Noțiuni generale

USCAREA

Noțiuni generale

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

Pentru uscare, materia primă se poate prezenta în cele mai variate forme: soluții, paste, granule, pulbere, plăci, bulgări, pânze, etc.; de obicei cu conținut mic de apă; când materia primă conține multă apă, este rațional să se elimine cât mai multă apă prin procedee fizice. Produsul rezultat de la uscare este practic anhidru său conține puține procente de umiditate.

Factori care influențează operația de uscare

Aceștia se clasifică în:

Factori referitori la materialul supus uscării:

Cantitatea sau debitul

Forma de prezentare

Umiditatea inițială

Forma de legare a umidității

Densitatea în vrac

Sensibilitatea termică și la oxigen

Agresivitatea chimică

Friabilitatea și abrazivitatea

Toxicitatea

Inflamabilitatea

Factori referitori la agentul de uscare:

Natura agentului

Modul de obținere

Temperatura și presiunea

Umezeala relativă

Debitul

Conținutul de impurități

Factori referitori la materialul uscat:

Temperatura maximă admisă

Durata uscării

Regimul de funcționare

Producerea de praf și recuperarea acestuia

Evacuarea agentului de uscare sau recircularea acestuia

Tipul uscătorului

Clasificarea metodelor de realizare a uscării

După modul de transmitere a căldurii pentru eliminarea umidității:

Uscarea convectivă – transmiterea căldurii prin convecție de la aer sau alte gaze la materialul supus uscării;

Uscarea conductivă – transmiterea căldurii prin conducție, prin intermediul unei suprafețe de transfer termic;

Uscarea dielectrică – încălzirea dielectrică a materialului în câmp de CIF (curenți de înaltă frecvență);

Uscarea radiantă – transmiterea căldurii prin radiație;

Metode combinate:

Uscare convectiv-radiantă

Uscare conductiv-radiantă

Uscare convectiv-dielectrică

După presiunea de uscare:

Uscare la presiune atmosferică sau la valori apropiate – întâlnită la uscarea convectivă, radiantă, precum și la majoritatea metodelor combinate;

Uscare sub depresiune – recomandată pentru produsele termosensibile; cuprinde uscarea prin sublimare și uscarea moleculară.

După tehnica de uscare utilizată:

Uscare convectivă:

Convențională

Uscare în pat fluidizat

Uscare pneumatică

Uscare prin pulverizare

Uscare cu pompă de căldură

Uscare conductivă și radiant-conductivă:

Uscare conductivă

Uscare conductivă sub depresiune

Uscare prin procedee speciale:

Uscare în câmp de CIF

Uscare în câmp sonor

După modul în care se execută îndepărtarea vaporilor se deosebesc:

Uscare în aer;

Uscare în vid;

Uscare prin convecție la presiune atmosferică (cea mai utilizată în practica industrială). Se poate realiza în următoarele variante:

Uscare clasică – în camere, tunele, cu benzi;

Uscare în strat vibrator – variantă a uscării prin fluidizare (produse bucăți sau granule);

Uscare în strat fluidizat – legume feliate, cereale, sare, făină, zahăr, carne cuburi.

Uscare în strat de spumă – materialul lichid adus în strat de piure (prin concentrare sub vid prealabilă) este amestecat cu o substanță emulgatoare și transformat într-o spumă prin insuflare de gaz inert sub presiune (azot).

Această spumă se aplică pe o suprafață netedă (bandă) și este uscată cu aer cald. Spuma uscată sub formă de foaie spongioasă este măcinată și transformată în pulbere fină.

Se aplică la sucuri și piureuri de fructe și legume, infuzie de cafea, ceai, extractele de carne, ouă, brânzeturi. Are următoarele variante: uscare în fileu subțire de spumă, în strat (străpuns de spumă);

Uscare prin dispersie – a produselor lichide, piureuri, paste – nu se aplică produselor solide. Se realizează la temperatură ambiantă într-o incintă de deshidratare cu ajutorul unui curent de gaz uscat (N2) în circuit închis. Se păstrează în întregime principiile nutritive și proprietățile senzoriale ale produsului inițial;

Uscare prin pulverizare, cu variantele:

Uscare prin pulverizare cu spumă;

Uscare prin pulverizare în aer la temperatură ambiantă (procedeul Birs) – aplicată produselor lichide și semilichide;

Uscare prin conducție la presiune atmosferică – se realizează prin contactul produsului cu o suprafață fierbinte, având astfel loc evaporarea apei. Produsul se îndepărtează de pe suprafață prin radere cu un cuțit. Uscătoarele folosite sunt de tip tambure rotative, iar produsele care se pot usca sunt într-o stare lichidă concentrată și cu structură granulară.

Dezavantajele sunt majore, cu influență negativă asupra produsului uscat: solubilitate scăzută (proteine denaturate), culoare modificată (reacția Maillard, caramelizare), valoare alimentară redusă, iar produsele necesită o măcinare ulterioară;

Uscare sub presiune – se realizează în strat de spumă și în strat subțire (peliculă) și are următoarele avantaje: calități senzoriale și nutriționale superioare ale produselor datorită temperaturii mai scăzute de uscare și a lipsei oxigenului.

Alte procedee particulare de uscare sunt:

Uscare cu radiații infraroșii;

Uscare cu microunde;

Uscare favorizată de ultrasunete;

Uscare azeotropă;

Uscare parțial osmotică.

Procedeele de conservare combinate cu uscarea, mai des utilizate în industrie, sunt:

Uscare combinată cu blanșare – la fructe;

Uscare combinată cu blanșare și expandare – cartofi, morcovi, rădăcinoase felii;

Uscare combinată cu încălzire – expandare;

Uscare combinată cu expandare prin extrudare termoplastică;

Dehidrocongelarea – scăderea umidității până la 50% la congelare;

Criodeshidratarea – liofilizare.

PROCEDEE ȘI INSTALAȚII DE USCARE

Uscarea convectivă

Uscarea convectivă continuă să rămână și în prezent cel mai cunoscut și răspândit procedeu de eliminare a umidității din material, atât datorită simplității procesului, cât mai ales multiplelor posibilități de a obține, cu cheltuieli reduse, o calitate bună a uscării, într-un timp scurt.

Materialul umed vine în contact cu agentul de uscare – aerul cald sau gazele de ardere – de la care primește, prin convecție, 80—90% din cantitatea totală de căldură necesară desfășurării procesului de uscare. Parametrii agentului de uscare (viteză, temperatură, umiditate relativă etc.) precum și legătura între umiditate și material condiționează transferul de căldură și masă în procesul de uscare. De obicei, în timpul procesului agentul de uscare își modifică în timp temperatura, umiditatea relativă și chiar viteza de circulație, iar materialul umed își modifică căldura specifică, densitatea, conductivitatea termică și chiar dimensiunile. De asemenea, în timpul procesului variază coeficienții de transfer de căldură și masă, vâscozitatea apei, tensiunea superficială etc., astfel că pentru cunoașterea cu exactitate a modului de desfășurare a procesului este necesară o corelare între rezultatele teoretice cunoscute și cercetările experimentale directe, efectuate pentru fiecare material în parte.

Experimental, particularitățile procesului de uscare al materialelor umede sunt date prin curbele de uscare (care prezintă variația umidității în timp), curbele vitezei de uscare (variația vitezei de uscare cu umiditatea sau în timp), variația temperaturii materialului și a agentului de uscare în timp etc. Curbele experimentale oferă posibilitatea examinării influenței diferiților parametri asupra desfășurării procesului de uscare, în vederea stabilirii unor regimuri economice de uscare.

Calculul termic al instalațiilor de uscare de tip convectiv

Calculul termic al uscătoarelor are drept scop stabilirea consumurilor de agent termic și de căldură în strânsă dependență cu tehnologia uscării, parametrii de funcționare și tipul instalației.

