Utilizando una bandeja secadora para investigar la transferencia de calor convectivo y conductivo

Chemical Engineering

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Overview

Fuente: Michael G. Benton y Kerry M. Dooley, Departamento de ingeniería química, Universidad Estatal de Louisiana, Baton Rouge, LA

Secadores son utilizados en numerosos procesos industriales. La función de un secador es utilizar procesos de transferencia de calor para secar sólidos. Existe una gran variedad de modelos de secadora. Secadores adiabáticos usan convección y contacto directo con gases para secar sólidos, mientras que no-adiabáticos de las secadoras utilizan métodos distintos de contacto gas heated para secar1, incluyendo la conducción, radiación y radio frecuencia secado1. Secadoras se pueden utilizar para procesos por lotes o sean de uso continuo1.

En este experimento, se determinarán los efectos de temperatura y velocidad en la velocidad de secado de arena usando una secador de bandeja. Se probarán tres diferentes de potencia (1000 W y 1500 W y 2500 W) para dos tasas de flujo de aire diferentes, proporcionando un total de seis conjuntos de datos. De estos datos, se pueden calcular el calor y coeficientes de transferencia de masa.

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JoVE Science Education Database. Ingeniería química. Utilizando una bandeja secadora para investigar la transferencia de calor convectivo y conductivo. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Secadores de bandeja son un tipo de lote secador, que también incluyen secadores de lecho fluidizado, secadores de helada y secadores de vacío. Secadores de bandeja usan a transferencia de calor por convección para flujo de aire caliente sobre los sólidos a secar. Son utilizados por una variedad de industrias incluyendo la producción de productos farmacéuticos y otros productos químicos1. Por el contrario continuo secadores son comunes a industrias de productos de gran volumen, como la industria de alimentos1.

Para iniciar el proceso en un secador de bandeja típica, la bandeja está llena uniformemente con un sólido, como arena húmeda y cargada en el aparato. Ventilador ajustable de la secadora y el calentador permiten continua las variaciones de caudal del ventilador a través del canal de secado y variaciones de deber en incrementos de 500 vatios de calor. Como funciona la secadora, el agua se evapora de la arena en el aire. Luego se calcula la tarifa de sequía por el peso de la mezcla de agua sólido inicial y restando el peso del sólido seco final y en los varios intervalos de tiempo.

Transferencia de calor es conducida por la diferencia de temperatura entre la arena y el aire circundante. Ley de calefacción un simplificado de Newton (ecuación 1) se puede utilizar para modelar la transferencia de calor entre el aire caliente y la interfaz de arena-aire para obtener un coeficiente de transferencia de calor experimental. Otros términos de deber de calor son despreciables en comparación con el término en la ecuación 1,

Equation 1Ecuación 1

donde q es el calor transferido, ṁ es el agua evaporado en un tiempo asignado o tasa de evaporación, ∆Hvap es la entalpia de vaporización,y de h es el coeficiente de transferencia de calor, Taire es la temperatura del aire y Ts es la temperatura de la superficie de la arena.

Para obtener un coeficiente de transferencia de masa experimental, la transferencia de agua de la arena al aire va ser modelada como transferencia de masa que fluye a través de un límite de la fase verdadera. La ecuación de velocidad de secado (ecuación 2) es el modelo.

Equation 2Ecuación 2

donde ky es el coeficiente de transferencia de masa, C es la concentración de agua, y A es el área superficial de la frontera. Concentraciones de agua en la arena (Cs) y aire (C∞) se obtiene mediante un balance de masas y cartas psicrométrico, respectivamente. Estos se utilizan para solucionar para la velocidad de secado.

Valores teóricos pueden ser comparados con los datos experimentales mediante el cálculo de calor y coeficientes de transferencia de masa. El calor teórico (ecuación 3) y coeficientes de transferencia de masa (ecuación 4) se obtienen de las propiedades de las sustancias involucradas de correlaciones.

Equation 3Ecuación 3

Equation 4Ecuación 4

donde Re es el número de Reynolds, Pr es el número de Prandtl, Sc es el número de Schmidt, DAB es la difusividad de agua en el aire y L es la longitud.

Procedure

El experimento consistirá en cuatro carreras, cada uno prueba una combinación diferente de uno de los dos ajustes de calor y ventilador.

