ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΟΥ ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΚΛΙΝΗΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΞΗΡΑΝΣΗΣ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΙΕΥΘΥΝΤΗΣ: Καθ. Ν. Α. ΚΥΡΙΑΚΗΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΟΥ ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΚΛΙΝΗΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΞΗΡΑΝΣΗΣ ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΗΣ ΗΛΙΑΣ ΑΕΜ: 4888 Αριθμ. Εργασίας 2012-10 ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Καθ. Ν. Α. Κυριάκης ΑΡΜΟ ΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: ρ. Α. Μιχόπουλος ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ Οκτώβριος 2012

1. 2. 3. 4. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 5. Υπεύθυνος: Καθ. Νικόλαος Κυριάκης 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης: ρ. Απόστολος Μιχόπουλος 7. Τίτλος εργασίας: Σχεδιασμός ξηραντηρίου ρευστοποιημένης κλίνης και ενεργειακή ανάλυση ξήρανσης 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή: 9. ΑΕΜ: 4888 Ηλίας Παπαγιάννης 10. Θεματική περιοχή: Ξήρανση 11.Ημερομηνία έναρξης: 7/3/2011 12.Ημερομηνία παράδοσης: 24/10/2012 13.Αριθμός εργασίας: 2012-10 14. Περίληψη: Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη ενός ξηραντηρίου ρευστοποιημένης κλίνης και η ενεργειακή ανάλυση της διεργασίας της ξήρανσης προϊόντων με τη μέθοδο της ρευστοποιημένης κλίνης. Μετά την εισαγωγή, στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μία βιβλιογραφική ανασκόπηση, όπου δίνονται οι απαραίτητοι ορισμοί για την κατανόηση της ξήρανσης, όπως ο ορισμός της διεργασίας και η υγρασία στο προϊόντα και τον αέρα. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται κάποια στοιχεία ψυχρομετρίας, βασικά για το σωστό και πλήρη προσδιορισμό των συνθηκών λειτουργίας της διεργασίας. Τέλος, γίνεται μία σύντομη περιγραφή των διάφορων τεχνολογιών ξήρανσης που έχουν αναπτυχθεί με την πάροδο του χρόνου προκειμένου να ικανοποιηθούν οι διάφορες απαιτήσεις και να αντιμετωπιστούν τα τεχνολογικά προβλήματα που παρουσιάζονται κατά την ξήρανση προϊόντων διαφορετικής φύσης και ιδιοτήτων. Αναφέρεται επίσης το πεδίο εφαρμογής της κάθε τεχνολογίας, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που παρουσιάζει, καθώς και το ξηραντήριο που χρησιμοποιείται σε κάθε μέθοδο ξήρανσης. Στο τρίτο κεφάλαιο, αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο, με τη βοήθεια μαθηματικών μοντέλων, προσδιορίζεται η απαιτούμενη ταχύτητα του αέρα ώστε να επιτευχθούν συνθήκες ρευστοποίησης του προϊόντος στο θάλαμο ξήρανσης. Έπειτα, παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού του θαλάμου ξήρανσης σχήματος κόλουρου κώνου, ενώ στη συνέχεια περιγράφεται η πειραματική διάταξη με όλα τα απαραίτητα όργανα που πρέπει να είναι εξοπλισμένη προκειμένου να μπορεί σωστά να ελεγχθεί η πορεία της ξήρανσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναλύονται τα μαθηματικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί για την ξήρανση ρευστοποιημένης κλίνης, με τη βοήθεια των οποίων μπορούν να μελετηθεί σε θεωρητικό επίπεδο η πορεία της ξήρανσης και να εξαχθούν οι καμπύλες του ρυθμού ξήρανσης ενός προϊόντος καθώς και εκτιμούμενος απαραίτητος χρόνος για την ολοκλήρωση της διεργασίας. Στη συνέχεια, γίνεται η ενεργειακή ανάλυση της ξήρανσης με ρευστοποιημένη κλίνη εφαρμόζοντας τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας στο θάλαμο ξήρανσης. Τέλος, εφαρμόζονται όλα τα παραπάνω για την ξήρανση σπόρων ελαιοκράμβης παρουσιάζοντας επιπρόσθετα τη μελέτη για την εγκατάσταση συστήματος ανάκτησης θερμότητας και ανακυκλοφορίας του αέρα, με σκοπό τη μείωση της ενέργειας που απαιτείται για την ολοκλήρωση της διεργασίας. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα βασικά συμπεράσματα στα οποία καταλήγει η διπλωματική εργασία. 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 90 Αρ. Εικόνων: 48 Αρ. ιαγραμμάτων: 13 Αρ. Πινάκων: 6 Αρ. Εξισώσεων: 92 16. Λέξεις κλειδιά: Ξήρανση Μέθοδοι ξήρανσης Ρευστοποιημένη κλίνη Ενεργειακή ανάλυση ξήρανσης 17. Σχόλια: 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός:

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Κατασκευής Συσκευών Διεργασιών του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής Α.Π.Θ. Αφορά το σχεδιασμό ξηραντηρίου ρευστοποιημένης κλίνης. Περιλαμβάνει τη βιβλιογραφική διερεύνηση των μεθόδων ξήρανσης, μία προσεγγιστική μελέτη της κατασκευής, καθώς και την ενεργειακή ανάλυση που πραγματοποιήθηκε για την υποθετική εφαρμογή ξήρανσης σπόρων ελαιοκράμβης με τη μέθοδο της ρευστοποιημένης κλίνης. Με την ολοκλήρωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας, θα ήθελα να εκφράσω τις ειλικρινείς μου ευχαριστίες τόσο στον Καθηγητή κ. Νικόλαο Κυριάκη που μου εμπιστεύθηκε την εκπόνηση του θέματος, όσο και στο συνεργάτη του εργαστηρίου κ. Απόστολο Μιχόπουλο για την άψογη συνεργασία του και την πολύτιμη καθοδήγηση που μου παρείχε καθ όλη την περίοδο εκπόνησης της παρούσας εργασίας. Επίσης, θα ήθελα ειλικρινά να ευχαριστήσω όλους τους καθηγητές του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών για τις πολύτιμες γνώσεις που μου παρείχαν. Τέλος, ολοκληρώνοντας τις σπουδές μου ως προπτυχιακός φοιτητής, ευχαριστώ την οικογένειά μου που με στήριξε όλα αυτά τα χρόνια. Παπαγιάννης Ηλίας i

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφ. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 Κεφ. 2 ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΞΗΡΑΝΣΗΣ... 3 2.1 Ορισμός της διεργασίας... 3 2.2 Ιστορική αναδρομή... 4 2.3 Είδη ξήρανσης... 4 2.4 Αναγκαιότητα της ξήρανσης... 8 2.5 Η υγρασία στα στερεά... 9 2.6 Ψυχρομετρία και συνθήκες ξήρανσης... 11 2.6.1 Απόλυτη υγρασία... 12 2.6.2 Σχετική υγρασία... 13 2.6.3 Θερμοκρασία θερμομέτρου ξηρού βολβού... 13 2.6.4 Θερμοκρασία θερμομέτρου υγρού βολβού... 14 2.6.5 Σημείο δρόσου του υγρού αέρα... 14 2.6.6 Διαγράμματα ψυχρομετρίας... 14 2.7 Ισοζύγια μάζας και ενέργειας... 17 2.8 Κινητική της ξήρανσης... 18 2.8.1 Ισόθερμες καμπύλες ρόφησης... 19 2.8.2 Δραστικότητα της υγρασίας... 20 2.8.3 Ρυθμός ξήρανσης... 21 2.9 Τεχνολογίες ξήρανσης και ξηραντήρια... 24 2.9.1 Ξήρανση με αέρα σε ξηραντήρια θαλάμων ή με δίσκους... 25 2.9.2 Ξήρανση με αέρα σε παράλληλη ροή... 27 2.9.2.1 Ξηραντήρια σήραγγας με βαγόνια... 27 2.9.2.2 Ξηραντήρια σήραγγας με μεταφορική ταινία... 28 2.9.3 Ξήρανση με αέρα σε περιστρεφόμενα ξηραντήρια... 29 2.9.4 Ξήρανση με ρεύστωση (ρευστοποιημένη κλίνη)... 32 2.9.4.1 Ξηραντήρια ρευστοποιημένης κλίνης ασυνεχούς λειτουργίας... 34 2.9.4.2 Ξηραντήρια ρευστοποιημένης κλίνης ημι-συνεχούς λειτουργίας... 35 2.9.4.3 Ξηραντήρια ρευστοποιημένης κλίνης συνεχούς λειτουργίας, τέλειας ανάμιξης... 35 2.9.4.4 Δονούμενα ξηραντήρια ρευστοποιημένης κλίνης... 36 2.9.4.5 Ξηραντήρια εκτίναξης... 37 2.9.4.6 Πνευματικά ξηραντήρια... 38 2.9.5 Ξήρανση με εκνέφωση του υλικού και ξηραντήρια εκνέφωσης... 38 2.9.6 Έμμεση ξήρανση σε ξηραντήρια με τύμπανο... 41 ii

