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트레이 건조기를 사용한 대류 및 전도열 전달 조사

Overview

출처: 마이클 G. 벤턴과 케리 M. 둘리,화학 공학부, 루이지애나 주립 대학, 배턴 루지, LA

건조기는 수많은 산업 공정에서 활용됩니다. 건조기의 기능은 열 전달 공정을 사용하여 고체를 건조하는 것입니다. 다양한 건조기 유형이 존재합니다. Adiabatic 건조기는 대류와 가스와의 직접 접촉을 사용하여 고체를 건조시키는 반면, 비아디아바틱 건조기는 가열된 가스 접촉 이외의 방법을 사용하여 전도, 방사선 및 무선 주파수 건조1을포함하여1을건조시합니다. 건조기는 배치 프로세스에 사용하거나 연속 사용1에있을 수 있습니다.

본 실험에서는, 모래의 건조 속도에 대한 온도 및 공기 속도의 효과는 트레이 건조기를 사용하여 결정될 것이다. 두 개의 서로 다른 공기 유량에 대한 세 가지 다른 전원 설정 (1000 W, 1500 W 및 2500 W)이 테스트되어 총 6 개의 데이터 세트를 제공합니다. 이 데이터에서 열 및 질량 전달 계수를 계산할 수 있습니다.

Principles

트레이 건조기는 유동식 침대 건조기, 냉동 건조기 및 진공 건조기를 포함하는 배치 건조기의 한 유형입니다. 트레이 건조기는 대류 열 전달을 사용하여 고체 위로 가열된 공기를 흐르고 건조시합니다. 그들은 제약 및 기타 화학 물질의 생산을 포함하여 다양한 산업에 의해 사용된다1. 반면 연속 건조기는 식품산업1과같은 대량 제품 산업에서 흔히 볼 수 있다.

일반적인 트레이 드라이어에서 공정을 시작하기 위해 트레이는 모래와 같은 젖은 고체로 고르게 채워져 장치에 적재됩니다. 건조기의 조절식 팬과 히터는 건조 채널을 통해 팬의 공기 흐름 속도의 연속적 변화, 500와트 증분의 열 관세 변화를 허용합니다. 건조기가 작동함에 따라 모래에서 공기 로 물이 증발합니다. 건조율은 초기 고체/물 혼합물을 계량하고 최종 건조 고체의 무게를 다양한 시간 간격으로 빼서 계산됩니다.

열 전달은 모래와 주변 공기 사이의 온도 차이에 의해 구동됩니다. 단순화 된 뉴턴의 가열 법칙 (방정식 1)을 사용하여 가열 된 공기와 모래 공기 인터페이스 사이의 열 전달을 모델링하여 실험적인 열 전달 계수를 얻을 수 있습니다. 다른 열 관세 조건은 수학식 1의 용어에 비해 무시할 수 있습니다.

Equation 1방정식 1

여기서 q는 열이 전송되는 경우, ṁ 증발의 할당된 양또는 속도로 증발되는 물이며, ∆Hvap는 기화의 엔탈피이며, hy는 열 전달 계수이고, T공기는 공기 온도이고,Ts는 모래의 표면 온도이다.

실험적인 질량 전달 계수를 얻기 위해 모래에서 공기로물의 이송은 실제 위상 경계를 가로질러 흐르는 질량 전달로 모델링됩니다. 건조 속도 방정식(방정식 2)은 이 모델입니다.

Equation 2방정식 2

여기서 ky는 질량 전달 계수이고, C는 물의 농도이고, A는 경계의 표면적이다. 모래(C)와공기(C∞)의 물 농도는 각각 질량 균형 및 심령 차트를 사용하여 얻을 것이다. 이들은 건조 속도에 대 한 해결 하기 위해 사용 됩니다.

이론적 값은 열 및 질량 전달 계수를 계산하여 실험 데이터와 비교할 수 있습니다. 이론적 열(식인3) 및 질량(수학식 4) 전달 계수는 상관관계와 관련된 물질의 특성으로부터 얻어진다.

Equation 3방정식 3

Equation 4방정식 4

여기서 Re는 레이놀즈 번호, Pr은 Prandtl 번호, Sc는 슈미트 번호, DAB는 공기 중물의 확산도, L은 길이이고, K는 열 전도도이다.

Procedure

실험은 네 개의 실행으로 구성되며, 각 실행은 두 개의 팬과 열 설정 중 하나의 다른 조합을 테스트합니다.

1. 트레이 드라이어 작동

  1. 모래 500g과 150mL의 물을 혼합하여 슬러리를 준비하고 장치의 실험 트레이에 적재합니다. 혼합물을 트레이에 고르게 펴놓습니다.
  2. 메인 유닛을 끄면 트레이를 건조 챔버에 놓습니다.
  3. 메인 유닛을 켜고 송풍기와 히터를 켭니다.
  4. 각 런에 대해 공기 속도와 온도를 설정합니다. 세 가지 공기 속도는 0.8 ft/s에서 2.0 ft/s(고, 중간 및 낮음)에 이르기까지 다양하며 195º F 정도의 일정한 온도가 있습니다. 세 온도는 130 ~ 200 ºF에서 1.8 ft /s의 일정한 공기 속도를 가져야합니다.
  5. 전체 실행 시 5분마다 측정을 수행하며, 45분 동안 지속됩니다. 수집된 데이터에는 유입 공기 온도, 모래 온도, 모래 무게, 출구 공기 온도, 출구 공기 흐름 속도, 건전구 온도 및 젖은 전구 온도가 포함되어야 합니다. 온도 측정값, 공기 흐름에 대한 공기 흐름 설정, 모래 무게를 위한 디지털 스케일, 습식 및 건전구 온도를 위한 슬링 사이크롬터를 사용하는 디지털 온도계를 사용합니다.
  6. 각 설정 집합에 대한 프로세스를 반복하여 총 4개의 고유한 실행을 합리로 설정합니다.