1. funcionamiento de la secadora bandeja

  1. Preparar la mezcla por mezclar 500 g de arena y 150 mL de agua y para la unidad de carga en la bandeja experimental. Esparza la mezcla uniformemente en la bandeja.
  2. Con la unidad, coloque la bandeja en la cámara de secado.
  3. Encienda la unidad principal, luego encienda el soplador y el calentador.
  4. Establecer la velocidad del aire y la temperatura para cada serie. Las velocidades del tres aire deben van desde 0,8 pies/s 2.0 ft/s (una alta, media y baja) con una temperatura constante alrededor de 195 ºf el. Las tres temperaturas deben oscilar entre 130-200 ºF con una velocidad de aire constante de 1.8 ft/s.
  5. Tomar mediciones cada 5 minutos durante el funcionamiento entero, que debe durar 45 minutos. Los datos recogidos deben incluir temperatura aire entrada, temperatura arena, arena peso, temperatura del aire de salida, flujo de aire de salida, temperatura de bulbo seco y temperatura humeda. Use termómetros digitales para las lecturas de temperatura, ajustes de flujo de aire para el flujo de aire, una balanza digital peso de arena y un psicrómetro de Honda para las temperaturas de bulbo húmedo y seco.
  6. Repita el proceso para cada conjunto de valores, por un total de cuatro carreras únicas.

Bandeja de secado es un proceso de transferencia de masa comúnmente utilizado en la industria para separar sólidos de líquidos y calor por convección. En la bandeja de secado, se pasa una corriente de gas caliente sobre un húmedo sólida para vaporizar el líquido. El proceso no requiere agitación y permite el control de temperatura y otras propiedades. La flexibilidad de la bandeja de secado permite que sea utilizado en la producción química, farmacéutica y alimentaria antes del empaquetado. Aunque aparentemente simple, el proceso generalmente requiere experimentación cuidadosa para optimizar las condiciones de secado sin dañar el sólido. Este video ilustra cómo una obra secador de bandeja, demostrar un procedimiento típico para el secado de los ensayos y discutir algunas aplicaciones.

Para empezar, echemos un vistazo a la operación de un secador de bandeja. El diseño más básico emplea un marco de metal rectangular que consta de una entrada de aire, ventiladores, calentadores, una bandeja y una toma de corriente. El sólido húmedo se carga en una bandeja poco profunda, que se coloca en la bandeja. Los ventiladores y calentadores fuerza una corriente de gas caliente sobre la bandeja a una temperatura cuidadosamente controlada y la tasa de flujo. El líquido de la bandeja se evapora y se elimina del sólido. Bandeja de secado es un proceso por lotes, lo que significa que la adición y eliminación de sólidos de la secadora son pasos discretos que no pueden ocurrir simultáneamente. Sus ventajas sobre otros métodos de secado son simplicidad y flexibilidad de funcionamiento y relativamente bajo costos fijos. Sus desventajas incluyen altos costos y el uso de la alta energía, aunque este último puede ser compensado algo por filtración y pre-formando el sólido. Ahora que hemos visto algunos conceptos básicos de cómo opera la maquinaria de sequía, vamos a ver cómo se produce la separación.

La separación del líquido del sólido consiste en dos pasos. En el primer paso, el gas transfiere calor al líquido a través de convección, haciendo que el líquido se evapore. La tasa de transferencia de calor y por lo tanto la velocidad de evaporación dependen de la diferencia de temperatura entre el gas y el líquido y una constante de proporcionalidad empíricamente determinado llamado "coeficiente de transferencia de calor por convección". En el segundo paso, se transfiere el líquido vaporizado nuevamente lejos de la interfaz a través de transferencia de masa convectiva para evitar recondensación. La velocidad de este proceso depende de la diferencia en la concentración de vapor entre la interfaz y la mayor parte de la corriente del gas. Aquí constante empírica de proporcionalidad es el coeficiente de transferencia convectiva de masa. Aunque se pueden estimar los coeficientes, son únicos para el sólido se seca y la geometría de la bandeja del secador. Además, los coeficientes sólo son válidos siempre y cuando se satura la superficie sólida. Después de que la humedad se ha reducido significativamente, se reducirá la velocidad de secado como el movimiento interno de líquido en el sólido se convierte en el mecanismo de transferencia de masa dominante. Ahora que conoces los principios, vamos a ver la muestra procedimiento de sequía.

