V predchádzajúcom čísle Quarku sme písali o technologickom procese sušenia, pri ktorom sa vlhkosť poľnohospodárskych plodín upravuje tak, aby sa mohli dlhodobo skladovať. V pokračovaní článku inovátori zo Strojníckej fakulty STU v Bratislave približujú výsledky analýzy a ich navrhované riešenie novej vákuovej sušiarne na sušenie biologických materiálov.
Komplexný proces vývoja novej vákuovej sušiarne na sušenie poľnohospodárskych plodín pozostáva z niekoľkých logicky nadväzujúcich etáp výskumu a vývoja. Okrem dôkladného poznania procesu sušenia, o ktorom sme písali v januárovom vydaní Quarku, je dôležité na začiatku spracovať analýzu existujúcich sušiacich zariadení na trhu.
Pri analýze procesu sušenia sme venovali pozornosť predovšetkým požiadavkám kladeným na sušený materiál, čiže na parametre plodiny pred sušením a po ňom. Po prvotných analýzach sme navrhli skúšobné laboratórne zariadenie, na ktorom sme vykonali experimenty na overenie princípu vákuového sušenia.
Analýza jednotlivých typov
V analýze zariadení na sušenie poľnohospodárskych plodín sme sa zamerali na niekoľko významných výrobcov, ako sú Mepu, STELA, Akron, MECMAR, Pedrotti, Mathews Company, GTMFG, GSI – AGCO, Comil, Alvan Blanch, Agremo, AGI, Kepler – Weber a spoočnosť Sukup, ktorí ovládajú 90 až 95 % trhu so sušiarňami poľnohospodárskych zrnín. Sledovali sme parametre ako model a typ zariadenia, konštrukčné vyhotovenie, teplota sušenia, suroviny na sušenie (kukurica, obilie – jačmeň, pšenica; sója, ryža, slnečnica a iné), vstupná a výstupná vlhkosť, hodinový výkon zariadení v tonách a príkon zariadení.
Cieľom analýzy konkrétnych typov sušiarní bolo ich porovnanie z pohľadu výkonnostného parametra, ktorým je množstvo energie potrebné na odparenie jedného kilogramu vody. Sledovaný parameter sme určili pomocou získaných dát a vypočítanej hodnoty množstva úbytku vody v kilogramoch za hodinu, pričom typ konštrukcie a jej vyhotovenie boli zanedbané z dôvodu ich irelevantnosti. Pre náš sledovaný výkonnostný parameter, teda potrebné množstvo energie na odparenie jedného kilogramu vody, nie je ovplyvňujúcim faktorom typ či druh vstupnej energie a jej premena v systéme, teda v konštrukcii. Dôležité je iba množstvo dodanej energie na vstupe, ktoré dokáže z danej sušiny odpariť 1 kg vody.
Na grafe je názorný príklad výstupu z analýzy sušiarní na kukuricu (zníženie vlhkosti z 20 na 15 %).
Výsledky porovnania
Jednotlivé typy sušiarní sme rozdelili do niekoľkých kategórií. Podľa sušenej plodiny sme určili dve skupiny: sušiarne na kukuricu a na obilie. Podľa rozsahu vlhkosti sme vytvorili kategórie tak, ako ich vidíte v tejto tabuľke.
Existujúce sušiarne sme porovnávali na základe energetickej bilancie. Získanie týchto parametrov bolo náročné najmä z dôvodu uvádzania rôznych typov technických parametrov výrobcami (rôzne intervaly vlhkosti, rôzne jednotky výkonu, nedostatočná kvantita udávaných parametrov a pod.). Sledovaný parameter množstvo energie na 1 kg H2O sa pri porovnávaných sušiarňach pohybuje v intervale od 3,6 do 8 MJ/1 kg H2O.
Tieto závery potvrdili správnosť nášho zámeru a úsilie o inovatívny prístup. Cieľ nášho projektu bol vývoj zariadenia, teda sušiarne na poľnohospodárske zrniny, so sledovaným parametrom na úrovni nižšej ako 3,6 MJ/1 kg H2O.
Dôležitým poznatkom vykonanej analýzy bolo aj to, že na relevantnom trhu sa doposiaľ nenachádzajú vákuové sušiarne na poľnohospodárske zrniny.
Realizované experimenty
Na overenie fyzikálneho princípu na modelovom laboratórnom zariadení sme využili sériu experimentov. Vstupnými parametrami boli druh sušeného materiálu, množstvo materiálu, vstupná teplota vzoriek, vstupná vlhkosť, čas ohrevu a čas vákuovania. Sledovanými výstupnými parametrami boli pokles vlhkosti vzorky po každom cykle, teplota vzorky a teplota vzduchu na výstupe.
