PROIECT Utilaje

Cuprins 1. Uscarea……………………………………………………. pg. 2 1.1 Consideraţii generale…………………………………………. 1.2 Uscarea produselor alimentare………………………………. 1.3 Mecanismul uscării…………………………………………… 1.4 Activitatea apei din produsele vegetale………………………. 1.5 Uscarea produselor vegetale…………………………………. 1.6 Fazele uscării………………………………………………….. 1.7 Factorii care influienteaza uscarea…………………………..

pg. 2 pg. 2 pg. 4 pg. 7 pg. 8 pg. 10 pg. 10 2. Clasificarea uscatoarelor.................................................... pg. 12 2.1. Descrierea criteriilor de clasificare ale uscătoarelor............. pg. 12 2.1.1. Metoda de aprovizionare cu produs a aparatului şi tipul pg. 12 produsului................................................................................................................. 2.1.2. Modul de funcţionare........................................................................ 2.1.3. Modul de transfer al căldurii.......................................................... 2.1.4. Starea solizilor................................................................................... 2.1.5. Contactul dintre gaze şi solizi........................................................... 2.1.6. Tiparul de curgere al gazelor...........................................................

3. Uscarea prin conducţie…………………………………... 3.1. Uscătoare tip lot cu agitator................................................. 3.2. Uscătoare verticale cu agitator............................................. 3.3. Uscătoarele orizontale cu taler.............................................. 3.4. Uscătoare continue cu agitator............................................. 3.5. Agitatoare încălzite.....................................................................

4. Proiectarea, scalarea şi performanţa................................. 4.1. Bilanţul termic al instalaţiei de uscare……………………… 4.2. Randamentul instalaţiilor de uscat…………………………. 4.3. Calculul bilanţului termic al instalaţiilor de uscare………… 4.4. Proiectarea, scalarea şi performanţa........................................ 4.5. Exemplu de calcul pentru uscător tip lot.................................

5. Bibliografie………………………………………………...

1

pg. 12 pg. 13 pg. 13 pg.17 pg. 17 pg. 22 pg. 24 pg. 25 pg. 26 pg. 27 pg. 28 pg. 29 pg. 29 pg. 30 pg. 31 pg. 31 pg. 33 pg. 35

1. Uscarea 1.1 Consideraţii generale Procesul de uscare este destul de răspândit în industia alimentară şi pe măsură ce se perfecţionează metodele de lucru, el capătă din ce în ce mai multe aplicaţii. În procesul de uscare se elimină o parte din apa conţinută în produs. De cele mai multe ori vehiculul care realizează transportul umidităţii eliminate în afara instalaţiei este aerul, care în unele cazuri pe lângă acţiunea de agent de transport o are şi pe aceea de agent termic. Cantitatea de apă absorbită de aer depinde de proprietăţile aerului şi condiţiile care se pot asigura în instalaţia de uscare pentu a aduce aerul cât mai aproape de starea de saturaţie în umiditate. Apa în produs poate fi legată mecanic, fizico-chimic şi chimic. Legătura mecanică este de obicei o simplă îmbibare cu umiditate în macrocapilare sau în microcapilare. Apa legată mecanic poate fi considerată cea care umple porii materialului fără alte legături cu materialul propriu-zis. Legătura fizico-chimică poate fi realizată prin adsorbţie, osmoză sau structurală. Ca exemplu de apă legată prin adsorbţie se poate considera pelicula solvatata a miceliilor coloidale. Ca exemplu de apă legată osmotic se poate lua apa din interiorul celulelor vegetale. Ca exemplu de apă legată structral se poate lua apa din peturi. Apa legat chimic este introdusă în reţeaua în reţeaua cristalină a produsului respectiv. Uscarea se realizează ca un proces combinat de transfer de căldură şi substanţă, umiditatea din material realizând în general o deplasare din interior spre exterior pe baza legilor difuziunii, după care ajungând la suprafaţă se evapora. Uscarea materialelor se studiază pe baza consideraţiilor asupra echilibrului dintre materialul supus uscării şi agentul de uscare pe de o parte şi asupra vitezei sub care se realizează procesul. Echilibrul dintre materialul supus uscării şi agentul de uscare se studiază în cadrul staticii uscării, iar viteza de uscare în cadrul cineticii uscării. Statica uscării stabileşte legătura dintre parametrii iniţiali şi finali care participă la operaţie, fără însă să dea indicaţii asupra drumului prin care se ajunge de la parametrii iniţiali la parametrii finali. Legătura între parametrii iniţiali şi finali în cadrul statisticii uscării este dată de bilanţul de materiale şi bilanţul caloric.

1.2 Uscarea produselor alimentare Uscarea este un procedeu bazat pe reducerea conţinutului de apă, respectiv creşterea concentraţiei substanţelor solubile până la valori care să atingă stabilitatea produsele alimentare la păstrare. Eliminarea apei din alimente trebuie dirijată în aşa fel încât coloizii hidrofili să-şi menţină capacitatea de rehidratare. Condiţiile principale ale uscării sunt: - un nivel de temperatură care să asigure evaporarea apei; - o suprafaţă de contact cu aerul maxim posibilă; - circulaţia aerului pentru eliminarea vaporilor de apă rezultaţi. 2

Principalele metode de uscare sunt: uscarea naturală, uscarea dirijată în instalaţii speciale la presiune normală, uscarea în pat fluidizat, concentrarea în vid, liofilizarea (criodesicarea sau criosublimarea). Cele mai moderne procedee sunt uscarea în pat fluidizat şi liofilizarea, ultimul asigurând păstrarea capacităţii de rehidratare, împiedicând procesele oxidative şi asigurând pierderea într-o măsură mai redusă a substanţelor de miros, gust şi aromă. Produsele uscate au un volum micşorat, greutate mai mică, valoare energetică sporită, sunt uşor de preparat, realizează economii la păstrare şi depozitare, sunt uşor de manipulat şi transportat, dar pierd o parte din substanţele aromatice şi se distrug parţial unele vitamine. Produsele alimentare în prealabil fluidizate sunt uscate prin două metode: peliculară şi prin pulverizare sau atomizer sub formă de pulberi (ouă praf, lapte praf etc,). Transformări calitative suferite de produsele alimentare prin uscare: - transformări de structură; majoritatea metodelor de uscare, cu excepţia uscării prin liofilizare, produc zbârcirea şi reducerea volumului datorită scăderii conţinutului de apă şi contracţiei tisulare. - transformări de culoare; degradarea culorii este în funcţie de temperatură şi de timpul de uscare, de prezenţa metalelor grele şi conţinutul de zahăr reducător dar şi rezultatul proceselor oxidative. - transformări de aromă şi gust; în cazul uscării produselor cu aer cald are loc o antrenare cu vapori a aromelor specifice, din care cauză se înregistrează pierderi importante de arome. - reducerea valorii alimentare; în timpul procesului de uscare, în funcţie de regimul aplicat, au loc transformări sensibile în compoziţia chimică, ceea ce influenţează valoarea alimentară. Uscarea legumelor şi fructelor este procesul tehnologic prin care se reduce conţinutul natural de apă pană la un nivel care să împiedice activitatea microorganismelor, fără a se distruge ţesuturile sau a se deprecia valoarea alimentară a produselor. Ansamblul de fenomene ce se produc în timpul uscării duce la concentrarea substanţei uscate, reducerea volumului materiei prime folosite, creşterea valorii alimentare la unitatea de greutate şi modificări fizico-chimice mai mult sau mai puţin profunde în starea membranelor şi componentelor celulare, care se exteriorizează prin limitele capacităţii de rehidratare. — Deshidratarea reprezintă procesul în virtutea căruia fructele şi legumele pierd o anumită cantitate de apă, în urma cărui fapt se realizează o stare fizico-chimică propice menţinerii valorii lor nutritive şi atributelor calitative: gust, miros, aromă. — Uscarea se deosebeşte de deshidratare prin lipsa de reglare a temperaturii, umidităţii relative şi mişcării aerului, în care scop se foloseşte şi expresia de uscare naturală, spre deosebire de deshidratare, care este o uscare artificială. Diferenţa dintre uscarea naturală şi cea artificială constă în natura energiei termice folosite şi anume energia solară (uscare naturală) şi energia rezultată din arderea unui combustibil oarecare (uscare artificială sau deshidratare) şi viteza cu care se îndepărtează excesul de apă din materia primă respectivă. În primul caz prin simpla expunere la aer şi la temperatura mediului ambiant are loc îndepărtarea umidităţii din produse prin procesul de evaporare, în cazul al doilea, pentru a continua procesul deshidratării se apelează la un aport suplimentar de căldură, înlăturarea apei făcându-se prin procesul de vaporizare. 3

— Evaporarea, trecerea apei în stare de vapori într-un mediu în care în afara vaporilor de apă există şi aer şi alte gaze. — Vaporizarea, trecerea apei în stare de vapori, într-un mediu în care există numai vapori de apă. — Evaporator, este instalaţia de uscat fructe şi legume în care mişcarea aerului se face de la sine, pe baza diferenţei termice existente între atmosfera din evaporator şi atmosfera externă. — Deshidrator este o instalaţie de uscat fructe şi legume folosită pentru îndepărtarea excesului de apă din materia primă supusă deshidratării, în care cel puţin circulaţia aerului încălzit, viteza de mişcare, temperatura şi umiditatea relativă a aerului sunt controlate automatizat, potrivit unor parametri fixaţi în prealabil pentru respectiva materie primă supusă procesului. Pentru evaporarea apei din produsele supuse deshidratării, se utilizează diferite tehnici care constau dintr-o succesiune de operaţii tehnologice şi se folosesc aparate şi instalaţii mai mult sau mai puţin perfecţionate cu un consum de energie mai mare sau mai redus şi care, pe cât posibil, permit reducerea pierderilor de căldură. Evaporarea apei din legume şi fructe este un proces complex în care sunt implicate, pe de-o parte, structura anatomică a produselor, iar pe de altă parte unele legi fizico-chimice de constituire a substanţelor celulare ca şi permeabilitatea membranelor celulare. — randamentul reprezintă cantitatea de produs finit obţinut din cantitatea de materie primă şi se exprimă în procente. — raţia, de uscare sau deshidratare reprezintă cantitatea de materie primă necesară pentru obţinerea a l kg de produs finit;

