Liczba, wzór, prawo Biota w sektorze pneumatyki

Czym jest liczba Biota?

Liczba Biota jest bezwymiarowym kryterium podobieństwa stosowanym w zagadnieniach wymiany ciepła. Definiuje się ją zależnością:

Bi = h · L / λ

gdzie:

• Bi – liczba Biota,

• h – współczynnik przejmowania ciepła [W/(m²·K)],

• L – charakterystyczny wymiar obiektu [m],

• λ – współczynnik przewodzenia ciepła materiału [W/(m·K)].

Liczba Biota określa stosunek:

oporu przewodzenia ciepła wewnątrz materiału do oporu przejmowania ciepła na jego powierzchni.

Innymi słowy informuje, czy ograniczeniem procesu jest transport energii wewnątrz materiału czy też wymiana ciepła pomiędzy materiałem a otaczającym medium.

Fizyczna interpretacja liczby Biota

Znaczenie liczby Biota można przedstawić bardzo intuicyjnie.

Bi < 0,1

Jeżeli liczba Biota jest mniejsza od 0,1:

• temperatura wewnątrz materiału jest praktycznie jednorodna,

• opory przewodzenia ciepła są niewielkie,

• szybkość procesu zależy głównie od wymiany ciepła na powierzchni.

W takich przypadkach można stosować uproszczone modele obliczeniowe zakładające równomierną temperaturę całego obiektu.

Bi ≈ 1

Przy liczbie Biota zbliżonej do jedności:

• zarówno przewodzenie ciepła w materiale, jak i konwekcja na powierzchni wpływają na proces,

• pojawiają się zauważalne gradienty temperatury,

• konieczne stają się bardziej zaawansowane modele matematyczne.

Bi > 10

Duże wartości liczby Biota oznaczają:

• dominację oporów przewodzenia ciepła,

• znaczące różnice temperatur pomiędzy powierzchnią i wnętrzem materiału,

• ryzyko nierównomiernego suszenia,

• możliwość występowania naprężeń termicznych i deformacji.

Znaczenie liczby Biota w procesach suszenia

Podczas suszenia następują jednocześnie dwa podstawowe procesy:

1. Dostarczanie energii cieplnej do materiału.

2. Usuwanie wilgoci z jego wnętrza.

Oba zjawiska są ze sobą silnie związane. Jeżeli ciepło nie dociera odpowiednio szybko do wnętrza produktu, odparowanie wilgoci zostaje spowolnione niezależnie od intensywności przepływu powietrza. Liczba Biota pozwala określić, który z mechanizmów ogranicza wydajność procesu:

• wymiana ciepła na powierzchni,

• przewodzenie ciepła wewnątrz materiału.

Jest to niezwykle istotne przy projektowaniu suszarni przemysłowych oraz systemów wykorzystujących gorące sprężone powietrze.

Liczba Biota a kinetyka suszenia

W praktyce przemysłowej proces suszenia dzieli się zwykle na dwa etapy.

I. Okres stałej szybkości suszenia

Na początku powierzchnia materiału pozostaje wilgotna. Tempo odparowania zależy głównie od:

• temperatury powietrza,

• wilgotności względnej,

• prędkości przepływu medium.

W tym etapie liczba Biota wpływa głównie na tempo dostarczania energii do powierzchni.

II. Okres malejącej szybkości suszenia

Po usunięciu wilgoci powierzchniowej następuje transport wilgoci z wnętrza materiału. W tej fazie znaczenie liczby Biota gwałtownie wzrasta. Duże wartości Bi oznaczają:

• wolniejsze nagrzewanie rdzenia materiału,

• spadek wydajności suszenia,

• wydłużenie czasu procesu.

Liczba Biota a rodzaj suszonego materiału

Materiały metalowe

Metale posiadają wysoką przewodność cieplną.

Przykładowo:

• aluminium: około 237 W/(m·K),

• miedź: około 401 W/(m·K).

W rezultacie liczba Biota jest zazwyczaj niewielka. Temperatura w całym elemencie szybko się wyrównuje.

Drewno

Drewno cechuje się znacznie niższą przewodnością cieplną. W praktyce oznacza to:

• większe wartości liczby Biota,

• występowanie gradientów temperatur,

• konieczność ostrożnego prowadzenia procesu suszenia.

Ceramika

Materiały ceramiczne często osiągają wysokie wartości Bi. Zbyt szybkie nagrzewanie może prowadzić do:

• pęknięć,

• odkształceń,

• pogorszenia parametrów wytrzymałościowych.

Produkty spożywcze

W suszeniu żywności liczba Biota wpływa bezpośrednio na:

• zachowanie wartości odżywczych,

• strukturę produktu,

• smak,

• trwałość przechowalniczą.

