שימוש במייבש מגשים לחקר העברת חום קונבקטיבית ומוליכת

מייבשי מגשים הם סוג אחד של מייבשי כביסה, הכוללים גם מייבשי מיטה עם נוזלים, מייבשי הקפאה ומייבשי ואקום. מייבשי מגשים משתמשים בהעברת חום קונבקטיבית כדי לזרום אוויר מחומם מעל מוצקים כדי לייבש אותם. הם משמשים על ידי מגוון רחב של תעשיות כולל לייצור תרופות וכימיקלים אחרים¹. מייבשים רציפים לעומת זאת משותפים לתעשיות מוצרים בנפח גדול, כגון תעשיית המזון¹.

כדי להתחיל את התהליך במייבש מגש טיפוסי, המגש מלא באופן שווה במוצק רטוב, כגון חול, ונטען לתוך המנגנון. המאוורר והתנור המתכווננים של המייבש מאפשרים שינויים מתמשכים בקצב זרימת האוויר מהמאוורר דרך ערוץ הייבוש, וריאציות של חובת חום במרווחים של 500 וואט. כאשר המייבש פועל, המים מתאדים מהחול לאוויר. קצב הייבוש מחושב לאחר מכן על ידי שקילה של תערובת מוצקה / מים ראשונית והפחתה של המשקל של מוצק יבש הסופי במרווחי זמן שונים.

העברת חום מונעת על ידי הפרש הטמפרטורה בין החול לאוויר שמסביב. חוק החימום של ניוטון (משוואה 1) פשוט יותר יכול לשמש כדי לדגמן את העברת החום בין האוויר המחומם לממשק אוויר חול כדי להשיג מקדם העברת חום ניסיוני. מונחי חובת חום אחרים הם זניחים בהשוואה למונח במשוואה 1,

משוואה 1

כאשר q הוא החום מועבר, ṁ הוא המים התאדו בכמות מוקצית של זמן או קצב של אידוי, ∆_אד H הוא אנטלפיה של אידוי, h_y הוא מקדם העברת חום,_אוויר T הוא טמפרטורת האוויר, ו T_הוא טמפרטורת פני השטח של החול.

על מנת להשיג מקדם העברת מסה ניסיוני, העברת מים מחול לאוויר תהיה מודל כהעברת המונים הזורמת על פני גבול פאזה אמיתי. משוואת קצב הייבוש (משוואה 2) היא מודל זה.

משוואה 2

כאשר k_y הוא מקדם העברת המסה, C הוא ריכוז המים, ו- A הוא שטח הפנים של הגבול. ריכוזי מים בחול_(C)ובאוויר (C∞) יתקבלו באמצעות איזון המוני ותרשימים פסיכרומטריים, בהתאמה. אלה משמשים כדי לפתור את קצב הייבוש.

ניתן להשוות ערכים תיאורטיים לנתונים הניסיוניים על ידי חישוב מקדמי חום והעברת מסה. החום התיאורטי (משוואה 3) ומסה (משוואה 4) מקדמי העברה מתקבלים ממאפייני החומרים המעורבים בקורלציות.

משוואה 3

משוואה 4

כאשר Re הוא מספר ריינולדס, Pr הוא מספר Prandtl, Sc הוא מספר שמידט, D_AB הוא דיפוזיה של מים באוויר, L הוא האורך, ו k הוא מוליכות תרמית.

הניסוי יכלול ארבע ריצות, שכל אחת מהן תבחן שילוב שונה של אחת משתי הגדרות מאוורר וחום.

1. פעולת מייבש מגשים

1. הכן את התסיסה על ידי ערבוב 500 גרם של חול ו 150 מ"ל של מים ולהעמיס לתוך המגש הניסיוני עבור היחידה. מורחים את התערובת באופן שווה במגש.
2. כשהיחידה הראשית כבויה, מניחים את המגש בתא הייבוש.
3. הפעל את היחידה הראשית, ולאחר מכן להפעיל את המפוח ואת התנור.
4. הגדר את מהירות האוויר ואת הטמפרטורה עבור כל ריצה. שלוש מהירויות האוויר צריכות לנוע בין 0.8 רגל לשנייה ל-2.0 רגל לשנייה (אחת גבוהה, בינונית ונמוכה) עם טמפרטורה קבועה סביב 195 מעלות פרנהייט. שלוש הטמפרטורות צריכות לנוע בין 130 ל -200 מעלות צלזיוסעם מהירות אוויר קבועה של 1.8 רגל לשנייה.
5. קח מדידות כל 5 דקות לאורך כל הריצה, אשר אמור להימשך 45 דקות. הנתונים שנאספו צריכים לכלול טמפרטורת אוויר מפרצון, טמפרטורת חול, משקל חול, טמפרטורת אוויר שקע, קצב זרימת אוויר שקע, טמפרטורת נורה יבשה, וטמפרטורת נורה רטובה. השתמש במדי החום הדיגיטליים לקריאות טמפרטורה, הגדרות זרימת אוויר לזרימת האוויר, סולם דיגיטלי למשקל חול ופסימטר קלע לטמפרטורות הנורה הרטובה והיבבשת.
6. חזור על התהליך עבור כל ערכת הגדרות, ובסך הכל ארבע ריצות ייחודיות.

מהנתונים שנאספו ניתן להשיג את המידע הבא. השתמש בתרשימים פסיכיאטריים כדי לקבוע את הלחות המוחלטת, אשר נותן את ריכוז המים הקיימים באוויר. ניתן לחשב את מקדמי העברת החום באמצעות הטמפרטורות הנמדדות ומשוואה 1. ולבסוף, השינוי במסת החול הרטוב יכול לשמש לחישוב ריכוז המים בחול.

תכולת הלחות של חול ירדה ליניארית עם הזמן. כצפוי, שיעור האידוי נמצא כדי להגדיל עם קצב זרימה גדול יותר וחובת חום. על פי המשוואות שלהם, הן חום והן מקדמי העברת מסה הם פרופורציונליים ישירות לקצב האידוי בממשק אוויר החול. ערכים תיאורטיים של מקדמי חום והעברת מסה נמצאו בעלי מתאם חיובי חזק עם R² של 99%. הערכים הניסיוניים הראו מתאם חלש רק לאחר הבדיקה.

היחסים בין זרימת האוויר לקצב האידוי ובין הטמפרטורה לשיעור האידוי עלו שניהם באופן ליניארי (איור 1, איור 2). זרימת אוויר מוגברת (איור 1) וטמפרטורה מוגברת (איור 2) הגדילו את קצב האידוי. גרפים אלה מראים כי כאשר זרימת האוויר או הטמפרטורה עולה והמשתנה השני מוחזק קבוע, קצב האידוי יגדל בקצב שווה ערך ויעקוב אחר מגמה ליניארית חיובית. מבחן וריאציית זרימת האוויר היה מדד להעברת חום קונבקטיבית, בעוד שבדיקת וריאציית הטמפרטורה הייתה מדד להעברת חום מוליך. הסכום של שתי הבדיקות מראה כי העברת חום קונבקטיבית ומוליכה הן בעקבות קשר ליניארי עם שיעור אידוי.

איור 1: תיאור הקשר בין מהירות האוויר לקצב האידוי, שגדל באופן ליניארי.

איור 2: תיאור הקשר בין טמפרטורה לקצב אידוי, שעלה באופן ליניארי.

ישנם מקורות שגיאה רבים במדידות כאשר המקורות הגדולים ביותר לשגיאה הם הלחות היחסית והטמפרטורה של ממשק חול האוויר. כמו כן, השפעת מהירות האוויר על משקל המגש נחשבה לא חשובה אך היא מקור לשגיאה. ייתכן שחלק משגיאה זו גם הפחיתה את המתאם של מקדמי העברת החום והמסה. מקדמים אלה חושבו תיאורטית והוכחו כמתאם. עם זאת, הנתונים הניסיוניים לא הראו מגמה משמעותית, למרות היותם דומים תיאורטית.

מייבש מגש שימש למדידת קצב הייבוש של חול ביחס להעברת חום קונבקטיבית ומוליכת. באמצעות המייבש בשלוש רמות הספק שונות ושני קצבי זרימה שונים, נמצאו שש ערכות נתונים ניסיוניות. המדידות נלקחו על ידי שקילה של תערובת החול / מים במרווחים של חמש דקות.

ניסוי זה עשה שימוש בחוק החימום של ניוטון, דוגמנות קצב ייבוש, ומידול חום והעברת המונים. מקדמי העברת חום ומסה נקבעו באמצעות מודל שכבת גבול. תיאורטית, מקדמי העברת החום וההמוניה מראים מתאם ליניארי חיובי חזק מאוד. למרות שתוצאות הניסוי הראו מגמה חיובית גם כן, הנתונים לא היו מדויקים מכדי להציג מתאם משמעותי בין השניים.

ניתן להשתמש בייבוש מגשים במגוון תחומים. תחום אחד כזה הוא תרופות. בתרופות, מייבשי מגש משמשים לייבוש חומרי בסיס רבים ושונים, כולל חומרים דביקים, גרגיריים וגבישיים². פלסטיק רבים המשמשים תרופות ניתן לייבש במייבשי מגש². בנוסף, משקעים, משחות ומסות רטובות אחרות יכולים להתייבש עם מייבש מגשים, יחד עם תרופות גולמיות, כימיקלים, אבקות וגרגרי טבליות. אפילו ציוד מסוים מיובש במייבשים^2. מייבשי מגש מציעים יתרונות רבים לתעשייה זו, שכן הם משמשים עבור אצוות, אשר יכול להשתנות בגודל ויטופל ללא הפסדים². המייבשים מותאמים גם הם בקלות ללוות חומרים אחרים בצורה יעילה². במקרים מסוימים, מייבשי מגש בריק משמשים לייבוש מוצרים רגישים לחום כמו ויטמינים².

מייבשי מגש משמשים גם לעיבוד^{מזון 3.} ניתן לפזר את המזון דק ובאופן שווה על המגשים לייבוש³. בהתאם לסוג המזון, ייבוש יכול להתבצע על ידי חימום עם אוויר נע על פני המגשים, הולכה מגשים מחוממים או מדפים, או קרינה טופס משטחים מחוממים אחרים³. אוויר יכול לשמש עם היתרון הנוסף של הסרת אדים לחים, אם כי זה יכול להיות בעיה עבור מזונות מסוימים³.