Spre deosebire de uscătorul teoretic, la uscătorul real (fig. 1) apar pierderi, respectiv surse suplimentare de căldură Q8 prin bateriile montate în uscător.

Pierderile de căldură prin încălzirea materialului supus uscării între temperaturile de intrare – ieșire tm1 și tm2, este:

Om = Mm2 cm2 tm2 – Mm1 cm1 tm1 = Mm2 cm2 (tm2 – tm1) – ΔUcapă tm1 [kJ / s]

unde: Mm1 , Mm2 – reprezintă debitele masice de material la intrare, respectiv ieșire, kg/s;

cm2 – căldura specifică a materialului, kJ/kg*K;

capă – căldura specifică a apei, 4,19 kJ/kg*K;

ΔU – diferența de umiditate între valoarea inițială și finală raportată la timpul de uscare, kg/s.

Prin încălzirea utilajului de transport apare de asemenea o pierdere de căldură, care se exprimă prin relația:

Otr = Mtr ctr (ttr2 – ttr1)

în care: Mtr reprezintă debitul masic al pieselor mobile din instalația de transport, raportat la timpul de uscare, kg/s;

ctr – căldura specifică a materialului din care sunt executate piesele instalației de transport, kJ/kgK;

ttr2 , ttr1 – temperatura finală, respectiv inițială a pieselor instalației de transport.

Fig. 1 Schema camerei reale de uscare

Pierderea de căldură către mediul exterior se obține prin însumarea fluxurilor transmise prin pereții camerei de uscare:

Oext = Σ kS Δtmed [kJ/s],

unde: S – reprezintă suprafața pereților, m2;

k – coeficientul de transfer global de căldură, W/m2K;

Δtmed – diferența medie de temperatură între agentul termic și mediul exterior, oC.

Ecuația bilanțului termic pentru camera de uscare, reprezentată în fig. 1.1, are expresia:

Ma i1+x,1 + Qs = Qm + Qtr + Qext + Ma i1+x,2 [W]

sau pentru 1 kg de umiditate preluată de agentul de uscare:

l (i1+x,2 – i1+x,1) = qs – (qm + qtr + qext) [kL/kg]

în care s-au introdus notațiile:

l = Ma / ΔU este consumul specific de aer al instalației, kg aer/kg umiditate;

qs = Qs / Δ este consumul specific de căldură în camera de uscare;

qm = Qm / ΔU = (Mm2 cm2 / ΔU)* (tm2 – tm1) – capă tm1 este pierderea specifică de căldură a materialului supus uscării;

qtr = Qtr / ΔU este consumul specific de căldură al utilajului de transport;

qext = Qext / ΔU este pierderea specifică de căldură spre mediul ambient.

Ținând seama de expresia termenului qm, ecuația bilanțului termic poate fi scrisă și sub forma:

l (i1+x,2 – i1+x,1) = qs + capă tm1 – (q’m + qtr + qext)

unde: q’m = (Mm2 cm2 / ΔU ) / (tm2 – tm1) reprezintă consumul specific de căldură raportat la materialul de uscat care iese din instalație.

Dacă se face notația:

Δq = qs + capă tm1 – (q’m + qtr + qext)

ecuația bilanțului termic devine:

l (i1+x,2 – i1+x,1) = Δq,

sau, ținând seama de expresia consumului specific de aer, rezultă:

l = 1 / (x2 – x1) = 1 / (xD – xB)

În desfășurarea procesului de uscare pot exista trei situații:

căldura introdusă suplimentar și cu materilalul depășește suma pierderilor, deci Δq > 0;

căldura introdusă suplimentar nu este suficientă pentru acoperirea pierderilor și deci Δq < 0;

căldura introdusă compensează în totalitate pierderile, Δq = 0 și deci în acest caz i1+x,2 = i1+x,1 uscătorul real funcționând ca și cel teoretic.

În cazul uscătoarelor reale în funcție de semnul lui Δq diferența de entalpie a aerului la ieșire și la intrare va fi o mărime pozitivă sau negativă.

Pentru Δq > 0, entalpia aerului la ieșire va fi mai mare decât la intrare, procesul de uscare decurgând după dreapta BD cu o pantă mai mare decît BC care reprezintă uscarea cu i = const. (fig. 2).

Rezolvarea problemei constă în stabilirea pantei dreptei BD care nu este paralelă cu abscisa auxiliară. În cazul menținerii valorii umidității relative φ2 a aerului la ieșire din instalație se constată că, la procesul real, conținutul de umiditate al aerului la ieșire este xD > xC; de asemenea în cazul procesului real de uscare temperatura de ieșire a aerului tD > tC. În cazul conducerii procesului de uscare până la un conținut de umiditate se constată că valoarea umidității relative φE < φC, deci eficiența procesului de uscare este micșorată. Pentru un punct oarecare M de pe dreapta BD este îndeplinită condiția:

i1+x,M – i1+x,N = Δq / l = Δq (xD – xP )

deci,

MN = PM Δq (mx – mi )

unde: mx și mi reprezintă scara conținutului de umiditate, respectiv a entalpiei.

Pentru diagrama i1+x – x raportul mx / mi are valoarea 21.103 kg/kJ.

Din această expresie se poate găsi valoarea pantei pe care o are procesul real de uscare pentru situația când Δq > 0. Starea finală a procesului de uscare este determinată prin intersecția dreptei BD cu valorile finale pentru φ2 = const. sau t2 = const.

Pentru Δq < 0 pierderile de căldură prin încălzirea materialului, dispozitivului de transport și în mediul înconjurător sunt mai mari decât căldura introdusă suplimentar în camera de uscare și odată cu materialul supus uscării. În acest caz direcția liniei care caracterizează variația entalpiei aerului se determină în același mod ca în cazul precedent, cu diferența că segmentul CE se ia in jos (fig. 3).

Consumul specific de căldură al instalației de uscare, potrivit notațiilor, din fig. 1 este:

q =[( i1+x,1 – i1+x,0 ) / (x2 – x1)] + [(q’m + qtr + qext) – capă tm1] [kJ/kg]

Acest consum de căldură este format din doi termeni:

consumul specific de căldură în bateria de încălzire qb = (i1+x,1 – i1+x,0) / (x2 – x1 );

consumul specific de căldură suplimentară în camera de uscare qb = [(ii+x,2 – ii+x,1) / (x2 – x0 )] + (q’m + qtr + qext) – capă tm1 .

Uneori, procesul de uscare se efectuează cu recircularea parțială a agentului termic; în acest caz, la ieșirea din uscător, curentul de aer sau gaze de ardere se împarte în două: o parte se elimină în atmosferă, iar restul reintră în uscător prin bateria de încălzire sau chiar direct în uscător (fig. 4).

Fig. 4 Schema instalației de uscare cu recirculare

Dacă se definește factorul de recirculare prin expresia:

n = Mar / Ma

în care: Mar este debitul de aer recirculat;

Ma este debitul de aer care intră în uscător, expresia de calcul a entalpiei amestecului este:

i1+xam =[( i1+x,0 + n* i1+x,2 )] / (1 + n),

iar conținutul de umiditate: xam = (x0 + n * x2 ) / (1 + n)

Rezolvând această ecuație în raport cu n, se obține:

n = (xam – x0) / (x2 – xam) = AM / MC

În diagrama i1+x – x, procesul realizat într-un astfel de uscător teoretic este reprezentat prin conturul AMB1C (fig. 5). Consumul de aer aspirat din exterior, pentru un asemenea uscător va fi:

l = 1 / (x2 – x0) [kg/kg umid.]

iar consumul de aer recirculat:

ln = 1 / (x2 – xam ) [kg/kg umid.]

ln = l (1 + n)

Valoarea consumului de căldură este dată de relația:

q = l (i1+x,2 – i1+x,0) [kJ/kg umid.]

