suszenie miazgi ziemniaczanej zaabsorbowanej na nośniku

ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2008 z. 530: 381-387
SUSZENIE MIAZGI ZIEMNIACZANEJ ZAABSORBOWANEJ
NA NOŚNIKU POROWATYM
W SUSZARCE FONTANNOWEJ
1
2
Stanisław Peroń , Anna Pęksa , Mariusz Surma
1
2
1
Instytut InŜynierii Rolniczej, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Katedra Technologii Rolnej i Przechowalnictwa, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Wstęp
Alternatywną metodą suszenia surowców o konsystencji miazgi (np. wycierki
ziemniaczanej) moŜe być suszenie „nośnikowe” zwanym równieŜ kontaktowosorpcyjnym [MITURA, KAMIEŃSKI 1994; KOZŁOWSKI i in. 2006].
Metoda polega na wymieszaniu w odpowiednich proporcjach miazgi z nośnikiem, zgranulowaniu mieszaniny oraz jej wysuszeniu. PoniewaŜ zarówno otręby
pszenne (jako nośnik) jak i wycierka ziemniaczana (jako surowiec) stanowią produkty
uboczne - stąd ich skojarzenie wydaje się być odpowiednim sposobem zagospodarowania tych surowców np. na paszę.
Celem pracy było zbadanie przebiegu procesu suszenia w złoŜu fontannowym
miazgi ziemniaczanej zaabsorbowanej na nośniku porowatym, jakim były otręby
pszenne. Badania zmierzały w kierunku:
oceny przebiegu procesu suszenia miazgi ziemniaczanej zaabsorbowanej na
nośniku - otrębach pszennych w warunkach złoŜa fontannowego w zaleŜności od
temperatury czynnika suszącego,
sformułowanie opisu kinetyki procesu suszenia fontannowego miazgi ziemniaczanej zaabsorbowanej na otrębach.
Warunki i metodyka badań
Na rysunku 1 przedstawiono schemat laboratoryjnej suszarki fontannowej, na
której prowadzono badania. Wentylator promieniowy (1) zasysał powietrze z otoczenia
a następnie tłoczył je poprzez nagrzewnicę elektryczną (3) do stoŜkowo-cylindrycznej
komory suszenia (5) wypełnionej surowcem (6). Komorę (5) wykonano częściowo ze
szkła organicznego. Średnica części cylindrycznej komory wynosiła 0,09 m, jej
pojemność ok. 0,00213 m3 a kąt rozwarcia stoŜka w dolnej części komory 80°. Po
stronie ssącej wentylatora znajdowała się zasuwa (2) umoŜliwiająca regulację
przepływu czynnika suszącego przez złoŜe suszonego materiału.
382
Rys. 1.
Fig. 1.
S. Peroń, A. Pęksa, M. Surma
Schemat stanowiska pomiarowego: 1 - regulator temperatury, 2 - termopara, 3 nagrzewnica 4 - wentylator, 5 - komora suszenia, 6 - złoŜe materiału, 7 - miernik
temperatury i prędkości czynnika suszącego, 8 - wilgotnościomierz
Scheme of measuring stand: 1 - temperature controller, 2 - thermoelement, 3 - heater,
4 - fan, 5 - drying chamber, 6 - spouted bed, 7 - the measure of temperature and
speed of factor drying, 8 - hygrometer
Utrzymanie zadanej temperatury suszenia (± 0,1°C) w komorze umoŜliwiał
regulator temperatury (4). Anemometr skrzydełkowy (8) umieszczony wewnątrz króćca
pomiarowego pozwalał na pomiar i odczyt prędkości czynnika suszącego przez komorę
suszarki, z dokładnością ± 0,1 m⋅s-1. Do badań wykorzystano ziemniaki odmiany Bryza.
