BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék
VARJU EVELIN Térfogati hőátadási tényező meghatározása fluidizációs szárításnál
TDK dolgozat
Konzulens: Szabó Viktor Ph.D. hallgató
Témavezető: Dr. Örvös Mária Egyetemi docens
Budapest, 2015. október 26.
TARTALOMJEGYZÉK 1. BEVEZETÉS.......................................................................................................................................................... 1 2. FLUIDIZÁLT ÁLLAPOT......................................................................................................................................... 2 2.1. Fluidizáció alkalmazási lehetőségei ............................................................................................................... 2 2.2. Fluidizáció jelensége ...................................................................................................................................... 4 2.3. Fluidizációs tartomány ................................................................................................................................... 6 3. A MÉRÉS ELŐKÉSZÍTÉSE ÉS A MÉRŐBERENDEZÉS ISMERTETÉSE ..................................................................... 8 3.1. Mérés előkészítése ......................................................................................................................................... 8 3.2. Mérőberendezés kialakítása ........................................................................................................................... 9 3.3. Méréstechnika és műszerezés....................................................................................................................... 11 4. ANYAG ÉS MÓDSZER ......................................................................................................................................... 13 4.1. Fluidizációs tartomány kimérése különböző szemcsés anyagokra ............................................................... 13 4.2. A kiértékelés módszere ................................................................................................................................ 16 5. EREDMÉNYEK ................................................................................................................................................... 24 5.1. Kiindulási adatok ......................................................................................................................................... 24 5.2. Rögzített és mért adatok ............................................................................................................................... 24 5.3. Nedvességmérleg ellenőrzése....................................................................................................................... 27 5.4. Mollier diagramon az állandó szakasz ellenzőrése....................................................................................... 28 5.5. Nedvességtartalom, nedves anyag tömege, fajhő ......................................................................................... 29 5.6. Térfogati hőátadási tényező.......................................................................................................................... 30 5.7. Térfogati hőátadási tényező a nedvességtartalom függvényében ................................................................. 32 5.8. Szárítógáz sebességének hatása a térfogati hőátadási tényezőre az állandó száradási sebességű szakaszon ............................................................................................................................................................ 33 5.9. Szárítógáz belépési hőmérsékletének hatása a térfogati hőátadási tényezőre az állandó száradási sebességű szakaszon............................................................................................................................................ 33 5.10. Mérési eredmények kiértékelése ........................................................................................................... 34 6. ÖSSZEFOGLALÁS ............................................................................................................................................... 36 7. IRODALOMJEGYZÉK ......................................................................................................................................... 37 8. MELLÉKLETEK ................................................................................................................................................. 39
JELÖLÉSEK JEGYZÉKE Latin betűk Jelölés a A c C d g L m
Megnevezés, megjegyzés, érték fajlagos érintkezési felület felület fajhő átfolyási szám átmérő gravitációs gyorsulás anyagmagasság tömeg tömegáram Nusselt-szám
Mértékegység m2/m3 m2 J/kg°C 1 m m/s2 m kg kg/s 1
parciális nyomás hőáram fázisváltozási hő
Pa J/s J/kg
v x
Reynolds-szám idő hőmérséklet térfogat térfogatáram sebesség nedves anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom
X
száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom
1 s °C m3 m3/s m/s kg /kg kg /kg kg /kg
Nu p r Re t T V
abszolút nedvességtartalom
Y
Görög betűk Jelölés α αa β δ ε ε λ ν ρ
Megnevezés, megjegyzés, érték hőátadási tényező térfogati hőátadási tényező átmérőviszony hiba, eltérés expanziós szám fajlagos hézagtérfogat hővezetési tényező kinematikai viszkozitás sűrűség
á
á
á
Mértékegység W/m2°C W/m3°C 1 1 1 1 W/mK m2/s kg/m3
Indexek, kitevők Jelölés Megnevezés, értelmezés módosított értékre utaló ’ bemenő értékre utaló 0 kijövő értékre utaló 1 anyagra utaló a árpára utaló árpa cirokra utaló cirok csőre utaló cs érintkezési é felvett értékre utaló felvett felületre utaló F gázra utaló G nedvességre utaló H2O infrahőmérőre utaló infra idő szerint j kismintára utaló km Mollier diagramra utaló M maximális max melegítés melegítés mért értékre utaló mért minimális min mérőperemre utaló mp nedves anyagra utaló na nagymintára utaló nm párolgás párolgás PT100-as ellenállás hőmérőre utaló PT100 száraz anyagra utaló s szárítótérre utaló sz számított értékre utaló szám szemcsére utaló szemcse végértékre utaló v szárító gáz nedvességtartalomra utaló Y
1. BEVEZETÉS Fluidizációs szárításkor a szemcsés anyag mozgása következtében intenzív hő- és anyagátadás játszódik le, mely során a nedvesség gőz halmazállapotban diffundál a hőt közvetítő közegbe. A diffúziós műveletek közül ez az egyik leginkább energiaigényes folyamat, ezért törekedni kell a befektetett energia mérséklésére, ami a szárítás során végbemenő hő- és anyagátadási folyamat ismeretével, a jelenséget leíró matematikai modellek felállításával és alkalmazásával érhető el. A fluidizációs szárítás modellezéséhez a gáz és anyag közötti hőátadási tényező ismerete szükséges. Szemcsés anyagok esetén a hőátadó felület meghatározása számos bizonytalanságot rejt magában a szemcsék szabálytalan felülete, méretszórása miatt, ez a probléma a térfogati hőátadási tényező bevezetésével megszüntethető. A térfogati hőátadási tényező függvények létrehozása mérési úton lehetséges. A jelenlegi mérési módszer továbbfejlesztésével a szárítási folyamat vizsgálhatóvá válik a szárítás állandó- és csökkenő száradási sebességű tartományán egyaránt. A mérési eredmények feldolgozásával létrehozom a térfogati hőátadási tényező függvényeket a szárítás teljes szakaszára. Az átadási tényező és az anyag nedvességtartalom közötti függvénykapcsolat lehetővé teszi a fluidizációs szárítás eddigieknél pontosabb leírását. Mérési eredményeim felhasználásával létrehozhatóak a fluidizációs szárítás leírására alkalmas matematikai modellhez szükséges hőátadási tényező függvények.
1
2. FLUIDIZÁLT ÁLLAPOT A hőátadási viszonyok vizsgálata előtt néhány ipari alkalmazást tekintettem át, valamint a fluidizáció jelenségét tanulmányoztam, melynek ismerete elengedhetetlen a fluidizációs szárítással kapcsolatos mérések kiértékeléséhez. 2.1. Fluidizáció alkalmazási lehetőségei A fluidizáció jelenségével a vegyiparban számos helyen találkozhatunk. Alkalmazhatják hőátadási, anyagátadási vagy akár hő –és anyagátadási feladatokra egyaránt. Példaként megemlíthető a fluidizációs szárító, ahol nagy hőátadási tényező biztosítja a gyors szárítást, így a magasabb hőmérséklet ellenére az anyag kevésbé károsul, mint más típusú szárítókban, ahol a túlhevítéssel számolni kell. [1] Kén-dioxid előállítása történhet őrölt pirit fluidizációs kemencében megvalósított pörkölésével (2.1. ábra), ahol a finom szemcséjű piritet a levegővel fluidizált állapotban tartják. A berendezés üzemeltetése egyszerű és jól szabályozható, a keletkezett hő 60-70%a hasznosítható túlhevített gőz termelésére, viszont a pörk egy része szállóporként a gázzal távozik a rendszerből, a pörkgáz tisztítása hatékony porleválasztást igényel, illetve az eljárás további hátránya, hogy a pirit őrlésének nagy az energiaszükséglete. [2]
2.1. ábra. Fluidizációs piritpörkölő berendezés vázlata [2] A kőolajfeldolgozás során a katalitikus krakkolást napjainkban híg fluidizált ágyon végzik, ami a reaktornak az ún. riser („hosszú felszálló cső”) része (2.2. ábra). A forró katalizátort és az alapanyagot folyamatosan vezetik át a reaktoron, ahol végbemegy a kémiai átalakulás. A fluidizált ágyat az alapanyag mozgási energiája, de elsősorban a forró katalizátorszemcsék felületén gyorsan elpárolgó, illetőleg a kémiai reakcióban keletkező könnyebb komponensek felfelé irányuló mozgása tartja fenn. A "riser" fölötti részben a 2
termékelegyet elválasztják a katalizátortól. A termékek ciklonrendszeren át a frakcionáló, majd a gázkoncentráló egységbe jutnak, míg a katalizátor a felületére tapadt szénhidrogének eltávolítására szolgáló kigőzölő szakaszon át a regeneráló egységbe kerül. Itt a katalizátor felületéről levegő jelenlétében, szintén fluidizált állapotban leégetik a "kokszot". Ennek hatására a kisméretű szemcsék egyenletesen felmelegszenek, majd lehullva visszajutnak a reakciótér alsó részébe. Az égéskor keletkező forró füstgázok ciklonrendszeren keresztül a hőhasznosítóba kerülnek. [3]
2.2. ábra. Katalitikus krakkolás egyszerűsített folyamatábrája [3] Biomasszából történő szintézis gáz előállítása lehetséges úgy, hogy az elgázosító reagensként oxigént alkalmaznak, amire a legmegfelelőbb eljárás a cirkuláló fluidizált ágyas rendszer. (2.3. ábra) [4] Lehetséges alkalmazás emellett még porszerű anyagok keverése, kontakt katalitikus eljárások, szénpor égetése, aktívszén készítés, mészégetés és az élelmiszeriparban liofizált termékek porlasztása. Utóbbi eljárásnál a szilárd anyagot tartalmazó folyadékot mély hűtik, majd szublimálva a vizet elpárologtatják. A szilárd anyagot fluidizáló berendezésben alakítják később vízben oldható morzsás, granulált anyaghoz hasonló szemcsés termékké.