Din recircularea agentului termic se reușește ca la aceleași valori ale lui t1 să se mărească conținutul de umiditate al amestecului recirculat. Acest tip de uscare prezintă o serie de avantaje, între care:

modificarea gradientului de umiditate între material și agentul termic de uscare;

micșorarea consumului de căldură pentru aceleași valori ale temperaturii aerului la intrarea și ieșirea din instalație;

posibilitatea conducerii procesului de uscare la diferențe mici de temperatură între intrarea și ieșirea agentului de uscare;

creșterea vitezei de deplasare a agentului termic prin uscător.

Fig. 5 Reprezentarea procesului de uscare cu recirculare în diagrama i1+x – x.

În tehnica uscării sunt aplicate și alte variante ale uscării convective cu aer cald: cu încălzire intermediară a aerului pe zone, cu recirculare și preîncălzire intermediară a aerului, cu circuit închis.

Uscarea cu încălzirea intermediară a aerului (fig. 6) se adoptă în scopul menținerii cât mai constante a nivelului de temperatură a aerului în uscător. Camera de uscare se împarte în mai multe zone, între care se instalează bateriile de încălzire intermediară a aerului. De obicei, se indică stările inițiale și finale ale aerului, alegându-se stările intermediare în raport cu numărul de zone în care urmează să se împartă camera de uscare. Calculul termic al uscătorului pe zone este similar cu cel prezentat anterior.

Uscarea cu recirculare și încălzire intermediară (fig. 7), dă posibilitatea de a reduce temperatura aerului în camera de uscare, păstrându-se aceiași indici economici. În uscătoarele de acest tip aerul utilizat din fiecare cameră se ramifică în două părți: o parte este aspirată de ventilatorul intermediar și se amestecă cu aer proaspăt, totul fiind încălzit în bateria de la intrarea în cameră, iar cealaltă parte intră în bateria de încălzirea, zonei următoare împreună cu partea de aer recirculat proaspăt din această zonă. Astfel de sisteme pentru circulația aerului în uscător au căpătat o largă răspândire în industrie datorită faptului că sunt economice, uscarea făcându-se uniform, la temperaturi scăzute, dar cu viteze mari, datorită circulației rapide a aerului.

Uscătoarele cu circuit închis (fig. 8), sunt prevăzute cu condensatoare de suprafață sau de amestec, în care are loc condensarea parțială a vaporilor de apă din aerul uzat. Aerul iese din condensator la starea de saturație, cu un conținut redus de umiditate, fiind reîncălzit înainte de intrarea în uscător. Sistemul de uscare în circuit închis se adoptă atunci când:

procesul necesită un aer cu puritate ridicată;

se usucă produse din care se degajă componenți valoroși; din punct de vedere economic, care condensează la temperaturi joase; în acest caz condensatorul se poate înlocui și cu substanțe adsorbante care parcurg ciclul sorbție-desorbție;

umiditatea aerului exterior este egală sau mai mare decât a aerului uzat;

din calcule tehnico-economice rezultă necesitatea adoptării unui astel de sistem prin comparative cu alte variante.

Atunci când materialul supus uscării permite desfășurarea procesului la temperatură ridicată, în locul aerului se folosesc gaze de ardere, produse într-un focar propriu sau rezultate din instalații termice. Înainte de a fi introduse în uscător gazele de ardere sunt amestecate cu aer proaspăt pentru obținerea nivelului de temperatură dorit. Pentru calculul termic al acestor instalații cu gaze de ardere, se poate utiliza diagrama il+x – x pentru aer.

Cinetica desfășurării proceselor convective de uscare

Viteza de uscare m, este determinată de masa de apă Ma (umiditate) preluată, de pe unitatea de suprafață în unitatea de timp:

m = (d Ma) / (S d τ ) [kg / m2s ]

Relația între viteza de uscare și durata procesului constituie elementul de bază pentru construcția instalațiilor de uscare; această relație este complexă și o metodă analitică de stabilire a ei nu este posibil de aplicat. În practică, viteza de uscare se determină prin prelucrarea datelor experimentale; forma curbelor de uscare, care stabilesc legătura între umiditate și timpul de uscare este prezentată în fig. 9.

Fig. 9 Curba de uscare

Factorii de care depinde viteza de uscare sunt grupați în următoarele categorii:

natura materialului, precizată prin structură, compoziția chimică, modul de legătură a umidității cu materialul;

forma materialului supus procesului de uscare;

valoarea umidității inițiale și finale;

parametrii agentului de uscare (temperatură, viteză, umiditate);

modul în care se stabilește contactul între agentul termic și material.

Deși luarea în considerație, prin calcul, a tuturor parametrilor și factorilor de care depinde uscarea este imposibilă, totuși se poate determina cu aproximație durata procesului de uscare. Curba de uscare pentru majoritatea materialelor prezintă două zone distincte despărțite de punctul critic P.C. (fig. 9). Prima porțiune reprezintă o linie dreaptă și corespunde primei perioade de uscare, cu viteză constantă, iar a doua corespunde unei curbe exponențiale, pe care viteza de uscare scade continuu (a doua perioadă a uscării). În perioada vitezei constante de uscare, presiunea parțială a vaporilor la suprafața materialului este egală cu valoarea corespunzătoare de deasupra unui lichid cu suprafață liberă și viteza de uscare nu depinde de grosimea stratului de material și nici de valoarea inițială a umidității; Ea depinde numai de regimul de temperatură al uscării, viteza agentului și umiditatea acestuia. În a doua perioadă de uscare, viteza de uscare este determinată de viteza de difuzie a umidității din interiorul materialului si depinde de grosimea stratului de material supus uscării, precum și de valoarea umidității acestuia. Influența vitezei aerului și umidității acestuia este redusă.

În cazul menținerii constante a umidității agentului de uscare, în prima perioadă, viteza de uscare se menține constantă și cantitatea de umiditate evaporată dMa este proporțională cu cantitatea de căldură dQ, preluată de material:

d Ma = dQ / r [kg / s],

unde r reprezintă căldura de vaporizare a apei.

Conform ecuației Newton, cantitatea de căldură preluată de material în intervalul de timp d τ, este:

dQ = α S (t – tsup) d τ ,

în care: α este coeficientul de transmitere a căldurii prin convecție, W/m2K,

S – suprafața materialului umed, m2;

t – temperatura agentului termic, oC;

tsup – temperatura suprafeței materialului supus uscării, °C.

Înlocuind expresia lui dQ în ecuația de mai sus, rezultă:

d Ma = [(α S ) / r ] (t – tsup ) d τ

sau

d Ma = Kt S (t – tsup ) d τ

unde: Kt = α / r, reprezintă coeficientul de transfer de substanță, cu dimensiunea kg / (m2 s K).

Ecuația vitezei de uscare pentru prima perioadă este:

m = d Ma / S d τ = Kt S (t – tsup ) [kg / m2s ]

Dacă umiditatea superficială a materialului este mare, temperatura suprafeței de evaporare tsup este egală cu temperatura la suprafața liberă a apei care se evaporă și poate fi determinată cu ajutorul termometrului umed: tsup = tum;

m = (α / r )*(t – tum ) [kg / m2s ]

unde diferența de temperatură t – tum se poate măsura cu ajutorul psihometrului.

De obicei, factorul determinant al procesului se exprimă sub forma diferenței între presiunea parțială a vaporilor saturați și în starea reală (ps – pv); În acest caz ecuația poate fi scrisă sub forma:

m = kp (ps – pv )

unde: kp este coeficientul de transfer de masă, exprimat în kg / m2s egal cu produsul între valoarea coeficientului de convecție α și un coeficient de proporționalitate b: kp = bx.

