Utilizzo di un essiccatore a vassoio per studiare il trasferimento di calore convettivo e conduttivo

Fonte: Michael G. Benton e Kerry M. Dooley,Dipartimento di Ingegneria Chimica, Louisiana State University, Baton Rouge, LA

Gli essiccatori sono utilizzati in numerosi processi industriali. La funzione di un essiccatore è quella di utilizzare processi di trasferimento di calore per asciugare i solidi. Esiste una varietà di tipi di essiccatori. Gli essiccatori adiabatici utilizzano la convezione e il contatto diretto con i gas per asciugare i solidi, mentre gli essiccatori non adiabatici utilizzano metodi diversi dal contatto con il gas riscaldato per asciugare¹, tra cui conduzione, radiazione e essiccazione a radiofrequenza¹. Gli essiccatori possono essere utilizzati per processi batch o essere in uso continuo¹.

In questo esperimento, gli effetti della temperatura e della velocità dell'aria sulla velocità di essiccazione della sabbia saranno determinati utilizzando un essiccatore a vassoio. Verranno testate tre diverse impostazioni di potenza (1000 W, 1500 W e 2500 W) per due diverse portate d'aria, per un totale di sei set di dati. Da questi dati è possibile calcolare i coefficienti di trasferimento di calore e massa.

Gli essiccatori a vassoio sono un tipo di essiccatore batch, che include anche essiccatori a letto fluido, liofilizzatori e aspirapolvere. Gli essiccatori a vassoio utilizzano il trasferimento di calore convettivo per far fluire l'aria riscaldata sui solidi per asciugarli. Sono utilizzati da una varietà di industrie, tra cui la produzione di prodotti farmaceutici e altri prodotti chimici¹. Gli essiccatori continui, d'altra parte, sono comuni alle industrie di prodotti di grandi volumi, come l'industria alimentare¹.

Per iniziare il processo in un tipico essiccatore a vassoio, il vassoio viene riempito uniformemente con un solido bagnato, come la sabbia, e caricato nell'apparecchio. La ventola e il riscaldatore regolabili dell'essiccatore consentono continue variazioni della portata d'aria dalla ventola attraverso il canale di essiccazione e variazioni del servizio termico con incrementi di 500 watt. Mentre l'essiccatore funziona, l'acqua evapora dalla sabbia nell'aria. La velocità di essiccazione viene quindi calcolata pesando la miscela iniziale solido/acqua e sottraendo il peso del solido secco finale e a vari intervalli di tempo.

Il trasferimento di calore è guidato dalla differenza di temperatura tra la sabbia e l'aria circostante. Una legge semplificata del riscaldamento di Newton (equazione 1) può essere utilizzata per modellare il trasferimento di calore tra l'aria riscaldata e l'interfaccia sabbia-aria per ottenere un coefficiente di trasferimento di calore sperimentale. Altri termini di servizio termico sono trascurabili rispetto al termine dell'equazione 1,

Equazione 1

dove q è il calore trasferito, ṁ è l'acqua evaporata in una quantità assegnata di tempo o velocità di evaporazione, ∆H_vap è l'entalpia della vaporizzazione, h_y è il coefficiente di trasferimento del calore, T_aria è la temperatura dell'aria e T_s è la temperatura superficiale della sabbia.

Al fine di ottenere un coefficiente di trasferimento di massa sperimentale, il trasferimento di acqua dalla sabbia all'aria sarà modellato come trasferimento di massa che scorre attraverso un vero confine di fase. L'equazione del tasso di essiccazione (equazione 2) è questo modello.

Equazione 2

dove k_y è il coefficiente di trasferimento di massa, C è la concentrazione di acqua e A è la superficie del confine. Le concentrazioni di acqua nella sabbia (C_s)e nell'aria (C∞) saranno ottenute utilizzando rispettivamente un bilancio di massa e grafici psicrometrici. Questi sono usati per risolvere il tasso di asciugatura.

I valori teorici possono essere confrontati con i dati sperimentali calcolando i coefficienti di trasferimento di calore e di massa. I coefficienti teorici di trasferimento del calore (Equazione 3) e della massa (Equazione 4) sono ottenuti dalle proprietà delle sostanze coinvolte dalle correlazioni.

Equazione 3

Equazione 4

dove Re è il numero di Reynolds, Pr è il numero di Prandtl, Sc è il numero di Schmidt, D_AB è la diffusività dell'acqua nell'aria, L è la lunghezza e k è la conduttività termica.

L'esperimento consisterà in quattro esecuzioni, ognuna delle quali testerà una diversa combinazione di una delle due impostazioni della ventola e del calore.

1. Funzionamento dell'essiccatore a vassoio

1. Preparare il liquame mescolando 500 g di sabbia e 150 ml di acqua e caricare nel vassoio sperimentale per l'unità. Distribuire uniformemente la miscela nel vassoio.
2. Con l'unità principale spenta, posizionare il vassoio nella camera di essiccazione.
3. Accendere l'unità principale, quindi accendere il ventilatore e il riscaldatore.
4. Impostare la velocità e la temperatura dell'aria per ogni corsa. Le tre velocità dell'aria dovrebbero variare da 0,8 ft / s a 2,0 ft / s (una alta, media e bassa) con una temperatura costante intorno a 195 ºF. Le tre temperature dovrebbero variare da 130 a 200 ºF con una velocità dell'aria costante di 1,8 ft / s.
5. Prendi le misure ogni 5 minuti durante l'intera corsa, che dovrebbe durare 45 minuti. I dati raccolti devono includere la temperatura dell'aria in ingresso, la temperatura della sabbia, il peso della sabbia, la temperatura dell'aria in uscita, la portata dell'aria in uscita, la temperatura del bulbo secco e la temperatura del bulbo umido. Utilizza i termometri digitali per le letture della temperatura, le impostazioni del flusso d'aria per il flusso d'aria, una bilancia digitale per il peso della sabbia e uno psicrometro a fionda per le temperature del bulbo umido e secco.
6. Ripetere il processo per ogni set di impostazioni, per un totale di quattro esecuzioni univoche.