1.3 Mecanismul uscării Îndepărtarea apei din produse se realizează prin evaporarea apei la suprafaţa liberă a produsului şi apoi difuzia acesteia în mediul înconjurător. Evaporarea apei la suprafaţa liberă a produsului. Produsele cu un oarecare conţinut de umiditate se încălzesc, pentru că presiunea de vapori de apă să depăşească presiunea de vapori a stratului de aer. Pentru îndepărtarea apei din-legume şi fructe, în timpul procesului de uscare, intervin două fenomene fundamentale: — transferul de căldura, care asigură energia necesară transformării apei în vapori; — transferul de masă prin transferul apei sau vaporilor de apă prin celule şi apoi afară din produs. Pentru a putea fi uscate produsele trebuie să fie în primul rând încălzite. Căldura este adusă la produs fie cu ajutorul aerului cald (convecţie), fie prin încălzirea suprafeţei pe care se găsesc produsele, de la care acestea preiau căldura (conducţie). În cazul încălzirii produselor direct de la razele solare, transmiterea căldurii se face prin radiaţie. Vaporii de apă ieşiţi din produs sunt preluaţi de aer, care devine mediu de transfer de masă. Pentru a înţelege transferul de apă din produs, trebuie definite şi explicate câteva proprietăţi de bază ale amestecului de aer -f- vapori de apă:

4

— Umiditatea absolută a unui amestec aer -f- vapori, reprezintă cantitatea de vapori de apă exprimată în grame, care poate fi conţinută de un m3 de aer la o anumită temperatură şi presiune. —Umiditatea relativă a aerului este definită printr-un raport, exprimat în procente, intre cantitatea de vapori de apă aflaţi într-un volum de aer la un moment dat şi cantitatea de vapori de apă aflaţi în acelaşi volum de aer, când este săturat, la aceeaşi temperatură şi presiune. Umiditatea relativă a aerului arată capacitatea aerului respectiv de a prelua cantităţi noi de vapori de apă în cursul deshidratării, pină la atingerea gradului său de Saturaţie. Viteza de deshidratare şi uscare depinde deci de umiditatea relativă a aerului din instalaţie; cu cât aceasta va fi mai scăzută, cu atât uscarea va avea loc într-un timp mai redus. Dacă temperatura aerului din instalaţia de uscare creşte, umiditatea relativă a aerului scade, deci el va putea prelua cantităţi noi de vapori de apă. Dimpotrivă, dacă temperatura aerului va scădea, el va deveni săturat în vapori de apă, iar dacă va scădea şi mai mult, vaporii de apă din aerul respectiv se vor condensa. Acesta este punctul de, rouă sau temperatura de rouă. De aceea, în timpul procesului de uscare, aerul din instalaţie trebuie să fie în continuă circulaţie şi să fie încălzit, pentru a-i creşte capacitatea de a prelua cantităţi noi de vapori de apă. În instalaţiile de uscare, evaporarea apei are loc atât pe baza diferenţei de temperatură dintre cea a produsului supus uscării şi cea a aerului încălzit, cât mai ales prin diferenţa dintre presiunea vaporilor din interiorul ţesuturilor şi cea a vaporilor cuprinşi de aerul din instalaţie. Evaporarea este influenţată şi de tensiunea (forţa) superficială a vaporilor de apă din produs. Evaporarea se desfăşoară pană când se realizează un echilibru între presiunea vaporilor din cele două medii, cu alte cuvinte pană când aerul cald din instalaţie a fost săturat cu vapori de apă. Cantitatea de vapori de care poate fi absorbită de aer este în strânsă dependenţă de temperatura aerului din instalaţie, deoarece cu cât aerul este mai cald, cu atât el poate absorbi o cantitate mai mare de vapori. Când s-a stabilit echilibrul intre umiditatea produsului şi saturaţia aerului cu vapori de apă în instalaţie, iar produsul nu este incă gata uscat, procesul de uscare va putea continua numai prin crearea unui nou dezechilibru intre umiditatea celor două medii. Acest dezechilibru se poate realiza prin una din următoarele măsuri tehnologice: — fie prin ridicarea temperaturii aerului din instalaţie — dacă această operaţie este posibilă din punct de vedere tehnologic; — fie ventilând aerul din instalaţie, făcându-l să piardă o anume cantitate de vapori de apă cu care este încărcat. Asupra caracteristicilor structuro-texturale şi fizico-chimice pierderea apei din ţesuturile legumelor şi fructelor are o influenţă profundă. Ţesuturile vegetale în stare vie au proprietatea de turgescenţă; fiecare celulă este menţinută destinsă, datorită conţinutului ei în lichid şi are o structură destul de fermă. Pereţii celulelor sunt sub. tensiune, iar conţinutul lor sub compresie. Pereţii celulelor au rezistenţă şi elasticitate, dar dacă solicitarea elastică creşte peste o oarecare valoare, moderată, structura cedează parţial j ireversibil. Aceste deformaţii plastice au loc indiferent

5

de metoda folosită pentru uscarea celulelor vegetale sau animale în afară de liofilizare unde dimensiunile originale sunt menţinute. Dacă celulele sunt omorâte prin opărire, pereţii celulari devin mai uşor permeabil, turgescenţă poate dispărea ,iar deformarea permanentă prin uscare poate deveni chiar mai mare. Aceste procese se desfăşoară în trei faze: — Faza de încălzire a materiei prime supusă uscării, în cursul acestei faze, practic nu are loc fenomenul de evaporare a apei din produs, ci se urmăreşte depăşirea stării de echilibru .dintre umiditatea relativă a aerului din instalaţia de uscare şi umiditatea produsului de uscat, încălzind aerul din instalaţie se creează capacitatea acestuia de a absorbi o cantitate mai mare de vapori, iar prin încălzirea produsului scade tensiunea superficială a vaporilor de la suprafaţa lui. În această fază, pe măsura evaporării apei de pe suprafeţele umede ale produselor, diametrul porilor superficiali şi a capilarelor pline cu apă se micşorează, elementele structurale solide se strâng sub influenţa tensiunii superficiale şi efectul se adânceşte în straturile de ţesuturi, spre centrul bucăţilor de produse supuse uscării; volumul contracţiei este egal cu cel al apei evaporate şi viteza uscării pe unitatea de suprafaţă rămâne constantă. — Faza de uscare, în care evaporarea apei se produce ca urmare a dezechilibrului creat intre umidităţile celor două medii şi a scăderii tensiunii superficiale a vaporilor de la suprafaţa produsului. Evaporarea se va realiza într-un timp cu atât mai scurt, cu cât circuitul aerului pentru eliminarea vaporilor de apă pe care i-a preluat de la produs, se va realiza într-un ritm, mai rapid şi într-un circuit închis fără pierderi de căldură. În această fază, elementele structurale ale produsului încep să se deformeze prin încreţire aşa încât tind să ocupe mai puţin spaţiu iar o parte din apă este îndepărtată la suprafaţă, dar la aceasta se opune creşterea rezistenţei la deformare, iar nivelul de apă sunt, de asemenea, îndepărtaţi de la suprafaţa legumelor şi fructelor prin difuzie moleculară în aer prin capilarele deschise. În continuare, straturile groase de apă care ţineau separat lanţurile moleculare lungi şi flexibile ale produselor, încep să cedeze moleculele mai slab reţinute într-un strat difuzional în direcţia ţesuturilor cu concentraţie scăzută în apă, desigur spre suprafaţă. Procesul continuă prin subţierea straturilor groase pană ce apa rămâne, în medie, în strat gros de o moleculă, adsorbit de suprafeţele interne, neuniform, dar de preferinţă îndreptate spre grupurile de celule cu polaritate mai mare din structura substratului. Elementele structurale continuă să fie ţinute mai strâns împreună şi se contractă, deşi mai puţin decât volumul de apă pierdut. — Faza finală, se consideră din momentul când produsul începe să cedeze din apa legată, în această fază, procesul de evaporare a apei din produse încetineşte simţitor curba de uscare, înregistrând descreşteri. Difuzia umidităţi din masa produsului se face tot mai dificil; ea depinde de gradul de solubilitate a substanţelor în apă celulară, de structura produsului, de capilaritatea lui, de mărimea bucăţilor de produs supuse uscării. În această fază finală, moleculele de apă, adsorbite pe suprafeţele interne ale constituienţilor solizi, sunt îndepărtate printr-un proces de difuzie activă de-a lungul lamelelor sau fibrelor solide, în direcţia suprafeţelor cu potenţial mai scăzut de vapori. În acest proces, o moleculă de apă, care prin schimb capătă un impuls mai mare decât mediu, în vibrarea ei termică continuă, poate sări din locul ei de absorbţie într-un loc vacant, apropiat 6

şi, în medie, vor fi mai multe locuri vacante în direcţia presiunii scăzute de vapori. Procesul va continua insă din ce în ce mai lent, pană când este atins echilibrul cu umiditatea aerului înconjurător.

1.4 Activitatea apei din produsele vegetale Conţinutul de apă, dar mai ales starea ei, condiţionează activitatea enzimelor şi a microorganismelor. Legătura dintre apă din produsele alimentare şi activitatea enzimelor, a microorganismelor, este evidenţiata prin intermediul activităţii apei. Activitatea apei este definită prin raportul dintre elasticitatea vaporilor de apă de la suprafaţa produsului şi elasticitatea vaporilor de apă pură la saturaţie la aceeaşi temperatură. Se considera că activitatea apei reprezintă apa la dispoziţia microorganismelor. Activitatea apei (aw) da indicaţii asupra cantităţii de apă liberă care determină presiunea de vapori de apă deasupra produsului: aw = p / po = Nw / Nw + Ns

(1)

unde: p – presiunea vaporilor de apă din produs la temperatura T; po – presiunea vaporilor de apă din atmosfera la temperatură; To – temperatura de echilibru a sistemului; Nw - numărul de moli de apă; Ns - numărul de moli de substanţă. Din partea a doua a formulei se observă că activitatea apei poate fi calculată prin numărul de moli de apă (Nw) raportaţi la suma molilor de apă şi a molilor de substanţă (Ns). Conţinutul de apă al materialului şi umiditatea relativă a aerului înconjurător dau activitatea apei care este direct legată de umiditatea relativă de echilibru (Ure): aw =Ure / 100

(2)

Valorile numerice ale activităţii apei variază între 0 (la produse complet anhidre) şi 1 (la apa pură), toate produsele alimentare încadrându-se în acest interval. De exemplu valoarea activităţii apei pentru zahăr, cereale este de 0,1; pentru fructe uscate este 0,72 – 0,8; pentru pâine, brânza este de 0,96, iar pentru ouă, carne, sucuri, legume, fructe proaspete este de 0,97. Noţiunile de activitate a apei şi de umiditate relativă de echilibru prezintă o importanţă deosebită pentru stabilitatea şi calitatea produselor alimentare. Astfel: 1. - valorile activităţii apei dau indicaţii asupra dezvoltării microorganismelor. Fiecare microorganism are cerinţe diferite faţă de conţinutul de apă al mediului în care trăieşte. În general dezvoltarea microbiană se costata în intervalul de activitate a apei de 0,620 – 0,995. La 0,60 – 0,65 se dezvolta drojdiile osmofile, între 0,65 – 0,75 mucegaiurile xerofile, între 0,75 – 0,85 bacteriile halofile, iar între 0,91 – 1,00 toate celelalte bacterii.