Results

수집된 데이터로부터 다음 정보를 얻을 수 있다. 공기에 존재하는 물의 농도를 제공하는 절대 습도를 결정하기 위해 psychrometric 차트를 사용합니다. 열 전달 계수는 측정된 온도 및 방정식 1을 사용하여 계산할 수 있습니다. 그리고 마지막으로, 젖은 모래의 질량의 변화는 모래에서 물의 농도를 계산하는 데 사용할 수 있습니다.

모래의 수분 함량은 시간이 지남에 따라 선형적으로 감소했습니다. 예상대로, 증발 속도는 더 큰 유량과 열 관세로 증가하는 것으로 나타났습니다. 그들의 방정식에 따르면, 열 및 질량 전달 계수는 모래 공기 인터페이스에서 증발 속도에 직접 비례합니다. 열 및 질량 전달 계수의 이론적 값은 99%의 R2와 강한 양성 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 실험 값은 테스트 후 약한 상관 관계를 보였습니다.

공기 흐름과 증발 속도 사이의 관계와 온도와 증발 속도 사이의 관계는 모두 선형적으로 증가했습니다(그림 1, 그림 2). 공기 흐름(도 1) 증가 및 온도 증가(도 2)는 모두 증발 속도를 증가시켰습니다. 이러한 그래프는 공기 흐름이나 온도가 증가하고 다른 변수가 일정하게 유지되면 증발 속도가 동등한 속도로 증가하고 양수 선형 추세를 따른다는 것을 보여줍니다. 공기 유량 변화 시험은 대류 열 전달의 척도였으며, 온도 변화 테스트는 전도성 열 전달의 척도였다. 두 테스트의 합은 대류 및 전도성 열 전달 모두 증발 속도와선형 관계를 따르는 것을 보여줍니다.

Figure 1
그림 1: 대기 속도와 증발 속도 사이의 관계를 묘사하여 선형적으로 증가했습니다.

Figure 2
그림 2: 온도와 증발 속도 사이의 관계의 묘사, 이는 선형 증가.

공기 모래 인터페이스의 상대 습도 및 온도인 오류에 대한 가장 큰 소스와 측정에 오류의 많은 소스가 있습니다. 또한 트레이의 무게에 대한 공기 속도 효과는 중요하지 않은 것으로 간주되었지만 오류의 원인입니다. 이 오류 중 일부는 열 및 질량 전달 계수의 상관 관계를 감소시킬 수도 있습니다. 이 계수는 이론적으로 계산되었고 상관 관계가 입증되었습니다. 그러나 실험 데이터는 이론적으로 유사하지만 중요한 추세를 보이지 않았습니다.

Application and Summary

트레이 건조기는 대류 및 전도성 열 전달에 대하여 모래의 건조 속도를 측정하는 데 사용되었다. 3개의 서로 다른 전력 레벨과 두 개의 서로 다른 유량의 건조기를 사용하여 6개의 실험 데이터 세트가 발견되었습니다. 측정은 5 분 간격으로 모래 / 물 혼합물을 계량하여 촬영했다.

이 실험은 뉴턴의 난방 법칙, 건조 속도 모델링, 열 및 질량 전달 모델링을 사용했습니다. 열 및 질량 전달 계수는 경계 층 모델을 사용하여 결정되었다. 이론적으로 열 및 질량 전달 계수는 매우 강력한 양양성 선형 상관관계를 보여줍니다. 실험 결과 긍정적인 추세도 보였지만, 데이터가 너무 부정확하여 둘 사이의 중요한 상관 관계를 표시하지 못했습니다.

트레이 건조는 다양한 분야에서 사용할 수 있습니다. 그러한 분야 중 하나는 제약입니다. 제약분야에서는 트레이 건조기가 끈적거리고 세분화된 재료2를포함한 다양한 기재를 건조하는 데 사용된다. 의약품에 사용되는 많은 플라스틱은 트레이 건조기2에서건조 될 수있다. 또한 침전물, 페이스트 및 기타 젖은 덩어리는 원유 약물, 화학 물질, 분말 및 태블릿 과립과 함께 트레이 건조기로 건조 할 수 있습니다. 심지어 일부 장비는 건조기2에서건조된다. 트레이 건조기는 크기가 다양하고 손실 없이 처리 될 수있는 배치에 사용되기 때문에이 업계에 많은 장점을 제공합니다2. 건조기는 또한 효율적인 방식으로 다른 재료와 함께 쉽게 조정2. 경우에 따라 진공의 트레이 건조기는 비타민2와같은 열에 민감한 제품을 건조하는 데 사용됩니다.

트레이 건조기는 식품 가공3에도사용됩니다. 식품은 건조3을위해 트레이에 얇고 고르게 펴질 수 있습니다. 식품의 종류에 따라 트레이를 가로 질러 움직이는 공기, 가열 된 트레이 또는 선반에서 전도 또는 방사선 형태로 가열 된 다른 가열 된 표면3을가열하여 건조를 수행 할 수 있습니다. 공기는 습한 증기를 제거의 추가 이점과 함께 사용할 수 있습니다, 이것은 일부 음식에 대한 문제가 될 수 있지만3.

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0:07

Overview

1:00

Principles of Tray Dryer Operation

2:12

Principles of Heat and Mass Transfer in Tray Drying

3:37

Drying a Sand-water Slurry

4:57

Results

5:50

Applications

7:21

Summary

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