Operatii si instalatii de uscareprin convectie cu aer cald

Proiect realizat de: Danoiu Alma Stoica Alin Stoica Oana Cristina Tautu Ruxandra

1

Generalitati

Uscarea este operaţia prin care apa din materialele solide sau lichide este îndepărtată cu ajutorul aerului, care are rolul dublu de a aduce căldura necesară vaporizării apei şi de a evacua vaporii de apă rezultaţi prin încălzire.

Pentru uscare, materia primă se poate prezenta în cele mai variate forme: soluţii, paste, granule, pulbere, plăci, bulgări, pânze, etc.; de obicei cu conţinut mic de apă; când materia primă conţine multă apă, este raţional să se elimine cât mai multă apă prin procedee fizice. Produsul rezultat de la uscare este practic anhidru sau conţine puţine procente de umiditate.

Fenomene care au loc la uscare· Difuziunea externa = evaporarea apei la suprafata produsului catre mediul exterior(proces de natura capilara);· Difuziunea interna = migrarea apei din straturile interioare spre exterior ca urmare a evaporarii apei de la suprafata si a tendintei de egalizare a umiditatii in produs(proces de natura capilara);;· Termodifuziunea apei = deplasarea vaporilor si a apei dinspre straturile incalzite spre straturile cu temperatura mai scazuta.

La majoritatea metodelor de uscare (in special la metoda prin convectie) eliminarea umiditatii din interiorul produsului se face in urma difuziunii interne care transporta apa spre exterior, unde, datorita procesului de difuziune externa are loc evaporarea ei. Daca difuziunea externa este mai mare decat difuziunea interna, apa care exista la suprafata produsului se elimina rapid si ca urmare se formeaza o crusta care va impiedica procesul de uscare.

Deoarece sensul termodifuziunii este invers fata de cel al difuziunii interne, trebuie sa se ia masuri pentru a reduce efectul acesteia. Cea mai simpla metoda in acest sens este oparirea produselor care determina o temperatura ridicata in interior astfel incat gradientul de temperatura interior - exterior sa fie redus.

Clasificarea metodelor de uscarea. Uscarea prin convectie - la care transmiterea caldurii se face prin convectie

la suprafata produsului, de la agentul de uscare la produs. In functie de sursele de caldura putem avea uscare cu aer cald, cu gaze de ardere, cu abur supraancalzit sau chiar cu gaze inerte. Aceasta metoda este cea mai folosita si se aplica atat la produse solide cat si lichide.

b. Uscarea prin conductie - la care transmisia caldurii se face prin produs folosind ca sursa de incalzire placile, valturile sau cilindrii incalziti. Viteza de uscare este de 2 - 3 ori mai mare decat la uscarea prin convectie.

c. Uscarea prin radiatie - la care transmisia caldurii se face prin radiatie si care cuprinde uscarea la soare si uscarea cu radiatii infrarosii.

2

d. Uscarea intr-un camp de inalta frecventa - care consta in transformarea energiei unui camp de inalta frecventa in energie calorica in masa materialului care se incalzeste astfel in tot volumul sau.

e. Metode combinate de uscare - pentru a realiza avantajele diferitelor procedee se combina diferite metode de uscare, in special metoda prin convectie cu cea prin radiatie sau conductie.In functie de modul de antrenare a vaporilor formati avem uscare in aer si uscare sub vid.

Uscarea prin convectia cu aer cald

Uscarea prin convecţie este un proces prin care încălzirea şi evaporarea în vederea reducerii umidităţii materialelor se face cu ajutorul aerului umed sau cald sau a gazelor de ardere fierbinţi.Procesul se poate realiza printr-o singură trecere a aerului peste material.

Factorii care influenteaza uscarea

a. Temperatura aeruluiCu cat temperatura aerului este mai ridicata, cu atat viteza de uscare va fi mai mare. Aceasta se explica prin faptul ca, cu cat temperatura este mai ridicata cu atat puterea de absorbtie a vaporilor de catre aer este mai mare.Viteza de evaporare depinde in acelasi timp de viteza cu care aerul transmite caldura sa produsului care se usuca, transmiterea fiind direct proportionala cu difernta dintre temperatura aerului si temperatura suprafetei produsului.Se recomanda o temperatura de uscare cuprinsa intre 40 - 90C.

b. Umiditatea relativa a aerului Cu cat umiditatea relativa a aerului este mai scazuta, cu atat aerul are o capacitate mai mare de absorbtie a apei din produs. Totusi, pentru a evita scorojirea si craparea, aerul trebuie sa aiba, mai ales in faza a doua a uscarii, o umiditate relativa ridicata. Pentru a se realiza aceasta si a face economie de caldura, s-a recurs la principiul recircularii aerului. Prin recirculare se intelege trecerea unui volum de aer incarcat cu umiditatea extrasa din material prin bateria de incalzire si de aici din nou prin aparat. Prin acest procedeu se prelungeste oarecum perioada de uscare dar se obtine un produs de calitate si se realizeaza o insemnata economie de caldura.

c. Viteza aeruluiCu cat viteza aerului este mai mare, cu atat uscarea se face mai rapid. Totusi aceasta nu se poate mari prea mult deoarece nu mai exista o concordanta intre evaporarea apei de la suprafata si difuziunea apei din interior spre exterior. In acest caz, produsul se usuca la suprafata, se scorojeste si crapa.

