlatilag kiszáradt. A tömegcsökkenés rendkívül lelassul (gyakorlatilag megáll), az anyag hőmérséklete a szárítógáz hőmérsékletéhez tart. A felületi szabad nedvesség párolgásának szakaszában a szárítandó anyagnak átadott hőáram: Q T TF Aé (3) A szárítás ezen szakaszában ez a hőáram teljes egészében a nedvesség elpárologtatására fordítódik, így a hőáramsűrűségre írható, hogy: T T N r q (4) Innen a hőátadási tényező meghatározható: F N áll r áll (5) T TF 5
A felületi hőmérséklet a nedves hőmérő hőmérsékletével egyenlő és a nedves levegő h-y diagramjáról határozható meg. A konvekciós szárításnál az időegységenként és felületegységenként a szárítandó anyag felületéről a szárító levegőbe áramló pára mennyisége a párolgási sebesség. A párolgási sebesség felírható a levegő párolgó felszínnél valamint a főtömegben mérhető abszolút nedvességtartalom különbség, mint hajtóerő, valamint σ párolgási tényező szorzataként: N áll YF Y (6) Ha az állandó száradási sebesség ismert, σ párolgási tényező számítható. A hőátadás és az anyagátadás közötti kapcsolat: cnle z (7) ahol cn nedves gáz fajhője (levegő-vízgőz rendszer esetén T 20 50 C és Y 3-20 g/kg tartományban cn = 1 kj/kgk), Le Lewis-szám (levegő-vízgőz rendszer esetén Le = 1), z konstans (0 z 1). 4. A mérés menete A szárítócsatornában adott méretű, desztillált vízzel benedvesített és jég közé helyezett (0-10 C-ra lehűtött) gipszlapot szárítunk a próbatest körül áramló meleg levegővel. A ventilátor indítása után beállítjuk a szárítógáz hőmérsékletét és térfogatáramát. Csak az állandósult állapot beállta után helyezzük a próbatestet a mérőtérbe és indítjuk el a mérést. A próbatest felületén a gipszlapba öntött termoelemek mérik a hőmérsékletet a száradó anyag hossza mentén. A mérés során a próbatest felületi hőmérsékleteit és a szárító gáz hőmérsékletét, nedvességtartalmát egy adatgyűjtő folyamatosan regisztrálja. A mérőtérben lévő Sartorius mérleg által folyamatosan mutatott tömegcsökkenést meghatározott időközönként feljegyezzük. A mérés során szükséges még megmérni a környezeti levegő hőmérsékletét és abszolút nedvességtartalmát, valamint a 6
belépő mérőperemen nyomásesést is. A szárítógáz térfogatáramát a csatorna beszívó csonkjára épített belépő mérőperemmel mérjük. A mérés folyamán a mérőperem által nyomásesést állandó értéken tartjuk. A mérést akkor állítjuk le, amikor már nincs számottevő tömegcsökkenés. A mérés végeztével a próbatestet 1 napig kb. 100 C-os szárító kemencében szárítjuk tovább. 1 nap múlva lemérjük a tömegét és ezt tekintjük a teljesen kiszárított próbatest tömegének. 5. A kiértékelés módszere: A hőátadási tényező: ahol N r áll (8) T TF N áll m A S é X t (9) A számított hőátadási tényező: 0,5 1/ 3 5 Nu 0,664 Re Pr ha Re110 (10) szám L Nu és Re v L A kritériális egyenletbe behelyettesítve Nu és Re számokat kifejezhető a számított hőátadási tényező. A Re-hoz szükséges a gázsebesség meghatározása: A mérőperemen beáramló térfogatáram: d 2p 2 MP MP (11) be 4 körny V A mérőtérben levő térfogatáram: V V be körny (12) ahol ρkörny levegő sűrűsége környezeti hőmérsékleten ρ levegő sűrűsége a szárító tér hőmérsékletén. 7
A gáz sebessége a mérőtérben: v V A cs (13) Tehát mindezeket behelyettesítve a kritériális egyenletbe: 0,5 szám L vl 1/ 3 (14) 0,664 Innen a számított hőátadási tényező kifejezhető. Az így kapott hőátadási tényező a lap hossza mentén egy átlagos értéket ad. A lap egyes pontjain a hőátadási tényező kiszámítására alkalmas kritériális egyenlet: 0,5 3 Nu 0,332 Re Pr 1/ (15) ahol Pr Nu számli v L Re i (16) (17) ahol a Reynolds számban és a Nusselt számban a jellemző méret (L i ) a lap szélétől távolság. A hőátadási tényező értéke tehát számítható és ábrázolható a lap hossza mentén. 6. A feladat Számolni kell: szárítólevegő belépő térfogatárama (V be); térfogatáram a mérőtérben (V ); gázsebesség a mérőtérben; Reynolds-szám; számított átlagos hőátadási tényező (α szám ) (10); hőátadási tényező a szárított anyag hossza mentén; állandó száradási sebesség; 8
