Pohyb vlhkosti v materiálu

Hodnota kritické vlhkosti zrna odpovídající prvnímu kritickému bodu kolísá v poměrně širokém rozmezí (17–24 %). Záleží jak na počáteční vlhkosti zrna, tak na režimu sušení. Čím vyšší je počáteční vlhkost, tím vyšší je rychlost sušení v prvním období, ale čím kratší je, tj. tím vyšší je první kritická vlhkost. Tento vzorec lze vysvětlit rozdílnými vazbami vlhkosti s bílkovinami a škrobem zrna.

Hygroskopičnost proteinového komplexu zrna je výrazně vyšší než hygroskopičnost škrobu a rychlost sušení proteinů je odpovídajícím způsobem nižší. Proto je ve vlhčím zrnu vlhkost vázána proteiny silněji. V důsledku odstranění škrobové vlhkosti je rychlost sušení na začátku procesu významná. Protože sušení proteinů probíhá nižší rychlostí, začíná období snižování rychlosti.

Při sušení obilí probíhá celý proces často s klesající rychlostí odpařování vlhkosti. To je pozorováno jak u moderních intenzivních metod a režimů sušení, tak i při sušení obilí s relativně nízkým obsahem vlhkosti.

Volbou vhodných režimů je možné zajistit, aby proces probíhal konstantní rychlostí sušení. Pokud se po nástupu období klesající rychlosti sušení přeruší přívod sušicího činidla a zrno se nechá v klidu, pak se po obnovení sušení opět pozoruje období konstantní rychlosti uvolňování vlhkosti.

Pro společnou analýzu výše popsaných vzorců procesu sušení je vhodné použít kombinovaný graf křivky sušení 1, rychlosti sušení 2 a teplotní křivky 3 (obrázek 16). Zde jsou průměrná vlhkost zrna, jeho teplota a rychlost sušení prezentovány jako funkce času.

Ve fázi ohřevu zrna se teplo dodávané sušicím činidlem vynakládá hlavně na jeho ohřev. Jeho teplota prudce stoupá (sekce A”B”) a zvyšuje se i rychlost sušení (sekce A’B’).

Na začátku první periody dosáhne teplota zrna Θ teploty vlhkého teploměru a rychlost sušení dosáhne své maximální hodnoty. První periody jsou charakterizovány konstantní rychlostí sušení (sekce

Obrázek 16 – Typické křivky sušení – 1, rychlost sušení – 2 a teplota – 3

Vlhkost zrna (sekce ВС) se mění po přímce (úsek ВС). Teplota zrna zůstává po celou první periodu konstantní a rovna t._м (oddíl B»C»>.

Tento vzorec změny teploty je typický pro materiály s kapilárně-porézní strukturou (písek, keramika, papír atd.) a celý proces odstraňování vlhkosti je podobný procesu odpařování vlhkosti z volného povrchu kapaliny. U většiny koloidních kapilárně-porézních těles heterogenní struktury, mezi která patří i zrno, teplota kontinuálně roste (řez B»M). Intenzita odpařování vlhkosti během periody konstantní rychlosti sušení je úměrná rozdílu parciálních tlaků na povrchu zrna a v prostředí. Rychlost sušení závisí na parametrech sušicího činidla (teplota, vlhkost a rychlost jeho pohybu) a je určena podmínkami vnější difúze vlhkosti do prostředí. Již v této periodě se však u některých materiálů vytvářejí podmínky, které narušují vzorce vnější difúze vlhkosti, způsobené nedostatečným přísunem vlhkosti z vnitřních částí materiálu k povrchu a prohloubením odpařovací zóny. To se projevuje v neustálém zvyšování teploty materiálu.

Ve druhém období je pozorováno zpomalení rychlosti sušení: vlhkost se mění podél křivky CDE a rychlost sušení se mění podél křivky C’D’E’. Teplota zrna se zvyšuje (sekce C»D»E» nebo MNE»). Pokles rychlosti sušení je vysvětlen odstraněním pevněji vázané vlhkosti.

Období klesající rychlosti sušení lze rozdělit do dvou zón, které se nazývají zóna vnější (zóna a) a vnitřní (zóna b) difúze vlhkosti. Jsou odděleny druhým kritickým bodem K₂V zóně vnější difúze vlhkosti je intenzita sušení stále určena vnějšími podmínkami, ale je již do značné míry omezena přísunem vlhkosti z vnitřních vrstev zrna. V zóně vnitřní difúze závisí intenzita procesu jen málo na parametrech prostředí a je téměř zcela určena zákony pohybu vnitřní vlhkosti.

