S použitím dostupných zdrojov spracoval: doc. Ing. Ivan Vitázek, CSc. | [email protected]

Sušenie je zásadný technologický proces, pri ktorom sa poľnohospodárske produkty upravujú tak, aby sa mohli dlhodobo skladovať. Pod pojmomsušenierozumieme fyzikálny dej, pri ktorom sa účinkom tepla znižuje obsah vlhkosti v látkach bez zmeny ich chemického zloženia. Vlhkosť sa odstraňuje vyparovaním, odparovaním alebo sublimáciou. Odstraňovanie vlhkosti iným spôsobom ako tepelným (napr. mechanickým alebo chemickým), nepovažujeme za sušenie.

Rozlišujeme prirodzené sušenie, t.j. sušenie na vzduchu, pri ktorom potrebné teplo je poskytované okolím v závislosti na atmosférických podmienkach a umelé sušenie, t.j. sušenie, pri ktorom je potrebné teplo privádzané zo zvláštneho zdroja.

Základné pojmy v sušiarenstve

V technike sušenia sú zaužívané základné pojmy. V ďalšom texte sú uvedené niektoré z nich:

• sušiareň – výrobné alebo laboratórne zariadenie, ktoré je upravené konštrukčne tak, aby sa v ňom uskutočňovalo sušenie podľa určitého spôsobu;
• sušiace prostredie – plynné prostredie, ktoré prijíma a odvádza pary vlhkosti odparenej, vyparenej alebo vysublimovanej zo sušeného materiálu počas sušenia;
• priebeh sušenia – časový priebeh parametrov charakterizujúcich vlastnosti materiálu počas sušenia;
• odsušok – množstvo odstránenej vlhkosti z vlhkého materiálu počas sušenia;
• sušina – materiál bez fyzikálne viazanej vlhkosti;
• rovnovážna vlhkosť – absolútna vlhkosť prislúchajúca stavu termodynamickej rovnováhy medzi látkou a okolím;
• medzerovitosť – podiel medzi objemom medzizrnečných priestorov a celkovým objemom zrnitého materiálu;
• merný povrch – podiel medzi povrchom telesa a jeho objemom;
• aktívny povrch – plocha povrchu telesa, z ktorej sa odparuje vlhkosť pri sušení;
• vonkajšie podmienky sušenia – podmienky, pri ktorých sa privádza teplo potrebné k odstraňovaniu vlhkosti a odvádzaniu vzniknutej pary; určené sú termodynamickými a aerodynamickými pomermi v sušiacom priestore a sú ovplyvniteľné voľbou sušiaceho spôsobu, konštrukciou sušiarne a predpisom režimu sušenia;
• vnútorné podmienky sušenia – podmienky charakterizujúce väzbu vlhkosti a jej pohyb v sušenom materiáli; sú dané sušeným materiálom a pri sušení sú ovplyvniteľné len v obmedzenej miere;
• sušiaci spôsob – metóda, ktorá sa použije na to, aby sa sušenie realizovalo v požadovanom rozsahu a pri ktorej je zladené pôsobenie prívodu tepla nutného na odstránenie vlhkosti zo sušeného materiálu a k odvedeniu vzniknutej pary sušiacim prostredím;
• režim sušenia – súbor parametrov, pri ktorých sa realizuje sušenie.

Vlhkosť materiálu

Vlhkosť materiáluje definovaná ako obsah kvapaliny (napr. vody), viazanej v materiáli inak ako chemicky (v skupenstve kvapalnom, tuhom alebo plynnom).

Rozlišujeme nasledovné vlhkosti materiálov:

• absolútna vlhkosť (predtým merná vlhkosť)- obsah vlhkosti v materiáli vyjadrený ako podiel hmotnosti vlhkosti (M_V) ku hmotnosti sušiny (M_MS):

  

• relatívna vlhkosť (predtým podiel vlhkosti) - obsah vlhkosti v materiáli vyjadrený ako percentuálny podiel hmotnosti vlhkosti (M_V) ku hmotnosti vlhkého materiálu (M_M):

  

  
  Pozn.: Relatívna vlhkosť môže byť označená aj ako ω.

