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트레이 건조기를 사용한 대류 및 전도열 전달 조사
 
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트레이 건조기를 사용한 대류 및 전도열 전달 조사

Overview

출처: 마이클 G. 벤턴과 케리 M. 둘리,화학 공학부, 루이지애나 주립 대학, 배턴 루지, LA

건조기는 수많은 산업 공정에서 활용됩니다. 건조기의 기능은 열 전달 공정을 사용하여 고체를 건조하는 것입니다. 다양한 건조기 유형이 존재합니다. Adiabatic 건조기는 대류와 가스와의 직접 접촉을 사용하여 고체를 건조시키는 반면, 비아디아바틱 건조기는 가열된 가스 접촉 이외의 방법을 사용하여 전도, 방사선 및 무선 주파수 건조1을포함하여1을건조시합니다. 건조기는 배치 프로세스에 사용하거나 연속 사용1에있을 수 있습니다.

본 실험에서는, 모래의 건조 속도에 대한 온도 및 공기 속도의 효과는 트레이 건조기를 사용하여 결정될 것이다. 두 개의 서로 다른 공기 유량에 대한 세 가지 다른 전원 설정 (1000 W, 1500 W 및 2500 W)이 테스트되어 총 6 개의 데이터 세트를 제공합니다. 이 데이터에서 열 및 질량 전달 계수를 계산할 수 있습니다.

Principles

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트레이 건조기는 유동식 침대 건조기, 냉동 건조기 및 진공 건조기를 포함하는 배치 건조기의 한 유형입니다. 트레이 건조기는 대류 열 전달을 사용하여 고체 위로 가열된 공기를 흐르고 건조시합니다. 그들은 제약 및 기타 화학 물질의 생산을 포함하여 다양한 산업에 의해 사용된다1. 반면 연속 건조기는 식품산업1과같은 대량 제품 산업에서 흔히 볼 수 있다.

일반적인 트레이 드라이어에서 공정을 시작하기 위해 트레이는 모래와 같은 젖은 고체로 고르게 채워져 장치에 적재됩니다. 건조기의 조절식 팬과 히터는 건조 채널을 통해 팬의 공기 흐름 속도의 연속적 변화, 500와트 증분의 열 관세 변화를 허용합니다. 건조기가 작동함에 따라 모래에서 공기 로 물이 증발합니다. 건조율은 초기 고체/물 혼합물을 계량하고 최종 건조 고체의 무게를 다양한 시간 간격으로 빼서 계산됩니다.

열 전달은 모래와 주변 공기 사이의 온도 차이에 의해 구동됩니다. 단순화 된 뉴턴의 가열 법칙 (방정식 1)을 사용하여 가열 된 공기와 모래 공기 인터페이스 사이의 열 전달을 모델링하여 실험적인 열 전달 계수를 얻을 수 있습니다. 다른 열 관세 조건은 수학식 1의 용어에 비해 무시할 수 있습니다.

Equation 1방정식 1

여기서 q는 열이 전송되는 경우, ṁ 증발의 할당된 양또는 속도로 증발되는 물이며, ∆Hvap는 기화의 엔탈피이며, hy는 열 전달 계수이고, T공기는 공기 온도이고,Ts는 모래의 표면 온도이다.

실험적인 질량 전달 계수를 얻기 위해 모래에서 공기로물의 이송은 실제 위상 경계를 가로질러 흐르는 질량 전달로 모델링됩니다. 건조 속도 방정식(방정식 2)은 이 모델입니다.

Equation 2방정식 2

여기서 ky는 질량 전달 계수이고, C는 물의 농도이고, A는 경계의 표면적이다. 모래(C)와공기(C∞)의 물 농도는 각각 질량 균형 및 심령 차트를 사용하여 얻을 것이다. 이들은 건조 속도에 대 한 해결 하기 위해 사용 됩니다.

이론적 값은 열 및 질량 전달 계수를 계산하여 실험 데이터와 비교할 수 있습니다. 이론적 열(식인3) 및 질량(수학식 4) 전달 계수는 상관관계와 관련된 물질의 특성으로부터 얻어진다.

Equation 3방정식 3

Equation 4방정식 4

여기서 Re는 레이놀즈 번호, Pr은 Prandtl 번호, Sc는 슈미트 번호, DAB는 공기 중물의 확산도, L은 길이이고, K는 열 전도도이다.

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Procedure

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실험은 네 개의 실행으로 구성되며, 각 실행은 두 개의 팬과 열 설정 중 하나의 다른 조합을 테스트합니다.