Pe baza teoriei similitudinii, coeficientul de convecție poate fi stabilit cu ajutorul expresiei:

α = A (ω ρ )n,

unde: A reprezintă o constantă dependentă de natura agentului de uscare;

ω – viteza agentului de uscare, m/s ;

ρ – densitatea agentului de uscare, kg/m3;

n – exponent corespunzător regimului de curgere.

În cazul aerului, coeficientul de transfer de masă kp, are expresia:

kp = 0,0745 (ω ρ)0,8

Folosind expresia coeficientului de transfer de masă kP, viteza de uscare devine:

kp = 0,0745 (ω ρ)0,8 (ps – pv )

Fig. 10 Cele două faze ale procesului de uscare, cu valoare constantă și descrescătoare a vitezei de uscare

Din această ecuație rezultă că viteza de uscare în prima perioadă depinde numai de parametrii agentului de uscare, precizați prin diferența (ps – pv) fi valoarea vitezei masice ωρ.

Procesul de uscare în a doua perioadă prezintă o valoare descrescătoare a vitezei de uscare și poate fi exprimat aproximativ printr-o linie dreaptă care unește umiditatea critică cu cea de echilibru (fig. 10). Pentru această perioadă se poate admite că viteza de uscare este proporțională cu diferența între umiditatea liberă și la echilibru, deci:

m = d Ma / S d τ = Ku (U – Ue )

în care: Ku reprezintă coeficientul de evaporare, iar U și Ue, umiditatea materialului la un moment dat, respectiv la echilibru, înlocuind în această expresie dMa = –Mm d U, se obține:

Mm d U / S d τ = Ku (U – Ue ),

sau după integrare:

(Mm / S) ln [(Uer – Ue ) / (U2 – U1 )] = Ku τ2 ,

unde: U2 reprezintă umiditatea materialului la finele perioadei a doua de uscare,

τ2 durata acestei perioade, iar Mm este masa de material uscat.

Rezolvând ecuația în raport cu τ2, rezultă:

τ2 = [Mm / Ku S ] ln [(Uer – Ue ) / (U2 – Ue )]

Cu ajutorul acestei relații se poate determina și viteza de uscare în prima perioadă; conform cu fig. 10, valoarea vitezei de uscare în perioada vitezei constante este egală cu viteza de uscare în punctul critic, deci:

Mm d U / S d τ = Ku (Uer – Ue ),

sau după integrare, între umiditatea inițială U1 și cea critică Uer , respectiv pentru timp, între 0 și τ, rezultă:

τ1 = [Mm / Ku S ] ln [(U1 – Uer ) / (Uer – Ue )]

Metoda de calcul prezentată pentru stabilirea intervalului de timp τ1 corespunzător primei faze a uscării și τ2 pentru faza a doua, conduce la rezultate aproximative și pentru corectarea lor sunt necesare date experimentale corespunzătoare.

De obicei, conținutul de umiditate al aerului variază continuu în sensul creșterii la trecerea prin uscător, concomitent valoarea temperaturii lui micșorându-se. Practic, se poate considera în acest caz că viteza de uscare este proporțională cu diferența (xs – x), adică cu diferența conținutului de umiditate:

d Ma / S d τ = Kx (x8 – x ),

unde dS reprezintă suprafața elementară a materialului supus uscării, iar Kx este coeficientul de transfer de masă.

Cantitatea de umiditate antrenată de debitul de aer L în intervalul de timp τ este:

d Ma = L τ d x ,

Prin înlocuirea acestei relații se obține:

L d x / (x8 – x ) = Kx d S,

Integrând ecuația între limitele xi umiditatea inițială a aerului și xf umiditatea lui final, se obține suprafața totală necesară uscării în prima perioadă:

S1 = ( L / Kx ) ln [(x8 – xi ) / (x8 – xf)] [m2]

Relația se poate aplica numai primei faze a uscării, uscarea cu viteză constantă; dacă însă a fost atins punctul critic, suprafața activă de uscare se micșorează: S’ = nS în care n = U/Ucr este raportul între umiditatea liberă și umiditatea critică. În acest caz, ecuația devine:

L d x / (x8 – x ) = Kx (U / Ucr )d S

care permite determinarea suprafeței S2 în a doua perioadă a uscării.

Valoarea numerică a coeficientului Kx trebuie determinată pe cale experimentală, pentru aceleași condiții în care se presupune că lucrează instalațiile industriale.

Metodele de calcul date în condițiile constante și în special în condiții variabile dau rezultate aproximative și pentru utilizarea lor sunt necesare date experimentale corespunzătoare.

Tipuri de instalații de uscare prin convecție

Uscătoarele convective prezintă o largă utilizare datorită eficacității lor ridicate și simplității lor constructive. Deși varietatea tipurilor constructive este numeroasă, ele se pot împărți în două grupe mari, ținând seama de modul de funcționare;

Uscătoare convective cu funcționare continuă;

Uscătoare convective cu funcționare periodică.

Presiunea agentului de uscare este egală cu presiunea atmosferică sau puțin diferită de aceasta. Dacă în interiorul aparatului se creează vid, efectul convecției se reduce substanțial, transferul de căldură către material realizându-se prin conducție și radiație.

La un vid înaintat efectul convecției devine neglijabil.

Uscătoare convective cu funcționare continuă

Uscătoarele cu funcționare continuă, la presiunea atmosferică, se caracterizează printr-o încărcare descărcare continuă și uniformă a materialului în timp și un regim staționar de temperatură pentru agentul de uscare. Circulația materialului supus uscării se poate desfășura în echicurent, contracurent sau curent încrucișat.

În cazul circulației în echicurent, materialul cu o umiditate inițială ridicată vine în contact cu agentul de uscare, care prezintă un conținut minim de umiditate și o temperatură ridicată. Diferența între umiditatea agentului de uscare, la starea de saturație (corespunzătoare temperaturii suprafeței materialului) și cea reală, se micșorează de-a lungul uscătorului, ceea ce duce la scăderea vitezei de uscare.

Folosirea uscătoarelor de tip convectiv, în echicurent, este recomandată când materialul este sensibil la temperaturi ridicate, viteza de uscare în stare umedă este mai mare decât în stare uscată sau materialul prezintă o higroscopicitate scăzută în stare uscată.

În cazul circulației în contracurent agentul de uscare cu temperatură maximă și umiditate minimă vine în contact cu materialul uscat; astfel, potențialul de uscare este mai uniform pe toată lungimea aparatului. Folosirea acestui tip de uscător este recomandată pentru cazurile când materialul nu este sensibil la temperaturi ridicate și suportă fără degradare un gradient mare între temperatura lui și cea a agentului de uscare. Durata de uscare la acest tip de uscător este mai mare decât la echicurent, ceea ce se explică prin valoarea mai mică a potențialului de uscare.

Uscătoarele în curent încrucișat se folosesc în cazul când materialul suportă o uscare rapidă, nu este sensibil la temperaturi ridicate și se urmărește realizarea unei instalații compacte; durata de uscare se reduce, dar consumul specific de agent termic și căldură crește.

Uscătoare de tip tunel

Cele mai răspândite uscătoare convective cu funcționare continuă sunt de tip tunel, în care materialul se deplasează în lungul unor camere schimbând căldură și umiditate cu agentul de uscare (fig. 11). Pentru a reduce consumul de energie și a accelera viteza de uscare, în majoritatea uscatoarelor de tip tunel, are loc o recirculare parțială sau totală a agentului de uscare. Procesul de uscare prezintă o serie de neregularități manifestate în special la circulația în echicurent datorită stratificării termice a aerului; pentru mărirea uniformității uscării, canalele au lungime mare, ajungând la (30—40) m, iar circulația aerului se face transversal față de direcția de deplasare a vagoneților.

