Kuivauksen fysiikkaa. Hannu Sarkkinen

Transkriptio

1 Kuivauksen fysiikkaa Hannu Sarkkinen

2 Kuivatusmenetelmiä Auringon säteily Mikroaaltouuni Ilmakuivatus

3 Ilman kosteus Ilman suhteellinen kosteus RH = ρ v /ρ vs missä ρ v = vesihöyryn tiheys (g/m 3 ) ρ vs = kylläisen vesihöyryn tiheys 10 o C ilmassa vettä enintään 9,4 g/m 3 35 o C lämpötilmassa vettä enintään 40 g/m 3 (ks. kuvaaja) => kuivatuksessa ilmaa kannattaa kierrättää viljassa riittävän kauan (vesi siirtyy ilmaan, kunnes RH = 100% )

4 Ilman absoluuttinen kosteus (g/m^3) RH=100% RH=50% Ilman lämpötila celsiusasteina

5 Mollier-diagrammi

6 Lämminilmakuivatus mihin tarvitaan energiaa? Tuoreen viljan (kuiva vilja + poistettava vesi) lämmittämiseen Veden poistamiseen jyvästä (kidevesi, fysikaalis-kemiallisesti ts. osmoottisesti sitoutunut paisuntavesi, fysikaalismekaanisesti sitoutunut vesi)

7 Fysikaalisia suureita Ilman tiheys noin ρ = 1,2 kg/m 3 (kostea ilma kevyempää kuin kuiva) Ilman ominaislämpökapasiteetti c p = 1,0 kj/kg o C (NTP) Tuoreen viljan ominaislämpökapasiteetti c = 2,0 kj/kg o C Veden ominaislämpökapasiteetti c = 4,2 kj/kg o C (vesi on merkillinen neste) Veden ominaishöyrystymislämpö r = 2300 kj/kg

8 Viljan kosteus Absoluuttinen kosteus AH: AH = m v V k Ominaiskosteus SH: SH = m v m v + m k (Ilmoitetaan %:na) missä V k = kuivan aineen tilavuus missä m v = veden massa (poistettavissa) missä m k = kuivan aineen massa

9 Poistettavan veden määrä Kuivatun (13%) viljan määrä M vilja13% = kg M vesi = M vesi = alkukosteus % loppukosteus % 100% alkukosteus % 20 % 13 % 100% 20 % kg M vesi = 875 kg (linkki 3) M vilja13%

10 Lämminilmakuivatus tehontarve 1. Ilman lämmitykseen tarvittava teho: 10 o C -> 35 o C, 7 m 3 /s teho P = Q/t = c p m T/t, 7 m 3 /s eli 8,4 kg/s = (1,0 kj/kg o C 8,4kg/s 25 o C) /1s = 210 kw (poistoilman lämpö kannattaa ottaa talteen?)

11 Lämminilmakuivatus tehontarve 2. Tuoreen viljan lämmitykseen tarvittava teho: 10 o C -> 35 o C, kg, 10 h P = Q/t = c m T/t = (2,0 kj/kg o C kg 25 o C) / s = 14 kw

12 3. Veden höyrystys: Lämminilmakuivatus tehontarve kg, 10 h, vettä poistettava 875 kg P = Q/t = r m / t = (2300 kj/kg 875 kg) / s = 56 kw

13 Lämminilmakuivatus tehontarve 4. Paisuntaveden poisto: Q(max) = 1800 kj/kg (linkki 2) Kokonaistehon tarve = 280 kw (kohdat 1.-3.) Vastaava energiantarve = 11 MJ/kg vettä

14 Lämpöhäviöitä Lämmön siirtoputken ja lämpimän säiliön lämpöhäviö (konvektio, johtuminen, säteily) Eristämättömän putken (säiliön) lämpösäteilyhäviö: 10 m pit., 0,6 m halk., = 0,80, putken ala = A T putki = 343 K (=70 o C), T ympäristö = 283 K (=10 o C) P = A (T 4 putki - T 4 ympäristö) 5, W/(m 2 K 4 ) = 6 kw (suuntaa antava tulos, ei huomioitu mm. pintavastusta) (Vastaavalla tavalla lämmönkeräysputken lämmönsaantiteho, jos lämpötilaero pieni => saanti heikko, joskin johtuminenkin vaikuttaa saantiin)

15 Energiasäästöjä? Poistoilman lämpö talteen, esim. esilämmitykseen (kondensointi) Savukaasujen lämpö talteen Kuivaamon ja lämpösiirtoputkien eristäminen Ilman esikuivatus esim. navetan ullakolla kiertävässä kanavassa => virtausvastushäviöt vähäisiä, menevät lämmöksi

16 Lämmöneristäminen Lämmön johtuminen lämmönsiirtoputkessa: L = 10 m, 0,6 m halk., jonka päällä 0,10 m villaeriste ( = 0,052 W m o C ), T sisä-t ulko =60 o C 2π L dt P johtuminen = ln (R 2 /R 1 ) = 0,7 kw (vrt. 6 kw)

17 Kylmäilmakuivatus Kylmän ilman (n. 10 o C) virratessa viljan läpi viljan lämpötila laskee kohti märkälämpötilaa. Tällöin ilman RH = 100% (ks. Psykrometritaulu) Lämpötilan lasku johtuu veden siirtymisestä ilmaan (höyrystyminen sitoo lämpöä) Jos ilman RH = 100 %, kylmäilmakuivatus ei voi toimia

18 100 Mitattu kosteus, Jyväskylä, 2012 RH % kuukausi Lähde: ilmatieteen laitos

19

20 Yhteenvetoa Ulkoilman lämpötila korkeampi => vähentää lämmitystarvetta => säästöjä (ei juuri nopeuta lämminilmakuivausta, (?) jos ρ v tällöin korkeampi => kalliimpaa?) Jos kuivausilmalle korkeampi lämpötila pystyy sitomaan enemmän kosteutta vesi poistuu jyvästä nopeammin nopeuttaa kuivaamista (olosuhteista riippumatta)

21 Hyödyllisiä linkkejä 1. Si-järjestelmä: 2. Viljankuivaus kotimaisella polttoaineella -opas: EVIA_WYSIWYG_FILE=4550 &name=file 3. Viljan kuivatuksessa säästöjä nopeasti -luento: A4%C3%A4st%C3%B6j%C3%A4%20nopeasti.pdf 4. Psykrometritaulu: er10b.html