Ugrás a tartalomhoz

Vegyipari művelettani alapismeretek

Dr. Fonyó Zsolt, Dr. Fábry György

Nemzeti Tankönyvkiadó Rt.

Szárítás

Szárítás

Bevezetés

A szárítás a vegyipar, a gyógyszeripar, az élelmiszeripar, a kerámiai ipar, a bőripar, a faipar, a mezőgazdaság és sok egyéb más technológia egyik legfontosabb művelete.

Szárításon olyan műveletet értünk, amikor valamilyen nedves szilárd anyag nedvességtartalmát csökkentjük vagy eltávolítjuk elpárologtatás vagy kigőzölögtetés révén. Ehhez külső hőbevitel szükséges, amit rendszerint kívülről vezetünk be a nedves anyagba. A nedvességet mechanikai úton is eltávolíthatjuk. Ilyen módszer a kisajtolás, a centrifugálás, a szűrés. Ezt a mechanikai nedvességeltávolítást nem itt tárgyaljuk.

Egyesek nagyon tág értelemben szárításnak nevezik gázok nedvességtartalmának eltávolítását (pl. vízelektrolizisből származó hidrogéngáz víztartalmának szilikagéllel történő lekötése ilyennek tekinthető, de szerintünk ez adszorpció). Mások még tágabb értelemben folyadékok „szárításáról” is beszélnek. Ez utóbbi két műveletet itt nem tárgyaljuk.

A szárítás tehát hőközléssel egybekötött anyagátadási művelet, ahol a nedvességvándorlás mind a nedves száradó anyagon belül, mind annak felületén és a környező közegben (levegő, füstgáz) is lejátszódik.

A szárítási műveletek számszerű vizsgálata, a szárítóberendezések méretezése (vizsgálata) több szempontból is nehézséggel jár. Mindenekelőtt említendő a szárítandó anyagok rendkívüli sokfélesége. Ezen anyagok tulajdonságait, viselkedését nagyon nehéz számszerűen leírni. Ezek közül az anyagok közül sok természetes eredetű, amelyek a hőkezelésre érzékenyek, pl. a fa gyors és egyenlőtlen szárításnál repedezik.

A nedves anyag kezdeti állapota, tehát az, hogy alaktartóan szilárd vagy pépszerű, pasztaszerű vagy akár folyadékzagy igen erősen befolyásolja a szárítás és a szárítóberendezés kellő változatának, ill. típusának kiválasztását.

Egy másik nehézség éppen az, hogy az egyidejű hő- és anyagátadás több lépcsőben, összetett módon játszódik le. A nedvesség, amelyet el kell távolítanunk a legtöbb esetben víz. Sokszor előfordul, hogy (megelőző technológiai folyamatokból származóan) nem víz, hanem oldószer az eltávolítandó nedvesség.(Például a gyógyszeriparban metanol- vagy toluoltartalmú anyagokat kell szárítanunk).

Ha a nedvesség szilárd anyagban van kötve, azaz jég formában, úgy szublimációs szárításról beszélünk (más elnevezéssel: fagyasztva szárítás).

A hőközlésre többnyire meleg levegőt használunk és ez a szárítóközeg egyúttal az a környező gáz, amibe a nedvesség kipárolog (konvekciós vagy direkt szárítás).

Itt kell említeni a kontakt szárítást. A nedves anyagot pl. melegített fémlapon (tálcán) helyezik el, amely vezetéssel közli a szükséges hőt a száradó anyaggal. A nedvesség a környező gázba kigőzölög.

Érzékeny anyagokat csökkentett nyomáson (vákuumban) szárítanak.

Különleges módszer a sugárzásos szárítás, ahol a hőbevitelről hősugárzás formájában (pl. infravörös sugárzó lámpákkal) gondoskodunk. Ugyancsak különleges módszer a belső hőkeltés dielektromos úton (nagyfrekvenciás szárítás).

E sokféleség is mutatja, hogy sem egyértelmű kiválasztási módszerrel, sem egységes tervezési koncepcióval mind ez ideig a száritástechnikában nem rendelkezünk.

A nedves anyag

A folyadék tiszta víz, tiszta oldószer vagy valamilyen oldat formájában kötődik az anyagban. A természetes anyagok sejtleve rendszerint sóoldat vagy cukoroldat (pl. cukorrépa).

A szárítandó anyaghoz kötődő folyadék lehet:

1.

Tapadó folyadék:

 

hártyaszerűen körülveszi, burkolja az anyag (anyagszemcse) felszínét a folyadék. A hártya fölött a nedvesség gőznyomása minden hőmérsékleten megfelel a telítettségi nyomásnak.

2.

Kapilláris folyadék:

 

a porózus, azaz lyukacsos szilárd anyag belső pórusaiban található folyadék. Ezt a száradási folyamatban kapilláris erők viszik a felszínre. Az ún. makrokapilláris anyagok esetén, ahol a pórusátmérő nagyobb, mint 0,1 μm a gőznyomás közel azonos értékű a telítettségi nyomással. Mikrokapilláris anyagoknál, ahol a pórusátmérő kisebb, mint 0,1 μm, a gőznyomás a telítettségi nyomásnál kisebb.

 

Ez utóbbi anyagoknál a szárítási folyamat során a gőznyomás tovább csökken, mivel a nedvesség rögzül a kapillárisokban. Az ilyen szilárd anyag higroszkópos (nedvszívó), amely a környezetéből mindaddig nedvességet vesz fel, amíg a nedvesség gőznyomása meg nem felel a telítettségi nyomásnak.

3.

Duzzadó (vagy duzzasztó) folyadék:

 

a duzzadó folyadék valóságos alkotórésze az anyagnak, szinte teljesen átitatja. Mint láttuk a tapadó folyadék a felszínt burkolja, a kapilláris folyadék a belső pórusokban van, de a duzzadó folyadék valósággal átjárja az anyagot; többnyire kolloid módon kötődik hozzá. A duzzadó folyadék nevét onnan nyerte, hogy az anyagot duzzasztja, az anyag térfogatnövekedésével jár együtt. A duzzadó folyadék eltávolításának következménye az anyag zsugorodása.

4.

Vegyileg kötött folyadék:

 

a vegyileg kötött folyadék az ún. kristályvíz. Ez a nedvesség szilárd alak meghatározó szerepet játszik (más és más kristályvízzel a kristályforma is más). A kristályvíz eltávolítása – a víz kilépése – csak az illető kristályra jellemző bomlási hőmérsékletet túlhaladva lehetséges. Ez a hőmérséklet általában olyan magas, amit a szárítás során nem érünk el.

A nedves anyagok és viselkedésük Vajda Ödön szerint [116] a következőképpen csoportosíthatók:

  1. Olyan testek, amelyek sima felszínére tapad a folyadék. Ezek a közönséges „nedves” testek. Ilyenek pl. a nedves fémtárgyak, nedves üvegtárgyak.

  2. Porózus, lyukacsos testek. Ezek szilárd részei összefüggő vázat alkotnak, amelynek üregrendszere folyadékot képes tárolni. Ilyenek pl. a szén, a tégla.

  3. Összefüggéstelen szilárd szemcsék laza nedves halmaza. A szemcsék közötti hézagtérfogatokat a folyadék részben vagy teljesen kitölti. Ezek „masszát” alkotnak. Ilyen pl. a cukor vagy a só kristályosításakor képződő nedves pépes tömeg.

  4. Kolloid gélek és kolloid géleket vázszerűen tartalmazó anyagok. Ilyenek pl. a vizes agyag, a tésztafélék stb.

  5. Sejtszövetekből álló testek. A folyadék részben, mint sejtlé tölti ki a testeket. Másrészt a kolloid sejtfalak és a sejtekben levő más kolloid gélek tartalmazzák a folyadékot. Ilyenek az állati és a növényi testek részei, pl. a fa, a gyümölcsök, a bőr stb.

A száradó nedves anyag állapotjelzői

Az anyagok nedvességtartalmát a nedves vagy a száraz anyagra vonatkoztatva adhatjuk meg.

A nedves anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom:

w = m n m s z + m n , kg nedvesség/kg nedves anyag , (23.1. egyenlet)

ahol

w

a nedves anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom,

 

mn

a nedvesség tömege kg,

 

msz

a száraz anyag tömege kg.

A száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom :

W = m n m s z = w 1 w , kg nedvesség/kg száraz anyag , (23.2. egyenlet)

ahol W a száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom.

A gyakorlatban célszerűbb a nedves anyagra vonatkoztatott w nedvességtartalom használata, mivel 0...1 között változik, és százalékban is kifejezhető. Számítási célokra azonban a száraz anyagra vonatkoztatott W nedvességtartalom alkalmasabb. Az msz (szárazanyagtömeg) vonatkoztatási alap, ugyanis a szárítás során nem változik.

A nedves anyag hőtartalma tulajdonképpen 1 kg száraz anyagot tartalmazó nedves anyag entalpiája, az 1 kg száraz anyag és a benne lévő W kg nedvesség hőtartalmát adja meg:

i a = c s z ϑ a + W c p F ϑ a + Δ i n a , kJ/kg szárazanyag (23.3. egyenlet)

ahol

csz

a száraz anyag fajhője kJ/(kgK),

 

ϑa

az anyag hőmérséklete °C

 

W

a száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom kg/kg,

 

cpF

a nedvesség állandó nyomáson mérhető fajhője kJ/(kgK),

 

Δina

az ún. adszorpciós (integrális), hidratációs vagy oldáshő, amely kötött nedvesség esetén lép fel kJ/kg.