3
2.3. ábra. Elgázosító működési elve [4] 2.2. Fluidizáció jelensége Fluidizáció alatt azt a jelenséget értjük, amikor egy szemcsékkel töltött oszlopon áramló közeg a szilárd részecskéket közel lebegő állapotban tartja. A folyamat során az áramló közeg a réteget alkotó szemcséket mozgásra kényszeríti, mely következtében a szemcsék összekeverednek, ütköznek egymással. Az álló ágyhoz képest előnye, hogy a folyamat során a helyi hőmérséklet és a szilárd szemcsék eloszlása sokkal egyenletesebb, a részecskék diffúziós ellenállása kisebb, a nyomáscsökkenés az ágyon kisebb, egyszerű lehetőséget biztosít a szilárd anyag hozzáadásához és elvételéhez. Viszont hátránya, hogy a szemcsék porlódhatnak, a készülékben komoly erózió léphet fel. [6, 7] A fluidizáció jelenségénél üzemállapotonként más-más szemcsemozgás figyelhető meg, ahogy az a 2.4. ábrán látható. Ha a könnyű fázis alacsony áramlási sebességgel átszivárog a szemcsék közötti réseken (2.4/a ábra), miközben a szemcsék nyugalmi helyzetben maradnak, akkor beszélünk nyugvó ágyról. Az áramlási sebességet növelve a szemcsék szétválnak és rezegni kezdenek, de még mindig korlátozott helyen, ezt a jelenséget nevezzük kiterjedt (expandált) ágynak. A sebesség még további növelésével elérünk egy olyan állapotot, mikor a felfelé áramló gáz vagy folyadék a szemcséket fellazítja. Ekkor a szemcsék és a könnyű fázis közötti súrlódási erő egyensúlyba kerül a szemcsékre ható nehézségi erővel, a függőleges összetevője a nyomóerőnek eltűnik, ez az úgynevezett minimális fluidizáció (2.4/b ábra). 4
Folyadék-szilárd fázisok esetén a minimális fluidizációnál nagyobb sebesség elérésekor megkezdődik az ágy fokozatos fellazulása. Az áramlás instabilitása csökken és ezen az értéken is marad, miközben a pórusok a szemcsék között növekednek. Ez az állapot az egyenletes fluidizáció (2.4/c ábra), ami gáz-szilárd fázisoknál csak különleges körülmények között figyelhető meg – könnyű, finom részecskéknél nagy nyomású gáz esetén. A gáz-szilárd rendszerekre különböző viselkedés jellemző a fluidizáció során. A minimális fluidizációs sebességnél nagyobb áramlási sebesség esetén instabil buborékos és csatornás áramlás figyelhető meg. A szemcsék mozgása egyre élénkebbé válik, és az ágy térfogata jelentősen nem változik meg a minimális fluidizáció során tapasztaltakhoz képest. Ezt az állapotot buborékos fluidizált ágynak nevezzük (2.4/d ábra).
2.4. ábra. Fluidizációs üzemállapotok [8]
5
Kisebb átmérőjű berendezésekben a levegőrészecskék akár egyesülhetnek is a töltet alján, és képesek elég nagyra nőni, hogy az egész cső hosszában szétterjedjenek. Ebben az esetben a szemcsék a fal mentén lassan mozognak lefelé a növekvő gázbuborékok körül. Ezt a jelenséget nevezzük axiális dugattyús áramlásnak (2.4/e ábra). Durvább, nehezebb részecskék esetén a buborékok úgy tolják a szemcséket a töltet tetejére, akár egy dugattyú, majd visszahullnak az ágyra és ez a folyamat ismétlődik. Ez a jelenség a „dugattyús áramlás” (2.4/f ábra), ami kifejezetten a hosszú és keskeny fluidizált ágyaknál figyelhető meg. Mikor a fluidizációt jelentős nagyságú áramlási sebesség mellett – az előzőekhez képest nagyobbal - végezzük, akkor a szilárd szemcsék által alkotott ágy összefüggő felszíne eltűnik és a buborékos áramlás helyett különböző méretű és alakú gáz üregek jönnek létre. Ez az úgynevezett turbulens fluidizált ágy jelensége (2.4/g ábra). A gáz sebességét tovább növelve – meghaladja a maximális fluidizációs sebességet - megkezdődik a részecskék kihordása, ami a pneumatikus szállítás szakasza (2.4/h ábra). [8] 2.3. Fluidizációs tartomány Amennyiben egy szilárd szemcsékkel töltött csőben áramló közeg üres oszlopra vonatkoztatott áramlási sebességét növeljük, és közben mérjük a töltet nyomásesését, akkor a 2.5. ábrán látható görbét kapjuk.
2.5. ábra. A nyomáskülönbség változása az üres keresztmetszetre vonatkoztatott levegő sebességének függvényében A diagramon az alábbi jellegzetes szakaszok különböztethetőek meg: A-B – Növekvő Reynolds-számmal a nyomásesés négyzetes összefüggéssel írható le. Ez azonban csak addig érvényes, amíg a részecskék nyugalomban vannak. 6
B-C – A részecskék elkezdenek lebegni, a legkisebb ellenállás irányába rendeződnek. C-D – A sebesség növelésével az ellenállás tovább nő, de kisebb mértékben, majd a C ponton egy maximumot ér el. Ennek oka, hogy a fellazulás már csökkenti az ellenállást, még pedig nagyobb mértékben, mint ahogy a sebességnövekedés növelné azt. D-E – Fluidizált állapot, további sebességnövekedés már nem okoz nyomásesést. A D pont a fluidizáció kezdőpontja. Ideális esetben a szemcsék között áramló közeg sebessége állandó, mivel nagyobb térfogatáramnál nő a hézagtérfogat. E – A sebesség további növelésével a felső határsebesség elérése után a gázáram az egész halmazt magával ragadja, ezt nevezzük pneumatikus szállításnak. [6, 9] A fluidizáció jelensége akkor kezdődik, amikor a töltet ellenállásából származó erő megegyezik a töltet archimédeszi tömegével, azaz egységnyi felületre vonatkoztatva a töltet nyomásesése egyenlő a rácsnyomással. Ekkor a réteg fellazul és az áramlási sebesség további növelésével a szemcsék lebegni kezdenek. [10] ∙
∙
∙
(2.1)
Az így kialakuló, ún. rácsnyomást fejezi ki az Ergun-képlet [11]: á
1
(2.2)
A szemcsehalmaz nyugvó magasságát a szárítótérben lévő mérőskála alapján is le lehet olvasni egy tetszőleges pillanatban a légáram leállításával. A mérések során mérjük a fluidizált ágy nyomásesését, ezért az ágymagasság a (2.2) egyenletből is kiszámítható. Ennek értelmében ellenőrizhető, hogy tényleg a fluidizáció tartományán történik-e a vizsgálat.