7

Bacteriile reprezintă microorganismele cu cele mai mari cerinţe de apă în mediul în care trăiesc şi se dezvoltă, fiind urmate de mucegaiuri. 2. - viteza reacţiilor enzimatice în produsele alimentare depinde de activitatea apei: la activităţi mari ale apei reacţiile enzimatice se declanşează şi au loc cu viteze mari, în timp ce la activităţi mici ale apei reacţiile enzimatice sunt mult încetinite sau inexistente. 3. – la o activitate a apei de 0,6 – 0,7 apare imbrunarea produselor datorate reacţiilor melanoidice. 4. - la valori medii exercita un effect de protecţie a lipidelor fata de oxidare, efectul maxim fiind la aw = 0,5. Din contră, deshidratarea foarte înaintată a ţesuturilor vegetale şi animale până la aw = 0,1 însă, stimulează foarte puternic fenomenele oxidative. 5. - activitatea apei influenţează unele procese hidrolitice neenzimatice ca: transformarea clorofilei în feofitina, hidroliza protopectinei şi demetilarea pectinei. Umiditatea reprezintă un factor cu implicaţii profunde asupra calităţii produselor alimentare determinând un număr mare de reacţii care în multe cazuri se interferează reciproc. Astfel autooxidarea şi imbrunarea pot avea loc simultan în majoritatea alimentelor. Pentru fiecare produs exista un conţinut optim de umiditate la care viteza de oxidare şi cea de imbrunare sunt minime, asigurând o păstrare maximă a calităţii (de exemplu pentru laptele praf 3,3%, pentru fulgii de cartofi 6-7%). Dacă apă liberă, intercelulară, se evaporă relativ uşor din ţesuturile produselor horticole, dimpotrivă, apa legată, intracelulară, apa vacuolară, care este parte componentă a substanţelor* celulare, este cedată de acestea cu mare dificultate, deci se evaporă foarte greu. Pentru evaporarea ei trebuie învinse mai intri legile fizico-chimice specifice care asigură compoziţia şi stabilitatea compuşilor celulari, apoi trebuie asigurată migrarea apei prin pereţii celulelor (membrane),, care au o permeabilitate relativ redusă. Tehnologiile . au găsit remediile necesare pentru a învinge aceste obstacole la evaporare, dar realizarea lor se face cu consum de energie. În ceea ce priveşte particularităţile comportării legumelor şi fructelor la uscare trebuie, în primul rând, să se aibă în vedere caracteristicile specifice gustative, deci ale părţii lor comestibile.

1.5 Uscarea produselor vegetale Uscarea se realizează prin evaporarea apei care ajunge treptat la suprafaţa produsului supus deshidratării pană la valoarea aw < 0,7 care să împiedice dezvoltarea microorganismelor. În funcţie de natura aportului de căldură, uscarea poate fi: - prin convecţie – de la agent la produs; - prin conducţie –prin produs; - prin radiaţie – de la surse exterioare; - încălzire în dielectric (uscare cu curenţi de înaltă frecvenţă, microunde). După modul în care se execută îndepărtarea vaporilor se deosebesc: - uscare în aer; - uscare în vid;

8

- uscare prin convecţie la presiune atmosferică (cea mai utilizată în practică industrială) – se poate realiza în următoarele variante : - uscare clasică – în camere, tunele, cu benzi; - uscare în strat vibrator – variantă a uscării prin fluidizare ( produse bucăţi sau granule): - uscare în strat fluidizat – legume feliate, cereale, sare, făină, zahăr, carne cuburi. - uscare în strat de spumă – materialul lichid adus în strat de piure ( prin concentrare sub vid prealabilă) este amestecat cu o substanţă emulgatoare şi transformat într-o spumă prin insuflare de gaz inert sub presiune (azot). Această spumă se aplică pe o suprafaţă netedă (bandă) şi este uscată cu aer cald. Spuma uscată sub formă de foaie spongioasă este măcinată şi transformată în pulbere fină. Se aplică la sucuri şi piureuri de fructe şi legume, infuzie de cafea, ceai, extractele de carne, ouă, brânzeturi. Are următoarele variante : uscare în fileu subţire de spumă, în strat (străpuns de spumă); - uscare prin dispersie – a produselor lichide, piureuri, paste – nu se aplică produselor solide. Se realizează la temperatură ambiantă într-o incintă de deshidratare cu ajutorul unui curent de gaz uscat (N2) în circuit închis. Se păstrează în întregime principiile nutritive şi proprietăţile senzoriale ale produsului iniţial; - uscare prin pulverizare, cu variantele : - uscare prin pulverizare cu spumă; - uscare prin pulverizare în aer la temperatură ambiantă (procedeul Barş) – - aplicată produselor lichide şi semilichide; - uscarea prin conducţie la presiune atmosferică – se realizează prin contactul produsului cu o suprafaţă fierbinte, având astfel loc evaporarea apei. Produsul se îndepărtează de pe suprafaţă prin radere cu un cuţit. Uscătoarele folosite sunt de tip tambure rotative, iar produsele care se pot usca sunt într-o stare lichidă concentrată şi cu structură granulară. Dezavantajele sunt majore, cu influenţă negativă asupra produsului uscat: solubilitate scăzută (proteine denaturate), culoare modificată (reacţia Maillard, caramelizare), valoare alimentară redusă, iar produsele necesită o măcinare ulterioară; - uscare sub presiune – se realizează în strat de spumă şi în strat subţire (peliculă) şi are următoarele avantaje: calităţi senzoriale şi nutriţionale superioare ale produselor datorită temperaturii mai scăzute de uscare şi a lipsei oxigenului. Alte procedee particulare de uscare sunt: - uscare cu radiaţii infraroşii; - uscare cu microunde; - uscare favorizată de ultrasunete; - uscare azeotropă; - uscare parţial osmotică. Procedeele de conservare combinate cu uscarea, mai des utilizate în industrie, sunt: - uscare combinată cu blanşare – la fructe; - uscare combinată cu blanşare şi expandare – cartofi, morcovi, rădăcinoase felii; - uscare combinată cu încălzire – expandare; - uscare combinată cu expandare prin extrudare termoplastică; - dehidrocongelarea –scăderea umidităţii pană la 50% la congelare; 9

- criodeshidratarea – liofilizare.

1.6 Fazele uscării Prima fază a uscării sau ,,faza de uscare constantă”. Umiditatea superficială este cantitativ atât de mare în prima fază , încât uscarea are loc la o presiune egală cu tensiunea de saturaţie ( presiunea parţială a lichidului care se evapora la suprafaţă este egală cu presiunea vaporilor saturanţi la temperatura considerată) pe baza transmiterii căldurii prin convecţie (sau , eventual prin radiaţie şi conductibilitate). În acelaşi timp are loc un transfer de masă, apa vaporizată trecând din filmul lichid superficial în faza gazoasă. Faza a doua a uscării. În această fază apare difuziunea în faza de vapori. În porii goliţi de lichid şi umpluţi cu aer , diferenţele de temperatură sau de concentraţie pot provoca o difuziune de vapori caracterizată prin curbele care dau relaţia dintre presiunea de vapori deasupra produsului la echilibru şi conţinutul de umidiate. În produsele poroase grosiere exista o difuziune într-o singură directive vapori-aer după legătura lui Stefan1 ). În porii fini difuziunea este moleculară. Faza a treia de uscare. Această fază este caracterizată printr-o variaţie a presiunii devapori în profunzimea materialului, provocată de gradientul de temperature creat artificial. Când conţinutul de apă atinge umiditatea de echilibru, viteza de uscare devine zero; presiunea de vapori este aceeaşi în toate punctele, şi cu ajutorul curbelor, se poate determina umiditatea de echilibru pentru care viteza de uscare este zero. Se poate demonstra că, pentru materialele foarte poroase, viteza de uscare variază liniar cu umiditatea relativă a mediului ambiant. La materialele higroscopice , umiditatea este fixate prin forţe adsorbtive sau osmotic. Chiar la conţinuturi mari de umiditate, uscarea începe direct în faza a doua , când temperatura aerului şi a materialului sunt foarte apropiate una de alta şi se menţin astfel până la sfârşitul uscării. În acast caz , curbele de uscare sunt foarte apropiate de vertical, cu o uşoară curbura fata de ordonanţă şi se aseamănă cu curbele de adsorbţie (desorbţie) cunoscute. În material apar numai anumite zone cu umidităţi variabile , în care vaporizarea se efectuează în funcţie de gradul de umiditate şi de temperaturile locale , pe baza cărora se stabileşte o tensiune de echilibru în faza gazoasă.

1.7 Factorii care influențeaza uscarea a). Factori referitori la materialul supus uscării: - cantitatea sau debitul; - formă de prezentare (granule, pulbere, placi, foi, etc); - umiditatea iniţială; - formă de legare a umidităţii; - densitatea în vrac; - sensibilitatea termică la oxygen; - agresivitatea chimică; - friabilitatea şi abrazivitatea; 10

- toxicitatea; - inflamabilitatea. b). Factori referitori la agentul de uscare: - natura agentului; - modul de pregătire (obţinere); - temperatura şi presiunea; - umezeala relativă; - debitul; - conţinutul de impurităţi; c). Factorii referitori la materialul uscat: - umiditatea finală; - temperatura; - granulometria; - deformarea şi deteriorarea; - degradarea chimică , biochimica şi senzoriala: - impurificarea. d). Factorii referitori la operaţia de uscare: - temperature maximă admisă; - durata uscării; - regimul de funcţionare; - producerea de praf şi recuperarea acestuia ; - tipul uscatorului.