Az adszorpciós hő értékére vonatkozó adatok hiányosak (gabonáknál a szokásos szárítási tartományban pl. a rejtett hő 5...10%-a).

A nedves anyag fajhője:

cna = csz + WcpF kJ/(kgK),

ahol cna a nedves anyag fajhője, melynek értéke a száradás folyamán változik.

Szorpciós izotermák, az egyensúlyi φ ~ W diagram

A φ jelentése a nedves anyaggal érintkező közeg (levegő) relatív telítettsége, azaz relatív páratartalma:

φ = p v p t (23.4. egyenlet)

ahol pv az aktuális (mért) parciális gőznyomás, pt a telítettséghez tartozó gőznyomás, azaz adott hőmérsékleten a gőztenzió. Az esetek többségében a nedvesség víz, kipárolgás vízgőz, vagyis a száradó nedves anyagoknál a szilárd anyag víznedvességet ad le, tehát a deszorpció egy különleges fajával van dolgunk.

A szárítástechnikában többnyire φ=φ(W) diagramokkal dolgozunk, ahol a hőmérséklet a paraméter. (Elvileg lehetséges lenne φ=φ(ϑ) diagramokat is használni akár W, akár p paraméterrel, ezekkel azonban nagyon ritkán találkozunk). A szorpciós izoterma kísérleti felvétele történhet akár adszorpciós, akár deszorpciós módon (nedvesítéssel, ill. nedvességelvonással).

A szorpciós hurok avagy hiszterézis bizonyos esetekben fellép, de kevéssé jelentős, a két görbe többnyire egybeesik.

A 23.1. és 23.2.ábrán a B pontot higroszkópos pontnak is nevezik (Wh).

23.1. ábra - Egyensúlyi diagram

kepek/abra_23_1.jpg


23.2. ábra - A nedvességtartalom szabatos elnevezései

kepek/abra_23_2.jpg


Az anyagok által a (környező gőztérből) maximálisan felvehető nedvesség mennyisége a higroszkópos nedvesség. Ennél többet az anyag csak a nedvesítő közeg folyadékába való merítésével vehet fel („csuromvizesség”).

A száradás csak akkor következik be, ha a száradó anyagból a nedvesség képes a környező levegőbe (gázba) kigőzölögni. Ha ugyanis a környező gázban több a vízgőztartalom, mint a szárítandó anyagban, akkor ez utóbbi ahelyett, hogy kiszáradna – éppen ellenkezőleg – vizet vesz fel, azaz nedvesebb lesz.

Akár száradás, akár nedvesedés következik be, ez mindaddig tart, amíg az egyensúlyi állapot be nem áll. Egyensúlyban a száradó anyag vizének gőznyomása egyenlő az őt körülvevő levegő vízgőztartalmának parciális nyomásával.

Ekkor a száradó anyag és a levegő (gáz) nedvessége egyensúlyban van. A száradó anyag ezen állapotnak megfelelő nedvességtartalmát egyensúlyi nedvességtartalomnak nevezzük.

A száradó anyagok jellemzésére kísérleti vizsgálatok alapján felvett nedvességtartalom-diagramok adnak könnyen áttekinthető adatokat. Ilyen egyensúlyi diagram látható a 23.1.ábrán. A vízszintes tengelyen a szárítandó anyag W nedvességtartalma található. A W értelmezése: ennyi súlyrész vizet tartalmaz 1 kg száraz anyag.

A diagram ordinátája a környező levegő (gáz) relatív nedvességét, azaz φ telítettségi fokát jelenti. A diagramon egészen pontosan a φ jelenti az anyag fölött észlelhető gőznyomás viszonyát a telített vízgőznyomáshoz (ugyanazon hőmérsékleten).

A 23.1.ábra a fa és az alma száradásának egyensúlyi viszonyait szemlélteti. Egy példa kapcsán világítsuk meg a viszonyokat. Legyen pl. a fa nedvességtartalma: W=0,35 kg víz/kg szárazanyag. Ez igen nedves, nagy víztartalmú fát jelent (az ábrán C pont). Hozzuk össze ezt a fát – folytonosan érintkeztetve – olyan levegővel, amelynek telítettségi foka 60%-os (φ= 0,6 relatív levegőnedvesség). Ilyenkor a víztartalom a fából kipárolog és végül annyira lecsökken, hogy eléri az A pontnak megfelelő egyensúlyi koncentrációt. (Itt: W=0,085kg víz/kg szárazanyag.)

Ha ezt φ= 0,6 telítettségű levegővel – akár végtelen hosszú ideig is – érintkezésben tartjuk, a fa nedvességtartalma többé nem változik. Ha azonban kisebb relatív nedvességű (pl. φ= 0,4) levegővel hozzuk érintkezésbe a fát, akkor annak víztartalma tovább csökkenthető.

A fát teljesen kiszárítani csak tökéletesen száraz levegővel lehetne (a görbe kiinduló pontja 0-hoz esik).

A kiinduló ponttól B pontig terjedő szakaszt a fa kötött nedvességének nevezik. Ez lehet a sejtfalakon belüli nedvesség vagy a részekben megülő, vagy a felületen levő nedvesség.

Ha a fát vízgőzzel telített levegő hatásának tesszük ki, akkor nedvességtartalma nagyobb lesz, mint W= 0,27 kg víz/kg szárazanyag (az ábrán B pont). A B ponthoz tartozó értéken felüli nedvesség az ún. kötetlen nedvesség.

A 23.2.ábrán feltüntettük a szabatos nedvességtartalom elnevezéseket. Az ábra ordinátája φ a gáz (levegő) relatív nedvessége (telítettségi foka). Az abszcissza a száradó anyag nedvességtartalma W kg víz/kg szárazanyag. Az egyensúlyi görbe 0 és B között a kötött nedvességet, azon túl (vízszintes egyenes) a kötetlen nedvességet jelenti. A görbe 0 és A közötti része a mindenkori (A-nak megfelelő) egyensúlyi nedvesség. Azon túl pedig a szabad nedvesség következik. Csakis ezt a szabad, elvonható nedvességet tudjuk elpárologtatni.

Higroszkópos anyagok

Néhány nedves anyag fölött kisebb a vízgőz nyomása, mint a hőmérsékletnek megfelelő telítettségi vízgőznyomás. Az ilyen anyagokat higroszkópos anyagoknak nevezzük. A higroszkópos (elfolyósodó, nedvszívó) anyagra a vele azonos hőmérsékletű levegőnél is csapódhat le vízgőz. Ez akkor következik be, ha az anyag fölött a vízgőz nyomása kisebb, mint a levegőben levő vízgőz nyomása. Ilyenkor nő az anyag nedvességtartalma mindaddig, amíg el nem ér egy egyensúlyt jelentő ún. légszáraz állapotot.

Ez azt jelenti, hogy a levegő vízgőztartalmától is függ a higroszkópos anyag légszáraz állapotának víztartalma. Az anyagokat csak legfeljebb légszáraz állapotukig érdemes kiszárítani. Ha ennél jobban kiszárítjuk őket, akkor csak levegőtől elzárva tárolhatók, ui. levegővel összehozva őket újra nedvesednek.

Ha a száradó anyag higroszkópos, akkor a száradás végén a kiegyenlítődési hőmérsékletnél valamivel nagyobb hőmérsékletre melegszik fel. Ez a felmelegedés nem jelent különösebb hőigényt.

Pszichrométer

A pszichrométerek és a higrométerek a levegő (gázok) nedvességtartalmát mérik. A legegyszerűbb ezek közül az August-féle pszichrométer. Ez két finom fokbeosztású, üvegburkolatú higanyos hőmérő. Az egyiken állandóan nedvesített géz vagy muszlin van, ez az ún. „nedves” hőmérő. A másik csupaszon áll: az a „száraz” hőmérő. A nedves hőmérő hőmérséklete az a pont, ahol a nedves levegő állandó hőtartalom mellett lehűlve eléri a telítettségi állapotot (φ= 1). A pszichrométer segélyével a nedvességtartalom meghatározható.

Az aspirációs pszichrométer a légnedvesség (pontosabban a levegő relatív páratartalmának) meghatározására szolgál. Az August-féle pszichrométertől abban különbözik, hogy légátszívó kis ventilátorszerkezettel is fel van szerelve. E pszichrométert általában Assmann-féle pszichrométernek is nevezik. Vázlatos felépítést a 23.3ábra mutatja.

23.3. ábra - Aspirációs pszichrométer

kepek/abra_23_3.jpg


Mind a száraz hőmérő, mind a nedves hőmérő mellett szabad légköri levegőt szivat át a felül elhelyezkedett ventilátor (légsebesség kb. 2...3 m/s). Ily módon a nedves hőmérő felveszi az ún. hűlési határhőmérsékletet.

A két hőmérőn leolvasott hőmérséklet-különbség (pszichrometrikus differencia) segítségével a relatív nedvesség tapasztalati képletekből, ill. táblázatokból meghatározható.