1. 트레이 드라이어 작동

  1. 모래 500g과 150mL의 물을 혼합하여 슬러리를 준비하고 장치의 실험 트레이에 적재합니다. 혼합물을 트레이에 고르게 펴놓습니다.
  2. 메인 유닛을 끄면 트레이를 건조 챔버에 놓습니다.
  3. 메인 유닛을 켜고 송풍기와 히터를 켭니다.
  4. 각 런에 대해 공기 속도와 온도를 설정합니다. 세 가지 공기 속도는 0.8 ft/s에서 2.0 ft/s(고, 중간 및 낮음)에 이르기까지 다양하며 195º F 정도의 일정한 온도가 있습니다. 세 온도는 130 ~ 200 ºF에서 1.8 ft /s의 일정한 공기 속도를 가져야합니다.
  5. 전체 실행 시 5분마다 측정을 수행하며, 45분 동안 지속됩니다. 수집된 데이터에는 유입 공기 온도, 모래 온도, 모래 무게, 출구 공기 온도, 출구 공기 흐름 속도, 건전구 온도 및 젖은 전구 온도가 포함되어야 합니다. 온도 측정값, 공기 흐름에 대한 공기 흐름 설정, 모래 무게를 위한 디지털 스케일, 습식 및 건전구 온도를 위한 슬링 사이크롬터를 사용하는 디지털 온도계를 사용합니다.
  6. 각 설정 집합에 대한 프로세스를 반복하여 총 4개의 고유한 실행을 합리로 설정합니다.

트레이 건조는 고체를 액체와 분리하는 데 일반적으로 사용되는 대열 및 질량 전달 프로세스입니다. 트레이 건조시, 뜨거운 가스의 스트림은 액체를 기화하는 축축한 고체를 통해 전달됩니다. 이 프로세스는 교반이 필요하지 않으며 온도 및 기타 특성을 제어할 수 있습니다. 트레이 건조의 유연성은 포장 전에 화학, 제약 및 식품 생산에 사용될 수 있습니다. 겉으로보기에는 간단해 보이지만, 이 과정은 일반적으로 고체를 손상시키지 않고 건조 조건을 최적화하기 위해 철저한 실험이 필요합니다. 이 비디오는 트레이 건조기의 작동 방식을 설명하고, 건조 시험의 일반적인 절차를 시연하며, 일부 응용 프로그램에 대해 설명합니다.

먼저 트레이 드라이어의 작동을 살펴보겠습니다. 가장 기본적인 디자인은 공기 입구, 환기기, 히터, 트레이 컴파트먼트 및 콘센트로 구성된 직사각형 금속 프레임을 사용합니다. 젖은 솔리드가 트레이 컴파트먼트에 배치되는 얕은 트레이에 적재됩니다. 인공호흡기와 히터는 조심스럽게 제어되는 온도와 유량으로 트레이 위에 뜨거운 가스의 흐름을 강제로 공급합니다. 트레이의 액체가 증발하고 고체에서 제거됩니다. 트레이 건조는 배치 공정으로, 건조기에서 고체를 첨가하고 제거하는 것은 동시에 발생할 수 없는 개별 단계입니다. 다른 건조 방법에 비해 장점은 단순성, 작동 유연성, 상대적으로 낮은 고정 비용을 포함한다. 그 단점은 높은 인건비와 높은 에너지 사용을 포함, 후자는 필터링 및 고체를 사전 형성하여 다소 상쇄 될 수 있지만. 이제 건조 기계가 어떻게 작동하는지에 대한 몇 가지 기본 을 보았으니 분리가 어떻게 발생하는지 살펴보겠습니다.

고체로부터 액체를 분리하는 것은 두 단계로 구성됩니다. 첫 번째 단계에서 는 가스가 대류를 통해 액체로 열을 전달하여 액체가 증발합니다. 열 전달 속도, 따라서 증발의 속도는 가스와 액체 사이의 온도 차이와 경험적으로 결정된 비례상수에 따라 달라집니다 "대류 열 전달 계수." 두 번째 단계에서, 새로 기화된 액체는 회결을 방지하기 위해 대류 질량 전달을 통해 인터페이스에서 멀리 전달된다. 이 공정의 속도는 계면과 가스 스트림의 대량 사이의 증기 농도의 차이에 따라 달라집니다. 여기서 경험적 비례성은 대류 질량 전달 계수이다. 계수를 추정할 수 있지만, 건조되는 고체와 트레이 건조기의 형상에 고유합니다. 또한 계수는 고체 표면이 포화된 경우에만 유효합니다. 표면 수분이 현저히 낮아진 후, 고체 내의 액체의 내부 움직임이 지배적인 질량 전달 메커니즘이 됨에 따라 건조속도가 감소합니다. 원리를 알고 있으므로 시료 건조 절차를 살펴보겠습니다.