11

2. Clasificarea uscătoarelor Echipamentele de uscare pot fi clasificate prin mai multe metode. Clasificarea eficientă este vitală pentru alegerea celui mai potrivit uscător şi pentru înţelegerea principiilor de operare. Categoriile principale sunt următoarele: 1. Metoda de aprovizionare cu produs a aparatului şi tipul produsului – particule (aprovizionare cu lichid sau cu solid), straturi, dale. 2. Modul de funcţionare – lot sau continuu 3. Modul de transfer al căldurii – convecţie (direct), conducţie (indirect), radiaţie sau dielectric 4. Starea solidelor – strat static, strat dinamic, fluidizat sau dispersat 5. Contactul dintre gaze şi solizi – debit paralel, debit perpendicular 6. Tipar de curgere al gazelor – debit încrucişat, în curent sau contracurent Alte trăsături importante ale sistemelor de uscare sunt tipul de gaz purtător (aer, gaz inert sau abur/solvent încălzit), utilizarea reciclării gazelor sau a solidelor, modul de încălzire (indirect sau direct) şi presiunea la care operează (atmosferică sau vacuum). Totuşi, acestea sunt legate în principal de alegerea sistemului de bază şi de condiţiile de operare, şi nu de uscătoarele individuale utilizate. Importanţa diferitelor categorii depinde de scopul clasificării. Pentru a observa diferenţe în design-ul, construcţia şi operarea uscătorului, categoriile 2 şi 3 sunt în particular utile. Totuşi, pentru a selecta un grup de uscătoare cea mai importantă categorie este 1, forma, caracteristicile de manipulare şi proprietăţile fizice ale materialului.

2.1. Descrierea criteriilor de clasificare ale uscătoarelor 2.1.1. Metoda de aprovizionare cu produs a aparatului şi tipul produsului: uscătoarele sunt proiectate pentru un anumit fel de aprovizionare cu produs şi pentru anumite tipuri de produs. Cele mai multe uscătoare sunt proiectate pentru anumite produse, dar modul de aprovizionare poate varia de la o soluţie la pastă adezivă, pudră sau granule. Abilitatea de a manipula cu succes aprovizionarea si produsul reprezintă un element cheie în selecţia uscătorului. Cinematica uscătoarelor (rata de uscare şi deci timpul necesar uscării) de asemenea depinde foarte mult de proprietăţile solidelor, în particular de dimensiunile particulelor şi de porozitatea lor. Raportul dintre aria suprafeţei şi masă şi structura poroasă interioară controlează cât de mult o operaţie este limitată de difuzie. De exemplu, difuzia în şi din pori a unei particule solide date. 2.1.2. Modul de funcţionare: uscătoarele pentru lot sunt de obicei folosite pentru cadenţe mici (în jur de 50 kg/ora) şi timpi de uscare mari. Uscătoarele continue domină prin cadenţe mari (peste 1 t/ora), rate mari de evaporare şi sunt utilizate acolo unde restul procesului este continuu. Deseori exista şi uscătoare pentru lot şi uscătoare continue funcţionând după principii similare, dar un uscător pentru lot are două sau mai multe echivalente continue, utilizând metode diferite pentru a pune în mişcare produsul prin 12

uscător. De exemplu, uscătoarele pentru lot cu tăvi (solizi neagitaţi) sunt echivalente pentru uscătoarele cu turbo-tăvi şi plăci (transport vertical pe baza gravităţii) şi pentru uscătoarele cu benzi (transport orizontal mecanic). De asemenea, uscătoarele care sunt exclusive continue pot fi operate şi în mod semi-lot (de exemplu uscătoare pulverizatoare de scală mică) şi vice versa. 2.1.3. Modul de transfer al căldurii: Uscătoare directe (convective). Caracteristicile de operare ale uscătoarelor directe sunt următoarele: a. Contactul direct dintre gazele fierbinţi şi solizi este utilizat pentru încălzirea solizilor şi îndepărtarea vaporilor. b. Temperaturile de uscare pot varia până la 1000 K, aceasta fiind temperatura limită pentru majoritatea structurilor de metal. La temperaturi ridicate, radiaţia devine un important mecanism de transfer al căldurii. c. La temperaturi sub punctul de fierbere al gazelor, conţinutul de vapori de gaz influenţează viteza de uscare şi conţinutul final de apă din solid. Având temperatura gazelor peste punctul de fierbere, conţinutul de vapori al gazelor are doar un mic efect de întârziere asupra vitezei de uscare şi conţinutului final de apă. Astfel, vaporii supraîncălziţi de lichid pot fi utilizaţi în procesul de uscare. d. Pentru uscarea la temperaturi mai mici, dezumidificarea aerului care usucă ar putea fi necesară atunci când umiditatea atmosferică este excesiv de ridicată. e. Cu cât este mai scăzut conţinutul final de apă, cu atât este consumată mai multă energie pe kilogramul de apă evaporat. f. Eficienţa creşte odată cu creşterea temperaturii de intrare a gazului pentru o temperatură de ieşire constantă. g. Deoarece este nevoie de o cantitate mare de gaze pentru a furniza căldura necesară uscării, echipamentele de recuperare a prafului pot fi foarte mari şi scumpe, mai ales dacă particulele de uscat sunt foarte mici. Uscătoare indirecte (prin contact sau conductive). Acestea sunt diferite de uscătoarele directe prin transferul de căldură şi înlăturarea vaporilor : a. Căldura este transferată materialului umed prin conducţie utilizând un perete solid, de obicei metalic. b. Temperaturile de suprafaţă pot varia de la sub zero grade în cazul uscătoarelor cu îngheţare la peste 800 K în cazul uscătoarelor indirecte încălzite prin combustia unor produşi. c. Uscătoarele indirecte sunt potrivite pentru uscarea la presiuni reduse şi atmosfere inerte, pentru a permite recuperarea solvenţilor şi pentru a preveni oxidarea materialelor. d. Uscătoarele indirecte care utilizează condensarea fluidelor ca o metodă de încălzire sunt în general mai economice din punctul de vedere al căldurii consumate, deoarece acestea furnizează căldura numai în concordanţă cu necesarul pentru materialul de uscat. e. Recuperarea prafului poate fi manipulată satisfăcător în uscătoarele indirecte faţă de cele directe. 2.1.4. Starea solizilor: în echipamentele de contact solid-gaz, straturile solizilor pot exista în oricare din următoarele patru condiţii. 13

Static. Acesta este un strat dens de solizi în care fiecare particulă stă pe alta la aceeaşi densitate ca în faza iniţială de solid. Nu există mişcare relativă între particulele solizilor (Figura 1).

Figura 1 – Strat de solizi în condiţie statică (uscător tavă) În mişcare. Acesta este un strat de solizi uşor mărit în care particulele sunt separate destul cât să curgă una peste alta. De obicei curgerea se efectuează în jos utilizând gravitaţia (Figura 2 a ), dar mişcarea în sus poate fi să aibă şi ea loc datorită efectelor mecanice sau prin agitaţie (Figura 2b). În unele cazuri urcarea solizilor este efectuată într-un echipament separat, iar curgerea solizilor în prezenţa gazelor este efectuată numai în jos. Aceasta ultimă este reprezentată de un strat mişcător utilizat de obicei în industria petrolieră. În această definiţie, mişcarea solizilor este obţinută ori prin agitaţie mecanică ori prin forţa gravitaţională.

Figura 2a – Strat mişcător horizontal

Figura 2b – Strat mişcător într-un uscător rotitor

Fluidizat. Aceasta este o condiţie extinsă în care particulele solide sunt susţinute de forţele de frecare cauzate de faza gazelor ce trece prin interstiţiile dintre particule la o anumită viteză critică. Viteza gazelor nu este suficientă pentru a antrena în mişcare continuă toţi solizii. În mod particular faza solidă şi faza gazoasă sunt amestecate şi împreună se comportă ca un lichid ce fierbe ( Figura 3 ). Gazele formează faza continuă, dar densitatea medie nu este cu mult mai scăzută decât a unui strat continuu de solizi.

14

Figura 3 – Strat de solizi fluidizat Dispersat sau diluat. Aceasta este o stare complet expandată în care particulele solizilor sunt atât de separate încât un exercită nici o influenţă una asupra celeilalte. Mai exact, faza solizilor este atât de dispersată în gaze încât densitatea suspensiei este esenţial cât doar cea a gazelor (Figura 4 ). În mod normal, situaţia există atunci când viteza gazelor din toate punctele sistemului depăşeşte viteza terminală a solizilor şi particulele pot fi ridicate şi mişcate de către gaze. Totuşi acest lucru nu este mereu adevărat. Uscătoarele rotative în cascadă, uscătoarele tip spray în contracurent şi camerele de aşezare gravitaţionale sunt trei excepţii în care viteza gazelor este insuficiente pentru a pune complet în mişcare solizii.

Figura 4 – Solizi în condiţie diluată aproape de capătul superior al unui uscător tip spray Uscătoarele în care solizii formează faza continuă (statice şi straturi în mişcare) se numesc Uscătoare cu Straturi, în timp ce acelea în care gazele formează faza continuă (fluidizate şi dispersate) sunt clasificate ca Uscătoare cu Dispersie. Transferul de căldura şi masă între gaze şi particule se efectuează mult mai rapid în uscătoarele cu dispersie, iar acestea sunt, astfel, favorizate acolo unde ratele mari de uscare, timpii scurţi de uscare, sau tranzitul mare de solizi sunt necesare. Uscătoarele cu straturi sunt foarte utile pentru materiale greu de uscat care au nevoie de un timp mai mare de sedimentare. Deoarece într-o operaţie de contact dintre gaze şi solizi căldura şi masa transferate au loc la suprafaţa solizilor, eficienţa maximă de proces poate fi atinsă cu o expunere maximă a acesteia la faza gazelor, împreună cu o amestecare minuţioasă a gazelor şi solizilor. Ambele 15

sunt importante. În orice aranjament de particule solide, gazul este prezent în golurile dintre particule şi intră în contact cu toate suprafeţele. Atunci când solizii sunt fluidizaţi sau dispersaţi, gazele se mişcă rapid pe lângă ei, iar transferul de căldură şi masă către exterior se face rapid. Atunci când straturile solizilor se află într-o condiţie statică sau în mişcare uşoară, gazele din goluri pierd legătura cu fluxul principal din faza gazelor şi poate foarte uşor să devină saturate, astfel încât uscarea locală să aibă loc prin difuzie, dar într-un mod insignificant. Problema poate fi rezolvată agitând şi amestecând solizii. Agitarea şi amestecarea solizilor 1. Fără agitare, de exemplu uscătoarele cu tăvi şi benzi. Aceasta este utilă pentru materiale friabile. Totuşi, ratele de uscare pot fi extrem de scăzute, în mod special pentru uscarea în vid. 2. Agitare mecanică, de exemplu, tavi verticale şi uscătoare cu palete. Aceasta îmbunătăţeşte amestecarea şi rata de uscare, dar poate da uzuri în funcţie de viteza agitatorului; de asemenea, solizii pot adera la paletele agitatorului (Figura 5 ). 3. Recipient rotativ, de exemplu, uscătoare tip dublu – con sau rotative. Amestecarea şi transferul căldurii se fac mai bine decât la uscătoarele statice, dar mai mai puţin bine decât la agitarea mecanică. Se pot forma bulgări şi grăunţe. 4. Amestecare aeriană, de exemplu, straturi fluidizate şi uscătoare tip spray. În general amestecarea şi transferul de masă se efectuează foarte bine, dar alimentarea trebuie să fie dispersabilă, iar curăţarea gazelor trebuie sa fie foarte eficientă. Vibraţiile mecanice pot fi folosite, de asemenea, pentru a asista mişcarea solizilor în anumite uscătoare.