Väzba vlhkosti v materiáli

Poľnohospodárske materiály predstavujú vo väčšine prípadov biologicky živé organizmy vo svojej štruktúre a zložení koloidné kapilárno-pórovité látky . Obsahujú veľké množstvo mikroskopických pórov, mikrokapilár a makrokapilár, v ktorých sa nachádza voda, ktorá je schopná prechádzať z vnútorných častí na povrch zrna alebo naopak.

Voda má mimoriadny význam pre všetky životné pochody biologického materiálu. Udržiava sa nielen na povrchu a v kapilárach, ale aj vo vnútri buniek jednotlivých jeho súčastí. Znižovaním obsahu vody vytvárame podmienky, pri ktorých sa biologická činnosť zníži, čo nám umožňuje dlhodobé konzervovanie daného produktu. Pritom však musíme dbať, aby sa zachovali jeho úžitkové vlastnosti. Vlhkosť je totiž nositeľom metabolizmu, látkovej výmeny s okolím. To znamená, napr. u osivového materiálu zachovanie klíčivosti, u ostatných zachovanie niektorých skupín bielkovín, sacharidov, tukov, vitamínov a fermentov, ktoré určujú kvalitu daného materiálu, resp. zlepšujú tie jeho vlastnosti, ktoré sú dôležité pre jeho neskoršie spracovanie na potraviny, krmoviny a priemyselné spracovanie.

Sušenie vlhkých materiálov je podmienené porušením väzby vlhkosti so sušinou, na čo je potrebná určitá energia. Túto energiu nazývame väzbová energia .

Podľa veľkosti väzbovej energie je rozdelená väzba vlhkosti so sušinou do troch hlavných skupín:

1. chemická väzba, ktorú tvorí iónová väzba vnútri molekúl a molekulová väzba vnútri kryštálov;
2. fyzikálno-chemická väzba, ktorú tvorí adsorpčná väzba medzi molekulami vlhkosti a molekulami sušiny, osmotická väzba vnútri buniek, štrukturálna väzba v štruktúre gélov;
3. fyzikálno-mechanická väzba – na povrchu materiálu a na vnútornom povrchu kapilár.

Pri sušení odstraňujeme povrchovú vlhkosť, t.j. fyzikálno-mechanicky viazanú vodu a časť fyzikálno-chemicky viazanej vody, t.j. adsorbovanej vlhkosti.

Princíp mechanizmu sušenia je možné názorne uskutočniť pomocou schematického znázornenia (obrázok „Model mechanizmu vyparovania“), ktoré obsahuje kapiláru malého priemeru a kapiláru veľkého priemeru.

Najskôr sa začína voda odparovať na povrchu materiálu. Rýchlosť sušenia nezávisí na kapilárnom systéme, obr.a), b). S ubúdajúcim obsahom vlhkosti, v závislosti od rozmerov a usporiadania kapilár, nastane "kritický stav", t.j. rovnováha medzi kapilárnym sánim a odporom proti prúdeniu pár v kapilárach, obr.c). Začína pokles hladiny odparovanej vlhkosti do vnútra materiálu. O priebehu sušenia rozhodujú kapilárne a difúzne vlastnosti materiálu, obr.d). Na konci procesu zostáva v materiáli len vlhkosť vo forme molekúl adsorbovaných na stenách kapilár vo forme rovnovážnej vlhkosti, obr.e).