7
3. A MÉRÉS ELŐKÉSZÍTÉSE ISMERTETÉSE
ÉS
A
MÉRŐBERENDEZÉS
A mérések elvégzésére alkalmas mérőrendszer az Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék laboratóriumában található, mely egy félüzemi fluidizációs szárító berendezés.
3.1. Mérés előkészítése A mérés megkezdése előtt előkészítő műveletekre van szükség az alapanyag oldaláról. Először a portól és egyéb szennyezőktől kell megtisztítani, illetve hozzávetőleg azonos méretű szemcsékre van szükség, melyet szélosztályozó (3.1. ábra) segítségével biztosítunk. A készülék gravitációs ülepedési sebesség alapján szelektál. A kiindulási anyag az 1. jelű adagolóba kerül beöntésre. A 2-es jelű adagolókar nyitott állapotba való mozdításával a szemcsék bekerülnek a 3-as jelű, négyzet keresztmetszetű csőbe. Az anyagot egy felfelé áramló légáramba adagoljuk, ahol a töredékeket és a port a légáram magával ragadja. A levegőt a 4-es jelű ventilátor szállítja. A legkisebb levegő térfogatáramnál a szemcsék a gravitációs erő hatására az 5-ös jelű gyűjtőedénybe esnek, a maximális felfelé áramló légáramban pedig a töredékek és a por a 6-os jelű ülepítő felé indulnak meg. Az ülepítőből a szemcsék a 7-es jelű gyűjtőfiókba kerülnek, a levegő pedig a 8-as jelű légcsatornán át a környezetbe távozik. A légáram fojtását, valamint a térfogatáramának mérését a 9-es és 10es jelű, szeleppel egybeépített rotaméterek segítségével lehet szabályozni.
3.1. ábra. Szélosztályozó berendezés A szemcsés anyagot ezután megfelelő mennyiségű vízzel benedvesítjük, meggyőződve arról, hogy kellően átnedvesedjen. A szárításhoz előkészített anyagból mintavétellel 8
történik a kiindulási nedvességtartalom meghatározása, ahol a kisminta kezdeti tömegét lemérjük, majd egy teljes napra szárítókemencébe helyezzük, hogy az anyag teljesen kiszáradjon. Így egy nap elteltével a mintát újra lemérve megkapjuk a nedvességtől mentes, száraz anyag tömegét. A kiindulási nedvességtartalmat a (3.1)-es összefüggéssel száraz anyagra vonatkoztatva, a (3.2)-es összefüggéssel nedves anyagra vonatkoztatva lehet meghatározni. (3.1) (3.2)
3.2. Mérőberendezés kialakítása A fluidizáció jelenségének, illetve az egyidejű hő- és anyagátadás vizsgálatára kísérleti mérőberendezés áll rendelkezésre a Tanszék laboratóriumában, melynek műszerezett folyamatábrája a 3.2. ábrán látható. A szárításhoz szükséges levegő térfogatáramot egy ventilátor (P-101-01) biztosítja, ahol a levegő térfogatáramának szabályozása egy tolózár (L-101-02) segítségével történik. A keresztüláramló levegő hőmérséklete egy elektromos légmelegítővel (H-101-03) szabályozható. Szárításkor a nedves anyagot előzetesen egy betápláló tartályban tároljuk (V-102-01), ahonnan szállítócsiga (CS-102-03) adagolja a szárítandó anyagot a mérőrendszer központi részébe, vagyis a függőleges elrendezésű 100 mm-es átmérőjű fluidizációs szárítótérbe (D-102-04). A szárítótérben megtörténik az anyag levegővel történő érintkeztetése és a fluidizációs szárítás. A kívánt nedvességtartalom elérésekor az anyag távozik a légárammal, és egy porleválasztó ciklonba (C-103-01) jut, ahol leválasztásra kerül a szárított anyag a légáramtól. A ciklont elhagyó nedves levegő a laboratórium légcsatornájába, míg a kiszárított anyag egy cellás adagolón (RV-103-02) keresztül egy gyűjtőtartályba (V-103-03) kerül, elhagyva a rendszert.
9
3.2. ábra. A mérőberendezés műszerezett folyamatábrája
10
A 3.1. táblázat a mérés során felhasznált műszerek felsorolását tartalmazza. 3.1.táblázat. A mérőberendezésen elhelyezett mérőeszközök és szabályozók Műszerazonosító SC-101-01 TIC-101-02 PDR-101-03 MI-102-01 WI-102-02 SC-102-03 XR-102-04 TR-102-05 TR-102-06 LI-102-07 TR-102-08 TR-102-09 XR-102-10 PDR-102-11 MI-103-01 WI-103-02
Műszer által mért mennyiség Levegő sebességének szabályozása Szárítógáz hőmérsékletének szabályozása Mérőperemen mért nyomásesés Szárítóba belépő nedves anyag nedvességtartalma Szárítóba belépő nedves anyag tömege Szállítócsiga fordulatszámának szabályozása Szárítóból kilépő levegő abszolút nedvességtartalma Szárítóból kilépő levegő hőmérséklete Szárítótérben lévő szemcsék felületi hőmérséklete Szárítótérben lévő szemcsék magassága Levegő hőmérséklet a szárítóban Szárítótérbe belépő levegő hőmérséklete Szárítótérbe belépő levegő abszolút nedvességtartalma Szárítóberendezés belépő és kilépő csonkja közötti nyomáskülönbség Ciklonból kilépő száraz anyag nedvességtartalma Ciklonból kilépő száraz anyag tömege
3.3. Méréstechnika és műszerezés A mérés a ventilátor bekapcsolásával indul, a levegő térfogatárama a tolózár segítségével állítható be (SC-101-01), hogy a szárítás a fluidizáció tartományán történjen. A légmelegítőhöz tartozó hőmérséklet szabályozóval változtatható a szárító gáz hőmérséklete (TIC-101-02). A szárítás megkezdése előtt a berendezést a stacioner állapot eléréséig (amíg a hőmérők által mért értékek stabilizálódnak) üresen kell járatni. Mérés előtt a nedves anyagból mintavétellel történik a nedvességtartalom meghatározása (WI102-02), majd lemérjük a szemcsehalmaz tömegét (MI-102-01). A csővezetékben áramló levegő térfogatárama, majd abból a sebessége mérőperem (O-101-04) segítségével határozható meg, amihez mérjük a mérőperemen a nyomásesést (PDR-101-03). A mérések során rögzítésre kerül a szárítóba belépő levegő hőmérséklete (TR-102-09) és abszolút nedvességtartalma (XR-102-10), a szárítóból kilépő levegő hőmérséklete (TR-102-05) és abszolút nedvességtartalma (XR-102-04), a szárítótérben a levegő hőmérséklete (TR-10208), a szárítóberendezés belépő és kilépő csonkja közötti nyomásesés (PDR-101-11) illetve 11
infrahőmérővel az anyag felületi hőmérséklete (TR-102-06). A szárítótérben lévő nyugvó anyaghalmaz magassága a szárító falára helyezett mérőskála segítségével olvasható le (LI102-07). A műszerek által mért értékeket egy adatgyűjtő (Almemo 3290) beállított gyakorisággal rögzíti, amik a későbbiek során Microsoft Excel táblázatba importálva kiértékelésre kerülnek. Az állandósult hőmérséklet elérése után az adatgyűjtőt elindítva, a nedves anyagot a szállítócsiga segítségével a mérőtérbe juttatva, elkezdődhet a szárítás a megfelelő levegő térfogatáram beállítása után. A mérés a kívánt nedvességtartalom eléréséig tart, a szárítótérben maradt szemcséket az L-101-02-es jelű tolózár elzárásával lehet kihordani a szárítótérből. A mérés végeztével a kapott száraz szemcsehalmaz tömegét (MI-103-01) ismét megmérjük, majd mintavétel történik a végső nedvességtartalom (WI103-02) meghatározásához.
12
4. ANYAG ÉS MÓDSZER A szárítás során a szemcséket fluidizált állapotba kell hozni, ami a levegő sebességének megfelelő beállításával történik. Ehhez először a felhasznált szemcséknek a fluidizációs tartományát kell meghatározni, mely egy levegősebesség-tartományt jelent, ahol a fluidizációs szárítás elvégezhető a későbbiek során. 4.1. Fluidizációs tartomány kimérése különböző szemcsés anyagokra Ahhoz, hogy a mérések kiértékelése során használni lehessen a fluidizációs tartományra érvényes összefüggéseket, a mérőtérbe tetszőleges darabszámú, de kellő ellenállással rendelkező anyaghalmazt kell juttatni. A mérőtérben elhelyezett skáláról le lehet olvasni az ágymagasságot (
é
), majd a ventilátort beindítjuk, miközben a szabályzásra használt
tolózárat teljesen nyitva hagyjuk. Majd a légsebességet a tolózár zárásával fokozatosan növeljük, míg a kihordás tartományába nem érünk. A fluidizáláshoz szükséges levegőt ventilátor szállítja, amelynek mennyisége a légmelegítő után elhelyezett mérőperemmel mérhető. A mérőperemen átáramló térfogatáram az alábbi összefüggés szerint számítható: 2
1
(4.1)
4
1
Ahol a mérőperem legkisebb átmérője dmp= 50mm, az expanziós szám értéke a csekély nyomásváltozás miatt ε=1, a levegőt szállító cső belső átmérője dcs= 100mm. A C-jelű átfolyási szám értéke a Reader-Harris/Gallagher-formulával számítható, sarokmegcsapolás nélküli kialakítás esetén [12]: 0,5961
0,0188
0,0063
0,0261 19000
0,216 , ,
10
0,000521
,
10
,
(4.2)
,
0,043 1
0,11
19000 1
a mérőperem körüli áramlást jellemző Reynolds-szám: (4.3) A mérőperemen átáramló levegő sebessége: (4.4)
13
Mivel a Reynolds-szám a levegő sebességének (
) függvénye, a sebesség pedig az
átfolyási számé (C), ami pedig a Reynolds-szám függvénye, ezért a térfogatáram (
)
értékének meghatározásához iteráció szükséges. Első iterációs lépésként a C=0,6-os értéket célszerű felvenni. Ezután a térfogatáram értékét határozzuk meg az adott átfolyási szám mellett, a térfogatáramból meghatározható az áramló közeg sebessége, a sebességből meghatározható a Reynolds-szám, majd ennek ismeretében új átfolyási szám számítható. Akkor tekinthető az iterációt véglegesnek, ha az átfolyási szám kezdeti és végső értékének eltérése kisebb, mint 1%, vagyis: á á
0,01
(4.5)
Ha a levegősebességet meghatároztuk a mérési pontokra, akkor annak függvényében ábrázolható az ágy nyomásesése, vagyis a fluidizációs görbe. Így különböző szemcsés anyagokra (4.1. ábra), különböző ágymagasságok és nedvességtartalmak mellett kimértük a fluidizációs görbéket.
4.1. ábra. Felhasznált szemcsék – árpa, cirok, köles [12, 13, 14] A 2.5. ábra alapján a fluidizációs diagram három fő tartományra osztható, melyek a következők: az álló ágyon keresztül áramló gáz szakasza, a fluidizációs tartomány és a pneumatikus szállítás szakasza. Mindegyik tartományon közelítő görbét illesztettem a mérési pontokra. A 4.2. ábrán látszik, hogy a gáz sebességét növelve kezdetben az ágy nyomásesése növekszik, majd a fluidizációs tartományon közel állandó, a pneumatikus szállítás szakaszán pedig először csökken, majd növekszik, míg a szemcsék el nem hagyják a mérőteret. A mérési eredmények tükrözték az elméletben ismertetett fluidizációs görbék jellegét. Több mérést is elvégezve a különböző típusú szemcsékkel, különböző nedvességtartalmak mellett az ágy nyomásesését a fluidizációs tartományon, illetve minimális és maximális légsebességet, amik ehhez a tartományhoz tartoznak a fluidizációs 14
diagramokról leolvashatóak. A számolt ágymagasságot a (4.6), a mért és számolt ágymagasság hibáját a (4.7) összefüggés segítségével határoztam meg. Ezen eredmények összefoglalása látható a 4.1. táblázatban. 1
(4.6)
á
|
á
é
|
(4.7)
4.2. ábra. Cirok fluidizációs görbéje (ágymagasság 190mm, nedvességtartalom 0,587 kg H2O/kg száraz anyag) 4.1. táblázat. Mérési eredmények összefoglalása ,
ÁRPA
CIROK KÖLES
[kg H2O/ kg száraz anyag] 0,11 0,97 0,75 0,5 0,54 0,56 0,16 0,16 0,59 0,12
,
é
á
.
é
[m/s]
[m/s]
[mm]
[mm]
[mm]
[%]
1,9 1,7 2,8 2,2 2,5 2,4 1,85 1,6 2,1 1,8
5,9 6 6 5,2 6 6 5,1 4,8 5,8 4,4
190 150 200 200 190 160 200 180 190 220
172 159 179 219 188 169 198 164 172 206
18 9 21 19 2 9 2 16 18 14
9 6 11 10 1 6 1 9 9 6 15
Ezeket az eredményeket fluidizációs szárításnál használtuk a szükséges levegő térfogatáram beállításához, hogy a fluidizációs tartományban történhessen a szárítás. Természetesen ezek az értékek adott anyag nedvességtartalomra vonatkoznak, mivel a szárítás folyamán, ahogy a szemcsék veszítenek a nedvességtartalmukból a fluidizációs tartomány határai is változnak, így után szabályozásra lehet szükség, hogy a szemcsék ne kerüljenek kihordásra a kívánt nedvességtartalom előtt. Ezt a mérési módszert felhasználva különböző szemcsés anyagok és különböző nedvességtartalmak esetén meg lehet határozni a fluidizációs tartomány határait.
4.2. A kiértékelés módszere A szárítási műveletre jellemző elméleti szárítási görbék a 4.3. ábrán láthatóak. A 4.3./a ábrán a belépő és kilépő szárítógáz hőmérsékletének alakulása; a 4.3./b ábrán a levegő abszolút nedvességtartalma a szárítótérbe való belépési- és kilépési pontján látható az idő függvényében. A szárítás jellegzetes szakaszai római számokkal (I, II, III) vannak jelölve. Az anyag nedvességtartalmának változását a szárítótér mentén nem vizsgáljuk. A kialakulási szakasz (I 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, vagyis addig tart, míg az anyag felületi hőmérséklete nem állandósul. Az állandó száradási sebesség szakaszát (II szakasz) a felület folytonos nedvesítése jellemzi, a kapillárisok a felületre szállítják a nedvességet és az egyenletes nedvesítést biztosítják. Az egyensúlyi – nedves hőmérő - hőmérséklet kialakulásának következtében a felületre érkező hőáram a nedvesség elpárologtatására fordítódik. A szemcsék nedvességtartalma csökken, a felületi hőmérsékletet közel állandónak tekintjük, miközben a szárító levegő az anyaggal érintkezve telítetté válik. A csökkenő száradási sebesség szakasza (III szakasz) 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 pedig száraz foltok figyelhetőek meg. A szemcsék nedvességtartalma tovább csökken, a felületi hőmérsékletük nő, míg a kilépő levegőáram abszolút nedvességtartalma ezen a szakaszon csökkenni kezd, mert egyre kevesebb nedvességet képes felvenni az anyagból [15].