Dai dati raccolti è possibile ottenere le seguenti informazioni. Utilizzare grafici psicrometrici per determinare l'umidità assoluta, che dà la concentrazione di acqua presente nell'aria. I coefficienti di scambio termico possono essere calcolati utilizzando le temperature misurate e l'equazione 1. E infine, il cambiamento di massa della sabbia bagnata può essere utilizzato per calcolare la concentrazione di acqua nella sabbia.

Il contenuto di umidità della sabbia è diminuito linearmente nel tempo. Come previsto, la velocità di evaporazione è risultata aumentare con una maggiore portata e calore. Secondo le loro equazioni, sia i coefficienti di trasferimento di calore che di massa sono direttamente proporzionali alla velocità di evaporazione all'interfaccia sabbia-aria. I valori teorici dei coefficienti di trasferimento di calore e di massa sono risultati avere una forte correlazione positiva con un R² del 99%. I valori sperimentali hanno mostrato una debole correlazione solo dopo il test.

Le relazioni tra flusso d'aria e velocità di evaporazione e tra temperatura e velocità di evaporazione sono entrambe aumentate linearmente (Figura 1, Figura 2). L'aumento del flusso d'aria (Figura 1) e l'aumento della temperatura (Figura 2) hanno entrambi aumentato la velocità di evaporazione. Questi grafici mostrano che quando il flusso d'aria o la temperatura aumentano e l'altra variabile viene mantenuta costante, la velocità di evaporazione aumenterà a una velocità equivalente e seguirà una tendenza lineare positiva. Il test di variazione del flusso d'aria era una misura del trasferimento di calore convettivo, mentre il test di variazione della temperatura era una misura del trasferimento di calore conduttivo. La somma dei due test mostra che sia il trasferimento di calore convettivo che quello conduttivo seguono una relazione lineare con la velocità di evaporazione.

Figura 1: Rappresentazione della relazione tra velocità dell'aria e velocità di evaporazione, che è aumentata linearmente.

Figura 2: Rappresentazione della relazione tra temperatura e velocità di evaporazione, che è aumentata linearmente.

Ci sono molte fonti di errore nelle misurazioni con le maggiori fonti di errore che sono l'umidità relativa e la temperatura dell'interfaccia aria-sabbia. Inoltre, l'effetto della velocità dell'aria sul peso del vassoio è stato ritenuto non importante, ma è fonte di errore. Alcuni di questi errori potrebbero anche aver ridotto la correlazione dei coefficienti di trasferimento di calore e massa. Questi coefficienti sono stati calcolati teoricamente e hanno dimostrato di essere correlati. Tuttavia, i dati sperimentali non hanno mostrato una tendenza significativa, nonostante siano teoricamente simili.

Un essiccatore a vassoio è stato utilizzato per misurare la velocità di essiccazione della sabbia rispetto al trasferimento di calore convettivo e conduttivo. Utilizzando l'essiccatore a tre diversi livelli di potenza e due diverse portate, sono stati trovati sei set di dati sperimentali. Le misurazioni sono state effettuate pesando la miscela sabbia/acqua a intervalli di cinque minuti.

Questo esperimento ha fatto uso della legge di Newton del riscaldamento, della modellazione della velocità di essiccazione e della modellazione del trasferimento di calore e massa. I coefficienti di trasferimento di calore e massa sono stati determinati con l'uso di un modello di strato limite. Teoricamente, i coefficienti di trasferimento di calore e massa mostrano una correlazione lineare positiva molto forte. Anche se i risultati sperimentali hanno mostrato una tendenza positiva, i dati erano troppo imprecisi per mostrare una correlazione significativa tra i due.

L'essiccazione dei vassoi può essere utilizzata in una varietà di campi. Uno di questi campi è quello farmaceutico. Nei prodotti farmaceutici, gli essiccatori a vassoi vengono utilizzati per asciugare molti materiali di base diversi, inclusi materiali appiccicosi, granulari e cristallini². Molte materie plastiche utilizzate nei prodotti farmaceutici possono essere essiccate in essiccatoi a^{vassoio 2}. Inoltre, precipitati, paste e altre masse umide possono essere essiccati con un essiccatore a vassoio, insieme a farmaci grezzi, sostanze chimiche, polveri e granuli di compresse. Anche alcune apparecchiature vengono essiccate negli essiccatori². Gli essiccatori a vassoi offrono molti vantaggi a questo settore, poiché vengono utilizzati per lotti, che possono variare di dimensioni ed essere gestiti senza perdite². Gli essiccatori sono anche facilmente regolabili per accompagnare altri materiali in modo efficiente². In alcuni casi, gli essiccatori a vassoio nel vuoto vengono utilizzati per asciugare prodotti sensibili al calore come le vitamine².

Gli essiccatoi a vassoio sono utilizzati anche nella lavorazione degli alimenti³. Il cibo può essere distribuito sottilmente e uniformemente sui vassoi per l'essiccazione³. A seconda del tipo di cibo, l'essiccazione può essere eseguita riscaldando con aria che si muove attraverso i vassoi, conduzione da vassoi o ripiani riscaldati o radiazioni da altre superfici riscaldate³. L'aria può essere utilizzata con l'ulteriore vantaggio di rimuovere i vapori umidi, anche se questo può essere un problema per alcuni alimenti³.

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.