Hustá stacionární vrstva

V takové vrstvě je kontakt zrn trvale fixovaný a jejich povrch, omývaný sušicím činidlem, zůstává nezměněn. Intenzita sušení ve fixované vrstvě je do větší míry určena vnější výměnou tepla a vlhkosti mezi zrny a sušicím činidlem, která odvádí vodní páru z mezizrnného prostoru. Když sušicí činidlo prochází fixovanou vrstvou, jeho parametry se mění v čase i prostoru, tj. tloušťkou vrstvy. V souladu s tím se mění vlhkost a teplota zrna. Vrstvy zrn umístěné blíže k bodu vstupu sušicího činidla se zahřívají a schnou rychleji.

Při sušení obilí v pevném loži je teplota sušicího činidla přísně omezena. Nepřekračuje povolenou teplotu ohřevu zrna. V tomto ohledu proces sušení trvá dlouho a pokračuje, dokud sušicí zóna nepokryje celou vrstvu. Rychlost průchodu sušicí zóny vrstvou závisí na parametrech sušicího činidla a vlhkosti zrna.

Fluidní lože

Když je vrstva zrn za určitých podmínek vystavena aerodynamickým nebo mechanickým silám, dochází ke oslabení kontaktů mezi zrny, zvětšení objemu mezikrystalových prostorů vrstvy a narušení její struktury. Hustá vrstva se uvolní, pseudofluidizuje a s rostoucím vnějším nárazem se suspenduje.

Pseudofluidizované lože dostalo svůj název díky formální podobnosti některých svých vlastností s vlastnostmi kapaliny. Pokud je vzduch propouštěn vrstvou zrna umístěnou na roštu určitou rychlostí, vrstva se nejprve uvolní a poté přejde do stavu připomínajícího vroucí kapalinu, tj. do stavu pseudofluidizace (obrázek 17).

Fluidní lože má vlastnost tekutosti, díky které lze proces sušení kombinovat s přepravou zrna z místa jeho naložení do sušicí komory na místo uvolnění. V tomto případě může být pohyb zrna spontánní nebo organizovaný. Při spontánním pohybu, v důsledku intenzivního míchání vrstvy, není doba setrvání zrn v sušicí komoře stejná. To může vést k jejich nerovnoměrnému ohřevu a sušení. Proto je lepší použít organizovaný (nucený) pohyb zrna, kdy je zajištěna velmi specifická, specifikovaná doba setrvání zrn v sušicí komoře. V tomto případě lze dobu setrvání upravovat v širokých mezích v souladu s obsahem vlhkosti zrna a zvoleným režimem sušení.

a — hustá vrstva; b — uvolněná vrstva; c — začátek fluidizace; g — první fáze fluidizace; d — fáze vírového varu.

Obrázek 17 – Povaha změny struktury vrstvy zrna v závislosti na rychlosti vzduchu

Vibrační fluidní lože

Vrstvu zrna lze uvést do pseudofluidního stavu působením vibračních kmitů nebo kombinovaným působením proudění vzduchu a vibrací. Použití vibrací umožňuje snížit rychlost vzduchu pod kritickou hodnotu a vypočítat spotřebu vzduchu na základě požadovaného množství tepla. Největší vliv na stav vrstvy má amplituda kmitů; pro různé obiloviny se rovná 2-10 mm. Frekvence kmitů se volí v rozmezí 20-30 Hz.

Klesající vrstva

V současné době se hojně používají sušárny s tzv. padajícím ložem, což je protiproudé zavěšené lože s uměle zpomaleným padaním zrn. Jejich brzdění je vytvářeno protiproudem sušicího činidla (aerodynamické brzdění), dále pomocí mřížkových, trubkových a podobných prvků (mechanické brzdění).

Padající lože se od fluidního lože liší společnou směrovanou rychlostí zrna. V padajícím loži se skutečná koncentrace zrna zvyšuje podél jeho pohybu. Zvýšení doby setrvání zrna v proudu sušicího činidla a zvýšení skutečné koncentrace vede ke zvýšení dostupného povrchu pro výměnu tepla a v důsledku toho k prudkému poklesu teploty sušicího činidla v počáteční části sušicí komory. Rychlost vzestupného proudění sušicího činidla se snižuje s výškou komory. V tomto ohledu by se maximální relativní rychlost sušicího činidla měla blížit rychlosti vznášení zrna, ale neměla by překročit tzv. rychlost škrcení, při které se zrno přestane pohybovat směrem dolů.

V sušicí komoře s pomalu padající vrstvou se doba zdržení zrna měří v několika sekundách a prakticky nepodléhá regulaci. Navzdory vysoké intenzitě výměny tepla a vlhkosti je pokles vlhkosti zrna při takové době trvání procesu nevýznamný. V tomto ohledu se zařízení s padající vrstvou zrna nepoužívají jako nezávislé sušárny, ale jako ohřívače zrna v kombinovaných vícekomorových instalacích.