Skúmanými poľnohospodárskymi plodinami boli postupne kukurica, jačmeň, pšenica a repka olejná. Všetky plodiny sme merali pri rôznych vstupných vlhkostiach a pri rôznych teplotách ohrevu. Premenným parametrom bol tiež objem vzoriek. Prioritným cieľom zmeny teploty ohrevu bolo nájsť vhodnú teplotu zahriatia vzorky v závislosti od maximálneho poklesu výstupnej vlhkosti. Je však potrebné dodať, že teplota ohrevu poľnohospodárskych plodín je limitovaná maximálnou teplotou ohrevu jednotlivých plodín, aby sa zachovali všetky nutričné hodnoty. Táto teplota je rozdielna pre jednotlivé poľnohospodárske plodiny a závisí od rôznych parametrov, okrem iného aj od účelu použitia poľnohospodárskej plodiny (kŕmenie, potravinárske účely a iné).
Z výsledkov nášho experimentu môžeme konštatovať, že úbytok vody zo vzorky po prvom kroku sušenia bol 47 gramov a v druhom kroku ďalších 20 gramov. Z toho vyplýva, že celkový úbytok množstva vody v dvoch cykloch sušenia pri prvotnom dodaní 100 g vody bol 67 g vody.
Výsledkom tohto experimentu bolo aj určenie optimálneho času vákuovania pre jeden cyklus. Po uplynutí stanoveného času vákuovania jednej vzorky a po zaznamenaní poklesu tlaku a teploty sme na vzorke opätovne skúmali jej hmotnosť s cieľom zistiť úbytok vody v danej vzorke. Na základe merania hmotnosti pred sušením a po ňom sme mohli matematicky určiť výstupnú vlhkosť experimentálnej vzorky. Túto hodnotu sme súčasne verifikovali pomocou vlhkomera.
Určenie optimálneho času vákuovania
Návrh modelu sušiarne
Na základe výsledkov analýzy experimentálnych skúšok sme navrhli termodynamický model. Z termodynamického návrhu vzišiel návrh konštrukcie jednotlivých prvkov funkčného modelu. Základné časti tohto modelu sú sušiaca komora, výmenník tepla, zostava tepelného čerpadla, vákuová pumpa, výparník, kondenzátor, elektrický kotol, filter odsávaných pár, bojler, zásobník kondenzovanej vody a podtlakové nádoby. Neoddeliteľnou časťou sú spojovacie prvky a potrubia. Prvky, ktoré sa na trhu v súčasnosti nenachádzajú, sme museli navrhnúť a vyrobiť.
Jadrom celej vákuovej sušiarne je sušiaca komora, do ktorej sa nasype poľnohospodárska plodina (zrniny). Po následnom ohreve sa začne proces vákuovania v rôznych režimoch, čo bolo výhodné pri realizovaní verifikačných skúšok pri hľadaní optimálneho nastavenia celého procesu sušenia. Pomocou vákuovej pumpy sa nasýtené pary odvádzajú cez výmenník tepla, kde nastáva proces kondenzácie pri rôznych teplotných stupňoch. V spodnej časti výmenníka dochádza k chladeniu pár pomocou tepelného čerpadla.
Po technologickom a konštrukčnom návrhu sme pristúpili k samotnej výrobe modelu sušiarne na poľnohospodárske plodiny. V súčasnosti na tomto modeli dolaďujeme proces sušenia.
ČERVENÁ: Okruh ohrevu sušiaceho reaktora spája reaktor so zdrojom tepla – elektrokotlom. Cirkulácia teplonosného média je zabezpečená čerpadlom integrovaným do elektrokotla. V prípade rekuperácie tepla z procesu sušenia spája reaktor s výmenníkmi tepla 9 a 10 a výmenníkom prehriatych pár tepelného čerpadla. Účelom tepelného čerpadla v rekuperácii tepla je zvýšenie teplotnej úrovne teplonosného média ohrievajúceho reaktor. Cirkulácia teplonosného média je zabezpečená čerpadlom C3.
ZELENÁ: Okruh sekundárnej strany kondenzátora tepelného čerpadla zabezpečuje odvod tepla z tepelného čerpadla. V bežnej prevádzke je tento okruh od výmenníkov tepla 5 až 8 odpojený. Cirkulácia teplonosného média je zabezpečená čerpadlom C1.
RUŽOVÁ: Okruh sekundárnej strany výparníka tepelného čerpadla zabezpečuje kondenzáciu vodných pár (vypudených zo sušeného materiálu). Latentné teplo vodných pár je v tomto prípade transformované tepelným čerpadlom na vyššiu teplotnú úroveň. Cirkulácia teplonosného média je zabezpečená čerpadlom C2.
ČIERNA: Okruh vodných pár generovaných v sušiacom reaktore (procesom sušenia) – prietok vodných pár je zabezpečený podtlakom generovaným prebiehajúcou kondenzáciou vo výmenníkoch tepla 1 až 10, pričom geometrické usporiadanie celého systému umožňuje kondenzátu stekať do zásobníkov kondenzátu (ZK) iba vplyvom gravitácie. Počiatočné vákuovanie systému je zabezpečené vývevou (K1) a na zníženie hodnôt tlaku počas prevádzky sú v tomto okruhu zapojené zásobníky vákua (ZV).
Text a ilustrácie Iveta Čačková, Viliam Čačko, Ľubomír Šooš
Strojnícka fakulta STU v Bratislave
Príspevok vznikol v rámci projektu Výskum termických pochodov v procese znižovania vlhkosti organických materiálov, podporovaného Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky.