Figura 5 – Uscător cu palete Transportul solizilor În uscătoarele continue, solizii trebuie să fie puşi în mişcare prin uscător. Metodele principale pentru a face acest lucru sunt: 1. Curgerea cu ajutorul gravitaţiei (de obicei verticală), de exemplu turbo-tăvi, uscătoare cu straturi mişcătoare sau cu plăci şi uscătoare rotative (datorită înclinării). 2. Transportarea mecanică (de obicei orizontală), de exemplu uscătoare cu benzi, tuneluri şi cu palete. 3. Transportarea aeriană, de exemplu uscătoarele cu straturi fluidizate şi tip spray.

16

2.1.5. Contactul dintre gaze şi solizi. Acolo unde există o curgere semnificativă de gaze, aceasta poate intra în contact cu un strat de solizi prin următoarele metode: a. Curgerea paralelă sau încrucişată. Direcţia de curgere a gazelor este paralelă la suprafaţa fazei solizilor. Contactul se efectuează în principal la interfaţa dintre faze, cu posibilitatea ca gazele să penetreze golurile dintre particulele solizilor (numai la suprafaţă). Stratul solizilor se află, de obicei, în condiţie statică (Figura 6).

Figura 6 – Curgerea paralelă peste un strat static de solizi b. Curgerea perpendiculară sau impingementul. Direcţia curgerii gazelor este normală la interfaţa fazei. Gazul loveşte stratul solizilor. Din nou stratul solizilor se află, de obicei, în condiţie statică (Figura 7). Acest lucru se întâmplă cel mai des atunci când solizii se află într-un strat continuu, peliculă sau placă.

Figura 7 – Curgerea perpendiculară a unui gaz pe un obiect solid într-un uscător transportor cu role c. Circulaţie prin penetrare. Gazul penetrează şi curge prin interstiţiile dintre solizi, circulând mai mult sau mai puţin liber printre particulele individuale (Figura 8 ). Acest lucru se poate întâmpla atunci când solizii se află în condiţii statică, mişcare, fluidizat sau diluat.

Figura 8 – Circulaţia unui gaz prin penetrarea unui strat solid 2.1.6. Tiparul de curgere al gazelor. Acolo unde există o curgere semnificativă de gaze, se poate efectua prin debit încrucişat, în curent sau contracurent la direcţia mişcării solizilor. a. Debitul în curent. Atât gazele cât şi particulele solizilor curg în aceeaşi direcţie (Figura 9).

17

Figura 9 – Curgerea de gaze-solizi în curent b. Debitul în contracurent. Direcţia curgerii gazelor este exact opusă direcţiei mişcării solizilor. c. Debitul încrucişat. Direcţia curgerii gazelor se află la un anumit unghi faţă de direcţia mişcării solizilor, de-a lungul stratului solizilor (Figura 10 ).

Figura 10 – Debitul încrucişat între gaze şi solizi O clasificare definitivă a uscătoarelor industrial nu se poate face nici după modul de transmitere a căldurii la material – deoarece în majoritatea cazurilor se transmite cel puţin în două moduri – nici după construcţia lor, deoarece, mai ales în ultimul timp, uscătoarele sunt combinate în cele mai variate forme. 1. Clasificarea uscătoarelor după modul de încălzire a materialului După acest criteriu uscătoarele se împart în: a). Uscătoare care lucrează prin convective forţată (cu aer cald, cu gaze calde, cu abur supraîncălzit; în echicurent, în contracurent sau în current încrucişat). Acestea , la rândul lor se împart în: - cutii de uscare; - dulapuri de uscare; - uscătoare tunel (canale de uscare) - benzi de uscare; - turnuri de uscare; - uscătoare cu vetre suprapuse (cu talere fixe, cu talere mobile, cu curenţi transversali); - uscătoare rotative cilindrice; - rigole de uscare; 18

- uscătoare cu strat în suspensie (plutire); - uscătoare cu strat fluidizat; - uscătoare cu curenţi de gaze (prin antrenare); - uscătoare prin pulverizare. b). Uscatore care lucrează prin conductibilitate (contact direct între suprafeţe metalice încălzite şi materialul umed). Acestea sunt de mai multe tipuri: - uscătoare cilindrice rotative; - uscătoare sub formă de recipiente cu agitaţie ( sub formă de albie, cu şurub fără sfârşit , cu cilindru fix). c). Uscătoare care lucrează cu radiant luminoşi sau obscure. Aceste tipuri de uscătoare se pot realize în orice formă ,dar mai ales ca: - dulapuri de uscare; - camera de uscare; - tunele de uscare (canale); - benzi de uscare. d). Uscătoarele care lucrează cu curenţi de înaltă frecvenţă. Acestea se realizează sub aceleaşi forme ca şi uscătoarele cu radianţi luminoşi . 2. Clasificarea uscătoarelor după presiunea de lucru După acest criteriu ,uscătoarele se împart în : - uscătoare care lucrează la presiunea atmosferică; - uscătoare care lucrează la presiuni înalte (cu abur supraîncălzit); - uscătoare care lucreza la vid (mai ales pentru încărcări reduse). 3. Clasificarea uscătoarelor după modul de deplasare al şarjei După acest criteriu, uscătoarele se împart în: - uscătoare cu dispositive mecanice de agitare; - uscătoare prin gravitaţie; - uscătoare prin inerţie (uscătoare vibratoare); - uscătoare prin antrenate pneumatic a materialului cu gaze calde sau fierbinţi. 4. Clasificarea uscătoarelor după formele constructive După acest criteriu, uscătoarele se clasifică astfel: - cutii de uscare, utilizate pentru produse agricole în cantităţi mici (furaje, fructe, legume, grâne, etc); - dulapuri de uscare, cu aplicaţie în industia chimică şi farmaceutica, industia coloranţilor şi a pigmenţilor, în industia alimentară (fructe, legume etc); - camera de uscare utilizate în aceleaşi industrii ca şi dulapurile de uscare, în plus şi în industria ceramică (cărămizi şi ţigle); - uscătoare tunel, folosite în industria ceramică (cărămizi, ţigle, gresie sanitară, porţelan, mosaic, etc), în industria lemnului, cu radianţi pentru obiecte lăcuite, cu abur supraîncălzit pentru lemn şi piei animale. - conveiere de uscare, utilizate în industria hârtiei şi în industria textile (benzi de uscare pe cilindri rotativi sau cu aer suflat) , la fabricarea izolatoarelor electrice, a miezurilor 19

de turnătorie, a placajului şi a plăcilor de lemn, a porţelanului sanitar şi în ceramică de constructive fină (transportul cu platouri), la uscarea firelor textile , a pieilor animale, etc. - turnurile de uscare, funcţionând prin cădere cu dispositive de antrenare cu benzi verticale, cu cilindri sau cu dispozitive-sicana etc., utilizate pentru cereale (prin cădere), ligniţi, miezuri de turnare, hârtie electrotehnică (polimerizarea lacurilor), material textile în benzi. - uscătoare cu talere (sau cu vetre suprapuse), fixe sau mobile, utilizate pentru slamuri carbonifiere, argile bentonitice, cărbuni mărunţi,negru de fum, faină de lemn, coloranţi, diferite produse chimice; - uscătoare rotative cilindrice în echicurent sau în contracurent cu aer cald, abur, sau gaze de ardere; cu încălzire directă, indirect sau combinată, cu suprafeţe extinse interioare, cu ţevi interioare; cu vid sau la presiune în bucăţi; materiale nelipicioas; slamuri de flotaţie, îngrăşăminte minerale, nisip, produse de sinteză, cereal, etc; - rigole de uscare cu aer comprimat, sau de tipul transportor –vibrator, utilizate pentru material pulverulente cu conţinut mic de umiditate (unele săruri minerale); - uscătoare pneumatice, în suspensie (prin plutire sau prin antrenare),cu gaze calde sau fierbinţi, sau cu aer cald, orice gaze inerte cu sfărâmare concomitenta(tipul fântâna arteziană); în trepte (coloane în serie), utilizate în slanuri carbonifere de flotaţie, cărbuni mărunţiţi de orice tip (tipul Paryy), amidon, bicarbonat de sodiu farmaceutic, soda, rumeguş de lemn, turte de filtru, sare de bucătărie, policlorura de vinil, carbonat de calciu precipitat, azotat de amoniu, argile macinatesau sfărâmate, ghips, etc; - uscarea cu strat fluidizat, utilizate pentru piatra de var mărunţita, minereuri şi minerale şi pentru alte material care pot fi tratate în uscătorul în suspensie; de asemenea se utilizează pentru silicaţi,minereuri, hidraţi minerali, produse de sinteză; - uscarea prin pulverizare (automizoare), cu aer cald, cu gaze, cu abur, unele lucrând prin pulverizare cu aer comprimat, prin comprimare, sau mixt, utilizate pentru detergenţi, formaldehida, suspensii ceramice, poliacetat de vinil, clorura de cupru, emulsii de policlorura de vinil, dispersii coloidale, produse pentru textila, agenţi de înmuiere sintetici, extrase de cafea, etc - cilindri de uscare rotativi (uscătoare cu tambur), încălziţi cu abur, lucrând la presiune atmosferică sau în vid, mono- sau bicilindrici, sau serii tanante, drojdie de bere, cleiuri, hârtie şi celuloză, produse farmateutice. Tipurile de uscătoare menţionate sunt descries în literature de specialitate; se găsesc, însă, foarte puţine date care să permită dimensionarea unui uscător din punct de vedere termic şi mai puţine date cu privire la construcţia lui şi a complexului de agregare care formează o instalaţie de uscare. Întrucât o analiza făcută pe aceste baze pentru fiecare clasă de uscătoare ar depăşi cu mult cadrul acestui tratat, iar rezumarea la o simplă descriere nu corespunde scopului său, se vat rata amplu despre clasele de uscătoare cu mari utilizări industrial, şi anume: - uscătoare cilindrice rotative; - uscătoare prin pulverizare (atomizare); - uscătoare cu strat fluidizat; - uscătoare cu strat în suspensie.

