ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ - PDF\nDownload "ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ"\n1 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ Λαμπριανίδης Γεώργιος Α.Ε.Μ.: 4006 Θωΐδης Γεώργιος Α.Ε.Μ.: 4099 ΕΠΙΒΛΕΠΟΥΣΑ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ: Κόγια Γρ. Φωτεινή ΚΑΒΑΛΑ, ΙΟΥΝΙΟΣ 2012\n2 Εγκρίνεται η Πτυχιακή Εργασία Καβάλα, / /2012 Η επιβλέπουσα Καθηγήτρια Ο Προϊστάμενος του Τμήματος Κόγια Γρ. Φωτεινή Σαράφης Ηλίας Η Εξεταστική Επιτροπή 1. Κόγια Φωτεινή ii\n3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η Παρούσα Εργασία αποτελεί την Πτυχιακή μας Εργασία στα πλαίσια των σπουδών μας στο Τμήμα Μηχανολογίας του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η εκπόνησήτης ξεκίνησε το Νοέμβριο του 2011 και ολοκληρώθηκετο Μάιο του 2012, υπό την επίβλεψη της Καθηγήτριας κας Κόγια Γρ. Φωτεινής, Καθηγήτριας Εφαρμογών του Τομέα Φυσικής, του Γενικού Τμήματος Θετικών Επιστημών, της Σχολής Τεχνολογικών Εφαρμογών, του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η παρούσα Εργασία είχε ως σκοπό τη «ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΑ ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ». Η εργασία αποτελείται από επτά Κεφάλαια. Το πρώτο Κεφάλαιο αποτελεί την εισαγωγή της εργασίας μας. Στο δεύτερο Κεφάλαιο πραγματοποιούμε μια γνωριμία με τη διεργασία της ξήρανσης. Παρουσιάζονται η θεωρία της διεργασίας, οι μέθοδοι καθώς και οι εφαρμογές αυτής. Συνεχίζουμε στο τρίτο Κεφάλαιο όπου εδώ επιλέξαμε να παρουσιάσουμε τους διάφορους τύπους ξηραντηρίων. Στο τέταρτο Κεφάλαιο γίνεται μία αναλυτική παρουσίαση των ηλιακών ξηραντηρίων. Πλεονεκτήματα μειονεκτήματα καθώς και τα οικονομικά στοιχεία των εν λόγω ξηραντηρίων παρουσιάζονται. Συνεχίζουμε με το πέμπτο Κεφάλαιο της εργασίας το οποίο είναι αφιερωμένο στη Γεωθερμία. Στο έκτο Κεφάλαιο μελετούμε τη δυνατότητα αξιοποίησης της γεωθερμίας για ξήρανση. Τέλος η εργασία μας κλείνει με το έβδομο Κεφάλαιο το οποίο περιλαμβάνει τα συμπεράσματά μας. Καβάλα, Ιούνιος 2012 iii\n4 Πίνακας περιεχομένων ΠΡΟΛΟΓΟΣ... iii Ευρετήριο Εικόνων... vii Ευρετήριο Σχημάτων... vii Ευρετήριο Πινακών... viii Ευρετήριο Γραφημάτων... viii ΠΕΡΙΛΗΨΗ... ix ABSTRACT... ix ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο... 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΞΗΡΑΝΣΗ Ιστορική ανάδρομη Το μοντέλο του Luikov Ξήρανση Μέθοδοι ξήρανσης Θεωρία ξήρανσης Πορεία ξήρανσης Περίοδος σταθερού ρυθμού ξήρανσης Περίοδος φθίνοντος ρυθμού ξήρανσης Συμπεριφορά υλικών κατά την ξήρανση Παράγοντες που επηρεάζουν την ξήρανση ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ Εισαγωγή Ξηραντήρες θαλάμου Ατμοσφαιρικοί ξηραντήρες θαλάμου iv\n5 Ξηραντήρες θαλάμου κενού Ξηραντήρες σήραγγας Ξηραντήρες ενδιάμεσης