2.9.7 Ψυκτική ξήρανση υπό υποπίεση... 43 2.9.8 Ξηραντήρια πρόσκρουσης... 46 2.9.9 Διηλεκτρική ξήρανση και διηλεκτρικά ξηραντήρια... 47 2.9.10 Ηλιακή ξήρανση... 50 Κεφ. 3 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΘΑΛΑΜΟΥ ΞΗΡΑΝΣΗΣ ΓΙΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΟ ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΜΕΝΗΣ ΚΛΙΝΗΣ.... 53 3.1 Υπολογισμός ορίων της ταχύτητας της ροής του αέρα... 53 3.1.1 Υπολογισμός ελάχιστης ταχύτητας ρεύστωσης... 54 3.1.2 Υπολογισμός οριακής ταχύτητας πνευματικής μεταφοράς... 57 3.2 Υπολογισμός του θαλάμου ξήρανσης... 62 3.3 Πειραματική διάταξη... 64 Κεφ. 4 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΞΗΡΑΝΣΗΣ... 67 4.1 Μαθηματικά μοντέλα ξήρανσης ρευστοποιημένης κλίνης... 67 4.1.1 Μοντέλο διάχυσης... 67 4.1.2 Εμπειρικό μοντέλο... 68 4.1.3 Κινητικό μοντέλο... 69 4.1.4 Μοντέλο μίας φάσης... 70 4.2 Ισοζύγια μάζας και ενέργειας... 71 4.2.1 Ισοζύγιο μάζας... 72 4.2.2 Ισοζύγιο ενέργειας... 73 4.3 Ενεργειακές απαιτήσεις... 74 4.4 Πρακτική εφαρμογή Ξήρανση σπόρων ελαιοκράμβης... 75 4.4.1 Ελαιοκράμβη... 75 4.4.2 Υπολογισμός ταχύτητας ρευστοποίησης... 77 4.4.3 Ισοζύγιο μάζας... 78 4.4.4 Ισοζύγιο ενέργειας... 80 4.4.5 Ειδική κατανάλωση ενέργειας... 81 Κεφ. 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 87 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 89 iii

Κεφ. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σήμερα η ξήρανση αποτελεί μία διεργασία με αρκετά εξελιγμένη τεχνολογία, με ευρύτατη εφαρμογή στη φαρμακευτική και χημική βιομηχανία και τελευταία με συνεχώς αυξανόμενη εφαρμογή στη βιομηχανία τροφίμων και γεωργικών προϊόντων. Παρόλη όμως τη μεγάλη προσπάθεια πολλών ερευνητών και επιστημόνων, η οποία μέσα από τα θεωρητικά μαθηματικά μοντέλα βοήθησε σημαντικά στην κατανόηση των περισσότερων από τα χαρακτηριστικά της ξήρανσης, μέχρι και σήμερα δεν είναι εφικτό να περιγραφούν ποσοτικά και σε γενική μορφή οι διεργασίες της ξήρανσης. Τόσο η πολυπλοκότητα των μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της ξήρανσης, όσο και η συχνά απρόβλεπτη αλληλεπίδραση μεταξύ των ιδιοτήτων ενός ξηραινόμενου προϊόντος και της μεταφοράς της υγρασίας αποτελούν το κύριο εμπόδιο στη γενίκευση της περιγραφής της διεργασίας της ξήρανσης. Καθίσταται, έτσι, απαραίτητη η πειραματική επιβεβαίωση των θεωρητικών δεδομένων πριν την πρακτική εφαρμογή τους σε βιομηχανική κλίμακα. Το γεγονός ότι υπάρχει μία τεράστια ποικιλία προϊόντων, στην οποία προστίθενται συνεχώς νέα, κυρίως γεωργικά και τρόφιμα, καθιστούν τη διεργασία της ξήρανσης ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον θέμα. Προφανώς, είναι απαραίτητη η πειραματική έρευνα για τον αξιόπιστο προσδιορισμό της πορείας της ξήρανσης, για κάθε διαφορετική περίπτωση προϊόντος ή κάθε αλλαγή των συνθηκών για τη βελτίωση μία μεθόδου. Ρεύστωση ή ρευστοποιημένη κλίνη είναι μία μέθοδος που έχει εφαρμογή σε διάφορα πεδία της χημικής μηχανικής και της μεταλλουργίας. Μία από τις εφαρμογές της είναι και για την ξήρανση προϊόντων. Βασικό χαρακτηριστικό της ξήρανσης με ρεύστωση είναι ότι με την κατάλληλη ταχύτητα ενός ρευστού, μία σταθερή κλίνη στερεών σωματιδίων μετατρέπεται σε μία εκτεινόμενη και αιωρούμενη μάζα, δηλαδή σε ρευστοποιημένη κλίνη. Πρόκειται για μία μέθοδο ξήρανσης που παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα, με την προϋπόθεση βέβαια ότι έχει γίνει σωστός σχεδιασμός και μελέτη της διεργασίας ώστε να επιτευχθούν συνθήκες ρεύστωσης στο εσωτερικό του θαλάμου ξήρανσης. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη ενός ξηραντηρίου ρευστοποιημένης κλίνης και η ενεργειακή ανάλυση της διεργασίας της ξήρανσης προϊόντων με τη μέθοδο της ρευστοποιημένης κλίνης. Μετά την εισαγωγή, στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μία βιβλιογραφική ανασκόπηση, όπου δίνονται οι απαραίτητοι ορισμοί για την κατανόηση της ξήρανσης, όπως ο ορισμός της διεργασίας και η υγρασία στο προϊόντα και τον αέρα. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται κάποια στοιχεία ψυχρομετρίας, βασικά για το σωστό και πλήρη προσδιορισμό των συνθηκών λειτουργίας της διεργασίας. Τέλος, γίνεται μία σύντομη περιγραφή των διάφορων τεχνολογιών ξήρανσης που έχουν αναπτυχθεί με την πάροδο του χρόνου προκειμένου να ικανοποιηθούν οι διάφορες απαιτήσεις και να αντιμετωπιστούν τα τεχνολογικά προβλήματα που παρουσιάζονται κατά την ξήρανση προϊόντων διαφορετικής φύσης και ιδιοτήτων. Αναφέρεται επίσης το πεδίο εφαρμογής της κάθε τεχνολογίας, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που παρουσιάζει, καθώς και το ξηραντήριο που χρησιμοποιείται σε κάθε μέθοδο ξήρανσης. 1

Στο τρίτο κεφάλαιο, αναλύεται ο τρόπος με τον οποίο, με τη βοήθεια μαθηματικών μοντέλων, προσδιορίζεται η απαιτούμενη ταχύτητα του αέρα ώστε να επιτευχθούν συνθήκες ρευστοποίησης του προϊόντος στο θάλαμο ξήρανσης. Έπειτα, παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού του θαλάμου ξήρανσης σχήματος κόλουρου κώνου, ενώ στη συνέχεια περιγράφεται η πειραματική διάταξη με όλα τα απαραίτητα όργανα που πρέπει να είναι εξοπλισμένη προκειμένου να μπορεί σωστά να ελεγχθεί η πορεία της ξήρανσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναλύονται τα μαθηματικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί για την ξήρανση ρευστοποιημένης κλίνης, με τη βοήθεια των οποίων μπορούν να μελετηθεί σε θεωρητικό επίπεδο η πορεία της ξήρανσης και να εξαχθούν οι καμπύλες του ρυθμού ξήρανσης ενός προϊόντος καθώς και εκτιμούμενος απαραίτητος χρόνος για την ολοκλήρωση της διεργασίας. Στη συνέχεια, γίνεται η ενεργειακή ανάλυση της ξήρανσης με ρευστοποιημένη κλίνη εφαρμόζοντας τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας στο θάλαμο ξήρανσης. Τέλος, εφαρμόζονται όλα τα παραπάνω για την ξήρανση σπόρων ελαιοκράμβης παρουσιάζοντας επιπρόσθετα τη μελέτη για την εγκατάσταση συστήματος ανάκτησης θερμότητας και ανακυκλοφορίας του αέρα, με σκοπό τη μείωση της ενέργειας που απαιτείται για την ολοκλήρωση της διεργασίας. Τέλος, στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθενται τα βασικά συμπεράσματα στα οποία καταλήγει η διπλωματική εργασία. 2

