Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Chemical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

שימוש במייבש מגשים לחקר העברת חום קונבקטיבית ומוליכת
 
Click here for the English version

שימוש במייבש מגשים לחקר העברת חום קונבקטיבית ומוליכת

Overview

מקור: מייקל בנטון וקרי מ. דולי, המחלקה להנדסה כימית, אוניברסיטת לואיזיאנה סטייט, באטון רוז', לוס אנג'לס

מייבשי כביסה מנוצלים בתהליכים תעשייתיים רבים. תפקידו של מייבש הוא להשתמש בתהליכי העברת חום כדי לייבש מוצקים. קיימים מגוון סוגי מייבשי כביסה. מייבשי כביסה אדיאבטיים משתמשים בצינור ובמגע ישיר עם גזים כדי לייבש מוצקים, ואילו מייבשים שאינם אדיאבטיים משתמשים בשיטות שאינן מגע גז מחומם כדי לייבש1, כולל הולכה, קרינה וייבוש תדר רדיו1. מייבשי כביסה יכולים לשמש לתהליכי אצווה או שהם נמצאים בשימוש רציף1.

בניסוי זה, ההשפעות של טמפרטורה ומהירות אוויר על קצב הייבוש של חול ייקבעו באמצעות מייבש מגש. שלוש הגדרות הספק שונות (1000 W, 1500 W ו- 2500 W) עבור שתי קצבי זרימת אוויר שונים ייבחנו, ויספקו בסך הכל שש ערכות נתונים. מנתונים אלה, ניתן לחשב את מקדמי העברת החום וההמסה.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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,

Equation 1משוואה 1

כאשר q הוא החום מועבר, ṁ הוא המים התאדו בכמות מוקצית של זמן או קצב של אידוי, ∆אד H הוא אנטלפיה של אידוי, hy הוא מקדם העברת חום,אוויר T הוא טמפרטורת האוויר, ו Tהוא 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.

Equation 2משוואה 2

כאשר ky 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.

Equation 3משוואה 3

Equation 4משוואה 4

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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.

ייבוש מגש הוא תהליך העברת חום ומסה קונבקטיבי הנפוץ בתעשייה להפרדת מוצקים מנוזלים. בייבוש מגש, זרם של גז חם מועבר על מוצק לח כדי לאדות את הנוזל. התהליך אינו דורש תסיסה ומאפשר שליטה על הטמפרטורה ומאפיינים אחרים. הגמישות של ייבוש מגש מאפשרת להשתמש בו בייצור כימי, פרמצבטי ומזון לפני האריזה. למרות שלכארה פשוט, התהליך דורש בדרך כלל ניסויים יסודיים כדי לייעל את תנאי הייבוש מבלי לפגוע מוצק. סרטון וידאו זה ימחיש כיצד פועל מייבש מגשים, ידגים הליך טיפוסי לניסויים בייבוש וידון ביישומים מסוימים.

בתור התחלה, בואו נסתכל על הפעולה של מייבש מגש. העיצוב הבסיסי ביותר משתמש במסגרת מתכת מלבנית המורכבת מפרצון אוויר, מכונות הנשמה, תנורי חימום, תא מגש ושקע. המוצק הרטוב נטען לתוך מגש רדוד, אשר ממוקם בתא המגש. מכונות ההנשמה והתנורים כופים זרם של גז חם על המגש בטמפרטורה ובקצב זרימה מבוקרים בקפידה. הנוזל במגש מתאדה, ומוסר מהסוליד. ייבוש מגש הוא תהליך אצווה, כלומר תוספת והסרה של מוצקים מהמייבש הם שלבים נפרדים שאינם יכולים להתרחש בו זמנית. יתרונותיו על פני שיטות ייבוש אחרות כוללים פשטות, וגמישות פעולה, ועלויות קבועות נמוכות יחסית. החסרונות שלה כוללים עלויות עבודה גבוהות ושימוש גבוה באנרגיה, אם כי האחרון יכול להיות מקוזז במקצת על ידי סינון ויצירת מראש את מוצק. כעת, לאחר שראינו כמה יסודות לאופן שבו מכונות ייבוש פועלות, בואו נסתכל על האופן שבו מתרחשת ההפרדה.

הפרדת הנוזל מהסולי מורכבת משני שלבים. בשלב הראשון, הגז מעביר חום לנוזל באמצעות הסעה, גורם לנוזל להתאדות. קצב העברת החום, ולכן קצב האידוי תלוי בהפרש הטמפרטורה בין הגז לנוזל וקבוע מידתי שנקבע אמפירית הנקרא "מקדם העברת חום קונבקטיבי". בשלב השני, הנוזל שהתאדה לאחרונה מועבר הרחק מהממשק באמצעות העברת מסה קונבקטיבית כדי למנוע עיבוי מחדש. קצב תהליך זה תלוי בהבדל בריכוז האדים בין הממשק לבין עיקר זרם הגז. קבוע המידתיות האמפירית כאן הוא מקדם העברת המסה הקונבקטיבי. למרות שניתן להעריך את המקדחים, הם ייחודיים ליבש המוצק והגיאומטריה של מייבש המגש. יתר על כן, הקדמים תקפים רק כל עוד המשטח המוצק רווי. לאחר לחות פני השטח הופחתה באופן משמעותי, קצב הייבוש יקטן ככל שהתנועה הפנימית של הנוזל בתוך המוצק תהפוך למנגנון העברת המסה הדומיננטי. עכשיו שאתם יודעים את העקרונות, בואו נראה את הליך הייבוש לדוגמה.