A φ relatív légnedvesség (páratartalom %) a meteorológusok által használt Sprung-formulából számítható [12]

φ = p ( ϑ n ) ϑ s z ϑ n 1500 b H p ( ϑ s z ) (23.5. egyenlet)

itt p a vízgőz telítettségi tenziója és bH a barometrikus magasságformula.

b H = b o exp ( H 29,25 T H ) (23.6. egyenlet)

ahol

b o =

1,01325 bar = 760 torr

és

H

a tengerszint feletti magasság [m],

 

TH

H magasságra az abszolút hőmérséklet [K]

 

ϑsz

a száraz hőmérő hőmérséklete [°C]

 

ϑn

a nedves hőmérő hőmérséklete [°C]

23.1. példa

Számítsuk ki a levegő relatív páratartalmát, ha a száraz hőmérő hőmérséklete ϑsz= 42 °C és a nedves hőmérő hőmérséklete ϑn= 36,5 °C. A bH=bo= 1,01325 bar felvételével és a gőznyomásokat gőztáblázatból kikeresve:

φ = p ( ϑ n ) ϑ s z ϑ n 1500 1,01325 p ( ϑ s z ) ,

φ = 0,06107 42 36,5 1500 1,01325 0,08198 = 0,6996 ,

vagyis kereken φ = 70%, amely érték a pszichrometriai táblázatokkal megegyezik.

Mennyi lesz a relatív páratartalom, ha a nedves hőmérő hőmérséklete ϑn= 25 °C (és az egyéb értékek változatlanok)? A Sprung-formula szerint számolva φ = 24,6 % (táblázatban φ = 25 %).

A száradás sebessége

A nedvesség az anyaghoz általában kétféleképpen kapcsolódik: szabadon vagy higroszkopikusan.

Minden anyag csak az egyensúlyi nedvességig képes száradni. A nedvesség az anyag felszínéről, felületéről párolog. A száradó test belsejében és a test felszínén más a nedvességtartalom. Az anyag belsejéből a víz a felszín felé vándorol. Ezt a jelenséget diffúziónak nevezzük. A felszíni párolgás és az anyag belsejében a víz diffundálása egyszerre játszódik le, de sebességük különböző lehet.

Gyors száradáskor előfordulhat, hogy a száradó test felszíne már eléggé kiszáradt, belseje pedig még mindig túl nagy víztartalmú. Például egy adott test felszínén már közel vízmentes kristályok képződnek vagy a kolloid anyagok már megdermednek, amikor a belső rétegek „csöpögnek” a víztől. Előfordulhat a kérges test erős felmelegedése, esetleg olyannyira, hogy a test belsejében levő víz a belső üregekben elgőzölög. Ilyenkor az anyag belsejében keletkező gőzbuborékok a kérget áttörik, megrepesztik néhány helyen, és ott a repedésvonalakon át gyorsan távoznak. Több száradási folyamatban előfordul, hogy a gőzbuborékok felduzzasztják, esetleg felpukkasztják a kérget. Ilyen jelenség a később ismertetendő porlasztó szárításnál is előfordul. A finom porlasztással szárított szemcsék nagyító alatt nézve kis hólyagocskáknak látszanak. Bizonyos anyagok száradás közben megtartják alakjukat, mások zsugorodnak.

A száradás sebessége: a szárítandó anyag 1 m2 felületéről 1 óra alatt elpárolgó kg nedvességmennyiség: gn.

A száradás időtartama a száradási sebesség ismeretében meghatározható volna, ám a száradási sebesség sajnos nem állandó, hanem a folyamat tartama alatt is folytonosan változik. Ha csökken az anyag nedvességtartalma, lassul a szárítás is. A legtöbb nedves anyag víztartalmának ~90%-át a szárítás teljes időtartalmának első felében elveszti, a maradék ~10%-ra viszont újabb félidő kell.

A száradás igen összetett, bonyolult jelenség. Sajnos többnyire nem tudjuk a száradási sebességet, a száradás idejét számítással meghatározni. Ezért legtöbbször laboratóriumi előkísérleteket kell folytatni és bizonyos esetekben „félüzemi” kísérletekre is szükség van.

A 23.4.ábrán különböző vastagságú enyvtáblák szárítási görbéi láthatók. A vízszintes tengelyen a szárítás időtartama (órákban), a függőleges tengelyen az anyag nedvességtartalma %-osan van feltüntetve.

23.4. ábra - Enyvtáblák szárítási görbéi

kepek/abra_23_4.jpg


Az ábráról leolvasható, hogy pl. 10 mm vastag 50%-os adott kiindulási nedvességtartalmú enyvtábla szárítása 10%-os végnedvességig kb. 40 óráig tart. Eleinte a száradás gyors, majd lelassul és a végső nedvesség igen vontatottan áll be.

A szakaszos szárítás sebességét aránylag egyszerűen mérhetjük kísérletileg. A kísérlet nemcsak szakaszos szárításnál, de folytonosnál is jól használható felvilágosításokat ad. Az anyagminta száradási sebességét úgy határozhatjuk meg, hogy azt mérlegre függesztve kamrába vagy csőcsatornába helyezzük és kellő légáramról gondoskodunk. Ezután mérjük a száradó anyag súlyát az idő függvényében.

A kísérleti berendezést a 23.5.ábra tünteti fel. A szárítószekrényre szerelt (8) mérleg (9) serpenyőjébe helyezzük a szárítandó vizsgálati anyagot. A serpenyő kétkarú mérleg jobb oldala, amellyel a mutatóval ellátott bal oldal tart egyensúlyt. Az ábra szerinti kivitelnél a skála közvetlenül a súlyveszteség %-ot mutatja. A szárítószekrény villamos-ellenállás-fűtéssel fűthető. A hőfokot a (10) kontakthőmérő méri, amely a (11) kapcsolórelén át szabályozza a szárítószekrény hőmérsékletét. A hőmérsékletet a (4) hőmérőn ellenőrizhetjük. A légcserét a (2) légszivattyú biztosítja. Az átszívatott levegő mennyiségét az (5) szeleppel szabályozhatjuk, az átáramlott levegő mennyiségét a (3) gázórával mérjük.

23.5. ábra - A szárítás sebességét mérő kísérleti berendezés (1 – szekrény, 2 – vákuumszivattyú, 3 – gázóra, 4 – hőmérő, 5 – szelep, 6 – August-pszichrométer, 7 – száraz és nedves hőmérő, 8 – mérleg, 9 – serpenyő, 10 – kontakthőmérő, 11 – kapcsolórelé)

kepek/abra_23_5.jpg


A levegő nedvességtartalmát (telítettségifokát) a (6) pszichrométerrel (nedvességmérővel) mérjük. Itt a (7) hőmérők (szárazésnedvesített) szerepe már ismert. Célszerű eltérő vastagságú mintákkal több kísérletet elvégezni.

A kísérletből a száradás időgörbéje és ebből a sebesség meghatározható. A két diagramot együttesen vizsgáljuk meg. A száradási sebesség két fő szakaszra osztható, egy állandó sebességű és egy csökkenő sebességű szakaszra.

A 23.6. és 23.7.ábrán a kezdeti (kiegyenlítődési) A-B szakasz utáni B-C szakaszon a száradási feltételek változatlanok, az elpárolgás sebessége állandó.

23.6. ábra - A száradás időgörbéje

kepek/abra_23_6.jpg


23.7. ábra - A száradás sebességgörbéje

kepek/abra_23_7.jpg


A kezdeti szakasz általában annyira rövid, hogy a későbbi szárítási idő mellett elhanyagolható.

Ha az anyag átlagos nedvességtartalma eléri a „kritikus”Wc értéket (C pont) a felületi nedvességhártya az elpárolgás révén annyira csökken, hogy további szárítás hatására az anyag felszínén már száraz foltok jelennek meg.

A sebesség lecsökken, a száraz foltok egyre nagyobb területre terjednek ki. A csökkenő sebességű szakasz első része (C-D) az ún. telítetlen felület száradása. A D ponttól kezdve a folyamatot a diffúzió sebessége szabja meg, vagyis a nedvességnek a test belső részeiből a felszín felé irányuló vándorlási sebessége.

Az E pontban az anyag nedvességtartalma eléri a környező levegő vízgőztartalmának megfelelő egyensúlyi W értéket. A száradás gyakorlatilag itt megáll.