Κεφ. 2 ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΞΗΡΑΝΣΗΣ 2.1 Ορισμός της διεργασίας Ξήρανση (drying) ονομάζεται η φυσική διεργασία κατά την οποία απομακρύνεται το νερό που περιέχεται είτε σε ένα φυσικό προϊόν είτε σε ένα προϊόν που προέρχεται από βιομηχανική επεξεργασία. Το νερό μπορεί να βρίσκεται στο προϊόν είτε σε υγρή είτε σε αέρια μορφή και γενικά αναφέρεται ως υγρασία. Γενικότερα, ξήρανση ονομάζεται και η διεργασία απομάκρυνσης κάποιου άλλου υγρού από το προϊόν εκτός της υγρασίας, όπως οινόπνευμα, βενζόλιο. Η ξήρανση αποτελεί μία βασική μέθοδο διαχωρισμού υλικών. Είναι μία θερμική διεργασία και συχνά συγχέεται με τις άλλες θερμικές διεργασίες διαχωρισμού, την κρυστάλλωση, την εξάτμιση και την απόσταξη. Η ξήρανση διακρίνεται από αυτές και ως προς την τεχνική αλλά και ως προς την αρχική και τελική κατάσταση των διαχωριζόμενων συστατικών. Συγκεκριμένα: Η ξήρανση αναφέρεται στην απομάκρυνση υγρού από στερεό. Η εξάτμιση αναφέρεται στο διαχωρισμό ενός στερεού από ένα υγρό διάλυμα, μέσω της εξάτμισης του υγρού. Η κρυστάλλωση αφορά, επίσης, υγρά διαλύματα. Το στερεό που βρίσκεται διαλυμένο στο υγρό συσσωματώνεται σε κρυστάλλους και ο διαχωρισμός γίνεται με κάποια μηχανική διεργασία, όπως διήθηση, φυγοκέντριση ή άλλη διεργασία. Η απόσταξη τέλος αφορά το διαχωρισμό υγρών από μίγματα υγρών συστατικών. Η ξήρανση χρησιμοποιείται για την επεξεργασία προϊόντων που έχουν σχετικά μικρή περιεκτικότητα σε νερό. Προϊόντα τα οποία συγκρατούν μεγάλες ποσότητες νερού και απαιτείται το στερεό στο τέλος της διεργασίας να έχει ελάχιστη περιεκτικότητα σε νερό, προηγείται κάποια άλλη φυσική διεργασία κατά την οποία αφαιρείται η μεγαλύτερη ποσότητα του νερού. Τέτοιες διεργασίες είναι η συμπίεση, η φυγοκέντριση και η αναρρόφηση. Έπειτα συντελείται η ξήρανση η οποία μειώνει την περιεκτικότητα του νερού στο προϊόν στο επιθυμητό επίπεδο. Η απομάκρυνση του νερού από το προϊόν γίνεται με τη μετατροπή του σε ατμό, είτε μέσα στο προϊόν είτε από την επιφάνεια του, και με τη διάχυση του στον περιβάλλοντα αέρα. Η μετατροπή του νερού σε ατμό γίνεται με δύο τρόπους, την εξάτμιση (evaporation) και την ατμοποίηση (vaporization). Κατά την εξάτμιση πρέπει η πίεση κορεσμού του υδρατμού να είναι ίση με την περιβάλλουσα πίεση. Για να επιτευχθεί αυτό πρέπει να θερμανθεί το προϊόν, άρα και το περιεχόμενο νερό, μέχρι τη θερμοκρασία στην οποία θα εξισωθούν η πίεση κορεσμού με την περιβάλλουσα. Κατά την ατμοποίηση διοχετεύεται θερμός αέρας στο υλικό σε θερμοκρασία κάτω από το σημείο βρασμού. Η πίεση κορεσμού στην επιφάνεια είναι μικρότερη από την περιβάλλουσα και η υγρασία μεταφέρεται στον αέρα με διάχυση. 3

2.2 Ιστορική αναδρομή Η ξήρανση ήταν από αρχαιοτάτων χρόνων το βασικό μέσο για την διατήρηση των τροφίμων, όπως φρούτα, λαχανικά και ψάρια. Η χρήση της, όμως δεν περιορίζονταν στα τρόφιμα, αφού είναι γνωστή και η εφαρμογή της στην ξήρανση δομικών υλικών και υλικών ένδυσης. Τα υλικά αυτά ξηραίνονταν υπό την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας και του αέρα. Αρκετές είναι οι αναφορές στις χώρες της Μεσογείου, πιθανών λόγω των ευνοϊκών κλιματολογικών συνθηκών. Η πρώτη εγκατάσταση ξήρανσης χρονολογείται στο 8000 π.χ. και βρέθηκε στη Νότια Γαλλία. Τα τρόφιμα τοποθετούνταν σε μία λιθόστρωτη επιφάνεια και ξηραίνονταν με τη χρήση ηλιακής ενέργειας. Ο αέρας χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά ως μέσο ξήρανσης περί το 7000 π.χ. για την ξήρανση δομικών υλικών σε μία εγκατάσταση αποτελούμενη από πηλό και καλάμια. Το 3000 π.χ. ξεκίνησε στην Αίγυπτο η ξήρανση του πάπυρου για την παραγωγή εύκαμπτης επιφάνειας γραφής.[1] Ο πρώτος που έθεσε τις βάσεις για την επιστημονική περιγραφή της διεργασίας της ξήρανσης ήταν ο Αριστοτέλης το 350 π.χ. Τον Μεσαίωνα η ξήρανση χρησιμοποιήθηκε πρώτη φορά για την ξήρανση του χαρτιού, ενώ στα τέλη 19 ο αιώνα ξεκίνησαν οι πρώτες βιομηχανικές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας οι οποίες βασίζονταν κυρίως στην εμπειρία.[1] Η θεωρητική ανάλυση και τεκμηρίωση της διεργασίας άρχισε μόλις το 1921, από τους καθηγητές του Μ.Ι.Τ., W. K. Lewis και T. K. Sherwood, καθηγητές του ΜΙΤ, στις ΗΠΑ, τους F. Kneule και Ο. Krischer στη Γερμανία και τον A. W. Luikov στη Ρωσία. Οι πέντε αυτοί συνέχισαν τη δραστηριότητά τους με εντατικές έρευνες, ως και τη δεκαετία του 60, και θεωρούνται σήμερα οι «πατέρες της ξήρανσης» [1]. 2.3 Είδη ξήρανσης Η ξήρανση ως διεργασία διακρίνεται σε φυσική και τεχνητή ξήρανση. Όπως φάνηκε και από την ιστορική εξέλιξη της διεργασίας, η πιο απλή μορφή ξήρανσης είναι η έκθεση του προϊόντος στο περιβάλλον. Με τη βοήθεια της ηλιακής ακτινοβολίας, η θερμοκρασία αυξάνεται στο προϊόν και η περιεχόμενη σε αυτό υγρασία ατμοποιείται. Έπειτα, διαχέεται στο αέρα του περιβάλλοντος και, με τη φυσική κυκλοφορία του αέρα που δημιουργείται γύρω από το προϊόν λόγω διαφοράς πυκνότητας, η υγρασία απομακρύνεται από το προϊόν. Προφανώς, απαιτείται κατάλληλη τοποθέτηση του προϊόντος, ανάλογα με το είδος του, ώστε να διευκολύνεται η φυσική κυκλοφορία του αέρα. Η μέθοδος αυτή αναφέρεται ως άμεση φυσική ξήρανση, αφού δεν χρησιμοποιείται κανένα ενεργειακό σύστημα. Πρόκειται για την απλούστερη και φθηνότερη μέθοδο, παρουσιάζει όμως κάποια πολύ βασικά μειονεκτήματα. Εξαρτάται άμεσα από την ηλιοφάνεια και την ώρα της μέρας, αφού η ηλιακή ακτινοβολία είναι αυτή που παρέχει την απαιτούμενη ενέργεια για την πραγματοποίηση της διεργασίας. Επίσης, οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται είναι γενικά χαμηλές. Αυτά την καθιστούν εξαιρετικά αργή, αλλά και απρόβλεπτη ως προς τον απαιτούμενο χρόνο για την ολοκλήρωσή της. Στο χρονικό αυτό διάστημα είναι πιθανό το προϊόν να αλλοιωθεί από την ανάπτυξη βακτηριδίων ή και 4

σχηματισμό μούχλας. Το άλλο βασικό μειονέκτημα είναι ότι το προϊόν είναι εκτεθειμένο σε πουλιά και έντομα, δημιουργώντας τον κίνδυνο απωλειών και της ποιοτικής υποβάθμισής του. Γενικά, πρόκειται για μία διεργασία η οποία δεν προσφέρει κανένα έλεγχο ούτε ως προς τις συνθήκες ξήρανσης, ούτε ως προς τις τελικές προδιαγραφές του προϊόντος. Παρόμοια είναι η έμμεση φυσική ξήρανση, κατά την οποία το προϊόν βρίσκεται μέσα σε κατασκευές τύπου θερμοκηπίου. Αυτό, αφενός το προστατεύει από βροχές και ανέμους, αφετέρου μπορεί να αυξήσει σημαντικά τη θερμοκρασία του περιβάλλοντα χώρου, επιταχύνοντας τη διεργασία. Η έμμεση υπερτερεί της άμεσης, αλλά και πάλι δεν παρέχει τον απαιτούμενο έλεγχο της θερμοκρασίας. Αξίζει να αναφερθεί ότι η φυσική ξήρανση χρησιμοποιείται και στην Ελλάδα και σε πολλές χώρες του κόσμου για την ξήρανση ζωοτροφών, φρούτων και άλλων γεωργικών προϊόντων. Χαρακτηριστικά παραδείγματα είναι η Κορινθιακή σταφίδα και η λιαστή ντομάτα. Η ανάγκη για προϊόντα συγκεκριμένων προδιαγραφών ως προς την τελική ποιότητα και την περιεκτικότητα τους σε υγρασία, καθώς και η ανάγκη για τη δυνατότητα πλήρους ελέγχου της διεργασίας, δε θα μπορούσε παρά να οδηγήσει στην ανάπτυξη άλλων μορφών εξαναγκασμένης ή τεχνητής ξήρανσης. Γενικά, υπάρχουν τρία βασικά είδη τεχνητής ξήρανσης. Η πιο διαδεδομένη είναι η θερμική ξήρανση (thermal drying). Στη διεργασία αυτής της μορφής, το προϊόν θερμαίνεται στη κατάλληλη θερμοκρασία και η περιεχόμενη υγρασία μετατρέπεται σε ατμό, με εξάτμιση ή ατμοποίηση, ο οποίος απάγεται με εξαναγκασμένη ροή του περιβάλλοντος αέρα. Η θερμική ξήρανση μπορεί να είναι είτε άμεση είτε έμμεση. Η διαφορά έγκειται στον τρόπο με τον οποίο θερμαίνεται το προϊόν στην επιθυμητή θερμοκρασία. Κατά την άμεση ξήρανση (direct drying) ή με συναγωγή της θερμότητας (convective drying) ένα θερμό αέριο, συνήθως αέρας, διέρχεται εφαπτόμενος από την επιφάνεια του υλικού ή μέσα από τη μάζα του. Η θερμότητα που μεταφέρεται με συναγωγή από το θερμό ρεύμα προς το υλικό, μετατρέπει την υγρασία σε υδρατμό. Η πίεση υδρατμών στο ρεύμα είναι μικρότερη από αυτή του παραγόμενου. Έτσι, ο ατμός μεταφέρεται από το υλικό στο ρεύμα αέρα κι από εκεί στην ατμόσφαιρα. Όταν δεν πρόκειται για κάποιο γεωργικό προϊόν, για την ξήρανση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα και υπέρθερμος ατμός ή θερμά καυσαέρια, όπου αυτά είναι διαθέσιμα σε χαμηλότερο κόστος. Βασική προϋπόθεση είναι οι ιδιότητες του υλικού να μην επηρεάζονται από το θερμαντικό μέσο. Οι άλλοι δύο τρόποι θερμικής ξήρανσης είναι η ξήρανση με αγωγή (conduction drying) και η ξήρανση με ακτινοβολία (radiation drying), που ανήκουν στην κατηγορία της έμμεσης ξήρανσης (indirect drying). Κατά την ξήρανση με αγωγή, το υλικό τοποθετείται σε μία θερμαινόμενη πλάκα και η θερμότητα μεταφέρεται με αγωγή σε όλη τη μάζα του προϊόντος. Αέρας ατμοσφαιρικής πίεσης ή υποπίεση, με θερμοκρασία περιβάλλοντος παραλαμβάνει και απομακρύνει τους σχηματιζόμενους ατμούς. Για την καλύτερη απόδοση της διεργασίας, το υλικό τοποθετείται πάνω στην πλάκα σε λεπτά στρώματα, ώστε 5