20

Figura 11 – Clasificarea uscătoarelor lot

Figura 12 – Clasificarea uscătoarelor continue

21

3. Uscarea prin conducţie În industria alimentară, uscarea prin conducţie se aplică în special produselor care înainte de uscare se prezintă în fază lichidă. Legătura practică a procesului de uscare prin conductive este destul de simplă. Lichidul este turnat sau pulverizat pe o suprafaţă fiebinte, se produce o evaporare a umidităţii, iar produsul uscat, lipit de suprafaţă, se îndepărtează cu un cuţit. Din punct de vedere tehnologic uscareaprin conductive reprezintă o serie de neajunsuri, care se reflecta în calitatea inferioară a aceloraşi produse în comparative cu cele obţinute la uscarea prin pulverizare. Cel mai evident lucru în reducerea calităţii este solubilitatea mai redusă a produselor. Denaturarea unor calităţi a produselor alimentare în timpul uscării prin conducţie se poate datora mai multor căuşe şi în special supraîncălzirii din cauza acţiunii temperaturii ridicate asupra produselor. Aceasta este mai accentuate la produsele coloidale, termolabile, ca de exemplu: sânge, pancreatina, ouă, vitamine, enzime. Construcţiile de uscătoare care realizează uscarea prin transmiterea căldurii prin conducţie sunt în general uscătoare cu cilindri. Mai jos este prezentat un uscător cu doi cilindri (2), care se rotesc în sens contrar în interiorul carcasei (1). Materialul supus uscării este introdus în uscător pe la partea superioară, în spaţial dintre cei doi cilindri. Prin rotire se deplasează la suprafaţa cilindrilor o peliculă de produs care se usucă pe seama căldurii transmise de la aburul care se condensează în interiorul cilindrului. Materialul este ras de la suprafaţa uscătorului cu cuţitele(3). Aerul care se mişca la suprafaţa cilindrilor serveşte în special pentru eliminarea umidităţii din aparat. Cu toată simplitatea aparentă a procesului de uscare după aceasta metodă, procesul este mult mai complicat. Conductivitatea termică şi difuziunea umidităţii în acest proces au aceeaşi direcţie şi ca o consecinţă a procesului trebuie să se petreacă cu intensitate mai mare. În procesul de uscare prin contact din punct de vedere tehnologic este deosebit de important să se determine temperature suprafeţei peretelui, care vine în contact cu materialul. Uscătoarele conductive şi-au găsit utilizarea în uscarea unei game largi de produse, de la alimente şi produse lactate (mâncare pentru copii, fulgi de cartofi, zer praf şi lapte pentru cafea) la produse chimice şi micelare, ca de exemplu carbon, argila coloidală, pigmenţi, turba şi alte tipuri de reziduuri. În general, uscătoarele conductive sunt echipamente de uscare în care agentul de uscare , de exemplu abur, gaze fierbinţi, fluide de încălzire, nu vine în contact cu produsul ce trebuie uscat. În acest caz, materialul umed este uscat prin contactul cu o suprafaţă încălzită; deci, transferul de căldură se face prin conducţie, de la suprafaţa încălzită către materialul umed. Uscătoarele conductive pot funcţiona atât în prezenţa gazelor inerte la presiune atmosferică (uscare de contact în atmosferă) sau în atmosfera controlată la presiune scăzută (uscare de contact în vacuum). Modelele continue care descriu eficienta proprietăţilor acestui tip de uscare pentru particule, în special modelul care vizează gradul de pătrundere a căldurii sunt specificate în standardele actuale din industria alimentară.

22

Uscarea conductivă poate fi considerată o operaţie care depinde de eficienta transferului de căldură de la perete către materialul vizat. Diferite teorii legate de simularea unor tehnici de uscare prin contact au fost formulate în literatura de specialitate. Rolul acestor modele este de a descrie în amănunt necesarul de căldură prin contactul particulelor cu peretele încălzit. Acest rol poate fi îndeplinit atât de modelele continue, cât şi de cele discontinue. Schlünder şi Motllekopf au fost primii care au cercetat uscarea conductivă în vid a unui strat de praf suspensionat, a unui material granular nehigroscopic şi apoi această cercetare a fost studiată de mai mulţi autori pentru cazuri mai complexe care includ materiale polidispersate,materiale higroscopice, amestec de două tipuri de materiale, în ceea ce priveşte modelarea gradului transferului de căldură de la apa la material, precum şi modelarea aderentei particulelor şi formării crustelor pe suprafaţa peretelui încălzit. Deşi bazele teoretice al uscării conductive, atât a celor vacuumatice cât şi a celor atmosferice, au fost disponibile în literatura de specialitate, este totuşi nevoie de anumite modele stabile şi cu un înalt grad de siguranţă pentru a cuantifica şi a prezice timpii de uscare cu o acurateţe satisfăcătoare pentru proiectarea şi optimizarea procesului de uscare. Uscătoarele conductive sunt acelea în care materialul umed este uscat prin contact direct cu o suprafaţă încălzită. Transferul de căldură de la materialul umed se realizează în principal prin conducţie de la suprafaţă către mijlocul compontelor solide în stare umedă. Din moment ce nici un gaz fierbinte nu este necesar ca sursă de căldură în uscarea conductivă, circulaţia gazului care circulă prin sistem poate fi la presiune scăzută şi în final limitat la vaporii proveniţi din materialul umed. Posibila presiune scăzută a gazului într-un uscător conductiv duce la beneficii substanţiale după cum urmează: • Eficientă energetică crescută Eficienţa energetică a uscătoarelor conductive este mai mare decât a celor convective, datorită faptului că energia pierdută prin eliminarea gazului de evacuare este foarte mult redusă. • Uşurinţa purificării gazului de evacuare Din moment ce debitul gazului este scăzut, purificării gazului de evacuare sunt reduse. Spre deosebire de uscătorul convectiv, vor fi destul de puţine particule antrenate şi vaporii pot fi cu uşurinnă condensaţi. • Flexibile şi uşor de controlat Uscătoarele conductive sunt uşor de controlat şi oferă rezultate reproductibile ale operaţiei de uscare. De asemenea, sunt foarte uşor de utilizat chiar şi atunci când funcţionează la 20% din întreaga lor capacitate. • Posibilitatea uscării sub vacuum Spre deosebire de uscătoarele convective, cele prin contact pot fi acţionate sub vacuum. Acest lucru este ideal pentru materiale sensibile la căldură, cum ar fi unele produse alimentare, întrucât uscarea poate avea loc la temperaturi mult mai scăzute. • Calitate şi integritate mare a produsului Procesele tehnologice din interiorul şi din afara uscătoarelor prin contact sunt relativ mici şi uşor de controlat. Uscătoarele conductive sunt mai utilizate deoarece sunt mult mai prietenoase cu mediul înconjurător decât cele convective, atât din punct de vedere al consumului de energie, cât şi în ceea ce priveşte emisia în atmosferă. 23

Utilizarea uscătoarelor conductive poate fi influenţată de forma materialului său de alte cerinţe speciale (de exemplu, uscătoare cu tambur pentru soluţii). Există o mare varietate de modele de uscătoare conductive care depind de forma materialului şi de modul în care acesta este adus în contact cu suprafaţa încălzită. Acestea pot fi uşor împărţite în următoarele: • uscătoare cu tăvi, uscătoare cu bandă; • uscătoare cu tambur şi cu peliculă subţire; • uscătoare orizontale sau verticale cu agitator şi uscătoare rotative încălzite indirect. Alegerea corectă a unui uscător conductiv depinde o serie de factori,cei mai importanţi fiind prezentaţi în cele ce urmează. 1. Uscarea sub vacuum. Pentru materiale care sunt sensibile la căldură sau uşor oxidabile, uscarea sub vacuum ar trebui considerată cea mai bună alegere. Aceasta permite uscării să aibă loc la temperaturi scăzute. Cu toate acestea, uscarea sub vacuum este mai costisitoare din cauza necesităţii de a construi uscătoarele pentru recipiente sub presiune şi din cauza necesităţii de echipamente suplimentare cum ar fi pompe vacuumatice şi condensatori. 2. Rata producţiei. Alegerea corectă a uscătoarelor va depinde parţial şi de raţă de producţie necesară. În general, uscătoarele discontinue şi în mod particular, uscătoarele cu tăvi sunt necorespunzătoare pentru rate mari de producţie, datorită ineficienţei asociată cu încărcarea şi descărcarea uscătoarelor discontinue ( de tip lot). Cu toate acestea, ele sunt flexibile şi foarte favorizate pentru uscarea cantităţilor mici. 3. Forma materialului. În multe cazuri, alegerea unui uscător va fi condiţionată de forma alimentului. De exemplu, un uscător cu tambur este o alegere evidentă atunci când alimentul este în stare lichidă. Multe dintre uscătoare au cerinţe speciale în ceea ce priveşte regulile de tratare ale materialelor umede. De exemplu, uscătorul cu plăci poate trata doar granulele şi pulberile care au curgere cu nivel liber. 4. Uscătoare cu agitator sau fără agitator. Uscătoarele cu agitator prin contact conferă rate de uscare mult mai mari pe unitate de suprafaţă încălzită deoarece stratul de solide în contact cu suprafaţa încălzită este în mod continuu reînnoit. În plus, agitarea impune amestecarea şi uniformizarea produsului. Cu toate acestea, problemele sunt frecvent întâlnite când se încearcă uscarea materialelor umede, vâscoase în uscătoarele cu agitator datorită aglomerării, a formării de manşoane, tasării suprafeţelor precum şi a dificultăţii în a închide uscătoarele cu agitator. Dimpotrivă, într-un uscător discontinuu, orice formă de materiale poate fi uscată cu puţine consideraţii în ceea ce priveşte caracteristicile de tratare. Un alt aspect important este acela că agitarea poate cauza o mărunţire (fărâmiţare) nedorită a produsului.