23.1. táblázat - Átáramlásos, ill. keresztáramú szárítókban mért kritikus nedvességtartalom % a száraz anyagra vonatkoztatva*

Anyag

Vastagság mm

Kritikus nedvesség %

Angol porcelán agyag

25,4

16,0

Bárium-nitrit (kristályok tálcán szárítva)

25,4

7,0

Homok, 105...297 μm szemcseméretű

50,8

5,0

Homok, 44...77 μm szemcseméretű

50,8

10,0

Homok, 44 μm -nél kisebb szemcseméretű

50,8

21,0

Iszapolt kréta

6,35...38,1

6,9

Kálisalétrom (finom, tálcán szárítva)

16,0

Kaolin

14,0

Képlékeny tégla-anyag keverék

50,8

19,0

Kősó (tálcán szárítva)

25,4

7,0

Krómcserzésű bőr

1,02

125,0

Nyárfa

4,19

120,0

Ólomfehér

11,0

Ón-tetraklorid szuszpenzió

25,4

180,0

Papír (famentes könyvparír)

0,127

33,0

Papírpép (140% kezdeti viztartalmú)

15,0

Poroszkék

40,0

Préselt litpon (tálcán szárítva)

6,35

6,4

Réz-karbonát (tálcán szárírtva)

25,4...38,1

60,0

Rostlemez

4,318

120

Szulfitcellulóz pép

6,35...19,05

60...80

Szulfitcellulóz pép (lemezelt)

0,991

110,0

Talpbőr

6,35

14,0

Téglaagyag

15,75

14,0

Tűzálló tégla-anyag keverék

50

13,0

Vas-oxid pigmens (tálcán szárítva)

6,35...19,05

110,0

Zselatin (40% kezdeti víztartalmú)

2,54...5,08

300,0


* [Perry II. kötet 1320.old. 15-15. tábl. és Ullmann II. kötet (4. kiadás) 706.old. 2. tábl.alapján]

Az első és második szárítási szakasz átmeneténél egy töréspont figyelhető meg a száradási sebességgörbén. Az e ponthoz tartozó nedvességérték az ún. kritikus Wc nedvesség. A C töréspont jelöli ezt a kritikus nedvességet az ábrán. Mivel az I. és II. száradási szakaszt más törvényszerűségek írják le, a töréspont ismerete gyakorlati fontossággal bír (23.1.táblázat).

A töréspontgörbét ugyanazon anyag azonos körülmények közötti szárítására különböző s rétegvastagságokkal először Krischer határozta meg (23.8.ábra). A töréspontot, azaz a kritikus Wc-értéket meghaladva (az ún. második száradási szakaszban) különbségek mutatkoznak a higroszkópos és a nemhigroszkópos anyagok között. Ugyanis a nemhigroszkópos anyagoknál csak két száradási szakasz észlelhető, míg a higroszkópos anyagoknál egy harmadik szakasz is (23.9.ábra)

23.8. ábra - A kritikus töréspontgörbe

kepek/abra_23_8.jpg


23.9. ábra - A második és a harmadik száradási szakasz

kepek/abra_23_9.jpg


A második száradási szakasz tehát ábránkon C-D görbe a higroszkópos és C-F görbe a nemhigroszkópos anyagokra.

A higroszkópos anyagoknál D pont egy ún. második kritikus pont (töréspont) és innen kezdve beszélünk D-E harmadik száradási szakaszról.

A szárítóközeg

Szárítás során a levegő, egyes esetekben túlhevített gőz, füstgáz vagy iners gáz (pl. nitrogén) a nedvességfelvevő közeg. A száradó anyag felületéről elpárolgó folyadék gőz alakban bekerül a nedvességfelvevő közegbe, így ennek nedvességtartalma megnő. A nedvességfelvevő közegre vonatkozó számítások alapvető fontosságúak a szárítók tervezése és üzemvitele szempontjából. E számításokhoz ismerni kell, illetve az ismeretek függvényében meg kell határozni a szárítóközeg jellemzőit.

A nedves levegő

A bennünket körülvevő levegőben mindig van bizonyos mennyiségű vízgőz. Amíg ez a vízgőztartalom el nem éri a levegő hőmérsékletének megfelelő telítettségi gőznyomást, addig túlhevített gőz, azaz gáz-halmazállapotú. Amikor a vízgőz résznyomása (parciális nyomása) eléri a levegő hőmérsékletének megfelelő gőznyomást, akkor vízgőzzel telített levegőről beszélünk. Ha pedig a vízgőz nyomása nagyobb ennél, akkor a „felesleges” vízcseppek kicsapódnak és köd képződik. Ez a jelenség a meteorológiából is ismeretes: köd- és felhőképződés.

A tiszta víz forráspontja és gőznyomása, ill. pontosabban a tiszta vízgőz kondenzációs hőmérséklete és gőznyomása közötti egyértelmű összefüggés megtalálható a vízgőztáblázatban (l.: FüggelékF4.táblázat).

A nedves levegőre Dalton-törvénye érvényes:

P = p L + p t (23.7. egyenlet)

vagyis a nedves levegő össznyomását (a környezeti levegőben normál állapotban) a száraz levegő pL parciális nyomásának és a telített vízgőz pt parciális nyomásának összege adja meg.

A szárítóközeg jellemzői

A gőz-gáz elegyekre az az jellemző, hogy a gőzkomponensük a kritikus hőmérséklete alatt van jelen, tehát könnyen kondenzálható, a gázkomponensük viszont jóval a kritikus hőmérséklet fölött van, tehát nem cseppfolyósodik a vele végzendő műveletek során.

Abból, hogy a gőz könnyen kondenzálódhat, következik az a sajátság is, hogy a gőz mennyisége nem lehet tetszőleges a gőz-gáz elegyben. A gőz parciális nyomása legfeljebb akkora lehet, mint az elegy hőmérsékletéhez tartozó gőztenzió. Ha a gőz parciális nyomása ez a maximális érték, a gáz a gőzre nézve telített. Amennyiben a gőzkomponens mennyiségét a telített gázban tovább akarnánk növelni (túltelített gáz), a gőz folyadék alakban kiválik az elegyből. Ha a gőz parciális nyomás kisebb a telítési értéknél, a gáz a gőzre nézve telítetlen (a gőz túlhevített).

A gőz-gáz elegyeket általában tökéletesgázoknak lehet tekinteni: a gázkomponenst azért, mert jóval a kritikus hőmérséklet fölött van, a gőzkomponenst pedig azért, mert a gőzhatárgörbéhez közel – legalábbis nem túl nagy nyomáson – a gőzök tökéletes gáznak tekinthetők. (Még a normál forrponton is a telített gőz z kompresszibilitási tényezője átlag 0,95, a vízgőzé pl. 0,984; alacsonyabb hőfokon vagy telítetlen állapotban z közeledik az 1-hez!)

A szükséges állapothatározók számát: a gőz-gáz elegyek állapotának leírásához szükséges változók számát a Gibbs-féle fázisszabályból számíthatjuk ki.

Alkalmazzuk ezt a gőz-gáz rendszerekre. Amennyiben a gőzkomponens csak gőz-halmazállapotban van jelen, akkor csak egyetlenegy fázisunk van, és ha a levegőt egykomponensűnek tekintjük, a gőz-gáz elegy állapotát 3 változóval teljesen meghatározzuk. A 3 intenzív változó közül az egyik rendszerint a P össznyomás, a másik kettő pl. a hőmérséklet, az összetétel vagy más intenzív mennyiség lehet.

A nedves levegővel végzett műveletek során gyakran előfordul, hogy a kondenzálható komponens folyékony halmazállapotban is jelen van. Ebben az esetben a szabadsági fokok száma = 2, vagyis a rendszer állapotát 2 adat, pl. az össznyomás és a hőmérséklet, vagy az össznyomás és a koncentráció teljesen meghatározza. Ugyanis teljesen biztos, hogy a gázfázis gőzzel telített, tehát a telítési hőmérséklet már meghatározza a gázfázis telítési gőztartalmát (azaz összetételét) is. Nem adja meg azonban a fázisszabály az extenzív változókat, vagyis a két fázis: a gőzzel telített gáz és a folyadék mennyiségét.

A levegő nedvességtartalmát a benne lévő vízgőz parciális nyomásával, az ún. fajlagos, abszolút vagy relatív nedvességtartalommal adhatjuk meg.

A fajlagos abszolút nedvességtartalom (x). 1 kg száraz levegőben lévő gőz mennyiségét adja meg:

x = vízgőz száraz levegő (kg) = M V M L p V p L = 0,622 p V P ö p V (23.8. egyenlet)

( M V = 18,016 ; M L = 28,966 ; M V / M L = 0,62197 0,622 )

ahol

pL

a levegő résznyomása (az elegyben)

 

pV

a nedves levegőben lévő gőz parciális nyomása

 

MV

a gőz móltömege

 

ML

a levegő móltömege

 

Pö

a nedves levegő össznyomása.

A térfogati nedvességtartalom (d) 1 m3 nedves levegőben lévő vízgőz mennyisége g-ban: g vízgőz/m3 nedves levegő.

Ennek értéke a levegő hőtágulása miatt hőmérsékletfüggő.

A relatív nedvességtartalom (φ). A nedves levegőben lévő parciális nyomás (pV) és a telítettségi gőznyomás (pt) hányadosa:

φ = p V p t .

Megadja a levegő telítetlenségének mértékét. (Hajszálhigrométerrel közvetlenül és gyorsan, bár nem túl pontosan mérhető).

Szükség van még φ-nek pótdefiníciójára is a következők miatt. Ha pl. 1 bar össznyomáson dolgozunk, a vízgőz parciális nyomása sem lehet ennél az össznyomásnál nagyobb, sem pedig a maximális nedvességtartalma 597 g/m3-nél nagyobb még akkor sem, ha nedves levegőnk 120 °C-os (ezen a hőfokon a telített gőznyomás 2 bar). Pótdefiníciónk tehát:

φ = p V p max (23.9. egyenlet)

ahol pmax jelentése: az adott hőmérséklethez tartozó pt vagy ha ez az össznyomásnál nagyobb lenne, akkor az össznyomás. Tehát pl. 1 bar nyomáson:

100 °C-ig φ=pVpt

100 °C fölött φ=pV1bar

Megjegyezzük, hogy pl. a német irodalom 100 °C felett is megtartja a definíciót.