이 데모는 다양한 온도와 공기 속도에서 모래 물 슬러리의 건조를 보여줍니다. 먼저 건조기에서 안전상의 위험을 확인하고 심령 및 기타 측정 장치를 사용할 수 있도록 하십시오. 500그램의 모래와 150그램의 물을 섞어 슬러리를 준비합니다. 슬러리를 트레이에 붓고 고르게 퍼지는 지 확인합니다. 장치를 켜고 트레이를 건조 챔버에 놓고 무게를 기록합니다. 그런 다음 송풍기와 건조기를 켭니다. 시험용 공기 속도와 온도를 설정합니다. 각 시험은 45분 동안 진행되며 5분 간격으로 측정됩니다. 디지털 온도계를 사용하여 인렛 공기 온도, 모래 온도 및 출구 공기 온도를 측정합니다. 건전구와 습전 온도를 측정하기 위해 심령크롬터를 사용합니다. 마지막으로, 콘센트 기류 속도와 균형에서 무게를 기록합니다. 각 설정 집합에 대한 프로세스를 반복하여 총 4개의 고유한 실행을 합리로 설정합니다. 실행이 완료되면 심령 차트 또는 이와 유사한 도구를 사용하여 절대 습도를 찾습니다.

각 시험의 증발 속도는 슬러리 중량을 시간의 함수로 플로팅하여 결정되었다. 온도 증가는 전도성 열 전달 속도와 긍정적 으로 상관관계가 있으므로 증발 속도. 공기 속도 증가는 대류 열 전달 및 질량 전송의 높은 속도와 관련이 있으며 증발 속도도 증가합니다. 공기 온도와 증발 속도 뿐만 아니라 공기 흐름과 증발 속도 사이에는 긍정적인 선형 상관 관계가 있습니다. 그러나 열과 질량 전달 계수 간의 실험 상관 관계는 예상보다 약했습니다. 이는 공기 모래 계면에서 상대습도 또는 트레이의 무게에 대한 공기 속도의 효과 때문일 수 있다.

트레이 건조는 전문 화학 생산과 인건비가 너무 크지 않은 대규모 제조 모두에서 산업 응용 분야에서 일반적으로 적용됩니다. 트레이 건조기는 식품 가공 산업에서 사용되며, 일반적으로 포장 전 마지막 제조 단계로 사용됩니다. 식품 품질을 제어하면서 증발 속도를 높이기 위해 건조기는 가열 된 트레이 및 무선 주파수 가열과 같은 간접 건조 메커니즘을 장착 할 수 있습니다. 가열 조건은 고체 물질이 분해, 변형 또는 균열을 방지하는 건조 주기 동안 변경할 수 있습니다. 트레이 건조기는 다양한 수량으로 제조된 여러 가지 식품이 독특한 온도 및 습도 조건에서 건조해야 하는 시설에서 특히 유용합니다. 대체 건조기 설계는 멀티 트레이 트럭을 사용합니다. 제약 산업에서 트럭은 시간과 노동력을 줄이고 제품 균일성을 높이는 데 사용됩니다. 이 설계는 재순환기와 배플을 사용하여 공기 흐름을 제어하고, 데드 존을 방지하며, 일관된 온도와 습도를 유지합니다. 민감한 화학 물질의 경우 불활성 대기가 생성됩니다. 트레이 건조는 유체 침대 또는 회전 회전 공중제비 방법보다 물리적으로 부드럽기 때문에 분말 및 원유 약물과 같은 끈적끈적한 결정성 물질의 건조에 적합합니다.

당신은 방금 트레이 건조기에 대한 JoVE의 소개를 지켜보았습니다. 이제 트레이 건조의 원리, 트레이 건조 실험 수행 프로세스 및 일부 응용 프로그램을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

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Results

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수집된 데이터로부터 다음 정보를 얻을 수 있다. 공기에 존재하는 물의 농도를 제공하는 절대 습도를 결정하기 위해 psychrometric 차트를 사용합니다. 열 전달 계수는 측정된 온도 및 방정식 1을 사용하여 계산할 수 있습니다. 그리고 마지막으로, 젖은 모래의 질량의 변화는 모래에서 물의 농도를 계산하는 데 사용할 수 있습니다.