הדגמה זו ממחישה את ייבושה של ריר מי חול בטמפרטורות ובמהירויות אוויר שונות. ראשית, בדוק את המייבש עבור סיכוני בטיחות ולוודא psychrometer והתקני מדידה אחרים מוכנים לשימוש. הכן את העכוס על ידי ערבוב 500 גרם של חול עם 150 גרם של מים. יוצקים את התסיסה לתוך המגש ומוודאים שהיא מתפשטת באופן שווה. הפעל את היחידה, והצב את המגש בתא הייבוש, ורשום את המשקל. לאחר מכן, להפעיל את המפוח ואת המייבש. הגדר את מהירות האוויר והטמפרטורה לניסוי. כל ניסוי יימשך 45 דקות עם מדידות שנלקחו במרווחים של חמש דקות. השתמש במדחום דיגיטלי כדי למדוד את טמפרטורת האוויר, טמפרטורת החול וטמפרטורת האוויר בשקע. השתמש בפסיכיאטר כדי למדוד את הנורה היבשה וטמפרטורות הנורה הרטובה. לבסוף, להקליט את קצב זרימת האוויר שקע ואת המשקל מן היתרה. חזור על התהליך עבור כל ערכת הגדרות, ובסך הכל ארבע ריצות ייחודיות. כאשר הריצה הושלמה, השתמש בתרשימים פסיכיאטריים או בכלים דומים כדי למצוא את הלחות המוחלטת.

שיעור האידוי עבור כל ניסוי נקבע על ידי התוויית משקל התסיסה כפונקציה של זמן. עליית הטמפרטורות תואמת באופן חיובי עם קצב העברת החום המוליך, ובכך שיעור האידוי. הגדלת מהירות האוויר קשורה לשיעורים גבוהים יותר של העברת חום קונבקטיבית והעברת מסה, וגם מגבירה את שיעורי האידוי. יש מתאם ליניארי חיובי בין טמפרטורת האוויר וקצב האידוי, כמו גם בין זרימת האוויר וקצב האידוי. עם זאת, המתאם הניסיוני בין מקדמי העברת החום וההמסה היה חלש מהצפוי. ייתכן שהסיבה לכך היא הלחות היחסית בממשק חול האוויר או מהשפעת מהירות האוויר על משקל המגש.

ייבוש מגש מיושם בדרך כלל ביישומים תעשייתיים, הן בייצור כימי מיוחד והן בייצור בקנה מידה גדול יותר, שבו הוצאות העבודה אינן גדולות מדי. מייבשי מגשים משמשים בתעשיית עיבוד המזון, בדרך כלל כשלב הייצור האחרון לפני האריזה. כדי להגביר את שיעורי האידוי תוך שליטה על איכות המזון, המייבש עשוי להיות מצויד במנגנוני ייבוש עקיפים, כגון מגשים מחוממים וחימום בתדר רדיו. ניתן לשנות את תנאי החימום במהלך מחזור הייבוש כדי למנוע מחומרים מוצקים להתפרק, עיוות או פיצוח. מייבשי מגשים שימושיים במיוחד במתקנים שבהם מספר מזונות שונים, מוכנים בכמויות שונות, חייבים להיות מיובשים בתנאים ייחודיים של טמפרטורה ולחות. עיצוב מייבש חלופי משתמש במשאיות מרובות מגשים. בתעשיית התרופות, משאיות משמשות כדי להפחית את הזמן ואת העבודה ולהגדיל את אחידות המוצר. עיצוב זה משתמש במזמטורים ובבלבלים כדי לשלוט בזרימת האוויר, להימנע מאזורים מתים ולשמור על טמפרטורה ולחות עקביות. עבור כימיקלים רגישים, נוצרות אטמוספרות אינרטיות. מכיוון שייבוש מגש הוא עדין יותר פיזית משיטות של מיטת נוזלים או חבטה סיבובית, הוא מתאים לייבוש של חומרים גבישיים דביקים כגון אבקות ותרופות גולמיות.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב למייבש המגשים. כעת עליך להבין את העקרונות של ייבוש מגשים, תהליך לעריכת ניסויי ייבוש מגשים ויישומים מסוימים. תודה שצפיתם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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.

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

Figure 2
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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

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 במייבשים2. 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 לעיבודמזון 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter