USCĂTOR DE FRUCTE ŞI LEGUME MODULAR

1. Prezentare instalaţie de uscare covectiva modulară

Uscătorul USCMER-30/60AC este echipat cu un cazan de apă caldă cu putere termică utilă de 60 kWt. El este complet automatizat, ceea ce permite uscarea fructelor şi legumelor în regim de şarjă sau semicontinuu de tip tunel.

Pentru a creşte gradul de utilizare al uscătorului acesta este construit în varianta modulară, cu un modul de bază şi module de extindere, ceea ce permite ca suprafaţă utilă pentru materialul de uscat să poată varia de de la 50 la 150%. Această soluţie permite ca utilizatorul să-şi poată adapta uşor uscătorul la specificul programelor de uscare ale diferitelor feluri de fructe şi legume, la regimuri de uscare în şarjă sau semicontinuu, cât si pentru optimizarea economică a valorificării surselor disponibile de materiale pentru uscare .

Uscarea se face convectiv, materialul de uscat este pus pe casete (sertare) de uscare stivuite pe rastele pe roţi, care se introduc în camerele de uscare din modulele de baza ale uscătorului..

Agentul de uscare este produs prin amestecarea aerului recilculat cu aer exterior şi încălzirea acestuia cu un schimbător de căldură apă caldă-aer, care primeşte apa caldă cu temperatura medie de 85 C dintr-un rezervor intermediar de 600 de litri. Agentul de uscare este aspirat de un ventilator şi trimis în camera de uscare.

Se poate realiza şi varianta cu un schimbător de căldură gaze arse/aer cu randamentul minim de transfer de 85%.

Uscătorul este format dintr-un modul de bază în care încap două rastele la care, în funcţie de necesităţi se pot ataşa, pentru extinderea camerei de uscare încă patru module în care intră câte un rastel cu casete.

In figura 1.6 este prezentată schema funcţională a unui uscător convectiv de capacitate medie cu încălzirea agentului de uscare cu apă caldă, tip USCMER 30/60AC

Fig. 1.6 Schema funcţională a unui uscător convectiv de capacitate medie cu

încălzirea agentului de uscare cu apă caldă, tip USCMER 30/60AC2. Calculul principalilor parametri constructivi şi funcţionali

2.1 Date constructive

2.1.1 Suprafata de poziţionare material de uscat

Materialul de uscat se poziţionează pe casete de uscare cu următoarele caracteristici:

- dimensiuni: 0,7m x 0,45 m x 0,02 m

- suprafaţă utilă: A cas = 0,69 x 0,44 = 0,3036 ≈ 0,30 m2

- suprafaţă de poziţionare pe un rastel cu 50 casete: A car = 50 x 0,30 = 15 m2

- suprafaţă de poziţionare în modul bază cu 2 rastele:

Abaza= 2 x 15 m2 = 30 m2

2.1.2 Spaţiu circulaţie agent uscare

Se consideră că stratul de material de uscat poziţionat pe casetă are o grosime medie maximă de circa 20 mm şi ca urmare mai rămâne un spaţiu de 30 mm pentru trecerea aerului.

Aria sectiunii goale prin camera de uscare este Asec = 1,244 m2.

Aria ramei rastelului este: Arast = 1,17 m2.

Secţiunea libera pentru trecerea aerului printre casetele stivuite pe un rastel este:

S aer usc = (0,030 x 0,9) m2/rând x (25+1) rânduri = 0,675 m2

Secţiunea totală de trecere a aerului prin spatiul util de uscare este de :

Saer = (1,244 -1,17) +0,678 = 0,749 m2 0,75 m2

2.2 Parametri funcţionali

2.2.1 Viteza si debitul de agent de uscare

Pentru regimul cel mai intens de uscare se alege o viteză maxima a aerului în încinta de uscare :

v aer max = 2.5 m/s

şi rezultă un debit maxim de :

D aer max = 2,5 m/s x 0,75m2 = 1,875 m3/s = 6.750 m3/h

D aer min = 40% D aer max = 2.700 m3/h

Debitul masic de aer la 65 C va fi de :

Dm aer = 1.875 m3/s x 0,9332 kg/m3 = 2,0092 2 kg.au/s

sau pentru condiţii normale:

Dv aer = 2 kg/s /1,2731 kg/Nm3 = 1,571 Nm3/s = 2111 Nm3/h

Coeficient Reynolds pentru vaer = 2,5 m/s este:

Re = (L x va)/ = (0,72,5)/(210-5) = 8,75 104

Unde : L este lungimea de parcurgere a aerului pe o casetă (m)

este coeficientul de viscozitate cinematica al aerului (m2/s)

Coeficientul criteriului Nusselt este:

Nu = 0,66 Re 0,5 Pr 1/3 = 0,66 x (8,75x 104)0,5 x (0,7) 1/3 = 173

unde: pentru aer criteriul Prandl este: Pr = 0,7

2.2.2 Parametri procesului de uscare

Coeficientul de transfer de căldură se calculează cu :

= (Nu x )/L = 173 x 310-5/0,7 = 7,4x 10-3 (kW/m2K)

unde: λ este coeficientul de conductibilitate al aerului

Pentru uscarea materialelor de origine vegetală temperatura de intrare în camera de uscare este în medie de Tint = 65 oC.

Pentru faza intâi de uscare se acceptă o temperatură maxima la suprafaţa materialului Tsup =35oC.

Coeficientul de transfer de masă va avea valoarea :

= x (Tint – Tsup) /r = 7,4 x 10-3 x (65-35)/2500 = 8,88 x 10-5 (kg.apa/m2s)

2.2.3 Suprafaţa de uscare a materialului

a. Mere tăiate cuburi de 1 cm3

- volum cub: Vc = 1 cm3

- suprafaţa laterală cub: Ac = 6 cm2

- masa cub: Mc = 1 cm3 x 1,2 g/cm3 = 1,2 g/cub

- suprafaţa de uscare pentru 1 kg mere tăiate:

A spec = 6 x 10-4 m2/cub x 1000g/1,2 g/cub = 0,500 m2/kg.mere

Se ia în considerare o densitate de încărcare pe casete de : 10 kg/m2

Masă şarjă în modul de bază:

Mşarjă = 30 m2 x 10 kg/m2 ≈ 300 kg/şarjă

Suprafaţa de uscare a materialului dintr-o şarjă:

Ausc ef = Mşarjă x A spec = 300 x 0,500 =150 m2

Coeficientul de acces la suprafaţa de uscare: kunif 0,7, deci rezulta pentru calcul o suprafaţă estimată la :

Acf usc1 105 m2

b. Mere tăiate în rondele

Rondela medie are dimensiunile :

- diametrul interior : Di = 1cm

- diametrul exterior: De = 4 cm

- grosime rondelă: s = 0,5 cm

- suprafaţă rondelă:

Arond = π∙[ 2∙(De2 – Di2)/4+ De∙s] = 30 cm2

- volum rondelă: Vrond = 5,9 ≈ 6 cm3

- masă rondelă: Mrond = 6 x 1,2 = 7,2 g/rondela

- aria specifică: A spec = 30 x 10-4 m2 x 1000g/7,2 g/rondela = 0,416 m2/kg

- arie uscare totală: Aşarjă = 300 x 0,416 = 124,8 m2

- coeficient de utilizare a suprafeţei de uscare: K sup usc ≈ 0,8

- suprafaţa de uscare estimată:

Ausc ef ≈ 100 m2

c. Umiditate material de uscat

Umiditatea relativă a merelor la intrare în procesul de uscare : φi = 85%

Umiditatea absolută la intrare în uscare: Ui = 5,73 kg.a/kg.mus

Umiditatea relativă a merelor la ieşirea din procesul de uscare : φe = 20%

Umiditatea absolută la ieşirea din procesul de uscare: Ue = 0,25 kg.a/kg.mus

Umiditatea critică de uscare se estimează la Ucr ≈ 1,6 kg.apa/kg.mus

2.2.4 Parametrii agent de uscare

Pentru temperatura la suprafaţa materialului de uscat de Tus = 35 oC conţinutul în apă la saturaţie este de xe= 0,0272 kg a/kg au.

Rezultă că umiditatea absolută a aerului la intrare trebuie sa fie:

xi = xe- Sef/Dm aer = 0,0272 - 8,88 x 10-5 x 100/1,7 = 0,022 kg.v/kg.au

Se poate calcula care este coeficientul maxim de recirculare agentului de la ieşire:

Cu datele existente se poate calcula temperatura estimată a aerului la ieşire:

Te = Ti–(xe-xi) r /Caer = 65–(0,0272-0,022)∙ 2500/1,026 = 65–12,67 ≈ 53,3 oC

T = Te - Ti ≈ 12,7oC

Entalpia aerului la iesire din camera de uscare este :

hies = 109,4 kJ/kg au

Entalpia aerului la intrare in camera de uscare este:

hint = 130,3 kJ/kg au

Entalpia aerului exterior introdus în procesul de amestecare este:

hex = 35,2246 kJ/kg au

Puterea termică necesară pentru pregătirea agentului de uscare:

Rezulta o putere specifica necesara de Pspec = 2,4 kWt/m2

Puterea specifica Pspec a instalatiilor termice ale uscatoarelor de medie capacitate este in domeniul 1,8...3 kWt/m2, cu media la 2 kWt/m2 .

Se alege pentru acest tip de uscator o putere termica maxima disponibilă de 60 kWt.

2.3 Dimensionare ventilator

Se estimeaza ca pierderea de presiune pe traseul circulatiei aerului prin uscator este de circa pusc 600 Pa, valoare similara cu cea data din incercarile uscatoarelor similare.

Presiunea dinamica la iesirea din ventilator (0,5 x 0,355 = 0.1725 m2) este de :

pdin = (1,875 m3/s /0,1725 m2)2 x (0,9332 kg/m3 /2 ) 56 Pa

Puterea utila a ventilatorului este de minim:

Pven = 1,875 m3/s x (600 + 56) Pa = 1230 W = 1,25 kW

Se ia pentru randamentul mediu al ventilatoarelor centrifugale cu palete curbate

înainte valoarea de vent 0,60, iar pentru randamentul motorului electric o valoare de me 0,95. Rezultă puterea necesară pentru motorul electric de acţionare de :

Pme 1,25 /(0,60 x 0,95) = 2,2 kW

Se va utiliza un motor de 2,7 kW.

2.4 Dimensionare instalaţie termică

Puterea instalata de 60 kWth este produsă de o centrală termică de apă caldă. Pentru a se încălzii aerul este necesar să se realizeze transferul de caldură de la apa caldă la aer prin schimbătoare de caldură cu aripioare.

Se considera ca apa caldă are o temperatura minimă de 80 C şi ca transferul de caldura se poate face pentru TSC = 80 – 70 = 10 C.

Pentru a se transfera Pinc max trebuie să se asigure un debit maxim de apă caldă

Dac max cu valoarea:

Dac max = 60/(4,1815 x 10) = 1,435 l/s = 86 l/min = 5,165 m3/h 5,2 m3/h

Se impune o viteză a apei în conducte de 1,5 m/s ceea ce necesită conducte cu secţiunea de 1000 mm2, cu diametru interior di 35,7 mm, deci o conducta de 11/4

inch. Pentru a scădea căderea de presiune se alege o conducta de 11/2 cu diametru interior di = 41,25 mm, în care viteza apei calde este de 1,2 m/s cu căderea specifică de presiune de 3,5 mbar/m.

Lungimea maximă a conductelor este de Lc max 12 m, ceea duce la o pierdere maximă de presiune pe conducte de pc = 42 mbar

Pierderea de presiune pe schimbătoarele de caldură se estimeaza la psc 0,15 bar.

Pierderea de presiune maximă pe robinetul de reglare, cu diametrul nominal de 11/2 , la un debit de 5 m3/h este de prr 0,032 bar

Pierderile maxime de presiune în circuitul secundar sunt:

ptot = 0,042 + 0,15 + 0,032 = 0,224 bar

Ceea ce duce la o putere necesară utilă de pompare de :

Ppu = 1,435 10-3 x 0,224 105 = 32,144 W

Randamentetul pompelor la sarcina nominală este de minim 60% ceea ce conduce la o pompă cu motor electric cu puterea :

Pmp 33 /0,60 = 55 W 60 W

Se va utiliza o pompa de apa calda cu Dn = 11/2 şi putere de 60 W.

Pentru o funcţionare normală a cazanului de apă caldă se utilizează un rezervor suplimentar de apă caldă de 500 kg cu un randament de izolaţie de 0,95. Acesta se încălzeste de la 20 la 85 ºC în perioada :

tamorsare = [500 4.185 (85-20)/60] / 0.95 = 2386 s= 0,67 h

Considerând că ecartul de temperatură la o reîncălzire este de 10 ºC şi puterea consumată din rezervor este 0,667 din Pcazan rezultă că o perioadă de reîncălzire în care va funcţiona cazanul va fi de maxim :

tince = [500 4.185 10)/20] / 0.95 = 1100 s= 0,3 h

Perioada de pauză, în care uscătorul utilizează numai caldură din rezervor, va fi de minim:

trac = [500 4.185 10)/40] / 0.95 = 550 s= 0,15 h