κυκλοφορίας Ξηραντήρες τουρμπίνας Περιστροφικοί ξηραντήρες Θέρμανση με απευθείας επαφή Ξηραντήρες τυμπάνων Ξηραντήρες εκνέφωσης Ξηραντήρια δημητριακών Ηλεκτρικά ξηραντήρια Ξηραντήριο ζυμαρικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΗΛΙΑΚΗ ΞΗΡΑΝΣΗ & ΗΛΙΑΚΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ Τι είναι η ηλιακή ξήρανση και η σημασία της σήμερα Πλεονεκτήματα και περιορισμοί της ηλιακής ξήρανσης Πώς λειτουργούν οι ηλιακοί ξηραντήρες Οικονομικά στοιχεία ηλιακών ξηραντήριων Κύριοι οικονομικοί παράγοντες Σύγκριση ηλιακής ξήρανσης με ηλεκτρική-μηχανική Πλεονεκτήματα- Μειονεκτήματα Μηχανικής Ξήρανσης Πλεονεκτήματα- Μειονεκτήματα Ηλιακής Ξήρανσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Γεωθερμία-Βασικές έννοιες Θερμότητα Γεωθερμικά πεδία Προέλευση των γεωθερμικών ρευστών v\n6 5.4. Γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας Γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας Εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας Tηλεθέρμανση και θέρμανση χώρων Αφαλάτωση θαλασσινού νερού Υδατοκαλλιέργειες Βιομηχανικές εφαρμογές Θέρμανση θερμοκηπίων και ξήρανση αγροτικών προϊόντων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ Χρήση της γεωθερμικής ενέργειας στην ξήρανση τομάτας Η αποξήρανση ψαριών και η χρήση γεωθερμικής ενέργειας Χρήση γεωθερμικής ενέργειας στην ξήρανση γης διατόμων Ξήρανση ξυλείας Μέθοδοι ξήρανσης Η φυσική ξήρανση Η τεχνητή ξήρανση Η ηλιακή ξήρανση Η γεωθερμική ξήρανση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Γενικά Κόστος και πλεονεκτήματα χρήση γεωθερμιας στην αποξήρανση Δυνατότητες εφαρμογής της γεωθερμικής ξήρανσης στην Ελλάδα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΑΔΙΚΤΥΑΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ vi\n7 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ευρετήριο Εικόνων Εικόνα Ξηραντήρας Θαλάμου κενού...19 Εικόνα Ξηραντήρας σύραγγας 20 Εικόνα Ηλεκτρικό ξηραντήριο 30 θέσεων 37 Εικόνα Ξηραντήριο Ζυμαρικών..38 Εικόνα Ηλιακός ξηραντήρας μεγάλης κλίμακας..47 Εικόνα 4.2. Ηλιακός ξηραντήρας δωματίου Solarwall..47 Εικόνα Θάλαμος ξήρανσης ηλιακού ξηραντήρα δωματίου 48 Εικόνα (α) Γεωθερμικό ξηραντήριο τομάτας τύπου σήραγγας στο Ν.Εράσμιο της Ξάνθης, (β) Θέρμανση θερμοκηπίου με λουλούδια σε γλάστρες στο Σιδηρόκαστρο Ν. Σερρών με χρήση γεωθερμικής ενέργειας (www.ypan.gr)...62 Εικόνα Γεώτρηση άντλησης γεωθερμικού ρευστού..63 Εικόνα Δυναμική φυσική ξήρανση οξιάς.69 Εικόνα Στοιβαγμένη ξυλεία προς ξήρανση..79 Ευρετήριο Σχημάτων Σχήμα Υγρασία σε συνάρτηση με το χρόνο..9 Σχήμα Ρυθμός ξήρανσης σε συνάρτηση με την παρεχόμενη υγρασία. 