Obr. 1: Model mechanizmu vyparovania

Zrniny považujeme za koloidné kapilárno-pórovité látky, kde má obsah vody a jej zloženie, (spolu s celistvosťou obalového povrchu, ktorý veľmi spomaľuje pohyb vlhkosti), mimoriadny význam tak pre klíčivosť (osivá), ako aj pre možnosť dlhodobého skladovania (zrniny na potravinárske a kŕmne účely). Čo sa týka sušenia, s rastúcou rýchlosťou sušenia na začiatku procesu musí byť teplota sušiaceho prostredia znižovaná. Spravidla pre osivá je táto teplota pod 70 ^oC (často pod 50 ^oC), pre ostatné zrniny (na kŕmne účely) môže byť 100 až 120 ^oC. Pri vysokých vstupných vlhkostiach zrnín (napr. kukurica) sa potrebný pokles rýchlosti sušenia docieli rozdelením procesu sušenia do viacerých fáz, napr. komorové sušiarne s dvoj alebo trojfázovým procesom, prípadne zosypné sušiarne delené vo vertikálnej rovine na niekoľko sekcií so samostatnými horákmi, alebo opakovaným prechodom cez šachtu sušiarne.

Statika sušenia

Proces sušenia v sušiarni analyzujeme pomocou dvoch základných zákonov prírodných vied, a to zákona zachovania energie a zákona zachovania hmotnosti. Pri tejto analýze, ktorú označujeme ako statika sušenia , počítame len množstvo hmôt a energií. Na obrázku „Schéma pohybu hmôt ...“ je schematicky znázornený pohyb hmôt a energií v kontinuálnej poľnohospodárskej sušiarni, ktorú tvorí ohrievač sušiaceho prostredia a vlastná sušiareň. Analyzujeme proces sušenia bez strát hmotnosti sušeného materiálu a sušiaceho prostredia.

Obr. 2: Schéma pohybu hmôt a energií v kontinuálnej sušiarni

Do sušiarne vstupuje hmotnostný tok vlhkého materiálu m_M1 (kg.h^-1) s relatívnou vlhkosťou w₁ (%) a s teplotou t₁ (^oC). Zo sušiarne vystupuje hmotnostný tok usušeného materiálu m_M2 (kg.h^-1) s relatívnou vlhkosťou w₂ (% a, s teplotou t₂ (^oC). S ohľadom na rozsah príspevku je pozornosť venovaná len hmotnostným tokom na sušiarni. Hmotnostný tok sušiaceho prostredia m_LS (kg.h^-1) predstavuje tok suchého vzduchu, ktorý však obsahuje premenlivé množstvo vlhkosti (vstup – merná vlhkosť x₁, resp. výstup zo sušiarne – x₂).

Výkonnosť sušiarne

Výkonnosť sušiarne sa určuje dvoma spôsobmi:

1. hmotnosťou usušeného materiálu s vlhkosťou w₂ ; priemerný hmotnostný prietok na výstupe zo sušiarne m_M2 (kg.h^-1);
2. odparivosťou – stredným prietokom odparenej vlhkosti za jednotku času m_V (kg.h^-1).

Odparivosť sa podľa hmotnostnej metódy určí priamo ako rozdiel hmotnostných prietokov na vstupe a výstupe zo sušiarne:

a nepriamo sa určí prepočtom z hmotnostného prietoku vstupujúceho materiálu:

alebo z hmotnostného prietoku usušeného materiálu:

Pri kontinuálnych sušiarňach v ustálenom stave sa odparivosť určí pomocou zmeraných parametrov sušiaceho prostredia:

Výkonnosť sušiarne vyjadrená ako hmotnosť usušeného materiálu:

Charakteristické ukazovatele

Vzájomné porovnanie rôznych sušiarní a prevádzok umožňujú charakteristické ukazovatele. Najdôležitejšie sú nasledovné:

Merná spotreba tepla vyjadruje podiel spotrebovaného tepla pripadajúci na jednotku hmotnosti odparenej vlhkosti:

Merná spotreba elektrickej energie na jednotku hmotnosti odparenej vlhkosti alebo na jednotku hmotnosti usušeného produktu:

Merná odparivosť je podiel odparivosti pripadajúci na jednotku účinnej plochy sušiarne alebo na objemovú jednotku účinného sušiaceho priestoru:

V poľnohospodárskej praxi sa často používa i ďalší ukazovateľ, a to spotreba tepla (alebo paliva) na tzv. “tono percento” (t.%), čiže množstvo tepla potrebného na zníženie vlhkosti 1 tony materiálu o 1 % vlhkosti.

