4.2: Konvektif ve iletken ısı transferini araştırmak için bir tepsi kurutucu kullanma

Deney, her biri iki fan ve ısı ayarından birinin farklı bir kombinasyonunu test eden dört çalıştırmadan oluşacaktır.

1. Tepsi Kurutma İşlemi

1. 500 g kum ve 150 mL suyu karıştırarak bulamacı hazırlayın ve ünite için deney tepsisine yükleyin. Karışımı tepsiye eşit şekilde yayın.
2. Ana ünite kapalıyken tepsiyi kurutma odasına yerleştirin.
3. Ana üniteyi açın, ardından üfleyiciyi ve ısıtıcıyı açın.
4. Her çalışma için hava hızını ve sıcaklığını ayarlayın. Üç hava hızı 0.8 ft/s ila 2.0 ft/s (bir yüksek, orta ve düşük) arasında olmalı ve sabit sıcaklık 195 κF civarında olmalıdır. Üç sıcaklık, 1,8 ft/s'lik sabit hava hızıyla 130 - 200 ºF arasında olmalıdır.
5. 45 dakika sürmesi gereken tüm koşu boyunca her 5 dakikada bir ölçüm yapın. Toplanan veriler giriş havası sıcaklığı, kum sıcaklığı, kum ağırlığı, çıkış havası sıcaklığı, çıkış havası akış hızı, kuru termometre sıcaklığı ve yaş termometre sıcaklığını içermelidir. Sıcaklık okumaları için dijital termometreleri, hava akışı için hava akışı ayarlarını, kum ağırlığı için dijital bir teraziyi ve ıslak ve kuru termometre sıcaklıkları için bir askı psikrometresini kullanın.
6. Her ayar kümesi için işlemi tekrarlayın ve toplam dört benzersiz çalıştırma elde edin.

Tepsi kurutma, katıları sıvılardan ayırmak için endüstride yaygın olarak kullanılan konvektif bir ısı ve kütle transferi işlemidir. Tepsi kurutmada, sıvıyı buharlaştırmak için nemli bir katının üzerinden bir sıcak gaz akımı geçirilir. İşlem çalkalama gerektirmez ve sıcaklık ve diğer özellikler üzerinde kontrol sağlar. Tepsi kurutmanın esnekliği, paketlemeden önce kimyasal, ilaç ve gıda üretiminde kullanılmasına izin verir. Görünüşte basit olmasına rağmen, işlem genellikle katıya zarar vermeden kurutma koşullarını optimize etmek için kapsamlı deneyler gerektirir. Bu video, bir tepsi kurutucunun nasıl çalıştığını gösterecek, kurutma denemeleri için tipik bir prosedürü gösterecek ve bazı uygulamaları tartışacaktır.

Başlamak için, bir tepsi kurutucunun çalışmasına bakalım. En temel tasarım, bir hava girişi, vantilatörler, ısıtıcılar, bir tepsi bölmesi ve bir çıkıştan oluşan dikdörtgen bir metal çerçeve kullanır. Islak katı, tepsi bölmesine yerleştirilen sığ bir tepsiye yüklenir. Vantilatörler ve ısıtıcılar, dikkatlice kontrol edilen bir sıcaklık ve akış hızında tepsi üzerinde bir sıcak gaz akışını zorlar. Tepsideki sıvı buharlaşır ve katıdan uzaklaştırılır. Tepsi kurutma toplu bir işlemdir, yani kurutucudan katıların eklenmesi ve çıkarılması aynı anda gerçekleşemeyen ayrı adımlardır. Diğer kurutma yöntemlerine göre avantajları arasında basitlik, çalışma esnekliği ve nispeten düşük sabit maliyetler yer alır. Dezavantajları arasında yüksek işçilik maliyetleri ve yüksek enerji kullanımı yer alır, ancak ikincisi katının filtrelenmesi ve önceden şekillendirilmesiyle bir şekilde dengelenebilir. Artık kurutma makinelerinin nasıl çalıştığına dair bazı temel bilgileri gördüğümüze göre, ayırma işleminin nasıl gerçekleştiğine bakalım.

Sıvının katıdan ayrılması iki adımdan oluşur. İlk adımda, gaz ısıyı konveksiyon yoluyla sıvıya aktararak sıvının buharlaşmasına neden olur. Isı transfer hızı ve dolayısıyla buharlaşma hızı, gaz ve sıvı arasındaki sıcaklık farkına ve "konvektif ısı transfer katsayısı" adı verilen ampirik olarak belirlenmiş bir orantılılık sabitine bağlıdır. İkinci adımda, yeni buharlaşan sıvı, yeniden yoğunlaşmayı önlemek için konvektif kütle transferi yoluyla arayüzden uzağa aktarılır. Bu işlemin hızı, arayüz ile gaz akışının kütlesi arasındaki buhar konsantrasyonundaki farka bağlıdır. Buradaki ampirik orantılılık sabiti, konvektif kütle transfer katsayısıdır. Katsayılar tahmin edilebilse de, kurutulan katıya ve tepsi kurutucunun geometrisine özgüdür. Ayrıca, katsayılar yalnızca katı yüzey doymuş olduğu sürece geçerlidir. Yüzey nemi önemli ölçüde düşürüldükten sonra, sıvının katı içindeki iç hareketi baskın kütle transfer mekanizması haline geldiğinden kurutma hızı düşecektir. Artık prensipleri bildiğinize göre, numune kurutma prosedürünü görelim.