Esta demostración ilustra el secado de una mezcla de arena y agua a diferentes temperaturas y velocidades. En primer lugar, compruebe a la secadora para riesgos de seguridad y asegurar que el sicrómetro y otros dispositivos de medición están listas para usarse. Preparar la mezcla por mezclar 500 gramos de arena con 150 gramos de agua. Vierta la mezcla en la bandeja y asegúrese de que se extiende uniformemente. Encienda la unidad, coloque la bandeja en la cámara de secado y registrar el peso. Luego, encienda el ventilador y la secadora. Establecer la velocidad del aire y la temperatura del ensayo. Cada ensayo será pasados 45 minutos con las mediciones a intervalos de cinco minutos. Use un termómetro digital para medir temperatura de aire de entrada, arena temperatura y temperatura del aire de salida. Utilice el sicrómetro para medir las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo. Por último, registrar la tasa de flujo de aire de salida y el peso de la balanza. Repita el proceso para cada conjunto de valores, por un total de cuatro carreras únicas. Cuando termine la carrera, utiliza cartas psicrométrico o herramientas similares para encontrar la humedad absoluta.

La tasa de evaporación para cada ensayo se determinó mediante el trazado del peso de la mezcla en función del tiempo. Aumento de la temperatura correlacionada positivamente con la tasa de transferencia de calor conductiva y así la tasa de evaporación. Aumentar la velocidad del aire se asocia con mayores tasas de transferencia de calor por convección y transferencia total y también aumenta las tasas de evaporación. Hay una correlación lineal positiva entre la tasa de aire temperatura y evaporación, así como entre la tasa de flujo y de la evaporación de aire. Sin embargo, la correlación experimental entre el calor y coeficientes de transferencia de masa era más débil que previsto. Esto puede ser debido a la humedad relativa en la interfaz de aire y arena o el efecto de la velocidad de aire sobre el peso de la bandeja.

Bandeja de secado se aplica comúnmente en aplicaciones industriales, tanto en la producción de químicos de especialidad y en mayor escala de la fabricación, donde los gastos de mano de obra no son demasiado grandes. Secadores de bandeja son utilizados en la industria de la transformación de los alimentos, generalmente como el último paso de fabricación antes del empaquetado. Para aumentar las tasas de evaporación mientras que el control de calidad de los alimentos, la secadora puede ser equipada con mecanismos de secado indirectos, como bandejas climatizadas y calefacción de la radiofrecuencia. Las condiciones de calefacción pueden modificarse durante el ciclo de secado para evitar que los materiales sólidos de descomposición, combeo o agrietarse. Secadores de bandeja son especialmente útiles en instalaciones donde diferentes tipos de alimentos, en cantidades diferentes, se deben secar en condiciones únicas de humedad y temperatura. Un diseño alternativo de secador usa bandeja varios camiones. En la industria farmacéutica, se utilizan camiones para reducir tiempo y mano de obra y aumentar la uniformidad del producto. Este diseño utiliza recirculators y deflectores para controlar el flujo de aire, evitar zonas muertas y mantener la humedad y temperatura constante. Productos químicos sensibles, se generan Atmósferas inertes. Puesto que la bandeja de secado es físicamente más apacible de lecho fluido o rotativo secadora métodos, es conveniente para el secado de materiales pegajosos como polvos y drogas crudas.

Sólo ha visto introducción de Zeus a la bandeja de secador. Ahora debe entender los principios de la bandeja de secado, un proceso para llevar a cabo experimentos de secado bandeja y algunas aplicaciones. Gracias por ver.

Results

De los datos recogidos, puede obtenerse la siguiente información. Usar tablas psychrometric para determinar la humedad absoluta, que da la concentración de agua presente en el aire. Los coeficientes de transferencia de calor pueden calcularse utilizando las temperaturas medidas y la ecuación 1. Y por último, el cambio en la masa de la arena húmeda se puede utilizar para calcular la concentración de agua en la arena.