16
4.3. ábra. Elméleti szárítási görbék a) Szárítógáz hőmérséklete az idő függvényében, b) Szárítógáz abszolút nedvességtartalma az idő függvényében A 4.4. ábrán látható a mérőberendezés egyszerűsített vázlata a mért mennyiségek feltüntetésével, illetve a légáram és anyagáram útjának bemutatásával. Anyagoldalról a mérés kezdetén mérjük a szárítótérbe betáplált szemcsék kiindulási nedvességtartalmát ( (∆
) és tömegét (
). Gázoldalról mérjük a mérőperemnél a nyomáskülönbséget
), vagyis közvetve a levegő tömegáramát (
nedvességtartalmát ( ) és hőmérsékletét ( ágymagasságot (
é
), a szárítótér előtt a levegő abszolút ). A szárítótérben leolvassuk az
), illetve mérjük az ágy nyomásesését (∆
). A szárítótestbe
helyezett infrahőmérő segítségével mérjük az anyag felületi főmérsékletét ( ). A szárítótér után rögzítjük a kilépő levegő hőmérsékletét (
) és az abszolút
nedvességtartalmát ( ). A művelet végén mérjük az anyag tömegét ( nedvességtartalmát (
), az anyag
) mintavétellel határozzuk meg, akárcsak a mérés indításakor.
A feladatom fő részét képezi a térfogati hőátadási tényező vizsgálata és meghatározása, ami adott szárító típusnál, a gáz – szilárd anyag érintkeztetési formától függő, kísérletileg meghatározható érték. [15] A térfogati hőátadási tényező magába foglalja a két empirikus úton meghatározható mennyiséget, a szárítógáz - szárítandó anyag közti hőátadási tényezőt és az érintkezési felületet.
17
4.4. ábra. A berendezés vázlata a mért mennyiségek feltüntetésével
4.5. ábra. Levegő abszolút nedvességtartalmának, hőmérsékletének, anyag felületi hőmérsékletének, nedvességtartalmának változása az idő függvényében
18
A szárítótérben a szárító gáz hőmérséklete, abszolút nedvességtartalma, illetve a száradó anyag nedvességtartalma és felületi hőmérséklete az idő függvényében a 4.5. ábrán figyelhető meg. A mérés során rögzített adatokból az alább ismertetett módon határozhatjuk meg a térfogati hőátadási tényezőt a szárítás során. Fajlagos érintkeztetési felület a teljes szárítóban: é
∙
é
,
(4.8)
ahol L a fluidizált rétegmagasság. Az összes hőáram: í é
á
(4.9)
á
Melegítésre fordítódó hő az időben változva – 4.5. ábra jelöléseinek felhasználásával centrális differenciasémával, mivel az elsőrendű differenciasémák közül ennek a legkisebb hibája: ∙
í é
∙
∆ ∆
∙
(4.10)
∙
Szárításra fordítódó hő a száradó anyag és a gáz oldaláról felírva: ∆ á
á
∙∆ ∙ ∆
∙
∆
∙
∙
(4.11)
Konvektív hőáram: ∙
∙
(4.12)
é
Szárítótérben lévő levegő átlaghőmérséklete: (4.13) 2 A konvektív hőáram alakulása: ∙
∙
(4.14)
é
Behelyettesítve a (4.8) egyenletet (4.14)-be: ∙
∙
∙
∙
é
(4.15)
(4.9) (4.10) (4.11) és (4.15) felhasználásával felírható a térfogati hőátadási tényező:
19
1 ∙ ∙
∙
∙
∙ (4.16)
é
∙
Az állandó száradási sebességű szakaszon a (4.16) egyenletben a melegítésre fordítódó hő zérus, míg a csökkenő száradási sebességű szakaszon számolni kell az értékével, mivel értéke a nedvességmérlegből számolható
az anyag folyamatosan melegszik. Az minden időpillanatban. ∙
∙∆
(4.17)
Az anyag nedvességtartalmának meghatározásánál ismert a nedves anyag tömege és a kiindulási nedvességtartalma. Felírva az anyagmérleget: ∙
∆
∙
∙∆
(4.18)
A száraz anyag tömege meghatározható az alábbi összefüggésből: (4.19) 1 Az anyag nedvességtartalmának alakulása: ∙
∙∆
(4.20)
Megfelelően pontos nedvességmérleg esetén a (4.20) összefüggés által számított végső nedvességtartalom megegyezik a méréssel meghatározott végső nedvességtartalommal. A
értékek irodalmi eredményekből lettek meghatározva trendvonal felvételével
minden nedvességtartalomra. A 4.6.–os ábrán a cirok fajhője látható a nedvességtartalom függvényében, míg a 4.7.-es ábrán az árpa fajhője. [16] Mindkét fajhő nedves anyagra vonatkoztatott nedvességtartalommal van értelmezve, amit a (4.21) összefüggéssel cirok, a (4.22) összefüggéssel árpa esetére lehet meghatározni a száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalommal. 26,344 ∙ á
34,684 ∙
1 1
988,68 879,51
(4.21) (4.22)
20
4.6. ábra. Cirok fajhője a nedves anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom függvényében
4.7. ábra. Árpa fajhője a nedves anyagra vonatkoztatott nedvességtartalom függvényében A szárítótérben lévő szemcsés anyag felületi hőmérsékletének pontos meghatározása a feladatom egyik fő részét képezte, mely eleinte számos problémába ütközött. Először a szárítótér mentén elhelyezett hőmérők – PT100-as ellenállás hőmérő és Ttípusú tapintóhőmérők - segítségével rögzítettem a szárítótérben lévő hőmérsékletet, de ez a módszer nem az anyag felületi hőmérsékletét, hanem a szárítótérben áramló szárító gáz hőmérsékletét mérte. Második lehetőségként szárítás közben a ventilátor leállítása merült fel, mivel így a fluidizáció leáll, a hőmérők közvetlenül érintkeznek a szemcsés anyaghalmazzal, és az 21
anyag hőmérséklete beáll egy adott hőmérséklethez, amely az adott pillanatban a szemcsék felületi hőmérséklete. Ezután a ventilátort újraindítva a szárítás folytatódik, ezt az eljárást a szárítás során megismételve, diszkrét időpillanatokban a szemcsék felületi hőmérséklete mérhetővé válik. Ez a módszer szintén nem megfelelő, ugyanis a ventilátor megállításával folyamatosan megszakítanánk a mérés menetét. Harmadik lehetőségként infrahőmérő beépítése merült fel, ami közvetlenül az anyag felületi hőmérsékletét méri. Ezen feltevés igazolása érdekében a szakaszos szárítás során az infrahőmérő által mért értékeket a szárítótérbe helyezett PT100-as ellenállás hőmérővel referenciaként ellenőriztem. A hőmérők elhelyezkedése a szárítótérben a 4.8. ábrán látható.
4.8. ábra. A hőmérők elhelyezkedése a szárítótér mentén A 4.9. ábrán a szárítótértben elhelyezett hőmérők által mért értékek láthatóak cirok szakaszos szárítása során.
22
4.9. ábra. Szakaszos cirok szárítása során a szárítótérben kialakuló hőmérsékletek különböző hőmérők esetén az idő függvényében A 4.9. ábra alapján az infrahőmérő a megfelelő értékeket mutatja a mérés során, mert körülbelül 3%-os eltérést mutatott a PT100-as ellenállás hőmérő által rögzített értékekhez képest. A mérési pontokat piros körökkel jelöltem az ábrán. Így többször elvégzett hőmérséklet mérések és azok összehasonlítása alapján arra a következtetésre jutottam, hogy az anyag felületi hőmérsékletét az infrahőmérővel mérem a továbbiakban, mivel egyszerűbb mérési módszer, mert a ventilátort nem szükséges többször leállítani, majd újraindítani a mérés során. A PT100-as ellenállás hőmérő és tapintóhőmérő használatát így további mérések során mellőztem.
23
5. EREDMÉNYEK A szárítás során a mért adatokat adatgyűjtő rögzítette, amelyek Microsoft Excelben kerültek kiértékelésre a térfogati hőátadási tényező meghatározása érdekében az alábbiak során bemutatott módszerrel.