Pozn.: Ak pred cca 30-mi rokmi sa za výbornú hodnotu u moderne koncipovaných sušiarní považovala merná spotreba tepla 4500 kJ.kg^-1, v dnešnej dobe je merná spotreba tepla na hranici 3000 kJ.kg^-1. Vyžaduje to však najmä prísne dodržiavanie technologického predpisu sušenia pre daný materiál a ďalších technologických a ekonomických požiadaviek, podstatný je i vplyv poveternostných podmienok.

Odparivosť (množstvo odparenej vlhkosti) počítame podľa už uvedených vzťahov. Ak množstvo odparenej vlhkosti vzťahujeme k hmotnosti vlhkého materiálu (vzťah s m_M1), sú hodnoty udávajúce množstvo odparenej vlhkosti nižšie. Pre 1000 kg pšenice sušenej z 24 % na 14 % je tento údaj 116 kg, resp. 132 kg (vzťah s m_M2). Je preto potrebné venovať pozornosť metodike výpočtu odparenej vlhkosti.

Rôzne hodnoty odparenej vlhkosti sú dosiahnuté i pri sušení síce o rovnaký rozdiel vlhkosti, ale o rôznej počiatočnej vlhkosti materiálu. Pri hmotnosti 1000 kg usušeného materiálu (m_M2) sušeného z 19 na 14 % musíme odpariť 61,73 kg vlhkosti, ak však sušíme zo 17 na 12 %, je množstvo vlhkosti 60,24 kg. Pri výkonnosti sušiarne niekoľko desiatok ton je tento rozdiel už značný, a preto sú dôležité parametre sušeného materiálu, pri ktorých výrobca uvádza výkonnosť sušiarne. Čím je nižšia vlhkosť materiálu, tým menej voľnej vody sa v ňom nachádza a zároveň viac tepla je potrebné na odparenie vlhkosti. Na spotrebu tepla pri sušení má významný vplyv teplota a vlhkosť vonkajšieho vzduchu, stupeň zrelosti konkrétneho sušeného materiálu (inú väzbu vlhkosti má štrukturálna vlhkosť a inú povrchová vlhkosť, napr. vplyvom počasia) a tiež veľkosť materiálu (repka – kukurica). Rovnako na spotrebu tepla vplýva i technický stav sušiarne, kde sa významne prejavuje napr. znečistenie pracovných orgánov sušiarne.

Požiadavky na sušenie zrnín

Požiadavky na sušenie zrnín sú v podstate trojakého druhu: technologické, hygienické a ekonomické.

Technologické požiadavky

Technologické požiadavkyje možné charakterizovať nasledovne:

1. kontinuálne sušenie;
2. usušenie zrna na požadovanú vlhkosť a ochladenie na prípustnú teplotu;
3. pri prechode zrna sušiarňou nesmie nastávať jeho mechanické poškodenie;
4. rovnomerné vysušenie zrna tak, aby maximálny rozdiel vlhkosti na výstupe nepresiahol ±1 % od požadovanej výstupnej vlhkosti;
5. sušiareň má byť vybavená diaľkovou reguláciou prietoku zrna zariadením v odporúčanom rozsahu 0,36 až 2-násobok menovitej výkonnosti;
6. sušiareň má mať plynulú reguláciu teploty sušiaceho prostredia a automatickú kontrolu teploty ohriatia zrna.

Presné dodržiavanie technológie sušenia vyžaduje najmä napr. sladovnícky jačmeň a pšenica určená na mlynské spracovanie. Z technologického hľadiska je najdôležitejšie, aby v priebehu procesu sušenia neprekročila teplota zrna určitú medznú hodnotu, ktorá závisí od počiatočnej vlhkosti. Jej prekročením dochádza ku zníženiu energie klíčivosti, pri pšenici na mlynské spracovanie dochádza k zníženiu množstva mokrého lepku v sušine a pod.