10 Σχήμα Ατμοσφαιρικοί ξηραντήρες θαλάμου 17 Σχήμα Αδιαβατική λειτουργία ατμοσφαιρικού ξηραντήρα θαλάμου με και χωρίς ενδιάμεση θέρμανση 18 Σχήμα Ξηραντήρας ενδιάμεσης κυκλοφορίας.24 Σχήμα Ξηραντήρας τουρμπίνας 25 Σχήμα Περιστροφικός ξηραντήρας με θέρμανση με απευθείας επαφή, Διακρίνονται τρία είδη πτερυγίων στο εσωτερικό του..26 Σχήμα Συγκράτηση υλικού (holdup) σε περιστροφικό ξηραντήρα..27 Σχήμα 3.7. Περιστροφικός ξηραντήρας με θέρμανση χωρίς απ ευθείας επαφή..29 Σχήμα Ξηραντήρες τυμπάνων.31 Σχήμα Ξηραντήρας Εκνέφωσης.34 Σχήμα Ξηραντήριο Δημητριακών 35 vii\n8 Σχήμα Ηλιακός Ξηραντήρας 40 Σχήμα Σχηματική παράσταση γεωθερμικού πεδίου..51 Σχήμα Τροποποιημένο διάγραμμα Lindal..56 Σχήμα Χάρτης ισόθερμων καμπύλων οροφής ταμιευτήρα στο γεωθερμικό πεδίο Ν. Ερασμίου.66 Σχήμα Τυπικός κλίβανος ξηράνσεως Ξυλείας (Νέα Ζηλανδία)..80 Ευρετήριο Πινακών Πίνακας Τύποι Ξηραντηρίων.16 Πίνακας 4.1. Η διαδικασία ξήρανσης 41 Πίνακας Ταξινόμηση γεωθερμικών πεδίων.. 52 Ευρετήριο Γραφημάτων Γράφημα Σύγκριση τιμών διαφόρων ειδών ενέργειας θέρμανσης, ISK για την αποξήρανση ενός κιλού μπακαλιάρου, με βάση το κόστος τον Ιανουάριο 2003 (1USD= 80 ISK) (OR = ενέργεια Ρεικγιαβίκ, Rarik = κρατική υπηρεσία ηλεκτρισμού Ισλανδίας)..83 viii\n9 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα Πτυχιακή Εργασία εξετάζεται η εφαρμογή της Γεωθερμικής ενέργειας στη διαδικασία της ξήρανσης με στόχο την προστασία του περιβάλλοντος. Αναλύονται τα ξηραντήρια γενικά, η χρήση της ηλιακής ενέργειας για την ξήρανση ορισμένων τροφίμων, προίόντων και παρουσιάζονται κάποιες καινοτόμες εφαρμογές της χρήσης της Γεωθερμικής Ενέργειας στην ξήρανση. Συμερασματικά οι περιγραφόμενες μέθοδοι είναι πολύτιμες στην εξοικονόμηση ενέργειας με τη χρήση Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας. ABSTRACT In this project work is examined the application of geothermal energy to the process of drying aiming to the environmental protection. They are analyzed the dryers in general, the use of solar energy to dry some food, products and are presented some innovative applications of the use of geothermal energy for drying. In conclusion the described methods are valuable in saving energy by using the renewable sources. ix\n10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αναμφι βολα η ενε ργεια αποτελει βασικο παρα γοντα ανα πτυξης. Η εξασφα λιση ενο ς ελα χιστου επιπε δου διαβι ωσης (με χρη ση φωτισμου και ζεστου νερου, με θε ρμανση χωρων, οικιακε ς συσκευε ς, αυτοκι νηση κ.λπ.) απαιτει την κατανα λωση σημαντικου ποσου ενε ργειας κατ α τομο. Ακο μα περισσο τερη ενε ργεια απαιτει ται στην παραγωγη, ειδικο τερα δε μετα την υποκατα σταση της εργασι ας απο μηχανε ς, την αυτοματοποι ηση, την παγκοσμιοποι ηση της αγορα ς με τις μεταφορε ς αγαθων και πρωτων υλων κ.