5.1. Kiindulási adatok A kiértékelés módszerének bemutatására egy olyan mérést veszek alapul, ahol cirokot szárítottam, közel az egyensúlyi nedvességtartalomig. A mérés során a szárítóba belépő gáz hőmérsékletét és sebességét állandó értéken tartottam. A kiindulási adatok az 5.1.-es táblázatban láthatóak, melyeket a mérés előtt, vagy a mérés során határoztam, mértem meg. 5.1. táblázat. Kiindulási adatok cirok szárítása során Jelölés
, ,
é
, ,
Érték 70 0,00634 3,5 0,0275 1,049 0,0795 0,0499 0,5906 0,015
Mértékegység [°C] /kg á [kg [m/s] [kg/h] [kg] [kg] [kg] [kg /kg
á
á
]
]
[m]
Ahol: , ,
, ,
fluidizációs szárítás előtt vett kisminta tömege, szárítókemence előtt fluidizációs szárítás előtt vett kisminta tömege, szárítókemence után (3.1) összefüggéssel kismintából meghatározott nedvességtartalom
5.2. Rögzített és mért adatok A szárítást 70°C-os levegővel végeztem közel egy óráig a fluidizációs szárító berendezésen, aminek a mérés során rögzített adatokból a szárítási görbék az 5.1.-es és 5.2.-es ábrán láthatóak. Mivel a szárítást igen hosszú ideig végeztem, így az említett ábrákon a szárításra jellemző három szárítási szakasz nem látható. Ezért az 5.3. és 5.4. ábrán a szárítás elejét kiemelve, a szárítási szakaszok jól felismerhetővé válnak, amiket nagy római számokkal jelöltem. 24
5.1. ábra. A levegő belépő és kilépő abszolút nedvességtartalma a szárítás során az idő függvényében
5.2. ábra. A hőmérsékletek alakulása a szárítás során az idő függvényében Az 5.3. ábrán látható a szárító levegő abszolút nedvességtartalma a szárítótér belépő és kilépő oldalán. A mérési eredmények alapján a nedvességmérő az állandó száradási sebességű szakaszon az elméleti jelleget mutatja. A csökkenő száradási sebességű szakaszon szintén megfelelő a görbék jellege, mint ahogy a 4.3. ábrán látható volt, hogy a kilépő gáz nedvességtartalma a belépő nedvességtartalomhoz tart, vagyis a levegő egyre kevesebb nedvességet vesz fel az anyagból.
25
5.3. ábra. A levegő belépő és kilépő abszolút nedvességtartalma a szárítás során az idő függvényében a szárítás három szakaszán
5.4. ábra. A hőmérsékletek alakulása a szárítás során az idő függvényében a szárítás három szakaszán Az 5.4. ábrán figyelhetőek meg az anyag felületének és a szárítótérbe belépő illetve abból kilépő levegő különböző hőmérsékletei az idő függvényében. Ebben az esetben is jól felismerhetőek az elméleti szárítási görbék. Az állandó száradási sebességű szakaszon mind az anyag felületi, mind a belépő és kilépő levegő hőmérséklete közel állandó. A csökkenő száradási sebességű szakaszon a kilépő levegő hőmérséklete és az anyag felületi hőmérséklete is növekszik és tart a belépő hőmérséklethez. 26
A szárítás végeztével ismét megmértem a kiszárított szemcsehalmaz tömegét, illetve kismintát vettem a végső nedvességtartalom meghatározásához, melynek adatai az 5.2.-es táblázatban láthatók. 5.2. táblázat. Cirok szárítása után mért tömegek és nedvességtartalmak Jelölés , ,
,
Érték 0,731 0,07358 0,06623 0,111
,
Mértékegység [kg] [kg] [kg] [kg /kg á
]
Ahol: , ,
fluidizációs szárítás után vett kisminta tömege, szárítókemence előtt
,
fluidizációs szárítás után vett kisminta tömege, szárítókemence után
,
5.3. Nedvességmérleg ellenőrzése A fluidizációs szárítás során mért adatok ellenőrzésére szolgál a nedvességmérleg ellenőrzése, ahol az anyagoldalról mért nedvességcsökkenés összevetése történik a levegő által felvett nedvesség mennyiségével. Az (5.1) összefüggés adja meg a nagyminták tömegeinek méréséből az eltávozott nedvességet: ∆
1,049
0,731
0,318
(5.1)
A szárító gázzal eltávozott nedvesség (4.18) összefüggéssel számolható minden egyes mért időpillanatban. Az (5.2) összefüggéssel írható le a szárítás során a levegővel távozott összes nedvesség: ∆
∙
,
∆
0,292
(5.2)
Az eltávozott nedvességet a kisminták oldaláról is lehet ellenőrizni. A kiindulási nedvességtartalomból az (5.3) összefüggés segítségével tehető ez meg: ∆
,
,
1
∙
1,049 ∙ 0,5906 1 0,5906
0,111
(5.3)
0,316 Az 5.3.-as táblázat tartalmazza a különböző módszerekkel kiszámított eltávozott nedvességek hibáját. Az abszolút és relatív hibák is a levegő nedvességtartalmának
27
felhasználásával kapott nedvességre vonatkoztatva vannak meghatározva. Ahol az abszolút hiba az (5.4) összefüggéssel számítható ki. (5.4)
∆ ∆ ∆ , 5.3. táblázat. Az eltávozott nedvesség különböző számításainak hibái ∆
,
∆
,
,
Érték
[kg]
0,318
0,316
∆
[kg]
0,0263
0,0246
∆ ∆
[%]
9,01
8,42
∆
,
0,292 -
Mint látható az 5.3. táblázat alapján maximum 10%-os hiba figyelhető meg a különböző módszereknél, ami hibahatáron belül van, így elmondható, hogy a mérés és a mért eredmények megfelelőek voltak.
5.4. Mollier diagramon az állandó szakasz ellenzőrése Mollier diagramon (5.5. ábra) ellenőrizhető az állandó száradási sebességű szakaszon a szemcsék felületi hőmérséklete és a kilépő levegő abszolút nedvességtartalma.
5.5. ábra. Mollier diagramon az anyag felületi hőmérsékletének ellenőrzése 28
A szárító gáz jellemzőiből kiindulva állandó entalpia vonalon – hőveszteségmentes esetet feltételezve - haladva a 100%-os relatív nedvességtartalomhoz tartozó görbén leolvasható az anyag felületi hőmérséklete, ami ekkor megegyezik a nedves hőmérő hőmérsékletével. A mért és leolvasott értékeket az 5.4.-es táblázat foglalja össze 5.4. táblázat. Az állandó szakaszon mért adatok hibája Mollier diagramról leolvasott értékekkel összehasonlítva
[°C]
[g H2O/kg száraz gáz]
[°C]
[g H2O/kg száraz gáz]
[°C]
[%]
Mérés 70 6,3 28,8 25,4 0,8 2,86 Mollier 70 6,3 28 24,5 Látható módon az állandó száradási sebességű szakaszon a mért értékek hibája elhanyagolható. Így bebizonyosodott, hogy az infrahőmérő az anyag felületi hőmérsékletét méri a szárítás során, illetve a nedvességtartalmat mérő műszer is megbízható.
5.5. Nedvességtartalom, nedves anyag tömege, fajhő A szárítás során a nedvességtartalom folyamatosan csökken, mint a 4.5. ábra alapján. A szemcsék nedvességtartalmát az (4.20) összefüggéssel lehet meghatározni, a mérés eredményét az 5.6. ábra mutatja. A nedvességtartalom a kiindulási nedvességtartalomból kiindulva közel lineárisan csökken az állandó száradási sebességű szakaszon, majd pedig az egyensúlyi nedvességtartalomhoz tart.
5.6. ábra. Cirok nedvességtartalma az idő függvényében 29
A (4.17) összefüggéssel a nedves anyag tömegének változását meghatározva az 5.7. ábrán látható görbét kaptam. Vagyis mind a nedvességtartalom, mind a nedves anyag tömegének változása követi az elméleti szárítási görbék jellegét, vagyis a szárítás során mért mennyiségek helyesnek bizonyultak.
5.7 ábra. Cirok tömegének változása az idő függvényében A térfogati hőátadási tényező meghatározásához szükséges a száradó anyag fajhője, amit a (4.21) összefüggés segítségével meg lehet határozni, így mérés során a fajhő változása az 5.8. ábrán látható.