3

d. Dimensiunile produselor Dimensiunile produselor influenteaza viteza de uscare prin faptul ca cele cu un volum mai mic, maruntite sau tocate, prezinta o suprafata mai mare de evaporare a apei si ca urmare se usuca mai rapid.

e. Natura produsuluiIn functie de natura produsului se alege viteza de uscare. Astfel, de exemplu, durata de uscare la pere este de 10 - 12 ore, la struguri de 16 - 20 ore iar la cartofi de 6 - 8 ore.

Pentru realizarea procesului de uscare prin convecţie aparatele respective prezintă două părţi distincte: un element de încălzire a aerului, de obicei un schimbător de căldură, sau în cazul folosirii gazelor de ardere, un focar şi o cameră de amestec şi elementul de realizare al procesului de uscare propriu zis; aceste elemnte putnd fi separate sau într-un singur aparat.

După construcţie, acest tip de uscătoare pot fi de tipul: uscătoare cameră, uscătoare cu bandă, uscătoare tambur, uscătoare turbină, uscătoare tunel şi uscătoare prin pulverizare.

a)Uscătoare tip cameră sau dulap: sunt formate dintr-o încăpere de mărimea unui dulap până la mărimea unei camere 1, care poate atinge mai multe nivele. Materialul, aşezat în stive pe stelaje cărucioare sau tăvi 2, va fi supus unui curent de aer în circuit forţat, asigurat de ventilatoarele 3, încălzirea lui făcându-se în bateriile de încălzire 4. Aerul poate fi parţial recirculat.În industria alimentară, din această categorie, se întâlnesc uscătoarele cu zone pentru uscarea fructelor şi legumelor şi uscătoarele de malţ cu camere verticale.

4

a) b)

Fig.22.3.Uscǎtoare cu camerǎ sau dulap a)cu recirculare parţialǎ a aerului b)cu încǎlzire intermediarǎ şi recirculare parţialǎ

b)Uscătoarele cu bandăPentru deplasarea continuă a materialului prin uscător se utilizează constucţii de uscare în care deplasarea materialului se realizează pe benzi transportoare. Uscãtorul cu benzi face parte din categoria uscătoarelor cu funcţionare continuă şi sunt formate din mai multe transportoare cu bandă 1, pe care materialul înainteză în contracurent cu agentul de uscare. Banda este o plasă din sârmă de oţel. În uscătoarele cu bandă matrialul se usucă neuniform datorită amestecării la trecerea de pe o bandă pe cealaltă. Pentru o uniformizare mai bună a uscării, pe benzile superioare se pot prevedea dispozitive de uscare.Viteza benzilor este de 0,3...0,5 m/s. Încălzirea aerului asigură prin bateria de radiatoare 2.

Un dezavantaj al acestor tipuri de uscătoare este că este utilizată numai ramura superioară a benzii. Pentru înlăturarea acestui incovenient s-au construit benzi cu plăci rabatabile (fig.22.5).

Banda este confecţionată din plăci care cu ajutorul unor piese de ghidaj sunt ţinute în poziţie orizontală până în apropierea tamburului de la capăt unde ele se deschid, lăsând materialul să cadă pe ramura inferioară a benzii. Astfel toată banda va fi încărcată uniform cu materialul.Uscătoarele cu benzi suprapuse se întrebuinţează pentru uscarea legumelor şi fructelor, amidonului, pastelor şi săpunului.

c)Uscătoare rotative:Pentru uscarea materialelor pulverulente cu ar fi borhotul, zahărul, tutunul, lactoza se folosesc uscătoare rotative, în care agentul de uscare - aerul cald sau gazele de ardere vine în contact direct cu produsul supus uscării. Uscătorul rotativ (fig. 22.6) este alcătuit din cilindrul 1 montat orizontal sau puţin înclinat prevăzut în interior cu şicane de repartizare de tipul prezentat în fig.22.7.