Átszámítás x és φ között definíció szerint

x = 0,622 p V P ö p V és φ = p V p t

Ezekből

x = 0,622 φ p t P ö φ p t (23.10. egyenlet)

és innen

φ = P ö x p t ( 0,622 + x ) (23.11. egyenlet)

A fenti összefüggések az x,φ,ϑ,Pö mennyiségek közti fontos függvénykapcsolatot fejezik ki. Ezek szerint, ha állandó x nedvességtartalmú levegő hőmérsékletét megváltoztatjuk (ezzel pt értéke változik), meg kell változnia a relatív nedvességtartalomnak is. Hasonlóképpen, ha állandó x nedvességtartalom mellett megváltozik a Pö össznyomás, a relatív nedvességtartalomnak is változnia kell.

Abban az esetben viszont, ha Pö<pt(100 °C felett)

x = M V M L φ P ö P ö φ P ö = M V M L φ 1 φ (23.12. egyenlet)

vagyis φ értéke független a hőmérséklettől és csak x-től függ.

A harmatpont szintén a levegő nedvességtartalmára jellemző. Ha állandó abszolút nedvességtartalom és állandó nyomás mellett a ϑ1 °C hőfokú telítetlen levegőt lehűtjük, egyszer csak elérünk egy olyan τ °C hőmérsékletet, amelyhez tartozó vízgőztenzió megegyezik a levegőben levő vízgőz parciális nyomásával. Ezen a τ hőmérsékleten a gőz vízcsepp alakjában kezd kiválni. Ez az ún. harmatpont. A harmatpont adott nyomáson az x nedvességtartalom egyértelmű függvénye, tehát nem függ a gáz-gőz elegy kezdeti hőmérsékletétől.

A nedves levegő sűrűsége mindig kisebb, mint a száraz levegő sűrűsége:

ρ = ρ L 1 + x 1 + 1,608 x   kg/m 3 (23.13. egyenlet)

ahol

ML/MV

= 1,608

 

ρ

a nedves levegő sűrűsége kg/m3,

 

ρL

a száraz levegő sűrűsége kg/m3.

A nedves levegő hőtartalma

A nedves levegő hőtartalmát a száraz levegő és a benne levő gőz hőtartalmának összege adja meg, amelyet 1 kg száraz levegőre vonatkoztatunk (ill. 1 +x kg nedves levegőre):

i = x i g kJ/kg száraz levegő (23.14. egyenlet)

ahol

i

a nedves levegő hőtartalma kJ/kg száraz levegő,

 

ig

a levegőben levő gőz hőtartalma kJ/kg,

 

x

a levegő nedvességtartalma kg/kg.

A száraz levegő hőtartalma:

i t = c p t ϑ   kJ/kg (23.15. egyenlet)

ahol

cpt

a száraz levegő állandó nyomáson mért fajhője kJ/(kgK),

 

ϑ

a száraz levegő hőmérséklete °C.

A gőz hőtartalma:

i g = c p F ϑ g t + r + c p g ( ϑ ϑ g t ) kJ/kg (23.16. egyenlet)

 

cpF∙ϑgt

a folyadékhő kJ/kg,

 

r

a ϑgt °C-hoz tartozó párolgáshő kJ/kg,

 

cpg (ϑϑgt)

a gőz túlhevítési hője kJ/kg.

A gyakorlat számára kielégítő pontosságot érünk el, ha a 0 °C-hoz tartozó párolgáshővel, és az ettől számított túlhevítési hővel számolunk. Tehát

i g = r o + c p g ϑ kJ/kg (23.17. egyenlet)

Írhatjuk tehát, hogy 1 kg száraz levegőt tartalmazó (1 + x) kg nedves levegő entalpiája:

i = c p l ϑ + x ( r o + c p g ϑ ) (23.18. egyenlet)

vagy átalakított formában

i = ( c p l + x c p g ) ϑ + x r o (23.19. egyenlet)

vagyis az i entalpia 1 kg száraz levegőre, ill. (1 + x) kg nedves levegőre vonatkozik. A szakirodalom (kisebb eltérésekkel) alábbi számértékeket közli:

 

c p l = 1,0

kJ/(kgK)

a levegő fajhője

 

ro = 2501

kJ/kg

párolgáshő

 

cpg = 1,864

kJ/(kgK)

a túlhevített vízgőz fajhője

Így:

i = 1 ϑ + x ( 2501 + 1,864 ϑ ) . (23.20. egyenlet)

Entalpia ~ összetétel diagramok

A levegő állapotváltozásaival összefüggő számítási feladat igen gyakori. Részben ez a tény, részben pedig az az igény, hogy a levegő állapotjelzőinek együttes változásait szemléltetni lehessen, vezetett arra a következtetésre, hogy a legfontosabb állapotjelzőket diagramban ábrázolják.

Ha minden egyes állapotra külön-külön kellene a hőtartalmat számolni, akkor ez sok fáradságot igénylő, hosszadalmas munka lenne. Ezt küszöböli ki az i~x diagram használata.

Az i~x diagram a nedves levegő hőtartalom-diagramja. Elsőként, egymástól függetlenül Ramzin és Mollier készítették el.

A diagramok vízgőz~levegő rendszerre érvényesek. A kiindulás az volt, hogy bármely állapotváltozáskor a száraz levegő mennyisége változatlan marad, a levegő~vízgőz elegy mennyisége azonban változik a vízfelvétel és a vízleadás miatt, így célszerű a diagramot és az azzal kapcsolatos számításokat 1 kg száraz levegőre vonatkoztatni (vagyis 1 +xkg nedves levegőre).

Az i~x diagram ferdeszögű koordináta-rendszerben készül. A függőleges (i) tengelyen a nedves levegő hőtartalmát kJ/kg-ban, a vízszintes (x) tengelyen pedig a nedves levegő fajlagos abszolút nedvességtartalmát ábrázoltuk kg/kg-ban, vagy g/kg-ban (23.10.ábra).

23.10. ábra - Az i ~ x diagram felépítési vázlata

kepek/abra_23_10.jpg


A meredeken jobbra lefelé futó párhuzamos egyenesek: i kJ/kg hőtartalomértékek szerint sorakoznak.

A diagramban megtalálhatók az i képlet első tagját képező (1 + 1,864x)ϑ egyenesek is. Ezek a ϑ hőmérséklet szerint következnek és nempárhuzamosakegymással.

A diagram elvi felépítését a 23.10.ábra mutatja, míg a részletes i~x diagramot a 23.11. és 23.12.ábra tartalmazza. Jól látható, hogy az állandó hőmérsékleten végbemenő állapotváltozást jellemző vonalak, az izotermavonalak a hőmérséklet emelkedésével legyezőszerűen széttartanak, (nempárhuzamosak!).

A 20 °C, 30 °C stb. hőmérsékleti egyenesek csak a telítettségi görbéig szaladnak: ez az utolsó határoló görbe. Alatta túltelített a levegő, itt lép fel a ködállapot. Hogy a ϑ egyenesekből az i értéket megkapjuk, még hozzá kell adni (minden egyes x-nél) a 2501x tagot. Ezt a víszintes tengely alá vittük fel.

A 23.11. és 23.12.ábrán megtalálható meg néhány φ (telítettségi fokot jelző) görbe is. Az izotermák csak a telítési értékig érvényesek. Ha tehát a nedves levegő parciális nyomással kifejezett abszolút nedvességtartalom összefüggéséből meghatározzuk az x telítési nedvességtartalmat és értékét az

i = c p l ϑ + x ( r o + c p g ϑ )

képletbe helyettesítjük, a telített levegő is hőtartalmát kapjuk meg.

23.11. ábra - A nedves levegő Mollier-diagramja

kepek/abra_23_11.jpg


23.12. ábra - A nedves levegő Mollier-diagramja (nagyobb hőmérsékleten)

kepek/abra_23_12.jpg


Az xs~is értékpárokat ábrázolva megrajzolható a telítési állapotokat jellemző görbe, φ= 1 határgörbe.

Felette a levegő nedvessége gőzhalmazállapotban van, ezért ez a terület az ún. gőzmező. A benne rajzolható φ görbéket a relatív nedvességtartalom görbéinek nevezzük. Alatta az x > xs a levegő túltelített, tehát az (xxs) nedvességtartalom folyadék-halmazállapotú, és a levegőben ködöt képez. Ezért e területet ködmezőnek nevezzük.

Az entalpia a ködmezőben (ϑ0oC)

i = c p l ϑ + x s ( r o + c p g ϑ ) + x k c p v ϑ (23.21. egyenlet)

ahol

xs

a telítési nedvességtartalom

 

xk = x xs

a köd alakjában jelenlevő nedvesség

 

cpv = 4,217

a víz fajhője kJ/(kgK).

A köd-izotermavonalak meredeksége: cpvϑ.