Z ziemniaków przygotowano na tarce miazgę, z której odsączano wodę do osiągnięcia
wilgotności ok. 70%. Następnie miazgę mieszano z otrębami pszennymi o wilgotności
ok. 12% w stosunku wagowym 1 : 1 i granulowano w granulatorze ciśnieniowym
uzyskując sypki materiał w formie makaroników o średnicy ok. 5 mm i długości 5÷20
mm i wilgotności 37,5÷40,6% - zdolny do fontannowania, przy prędkości powietrza na
wlocie wynoszącej 5÷6 m⋅s-1. Po przygotowaniu odpowiedniej porcji granulatu,
pobierano z niej próbę o masie ok. 300 g, którą po zwaŜeniu umieszczano w komorze
suszenia formując warstwę surowca o wysokości Ho = 0,15 m i suszono.
Suszenie prowadzono w temperaturze 50° i 90°C do końcowej wilgotności ok.
10%. Pomiaru ubytków masy próbek dokonywano, co 2 minuty, kaŜdorazowo
zdejmując ze stanowiska i waŜąc komorę suszenia z zawartością na wadze technicznej z
dokładnością ± 0,1 g. Wilgotność początkową i końcową materiału określano metodą
suszarkową w temperaturze 105°C. Szybkość suszenia obliczano w oparciu o mierzone
ubytki wody w surowcu. Średni objętościowy strumień odparowania qv obliczano
odnosząc ubytki masy próbki surowca do 1 m3 objętości komory suszenia i do czasu 1
godziny. Czas trwania procesu suszenia mierzono zegarem z sekundnikiem. KaŜdy cykl
pomiarów powtarzano trzykrotnie.
SUSZENIE MIAZGI ZIEMNIACZANEJ ZAABSORBOWANEJ NA NOŚNIKU ...
383
Wyniki pomiarów
Wpływ dwóch skrajnych temperatur czynnika suszącego (50 i 90°C) na dynamikę
wysychania fontannującego złoŜa miazgi ziemniaczanej zaabsorbowanej na pszennych
otrębach pokazano na rysunku 2. Na kaŜdy z punktów składa się średnia z 3 pomiarów.
Rys. 2.
Spadek zawartości wody u w czasie τ dla róŜnych temperatur czynnika suszącego Ho
= 0,15 m, v = 6 m⋅s-1
Fig. 2.
Drop of water fraction u versus time τ at different temperatures of drying medium Ho
= 0.15 m, v = 6 m⋅s-1
Jak wynika z przebiegu punktów, temperatura czynnika suszącego (zgodnie
z oczekiwaniem) wpływała istotnie na dynamikę procesu. W przypadku wyŜszej
temperatury czynnika suszącego wynoszącej 90°C - wysuszenie surowca od zawartości
wody ok. 0,6 do ok. 0,1 kg H2O⋅kg-1 s.m. - trwało 10 minut, a spadek zawartości wody u
w czasie τ przebiegał wykładniczo według zaleŜności:
u = 0,6415e-0,2035x
(1)
2
przy współczynniku determinacji R = 0,99.
Dla niŜszej temperatury czynnika suszącego (przy zachowaniu stałości pozostałych parametrów procesu) niezbędny czas do wysuszenia materiału wyniósł ok. 30
minut. ZaleŜność spadku zawartości wody w czasie (pomijając 2 pierwsze minuty
procesu) moŜna tutaj równieŜ opisać równaniem wykładniczym w postaci:
u = 0,634e-0,0692x
2
(2)
przy współczynniku determinacji R = 0,99.
PoniewaŜ wilgotność początkowa surowca suszonego w temperaturze 50°C była
wyŜsza o ok. 3% od wilgotności materiału suszonego w 90°C - dodatkowo na rysunku 2
pokazano spadek zredukowanej zawartości wody Ured w funkcji czasu, co pozwoliło na
porównanie przebiegu procesu suszenia obu surowców w zaleŜności od temperatury
S. Peroń, A. Pęksa, M. Surma
384
czynnika suszącego.
Rys. 3.
Fig. 3.
Zmiany zredukowanej zawartości wody Ured w funkcji czasu τ dla róŜnych temperatur czynnika suszącego Ho = 0,15 m, v = 6 m⋅s-1
Change of reduced water fraction Ured versus time at different temperatures of drying
medium Ho = 0.15 m, v = 6 m⋅s-1
Rysunek 4 przedstawia przebieg szybkości suszenia du/dτ w funkcji zawartości
wody u - dla wspomnianych temperatur czynnika suszącego.