Zavěšená vrstva

Suspendovaného stavu zrna se dosáhne ve stoupajícím proudění sušicího činidla při překročení rychlosti vznášení, přičemž celý povrch zrna se účastní výměny tepla a vlhkosti se vzduchem; ohřev a sušení zrna probíhá rovnoměrně.

Sušička obilí se závěsným ložem pracuje na principu volného systému, tj. tok obilí není omezován žádnými speciálními zařízeními, ale je regulován pouze jeho podáváním přes plnicí zařízení.

Na rozdíl od konvenční pneumatické dopravy nezůstává rychlost sušicí látky konstantní po celé výšce sušicí trubky (pneumatického potrubí), a proto je spolehlivost a stabilita přepravy zrna určena nejen počáteční, ale i konečnou rychlostí sušicí látky, která by na výstupu z pneumatického potrubí měla být o 30–50 % větší než rychlost vznášení zrna. Koncentrace zrna se také mění po výšce pneumatického potrubí: koncentrace je největší na vstupu do pneumatického potrubí; dále po výšce potrubí se rychlost zrna zvyšuje a jeho koncentrace klesá.

Stabilita provozu zařízení je významně ovlivněna podmínkami vstupu zrna do pneumatické trubky. Pro stabilizaci rychlostního pole proudění sušicího činidla v počáteční části pneumatické trubky by mělo být zrno přiváděno 1,5–2,0 m nad místem, kde sušicí činidlo vstupuje do pneumatické trubky.

Za optimálních podmínek pro vstup zrna je stability pneumatické dopravy dosaženo při průměrné rychlosti sušicího činidla 22-24 m/s.

Vzhledem k tak vysoké rychlosti sušicího činidla a odpovídající rychlosti zrna je doba jeho pobytu v pneumatické trubici velmi krátká (sekundy). I při teplotě sušicího činidla 350-400 °C se vlhkost zrna snižuje o 0,5-1,0 %. Proto se zařízení se zavěšenou vrstvou zrna nepoužívají jako samostatné sušičky, ale jako ohřívače ve vícekomorových kombinovaných sušicích jednotkách.

Pohyb vlhkosti v materiálu

Během konvekčního sušení mokrých materiálů se vlhkost pohybuje v materiálu ze středu kusů materiálu k okraji, kde je materiál omýván sušicím činidlem. Tento pohyb vlhkosti se nazývá vodivost vlhkosti. Vodivost vlhkosti je převážně difúzní proces, jehož hnací silou je rozdíl mezi koncentracemi vlhkosti v různých bodech materiálu. Protože se jedná o difúzní proces, lze základní rovnici vodivosti vlhkosti zapsat podobně jako Fickův zákon:

kde K_W — se nazývá součinitel vodivosti vlhkosti (součinitel vnitřní difúze vlhkosti v materiálu).

Znaménko mínus ukazuje, že vlhkost se pohybuje z vrstvy s vyšší koncentrací vlhkosti do vrstvy s nižší koncentrací vlhkosti, tj. ve směru opačném k koncentračnímu gradientu.

K_W závisí na formě spojení mezi vlhkostí a materiálem, vlhkosti materiálu a teplotě sušení, tj. v různých fázích procesu má různé hodnoty.

Je třeba poznamenat, že vlhkost se v materiálu může pohybovat jak ve formě kapaliny, tak ve formě páry, což závisí na formě vazby a povaze materiálu.

K pohybu vlhkosti ve formě kapaliny dojde při vysoké vlhkosti materiálu, tj. v 1. období sušení (kapilární a osmoticky vázaná vlhkost).

Ve 2. sušící fázi, při nízké vlhkosti materiálu, začíná uvnitř materiálu odpařování (kapilárně adsorpčně vázaná vlhkost) a pohyb vlhkosti probíhá ve formě páry.

Ve skutečnosti je popsaný obraz procesu komplikován skutečností, že materiál je současně vystaven teplu. V tomto případě existuje kromě koncentračního gradientu i teplotní gradient. Ve vlhkém materiálu má tento gradient významný vliv na mechanismus migrace vlhkosti a projevuje se vliv tepelné a vlhkostní vodivosti. Pod vlivem teplotního gradientu se vlhkost pohybuje ve směru tepelného toku.

Existují tři hlavní důvody pro jev tepelné a vlhkostní vodivosti:

1) tepelná difúze, tj. molekulární pohyb kapaliny nebo páry;

2) pokles povrchového napětí σ_с s rostoucí teplotou se v důsledku toho kapalina v kapilárách pohybuje směrem k nižším teplotám, tj. ve směru tepelného toku (obrázek 12);

Obrázek 12 – Schéma pohybu kapaliny v kapilárách v závislosti na teplotě

3) vliv zachyceného vzduchu. Když se tento vzduch zahřeje, rozpíná se a vytlačuje vlhkost tam, kde je tlak nižší (obrázek 13).

Obrázek 13 – Schéma pohybu kapaliny v kapilárách v závislosti na tlaku