állandó száradási sebesség szakaszán hőátadási tényező (α ) (8); α σ ellenőrzése (7). Diagramon ábrázolni kell: o m[g] t [min] o T [ C] t [min] o N [ kg m 2 s ] X [g g ] o N [ kg ] t [min] m 2 s o Mollier-diagram Meg kell határozni a szárítás különböző szakaszait. Össze kell hasonlítani: az elméleti hőátadási tényezőt az elméleti helyi hőátadási tényezők átlagával; a próbatest felületi hőmérsékletét a nedves hőmérő hőmérséklettel; a és elméleti hőátadási tényezők értékét; a hőátadási és párolgási tényezők hányadosát a Lewis törvénnyel; 7. Jelölésjegyzék A [m 2 ] keresztmetszet c [J/kgK] fajhő d [m] átmérő L [m] hossz Le [1] Lewis szám m [kg] tömeg N [kg/m 2 s] száradási sebesség Nu [1] Nusselt szám Q [J/s] hőáram p [Pa] nyomás Pr [1] Prandtl szám q [J/m 2 s] hőáramsűrűség r [J/kg] párolgási hő 9
Re [1] Reynolds szám T [ C] hőmérséklet t [s] idő V [m 3 /s] térfogatáram v [m/s] sebesség X [kg/kg] nedvességtartalom Y [kg/kg] absz. nedvességtartalom z konstans α [W/m 2 K] hőátadási tényező λ [W/mK] hővezetési tényező ν [m 2 /s] kinematikai viszkozitás ρ [kg/m 3 ] sűrűség σ [kg/m 2 s] párolgási tényező indexek: áll állandó be bemenő cs csatorna elm elméleti F felületi gáz kr kritikus körny környezeti L folyadék MP mérőperem na nedves anyag n nedves gáz S szilárd * egyensúlyi 10
8. Levegő vízgőz Mollier-diagram 11
9. Mérésnél felhasznált eszközök BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS AZDASÁTUDOMÁNYI EYETEM Épületgépészeti és épészeti Eljárástechnika Tanszék Berendezés/ yártmány Típusa yári sz. Tulajdonságok Felhasználási helye mérőeszköz megnevezése 1. Villanymotor Evig VZ 32/2 973293 4,0 kw; Ventilátor forgatása 2890/min 380/220 V 2. Ventilátor NVH50 40202 3800m 3 /h 2880/min Szárítólevegő áramoltatása 3. Kalorifer Thermoteam Kft. LF-36 99/130 PN=21+9+6 kw BME 123-008566 Szárítólevegő melegítése 4. Mérleg Sartorius E 2000 D 36060077 220V 8VA Szárított anyag mérlegelése 5. Páratartalom mérő Almemo FH A646-22 TT: -20..80 C RH: 5..98% DT: -25+100 C MH: 0-500 g/kg 6. Hőelemek réz-konstantán 7. Mérőperem α = 0,6 ε 1 d=0,1 m 8. U-csöves manométer Levegő relatív nedvességtartalmá nak és hőmérsékletének mérése Térfogatáramhoz nyomásmérés Nyomásmérés 9. Adatgyűjtő 10. ipszlap 150x100x5 Szárított anyag
10. Konstansok és anyagjellemzők BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS AZDASÁTUDOMÁNYI EYETEM Épületgépészeti és épészeti Eljárástechnika Tanszék α = 0,6 (átfolyási szám, beszívó mérőperem esetén) ε 1 ρ lev ; λ; υ; Pr: (interpoláció) Levegő tulajdonságai T x 10^6 Pr C kg/m 3 W/mK m 2 /s 1 0,0 1,252 0,0237 13,90 0,71 10,0 1,206 0,0244 14,66 0,71 20,0 1,164 0,0251 15,70 0,71 30,0 1,127 0,0258 16,58 0,71 40,0 1,092 0,0265 17,60 0,71 50,0 1,057 0,0272 18,58 0,71 60,0 1,025 0,0279 19,40 0,71 70,0 0,996 0,0286 20,65 0,71 80,0 0,968 0,0293 21,50 0,71 r: fázisváltozási hő, a szárított anyag átlagos hőmérsékletéhez tartozó Telített vízgőz párolgási hője T h=r C kj/kg 20 2453,3 25 2441,6 30 2429,9 35 2418,3 40 2406,1 45 2394,0 50 2382,3 55 2370,2 60 2358,1 65 2345,5 70 2333,4 A mérés kiértékeléséhez szükségesek még a következő adatok: A szárítókemencében kiszárított próbatest teljesen száraz tömege: ms= g A szárítócsatorna keresztmetszete: Acs = 0,105 m 2 A beszívó mérőperem átmérője: d mp = 0,1 m A gipszlap mérete: x x mm