Hygienické požiadavky

Hygienické požiadavky na sušenie zrnín sú ako z hľadiska ochrany životného prostredia, tak aj z hľadiska nezávadnosti usušeného produktu.

Z hľadiska ochrany čistoty ovzdušia je nutné, aby sušiarne spĺňali podmienky dané predpismi o prípustných koncentráciách plynných exhalácií. Vzhľadom na skutočnosť, že obilné sklady vybavené sušiarňami sú často v blízkosti obydlí, je potrebné zaistiť, aby ľahké podiely vychádzajúce zo sušiarne (plevy, nečistoty, úlomky zŕn) boli zachytávané a neobťažovali okolie.

Otázka hygienickej nezávadnosti usušeného produktu súvisí s používaním zmesi spaliny - vzduch ako sušiaceho prostredia. Prináša to so sebou riziko, že niektoré hygienicky nevyhovujúce látky obsiahnuté v spalinách budú absorbované v sušenom materiáli. Jedná sa najmä o oxid siričitý, polycyklické a aromatické uhľovodíky, pričom vyššia citlivosť na škodliviny je pri zrne vlhšom ako suchšom. Pri veľmi vlhkom obilí môžu splodiny síry (SO₂, H₂SO₄, H₂S) ovplyvňovať vlastnosti lepku, porušenie vitamínu B ₁ a ďalšie. Nastáva i pôsobenie polycyklických aromatických a alifatických uhľovodíkov, ktoré sú v príslušných koncentráciách karcinogénne (benzpyren, benzperylen, dibenzantracen). Zrniny určené na potravinárske účely by nemali prichádzať do styku so splodinami horenia.

Ekonomické požiadavky

Ekonomické požiadavky vystupujú do popredia pri posudzovaní sušiarní zrnín rôznych konštrukčných vyhotovení pomocou technicko-ekonomických parametrov, ktorými sú najmä merná spotreba tepla a elektrickej energie na 1kg odparenej vody a merná spotreba paliva na usušenie 1 tony obilia o 1 % vlhkosti.

Na zaistenie prevádzky sušiarní zrnín v optimálnom režime z hľadiska spotreby energie sa významne uplatňujú technicko-organizačné opatrenia zamerané na:

1. triedenie obilia pred sušením podľa vlhkosti a jeho dôsledné čistenie;
2. dodržiavanie požadovanej konečnej vlhkosti (nepresušovať);
3. maximálny jednorazový odsušok
   
4. zaistenie plynulého prísunu obilia;
5. epravidelnú kontrolu počiatočnej a konečnej vlhkosti zrna;
6. pravidelné čistenie sušiarne a jej príslušenstva.

Žijeme v dobe, kedy sa zvyšujú a značne kolíšu ceny energií, ťažké je predpovedať ich vývoj na ďalšie obdobie. Sušiarne pritom patria k významným spotrebičom tepla. Ak chceme dosahovať nízke spotreby, musíme mať k dispozícii moderné zariadenie, jeho dobrý technický stav vrátane príslušenstva, vyškolenú obsluhu a dodržiavať vyššie uvedené požiadavky na sušenie daných produktov. Využívať podľa možnosti v danej lokalite dostupné obnoviteľné zdroje energie.

Problematika techniky sušenia je veľmi široká, zahŕňa rôzne oblasti a nie je možné ju vyčerpať v tomto príspevku. Okrem teoretických znalostí v oblasti termomechaniky, mechaniky vlhkého vzduchu, konštrukcie technických zariadení a snímačov, je potrebné ovládať a dodržiavať technologický postup sušenia daných produktov a merania požadovaných parametrov. Uvedenej problematike je venovaná pozornosť na Technickej fakulte SPU v Nitre a je možné sa s ňou oboznámiť v príslušnej vysokoškolskej učebnici.

© 2024 Agroporadenstvo.sk | Vytvoril a prevádzkuje: Inštitút znalostného pôdohospodárstva a inovácií | Valid XHTML | CSS
Úvod |  Mapa stránok |  Novinky e-mailom |  Vyhlásenie o prístupnosti