Fig. 11 Uscator tunel:

1 – canal; 2 – vagonete; 3 – ventilator; 4 – baterie de încălzire;

5 – canal evacuare aer uzat; 6 – uși încărcare-descărcare.

Pentru evitarea răcirii imediate a aerului se procedează la încălzirea intermediară și se produce o circulație transversală (fig. 12). Aerul proaspăt este aspirat de ventilatorul 2, care se încălzește în bateria 3, după care străbate transversal canalul asigurând uscarea parțială a materialului. Apoi, aerul intră în camera de întoarcere 4, de unde, pe sub pardoseală, este preluat de ventilatorul 5 și reintrodus în camera de uscare, după încălzire în bateria 6, ciclul fiind repetat în continuare.

Acest tip de uscător asigură obținerea unor diferențe mici între temperatura de intrare și cea de ieșire a aerului, realizându-se o uscare rapidă și uniformă.

Fig. 12 Uscător tunel cu încălzire intermediară și o circulație transversală a aerului:

1 – vagonete; 2,5 – ventilator; 3,6 – baterie de încălzire; 4 – cameră de întoarcere.

Tunelele de uscare se utilizează de asemenea la uscarea sortimentelor mici de lemn, care suportă un gradient ridicat de temperatură. în fig. 13 se prezintă un uscător tunel pentru frize de parchet, care asigură o recirculare parțială a aerului cald.

Fig. 13 Uscător tunel în contracurent pentru frize de parchet:

1 – ventilator; 2 – baterie de încălzire; 3 – canal de recirculație a aerului;

4 – cărucior și stive de lemn; 5 – coș evacuare aer utilizat.

Uscătorul tip tunel I.U.F.

Uscătorul tip tunel este o construcție de zid de formă paralelipipedică și se compune din: tunel de uscare, cameră de obținere a agentului de uscare, 12 cărucioare cu câte 25 grătare pe care se așează produsul.

Tunelul de uscare are la capete uși pentru introducerea și scoaterea cărucioarelor, iar la ușa de alimentare prezintă coșul de evacuare a agentului: termic și eventual conducta de recirculare. Circulația agentului termic se face în contracurent cu produsul, în regim forțat cu ajutorul unui ventilator plasat pe conducta montată deasupra tunelului.

Fig. 14 Uscatorul tip tunel I.U.F.:

1 – tunel de uscare; 2 – cărucior; 3 – ușă de alimentare; 4 – ușă evacuare; 5 – baterie radiatoare; 6 – ventilator.

Camera de obținere a agentului termic este dispusă deasupra tunelului la capătul de alimentare a tunelului. Ea poate fi o cameră prevăzută cu arzător de gaz metan sau motorină când se utilizează gazele de ardere drept agent termic sau o baterie de radiatoare cu abur când se utilizează aerul ca agent de uscare. La unele tipuri, pentru a se facilita uscarea, se montează radiatoare și în interiorul tunelului pe pereții laterali.

Tunelele sunt instalații utilizate pentru deshidratarea industrială a fructelor și legumelor. Lungimea lor variază între 10,5 și 15 m, iar lățimea și înălțimea între 1,80 și 2,10 m . Ca și la sisteme de uscare, în care deshidratarea se realizează cu ajutorul aerului cald, uscătorul tunel cere un volum mare de aer, care transportă căldura la produs și în același timp îndepărtează apa ce se evaporă din aceasta. De aceea construcția tunelului este prezentată cu un ventilator de mare capacitate, care absoarbe aerul proaspăt din afară, gazele rezultate din arderea combustibilului și aerul de recirculație și le împinge în camera de uscare (tunelul propriu-zis).

Pentru economie de căldură este necesar să recircule o proporție cât mai mare de aer, fără să se depășească o anumită valoare a umidității relative a aerului, la care uscarea poate fi frântă.

În uscătoarele tunel legumele și fructele ce trebuie deshidratate sunt încărcate pe grătare din lemn, care se așează pe cărucioare. Acestea, încărcate cu materialul respectiv, parcurg tunelul cu o mișcare de înaintare înceată, de la un capăt la altul, materialul rămânând pe grătarele pe care a fost așezat. Mișcarea cărucioarelor în tunel se face în sens opus direcției aerului cald, adică în contracurent. Aerul cald se mișcă în lungul axului tunelului, învăluind fructele și legumele așezate pe grătare.

Încălzirea tunelului se face în general în mod direct, căldura realizându-se prin arderea combustibilului lichid sau gazos întră cameră de combustie specială. Căldura produsă este transportată cu ajutorul ventilatorului prin intermediul gazelor de ardere în tunelul de uscare, după ce în prealabil acestea au fost amestecate cu aer rece (proaspăt) și cu o parte din aerul de recirculație. Se obține astfel o scădere a temperaturii gazelor de ardere la nivelul corespunzător pentru deshidratarea legumelor și fructelor.

Aerul cald circulă printre grătare, alunecă pe suprafața produselor absoarbe umiditatea și le usucă treptat. La ieșirea din tunelul de uscare, cea mai mare parte a aerului încărcat cu vapori de apă este eliminat în atmosferă.

În tunelul cu circulație în contracurent, aerul mai uscat și mai cald vine în contact cu produsul aproape uscat, în timp ce aerul parțial răcit și încărcat cu umiditate vine în contact cu materialul umed odată cu intrarea lui în tunelul de uscare. Temperatura maximă a aerului care poate fi folosită este determinată de natura produsului respectiv de temperatura pe care o poate suporta acesta în perioada finală de uscare.

Menținerea temperaturii constante în tunel se face în mod automat prin reglarea cantității de combustibil consumată de arzător.

Uscătoarele tunel, care utilizează gazele de ardere, în amestec cu aerul proaspăt și de recirculație, au un consum mai redus de combustibil, comparativ cu tunelurile încălzite în mod indirect.

În uscătoarele tunel, factorii principali care condiționează uscarea rațională a fructelor și legumelor (temperatura, umiditatea și viteza aerului) pot fi reglați în limite relativ largi, pentru ca în cursul procesului să se păstreze maximum de calitate și valoare nutritivă a acestora. Acest tip de uscare are următoarele caracteristici tehnice:

Lungimea tunelului superior și interior 13,60 m

Lățimea tunelului superior și inferior 1,875 m

Înălțimea tunelului inferior 2,10 m

Înălțimea tunelului superior 1,50 m

Puterea instalată 22 kW/h

Debitul ventilatorului pentru micșorarea aerului 72000 m3/h

Debitul caloric 30-40 mii kcal/h

Presiunea totală a aerului 36 mm c.s.

Temperatura aerului de uscare la intrarea în tunelul inferior 80-900 C

Temperatura aerului la ieșirea din tunelul inferior 35-450 C

Umiditatea relativă a aerului la intrarea în tunelul inferior 20-250 C

Umiditatea relativă a aerului la ieșirea din tunelul inferior 65-75 %

Suprafața totală pentru deshidratare 12 x 27 x 1,60 480-520 m2

Tabelul 1 Date tehnice privind funcționarea tunelului

Temperatura aerului variază în secțiunea longitudinală a tunelului și prezintă o scădere lentă de la zona de intrare spre cea de ieșire a aerului. În secțiune transversală, pe verticală, se înregistrează valori maxime ale temperaturii aerului în partea superioară a tunelului, unde produsul de pe grătarele de sus are o umiditate mai mică. Pe prima porțiune de la intrarea aerului în uscător (primele trei cărucioare) temperatura unui anumit punct este foarte instabilă, înregistrând fluctuații de ± 3, ± 40 C într-un interval de 5-6 secunde. Aceste fluctuații se datorează aprinderii și stingerii intermitente a arzătorului, comandat de termostat. În restul tunelului, asemenea fluctuații de temperatură, în funcție de întreruperea flăcării arzătorului, nu mai există.