5

Fig.22.4 Uscãtor cu benzi

Fig.22.5. Uscǎtor cu benzi cu plǎci rabatabile

Materialul care intră prin dispozitivul de alimentare cade pe paletele dispozitivului de repartizare şi se deplasează în echicurent cu gazele de ardere, care sunt agentul de uscare. Datorită şicanelor, materialul se repartizează uniform pe secţiunea cilindrului, deplasându-se de-a lungul acestuia şi este evacuat prin disozitivul de descărcare. Gazele de ardere produse în focarul 6 şi amestecat cu aer în camera de amestec 7 pentru a le aduce la temperatura dorită, circulă în paralel cu materialul şi cu ajutorul ventilatorului 8 sunt eliminate în atmosferă. Ciclonul 9 recuperează produsul antrenat prin curentul de aer.Cilindrul este antenat în mişcare de căte un angrenaj cu coroana dinţată 4, acţionat cu un motor electric 5.

d)Uscătoare prin pulverizareUscarea prin pulverizare este destinată în special uscării produselor lichide: lapte, paste subţiri etc. care sunt pulverizate în particule fine cu diametrul cuprins între 2 şi 200 m. Prin acest procedeu se obţine o suprafaţă de evaporare mare, viteză mare a agentului de uscare fără a necesita o încălzire la temperaturi care ar periclita calitatea produsului. Materialul uscat se obţine sub formă de pulbere fără a mai necesita o mărunţire ulterioară.

Uscãtorul prin pulverizare este prevăzut cu o conductã de alimentare 1 care aduce suspensia pe discul 2 de unde este pulverizat în camera de uscare 3 prin centrifugare (fig. 22.8). Pulverizarea se face mecanic cu ajutorul duzelor cu orificii mici ( 0,5

6

Fig.22.6 Uscãtor rotativ

Fig.22.7. Şicane interioare a)palete elevatoare b)palete distribuitoare c)palete combinate

Fig.22.8 Uscǎtor prin pulverizare Fig.22.9 Uscǎtor cu jet de aer VT1

mm) sau prin pulverizare pneumatică cu ajutorul injectoarelor cu aer comprimat la presiunea de 1,5...7 [daN/m2]. Aerul încălzit în bateria 4, pătrunde în camera de uscare, preia umiditatea de la particulele de material, după care, trece prin filtrul cu saci 7 fiind aspirat de ventilatorul 6. Particulele fine se separă căzând pe transportorul melc de evacuare.

3. Elemente de calcul si explicatii ale fenomenelor;

Procesul de uscare se împarte în două perioade. Prima decurgecu viteză de uscare constantă, a doua – cu viteză care scade. Pînă la începutul primei perioade are loc încălzirea materialului.În perioada cînd viteza de uscare este constantă, apa se evaporează de pe suprafaţa materialului (difuziune exterioară) şi procesul se caracterizează printr-o intensitate cea mai înaltă.Pentru perioada aceasta viteza uscării este proporţionalăcu forţa motrice şi suprafaţa de contact a materialului cu agentul termic:

unde

7

−K coeficientul de proporţionalitate, numit constanta vitezei de uscare în prima perioadă de uscare, %/(s·m2·kg/kg aer us.);−F suprafaţa de contact, m2;−U umiditatea materialului, %;- xs conţinutul de umiditate a aerului saturat la temperaturauscării, kg apă/kg aer us. (pe suprafaţa materialului);−x conţinutul de umiditate a aerului la intrare în instalaţia de uscare, kg apă/kg aer us.

a- Curba de uscare

b- Cubva vitezei de uscare

Durata primei perioade a uscării se determină conform ecuaţiei:

Unde:−Ucr,U1 - respectiv umiditatea iniţială şi critică a materialului, %;− dU / dτ - viteza uscării (tgα); mărimea apei evaporate din material într-o unitate de timp, %/s.Cum numai pe suprafaţa materialului se iveşte primul punct uscat (umiditatea materialului ajunge pînă la starea critică) începe perioada a doua a uscării, care se caracterizează prin viteză descrescătoare.Pînă cînd pe suprafaţa materialului se menţine apa, viteza scade.În intervalul acesta se observă simultan atît difuzia interioară,cît şi exterioar ă a apei. Cînd apa de pe suprafaţa materialului se va evapora complet, viteza uscării se va determina numai prin difuzia interioară,şi în perioada aceasta viteza procesului scade neuniform.Dependenţa vitezei uscării de umiditatea absolutăa materialului este construităcu folosirea curbei de uscareprin metoda derivării grafice.În perioada a doua de uscare durata procesului se calculează conform ecuaţiei:

Unde :Kus – viteza de uscare in perioada

a2aUcr.red – umiditatea critica redusaUech – umiditatea de echilibruU2- umiditatea finalaUmiditatea critică redusă U cr.red. se determină din dependenţa vitezei uscării de umiditatea absolută a materialului. Pentru aceastase presupune căîn perioada a doua viteza uscării se schimbă liniar,şi linia este dusă în aşa fel, ca să taie pe curba originalăsuprafeţe egale (linia AB în fig.b).Instalaţia constă din camera de uscare 4, conducta circulatoare cu ventilatorul 8. Aerul se încălzeşte în caloriferul 7.Pentru reglarea debitului de aer se întrebuinţează şuberul 6.Temperatura aerului la intrare şi ieşire din camera de uscare se înregistrează cu termometrele 1, 5.Materialul umed se instalează în rama 3, unită cu cîntarul 2.Aerul prelucrat iese prin şuberul 11. Aerul proaspăt se ia din cameră prin şuberul 10.

8

9