3.1. Uscătoare tip lot cu agitator Un uscător cu agitator are carcasa statică, iar mişcarea solizilor se face printr-un agitator intern mecanic. Aproape toate uscătoarele tip lot sunt încălzite prin conducţie în spaţiu vidat. Vidul este utilizat împreună cu uscarea sau alte operaţiuni chimice atunci când trebuie menţinută o temperatură scăzută a solizilor pentru a nu denatura produsul; atunci

24

când aerul intră în contact cu produsul în timp ce este încălzit poate cauza oxidarea acestuia sau o condiţie explozivă. Uscătoarele verticale cu taler, uscătoarele sferice sau conice sunt agitate mecanic şi sunt utilizate pentru uscarea solvenţilor sau a pudrelor în loturi mici de 1000 litri sau mai puţin şi sunt frecvent regăsite în industriile farmaceutice şi chimice. Uscătoarele cu agitator sunt aplicabile solizilor care sunt relativ liber-curgătoare şi granulare atunci când sunt evacuate ca produs. Aceste tipuri de uscătoare sunt operate, în mod normal, în vid, în mod special atunci când este necesară uscarea materialelor sensibile la temperaturi înalte sau când se îndepărtează solvenţi organici combustibili în loc de apă. Mediul de încălzire este apă fierbinte, abur sau ulei termal, fiind aplicate în intervalul de temperatură 50-150°C şi presiuni între 3-30 kPa. Vaporii generaţi în timpul procesului de uscare sunt evacuaţi cu ajutorul unei pompe şi trec printr-un condensator pentru a recupera solventul. Un filtru de pulbere este montat deasupra liniei de eliberare a vaporilor în timp ce aceştia ies din uscător, permiţând astfel ca orice pulbere capturată să fie reintrodusă în zona de procesare. Există atât filtre standard din pânză cât şi filtre metalice sinterizate. În procesul de uscare în vid un obiectiv major este acela de a crea o forţă conducătoare de temperatură mare între manta şi produs. Pentru a îndeplini acest lucru la temperaturi relativ coborâte ale mantalei este necesară reducerea presiunii interne de procesare astfel încât lichidul ce se înlătură să fiarbă la o presiune mai coborâtă a vaporilor. Nu este economic, totuşi, a se reduce presiunea internă la niveluri extrem de coborâte datorită volumelor mari de vapori create. Este necesar să se facă un compromis în ceea ce priveşte presiunea de operare, ţinând cont de scurgeri, probleme de condensare şi dimensiunile liniilor de vapori şi ale sistemului de pompare. Foarte puţine uscătoare operează la o presiune sub 5 mmHg la scară comercială.

3.2. Uscătoare verticale cu agitator Această clasificare include uscătoarele verticale cu taler, uscătoarele filtru şi uscătoarele sferice şi conice. Uscătoarele verticale cu taler. Uscătoarele de acest tip constau într-un cilindru vertical scurt şi îngrămădit (Figura 13) cu o manta exterioară de încălzire şi un agitator interior rotativ cu axă verticală, care amestecă solizii şi mătură baza talerului. Căldura este furnizată de către circulaţia apei fierbinţi, a aburilor sau a fluizilor termali prin manta; se poate şi răci, de asemenea, la capătul ciclului lotului, utilizând apă de răcire sau agent frigorific. Agitatorul constă, de obicei, într-un set de lame solide, dar poate utiliza şi un şurub tip panglică sau lame interne încălzite. Produsul este eliberat printr-o uşă în partea inferioară a peretelui. Materialele lipicioase pot adera la agitator sau pot fi dificil de eliberat.

25

Figura 13 – Uscător vertical cu taler Uscătoare filtru. Aceste uscătoare se aseamănă cu cele verticale cu taler, dar au placă inferioară de încălzire înlocuită cu o tavă tip filtru. Astfel, o suspensie poate fi alimentată, filtrată şi uscată în aceeaşi zonă. Această variantă este în special utilizată în industria farmaceutică deoarece produsul este bine izolat, iar o operaţie dificilă de transfer a solizilor umezi este eliminată prin filtrarea şi uscarea în acelaşi vas. Timpul de uscare are tendinţa de a fi mai mare decât pentru uscătoarele verticale cu talere deoarece placa inferioară un mai este încălzită. Uscătoarele sferice. Uneori numite şi turbosfere, acestea reprezintă un alt tip de uscătoare cu agitator, având o coloană verticală de amestecare, dar rotaţia este mai rapidă decât la uscătorul vertical cu talere, oferind astfel un transfer de căldură si un grad de amestecare mai bune. Camera principală a uscătorului este sferică, iar solizii sunt eliberaţi în aceasta printr-o poartă sau o supapă din partea inferioară.

3.3. Uscătoarele orizontale cu taler Acestea constau într-o carcasă cilindrică staţionară, montată orizontal, în care un set de lame montate pe un ax central rotativ amestecă solizii. Acestea au tendinţa de a fi utilizate pentru loturi mai mari. Căldura este furnizată prin circulaţie de apă fierbinte, abur sau prin mantaua ce înconjoară carcasa. Agitatorul poate avea mai multe forme, inclusiv palete simple, lame tip plug, o spirală simplă discontinuă sau o spirală dublă continuă. Lamele exterioare sunt situate cât mai aproape cu putinţă de perete, fără a-l atinge, de obicei având un joc de 0,3 până la 0,6 cm. Unităţile moderne adoptă ocazional racloare cu arcuri montate pe lame. Uscătorul este încărcat printr-un orificiu în partea superioară şi se goleşte printr-una sau mai multe duze de descărcare din partea de jos. Se aplică şi se menţine vid printr-una din metodele convenţionale cunoscute.

26

Figura 14 – Uscător orizontal cu taler

3.4. Uscătoare continue cu agitator Aceste uscătoare, cunoscute si ca uscătoare cu palete sau uscătoare orizontale agitate, constau într-o carcasă cu agitatoare mecanice interne, care pot lua diferite forme. Ele reprezintă echivalentul continuu al uscătoarelor orizontale cu taler şi sunt similare în construcţie, având dimensiuni mai mari. Ele au multe în comun cu uscătoarele rotative, dar diferenţa principală constă în carcasa care este staţionară. Deseori agitatorul intern este încălzit. Pot exista multe variante ale acestor uscătoare, un număr mare dintre acestea având agitatoare care se întrepătrund. Există, de asemenea, şi variante cu agitatoare de viteze mari sau cu încălzire suplimentară prin convecţie (utilizând aer cald).

Figura 15 Uscător prin conducţie cu doi cilindri 27

Aprecierea acestei temperature se face pe baza legilor transmiterii de căldură. Fluxul de căldura ce trece de la abur la suprafaţa interioară A a aparatului şi la fata exterioară este: q = α·A(tpe - tpi) =

A (tpi – tpe)

(3)

3.5. Agitatoare încălzite Pentru toate uscătoarele agitate încălzirea atât a mantalei cât şi a agitatorului prin aceeaşi metodă (apă fierbinte, aburi sau ulei termal) va creşte suprafaţa de schimb de căldură. Aceasta este de obicei însoţită de îmbinări rotative. Evident, încălzirea şurubului sau a agitatorului va însemna timpi de uscare în lot scăzuţi, ceea ce oferă o productivitate crescută şi o calitate mai bună datorită expunerii scurte la temperaturile de uscare, dar în acelaşi timp costurile de întreţinere vor creşte. În uscătoarele cu talere suprafaţa creşte mai puţin, cu 15-30%, dar în uscătoarele orizontale cu taler şi în uscătoarele cu palete, această creştere este mult mai mare şi într-adevăr majoritatea căldurii este furnizată prin agitator.

28

4. Proiectarea, scalarea şi performanţa 4.1 Bilanţul termic al instalaţiei de uscare Bilanţul termic al instalaţiilor de uscare cuprinde următoarele: • Bilanţul de material; consumul de aer şi căldură pentru 1 kg de apă evaporate; • Bilanţul termic al uscătorului; • Bilanţul termic al camerei de aer. Prin procesul de uscare se schimbă greutatea materialului, umiditatea şi temperatura. Bilanţul de materiale. Cantitatea de apă conţinută de material umed şi uscat va fi dată de relaţiile:

şi

(4)

Unde: Gi – greutatea iniţială a materialului supus uscării, în kg; Gf – greutatea finală a materialului supus uscării, în kg; Ui – umiditatea iniţială, în %; Uf – umiditatea finală, în %; Cantitatea de apă evaporate pe oră – Ue- va fi dată de formula: Ue =

in kg/h

(5)

În cazul în care este cunoscută ca valoare numai Gi – în kg/h- sau Gf – în kg/h, cantitatea de apă evaporate va fi exprimată prin formulele:

U = Gi·

kg/h;

(6)

U = Gf·

kg/h;

(7)

Consumul de aer necesar pentru procesul de uscare L este dat de relaţia:

kg/h aer;

(8)

Unde: d1- este umiditatea aerului la intrarea în uscător, în g/kg; d2- este umiditatea aerului la ieşirea din uscător, în g/kg; Pe baza experimentărilor făcute pentru scopuri practice se recomandă ca pentru uscarea a 1000 kg de cereale, volumul de aer necesar – în m³ - în funcţie de cantitatea de apă eliminată să aibă valorile din tabel.

29

Materialul Grâu Porumb Ovăz Orz

Apa eliminată % 2 – 3,5 2,5 – 5, 0 2 – 3,5 3,5 - 5 2 – 3,5 3,5 - 5

Volumul de aer m³ 2,5 3,0 4,4 5,3 3,1 3,7

Tabel nr.1 Consumul de aer umed pentru 1 kg de apă evaporată l va fid at de relaţia:

în

ă

ă

(9)

Consumul de căldură pentru 1 kg de apă evaporată q va fi: Q = l (I2 – I1) în kcal/kg apă evaporată. (10) Bilanţul termic al uscătorului poate fi calculat teoretic, său real. În cazul bilanţului teoretic se consideră că în uscător nu au loc pierderi de căldură în mediul exterior, prin încălzirea dispozitivelor de transport şi a materialului supus uscării. La un uscător teoretic procesul de uscare are loc la o entalpie constantă. În cazul bilanţului termic real se iau în consideraţii atât pierderi de căldură, cât şi un aport suplimentar de căldură ca rezultat al reacţiilor chimice, prin încălzirea agentului de uscare. Bilanţul termic al camerei de ardere se calculează ţinând seama de cantitatea de căldură intrată (energia chimică a combustibilului, entalpia aerului, entalpia combustibilului, căldura rezultată ca urmare a reacţiilor exotermice, entalpia materialelor de amestec) şi de cantitatea de căldură ieşită ( entalpia produsului, entalpia evacuărilor tehnologice – zgura, căldura rezultată ca urmare a reacţiilor endotermice, căldura gazelor evacuate, pierderi de căldură din cauza arderii chimice incomplete, pierderi din cauza arderii mecanice incomplete, pierderi de căldură în mediul înconjurător, pierderi de căldură cu apă de răcire, căldura acumulată de materialul din care este confecţionat cuptorul, eroarea bilanţului). Modul de calcul al bilanţului termic al unei instalaţii de uscat – teoretic şi real – se prezintă în continuare.