Pentru stabilirea debitului ventilatorului s-au făcut determinări ale vitezei curentului de aer în zona de recirculație și în cea de evaporare a aerului umed, pentru diferite reglaje ale clapetelor de aspirație a aerului proaspăt (deshidratarea maximă, medie și zero). Viteza agentului de uscare în zona de recirculație pentru cele trei reglaje ale deshidratării clapelor de aspirație variază astfel: pentru deshidratare maximă de la 6,10-10,40 m/s, pentru deshidratarea medie de la 8,15-13,60 m/s și pentru cazul închiderii complete a clapelor de la 9-14 m/s.

Din punct de vedere al calității producției rezultate, analizele făcute pentru regimuri diferite de funcționare a arzătorului (debit maxim, minim și mediu) au dovedit că gazele de ardere nu exercită nici o influență asupra materialului uscat.

Uscătoare cu benzi

Fig. 17 Uscător cu benzi:

1 – pâlnia de alimentare; 2 – bandă transportoare; 3 – baterie de încălzire a aerului.

Principalul dezavantaj al acestui tip de uscător este că folosește numai parțial benzile transportoare. Acest inconvenient este înlăturat la uscătorul cu benzi si plăci rabatabile (fig. 18).

Plăcile fixate pe lanțul de acționare se pot roti cu 90° în momentul ajungerii în dreptul roții de antrenare, permițând materialului să cadă pe plăcile imediat inferioare ale aceluiași transportor, care se deplasează în sens invers.

Uscătoarele cu banda rulantă utilizează ca agent de uscare, în majoritatea cazurilor, aerul cald, cu temperatura de 60—170°C, și sunt folosite pentru uscarea legumelor, fructelor, bumbacului, linei, celulozei etc.

Fig. 18 Uscător cu benzi și plăci rabatabile

Uscătoare cu falduri

În industria textilă și chimică se întrebuințează des uscătoare cu falduri, la care banda fără sfârșit se deplasează pe verticală, executând mai multe bucle. Se folosesc benzi din plase metalice, confecționate din materiale anticorozive.

În uscătorul cu falduri din fig. 19 cilindrii 1 asigură alimentarea cu material pe întreaga lățime a benzii, iar cilindrii 2 asigură presarea pastei pe placa metalică 3. Se formează un strat cu grosimea de 5-25 mm, grosime egală cu adâncimea ochiurilor plasei. În uscător, banda continuă cu materialul de uscat, parcurge buclele formate de barele speciale care se sprijină pe transportorul cu lanț. Dispozitivele de lovire 4 asigură scoaterea materialului de pe plasă; acesta cade în buncărul 5 și este evacuat din uscător cu ajutorul transportorului elicoidal 6, iar plasa curată se reîntoarce la cilindrii 1. Ventilatoarele 7 asigură circulația aerului, încălzirea și recircularea lui pe zone

Fig. 19 Uscător cu falduri:

1 – cilindri de alimentare; 2 – cilindri de presare; 3 – plasă metalică;

4 – dispozitiv de lovire; 5 – buncăr; 6 – transportor elicoidal; 7 – ventilatoare.

Uscătoare tip turn

Pentru uscarea cerealelor, argilei, minereului, legumelor etc., se utilizează uscătoare cu turn (fig. 20); ele sunt alcătuite dintr-un turn vertical în care se deplasează, sub acțiunea greutății, materialul care trebuie uscat.

Agentul de uscare, circulă în contracurent și străbate stratul de material supus uscării.

Fig. 20 Uscător tip turn

Uscătoare cu tambur

Pentru uscarea materialelor pulverulente sau în bucăți ca de exemplu nisip, cărbune, argilă, minereuri etc., se folosesc pe scară largă uscătoarele tambur, cu acțiune directă, în care agentul de uscare (aerul cald sau gazele de ardere) vin în contact direct cu materialul.

În fig. 21 este prezentat un astfel de uscător, compus din tamburul înclinat 1, prevăzut cu două bandaje exterioare netede, care se sprijină pe rolele 2. Pe tambur este fixată coroana dințată 3, cuplată cu dispozitivul de acționare 4, care asigură o rotire a tamburului cu o viteză de 1-8 rot./min. Dispozitivul de alimentare 5 distribuie materialul pe paletele elicoidale 6, de unde acesta este repartizat pe șicanele interioare 7, care asigură un contact bun între material și agentul de uscare. Prin cădere liberă materialul se deplasează spre capătul opus al tamburului, ajunge pe dispozitivul de ridicare 8 și intră în camera de descărcare 9 de unde este preluat de transportorul elicoidal 10.

Gazele de ardere produse în focarul 13, circulă în echicurent cu materialul și, cu ajutorul ventilatorului 11, sunt dirijate spre ciclonul 12, unde se separă particulele de material antrenat, după care sunt evacuate în exterior. Coșul de fum 14 servește la pornire, pentru crearea unui tiraj natural.

Fig. 21 Uscător tambur cu acțiune periodică:

1 – tambur înclinat; 2 – role; 3 – coroană dințată; 4 – dispozitiv de acționare; 5 – dispozitiv de alimentare; 6 – palete elicoidale; 7 – șicane interioare; 8 – dispozitiv de ridicare; 9 – cameră de decărcare; 10 – transportor elicoidal; 11 – ventilator; 12 – ciclon; 13 – focar; 14 – coș de fum.

Uscătoare convective cu funcționare periodică

În aceste uscătoare materialul se menține în repaus sau poate fi amestecat tot timpul procesului de uscare, presiunea agentului termic fiind egală cu cea atmosferică sau puțin diferită de aceasta. După reducerea umidității până la valoarea stabilită, materialul este descărcat și în instalație se introduce o nouă încărcătură de material umed.

Construcția uscătoarelor cu funcționare periodică este simplă, ele permit reglarea mai ușoară a regimului de uscare, dar pierderile de căldură la încărcarea și descărcarea materialului sunt mai mari și uscarea se face neuniform.

Astfel de instalații sunt economice atunci când materialul supus uscării necesită o durată mai mare de uscare sau șarjele de material sunt mici cu regimuri diferențiate de uscare. Astfel, aceste instalații sunt indicate pentru uscarea unor cantități mici de lemn, legume, cereale, fructe, materiale ceramice, plăci izolante și diferite materiale fibroase etc.

Uscătoare cu cameră cu funcționare periodică

În fig. 22 este prezentată schema constructivă a unei camere de uscare cu funcționare periodică. În camera 1 sunt plasați vagoneții 2 pe care este așezat materialul umed supus uscării, aerul proaspăt aspirat de ventilatorul 3 încălzit în bateria 4, este obligat să circule printre tăvile vagoneților parcurgând mai multe drumuri între care sunt plasate bateriile intermediare de încălzire 5 și 6. La ieșirea aerului prin partea superioară a camerei, o parte este evacuat în atmosferă cu ajutorul clapetei 7, restul fiind recirculat.

Fig. 22 Uscător cu cameră cu funcționare periodică:

1 – cameră; 2 – vagonete; 3 – ventilator; 4 – baterie de încălzire; 5, 6 – baterii intermediare de încălzire; 7 – clapetă.

În fig. 23 și fig. 24 sunt prezentate două camere de uscare, cu circulație forțată a aerului, folosite pentru uscarea cherestelei.

Fig. 23 Cameră de uscare pentru cherestea, tip Eisenmann:

1 – stiva de cherestea; 2 – baterie de încălzire; 3 – ventilator axial;

4 – coșuri de ventilație; 5 – motor electric pentru antrenarea ventilatorului.