El contenido de humedad de arena disminuyó linealmente con el tiempo. Como era de esperar, la tasa de evaporación fue encontrada para aumentar con mayor flujo tasa de calor deber. Según sus ecuaciones, calor y coeficientes de transferencia de masa son directamente proporcionales a la tasa de evaporación en la interfaz de arena-aire. Valores teóricos de calor y coeficientes de transferencia de masa fueron encontrados para tener una fuerte correlación positiva con un R2 de 99%. Los valores experimentales sólo mostraron una correlación débil después de la prueba.

Las relaciones entre la tasa de flujo y de la evaporación de aire y temperatura y evaporación, velocidad tanto aumentado linealmente (Figura 1, figura 2). Flujo de aire creciente (Figura 1) y temperatura creciente (Figura 2) aumentaron la tasa de evaporación. Estos gráficos muestran que cuando el aumento del flujo o la temperatura del aire y la otra variable se mantiene constante, la tasa de evaporación aumentará a un ritmo equivalente y siguen una tendencia lineal positiva. La prueba de variación de flujo de aire era una medida de transferencia de calor por convección, mientras que la prueba de variación de temperatura es una medida de transferencia de calor conductiva. La suma de las dos pruebas muestra que tanto transferencia de calor convectivo y conductivo sigue una relación lineal con la tasa de evaporación.

Figure 1
Figura 1: Representación de la relación entre la tasa de aire velocidad y evaporación, lo que aumentó linealmente.

Figure 2
Figura 2: Representación de la relación entre tasa de temperatura y evaporación, que aumentaron linealmente.

Hay muchas fuentes de error en las mediciones con las mayores fuentes de error, siendo la humedad relativa y la temperatura de la interfaz de aire y arena. También, aire flujo tipo efecto sobre el peso de la bandeja se consideraba poco importante pero es una fuente de error. Algunos de este error pueden también han reducido la correlación del calor y coeficientes de transferencia de masa. Estos coeficientes fueron calculados teóricamente y demostrados para ser correlacionado. Sin embargo, los datos experimentales no mostraron una tendencia significativa, a pesar de ser teóricamente similares.

Applications and Summary

Una secador de bandeja se utiliza para medir la velocidad de secado de arena con respecto a la transferencia de calor convectivo y conductivo. Usar a la secadora en tres niveles de potencia diferentes y dos caudales diferentes, fueron encontrados seis conjuntos de datos experimentales. Las mediciones se realizaron por el peso de la mezcla de arena y agua a intervalos de cinco minutos.

Este experimento hizo uso de ley de la calefacción de Newton, secado modelado de tasa y el calor y la transferencia de masa de modelado. Calor y coeficientes de transferencia de masa se determinaron con el uso de un modelo de capa límite. Teóricamente, el calor y coeficientes de transferencia de masa muestran una correlación lineal positiva muy fuerte. A pesar de los resultados experimentales mostraron una tendencia positiva, así, los datos eran demasiado inexactos para mostrar ninguna correlación significativa entre los dos.

Bandeja de secado se puede utilizar en una variedad de campos. Un tal campo es productos farmacéuticos. En productos farmacéuticos, secadores de bandeja se utilizan para secar muchas diferentes materiales base, incluyendo pegajoso, granular y materiales2. Muchos plásticos usados en productos farmacéuticos pueden ser secados en secador de bandeja2. Además, precipitados, pastas y otras masas húmedas se pueden secar con una bandeja secadora, junto a drogas crudas, productos químicos, polvos y gránulos de tablet. Incluso algunos equipos se secaron en la secadora2. Secadores de bandeja ofrecen muchas ventajas para esta industria, puesto que se utilizan para lotes, que pueden variar en tamaño y manejados sin pérdidas2. Los secadores también fácilmente se ajustan para acompañar a otros materiales en una manera eficiente2. En algunos casos, se utilizan secadores de bandeja en un vacío para secar productos sensibles al calor como vitaminas2.

Secadores de bandeja son utilizados también en3de procesamiento de alimentos. Alimentos se pueden propagar hacia fuera fino y uniformemente en las bandejas para el secado de3. Dependiendo del tipo de alimentos, secado puede realizarse por calentamiento con aire que se mueve a través de las bandejas, conducción de calefacción bandejas o estantes, o forma de radiación otros calienta las superficies3. Aire se puede utilizar con el beneficio adicional de la eliminación de vapores húmedos, aunque esto puede ser un problema para algunos de los alimentos3.

