TEPELNÁ ZAŘÍZENÍ Sušení TZ9 Bilance sušení (i-x diagramy). Sušící křivky. Entalpické a hmotnostní bilance. Rudolf Žitný, Ústav procesní a zpracovatelské techniky ČVUT FS 2010

Sušení a sušený materiál TZ9 Transport páry je vyvolán rozdílem parciálního tlaku vodní páry pw na povrchu (a ten je určen stavem, tj. teplotou a vlhkostí, sušeného materiálu) a parciálního tlaku vodní páry v sušícím prostředí (což je vzduch nebo přehřátá vodní pára). Potenciál sušení pw > pwA Dáno sušeným materiálem Dáno sušicím prostředím Scheeler

Sušený materiál TZ9 Nejdůležitější je obsah vody a způsob její vazby na sušený materiál. Obsah vody vyjadřuje: Měrná vlhkost XS, kg vody / kg sušiny (relativní hmotnostní podíl vody). Relativní vlhkost , kg vody / kg vlhkého materiálu (hmotnostní podíl vody). Oba tyto pojmy se v technice sušení nevztahují na veškerou vodu, ale jen na tu, která se dá "rozumným" způsobem odstranit (standardní postup je sušení při teplotě 1050C po dobu 24 hodin). Uvedené názvosloví bylo kodifikováno normou ČSN 12 6000. V tomto textu se vyskytuje řada velièin, třeba právě měrná vlhkost, které mají stejný význam pro sušený materiál (dolní index S) i pro sušící prostředí (budeme používat dolní index A, jako Air).

Sušený materiál (sorpční isotermy) TZ9 Část vody v sušeném materiálu je VOLNÁ, část vody je vázaná. Vázaná kapilárními a fyzikálně chemickými silami ke stěnám pórům sušeného materiálu. Zatímco nad hladinou volné vody je vždy sytá pára, jejíž parciální tlak pw“ závisí jen na teplotě vody, je parciální tlak vodní páry pw na povrchu tělesa, ve kterém je voda vázaná, menší. Jeho velikost je určena aktivitou vody aw = pw/ pw“. Practical limit of drying Residual moisture Desorption (drying) Adsorption (soaking)  =aw Sorpční isoterma XS(aw) je rostoucí funkce tvaru S (aktivita vody se zvyšuje s rostoucí vlhkostí materiálu). Při rovnováze materiálu v kontaktu s vlhkým vzduchem je aktivita vody totožná s relativní vlhkostí vzduchu .

Sušený materiál TZ9 Ze znalosti sorpční izotermy je možné pro známou měrnou vlhkost materiálu určit aktivitu vody. Aktivita vody je potřebná ke stanovení míry konzervačních účinků v případě potravin aw > 0.90 potlačen růst patogenních bakterií i kvasinek aw: > 0.70 potlačen růst plísní aw: > 0.60 potlačen růst veškerých mikroorganizmů Ze sorpční izotermy je možné určit minimální měrnou vlhkost, na kterou lze vysušit materiál při sušení vzduchem s relativní vlhkostí  (ovšem po dobu nekonečně dlouhou). Tato limitní rovnovážná hodnota měrné vlhkosti materiálu je základní parametr umožňující odhad doby sušení.

Sušicí media TZ9 Sušicí medium má dvě role Přenášet teplo do sušeného materiálu Odvádět vysušenou vlhkost Používá se Vlhký vzduch (výhodné pro nižší teploty, zpravidla <200 0C) Přehřátá pára (výhodné při vysokých teplotách >200 0C) Spaliny

Vlhký vzduch TZ9 Všechny parametry vlhkého vzduchu lze odečíst z Mollierova diagramu XA měrná vlhkost [kg vody/ kg suchého vzduchu] horizontální osa  Relativní vlhkost =wA/wA“=pwA/pwA pwA” tenze sytých par pwA parciální tlak vodní páry Twb teplota vlhkého teploměru Tdp teplota rosného bodu hA entalpie [vztažená na 1kg suchého vzduchu] Význam parametrů je snad patrný z příkladů: TDB suchý teploměr  Relativní vlhkost TDP teplota rosného bodu TWB teplota mokrého teploměru 40 30% 19 25 20% 12 22 30 11 18

Vlhký vzduch TZ9 Je dobré si uvědomit, že teplota vlhkého teploměru je současně teplota volné vody, odpařované v první fázi sušení. Je to vlastně jediná informace o teplotě sušeného materiálu, kterou lze získat z parametrů sušícího prostředí. Goya

Bilance sušení TZ9 Vzduch Sušený materiál Hmotnostní bilance Hmotnostní tok suchého vzduchu Hmotnostní tok suchého materiálu Hmotnostní bilance Entalpická bilance

Poloha bodu 1 závistí na poměru recirkulujícího vzduchu Bilance sušení TZ9 Klasifikace sušáren dle toku materiálu Souproudé vhodné pro sušení teplotně citlivých materiálů Protiproudé lze dosáhnout vyšší relativní vlhkosti sušícího vzduchu a tím je lepší ekonomie. Citlivější na regulaci. Vícestupňové sušárny a recirkulace Proč více stupňů? Sníží se maximální teploty sušícího vzduchu a tedy též sušeného materiálu (dokonce i v první fázi sušení) Proč recirkulace? Zvýší se rychlost proudění vzduchu a tedy i přenos hmoty a tepla. Zvýší se i vlhkost sušícího vzduchu, což je někdy žádoucí z hlediska kvality sušeného materiálu (potlačení tvorby krusty). Poloha bodu 1 závistí na poměru recirkulujícího vzduchu

Sušení kinetika TZ9 Rychlost a doba sušení se zjišťují především experimentálně na laboratorních nebo poloprovozních sušárnách. Při konstantních parametrech sušícího vzduchu se zjišťuje úbytek hmotnosti a z něho pak sušící křivka XS(t) XS t Xc I.fáze XR Normalizovaná rychlost sušení (vzhledem k I.fázi) Zelená přímka je vlastně nejjednodušší model pro II.fázi sušení 1 II.fáze II.fáze I.Fáze Konstantní rychlost sušení v I.fázi 0 1 Normalizovaná měrná vlhkost (XC-kritická, XR-konečná vlhkost) I.fáze t

Sušení kinetika TZ9 Konstantní rychlost sušení v I.fázi je dána rychlostí přívodu tepla Teplota vzduchu Teplota vlhkého teploměru Součinitel přenosu tepla z korelací Nu(Re,Pr)

Sušení kinetika TZ9 Z toho se dá odvodit například doba odpaření kapky vody o počátečním poloměru R (pokud je kapička dostatečně malá a vůči vzduchu se pohybuje pomalu)