5.8 ábra. Cirok fajhőjének változása az idő függvényében
5.6. Térfogati hőátadási tényező A (4.16) összefüggésbe a mért adatokat behelyettesítve, meghatározható a térfogati hőátadási tényező minden egyes mintavételezési pontra. Mivel a képletben deriválás szerepel, és a deriválás pontokra van elvégezve, így a kapott eredmények túlságosan nagy 30
szórást mutatnak az eredeti mintavételezési időtartamok esetén. Ezért az egész mérési adatsort megszűrve, csak bizonyos időközönkénti adatokat veszek alapul a kiértékeléshez. Jelen esetben a cirok adatsorából, az állandó száradási sebességű szakaszon minden 50. időpillanatban, a csökkenő száradási sebességű szakaszon minden 150. időpillanatban mért adatot használok fel a kiértékelés során. A 1. mellékletben látható a felhasznált adatsor a térfogati hőátadási tényező meghatározásához. Az állandó száradási sebességű szakaszon a 3. adatsort kiemelve az (5.5)-ös összefüggés szerint kerültek kiértékelésre az adatok. 1 ∙ 4
∙
2
∙
∙
∙
1 70,1 29 2 ∙ 0,0256
28,1 ∙
0,1 ∙ 4
(5.5)
0,0277 ∙ ∙ 0,15
0,006336 ∙ 2387649
50418
/
Ezt a számítást a csökkenő száradási sebességű szakaszon az (5.6)-os összefüggés szerint határoztam meg a térfogati hőátadási tényezőt, jelen esetben a 11. adatsorra bemutatva a számítás menetét. 1 ∙ 4
∙
2 ∙
∙
∙
∙ 1
70
∙
0,813 ∙ 1486,7
(5.6)
60,1 0,1 ∙ 60,3 ∙ ∙ 0,15 2 4 61,2 58,4 ∙ 0,0253 ∙ 0,0084 0,006337 ∙ 2352546 1350 1050 24161 / A számítások elvégzése után az eredményeket ábrázolva, 5.9.-es ábrán látható diagramot kaptam, amin jól kivehető a jellege a hőátadási tényezőnek. A diagramon az adatsorra trendvonal illeszthető, ahol a csökkenő száradási sebességű szakaszon a hőátadási tényező csökkenő jelleget mutat.
31
5.9. ábra. A térfogati hőátadási tényező az idő függvényében cirok szárítása esetén
5.7. Térfogati hőátadási tényező a nedvességtartalom függvényében A hőátadási tényezőt az anyag nedvességtartalmának függvényében ábrázolva az 5.10. ábrán látható görbét kaptam.
5.10. ábra. A térfogati hőátadási tényező az anyag nedvességtartalmának függvényében cirok szárítása esetén Az állandó száradási sebességű szakaszon közel állandó, míg a csökkenő szakaszon az egyensúlyi nedvességtartalomhoz közelítve egyre kisebb értéket vesz fel a hőátadási tényező. 32
5.8. Szárítógáz sebességének hatása a térfogati hőátadási tényezőre az állandó száradási sebességű szakaszon Több mérést is elvégeztem, vizsgálva, hogy a szárítógáz paraméterei milyen hatással vannak a térfogati hőátadási tényezőre az állandó száradási sebességű szakaszon. Árpa szárítását végeztem el, miközben a szárítógáz belépési hőmérséklete állandó, 60 °C volt és a szárító levegő sebességét változtattam az egyes méréseknél. Az eredmények az 5.5. táblázatban vannak összefoglalva. 5.5. táblázat. A térfogati hőátadási tényező értékei különböző szárítógáz sebességek paraméterében függvényében [m/s]
[W/m3K]
3,5
55589
4
60634
4,5
65095
A táblázatba foglaltakból látszik, hogy a szárítógáz sebességének növelésével a térfogati hőátadási tényező növekszik az állandó száradási sebességű szakaszon.
5.9. Szárítógáz belépési hőmérsékletének hatása a térfogati hőátadási tényezőre az állandó száradási sebességű szakaszon A szárítógáz sebességének változtatása után a szárítógáz belépő hőmérsékletének változtatásának hatását vizsgáltam a térfogati hőátadási tényezőre nézve az állandó száradási sebességű szakaszon. Cirok szárítását végeztem el állandó szárítógáz sebesség mellett (
3,5 / ), miközben az egyes mérések között a szárítógáz hőmérsékletét
változtattam. Az eredmények az 5.6. táblázatban láthatóak. 5.6. táblázat. A térfogati hőátadási tényező értékei különböző szárítógáz belépő hőmérsékletek függvényében [°C]
[W/m3K]
50
50097
60
51042
70
48409
33
A táblázatban összefoglaltak alapján látható, hogy az állandó száradási sebességű szakaszon a térfogati hőátadási tényező közel azonos értékű, vagyis a szárítógáz belépő hőmérsékletének változása nincs számottevő hatással a hőátadási tényezőre.
5.10. Mérési eredmények kiértékelése A hőátadási függvények segítségével hozható létre a fluidizációs szárítást leíró matematikai modell. Az (5.7) összefüggés adja meg a Reynolds-szám, az (5.8) összefüggés a módosított Nusselt-szám meghatározására szolgáló képletet.
′
∙
(5.7)
∙
(5.8)
A fenti képletekben a szemcsék (cirok, árpa) átmérője előzetes mérések alapján lett meghatározva szita analízissel (5.7. táblázat). A levegő kinematikai viszkozitása és hővezetési tényezője irodalomból származnak. [17] 5.7. táblázat. Cirok és árpa átmérője szita analízissel meghatározva [m] Cirok
0,0034
Árpa
0,0038
A hőátadási függvényeket az állandó hőmérsékletű, de változó légsebességű árpa szárítására, illetve az állandó légsebességű, de különböző hőmérsékletű cirok szárítására határoztam meg. Az eredményeket az 5.11.-es ábrán ábrázoltam. Látható módon árpa esetén a légsebesség növelése a Reynolds-szám függvényében a módosított Nusselt-szám növekedését idézi elő, közel lineáris mértékben. Cirok esetén a hőmérséklet változtatása nem okoz különösebb változást a Nusselt szám értékében.
34
5.11. ábra. Módosított Nusselt-szám a Reynolds-szám függvényében árpa és cirok szárítása esetén
35
6. ÖSSZEFOGLALÁS Feladatom során tanulmányoztam a fluidizáció jelenségét és annak különböző alkalmazási területeit az iparban, majd megismerkedtem az Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék laboratóriumában található félüzemi fluidizációs szárító berendezéssel, mérőműszerekkel és a fluidizációs szárítás módszerével. Különböző szemcsés anyagokra (árpa, cirok, köles) kimértem a fluidizációs görbéket, melyek a továbbiakban segítették a szárítások mérésénél a szárítógáz sebességének beállítását, hogy a szárítás a fluidizáció tartományában történjen. Fő feladatom a térfogati hőátadási tényező meghatározása volt, melynek létrehozása mérési úton lehetséges. A hőátadási tényező meghatározásának elengedhetetlen részét képezi az anyag felületi hőmérsékletének pontos mérése. Több különböző kísérleti módszerrel is meghatározásra került a felületi hőmérséklet, de végül az infrahőmérő alkalmazása bizonyult a pontos és egyszerű eljárásnak. Több szárítási mérést végeztem, különböző anyagokra, különböző hőmérsékleteken, különböző szárítógáz sebességekkel és a mérések során visszakaptam a szárításra jellemző elméleti görbéket. A nedvességmérleg megfelelően kijött, illetve Mollier-diagramon is ellenőriztem a mérési adatokat az állandó száradási sebességű szakaszon, amelyből bebizonyosodott, hogy az infrahőmérő és a nedvességmérő is megbízható értékeket mér. Meghatároztam a térfogati hőátadási tényező értékét, mind az állandó, mind a csökkenő száradási sebességű szakaszon, amelyek a várt eredményeket hozták, majd pedig az anyag nedvességtartalmának függvényében is. A hőátadási tényező változását vizsgáltam különböző
anyagokra
és
különböző
szárítógáz
hőmérsékletek
és
sebességek
paraméterében. A szárítógáz hőmérsékletének változása a többi paraméter állandó értéken tartása mellett elhanyagolható mértékben változott. A szárítógáz sebességének növelésével viszont a hőátadási tényező értéke növekedett az állandó száradási sebességű szakaszon. Ezzel a mérési módszerrel a szárítási folyamat vizsgálható a szárítás állandó- és csökkenő száradási sebességű tartományán egyaránt, amellyel lehetővé vált a fludiizációs szárítás eddigieknél pontosabb leírása. A hőátadási tényező függvények felhasználásával létrehozható a fluidizációs szárítás leírására alkalmas matematikai modell, amely további kutatások tárgya lesz a jövőben.