λπ. Ταυτο χρονα ο μως, καθως η ενε ργεια αποτελει κοινη συνιστωσα των παραγωγικων διεργασιων και γενικο τερα ο λων των ανθρωπινων δραστηριοτη των, ο ενεργειακο ς τομε ας εμφανι ζει μια ανελαστικο τητα, με αποτε λεσμα ο περιορισμο ς της διαθεσιμο τητας η η αυ ξηση των τιμων της ενε ργειας να επιφε ρουν δραματικε ς επιπτωσεις στις οικονομι ες σε παγκο σμιο επι πεδο. Η αγορα της ενε ργειας με τη συ γχρονη μορφη της (πολλαπλη ενεργειακη διαθεσιμο τητα ο πως α νθρακας, πετρε λαιο, φυσικο αε ριο, πυρηνικα, βιομα ζα κ.α.) δεν ε χει μακρα ιστορι α, καθως ε ως και τη δεκαετι α του 60 κυριαρχου σε ε να καυ σιμο (το ξυ λο και αργο τερα ο α νθρακας). Όμως, οι εξελι ξεις στην αγορα ενε ργειας αποδει χτηκαν εξαιρετικα ε ντονες και ραγδαι ες, με αποτε λεσμα η παγκο σμια κοινο τητα να ε χει πλε ον βιωσει σημαντικε ς εμπειρι ες ο πως: Την περιορισμε νη διαθεσιμο τητα των χρησιμοποιου μενων πηγων ενε ργειας, καθως η δια ρκεια των αποθεμα των για κα ποιες απο αυτε ς δεν φαι νεται να ξεπερνα μερικε ς δεκαετι ες. Τη δραματικη επι πτωση της ενε ργειας στην παγκο σμια οικονομι α, ο πως φανερωθηκε με τις δυο πετρελαι κε ς κρι σεις στη δεκαετι α του 70. Την αβεβαιο τητα που εισα γουν στο διεθνε ς οικονομικο συ στημα τυχο ν πολιτικο-στρατιωτικε ς εξελι ξεις που αφορου ν κυρι ως σε χωρες εξαγωγη ς ενε ργειας, δρωντας ανασταλτικα στην ανα πτυξη. Τις περιβαλλοντικε ς επιπτωσεις που προκαλει η αυξανο μενη χρη ση ρυπογο νων πηγων ενε ργειας, με ε ντονα φαινο μενα περιορισμε νης 1 Λαμπριανίδης Γεώργιος Α.Ε.Μ.: 4006 Θωίδης ΓεώργιοςΑ.Ε.Μ.: 4099\n11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ ε κτασης (ο ξινη βροχη, πυρηνικα ατυχη ματα κ.λπ.) η και παγκο σμιας κλι μακας (φαινο μενο θερμοκηπι ου, τρυ πα ο ζοντος). Με σα επομε νως απο την προ σφατη ιστορι α του ενεργειακου τομε α διδασκο μαστε τη σημασι α: Της διερευ νησης του ενεργειακου φα σματος, δηλαδη της πολλαπλη ς ενεργειακη ς τροφοδοσι ας που μπορει να σκεδα ζει την περιορισμε νη διαθεσιμο τητα η αυ ξηση τιμων μιας πηγη ς ενε ργειας και να συμβα λει στη σταθερο τητα της οικονομι ας, που αποτελει πρου πο θεση για την ευημερι α. Της ανα πτυξης νε ων ενεργειακων τεχνολογιων, που θα συμβα λουν στην καλυ τερη αξιοποι ηση των χρησιμοποιου μενων καυσι μων (εξοπλισμο ς υψηλη ς απο δοσης, αναγεννητικοι πυρηνικοι αντιδραστη ρες κ.α.) ωστε να περιορι ζονται οι ενεργειακε ς δαπα νες και οι επιπτωσεις των ενεργειακων τιμων και να μετατι θεται το προ βλημα ανεπα ρκειας των αποθεμα των «κερδι ζοντας» πολυ τιμο χρο νο για την ανα πτυξη των τεχνολογιων που θα επιτρε ψουν την αντιμετωπιση του. Της ανα πτυξης νε ων και ανανεωσιμων πηγων ενε ργειας και των σχετικων τεχνολογιων αξιοποι ηση ς τους που θα εξασφαλι σουν σημαντικο τερα αποθε ματα (π.