References

  1. "Solids Drying: Basics and Applications - Chemical Engineering.Chemical Engineering Solids Drying Basics and Applications Comments. N.p., n.d. Web. 12 Jan. 2017.
  2. "Pharmainfo.net.Tray dryer by Saraswathi.B. N.p., n.d. Web. 12 Jan. 2017.
  3. "Unit Operations in Food Processing - R. L. Earle.Unit Operations in Food Processing - R. L. Earle. N.p., n.d. Web. 12 Jan. 2017.

El experimento consistirá en cuatro carreras, cada uno prueba una combinación diferente de uno de los dos ajustes de calor y ventilador.

1. funcionamiento de la secadora bandeja

  1. Preparar la mezcla por mezclar 500 g de arena y 150 mL de agua y para la unidad de carga en la bandeja experimental. Esparza la mezcla uniformemente en la bandeja.
  2. Con la unidad, coloque la bandeja en la cámara de secado.
  3. Encienda la unidad principal, luego encienda el soplador y el calentador.
  4. Establecer la velocidad del aire y la temperatura para cada serie. Las velocidades del tres aire deben van desde 0,8 pies/s 2.0 ft/s (una alta, media y baja) con una temperatura constante alrededor de 195 ºf el. Las tres temperaturas deben oscilar entre 130-200 ºF con una velocidad de aire constante de 1.8 ft/s.
  5. Tomar mediciones cada 5 minutos durante el funcionamiento entero, que debe durar 45 minutos. Los datos recogidos deben incluir temperatura aire entrada, temperatura arena, arena peso, temperatura del aire de salida, flujo de aire de salida, temperatura de bulbo seco y temperatura humeda. Use termómetros digitales para las lecturas de temperatura, ajustes de flujo de aire para el flujo de aire, una balanza digital peso de arena y un psicrómetro de Honda para las temperaturas de bulbo húmedo y seco.
  6. Repita el proceso para cada conjunto de valores, por un total de cuatro carreras únicas.

Bandeja de secado es un proceso de transferencia de masa comúnmente utilizado en la industria para separar sólidos de líquidos y calor por convección. En la bandeja de secado, se pasa una corriente de gas caliente sobre un húmedo sólida para vaporizar el líquido. El proceso no requiere agitación y permite el control de temperatura y otras propiedades. La flexibilidad de la bandeja de secado permite que sea utilizado en la producción química, farmacéutica y alimentaria antes del empaquetado. Aunque aparentemente simple, el proceso generalmente requiere experimentación cuidadosa para optimizar las condiciones de secado sin dañar el sólido. Este video ilustra cómo una obra secador de bandeja, demostrar un procedimiento típico para el secado de los ensayos y discutir algunas aplicaciones.

Para empezar, echemos un vistazo a la operación de un secador de bandeja. El diseño más básico emplea un marco de metal rectangular que consta de una entrada de aire, ventiladores, calentadores, una bandeja y una toma de corriente. El sólido húmedo se carga en una bandeja poco profunda, que se coloca en la bandeja. Los ventiladores y calentadores fuerza una corriente de gas caliente sobre la bandeja a una temperatura cuidadosamente controlada y la tasa de flujo. El líquido de la bandeja se evapora y se elimina del sólido. Bandeja de secado es un proceso por lotes, lo que significa que la adición y eliminación de sólidos de la secadora son pasos discretos que no pueden ocurrir simultáneamente. Sus ventajas sobre otros métodos de secado son simplicidad y flexibilidad de funcionamiento y relativamente bajo costos fijos. Sus desventajas incluyen altos costos y el uso de la alta energía, aunque este último puede ser compensado algo por filtración y pre-formando el sólido. Ahora que hemos visto algunos conceptos básicos de cómo opera la maquinaria de sequía, vamos a ver cómo se produce la separación.