4.2 Randamentul instalaţiilor de uscat Randamentul instalaţiilor de uscat produse agricole (cereale, furaje verzi, fructe, legume etc) exprima indicele cel mai important care caracterizează economicitatea folosirii acestora în producţia agricolă. Randamentul instalaţiilor de uscat se poate calcula cu ajutorul formulei:

η

· 100%

(11)

Qt – cantitatea de căldură necesară, în kcal/h, pentru evaporarea cantităţii de apă Ut;

30

Qp – cantitatea totală de căldură pierdută în sistemul de uscare, în kcal/h.

Qt = L( Ce – Că ), kcal/h; Ql = Qaer + Qapa + Qel, kcal/h;

(12) (13)

L = cantitatea de aer necesară pentru procesul de uscare, în kg/h; Ce = cantitatea de căldură evacuată cu apă şi aerul, kcal/kg; Ca = cantitatea de căldură conţinută de apă din aerul introdus în uscător, kcal/kg. Ce şi Ca sunt indicate în tabele special, în funcţie de caracteristicile aerului evacuate şi a celui introdus în uscător.

4.3 Calculul bilanţului termic al instalaţiilor de uscare Formulele orientative menţionate, tabelele respective, şi diagrama I – d permit calcularea bilanţului termic al unei instalaţii de uscat produse agricole. În cele ce urmează se cord a exemple de calcul bilanţul termic şi de materiale pentru o instalaţie de uscat porumb (bilanţ teoretic) şi pentru o instalaţie de uscat fructe şi legume (bilanţ real). Bilanţul termic al instalaţiei de uscat porumb. Calculul se referă la bilanţul termic teoretic al unei instalaţii de uscat porumb boabe care lucrează prin conducţie. Ca ipoteză în calcul, sunt luate cazurile când instalaţia lucrează cu sau fără recircularea agentului de uscare evacuate şi pentru diferiţi combustibili folosiţi în procesul de ardere (carbine, motorină). Calculul se referă la o instalaţie de tip staţionar cu o productivitate de 12 t/ha, cunoscându-se parametrii de mai jos: Umiditatea iniţială a porumbului……………………………..20% Umiditatea finală a porumbului……………………………....15% Temperatura maximă de uscare……………………………….15°C Temperatura de răcire…………………………………………20°C Căldura specifică a porumbului………………………………..0,46 kcal/kg grad.

4.4 Calculul de performanţă al uscătorului. Ca orice alte uscătoare tip lot, cele cu agitator sunt dimensionate astfel încât sa poată conţine fizic volumul lotului necesar. A se nota că, capacitatea majorităţii uscătoarelor este cu mult mai scăzută decât volumul intern total al acestora, datorită spaţiului necesar pieselor mecanice, filtrelor, porţilor de admisie etc. Trebuie avută mare grijă în determinarea gradului de umplere, pentru a nu face confuzie între capacitatea nominală şi volumul geometric. Uscătoarele vidate sunt, de obicei, umplute până la 50-65% din volumul total al carcasei. În acest sens, calculul standard pentru uscătoarele conductive se va aplica. Rata transferului de căldură între mediul de încălzire şi solizi se poate exprima prin următoarea formulă: Q = h*A*ΔTm

(14)

31

Unde Q = fluxul de căldură, J/s; h = coeficientul global de transfer de căldură, J/(m2*s*K); A = suprafaţa totală a mantalei, m2; ΔTm = diferenţa de temperatură dintre mediul de încălzire şi solizi, K. Rata globală de transfer de căldură depinde aproape în întregime de coeficientul de peliculă dintre peretele interior al mantalei şi solizi, care depinde de tipul de uscător şi de rata de agitare, şi în mare parte de caracteristicile solizilor. Coeficienţii variază între 30-200 J/(m2*s*K), valoare ce se bazează pe suprafaţa totală dacă pereţii uscătorului sunt menţinuţi rezonabil de curaţi. Coeficienţi cu valori de 5-10 J/(m2*s*K) pot fi întâlniţi în cazul în care solizii adera prea mult la pereţi. De exemplu, pentru uscarea normală h = 50 J/(m2*s*K) pentru uscătoarele agitate mecanic. Coeficientul real de transfer de căldură este de obicei mai mare, dar această aproximare ţine cont de încetinirea duratei de uscare în perioada de cădere. Este preferabil, totuşi, a se efectua teste pilot pentru a stabili timpul de uscare actual al materialului. Încercările de uscare se efectuează în uscătoare pilot mai mici (50-100 l) pentru a determina comportamentul materialului. În timpul acestor teste se analizează variabile precum temperatura de uscare, nivelul de vid şi viteza şurubului. Unităţile la scară actuală se determină în funcţie de raţia dintre suprafaţa/volumul utilizat în unitatea pilot şi uscătorul de producţie. În cele mai multe aplicaţii, timpul total de uscare al modelelor de producţie variază între 2 şi 24 ore. Vitezele agitatoarelor variază de la 3 la 8 rotaţii pe minut. Vitezele mai mare oferă o îmbunătăţire a transferului de căldură dar consumă mai multă putere şi, în unele cazuri, poate cauza probleme legate de adeziune. În cazul tuturor acestor uscătoare, suprafaţa tinde să fie proporţională cu pătratul diametrului, iar volumul cu diametrul la puterea a 3-a. Din acest motiv, raţia suprafaţa/volum scade odată cu creşterea diametrului, iar timpul de uscare creşte. Se poate demonstra că raţia timpilor de uscare în producţie şi în uscătoarele pilot este proporţională cu radicalul de ordin trei al raportului volumelor. Totuşi, dacă agitatorul unităţii de producţie este încălzit, timpul de uscare poate fi scăzut. În tabelul nr. 2 se regăsesc formulele geometrice de bază pentru uscătoarele tip lot cu agitatoare. Acestea pot fi utilizate pentru o estimare aproximativă a dimensiunilor.

32

Tabelul nr. 2 – Formule geometrice de bază pentru diverse uscătoare conductive cu agitator

Figura 16 – Geometrii de bază pentru calculele uscătoarelor tip lot

4.5 Exemplu de calcul pentru uscător tip lot. Se dau 10 m3 dintr-un lot de material ce conţine 5000 kg de solizi uscaţi şi 30% umezeală, temperatura mantalei este de 200°C, presiunea de 0,1 bari, iar solventul este apă (căldura latentă 2400 kJ/kg). Coeficientul de transfer de căldură se presupune a avea valoarea de 50 W/(m2*K). Ştiind că volumul utilizat de părţile mecanice ale uscătorului reprezintă 50% din volumul total al acestuia, se estimează volumul necesar ca fiind de 20 m3, iar diametrul se calculează conform coloanei 4 din Tabelul nr. 2, ţinând cont de raportul L/D. Tabelul nr. 3 oferă rezultatele.

33

Tabelul nr. 3 – Dimensiuni şi timpi de uscare pentru diferite versiuni de uscătoare conductive tip lot Apa la presiunea de 0,1 bari fierbe la temperatura de 46°C deci ΔT = 200 – 46 = 154°C. Apoi Q se găseşte în ecuaţia (1). Timpul de uscare pentru rate constante este dat de ecuaţia (2):

(15) Astfel rezultă ca timpul de uscare este 389,610/AS secunde sau 108,23/AS ore. Valori pentru AS şi pentru tCR pentru diferite uscătoare sunt date în Tabelul nr. 3 Pentru rate descrescătoare timpul tFR este dat de către ecuaţia (3):

(16) Dacă materialul arată un conţinut critic de umezeală, calculul poate fi împărţit în două secţiuni pentru rata constantă şi pentru rata descrescătoare. Două surse importante de erori pot fi: 1 – cinetica uscării poate fi diferită de la uscător la uscător şi 2 – dacă coeficientul de transfer de căldură estimat este eronat, factorul de scalare va fi incorect. Toţi timpii de uscare sunt menţionaţi în ore deoarece este mai convenabil decât în secunde. Uscătorul cu palete (agitator încălzit) are cel mai scurt timp de uscare, iar uscătorul cu filtru are cel mai lung timp de uscare (deoarece tava de la bază nu este încălzită).

34

BIBLIOGRAFIE 1. Bibere, L., Aparate utilizate în industria alimentara, Curs litografiat în imprimeria Universităţii Bacău, 2000; 2. Bibere, L. Bazele calculului utilajului tehnologic, Curs litografiat în imprimeria Universităţii Bacău, 1999. 3. Tang, J., Feng, H. Drum drying, articol ştiinţific. Food Eng., Washington State University, Pullman, U.S.A., 2010. 4. Amarfi, R. Utilaj special în industria alimentară (industrii fermentative, conserve vegetale), vol.2, Universitatea Galaţi, 1989. 5. Banu, C., ş.a. Progrese tehnice, tehnologice şi Ştiinţifice în industria alimentară. Editura Tehnică, Bucureşti, vol. 1, 1992. 6. Banu, C., ş.a. Exploatarea, întreţinerea şi repararea utilajelor în industria cărnii. Editura Tehnică, Bucureşti, 1990. 7. Bibire, L. Operaţii şi aparate- industria alimentară.Editura Tehnica Info, Chişinău, 2004. 8. Bratu, E. Operaţii unitare în industria chimică. Vol.1. Editura Tehnică, Bucureşti, 1984. 9. Costin, G., ş.a. Aplicaţii ale separării prin membrană în biotehnologie şi în industria alimentară. Editura Academica, Galaţi, 1997. 10. Dăscălescu, A. Uscarea şi aplicaţiile ei. Editura Tehnică, Bucureşti, 1964. 11. Drăgan, G. Dicţionar explicativ pentru ştiinţă şi tehnică în industria alimentară. Editura AGIA, Bucureşti, 2006. 12. Kemp. Modern Drying Tehnology, vol. 1. Wiley-VCH, U.S.A, 2007. 13. Jinescu, G. Procese hidrodinamice şi utilaje specifice în industria chimică. Editura Didactică şi pedagogică, Bucureşti, 1988. 14. Jâşcanu, V., ş.a. Operaţii şi utilaje în industria alimentară, vol. 1 şi 2. Universitatea Galaţi, 1982, 1984. 15. Mănişor, P. Maşini şi instalaţii pentru uscarea şi condiţionarea produselor agricole. Editura Agro- Silvică, Bucureşti, 1967. 16. Menshutina and Kudra. Drying technology. Wiley-VCH, U.S.A., 2001. 17. Genskow, L, Beimesch, W. Perry’s chimical engineers’ handbook, 8th edition. The McGraw hill Companies, USA, 2008. 18. Segal, B. şi Amarfi R., ş.a. Utilaj tehnologic din industria alimentară. Vol. 1 şi 2. Universitatea Galaţi, 1984. 19. Răşănescu, I. Operaţii şi utilaje în industria alimentară. vol I şi II , Universitatea Galaţi, 1978, 1982.

35