Πειραματικός προσδιορισμός του επιφανειακού συντελεστή μεταφοράς μάζας νερού/αέρα

Question 1

Τι συμβαίνει στην επιφάνεια ενός υγρού που έρχεται σε επαφή με ρεύμα αέρα;

Answer 1

Στην επιφάνεια ενός υγρού που έρχεται σε επαφή με ρεύμα αέρα παρατηρείται εξάτμιση και μεταφορά μάζας των ατμών του υγρού στον αέρα όπου η θερμότητα για την εξάτμιση αυτή παρέχεται από τον αέρα και οι ατμοί που παράγονται παρασέρνονται από το ρεύμα αέρα. Έτσι στην διεπιφάνεια υγρού- αέρα η συγκέντρωση των ατμών του υγρού είναι μέγιστη και ο αέρας θεωρείται κορεσμένος ως προς τους ατμούς του υγρού.

Question 2

Ποιοι παράγοντες καθορίζουν τον συντελεστή μεταφοράς μάζας και τι προκαλεί η αύξηση της ταχύτητας ;

Answer 2

Ο συντελεστής μεταφοράς μάζας hm εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της ροής του ρεύματος αέρα (ταχύτητα), το πάχος του οριακού στρώματος, τις θερμοφυσικές ιδιότητες του αέρα και των ατμών του υγρού (Τ,Ρ,ρ) και από την γεωμετρία του συστήματος. Σε γενικές γραμμές η αύξηση της ταχύτητας του αέρα προκαλεί ελάττωση του πάχους του οριακού στρώματος αυξάνοντας τον συντελεστή μεταφοράς μάζας.

Question 3

Τι φαινόμενα συμβαίνουν κατά την ξήρανση τροφίμων σε ρεύμα αέρα;

Answer 3

Ειδικότερα για την ξήρανση τροφίμων σε ρεύμα αέρα, η περιεχόμενη στο στερεό υγρασία ελαττώνεται συνεχώς κατά την διάρκεια της ξήρανσης. Η ελάττωση αυτή προκαλείται λόγω της μεταφοράς θερμότητας από τον αέρα στο στερεό αρχικά με μεταφορά και έπειτα με αγωγή μέσα στο εσωτερικό του. Η θερμότητα αυτή εξατμίζει μέρος της περιεχόμενης στο στερεό υγρασίας και οι ατμοί που παράγονται μετακινούνται αρχικά με διάχυση μέσα στο στερεό και έπειτα με μεταφορά στο ρεύμα αέρα.

Question 4

Πως βρίσκεται ο ρυθμός ροής μάζας του υγρού προς το ρεύμα αέρα και ποιες απλοποιήσεις μπορούμε να κάνουμε ;

Answer 4

Ο ρυθμός ροής της μάζας του υγρού προς το ρεύμα αέρα είναι ίση με Ṁ=-dm/dt=hmw∙A∙(a_ws−a_w) όπου Ṁ είναι ο ρυθμός μεταφοράς μάζας νερού (kg/s) , hmw είναι ο επιφανειακός συντελεστής μεταφοράς μάζας (kg/m2s) , Α το εμβαδό επιφάνειας επαφής τροφίμου/αέρα (m2)=πD2/4, aw η ενεργότητα νερού ή η σχετική υγρασία θερμού αέρα και aws η ενεργότητα νερού ή η σχετική υγρασία στην διεπιφάνεια τροφίμου αέρα.
Έτσι aw =φ/100 και αφού ο αέρας στην διεπιφάνεια θεωρείται κορεσμένος η σχέση παίρνει την μορφή Ṁ= hmw A (1-αw). Επιπλέον η Τ που επικρατεί στην διεπιφάνεια είναι η Τ υγρού βολβού του αέρα και έτσι καλό είναι το υγρό να έχει ήδη αυτή την θερμοκρασία για να παραληφθεί το στάδιο αποκατάστασης της ισορροπίας.

Question 5

Πως γίνεται η επαλήθευση της εξίσωσης για το Ṁ και τι συμβαίνει με την αποκατάσταση της ισορροπίας ;

Answer 5

Η πειραματική επαλήθευση της ανωτέρω σχέσης επιτυγχάνεται όταν ο ρυθμός εξάτμισης της μάζας του νερού παραμένει σταθερός ως προς τον χρόνο με παράλληλη σταθερή Τ στην διεπιφάνεια. Έτσι αποκαθίσταται θερμική ισορροπία και ο ρυθμός ροής της λανθάνουσας θερμότητας που απαιτείται για την εξάτμιση του νερού ισούται με τον ρυθμό ροής της θερμότητας που παρέχεται από τον αέρα και είναι σταθερός με τον χρόνο. Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται κατά το αρχικό στάδιο ξήρανσης σε τρόφιμα με υψηλά ποσοστά υγρασίας ( πολτοί, χυμοί) που γίνεται με spray drying ή με επαφή (ξηραντήρες τυμπάνων).

Question 6

Πως βρίσκουμε την σταθερά αναλογίας του συντελεστή μεταφοράς μάζας hm0 μέσω τύπων και μέσω γραφήματος ;

Answer 6

h_mw=h_mo∙(u/u_ref )^a∙〖(Ts/Tref)〗^b όπου u είναι η ταχύτητα ροής θερμού ρεύματος αέρα ,uref ταχύτητα αναφοράς ρεύματος αέρα (m/s) , Ts η θερμοκρασία στην διεπιφάνεια, Tref η θερμοκρασία αναφοράς ρεύματος αέρα © , hm0 η σταθερά αναλογίας του συντελεστή μεταφοράς μάζας (kg/m2s) και a,b οι εκθετικές σταθερές
Με την παραδοχή ότι u=σταθερό η εξίσωση παίρνει την μορφή ln⁡〖h_mw 〗=ln⁡〖h_m0 〗+b(Ts/Tref) η οποία είναι της μορφής y =αx+ β όπου το y=ln⁡〖h_mw 〗 το β =ln⁡〖h_m0 〗 το α =b (κλίση) και x =(Ts/Tref)