Wpływ przepływu powietrza na liczbę Biota

Współczynnik przejmowania ciepła h zależy przede wszystkim od intensywności przepływu medium. Wraz ze wzrostem prędkości powietrza:

• zwiększa się wartość h,

• rośnie liczba Biota,

• poprawia się wymiana ciepła na powierzchni.

Dlatego nowoczesne suszarnie przemysłowe wykorzystują:

• układy wymuszonego przepływu,

• wentylatory wysokowydajne,

• dysze nadmuchowe,

• instalacje pneumatyczne.

W wielu zastosowaniach przemysłowych medium suszącym jest sprężone powietrze odpowiednio przygotowane pod względem temperatury i wilgotności.

Liczba Biota w instalacjach pneumatycznych

Pneumatyka odgrywa ważną rolę w procesach suszenia przemysłowego. Sprężone powietrze wykorzystywane jest m.in. do:

• suszenia elementów po myciu,

• osuszania detali przed malowaniem,

• transportu pneumatycznego materiałów sypkich,

• chłodzenia i suszenia produktów po procesach technologicznych,

• wspomagania procesów suszenia konwekcyjnego.

W takich aplikacjach odpowiedni dobór parametrów przepływu wpływa bezpośrednio na współczynnik przejmowania ciepła, a tym samym na wartość liczby Biota.

Znaczenie jakości sprężonego powietrza

W procesach suszenia niezwykle ważna jest jakość medium roboczego. Powietrze zawierające:

• wodę,

• olej,

• cząstki stałe,

może powodować:

• pogorszenie jakości produktu,

• wydłużenie procesu,

• zwiększenie kosztów eksploatacyjnych.

Dlatego w instalacjach przemysłowych stosuje się:

• osuszacze ziębnicze,

• osuszacze adsorpcyjne,

• filtry sprężonego powietrza,

• układy przygotowania powietrza.

Oferta Pneumat System w procesach suszenia

Firma Pneumat System od wielu lat dostarcza rozwiązania wspierające procesy suszenia, transportu oraz przygotowania sprężonego powietrza.

W kontekście liczby Biota i efektywności suszenia szczególne znaczenie mają:

Osuszacze sprężonego powietrza

Zapewniają:

• niski punkt rosy,

• stabilne parametry medium,

• ochronę urządzeń technologicznych.

Filtry pneumatyczne

Pozwalają usuwać:

• wodę,

• aerozole olejowe,

• zanieczyszczenia stałe.

Dzięki temu medium suszące zachowuje odpowiednią jakość.

Armatura pneumatyczna

W skład systemów suszenia mogą wchodzić:

• zawory kulowe,

• zawory procesowe,

• szybkozłącza,

• przewody pneumatyczne.

Elementy te umożliwiają precyzyjne sterowanie przepływem medium.

Dysze powietrzne

Specjalistyczne dysze Pneumat System pozwalają uzyskać:

• skoncentrowany strumień powietrza,

• wysoką skuteczność osuszania,

• ograniczenie zużycia sprężonego powietrza.

Systemy rurociągowe

Nowoczesne instalacje pneumatyczne wykonane między innymi z systemów aluminiowych zapewniają:

• minimalne straty ciśnienia,

• stabilny przepływ,

• wysoką efektywność energetyczną.

Liczba Biota a efektywność energetyczna suszarni

Koszty energii należą do największych wydatków związanych z procesami suszenia. Nieprawidłowe dobranie parametrów procesu może prowadzić do:

• nadmiernego zużycia energii,

• wydłużenia czasu suszenia,

• przeciążenia instalacji.

Analiza liczby Biota umożliwia:

• dobór optymalnej temperatury,

• właściwe określenie prędkości przepływu powietrza,

• ograniczenie kosztów eksploatacyjnych,

• poprawę jakości produktu.

W nowoczesnych zakładach przemysłowych obliczenia liczby Biota stanowią jeden z podstawowych etapów projektowania procesów suszenia.

Liczba Biota a modelowanie komputerowe

Współczesne projektowanie suszarni coraz częściej wykorzystuje narzędzia CFD (Computational Fluid Dynamics).

Podczas symulacji uwzględnia się:

• przepływ powietrza,

• rozkład temperatur,

• transport wilgoci,

• parametry materiałów.

Liczba Biota stanowi jedno z kluczowych kryteriów oceny poprawności modelu matematycznego. Pozwala określić, czy można stosować uproszczone modele skupione, czy konieczne jest modelowanie rozkładu temperatur wewnątrz suszonego obiektu.

Autor:
Ekspert Pneumat.
Pneumat.

Autor:
Ekspert Pneumat.
Pneumat.