(Az izotermavonalak φ = 1 határgörbénél megtörnek). A ϑ < 0 °C esetében hóköd mezőbe jutunk: a levegőben szilárd jégköd, zuzmara válik a nedvességből. Ekkor a levegő entalpiája:

i = c p l ϑ + x s ( r o + c p g ϑ ) + x j ( c p j ϑ λ ) (23.22. egyenlet)

ahol

cpj = 1,926

kJ/(kgK)

a jég fajhője

 

xj = x xs

 

a hóköd alakú nedvesség (jégköd)

 

λ = 333,4

kJ/kg

a víz hármasponti fagyáshője (jég-olvadáshő)

A jégizoterma meredeksége: (cpjϑλ).

A Mollier-diagram entalpia ferde vonalait ro értéke határozza meg. Ramzin egyszerűen 45°-os entalpiavonalat használ. Ramzinnál a ϑ = 0°-os vonal nem vízszintes (kicsit emelkedik). A Mollier-diagramnál kb. 50°-osak a ferde entalpia vonalak és a ϑ= 0°-os vonal vízsszintes. Egyébként ismételten rámutatunk arra, hogy a ϑ izotermák nem párhuzamosak.

A levegő~vízgőz rendszer általánosan használt i~x diagramján kivül sok esetben szükség van a különböző levegő~oldószergőz rendszerek diagramjaira is. Ezek legteljesebb gyűjteménye ScheilingA. munkája [95]

Egyéb levegő ~ gőz diagramok (pl. az USA-ban használt pszichrometriai diagram vagy a Vits-diagram) ImreL. kézikönyvében találhatók [49]

Légállapot-változások

A szárítóberendezésekben és klímaberendezésekben végbemenő légállapot-változásokat a Mollier-diagramban ábrázolhatjuk, ill. nyomonkövethetjük. A 23.13.ábrán négy különböző légállapot-változást mutatunk be: az állandó i entalpia, az állandó ϑ hőmérséklet, az állandó x abszolút nedvességtartalom és az állandó φ relatív páratartalom mentén bekövetkező változásokat. A kiinduló pontot minden esetben A ponttal jelöltük, a változás végpontját B, illetve C pont jelzi.

23.13. ábra - A Mollier-diagramban ábrázolható főbb állapotváltozások

kepek/abra_23_13.jpg


A 23.14.ábrán kétféle (1 és 2 jelű) levegőtömeg keveredését mutatjuk be a telítetlen (azaz φ < 1) mezőben. A keverékpont m pont lesz, helyzetét a mérlegszabály adja meg.

23.14. ábra - Légkeverés a telítetlen mezőben

kepek/abra_23_14.jpg


A 23.15.ábra azt a keveredési állapotot mutatja, amikor m pont a ködmezőbe (φ > 1) esik.

23.15. ábra - Légkeverés a ködmezőben

kepek/abra_23_15.jpg


A 23.16.ábrán egyrészt a telítetlen nedves levegő melegítését, másrészt a telítetlen nedves levegő lehűlését mutatjuk be. A levegőt a szárító berendezésben (vagy előtte) fűtőtest (kalorifer) révén felmelegítjük. Ez az állapotváltozás az i ~ x diagramban x = állandó függőlegesen felfelé haladó egyenes. Az ábrán 1 – 2 függőleges jelzi ( x = 4,7 g/kg esetén).

23.16. ábra - Melegítés és hűtés az i ~ x diagramban

kepek/abra_23_16.jpg


A lehűlés egyszerű esetében nincs semmilyen csapadékkiválás, a lehűlő levegő nem éri el a harmatpontot, vagyis a relatív páratartalom a lehűlés végén is φ < 1.

Ha a levegő saját hőmérsékleténél hidegebb, de a harmatpontnál nagyobb hőmérsékletű tárgy mellett áramlik, hőt ad át és lehűl, de nedvességet sem fel nem vesz, sem le nem ad, akkor a folyamat ugyanúgy x = áll. függőleges vonalon halad, mint a kaloriferes felmelegítés esetén, csak éppen ellenkező irányban. Ez az állapotváltozás következik be nedvességváltozás nélkül, ha a levegő pl. hidegebb fallal, vagy a szárító-berendezésbe betolt hidegebb rakattal érintkezik.

A lehülés párafelvétel közben a szárítás tipikus esete.

Ha a levegő a szárítóberendezésben a már állandó hőmérsékletűre felmelegített száradó anyagrakaton keresztüláramlik, annak hőt ad át, ezzelahővelabbólnedvességetpárologtatel és ezt a párát magába felveszi, akkor ez az ún. „adiabatikus szárítás”. Ebben az esetben a légállapot-változás a ϑn= állandó nedves hőmérséklet vonalán fog a diagramban jobbra lefelé haladni.

A nedves ϑn hőmérséklet vonala helyett (abban az esetben, ha a levegő szárítási úthossza, illetve nedvességfelvétele nem túl nagy: vagyis úgyszólván mindíg) az állandó entalpia i = állandó ferde egyenest jó közelítésként vehetjük számba. Az eltérés ugyanis igen kis mértékű.

A 23.16.ábrán bemutatjuk azt az esetet is, amikor az x1 nedvességtartalmú (x1 = 12 g/kg) és (ϑ1 = 40 °C) meleg, nedves levegő (1. pont) harmatpontja alá hűl le. A változás a φ = 1 görbéig – elvileg – lefelé tartó függőleges, majd a további hűlés során a levegőből csapadék (folyadék, víz) válik ki. Ezt a csapadékot különválasztva és elvezetve érünk a 2. pontba, φ = 1 állandó vonalon. Közben Δx nedvesség vált ki (x1 = 12 g/kg, x2 = 8 g/kg, tehát esetünkben Δx = 4 g/kg).

A valóságban az egyenes szakaszok helyett a pont-vonalas, ill. a szaggatott görbe érvényesül. A végpontok változatlanok.

A levegő páratartalmának növelése (gőz befúvatása vagy víz beporlasztása)

A levegő páratartalmát gőz befúvatásával vagy víz beporlasztásával lehet növelni. Ha gőzt fuvatunk levegőbe, akkor annak mind az abszolút, mind a relatív nedvességtartalma nőni fog, valamint a hőmérséklete és az entalpiája is.

A Mollier-diagramban egyszerű elegyítésként nem szerkeszthető meg az állapotváltozás. Szükséges olyan Mollier-diagram, amelyhez segédskála formájában (a diagram mellett) a

Δ i Δ x

irányegyenesek is csatlakoznak.

Vízgőzzel való nedvesítéskor az anyagmérleg

Lx 1 + G = LxE,

az entalpiamérleg

Li 1 + Gig = LiE,

ahol

G

a nedvesítéskor befúvott vízgőz kg

 

L

a száraz levegő kg

 

x 1

a kiinduló abszolút nedvességtartalom a levegőben

 

i 1

a kiinduló pont entalpiája

 

xE

az elegyedés (befúvás) utáni abszolút nedvesség

 

iE

az elegyedés (befúvás) utáni levegő hőtartalma

 

ig

a befúvott gőz entalpiája (pl. gőztáblázatból leolvasva).

Az ig-érték:

i g = i E i 1 x E x 1 .

Eszerint a légállapot i1,x1 ponton keresztül menő ig iránytangensű egyenes mentén változik. Az elegy állapotjelzői az anyagmérleg szerinti xE értékhez tartoznak, fenti egyenessel való metszéspontban. Az adott iránytangensű egyenest úgy kapjuk meg, hogy a Δi/Δx segédskálán megkeressük ig gőzentalpiának megfelelő skálavonást.

(Pl. p= 1 bar nyomású száraz telített vízgőzre i= ig= 2675 kJ/kg).

Ezek a ΔiΔx skálavonalak a diagramban feltüntetett P póluspontból indulnak ki. A segédskálán leolvasott skálavonás egyenesét párhuzamosaneltoljuk a kiinduló i1, x1 pontban és így kapjuk a keresett gőzbefúvási vonalat.

A folyadék (víz) bepermetezését hasonló módszerrel ábrázolhatjuk. Víz permetezésekor a nedvesség nő, de a levegő hőmérséklete csökken. A segédskála itt meglehetősen sűrű osztású (a víz entalpiája a gőzhöz képest csekély). Itt az iránytangens szerkesztéséhez a ködmező-izotermát is felhasználhatjuk, ugyanis víz esetén cpvíz= 4,217 kJ/kgK és

i víz = c p víz j víz ,

ahol

i víz = i E i 1 x E x 1

egyenlet érvényes.

A 23.17.ábrán a hideg- és melegvizes beporlasztást példán keresztül mutatjuk be.

23.17. ábra - Légnedvesítés az i ~ x diagramban

kepek/abra_23_17.jpg


Egyúttal berajzoltuk az atmoszferikus száraz telített gőzzel és kétféle túlhevített gőzzel az irányegyeneseket.

A nedves anyagok száradási folyamata

A szárítás gyakorlati kérdéseivel, illetve alkalmazásával foglalkozó szakembert rendszerint a W integrális nedvességtartalom időbeli alakulása, és ezen túlmenően az érdekli, hogy milyen üzemeltetési körülmények között (milyen energiafelhasználással, kapacitással stb.) tudja a nedves terméket az előírt nedvességtartalomra szárítani. A száradási folyamatot e szempontból vizsgáljuk Francsics P. és Parti M. nyomán [33]

E célból egy folyamatos üzemű, egyenáramú szárítóból a 23.18.ábra alapján elemi magasságú (dA érintkező felületet tartalmazó) részt kivágunk s erre eleve konvekciós szárítást feltételezve, – nedvességmérlegeket és hőmérlegeket írunk fel.