La separación del líquido del sólido consiste en dos pasos. En el primer paso, el gas transfiere calor al líquido a través de convección, haciendo que el líquido se evapore. La tasa de transferencia de calor y por lo tanto la velocidad de evaporación dependen de la diferencia de temperatura entre el gas y el líquido y una constante de proporcionalidad empíricamente determinado llamado "coeficiente de transferencia de calor por convección". En el segundo paso, se transfiere el líquido vaporizado nuevamente lejos de la interfaz a través de transferencia de masa convectiva para evitar recondensación. La velocidad de este proceso depende de la diferencia en la concentración de vapor entre la interfaz y la mayor parte de la corriente del gas. Aquí constante empírica de proporcionalidad es el coeficiente de transferencia convectiva de masa. Aunque se pueden estimar los coeficientes, son únicos para el sólido se seca y la geometría de la bandeja del secador. Además, los coeficientes sólo son válidos siempre y cuando se satura la superficie sólida. Después de que la humedad se ha reducido significativamente, se reducirá la velocidad de secado como el movimiento interno de líquido en el sólido se convierte en el mecanismo de transferencia de masa dominante. Ahora que conoces los principios, vamos a ver la muestra procedimiento de sequía.

Esta demostración ilustra el secado de una mezcla de arena y agua a diferentes temperaturas y velocidades. En primer lugar, compruebe a la secadora para riesgos de seguridad y asegurar que el sicrómetro y otros dispositivos de medición están listas para usarse. Preparar la mezcla por mezclar 500 gramos de arena con 150 gramos de agua. Vierta la mezcla en la bandeja y asegúrese de que se extiende uniformemente. Encienda la unidad, coloque la bandeja en la cámara de secado y registrar el peso. Luego, encienda el ventilador y la secadora. Establecer la velocidad del aire y la temperatura del ensayo. Cada ensayo será pasados 45 minutos con las mediciones a intervalos de cinco minutos. Use un termómetro digital para medir temperatura de aire de entrada, arena temperatura y temperatura del aire de salida. Utilice el sicrómetro para medir las temperaturas de bulbo seco y bulbo húmedo. Por último, registrar la tasa de flujo de aire de salida y el peso de la balanza. Repita el proceso para cada conjunto de valores, por un total de cuatro carreras únicas. Cuando termine la carrera, utiliza cartas psicrométrico o herramientas similares para encontrar la humedad absoluta.

La tasa de evaporación para cada ensayo se determinó mediante el trazado del peso de la mezcla en función del tiempo. Aumento de la temperatura correlacionada positivamente con la tasa de transferencia de calor conductiva y así la tasa de evaporación. Aumentar la velocidad del aire se asocia con mayores tasas de transferencia de calor por convección y transferencia total y también aumenta las tasas de evaporación. Hay una correlación lineal positiva entre la tasa de aire temperatura y evaporación, así como entre la tasa de flujo y de la evaporación de aire. Sin embargo, la correlación experimental entre el calor y coeficientes de transferencia de masa era más débil que previsto. Esto puede ser debido a la humedad relativa en la interfaz de aire y arena o el efecto de la velocidad de aire sobre el peso de la bandeja.

Bandeja de secado se aplica comúnmente en aplicaciones industriales, tanto en la producción de químicos de especialidad y en mayor escala de la fabricación, donde los gastos de mano de obra no son demasiado grandes. Secadores de bandeja son utilizados en la industria de la transformación de los alimentos, generalmente como el último paso de fabricación antes del empaquetado. Para aumentar las tasas de evaporación mientras que el control de calidad de los alimentos, la secadora puede ser equipada con mecanismos de secado indirectos, como bandejas climatizadas y calefacción de la radiofrecuencia. Las condiciones de calefacción pueden modificarse durante el ciclo de secado para evitar que los materiales sólidos de descomposición, combeo o agrietarse. Secadores de bandeja son especialmente útiles en instalaciones donde diferentes tipos de alimentos, en cantidades diferentes, se deben secar en condiciones únicas de humedad y temperatura. Un diseño alternativo de secador usa bandeja varios camiones. En la industria farmacéutica, se utilizan camiones para reducir tiempo y mano de obra y aumentar la uniformidad del producto. Este diseño utiliza recirculators y deflectores para controlar el flujo de aire, evitar zonas muertas y mantener la humedad y temperatura constante. Productos químicos sensibles, se generan Atmósferas inertes. Puesto que la bandeja de secado es físicamente más apacible de lecho fluido o rotativo secadora métodos, es conveniente para el secado de materiales pegajosos como polvos y drogas crudas.

Sólo ha visto introducción de Zeus a la bandeja de secador. Ahora debe entender los principios de la bandeja de secado, un proceso para llevar a cabo experimentos de secado bandeja y algunas aplicaciones. Gracias por ver.

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