모래의 수분 함량은 시간이 지남에 따라 선형적으로 감소했습니다. 예상대로, 증발 속도는 더 큰 유량과 열 관세로 증가하는 것으로 나타났습니다. 그들의 방정식에 따르면, 열 및 질량 전달 계수는 모래 공기 인터페이스에서 증발 속도에 직접 비례합니다. 열 및 질량 전달 계수의 이론적 값은 99%의 R2와 강한 양성 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 실험 값은 테스트 후 약한 상관 관계를 보였습니다.

공기 흐름과 증발 속도 사이의 관계와 온도와 증발 속도 사이의 관계는 모두 선형적으로 증가했습니다(그림 1, 그림 2). 공기 흐름(도 1) 증가 및 온도 증가(도 2)는 모두 증발 속도를 증가시켰습니다. 이러한 그래프는 공기 흐름이나 온도가 증가하고 다른 변수가 일정하게 유지되면 증발 속도가 동등한 속도로 증가하고 양수 선형 추세를 따른다는 것을 보여줍니다. 공기 유량 변화 시험은 대류 열 전달의 척도였으며, 온도 변화 테스트는 전도성 열 전달의 척도였다. 두 테스트의 합은 대류 및 전도성 열 전달 모두 증발 속도와선형 관계를 따르는 것을 보여줍니다.

Figure 1
그림 1: 대기 속도와 증발 속도 사이의 관계를 묘사하여 선형적으로 증가했습니다.

Figure 2
그림 2: 온도와 증발 속도 사이의 관계의 묘사, 이는 선형 증가.

공기 모래 인터페이스의 상대 습도 및 온도인 오류에 대한 가장 큰 소스와 측정에 오류의 많은 소스가 있습니다. 또한 트레이의 무게에 대한 공기 속도 효과는 중요하지 않은 것으로 간주되었지만 오류의 원인입니다. 이 오류 중 일부는 열 및 질량 전달 계수의 상관 관계를 감소시킬 수도 있습니다. 이 계수는 이론적으로 계산되었고 상관 관계가 입증되었습니다. 그러나 실험 데이터는 이론적으로 유사하지만 중요한 추세를 보이지 않았습니다.

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Applications and Summary

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트레이 건조기는 대류 및 전도성 열 전달에 대하여 모래의 건조 속도를 측정하는 데 사용되었다. 3개의 서로 다른 전력 레벨과 두 개의 서로 다른 유량의 건조기를 사용하여 6개의 실험 데이터 세트가 발견되었습니다. 측정은 5 분 간격으로 모래 / 물 혼합물을 계량하여 촬영했다.

이 실험은 뉴턴의 난방 법칙, 건조 속도 모델링, 열 및 질량 전달 모델링을 사용했습니다. 열 및 질량 전달 계수는 경계 층 모델을 사용하여 결정되었다. 이론적으로 열 및 질량 전달 계수는 매우 강력한 양양성 선형 상관관계를 보여줍니다. 실험 결과 긍정적인 추세도 보였지만, 데이터가 너무 부정확하여 둘 사이의 중요한 상관 관계를 표시하지 못했습니다.

트레이 건조는 다양한 분야에서 사용할 수 있습니다. 그러한 분야 중 하나는 제약입니다. 제약분야에서는 트레이 건조기가 끈적거리고 세분화된 재료2를포함한 다양한 기재를 건조하는 데 사용된다. 의약품에 사용되는 많은 플라스틱은 트레이 건조기2에서건조 될 수있다. 또한 침전물, 페이스트 및 기타 젖은 덩어리는 원유 약물, 화학 물질, 분말 및 태블릿 과립과 함께 트레이 건조기로 건조 할 수 있습니다. 심지어 일부 장비는 건조기2에서건조된다. 트레이 건조기는 크기가 다양하고 손실 없이 처리 될 수있는 배치에 사용되기 때문에이 업계에 많은 장점을 제공합니다2. 건조기는 또한 효율적인 방식으로 다른 재료와 함께 쉽게 조정2. 경우에 따라 진공의 트레이 건조기는 비타민2와같은 열에 민감한 제품을 건조하는 데 사용됩니다.

트레이 건조기는 식품 가공3에도사용됩니다. 식품은 건조3을위해 트레이에 얇고 고르게 펴질 수 있습니다. 식품의 종류에 따라 트레이를 가로 질러 움직이는 공기, 가열 된 트레이 또는 선반에서 전도 또는 방사선 형태로 가열 된 다른 가열 된 표면3을가열하여 건조를 수행 할 수 있습니다. 공기는 습한 증기를 제거의 추가 이점과 함께 사용할 수 있습니다, 이것은 일부 음식에 대한 문제가 될 수 있지만3.

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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

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