23.18. ábra - Egyenáramú, folytonos üzemű szárító vázlata

kepek/abra_23_18.jpg


Ismeretes, hogy a hőáramsűrűség és a nedvesség tömegáram-sűrűsége (a száradási sebesség):

q h = α ( ϑ ϑ a ) K V   kJ/(m 2 h) (23.23. egyenlet)

g n = σ ( x A x )   kg/(m 2 h) (23.24. egyenlet)

ahol

qh

a hőáramsűrűség kJ/(m2h),

 

αKV

a konvekciós hőátadási tényező kJ/(m2hK),

 

gn

a tömegáram-sűrűség kg/(m2h),

 

σ

a párolgási tényező kJ/(m2h),

 

xA

a nedves anyag felületével érintkező levegő nedvességtartalma, amelyet a szorpciós izoterma határoz meg kg/kg.

Nedvességmérleg a levegőre:

L d x = g n d A = d A σ ( x A x ) kg/h , (23.25. egyenlet)

ahol

L

a levegőáram kg/h

 

A

a levegővel érintkező száradó anyag m2.

Nedvessségmérleg a száradó anyagra:

m s z d W = g n d A = σ ( x A x ) d A kg/h (23.26. egyenlet)

 

msz

a száradó anyag tömegárama kg/h

 

W

a száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom kg/kg.

Hőmérleg a levegőre:

L d i = ( g n i g q h ) d A q h v kJ/h , (23.27. egyenlet)

amikor

 

i

az áramló levegő hőtartalma kJ/kg,

 

ig

a gőz hőtartalma kJ/kg,

 

qhv

a hőveszteség hőáramsűrűsége kJ/(m2h),

 

F

a külső felület m2.

Képletünk a levegő hőtartalmának összefüggését, valamint a levegőre vonatkoztatott nedvességmérleget figyelembe véve a következőképpen alakul:

L c n l d ϑ = ( q h + g n c p g ) ( ϑ ϑ a ) q h v d F kJ/h , (23.28. egyenlet)

ahol

cnl

a nedves levegő fajhője kJ/(kg/K) ,

 

cpg

a gőz fajhője állandó nyomáson kJ/(kgK)

A száradó anyagra vonatkoztatott hőmérleg a nedves anyag hőtartalma és fajhője, illetve a száradó anyagra vonatkozó nedvességmérleg alapján a következőképpen írható fel:

m s z c n a d ϑ a = ( q h g n r t a ) d A kJ/h , (23.29. egyenlet)

 

msz

a száradó anyag tömegárama kg/h,

 

cna

a nedves anyag fajhője kJ/(kgK).

A hőveszteséget a levegő hőmérlegében vettük figyelembe. Képleteink a száradási folyamatot jellemzik, és a levegő és a nedves anyag állapotjelzőinek változását adják meg a felület, illetve a tartózkodási idő függvényében.

A száraz anyagra vonatkoztatott nedvességmérleg összefüggéséből a szorpciós és a levegő állapotának ismeretében az anyag száradási görbéje határozható meg, amely a W(A), illetve a W(ϑ) függvénykapcsolattal jellemezhető. A kukorica szorpciós izotermáit a 23.19.ábrán, száradási görbéit a 23.20.ábrán mutatjuk be, állandó levegőhőmérsékleten.

23.19. ábra - Kukorica szorpciós izotermái

kepek/abra_23_19.jpg


23.20. ábra - A szemes kukorica száradási görbe

kepek/abra_23_20.jpg


A levegőre vonatkoztatott nedvességmérleg a levegő nedvességtartalmának változását adja meg. A száradó anyagra vonatkoztatott hőmérlegből, illetve a hőáram- és a nedvesség-tömegáram összefüggéseiből némi közelítéssel a következő állapítható meg: a nedves anyagot „kellően” kis hőmérséklettel meleg gázáramba helyezve a qh hőáramsűrűség pozitív érték (tehát a nedves anyag felé irányul), de az xA, valamint a gn száradási sebesség kicsi, így a párologtatásra fordított gnrta hőáramsűrűség is kicsi. Ezért az

m s z c n a d j a = ( q h g n r t a ) d A (23.30. egyenlet)

összefüggés jobb oldala pozitív mennyiség, így a párolgó nedves anyag hőmérséklete növekszik. Ezzel viszont csökken a hőáramsűrűség, s növekszik a párologtatásra fordított rész. Tehát a nedves anyag hőmérséklete növekszik, növekedési sebessége azonban csökken, zérushoz tart, az anyag hőmérséklete pedig egy jellegzetes határértékhez, az ún. nedves hőmérő hőmérsékletéhez (ϑn) tart. Értékét a levegő állapotjelzői, hőmérséklete és nedvességtartalma egyértelműen meghatározzák. (Vö.: pszichrométer.)

A folyamat akkor alakul a leírt módon, ha az anyag ϑo kezdeti hőmérséklete kisebb a nedves hőmérő hőmérsékleténél. Ha azonban ϑo > ϑn' az anyag hűlve közelíti a nedves hőmérő hőmérsékletét, míg ϑo = ϑn esetben hőmérséklete állandó. A száradó anyag hőmérséklete ϑn elérését követően, állandó marad – és állandó marad a párolgási sebesség is – mindaddig, amíg az anyag felszínével érintkező levegő xA nedvességtartalma telítési értékű.

Ha xAmár kisebb, mint az anyag hőmérsékletéhez tartozó xt telítési nedvességtartalom, az anyag hőmérséklete növekszik és közeledik a levegő hőmérsékletéhez. Ekkor áll elő az ún. csökkenő párolgási sebességű száradás. A szemes termények nagy része (sokszor teljes mennyisége) e szakaszban szárad.

A levegőre felírt hőmérleg a nedves anyag hőmérlegével a következő lesz:

L d i = g n c p F ϑ d A m s z c n a d ϑ a q h v d F kJ/h . (23.31. egyenlet)

A konvekciós szárítás során a párolgás és az anyag melegedésének hőszükségletét, valamint a hőveszteséget a levegő fedezi. A nedves hőmérő hőmérsékletének elérése után és adiabatikus esetben (vagyis hőveszteség nélkül) az előbbi és a nedves levegőre vonatkoztatott nedvességmérleg segítségével az állapotváltozás egyenlete:

d i d x c p F ϑ kJ/kg,

ami viszont a ködizoterma meredeksége.

A levegő ekkor tehát adiabatikusan telítődik, és az állapotváltozás vonalát a ködizotermáknak a gőzmezőbe való meghosszabítása adja meg. Ahol e vonal metszi a φ= 1 görbét, ott van az adiabatikus telítődési hőmérséklet. Levegő ~ vízgőz rendszerben a nedves hőmérő hőmérséklete és az adiabatikus telítődési hőmérséklet számértékre megegyezik (fizikai meghatározásuk eltér: a telítődő levegő hőmérséklete közelít az adiabatikus telítési hőmérséklethez, a párolgó nedves anyag hőmérséklete tart a nedves hőmérő hőmérsékletéhez).

A levegőbe párolgó gőz cpF kJ/kg folyadékhője a teljes hőtartalmához képest általában csekély. Alacsony hőmérsékletű szárításról lévén szó, csupán néhány százaléka az utóbbinak, ezért az adiabatikus telítődési vonal jó közelítéssel az állandó hőtartalomvonallal vehető azonosnak. A levegő hőtartalma tehát jó közelítéssel állandó.

Hő- és nedvességmérleg

A szárító sematikus vázlatát a be- és kilépő anyagáramokkal és állapotjelzőkkel a 23.21.ábra szemlélteti, amelyben a hőközlő berendezést és a hővisszanyerést is feltüntettük. Nedvességmérleg a szárítóra [33]:

L ( x k x b ) = L Δ x = m s z ( W b W k ) = m s z Δ W kg/h (23.32. egyenlet)

(Összefüggésünk dimenzióit már ismerjük. Csupán két indexre hívjuk fel a figyelmet: b-belépőt, k- kilépőt jelent).

23.21. ábra - Egyenáramú szárító kapcsolása a hőmérleg felírásához

kepek/abra_23_21.jpg


A szárítóba lépő levegő xb nedvességtartalma a környezeti xo nedvességtartalomtól és az előmelegítés módjától függ. Közvetlen gáz- vagy olajtüzelést, illetve nedves levegő visszakeverést alkalmazva xb>xo, egyébként xb=xo. Hőmérleg a szárítóra:

L ( i b   i k ) = m s z ( c n a k ϑ a k c n a b ϑ a b ) Q v kJ/h , (23.33. egyenlet)

illetve

L ( i b i k ) = m s z ( c n a k ϑ a k c n a b ϑ a 0 ) + Q s z v l + Q v kJ/h , (23.34. egyenlet)

ahol

L

a szárítóba lépő levegőáram kg/h

 

ib és ik

a be- és kilépő levegő hőtartalma kJ/kg,

 

msz

a száradó anyag tömegárama kg/h,

 

cnak

a kilépő száradó anyag fajhője kJ/(kgK),

 

cnab

a belépő száradó anyag fajhője kJ/(kgK)

 

ϑak

a kilépő száradó anyag hőmérséklete °C,

 

ϑab

a belépő száradó anyag hőmérséklete °C,

 

Qv

a veszteségként jelentkező hőáram kJ/h,

 

Qszv

a szárítóból visszanyert hőáram kJ/h

Ha Qszv1 = 0, akkor ϑab=ϑao.