36
7. IRODALOMJEGYZÉK [1]
http://www.emte.siculorum.ro/~alszep/Muvelettan%202013%20PDF/12.%20Szarita s.pdf (Szárítási műveletek és berendezések, 2015.10.04.)
[2]
file:///D:/Egyetem/Msc/2.%20f%C3%A9l%C3%A9v/Projekt%20B/0001_1A_A3_03 _ebook_vegyipari_es_petrolkemiai_technologiak.pdf (Vegyipari és petrolkémiai technológiák, 2015.10.04.)
[3]
http://szenhid.kkft.bme.hu/CH_ipari_%20technologia_Szechy.pdf
(Bevezetés
a
kőolajfeldolgozás technológiájába, 2015.10.04.) [4]
http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/20100017_11_biomassza/ch03s03.html (Biomassza hasznosítás, 2015.10.04.)
[5]
http://www.petrik.hu/files/Tananyagtar/Bertalan%20Zsolt/Vegyipari_muveletek_2uj. pdf (Vegyipari művelettan, 2015.09.21.)
[6]
http://technologia.chem.elte.hu/hu/muvelettan/Vegyipari_Muvelettan_teljes.pdf (Vegyipari Művelettan jegyzet, 2015.09.19.)
[7]
Max Leva, Fluidizáció, Műszaki Könyvkiadó, 1964
[8]
D. Kunii and O. Levenspiel, Fluidization Engineering, 2nd edition, ButterworthHeinemann, New York, (1991)
[9]
http://www.tankonyvtar.hu/en/tartalom/tamop412A/20110013_hodur_biologiai_rendszerek/52_fluidizci.html (Biológia rendszerek műszaki folyamatai, 2015.09.19.)
[10] http://vebi.kkft.bme.hu/hallgatoi/Fluidumok_aramlasa.pdf
(Fluidumok
áramlása,
alapismeretek,
Nemzeti
2015.10.04.) [11] Zs.
Fonyó,
Gy.
Fábry,
Vegyipari
művelettani
Tankönyvkiadó, 1998 [12] http://terebess.hu/tiszaorveny/gabona.html (Gabonafélék, 2015.09.19.) [13] http://endoblog.hu/endometriozis-blog/glutenmenmentes-gabona-lexikon (Gluténmentes gabonafélék, 2015.09.19.) [14] http://www.greenmarkorganic.hu/post/portfolio/bio-koles/
(GreenMarkOrganic
online, 2015.09.19.) [15] Dr. Örvös Mária, Diffúziós eljárások és berendezések, I. rész (Szárítás), Budapest, 2006
37
[16] Gangadhar Rao Vemuganti, Harry B. Pfost, Do Sup Chung, Rosemary Burroughs, Some properties of cereal grains, food legumes and oilseeds (hygroscopic, thermal, physical) affecting storage and drying, Food & Feed Grain Institute Manhattan, Kansas, 1980 [17] Dr. Bihari Péter, Hőközlés: Gyakorlati feladatok gyűjteménye és Segédlet, Budapest, 2011
38
8. MELLÉKLETEK 1. melléklet – Cirok térfogati hőátadási tényezőjének meghatározásához felhasznált adatsor ∆
t
Csökkenő száradási sebességű szakasz
Állandó száradási sebességű szakasz
Sorszám
[s]
[°C]
[°C]
[°C]
[kg/s]
[kg H2O/kg [kg H2O/kg száraz gáz] száraz gáz]
[J/kg]
[kg]
[J/kgK]
[kg H2O/kg [W/m3K] száraz anyag]
1
0
69,9
28,6
28,0
0,0275 0,006336
0,0253 2388329
1,046 1962,6
0,5866
49752,8
2
50
70,0
28,8
28,4
0,0275 0,006335
0,0254 2387989
1,023 1924,2
0,5507
50605,1
3
100
70,1
29,0
28,1
0,0277 0,006336
0,0256 2387649
0,998 1882,2
0,5133
50418,5
4
150
69,9
30,1
29,6
0,0287 0,006336
0,0234 2386630
0,974 1839,7
0,4772
51539,2
5
300
70,0
39,0
36,1
0,0317 0,006335
0,0165 2376439
0,923 1740,4
0,3993
38958,5
6
450
70,0
46,5
44,3
0,0289 0,006336
0,0131 2367946
0,890 1671,4
0,3498
32492,1
7
600
70,0
51,5
50,6
0,0259 0,006337
0,0112 2362285
0,866 1617,9
0,3138
28971,9
8
750
70,2
55,2
55,1
0,0297 0,006336
0,0099 2357868
0,849 1576,1
0,2870
31049,0
9
900
70,1
57,1
57,2
0,0284 0,006337
0,0094 2355830
0,835 1541,1
0,2653
29441,2
10
1050
70,0
58,5
58,4
0,0276 0,006337
0,0092 2354358
0,823 1511,4
0,2475
28446,8
11
1200
70,0
60,1
60,3
0,0253 0,006337
0,0084 2352546
0,813 1486,7
0,2331
24161,0
12
1350
70,1
61,3
61,2
0,0262 0,006337
0,0082 2351074
0,805 1465,3
0,2209
23137,3
13
1500
70,2
62,3
62,2
0,0255 0,006337
0,0079 2349829
0,798 1445,9
0,2100
20731,7
14
1650
70,2
63,1
62,9
0,0271 0,006337
0,0076 2348923
0,792 1430,2
0,2013
20380,8 39
∆
t
Csökkenő száradási sebességű szakasz
Sorszám
[s]
[°C]
[°C]
[°C]
[kg/s]
[kg H2O/kg [kg H2O/kg száraz gáz] száraz gáz]
[J/kg]
[kg]
[J/kgK]
[kg/kg]
[W/m3K]
15
1800
70,4
63,9
63,9
0,0251 0,006337
0,0075 2347790
0,787 1414,8
0,1929
19170,6
16
1950
70,3
64,4
64,1
0,0259 0,006337
0,0074 2347338
0,782 1401,5
0,1858
18144,6
17
2100
70,4
64,9
64,7
0,0249 0,006337
0,0073 2346658
0,778 1389,2
0,1793
17614,5
18
2250
70,4
65,4
65,3
0,0267 0,006338
0,0072 2346092
0,774 1378,2
0,1735
18645,4
19
2400
70,7
66,0
66,0
0,0304 0,006337
0,0070 2345073
0,771 1369,4
0,1690
19337,4
20
2550
70,5
66,4
66,3
0,0278 0,006337
0,0069 2344846
0,768 1362,2
0,1652
14697,0
21
2700
70,6
66,8
66,7
0,0292 0,006337
0,0067 2344280
0,767 1356,5
0,1623
9913,9
22
2850
70,4
66,7
66,6
0,0263 0,006337
0,0068 2344620
0,764 1350,3
0,1591
13285,5
23
3000
70,4
66,8
66,8
0,0252 0,006338
0,0067 2344507
0,763 1346,2
0,1570
10046,7
24
3150
70,4
67,0
66,8
0,0266 0,006337
0,0066 2344280
0,762 1342,1
0,1549
7770,1
25
3300
70,5
67,5
67,3
0,0279 0,006337
0,0067 2343601
0,760 1338,3
0,1530
13174,3
26
3450
70,6
67,8
67,7
0,0295 0,006338
0,0066 2343148
0,759 1335,2
0,1515
11578,2
27
3600
70,5
67,8
67,8
0,0291 0,006338
0,0065 2343261
0,759 1332,6
0,1501
7552,6
28
3750
70,4
68,0
68,0
0,0276 0,006337
0,0065 2343148
0,758 1330,5
0,1491
10434,4
40