να μεταφέρεται η θερμότητα σε όλο το πάχος της στρώσης του υλικού. Η μέθοδος αυτή έχει καλύτερα αποτελέσματα σε συμπαγή νωπά στερεά, όπως ξύλο. Εικόνα 2.1: Σχηματική μορφή ξήρανσης με συναγωγή θερμότητας [1]. Εικόνα 2.2: Σχηματική μορφή ξήρανσης με αγωγή θερμότητας [1]. Κατά την ξήρανση με ακτινοβολία, η θερμότητα ακτινοβολείται στην επιφάνεια σταθερού ή κινούμενου υλικού. Ο σχηματιζόμενος υδρατμός παραλαμβάνεται από τον περιβάλλοντα αέρα. Για τη 6

διεργασία απαιτούνται πολύ υψηλές θερμοκρασίες, πάνω από 400 C. Αυτό οδηγεί συνήθως σε μικρότερους χρόνους ξήρανσης. Από την άλλη όμως, δημιουργείται κίνδυνος τοπικής υπερθέρμανσης ή υπερξήρανσης. Αυτός είναι ο λόγος που χρησιμοποιείται κυρίως σε λεπτό, κινούμενο στρώμα στερεού υλικού. Εικόνα 2.3: Σχηματική μορφή ξήρανσης με ακτινοβολία [1]. Σε αντίθεση με την ξήρανση με αέρα, όπου η θερμοκρασία του υλικού είναι συνήθως κάτω από το σημείο βρασμού του νερού, και οι δύο τεχνικές έμμεσης ξήρανσης απαιτούν το υλικό να βρίσκεται σε υψηλότερη θερμοκρασία από το σημείο βρασμού. Αυτό είναι και το βασικότερο μειονέκτημά τους, καθώς μπορεί να προκαλέσει αλλοιώσεις στις ιδιότητες του αποξηραμένου υλικού λόγω υπερθέρμανσης. Για αυτό προτιμάται η διεργασία να γίνεται σε υποπίεση προκειμένου να μειωθεί το σημείο βρασμού του νερού. Γενικά, για τη θερμική ξήρανση απαιτείται μία πηγή θερμότητας, για την άμεση ή έμμεση θέρμανση του προϊόντος, και μία διάταξη εξαναγκασμένης κυκλοφορίας, για τη θέρμανση του υλικού και την απαγωγή των παραγόμενων υδρατμών ή απλώς για την απαγωγή των υδρατμών. Η πηγή η οποία παρέχει την απαραίτητη θερμότητα μπορεί να είναι είτε συμβατική, δηλαδή να προέρχεται από απλές ηλεκτρικές αντιστάσεις ή από ένα καυστήρα, είτε να είναι ανανεώσιμη. Όπως αναφέρθηκε ήδη, η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας για τη φυσική ξήρανση. Κατάλληλη, επίσης, είναι και η χρήση γεωθερμίας, μιας και οι αναπτυσσόμενες θερμοκρασίες για την ξήρανση πολλών προϊόντων δεν υπερβαίνουν του 100 C. 7

Τη διάταξη εξαναγκασμένης κυκλοφορίας αποτελεί συνήθως ένας ανεμιστήρας προσαγωγής ή/και επιστροφής και το κατάλληλο δίκτυο αεραγωγών. Επειδή η θερμική ξήρανση με αέρα είναι μία πολύ ενεργοβόρος διεργασία, συχνά για εξοικονόμηση ενέργειας εγκαθίστανται διατάξεις επανακυκλοφορίας ενός ποσοστού του αέρα ξήρανσης. Αυτό, επίσης, εξασφαλίζει την απαραίτητη ανανέωση του αέρα προσαγωγής. Ο αέρας που προσάγεται πρέπει να έχει σχετική υγρασία μικρότερη από το σημείο κορεσμού του. Πρέπει, δηλαδή, να μπορεί να παραλάβει την παραγόμενη ποσότητα υδρατμών από το υλικό. Φαίνεται εύκολα λοιπόν η ανάγκη για το σωστό σχεδιασμό της εγκατάστασης, με τις κατάλληλες διατάξεις ρύθμισης της παροχής και της υγρασίας του αέρα προσαγωγής, για τη σωστότερη και οικονομικότερη διεξαγωγή της διεργασίας. Ένας άλλος τρόπος απομάκρυνσης της υγρασίας, που βρίσκει εφαρμογή κυρίως στην ξήρανση αερίων, είναι η χρήση υγροσκοπικών ουσιών, όπως χλωριούχο κάλιο KCl, χλωριούχο ασβέστιο CaCl 2, γιέλη πυριτίας (silica gel) και άλλα. Πρόκειται για τη φυσικοχημική ξήρανση, που είναι μία πολύπλοκη και δαπανηρή μέθοδος και για το λόγο αυτό χρησιμοποιείται μόνο σε εξειδικευμένες εφαρμογές. Η ίδια μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ξήρανση ιδιαίτερα ευαίσθητων στη θερμοκρασία στερεών προϊόντων. Στις εφαρμογές αυτές γίνεται φυσικοχημική ξήρανση του αέρα, πριν αυτός οδηγηθεί στο ξηραντήριο, επιτυγχάνοντας έτσι την ξήρανση του στερεού σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, λόγω της ελάχιστης περιεκτικότητας του αέρα ξήρανσης σε υγρασία [10]. Τέλος, η οσμωτική αφυδάτωση (osmotic dehydration) είναι μία ειδική μέθοδος ξήρανσης γεωργικών προϊόντων και τροφίμων. Εφαρμόζεται για την απομάκρυνση μεγάλων ποσοτήτων νερού όταν, λόγω της φύσης του προϊόντος, δεν μπορεί να γίνει κάποια άλλη προκαταρκτική μηχανική αφυδάτωση [1]. 2.4 Αναγκαιότητα της ξήρανσης Η ξήρανση αποτελεί ένα βασικό κομμάτι για την επεξεργασία τόσο των τροφίμων όσο και άλλων υλικών και προϊόντων, οργανικών και μη. Η δεσμευμένη υγρασία στα προϊόντα προκαλεί αρκετά προβλήματα και για αυτό η αφαίρεσή της επιφέρει πολλά πλεονεκτήματα. Με την αφαίρεση της υγρασίας μειώνεται το βάρος άλλα και ο όγκος του προϊόντος. Η μείωση στο βάρος μπορεί να φτάσει έως και το 50 80%. Έτσι, δημιουργεί μικρότερες απαιτήσεις για την αποθήκευση, τη μεταφορά και τη συσκευασία του. Αυτό επιδρά θετικά στη μείωση του σχετικού κόστους του. Επίσης, στην περίπτωση που η ξήρανση δεν είναι το τελικό στάδιο της επεξεργασίας, η μειωμένη υγρασία αυξάνει τη χωρητικότητα των μηχανημάτων αυξάνοντας, έτσι την παραγωγικότητα, και διευκολύνει γενικά τις επόμενες διεργασίες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η ξήρανση των δημητριακών, πριν αυτά προωθηθούν για αλευροποίηση. Η ξήρανση αποτελεί μία σημαντική τεχνική διατήρησης των γεωργικών προϊόντων και γενικά των τροφίμων. Οι παθογόνοι μικροοργανισμοί που αναπτύσσονται στα αποθηκευμένα προϊόντα, όπως μύκητες και βακτήρια, αποτελούν την κύρια αιτία υποβάθμισης της ποιότητάς τους. Η ταχύτητα ανάπτυξής τους εξαρτάται άμεσα από την υγρασία του προϊόντος. Η ξήρανση είναι η πιο προσιτή και 8