Tabelul 2 Caracteristicile principalelor tipuri de uscătoare convective

Pentru uscarea semințelor se folosesc uscătoare cu cameră (fig. 25), care funcționează pe principiul fluidizării. Aerul cald cu o temperatură de 25-30°C este introdus prin pereții laterali perforați sau printr-o placă poroasă, străbătând, de la exterior către centru, materialul umed. De obicei, aceste instalații se folosesc pentru preuscare, materialul la ieșire prezentând un grad ridicat de neuniformitate cu privire la umiditate.

Caracteristicile principale ale principalelor tipuri de uscătoare convective prezentate mai înainte sunt redate în tabelul 2. Pentru uscarea unor materiale lichide, se folosește procedeul de pulverizare.

Uscarea cu ajutorul curenților calzi

Intensificarea procesului de uscare al produselor alimentare, inclusiv a materiei prime din sectorul agrar, iminent este legată de specificul și particularitățile ei, și trebuie să se realizeze cu condiția asigurării unei calități înalte a produsului finit și a cheltuielilor specifice minime. De regulă, pentru intensificarea procesului de uscare și ridicarea eficacității economice de lucru a instalațiilor de uscare se folosesc diferite modalități (metode):

Folosirea câmpurilor cu temperaturi înalte (mai mari de 1000). Totodată trebuie să se țină cont de rezistența de temperatură și rezistența la căldură a fiecărui produs concret și de asemenea, menținerea substanțelor biologice active în aceste produse;

Folosirea de noi metode combinate de influență a căldurii;

Utilizarea metodelor electrofizice de influență: razele infraroșii (IR) și lămpile cu descărcare în gaze (LDG), UHF și SHF și combinarea lor cu metode tradiționale de aport de energie.

Deosebită importanță în ultima vreme, sunt întrebările legate de folosirea materiei prime atât în aspect alimentar cât și medico-biologic. În cadrul prelucrării tehnologice a materiei prime de destinație medico-biologică de asemenea este supusă procesului de uscare. Pentru astfel de produse trebuiesc folosite așa metode de prelucrare termică, care ar permite de a atinge nu numai eficiența economică așteptată, dar de a atinge și alte efecte folositoare, în stare să influențeze benefic asupra organismului uman în aspect medicinal (să întărească imunitatea, să preîntâmpine și să ne protejeze de unele maladii, să fie utilizate în calitate de medicamente). Este cunoscut faptul, că uscarea unei astfel de materii prime se efectuează pe platouri (închise sau deschise, bine ventilate) ori în încăperi. Acest proces este de lungă durată și provoacă mari pierderi al productului finit , contribuie la apariția micro-și macroflorei și altele. Toate acestea din punct de vedere medicinal diminuează efectul lor pozitiv final. La momentul actual sunt insuficient studiate problemele legate de determinarea modalităților și regimurilor de uscare a materiei prime din sectorul agrar de destinație medico-biologică. Prezența a astfel de date ar permite crearea și elaborarea regimurilor raționale și eficiente de uscare în direcția respectării cerințelor tehnologice, reducerii cheltuielilor de energie, păstrării componentelor biologice active a materiei prime.

Anumite perspective care țin de intensificarea procesului de uscare a materiei prime din sectorul agrar cu destinația medico-biologică în vederea îmbunătățirii calității produsului finit poate asigura aplicarea curenților de frecvență înaltă (UHF) și supraînaltă (SHF).

În ultimul timp la această metodă apelează ingineria alimentară preocupată de intensificarea diferitor procese tehnologice. De aceea, elaborarea bazelor științifice de efectuare a procesului de uscare a materiei cu destinație medico-biologică prin aplicarea curenților de frecvență înaltă (UHF) și supraînaltă (SHF) are o mare importanță atât teoretică cât și practică .

Au fost efectuate cercetări și elaborate procedee de uscare pentru culturi ca: boabele de cacao, măcieșul, semințele de bostan și de floarea soarelui, cătina albă, ardeiul iute, prunele, sfecla, nucile, merele, roșiile, caisele, vișinele.

Utilizarea câmpurilor electrofizice presupune eliminarea căldurii în material, care poate fi determinată cu formula:

Pentru a calcula și a dirija căldura eliminată de produs este important determinarea valorilor tangentei unghiului dielectric tg și permeabilitatea dielectrică relativă `, care constituie parametrii electrofizici ai materialului. Metodele existente de determinare a acestor parametri sunt prezentate numai pentru produsele omogene, dar nu și pentru cele heterogene cum este materia primă agricolă, totodată aceste metode nu iau în considerare efectele pierderilor de frontieră. De aceea a fost elaborată o metodă nouă, care este exprimată prin formulele:

și

în care: Q1 și C1 sunt factorul de calitate și capacitatea electrică a conturului fără condensatorul măsurător în momentul de rezonanță;

Q2 și C2 sunt factorul de calitate și capacitatea electrică a conturului cu condensatorul măsurător fără produs în momentul de rezonanță;

Q3 și C3 sunt factorul de calitate și capacitatea electrică a conturului cu condensatorul măsurător cu produs în momentul de rezonanță;

C0 reprezintă capacitatea electrică a condensatorului măsurător în vid, pF.

Formulele obținute au permis calcularea valorilor tg și ` a produselor agricole cu destinație medico-biologică în limitele 1,5…20,0 pentru ` și 0,05… 1,5 pentru tg.

Unele dificultăți apar la determinarea tg și ` a produselor cu structura complexă eterogenă, cum sunt produsele medico-biologice. Dacă am prezenta aceste obiecte ca o schemă electrică alcătuită din elemente conectate în serie: pericarpul (A) – miezul (B) – pericarpul (A) (fig. 26 ), atunci puterea totală aplicată materialului poate fi prezentată ca:

în care PA și PR sunt puterile activă și reactivă, în W.

Fig. 26 Schema de substituire a produsului: A – pericarp, B – miez.

Valorile acestor puteri se determină ca suma puterilor fiecărui component Wj inclus în acest sistem:

și

Utilizând formulele de mai sus și schema de substituire consecutivă obținem formulele de calcul ale tg și ` pentru produsele complexe eterogene:

în care a și b sunt concentrațiile volumetrice ale componentelor;

și

Rezultatele obținute prin calcul în practică au coincis cu cele experimentale.

Pentru determinarea experimentală și cercetarea parametrilor electrofizici a fost elaborată o instalație de laborator (fig.27).

Fig. 27 Schema instalației experimentale pentru determinarea parametrilor electrofizici a produselor vegetale:

1 – Q-metru; 2 – condensatorul măsurător; 3 – elemente electrice de încălzire; 4 – termocuplu; 5 – voltmetru; 6 – vasul Diuar.

În urma măsurărilor efectuate și calculelor respective au fost obținute dependențele tg și ` în funcție de umiditatea, temperatura produsului și de frecvența câmpului electromagnetic.

Din grafice (fig. 28) se observă, corelația tgδ și ` în funcție de frecvența câmpului electromagnetic este complexă, dar totuși, valori maxime se obțin la frecvența de 27 MHz. De aceea frecvența dată poate fi considerată ca cea de lucru.

Fig. 28 Corelația dintre frecvența câmpului electromagnetic și tgδ (a), ` (b) a produselor vegetale (semințe de floarea soarelui).

O mare importanță, pentru materia primă agricolă o prezintă cunoștințele despre corelația între umiditatea lor și tgδ și `. Această corelație este arătată în fig. 29

Fig. 29 Corelația dintre umiditatea și tgδ (a), ` (b) a produselor vegetale (caise)

Din fig. 29 observăm că, creșterea umidității provoacă și o creștere a parametrilor electrofizici a produselor vegetale. Aceasta se datorează creșterii componentei active a curentului electric de conductibilitate.