Bu gösteri, bir kum-su bulamacının çeşitli sıcaklıklarda ve hava hızlarında kurutulmasını göstermektedir. İlk olarak, kurutucuyu güvenlik tehlikeleri açısından kontrol edin ve psikrometre ve diğer ölçüm cihazlarının kullanıma hazır olduğundan emin olun. 500 gram kumu 150 gram su ile karıştırarak bulamacı hazırlayın. Bulamacı tepsiye dökün ve eşit şekilde yayıldığından emin olun. Üniteyi açın ve tepsiyi kurutma odasına yerleştirin ve ağırlığı kaydedin. Ardından, üfleyiciyi ve kurutucuyu açın. Deneme için hava hızını ve sıcaklığını ayarlayın. Her deneme 45 dakika sürecek ve ölçümler beş dakikalık aralıklarla yapılacaktır. Giriş havası sıcaklığını, kum sıcaklığını ve çıkış havası sıcaklığını ölçmek için dijital bir termometre kullanın. Kuru termometre ve yaş termometre sıcaklıklarını ölçmek için psikrometreyi kullanın. Son olarak, çıkış hava akış hızını ve teraziden gelen ağırlığı kaydedin. Her ayar kümesi için işlemi tekrarlayın ve toplam dört benzersiz çalıştırma elde edin. Çalışma tamamlandığında, mutlak nemi bulmak için psikrometrik çizelgeler veya benzer araçlar kullanın.

Her deneme için buharlaşma hızı, bulamaç ağırlığının zamanın bir fonksiyonu olarak çizilmesiyle belirlendi. Artan sıcaklıklar, iletken ısı transfer hızı ve dolayısıyla buharlaşma hızı ile pozitif korelasyon gösterdi. Artan hava hızı, daha yüksek konvektif ısı transferi ve kütle transferi oranları ile ilişkilidir ve ayrıca buharlaşma oranlarını arttırır. Hava sıcaklığı ile buharlaşma hızı arasında ve ayrıca hava akışı ile buharlaşma hızı arasında pozitif bir doğrusal korelasyon vardır. Bununla birlikte, ısı ve kütle transfer katsayıları arasındaki deneysel korelasyon tahmin edilenden daha zayıftı. Bunun nedeni, hava-kum arayüzündeki bağıl nem veya hava hızının tepsinin ağırlığı üzerindeki etkisi olabilir.

Tepsi kurutma, hem özel kimyasal üretimde hem de işçilik maliyetlerinin çok büyük olmadığı daha büyük ölçekli imalatta endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak uygulanır. Tepsi kurutucular, gıda işleme endüstrisinde, tipik olarak paketlemeden önceki son üretim adımı olarak kullanılır. Gıda kalitesini kontrol ederken buharlaşma oranlarını artırmak için kurutucu, ısıtılmış tepsiler ve radyo frekansı ısıtma gibi dolaylı kurutma mekanizmaları ile donatılabilir. Katı malzemelerin ayrışmasını, bükülmesini veya çatlamasını önlemek için kurutma döngüsü sırasında ısıtma koşulları değiştirilebilir. Tepsi kurutucular, özellikle farklı miktarlarda hazırlanan birkaç farklı gıdanın benzersiz sıcaklık ve nem koşullarında kurutulması gereken tesislerde kullanışlıdır. Alternatif bir kurutucu tasarımı, çok tepsili kamyonlar kullanır. İlaç endüstrisinde, zaman ve işçiliği azaltmak ve ürün homojenliğini artırmak için kamyonlar kullanılır. Bu tasarım, hava akışını kontrol etmek, ölü bölgelerden kaçınmak ve tutarlı sıcaklık ve nemi korumak için sirkülatörler ve bölmeler kullanır. Hassas kimyasallar için inert atmosferler oluşur. Tepsi kurutma, akışkan yataklı veya döner tamburlu yöntemlerden fiziksel olarak daha nazik olduğundan, tozlar ve ham ilaçlar gibi yapışkan kristal malzemelerin kurutulması için uygundur.

JoVE'nin tepsi kurutma makinesiyle tanışmasını az önce izlediniz. Artık tepsi kurutma ilkelerini, tepsi kurutma deneyleri yapmak için bir süreci ve bazı uygulamaları anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.