Kuivauksen fysiikkaa

Hannu Sarkkinen

28.11.2013

Kuivatusmenetelmiä

• Auringon säteily

• Mikroaaltouuni

• Ilmakuivatus

Ilman kosteus • Ilman suhteellinen kosteus RH = 𝜌v /𝜌vs

missä 𝜌v = vesihöyryn tiheys (g/m3)

𝜌vs = kylläisen vesihöyryn tiheys

• 10 oC ilmassa vettä enintään 9,4 g/m3

• 35 oC lämpötilmassa vettä enintään 40 g/m3

(ks. kuvaaja)

=> kuivatuksessa ilmaa kannattaa kierrättää

viljassa riittävän kauan (vesi siirtyy ilmaan,

kunnes RH = 100% )

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70

Ilm

an a

bso

luu

ttin

en

ko

ste

us

(g/m

^3)

Ilman lämpötila celsiusasteina

RH=50%

RH=100%

Mollier-diagrammi

Lämminilmakuivatus – mihin tarvitaan energiaa?

• Tuoreen viljan (kuiva vilja + poistettava vesi) lämmittämiseen

• Veden poistamiseen jyvästä (kidevesi, fysikaalis-kemiallisesti ts. osmootti-sesti sitoutunut paisuntavesi, fysikaalis-mekaanisesti sitoutunut vesi)

Fysikaalisia suureita

• Ilman tiheys noin 𝜌 = 1,2 kg/m3 (kostea ilma kevyempää kuin kuiva)

• Ilman ominaislämpökapasiteetti cp = 1,0 kJ/kgoC (NTP)

• Tuoreen viljan ominaislämpökapasiteetti c = 2,0 kJ/kgoC

• Veden ominaislämpökapasiteetti c = 4,2 kJ/kgoC (vesi on merkillinen neste)

• Veden ominaishöyrystymislämpö r = 2300 kJ/kg

Viljan kosteus

• Absoluuttinen kosteus AH:

AH = mv Vk

• Ominaiskosteus SH:

SH = mv

mv + mk (Ilmoitetaan %:na)

missä Vk = kuivan aineen tilavuus

missä mv = veden massa (poistettavissa)

missä mk = kuivan aineen massa

Poistettavan veden määrä

Kuivatun (13%) viljan määrä Mvilja13% = 10 000 kg

Mvesi = 𝑎𝑙𝑘𝑢𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑢𝑠 % −𝑙𝑜𝑝𝑝𝑢𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑢𝑠 %

100% − 𝑎𝑙𝑘𝑢𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑢𝑠 %Mvilja13%

Mvesi = 20 % −13 %

100% −20 % 10 000 kg

Mvesi = 875 kg (linkki 3)

Lämminilmakuivatus – tehontarve

1. Ilman lämmitykseen tarvittava teho: 10oC -> 35oC, 7 m3/s

teho P = Q/t = cp mT/t , 7 m3/s eli 8,4 kg/s = (1,0 kJ/kgoC 8,4kg/s 25oC) /1s = 210 kW

(poistoilman lämpö kannattaa ottaa talteen?)

Lämminilmakuivatus – tehontarve

2. Tuoreen viljan lämmitykseen tarvittava teho:

10oC -> 35oC, 10 000 kg, 10 h

P = Q/t = c mT/t

= (2,0 kJ/kgoC 10 000 kg 25oC) / 36 000s

= 14 kW

Lämminilmakuivatus – tehontarve

3. Veden höyrystys:

10 000 kg, 10 h, vettä poistettava 875 kg P = Q/t = r m / t

= (2300 kJ/kg 875 kg) / 36 000s

= 56 kW

Lämminilmakuivatus – tehontarve

4. Paisuntaveden poisto:

Q(max) = 1800 kJ/kg (linkki 2)

Kokonaistehon tarve = 280 kW (kohdat 1.-3.)

Vastaava energiantarve = 11 MJ/kgvettä

Lämpöhäviöitä • Lämmön siirtoputken ja lämpimän säiliön

lämpöhäviö (konvektio, johtuminen, säteily) • Eristämättömän putken (säiliön) lämpösäteilyhäviö: 10 m pit., 0,6 m halk., = 0,80, putken ala = A

T𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 = 343 K (=70oC), T𝑦𝑚𝑝ä𝑟𝑖𝑠𝑡ö = 283 K (=10oC)

P = A (T4𝑝𝑢𝑡𝑘𝑖 - T4

𝑦𝑚𝑝ä𝑟𝑖𝑠𝑡ö) 5,7 10−8 W/(m2 K4)

= 6 kW (suuntaa antava tulos, ei huomioitu mm. pinta- vastusta)

(Vastaavalla tavalla lämmönkeräysputken lämmönsaantiteho, jos lämpötilaero pieni => saanti heikko, joskin johtuminenkin vaikuttaa saantiin)

Energiasäästöjä?

• Poistoilman lämpö talteen, esim. esilämmitykseen (kondensointi)

• Savukaasujen lämpö talteen

• Kuivaamon ja lämpösiirtoputkien eristäminen

• Ilman esikuivatus esim. navetan ullakolla kiertävässä kanavassa => virtausvastushäviöt

vähäisiä, menevät lämmöksi

Lämmöneristäminen

Lämmön johtuminen lämmönsiirtoputkessa:

L = 10 m, 0,6 m halk., jonka päällä 0,10 m

villaeriste ( = 0,052 𝑊

𝑚𝑜𝐶), T𝑠𝑖𝑠ä-T𝑢𝑙𝑘𝑜 =60oC

Pjohtuminen = 2𝜋 𝐿 𝑑𝑇

ln (R2/R1)

= 0,7 kW (vrt. 6 kW)

Kylmäilmakuivatus

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

50

60

70

80

90

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

RH %

kuukausi

Mitattu kosteus, Jyväskylä, 2012

Lähde: ilmatieteen laitos

Yhteenvetoa

• Ulkoilman lämpötila korkeampi

=> vähentää lämmitystarvetta => säästöjä

(ei juuri nopeuta lämminilmakuivausta, (?)

jos 𝜌v tällöin korkeampi => kalliimpaa?)

• Jos kuivausilmalle korkeampi lämpötila

pystyy sitomaan enemmän kosteutta

vesi poistuu jyvästä nopeammin

nopeuttaa kuivaamista (olosuhteista

riippumatta)

Hyödyllisiä linkkejä 1. Si-järjestelmä: http://www.sfs.fi/files/70/si-opas.pdf 2. Viljankuivaus kotimaisella polttoaineella -opas: http://www.bioenergiatieto.fi/default/?__EVIA_WYSIWYG_FILE=4550&name=file 3. Viljan kuivatuksessa säästöjä nopeasti -luento: http://www.energia-akatemia.fi/attachments/article/48/Viljan%20kuivatuksessa%20s%C3%A4%C3%A4st%C3%B6j%C3%A4%20nopeasti.pdf 4. Psykrometritaulu: http://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Applied/Chapt.7_11/Chapter10b.html