Aceeași tendință se observă și la variația temperaturii produselor cu tgδ și `.

Pentru determinarea valorilor și variației parametrilor principali ai procesului de uscare a materiei prime vegetale destinată medicinei-biologice este necesar analizarea în prealabil a curbelor de uscare și a vitezei de uscare .

Pentru obținerea acestor funcții au fost elaborate două instalații de laborator: una cu curenți de frecvență înaltă (UHF) (fig. 30) și alta cu microunde (SHF) (fig. 31).

Fig. 30 . Instalație experimentală pentru studiul cineticii procesului de uscare a produselor vegetale cu aplicarea curenților de frecvență înaltă (UHF):

1 – camera de lucru; 2 – condensatorul cu produs; 3 – balanță mecanică; 4, 5 – conductă de agent termic; 6 – ghid coaxial; 7 – elemente electrice de încălzire; 8 – ventilator; 9 – milivoltmetru; 10 – voltmetru electrostatic; 11 – micromanometru; 12 – termometru cu contacte.

Fig. 31 Instalație experimentală pentru studiul cineticii procesului de uscare a produselor vegetale cu aplicarea curenților de supraînaltă (SHF):

1 – termometru; 2 – conductă de evacuare; 3 – cameră de lucru; 4 – vas Dwar; 5 – manometru diferențial; 6 – calorifer; 7 – conductă de alimentare; 8 – produsul supus uscării; 9 – cântar electronic; 10 – termocuplu.

În baza cercetărilor experimentale și a calculelor au fost obținute curbele de uscare (fig. 32) și a vitezei de uscare (fig. 33) a produselor vegetale.

1 – 60 ºC; 2 – 70 ºC; 3 – 80 ºC; 4 – 90 ºC; 5 – 100 ºC.

Fig. 32 Curbele de uscare a produselor vegetale (prune) cu aplicarea UHF:

a) prin convecție; b) prin convecție și perforarea pericarpului; c) prin convecție + UHF și perforarea pericarpului (densitatea perforării 4 găuri/ cm2).

1 – 60 ºC; 2 – 70 ºC; 3 – 80 ºC; 4 – 90 ºC; 5 – 100 ºC.

Fi

Fig. 33 Curbele vitezei de uscare a produselor vegetale (prune) cu aplicarea UHF:

a) prin convecție; b) prin convecție și perforarea pericarpului; c) prin convecție + UHF și perforarea pericarpului (densitatea perforării 4 găuri/ cm2).

Din graficele prezentate (fig. 32 și fig. 33) putem concluziona că uscarea prunelor este mai eficientă în trei perioade: I – uscarea de la umiditatea inițială până la prin convecție; II – la umiditatea Wcr1 are loc perforarea pericarpului prunelor și uscarea în continuare prin convecție până la umiditatea de polarizare Wp; III – uscarea prin convecție în combinație cu energia câmpurilor UHF până la umiditatea finală.

Graficele vitezei de uscare (fig. 33) ne demonstrează intensificarea procesului odată cu aplicarea metodelor netradiționale cum sunt perforarea preliminară și aplicarea câmpurilor electrofizice.

Tipuri de instalații de uscare cu ajutorul curenților calzi

Pentru uscarea prunelor, caiselor și ardeiului iute prin aport de energie UHF a fost elaborat uscătorul prezentat în fig. 34.

Fig. 34 Instalație de uscare a produselor vegetale (prune, ardei, caise) cu curenți de frecvență înaltă (UHF):

1 – buncăr de alimentare; 2 – transportor cu raclete; 3 – corpul instalației; 4, 5 – mecanism de distribuire a produsului; 6 – ghidaj; 7 – lămpi cu descărcare în gaz; 8 – transportor; 9, 14 – afânător; 10-13 sistem de transportare a agentului termic; 15 – ghid UHF, 16 – transportor de evacuare; 17, 18 – mantaua instalației; 19 – evacuarea aerului umed.

În fig. 35 este prezentată instalația de uscare a vișinilor și măceșului.

Fig. 35 Instalație de uscare a produselor vegetale (vișine, măceș) cu curenți de frecvență supraînaltă (SHF):

1 – ghid de SHF; 2 – calorifere; 3 – sistem de siguranță; 4 – transportor.

Pentru uscarea cătinii albe și a boabelor de cacao în câmp UHF a fost elaborată instalația prezentată în fig. 36.

Fig. 36 Instalație de uscare a produselor vegetale (cătină albă, boabe de cacao) cu curenți de frecvență înaltă (UHF):

1 – tamburul; 2 – suportul tamburului; 3 – mecanism de transmisie a melcului; 4 – alimentatorul tamburului; 5 – troncon perforat; 6 – agitator; 7 – buncăr de alimentare; 8 – agitatorul buncărului; 9, 10 – transportor cu melc; 11 – mecanismul Huc; 12 – acționarea tamburului; 13 – arbore gol.

BILANȚUL DE MATERIAL PENTRU PROCESUL DE USCARE

Se notează cu:

G1 – cantitatea de material umed care intră în uscător, în kgf/h;

G2 – cantitatea de material uscat iese din uscător, în kgf/h;

Gu – cantitatea de produs complet uscat în materialul umed, în kgf/h;

W1 – umiditatea materialului înainte de uscare, în %;

W2 – umiditatea materialului după uscare, în %;

W – cantitatea de umiditatea îndepărtată din material în uscător, în kgf/h;

L – cantitatea de aer complet uscat care trece prin uscător, în kgf/h;

x0 – conținutul de umiditate al aerului la trecerea prin radiator, în kgf/kgf aer uscat;

x1 – conținutul de umiditate al erului la intrarea în uscător, în kgf/kgf aer uscat;

x2 – conținutul de umiditate al erului la ieșirea din uscător, în kgf/kgf aer uscat.

Când nu sunt pierderi de material, cantitatea de substanță uscată rămâne constantă și înainte și după uscare. Se poate exprima în kgf/h, prin relația:

Gu = G1 = G2

de unde rezultă:

G1 = G2

G2 = G1

Umiditatea îndepărtată prin uscare, reprezintă diferența dintre greutatea materialului umed și materialului uscat:

W = G1 + G2

Introducând în ultima ecuație G2 valoarea din ecuația enterioară, se obține:

W = G1 – G1

sau

W = G1

Înlocuind valoarea G1, valoarea lui din ecuația anterioară, se obține:

W = G2 G2

sau

W = G2 kgf/h

Consumul de aer. Într-un uscător fără pierderi, cantitatea de aer complet uscat care trece prin uscător, ca și cantitatea de material complet uscat, rămân invariabile.

În cazul unui proces staționar, umiditatea (în kgf/h) va fi:

cu materialul care se usucă…………………G1

cu aerul……………………………………Lx1

total……………. G1 + Lx1

Din uscător se îndepărtează umiditatea (kgf/h):

cu materialul uscat…………………………G2

cu aerul……………………………………Lx2

total……………… G2 + Lx2

În absența pierderilor, umiditatea totală rămâne constantă și se respectă egalitatea:

G1 + Lx1 = G2 + Lx2 (1)

Umiditatea îndepărtată din material va fi:

W = G1 – G2 (2)

Comparând ecuațiile (1) și (2) rezultă:

W = L (x2- x1)

De unde, consumul total de aer necesar uscării va fi:

L = kgf/h

Iar consumul specific de aer, l, adică consumul de aer, raportat la 1 kgf umiditate, îndepărtată din material în uscător, va fi:

l = = kgf/kgf umiditate

Deoarece aerul care străbate bateria de radiatoare nu absoarbe și nu cedează umiditate, conținutul lui de umiditate la încălzirea în rediator rămâne constant și deci:

x1 = x0

de unde:

l = kgf/kgf umiditate.

CONCLUZII