Az egész rendszerre vonatkozó hőmérleg:

Q t = L ( i k i o ) + m s z ( c n a k ϑ a k c n a b ϑ a o ) + Q v Q s z v   kJ/h , (23.35. egyenlet)

illetve:

Q t = L ( i k i o ) Q s z v 2 kJ/h , (23.36. egyenlet)

ahol

Qt a (ϑbϑ0) hőmérsékletnövekedést megvalósító hőáram kJ/h

Q s z v = Q s z v 1 + Q s z v 2 + Q s z v 3 + Q s z v 4 (23.37. egyenlet)

a szárítóból (a szárítóközegből vagy a szárított anyagból) a 23.21.ábra szerint visszanyert, s a környezeti állapotú levegőt vagy a hideg szemcsés anyag melegítésére hasznosított hőmennyiséget jelenti.

A szárítás hatékonysága

A szárítás hatékonyságának jellemzésére különböző mutatókat használhatunk, így a fajlagos hőfelhasználást (nedvességre, illetve a száraz termékre vonatkoztatva), a fajlagos levegőfogyasztást és a termikus, illetve a nedvességfelvételre vonatkozó hatásfokot [33, 81]

A szárítás fajlagos hőfelhasználása:

q = Q r m s z Δ W = i b i o x k x b Q s z 2 L ( x k x b ) kJ/kg nedvesség (23.38. egyenlet)

ahol W a száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom kg nedvesség/kg szárazanyag

Értékét tehát a levegő előmelegítésének és telítődésének mértéke, valamint az esetleges hővisszanyerés határozza meg. Összefüggésünkből közvetlenül látható, hogy a hővisszanyerés csökkenti a fajlagos hőfelhasználást. Hővisszanyerés nélkül és a levegő adiabatikus telítődése esetén, (amikor a levegő által leadott hőmennyiség csak a párologtatásra fordítódik, valamint ibik):

q = i b i o x k x b i k i o x k x o kJ/kg , (23.39. egyenlet)

Hővisszanyerés nélkül – valós körülmények között – a leadott hőmennyiség 60...80%-a fordítódik párologtatásra, következésképpen a valós fajlagos hőfelhasználás a 3600...5700 kJ/kg tartományban van. A qmin-értéknél semmilyen körülmények között nem érhetünk el kisebb értéket (kivéve, ha a telített nedves levegőből nyerünk vissza hőt), hővisszanyeréssel ezt csak megközelíthetjük. A fajlagos levegőfelhasználás:

l = L m s z ( W b W k ) = 1 x k x b kg levegő/kg nedvesség , (23.40. egyenlet)

amellyel a szárítás fajlagos hőfelhasználását meghatározó képletünk a következőképpen alakul:

q = l ( i v i o ) Q s z 2 L ( x k x b ) kJ/kg nedvesség (23.41. egyenlet)

ahol

l

a fajlagos levegőfelhasználás kg levegő/kg nedvesség,

 

L

a szárítóba lépő levegőáram kg/h,

 

msz

a száradó anyag tömegárama kg/h,

 

Wb és Wk

a száraz anyagra vonatkoztatott be- és kilépő nedvességtartalom kg nedvesség/kg száraz anyag,

 

xk és xb

a ki- és belépő nedvességtartalom kg/kg,

 

ib és io

a belépő és környezeti hőtartalom kJ/kg,

 

Qszv

a szárítóból visszanyert hőáram kJ/h.

A szárítás – mint már hangsúlyoztuk – energiaigényes, s így költségigényes művelet. Alapvető célunk viszont a szárítás fajlagos költségeinek csökkentése, amelynek igen jelentős részét az energiára kell fordítanunk.

A szárítás fajlagos energiaköltsége:

K m s z Δ W = k 1 q + k 2 l ρ η Δ p Ft/kg nedvesség , (23.42. egyenlet)

ahol

k 1

a termikus energia fajlagos költsége Ft/kJ

 

k 2

a villamos energia fajlagos költsége Ft/kWh

 

ρ

a levegő sűrűsége kg/m3

 

η

a ventilátor hatásfoka,

 

Δp

a nyomásesés.

Képletünk szerint a szárítás energiaköltsége a fajlagos hő- és a fajlagos levegőfelhasználás csökkentésével mérsékelhető.

A szárítás változatai

Visszakeverés

Némely esetben előnyös, ha a szárítóberendezésből kilépő lehűlt, közel telítettségi állapotú „fáradt” levegő egy részét visszavezetjük és a friss telítetlen levegőhöz keverjük.

Ez a „bekeverés” lehetséges a már felmelegített friss levegőbe, vagy a még friss hideg levegőbe is. Ilyenkor természetesen a kevert levegőt kell felmelegíteni. Ezt a módszert akkor alkalmazzuk, amikor a szárítandó anyag lassú szárítást kíván (bőr, fa enyv, agyagárú). Ezeknél a víznek még ott sem szabad gyorsan párolognia, ahol a levegő a szárítóba beáramlik, azaz a friss levegőnek is „kellő” mennyiségű vízgőzt kell tartalmaznia.

Néha azért keverik a fáradt levegő egy részét a friss levegőhöz, hogy a külső környezeti levegő változásaitól függetlenül, mindig egyforma vízgőztartalmú levegővel induljon a szárítás.

Különféle hőmérsékletű és gőztartalmú levegőmennyiségek keveredése az i~x diagramon egyszerűen nyomon követhető, ill. elvégezhető szerkesztési feladat.

Ha az i~x diagramon kijelöljük az összekeverésre kerülő levegőrészek jellemző pontjait és ezeket egyenes vonallal összekötjük, akkor a keverék jellemző pontja (M) ezen az egyenesen fog feküdni. A pont helyzetét az egyenesen a keverési arány szabja meg 23.22.ábra.

23.22. ábra - Szárítólevegő visszakeverése

kepek/abra_23_22.jpg


Ha a szárítóba érkező 1 kg teljesen száraz levegőhöz a szárítóba visszavezetett n kg fáradt levegőt adunk, akkor a keverék hőtartalma:

i kev = i + n i 1 + n ,

a nedvességtartalom:

x kev = x + n x 1 + n

Utóbbi összefüggésből:

n = x kev x x x kev .

Nézzük meg a keverék állapotát jelző M pontot. Ennek helyzetét (23.22.ábra) a következő viszonyok szabják meg:

A M M C = D E E C = x kev x x x kev = n .

Többfokozatú melegítés

Hőérzékeny anyagoknál gyakori módszer a többfokozatú melegítés. A levegőt a szárítóberendezésekben igen gyakran gőzfűtésű hőkicserélők (bordáscsöves kaloriferek) segítségével melegíthetjük fel. Mivel a rendelkezésre álló fűtőgőz rendszerint nem nagy nyomású (fáradt gőz, megcsapolt gőz) és így nem túl nagy hőmérsékletű, célszerű a szárítóberendezésben a levegőt többszörösen újra melegíteni. Ez azt jelenti, hogy a szárítóberendezésben a már lehűlő levegőt egy-egy közbenső kaloriferrel újra felmelegítjük. Igy lehet az eredeti kaloriferen kívül még több különböző levegőmelegítőt alkalmazni. Ennek végső továbbfejlesztése (a fokozatok számának végső növelése) a teljes belső melegítésű szárító.

Ilyenkor nemcsak egy-egy keresztmetszeti szakaszban, hanem a szárító teljes hossza mentén fűtőtesteket helyezünk el. Minél több fokozatban melegítjük a levegőt, annál nagyobb a szárítás időtartalma, a leghosszabb tehát belső melegítés esetén. A szárítás időtartamának növelésével a folyamatot igen kíméletessé tehetjük.

Olyan fűtőgőz áll rendelkezésünkre, amivel a levegőt legfeljebb 80 °C hőmérsékletre tudjuk csak felmelegíteni. Oldjuk meg a szárítási feladatot két közbenső melegítéssel úgy, hogy a fáradt levegő a szárítóból 40 °C hőmérsékleten távozzék.

Az egyszerűség kedvéért azt az elméleti esetet vizsgáljuk, amikor a levegő telített állapotban lép ki a szárítóból. A 23.23.ábrán vázoltak szerint az i~x diagram segítségével oldjuk meg a kérdést. A feladatnak úi. végtelen sok lehetséges megoldása van.

23.23. ábra - Többfokozatú melegítés

kepek/abra_23_23.jpg


A vázolt megoldás szerint az eredetileg 80 °C felmelegített levegőt szárítás közben 50 °C-ra hagyjuk csak lehűlni. Az első melegítés az AB függőleges mentén, a második melegítés CD vonal mentén, a harmadik pedig EF vonal mentén megy végbe. A szárítást G pontban fejezzük be.



[12] Rábek, G.: Instalaciones térmicas (1982.) Caracas., 368–369p