οικονομική μέθοδος για την αποθήκευση, με τις μικρότερες δυνατές απώλειες. Επιμηκύνει το χρόνο αποθήκευσης χωρίς να απαιτούνται ειδικές συνθήκες, όπως ψύξη. Συμβάλει στην καλύτερη ποιότητα του προϊόντος και στη διατήρησή της από την ώρα της συγκομιδής μέχρι την κατανάλωση. Άλλες τεχνικές διατήρησης της ποιότητας είναι η ψύξη, η κατάψυξη, η κονσερβοποίηση, η εφαρμογή χημικών ουσιών και άλλες. Σε σχέση όμως με αυτές, η ξήρανση είναι οικονομικότερη και απαιτεί απλούστερη τεχνολογία. Συγκεκριμένα, η κονσερβοποίηση επιφέρει αύξηση του βάρους 100 200%, αυξάνοντας το κόστος μεταφοράς και διακίνησης, ενώ η κατάψυξη απαιτεί ειδικούς χώρους για αποθήκευση και οχήματα μεταφοράς. 2.5 Η υγρασία στα στερεά Η υγρασία στα στερεά σώματα που προορίζονται για ξήρανση βρίσκεται σε πολλές μορφές. Μπορεί να είναι είτε καθαρό νερό είτε να βρίσκεται σαν διάλυμα αλάτων ή άλλων συστατικών. Το καθαρό νερό συναντάται κυρίως ως: ελεύθερο νερό, φυσικά συγκρατημένο νερό, νερό διόγκωσης και κρυσταλλικό νερό. Προφανώς, ανάλογα με τη μορφή στην οποία βρίσκεται, οι φυσικοχημικές του ιδιότητες μπορεί να διαφέρουν. Το ελεύθερο νερό βρίσκεται συνήθως στην ελεύθερη εξωτερική επιφάνεια του στερεού. Σχηματίζει ένα λεπτό υμένα και συγκρατείται στο στερεό με μικρές δυνάμεις συνάφειας. Το φυσικά συγκρατημένο νερό συναντάται στις εσωτερικές κοιλότητες και πόρους του στερεού. Οι δυνάμεις συγκράτησης είναι συνήθως τριχοειδείς δυνάμεις, γεγονός που κάνει την απομάκρυνση αυτού του είδους της υγρασίας πολύ δυσκολότερη. Οι πόροι που συγκρατούν το νερό μπορεί να είναι είτε ανοιχτοί είτε κλειστοί. Το νερό που συγκρατείται από μεγάλους, ανοιχτούς πόρους αποτελεί ουσιαστικά το τμήμα του ελεύθερου νερού, αφού ο υμένας υγρασίας που σχηματίζεται ενώνεται τελικά με τον αυτόν της εξωτερικής επιφάνειας. Αντίθετα, στους λεπτούς τριχοειδείς πόρους του υλικού, το νερό συγκρατείται με ισχυρότερες δυνάμεις, αφού εκτός από τις τριχοειδείς, αναπτύσσονται και δυνάμεις προσρόφησης. Λόγω αυτών των ισχυρών δυνάμεων, η πίεση του νερού είναι μικρότερη από αυτή του ελεύθερου νερού για την ίδια θερμοκρασία. Προκειμένου, λοιπόν, να ελευθερωθεί απαιτείται θέρμανση του υλικού σε υψηλότερη θερμοκρασία, κάτι που μπορεί να είναι απαγορευτικό για κάποια υλικά, για την αποφυγή αλλοίωσής τους. Ένα υλικό το οποίο έχει τη δυνατότητα να απορροφά νερό και να το συγκρατεί στους πόρους του με ισχυρές δυνάμεις ονομάζεται υγροσκοπικό. Προφανώς, η χωρητικότητα των πόρων είναι περιορισμένη. Έτσι, υπάρχει ένα όριο, πάνω από το οποίο, το υλικό παύει να απορροφά νερό και έρχεται σε κατάσταση κορεσμού. Το νερό διόγκωσης είναι μία μορφή νερού η οποία διαβρέχει όλη τη μάζα του υλικού και προκαλεί αύξηση του όγκου του στερεού. Αφορά μόνο συγκεκριμένα υλικά, όπως ο άργιλος. Τέλος, το κρυσταλλικό νερό αφορά μόρια νερού που συμμετέχουν στην ίδια την κρυσταλλική δομή του υλικού. Οι δυνάμεις συγκράτησης που αναπτύσσονται είναι πολύ ισχυρές και για την απομάκρυνσή του απαιτείται θέρμανση του υλικού σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και καταστροφή 9

του κρυσταλλικού πλέγματος. Αυτό, αφενός οδηγεί σε αυξημένη κατανάλωση ενέργειας, αφετέρου αλλοιώνει το υλικό και διαφοροποιεί έντονα τις φυσικοχημικές ιδιότητές του. Γενικά, το νερό σε κρυσταλλική μορφή βρίσκεται σε μικρές ποσότητες και δεν ευνοεί την ανάπτυξη μικροοργανισμών. Για αυτό το λόγο, η απομάκρυνσή του δεν αποτελεί στόχο για τη διεργασία της ξήρανσης. Εικόνα 2.4: Διάφορες καταστάσεις του περιεχόμενου νερού σε ένα στερεό [1]. Η υγρασία στα προϊόντα της ξήρανσης μετριέται είτε ως υγρασία επί υγρού W είτε ως υγρασία επί ξηρού Χ. Αυτό που μετριέται και στις δύο περιπτώσεις είναι η περιεκτικότητα του νερού στη μάζα του στερεού. Η διαφορά είναι ότι στην πρώτη περίπτωση λαμβάνεται η συνολική μάζα του προϊόντος, συμπεριλαμβανομένου και του νερού, ενώ στη δεύτερη περίπτωση λαμβάνεται μόνο το στερεό μέρος. Έτσι, ορίζονται η υγρασία επί υγρού ως: (2.1) ύ ύ και η υγρασία επί ξηρού ως: (2.2) ύ ύ όπου m w m d η μάζα νερού στο στερεό η μάζα του ξηρού στερεού. Με βάση αυτές τις σχέσεις, οι δύο εκφράσεις τις υγρασίας συνδέονται με τη σχέση (2.3) Όπως φαίνεται και στο διάγραμμα 2.1, από τον ορισμό τους, η περιεκτικότητα επί υγρού τείνει ασυμπτωτικά στο 100% ενώ η περιεκτικότητα επί ξηρού μπορεί να είναι κατά πολύ μεγαλύτερη του 100%. 10

Διάγραμμα 2.1: Η περιεκτικότητα επί υγρού ως συνάρτηση της περιεκτικότητας επί ξηρού. 2.6 Ψυχρομετρία και συνθήκες ξήρανσης Ο αέρας που χρησιμοποιείται κατά τη διεργασία της θερμικής ξήρανσης αποτελεί ουσιαστικά ένα μίγμα από υδρατμούς και ξηρό αέρα. Οι υδρατμοί μπορεί να προέρχονται είτε από την υγρασία του περιβάλλοντα αέρα που θερμαίνεται, είτε από το προϊόν που ξηραίνεται. Για τη σωστή πορεία της διεργασίας είναι απαραίτητη η πλήρης γνώση των ιδιοτήτων του υγρού αέρα, για να είναι δυνατό να καθοριστούν πλήρως οι συνθήκες υπό τις οποίες θα πραγματοποιηθεί η ξήρανση. Οι φυσικές και θερμικές ιδιότητες του μίγματος αέρα υδρατμών στην ξήρανση είναι οι εξής: 1. η απόλυτη και η σχετική υγρασία 2. η πίεση του ατμού 3. η θερμοκρασία θερμομέτρου ξηρού και υγρού βολβού 4. το σημείο δρόσου 5. η ενθαλπία 6. ο ειδικός όγκος 7. η πυκνότητα του υγρού αέρα Οι ιδιότητες αυτές προσδιορίζονται είτε υπολογιστικά από μαθηματικές εξισώσεις, είτε με τη βοήθεια της ψυχρομετρίας. Ψυχρομετρία είναι η μελέτη των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων και της συμπεριφοράς μιγμάτων ξηρού αέρα και υδρατμών, δηλαδή του υγρού ατμοσφαιρικού αέρα. Η μελέτη γίνεται με τη βοήθεια ψυχρομετρικών χαρτών (psychrometric charts). Ένα σημείο πάνω στο διάγραμμα ορίζεται αν είναι γνωστές δύο παράμετροι του διαγράμματος. Για το σημείο αυτό μπορούν πολύ εύκολα να προσδιοριστούν οι υπόλοιπες άγνωστες παράμετροι. Είναι μία γρήγορη, εύκολη μέθοδος, με οπτική προσέγγιση, η ακρίβεια της οποίας περιορίζεται μόνο από το μέγεθος της κλίμακας χάραξης του χάρτη. 11

2.6.1 Απόλυτη υγρασία Απόλυτη υγρασία ω ορίζεται ως ο λόγος της μάζας του υδρατμού που περιέχεται στον αέρα προς τη μάζα του ξηρού αέρα. Στη βιβλιογραφία συναντάται και ως ειδική υγρασία (specific humidity), αφού εκφράζεται ανά μονάδα μάζας ξηρού αέρα. (2.4) ύ έ Ο αέρας που χρησιμοποιείται για την ξήρανση είναι πρακτικά ένα μίγμα αερίων, του υδρατμού και του ξηρού αέρα. Από την καταστατική εξίσωση των αερίων για κάθε συστατικό, εύκολα προκύπτει ότι η μάζα του καθενός ισούται με: (2.5) και όπου (2.6) V ο όγκος του μίγματος [m 3 ] Τ η θερμοκρασία του μίγματος [K] η μερική πίεση του νερού ή τάση ατμών [Pa] η μερική πίεση του αέρα [Pa] η ειδική σταθερά του νερού η ειδική σταθερά του αέρα. Είναι γνωστό ότι η ειδική σταθερά ενός στοιχείου ορίζεται ως ο λόγος της παγκόσμιας σταθεράς των αερίων προς τη μοριακά μάζα του στοιχείου. (2.7) Επομένως, η απόλυτη υγρασία μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση των ειδικών σταθερών και των μερικών πιέσεων: (2.8) ή ως συνάρτηση των μοριακών μαζών και των μερικών πιέσεων: (2.9) Από το νόμο του Dalton είναι γνωστό ότι η πίεση ενός μίγματος αερίων είναι ίση με το άθροισμα των μερικών πιέσεων των συστατικών του. Συγκεκριμένα: (2.10) 12