Rys. 4.
Szybkość suszenia w zaleŜności od zawartości wody dla róŜnych temperatur
SUSZENIE MIAZGI ZIEMNIACZANEJ ZAABSORBOWANEJ NA NOŚNIKU ...
Fig. 4.
385
czynnika suszącego Ho = 0,15 m, v = 6 m⋅s-1
Drying rate versus water content for different temperatures of drying medium Ho =
0.15 m, v = 6 m⋅s-1
Jak wynika z przebiegu punktów dla temperatury czynnika suszącego 90°C
maksymalna wartość szybkości suszenia wynosiła 0,081 kg H2O⋅kg-1 s.m.⋅min-1, minimalna ok. 0,015 kg H2O⋅kg-1 s.m.⋅min-1. Średnią wartość du/dτ dla wspomnianego
okresu moŜna przyjąć jako 0,052 kg H2O⋅kg-1 s.m.⋅min-1.
W przypadku temperatury suszenia 50°C maksymalna wartość szybkości
suszenia wynosiła 0,049 kg H2O⋅kg-1 s.m.⋅min-1, aby pod koniec procesu zmaleć do
0,006 kg H2O⋅kg-1 s.m.⋅min-1 Średnia wartość du/dτ dla temperatury czynnika 50°C
moŜna oszacować na ok. 0,02 kg H2O⋅kg-1 s.m.⋅min-1.
Istotną wielkością świadczącą o przydatności suszarki dla praktyki jest masa
wody, jaką moŜna odparować z jednostki objętości komory suszenia w jednostce czasu,
czyli tzw. objętościowy strumień wilgoci qv.
Na rysunku 5 pokazano zaleŜność średniej wartości qv od temperatury czynnika
suszącego.
temperatura; temperature (°C)
Rys. 5.
Wpływ temperatury suszenia na wielkość średniego objętościowego strumienia
wilgoci Ho = 0,15 m, v = 6 m⋅s-1
386
Fig. 5.
S. Peroń, A. Pęksa, M. Surma
The influence of drying medium temperature on the value of average volumetric
stream of moisture Ho = 0,15 m, v = 6 m⋅s-1
Jak wynika z histogramu wzrost temperatury czynnika suszącego z 50 do 90°C
(przy zachowaniu stałości grubości warstwy surowca oraz stałej prędkości czynnika
suszącego) spowodował wzrost wielkości qv od ok. 94 do ok. 144 kg H2O⋅m-3 na godz.
Dla porównania wielkość qv np. dla suszarek tunelowych do owoców i warzyw
(przy temperaturze czynnika na wlocie ok. 66°C i jego prędkości ok. 1,4 m⋅s-1
oszacowana na podstawie literatury [PABIS, KULIK 1991] wahała się w granicach 2,2÷3,11
kg H2O⋅m-3⋅godz.-1.
RóŜnice co do wielkości strumienia wilgoci między suszarką tunelową
a fontannową przytoczoną w niniejszej publikacji mogą budzić wątpliwości. NaleŜy
jednak zaznaczyć, Ŝe w przypadku fontannowania złoŜa obserwuje się intensywne
odnawianie powierzchni cząstek surowca trących o siebie i ściany komory a takŜe
wysokie i wyrównane wartości współczynnika wnikania ciepła od czynnika suszącego
do cząstek, co wspomaga proces suszenia. Z drugiej strony wiadomo, Ŝe materiał
roślinny złoŜony z Ŝywych komórek (np. krajanki owocowo-warzywne) trudniej „traci”
wodę niŜ, np. miazga ziemniaczana ze zniszczoną na tarce strukturą komórkową, której
płyn komórkowy - dodatkowo jeszcze zaabsorbowano na porowatym „szkielecie”
nośnika - jakim były otręby. Szkielet taki charakteryzuje się tym, Ŝe łatwo wiąŜe wodę,
ale równieŜ łatwo ją oddaje [WITROWA, RAJCHERT 1999]. Stąd sprzęŜenie tych
mechanizmów mogło spowodować wysoką intensywność odparowania wody.