Η μοριακή μάζα του νερού είναι 18.02 και η ειδική σταθερά 287.1 Αντίστοιχα, η μοριακή μάζα του αέρα είναι 28.96 και η ειδική σταθερά 461.5.. Από τα παραπάνω, προκύπτει ότι η απόλυτη υγρασία για μίγματα αέρα και υδρατμού συναρτήσει της πίεσης του μίγματος και της μερικής πίεσης του υδρατμού, ισούται με: 0.622 (2.11) Η απόλυτη υγρασία του αέρα, για δεδομένη πίεση και θερμοκρασία, λαμβάνει τιμές μεταξύ μιας ελάχιστης και μιας μέγιστης υγρασίας. Η ελάχιστη τιμή είναι στην περίπτωση του τελείως ξηρού αέρα και είναι προφανώς μηδέν. Η μέγιστη τιμή της υγρασίας εξαρτάται από την πίεση κορεσμού του ατμού. Στο σημείο μέγιστης υγρασίας, η μερική πίεση του νερού εξισώνεται με την πίεση κορεσμού. Ο αέρας ξήρανσης είναι κορεσμένος από υδρατμούς και αδυνατεί να παραλάβει άλλη υγρασία από το προς ξήρανση προϊόν, ανεξάρτητα αν αυτή διατίθεται από το προϊόν. Το σημείο αυτό ονομάζεται σημείο ισορροπίας. Η υγρασία του αέρα σε αυτό το σημείο ονομάζεται και υγρασία κορεσμού και μπορεί να υπολογιστεί αντικαθιστώντας στην εξίσωση (2.11) την πίεση κορεσμού. 0.622 (2.12) 2.6.2 Σχετική υγρασία Ο λόγος της μερικής πίεσης των υδρατμών που περιέχονται στον αέρα προς την πίεση κορεσμού των υδρατμών ονομάζεται σχετική υγρασία φ (relative humidity). Ορίζεται ως: Από τις σχέσεις (2.11), (2.12) και (2.13) εύκολα προκύπτει η σχέση: (2.13) (2.14) Με κατάλληλους μετασχηματισμούς της (2.14) προκύπτει η σχέση που συνδέει την απόλυτη με τη σχετική υγρασία: 0.622 (2.15) 2.6.3 Θερμοκρασία θερμομέτρου ξηρού βολβού Θερμοκρασία θερμομέτρου ξηρού βολβού Τ db (dry bulb thermometer) ορίζεται η θερμοκρασία του αέρα, που μετριέται με ένα απλό θερμόμετρο, το οποίο βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με τον περιβάλλοντα αέρα και είναι αποτέλεσμα του αισθητού θερμικού του φορτίου. 13

2.6.4 Θερμοκρασία θερμομέτρου υγρού βολβού Θερμοκρασία θερμομέτρου υγρού βολβού Τ wb (wet bulb thermometer) ορίζεται ως η θερμοκρασία ξηρού θερμομέτρου που έχει ο αέρας, όταν φτάνει σε κατάσταση κορεσμού με αδιαβατική εξάτμιση νερού. 2.6.5 Σημείο δρόσου του υγρού αέρα Σε μία ποσότητα υγρού αέρα, η σχετική του υγρασία μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με τη θερμοκρασία, ενώ η απόλυτη υγρασία παραμένει αμετάβλητη. Θέρμανση του αέρα οδηγεί σε μείωση της σχετικής υγρασίας του αέρα, δηλαδή αύξηση της δυνατότητάς του να παραλάβει κι άλλους υδρατμούς. Αντίθετα, ψύξη του αέρα οδηγεί σε αύξηση της σχετικής υγρασίας. Το σημείο δρόσου (dew point) είναι η θερμοκρασία όπου κατά την ψύξη, ο αέρας φτάνει σε κορεσμό, δηλαδή η σχετική του υγρασία είναι φ = 100%. Περαιτέρω μείωση της θερμοκρασίας έχει ως αποτέλεσμα την υγροποίηση της περίσσειας ποσότητας των υδρατμών. Σε θερμοκρασίες χαμηλότερες από το σημείο δρόσου, ο αέρας διατηρεί σχετική υγρασία 100%, ενώ πλέον μεταβάλλεται και η απόλυτη υγρασία του, η οποία μειώνεται κατά την ποσότητα υδρατμών που έχει υγροποιηθεί. 2.6.6 Διαγράμματα ψυχρομετρίας Όπως αναφέρθηκε ήδη, ο αναλυτικός προσδιορισμός όλων των παραμέτρων του υγρού αέρα μέσω εξισώσεων είναι μία αρκετά επίπονη διαδικασία. Για το λόγο αυτό, τα διαγράμματα είναι ένα πολύ σημαντικό βοήθημα για την εκτίμηση και τον έλεγχο των υπολογισμών. Παρόλο που υπάρχουν πολλά διαγράμματα τα οποία έχουν προφανώς τις ίδιες παραμέτρους, χαράσσονται με διαφορετικό τρόπο. Από αυτά τα πιο συχνά χρησιμοποιημένα είναι τα ψυχομετρικά διαγράμματα και τα διαγράμματα υγρασίας ενθαλπίας, h x, ή διαγράμματα Mollier. Στις εικόνες 2.5 και 2.6 παρουσιάζονται τυπικά παραδείγματα και για τα δύο είδη. Με μόνο δύο παραμέτρους γνωστές, μπορούν εύκολα να προκύψουν και οι υπόλοιπες. Τα διαγράμματα αυτά, σε συνδυασμό με τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας, τα καθιστούν ιδανικά στην ξήρανση για γρήγορη και εύκολη εύρεση στοιχείων ρουτίνας. Υπάρχουν διαγράμματα, το εύρος θερμοκρασιών των οποίων βρίσκεται στους 0 έως 55 C, ενώ άλλα μπορούν να φτάσουν μέχρι και τους 700 C. Προφανώς, όσο μεγαλύτερο το εύρος, τόσο μικρότερη είναι η ακρίβεια. 14

Εικόνα 2.5: Διάγραμμα Mollier για αέρα υδρατμό. Σε χαμηλές θερμοκρασίες 0 έως 100 C και πίεση 101.325 kpa [1]. 15

Εικόνα 2.6: Ψυχρομετρικό διάγραμμα ενθαλπίας υγρασίας για αέρα υδρατμό σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση, στο σύστημα SI (Carrier Corp) [11]. 16

2.7 Ισοζύγια μάζας και ενέργειας Όπως σε κάθε διεργασία, έτσι και κατά την ξήρανση πρέπει να ισχύουν τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας. Γενικά στην ξήρανση, διακρίνονται δύο είδη λειτουργίας: η συνεχής και η ασυνεχής. Κατά τη συνεχή λειτουργία (continuous flow), τόσο το προϊόν όσο και ο αέρας, βρίσκονται σε συνεχή ροή και η διεργασία δεν διακόπτεται. Σε κάθε χρονική στιγμή, μία νέα ποσότητα του υλικού εισέρχεται για ξήρανση, ενώ ταυτόχρονα υπάρχει έξοδος κάποιας ποσότητας υλικού, για το οποίο η διεργασία έχει τελειώσει. Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και με τον αέρα ξήρανσης. Αντίθετα, στην ασυνεχή λειτουργία ή λειτουργία ανά παρτίδες, όπως γίνεται εύκολα κατανοητό από την ονομασία, η διεργασία διακόπτεται. Το προϊόν εισάγεται στο θάλαμο κατά παρτίδες και μετά το πέρας της ξήρανσης της συγκεκριμένης παρτίδας, το προϊόν απομακρύνεται από το ξηραντήριο για να πάρει τη θέση του μία καινούρια παρτίδα. Το γεγονός ότι υπάρχουν διάφοροι τρόποι για την διεξαγωγή της διεργασίας της ξήρανσης, προκαλεί κάποιες διαφορές στην κατάστρωση των ισοζυγίων μάζας και ενέργειας. Είναι σημαντικό, κατά την κατάστρωση των εξισώσεων να ληφθούν υπόψη όλοι οι παράμετροι που επηρεάζουν τη διεργασία για τον ακριβή υπολογισμό της. Το ισοζύγιο ενέργειας, απαιτείται προφανώς η ενέργεια που εισέρχεται στο ξηραντήριο να ισούται με την ενέργεια που εξέρχεται. Ενέργεια εισέρχεται στο ξηραντήριο: Με το στερεό μέρος του προϊόντος, ως ενθαλπία Με την υγρασία του προϊόντος, ως ενθαλπία Με τον υγρό αέρα, στη θερμοκρασία και πίεση που βρίσκεται μετά το θερμαντήρα, δηλαδή πριν την εισαγωγή του στο ξηραντήριο, επίσης ως ενθαλπία Ως ενέργεια που δαπανάται για τη θέρμανση του αέρα στο θερμαντήρα, αλλά και ως ενέργεια που χρειάζεται ο ανεμιστήρας για την κίνηση του αέρα. Αντίστοιχα, η ενέργεια εξέρχεται από το ξηραντήριο: Με το προϊόν, ως ενθαλπία του στερεού μέρους αλλά και της εναπομείναντας υγρασίας Με τον αέρα, ως ενθαλπία, με τις συνθήκες που αυτός έχει κατά την έξοδό του από το ξηραντήριο Ως απώλειες από τα τοιχώματα, τόσο από το θάλαμο ξήρανσης, όσο και από όλο το δίκτυο κυκλοφορίας του αέρα. Όπως, και για το ισοζύγιο μάζας, η ύπαρξη κυκλωνίου επηρεάζει το ισοζύγιο ενέργειας. Απαιτείται, λοιπόν, κατάλληλη προσαρμογή ώστε να περιληφθεί και αυτό στους υπολογισμούς. Το ισοζύγιο μάζας πρέπει να ισχύει και για τρία μέσα που συμμετέχουν στην ξήρανση, δηλαδή το στερεό τμήμα του προϊόντος, τον ξηρό αέρα και το νερό. Σε ότι αφορά τη μάζα του στερεού μέρους, είναι προφανές ότι δεν αλλάζει μέσα στο ξηραντήριο, εκτός και αν υπάρχουν απώλειες του προϊόντος. 17

Κάτι τέτοιο γίνεται, για παράδειγμα, όταν υπάρχει εγκαταστημένο κυκλώνιο μετά το ξηραντήριο. Προφανώς, είναι μάζα η οποία πρέπει να συμπεριληφθεί στο ισοζύγιο. Γενικά, αυτό το επιμέρους ισοζύγιο μάζας είναι ιδιαίτερα απλό. Το ίδιο απλό είναι και το ισοζύγιο μάζας του ξηρού αέρα. Βασική προϋπόθεση βέβαια, είναι το ξηραντήριο και όλο το κύκλωμα ροής του αέρα να είναι στεγανό. Η απαιτούμενη ποσότητα του ξηρού αέρα για την περίπτωση της συνεχούς λειτουργίας, εξαρτάται από τις απαιτήσεις που θέτει, συνήθως ο αγοραστής για το προϊόν. Τέτοιες απαιτήσεις είναι η αρχική και τελική υγρασία του προϊόντος, καθώς και η ποσότητα που πρέπει να επεξεργάζεται ανά ώρα. Αν [kg/h] είναι η ροή του προς ξήρανση προϊόντος, με και αρχική και τελική υγρασία, αντίστοιχα, τότε η ποσότητα νερού που πρέπει να παραλάβει ο αέρας θα είναι: (2.16) Αυτή η ποσότητα που θα παραλάβει ο αέρας, θα επιφέρει μία μεταβολή στην απόλυτη υγρασία του από σε. Η απαραίτητη, λοιπόν, μάζα του αέρα που χρειάζεται για να παραλάβει την υγρασία από το προϊόν, προκύπτει από τη σχέση: (2.17) Όμοια, προκύπτει και η ποσότητα για τη περίπτωση της ασυνεχούς λειτουργίας, με τη διαφορά ότι πλέον η υγρασία είναι συνάρτηση του χρόνου,. Αν t το χρονικό διάστημα που απαιτείται για την ξήρανση κατά παρτίδες, τότε προκύπτει: (2.18) Το ισοζύγιο του νερού, αντίθετα, είναι κάπως δυσκολότερο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το νερό εισέρχεται στο ξηραντήριο τόσο με το νερό, όσο και με τον αέρα. Από το νερό που εισέρχεται στο ξηραντήριο, ένα μέρος είναι η υγρασία που περιέχει ο αέρας και το υπόλοιπο είναι η υγρασία του στερεού. Αντίστοιχα, ο αέρας που εξέρχεται από το ξηραντήριο φέρει μαζί του την υγρασία που είχε αρχικά αλλά και αυτή που απομάκρυνε από το προϊόν. Νερό εξέρχεται και με το προϊόν, αφού η υγρασία του πρακτικά ποτέ δεν είναι μηδενική. Προφανώς, όλα τα παραπάνω πρέπει να συμπεριληφθούν στο ισοζύγιο μάζας του νερού. 2.8 Κινητική της ξήρανσης Η ξήρανση είναι μία διεργασία κατά την οποία συντελείται ταυτόχρονα μεταφορά μάζας αλλά και θερμότητας. Η θερμότητα, που είναι απαραίτητη για την εξάτμιση παρέχεται στο προϊόν και οι υδρατμοί απομακρύνονται από αυτό με το μέσο ξήρανσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η θερμότητα μεταφέρεται με συναγωγή από το περιβάλλον προς την επιφάνεια του προϊόντος κι από εκεί, με αγωγή, βαθύτερα μέσα στο υλικό. Αντίθετα, η υγρασία μεταφέρεται, είτε σε υγρή φάση είτε 18

ως υδρατμοί, στην επιφάνεια του στερεού, εξατμίζονται κι έπειτα απομακρύνονται από το υλικό στο περιβάλλον. Στο κεφάλαιο της ψυχρομετρίας παρουσιάστηκαν οι μακροσκοπικοί παράγοντες που επηρεάζουν εξωτερικά την πορεία της ξήρανσης. Βασικότερη επίδραση όμως για την πορεία της ξήρανσης έχουν οι μικροσκοπικοί παράγοντες, οι πολύπλοκες εσωτερικές διεργασίες που συμβαίνουν στο εσωτερικό της μάζας του υλικού. 2.8.1 Ισόθερμες καμπύλες ρόφησης Τόσο το προϊόν όσο και ο αέρας, περιέχουν εκτός από το νερό και διάφορα άλλα συστατικά. Ουσιαστικά, η διαφορά της μερικής πίεσης του νερού στον αέρα και το προϊόν είναι η κινητήρια δύναμη της ξήρανσης. Λόγω αυτής της διαφοράς, οι υδρατμοί μεταφέρονται από το προϊόν στον αέρα. Βασική παράμετρος για την ποσοτικοποίηση της διεργασίας είναι ο ρυθμός εκρόφησης. Εκρόφηση (desorption) ονομάζεται το φαινόμενο της αποβολής του προσροφημένου νερού από τη μάζα ενός προϊόντος. Το αντίθετο φαινόμενο ονομάζεται προσρόφηση (adsorption) ή αλλιώς ρόφηση (sorption). Ουσιαστικά είναι το αντίθετο της ξήρανσης, δηλαδή η ύγρανση. Αν ένα υγροσκοπικό υλικό τοποθετηθεί σε ένα περιβάλλον όπου η υγρασία είναι υψηλότερη από τη δική του, τότε θα απορροφήσει υγρασία έως ότου έρθει σε ισορροπία με το περιβάλλον. Γενικότερα, όταν ένα υλικό τοποθετηθεί σε περιβάλλον διαφορετικής υγρασίας, δηλαδή υπάρχει διάφορα μερικής πίεσης των υδρατμών στον αέρα και το προϊόν, τότε σε θεωρητικά άπειρο χρόνο θα επέλθει ισορροπία μεταξύ της υγρασίας τους. Αυτό θα συμβεί είτε με φαινόμενα προσρόφησης είτε με φαινόμενα εκρόφησης. Μακροσκοπικά, στο τέλος της διεργασίας, θα πάψει η μεταφορά υγρασίας από το ένα μέσα προς το άλλο. Μικροσκοπικά, το τέλος της διεργασίας σημαίνει εξίσωση του ρυθμού εκρόφησης του ενός μέσου με το ρυθμό προσρόφησης του άλλου. Η περιεκτικότητα σε υγρασία του προϊόντος σε αυτήν την κατάσταση ονομάζεται περιεκτικότητα υγρασίας στο σημείο ισορροπίας,, (equilibrium moisture content). Προφανώς, αυτό που ενδιαφέρει για την ξήρανση είναι ο ρυθμός εκρόφησης του προϊόντος, ή απλούστερα ρυθμός ξήρανσης και η επίτευξη της υγρασίας ισορροπίας σημαίνει το τέλος της διεργασίας. Η περιεκτικότητα της υγρασίας στο προϊόν εξαρτάται από τη θερμοκρασία και τη σχετική υγρασία του αέρα. Διατηρώντας τη θερμοκρασία σταθερή, προκύπτει ένα βασικό χαρακτηριστικό για το υλικό, η σχέση της υγρασίας του υλικού με τη σχετική υγρασία του αέρα. Οι καμπύλες που παρουσιάζουν αυτή τη σχέση για διάφορες θερμοκρασίες ονομάζονται ισόθερμες καμπύλες ρόφησης (sorption isotherms). Στην περίπτωση της ύγρανσης, η καμπύλη που παρουσιάζει τα σημεία ισορροπίας είναι η καμπύλη προσρόφησης. Όμοια, τα σημεία ισορροπίας για την ξήρανση παριστάνονται με την καμπύλη εκρόφησης. Στην εικόνα 2.7 δίνεται ενδεικτικά οι καμπύλες για ένα υγροσκοπικό υλικό. 19