Nie bez znaczenia jest równieŜ fakt, Ŝe w przypadku suszarki fontannowej najczęściej korzystniejszy jest stosunek objętości surowca do objętości komory suszenia
niŜ, np. w przypadku suszarki tunelowej lub taśmowej.
Wnioski
1.
Spadki zawartości wody w surowcu suszonym fontannowo w temperaturze 50°C
i 90°C moŜna opisać w całym zakresie procesu suszenia równaniem
wykładniczym przy wysokim współczynniku determinacji.
2.
Wzrost temperatury czynnika suszącego od 50°C i 90°C skutkował ponad
dwukrotnym zwiększeniem średniej szybkości suszenia.
3.
Proces suszenia fontannowego charakteryzował się wysoką wartością średniego
objętościowego strumienia wilgoci qv wahającą się w zaleŜności od temperatury
powietrza od ok. 94 do ok. 147 kg H2O⋅m-3⋅godz.-1.
Literatura
MITURA E., KAMIEŃSKI W. 1994. Suszenie serwatki na nośniku porowatym. Mat. VIII
Symp. Suszarnictwa, 20-22 VI, Warszawa: 281-289.
KOZŁOWSKI R., PEROŃ S., ZDROJEWSKI Z., KRAJEWSKI M. 2006. Wstępne badania suszenia
gęstwy droŜdŜowej zaabsorbowanej na nośniku porowatym w suszarce fontannowej.
InŜynieria Rolnicza 3(78): 161-168.
PABIS J. KULIK J. 1991. Kierunki rozwoju suszarnictwa warzyw w Polsce. Mat. VII Symp.
Suszarnictwa, Łódź: 115-122.
WITROWA-RAJCHERT D. 1999. Rehydracja jako wskaźnik zmian zachodzących w tkance
SUSZENIE MIAZGI ZIEMNIACZANEJ ZAABSORBOWANEJ NA NOŚNIKU ...
387
roślinnej w czasie suszenia. Rozpr. habilit., Fundacja Rozwój SGGW Warszawa: 11-21.
Słowa kluczowe:
miazga ziemniaczana, nośnik porowaty, suszarka fontannowa
Streszczenie
Doświadczenie przeprowadzono w laboratoryjnej suszarce fontannowej. Pomiary
prowadzono przy stałej prędkości powietrza na wlocie (ok. 6 m⋅s-1) i dwóch
temperaturach suszenia (50°C i 90°C). Początkowa wysokość złoŜa suszonego
materiału wynosiła 0,15 m. PodwyŜszenie temperatury czynnika suszącego od 50°C do
90°C spowodowało w warunkach doświadczenia wzrost średniej szybkości suszenia od
ok. 0,02 do ok. 0,052 kg H2O⋅kg-1 s.m.⋅min-1 oraz wzrost średniego strumienia
odparowania od ok. 94 do ok. 147 kg H2O⋅m-3⋅godz.-1.
DRYING OF POTATO PULP ABSORBED
ON THE POROUS CARRIER
IN A SPOUTED DRYER
Stanisław Peroń 1, Anna Pęksa 2, Mariusz Surma 1
1
Institute of Agricultural Engineering,
University of Environmental and Life Sciences, Wrocław
2
Department of Food Storage and Technology,
University of Environmental and Life Sciences, Wrocław
Key words:
potato pulp, porous carrier, spouted bed dryer
Summary
The trials were carried out in a laboratory spouted dryer. Measurements were
taken at a constant air flow velocity in the inlet (v = 6 m⋅s-1) and two temperatures of
drying (50 and 90°C). The initial height of dried material was 0.15 m. Increasing of the
temperature of drying medium from 50°C to 90°C, caused the growth of the average
drying rate of ca. 0.02-0.052 kg H2O⋅kg-1 DM⋅min-1, and the growth of average
volumetric moisture flux value of ca. 94-147 kg H2O⋅m-3⋅ h-1.
Prof. dr hab. Stanisław Peroń
Instytut InŜynierii Rolniczej
Uniwersytet Przyrodniczy
ul. Chełmońskiego 37/41
51-630 WROCŁAW
e-mail: [email protected]