Εικόνα 2.7: Ενδεικτικές καμπύλες προσρόφησης (καμπύλη a) και εκρόφησης (καμπύλη b) υγροσκοπικού υλικού [10]. 2.8.2 Δραστικότητα της υγρασίας Μία άλλη σημαντικότατη παράμετρος που επηρεάζει το ρυθμό ξήρανσης είναι και η διαθεσιμότητα του περιεχόμενου νερού για εξάτμιση. Η δραστικότητα της υγρασίας,, (water activity) είναι το μέγεθος που εκφράζει ακριβώς αυτή τη διαθεσιμότητα και είναι συνάρτηση της περιεκτικότητας της υγρασίας στο στερεό. Όπως έχει αναφερθεί, το νερό βρίσκεται σε διάφορες μορφές μέσα στο στερεό. Μεγάλη περιεκτικότητα του στερεού σε υγρασία σημαίνει ότι ένα σημαντικό ποσό αυτής είναι ελεύθερο νερό, άρα υπάρχει υψηλή διαθεσιμότητα για εξάτμιση. Όσο μειώνεται η υγρασία στο στερεό, τόσο δυσκολότερο είναι να εξατμιστεί γιατί βρίσκεται στους πόρους του υλικού και πρέπει πρώτα να μεταφερθεί στην επιφάνειά του. Καθώς μειώνεται λοιπόν η υγρασία, μειώνεται και η δραστικότητά της. Στην εικόνα 2.8 δίνεται ενδεικτικά η σχέση της δραστικότητας και της περιεχόμενης υγρασίας για μία συγκεκριμένη θερμοκρασία. Στην περιοχή ΙΙΙ, το υλικό παρουσιάζει υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία. Λόγω της ύπαρξης σημαντικής ποσότητας ελεύθερου νερού, η υγρασία μπορεί να εξατμιστεί πολύ εύκολα, ακόμα και σε ένα ήδη αρκετά φορτισμένο με υγρασία περιβάλλον. Για αυτό μεγάλη μείωση της περιεκτικότητας επιφέρει μικρή μείωση στη δραστικότητα. Η περιοχή ΙΙ χαρακτηρίζεται από μέση περιεκτικότητα σε υγρασία. Το ελεύθερο νερό έχει πλέον εξατμιστεί και η υγρασία από τους μεγαλύτερους πόρους του στερεού αρχίζει να διαχέεται προς την επιφάνειά του για να εξατμιστεί. Μικρή μείωση της περιεκτικότητας έχει ως αποτέλεσμα τη 20

σημαντική μείωση της δραστικότητας. Σε αυτό το στάδιο υπάρχει γραμμική μείωση της δραστικότητας με την περιεκτικότητα. Εικόνα 2.8: Συσχέτιση δραστικότητας και περιεχόμενης υγρασίας [10] Τέλος, στην περιοχή Ι, το νερό βρίσκεται μόνο στους τριχοειδείς πόρους ή σε άλλη μορφή (κρυσταλλική ή σε υδατικά διαλύματα), η δραστικότητα μειώνεται σημαντικά και η απομάκρυνσή του είναι πολύ δύσκολη. 2.8.3 Ρυθμός ξήρανσης Ο ρυθμός ξήρανσης ή ταχύτητα ξήρανσης, δηλαδή η απώλεια της υγρασίας ως προς το χρόνο, είναι μία από τις κυριότερες παραμέτρους για την πορεία της ξήρανσης. Με τη βοήθεια του ρυθμού ξήρανσης, μπορεί να εκτιμηθεί ο χρόνος που απαιτείται για την περάτωση της ξήρανσης. Προφανώς, μόνο από πειραματικές μετρήσεις μπορεί να προκύψουν οι πραγματικές τιμές του χρόνου. Παρόλα αυτά, αποτελεί ένα βασικό τμήμα των υπολογισμών της διεργασίας. Ο ρυθμός ξήρανσης διαφέρει σημαντικά από προϊόν σε προϊόν. Διαφοροποιείται όμως και κατά τη διάρκεια της διεργασίας. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η δραστικότητα μειώνεται με τη μείωση της περιεκτικότητας σε υγρασία. Ως αποτέλεσμα, κι ο ρυθμός ξήρανσης μεταβάλλεται σε διαφορετικές χρονικές περιόδους της πορείας της ξήρανσης. Γενικά, κατά την πορεία της διεργασίας, διακρίνονται τρεις ζώνες ή φάσεις. Σε κάθε φάση παρουσιάζονται σημαντικές διαφορές στους εσωτερικούς μηχανισμούς διεργασίας. 21

Στην εικόνα 2.9 παρουσιάζεται ποιοτικά η μεταβολή της υγρασίας ως προς το χρόνο. Από τον ορισμό, ο ρυθμός ισούται με: (1.19) Επομένως, με απλή ολοκλήρωση προκύπτει η σχέση του ρυθμού ξήρανσης με το χρόνο, όπως απεικονίζεται στην εικόνα 2.10. Εικόνα 2.9: Μεταβολή της περιεχόμενης υγρασίας συναρτήσει του χρόνου [10]. Εικόνα 2.10: Ο ρυθμός ξήρανσης στη διάρκεια της διεργασίας [10]. 22

Το σημείο Α σηματοδοτεί την είσοδο του προϊόντος στο ξηραντήριο και την έναρξη της διεργασίας. Αρχικά, η περιεκτικότητα της υγρασίας είναι η μεγαλύτερη και η δραστικότητα έχει τις μεγαλύτερες τιμές της. Παρόλο που το προϊόν έχει χαμηλή θερμοκρασία, αρχίζει να θερμαίνεται με αποτέλεσμα ο ρυθμός ξήρανσης να αυξάνεται αρκετά. Η υγρασία μειώνεται, αλλά παραμένει σε υψηλά επίπεδα. Στο τμήμα BC, φάση Ι της διεργασίας, ο ρυθμός ξήρανσης σταθεροποιείται. Για αυτό το λόγο, η φάση ονομάζεται και φάση σταθερού ρυθμού ξήρανσης. Η θερμοκρασία του προϊόντος σταθεροποιείται, αλλά και πάλι είναι μικρότερη από αυτή του αέρα ξήρανσης. Η θερμότητα μεταφέρεται από τον αέρα στο προϊόν με μορφή ενθαλπίας εξάτμισης. Η δραστικότητα διατηρεί ακόμα τις υψηλές τιμές της, με αποτέλεσμα η επιφάνεια του στερεού να είναι κορεσμένη σε υγρασία, με τη μορφή ελεύθερου νερού. Υγρασία από το εσωτερικό της μάζας του στερεού μεταφέρεται στην επιφάνειά του λόγω της διαφοράς συγκέντρωσης που δημιουργείται. Ο ρυθμός ξήρανσης λαμβάνει την υψηλότερη τιμή του και πλέον εξαρτάται από τη διάχυση του υδρατμού από την επιφάνεια στον αέρα, αλλά και από τη σχετική υγρασία του αέρα. Στη φάση αυτή, επειδή η θερμότητα δεν αυξάνει τη θερμοκρασία του προϊόντος αλλά χρησιμοποιείται για την εξάτμιση της υγρασίας, είναι δυνατό ο αέρας να παρέχεται σε υψηλές θερμοκρασίες χωρίς να διακινδυνεύεται η ποιότητα και οι ιδιότητες του υλικού. Έτσι, μειώνεται η σχετική υγρασία του αέρα, αυξάνοντας τη δυνατότητά του να παραλάβει μεγαλύτερες ποσότητες υγρασίας. Το τμήμα CE αποτελεί την φάση ΙΙ ή φάση μειωμένου ρυθμού ξήρανσης. Το σημείο C ονομάζεται σημείο καμπής και η περιεκτικότητα της υγρασίας ονομάζεται κρίσιμη περιεκτικότητα υγρασίας. Στο προηγούμενο στάδιο, ο ρυθμός μεταφοράς της υγρασίας από το εσωτερικό προς την επιφάνεια ήταν ίσος με αυτόν που ατμοποιείται από την επιφάνεια στον αέρα. Πλέον, ο ρυθμός μεταφοράς προς την επιφάνεια είναι μικρότερος από αυτό που μπορεί να ατμοποιηθεί και ο ρυθμός ξήρανσης μειώνεται. Η επιφάνεια παύει να είναι κορεσμένη σε υγρασία και η μεταφορά γίνεται από τους πόρους του στερεού, υπό την επίδραση κυρίως τριχοειδών δυνάμεων. Το υλικό προσεγγίζει σταδιακά τη θερμοκρασία του αέρα και στην επιφάνεια εμφανίζονται οι πρώτες ξηρές περιοχές. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης απαιτείται προσεκτικός έλεγχος της θερμοκρασίας. Αφενός, μπορεί να προκληθεί γενική ή τοπική υπερθέρμανση του προϊόντος υποβαθμίζοντας την ποιότητά του, λόγω αλλαγών στη χημική δομή, καταστροφής βιταμινών και άλλων συστατικών, καστάνωση και άλλα. Αφετέρου, μπορεί να δημιουργηθεί μία μεμβράνη στις ξηρές περιοχές, εγκλωβίζοντας την υγρασία εσωτερικά και δυσχεραίνοντας τη μεταφορά της στην επιφάνεια. Τέλος, είναι πιθανό να προκληθούν ρωγμές ή συρρίκνωση του στερεού, υποβαθμίζοντας περαιτέρω την ποιότητά του. Μετά τη σημείο καμπής Ε, ξεκινά η φάση ΙΙΙ της ξήρανσης, η οποία εμφανίζεται κυρίως σε υγροσκοπικά υλικά. Η διεργασία σταματά να επηρεάζεται από τις εξωτερικές συνθήκες του αέρα και εξαρτάται μόνο από τις τριχοειδής ιδιότητες του υλικού ενώ η μεταφορά από το εσωτερικό της μάζας γίνεται μόνο από τους τριχοειδής πόρους. Σε ένα υγροσκοπικό υλικό, ο ρυθμός ελαττώνεται ασυμπτωτικά με το χρόνο και μηδενίζεται όταν η περιεκτικότητα της υγρασίας φτάσει στο σημείο 23