χ. δευτε ριο) η πρακτικα ανεξα ντλητα (ηλιακη ενε ργεια), ωστε να αντιμετωπισθει ριζικα το προ βλημα επα ρκειας των ενεργειακων αποθεμα των και ταυτο χρονα της περιβαλλοντικη ς προστασι ας απο τη χρη ση ενε ργειας, συμβα λλοντας ε τσι στην αειφορι α. Επομε νως, η γνωση των Πηγων Ενε ργειας αποκτα στις με ρες μας ιδιαι τερη σημασι α το σο για το λο γο της ποικιλο τητας του αντικειμε νου και των πραγματικων διλημμα των επιλογη ς που εισα γει αυτη, ο σο και για τη δυναμικη που εμφανι ζει ο τομε ας της ενε ργειας. Η γνωση αυτη δεν ενδιαφε ρει μο νον ο σους ασχολου νται με την ενεργειακη πολιτικη, αλλα και τους καταναλωτε ς ενε ργειας οποιουδη ποτε κλα δου της οικονομι ας (Βιομηχανι α, Πρωτογενη ς Τομε ας, Υπηρεσι ες κ.λπ.) στην προσπα θεια τους ακριβως να περιορι σουν τα ενεργειακα τους ε ξοδα η και την επι δραση των μεταβολων των τιμων ενε ργειας στην ανταγωνιστικο τητα της επιχει ρηση ς τους. Αξι ζει να σημειωθει ο τι ενω πριν μερικα ε τη κυρι αρχο θε μα στην 2 Λαμπριανίδης Γεώργιος Α.Ε.Μ.: 4006 Θωίδης ΓεώργιοςΑ.Ε.Μ.: 4099\n12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο : ΕΙΣΑΓΩΓΗ ενημε ρωση στον τομε α της ενε ργειας η ταν οι τιμε ς του πετρελαι ου, στις με ρες μας ο κοινο ς πολι της βομβαρδι ζεται με ειδη σεις τεχνολογικου χαρακτη ρα, που αφορου ν σε νε ες πηγε ς ενε ργειας (ενεργειακη αξιοποι ηση των απορριμμα των σε ΧΥΤΑ, της λα σπης βιολογικη ς επεξεργασι ας λυμα των, της ενε ργειας των κυμα των, του ανε μου κ.λπ.) η σε νε ες ενεργειακε ς τεχνολογι ες (διηπειρωτικη συνεργασι α για την ανα πτυξη υδρογο νου ως φορε α ενε ργειας, χρη ση στοιχει ων καυσι μου στην αυτοκινητοβιομηχανι α, παραγωγη υποκατα στατου βενζι νης απο α νθρακα κ.λπ.). Κατα μει ζονα λο γο επομε νως, ο τεχνικο ς κο σμος χρεια ζεται να ε χει αποκτη σει μια συνολικη εικο να της παρου σας κατα στασης του ενεργειακου τομε α, ωστε να μπορει να αντιλαμβα νεται και να προετοιμα ζεται για τις σημαντικε ς μεταβολε ς που φαι νεται να ακολουθου ν. 3 Λαμπριανίδης Γεώργιος Α.Ε.Μ.: 4006 Θωίδης ΓεώργιοςΑ.Ε.Μ.: 4099\n13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΞΗΡΑΝΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 0 ΞΗΡΑΝΣΗ 2.1. Ιστορική ανάδρομη Η ανάπτυξη των θεωριών/μοντέλων ξήρανσης ξεκίνησε ουσιαστικά στα τέλη της δεκαετίας του 30. Πιο συγκεκριμένα το 1939 ο Henry μελέτησε τη διάχυση του ατμού μέσα από τους πόρους μιας μπάλας βαμβακιού (Henry, 1939). Μερικά χρόνια αργότερα, το 1957, οι Philip και De Vries πρότειναν ένα μοντέλο για τη μεταφορά υγρασίας σε πορώδη σώματα το οποίο λάμβανε υπόψη τόσο τις ροές του υγρού όσο και του ατμού, οι οποίες και εκφράστηκαν με βάση την ογκομετρική βαθμίδα υγρασίας, τη θερμοκρασιακή βαθμίδα και τη συνεισφορά της βαρύτητας (Philip and De Vries, 1957). Στη συνέχεια, το 1966, ο Luikov προτείνει ένα μοντέλο ξήρανσης με βάση το οποίο η μεταφορά υγρασίας σε ένα πορώδες σώμα μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση των βαθμίδων θερμοκρασίας, περιεκτικότητας υγρασίας και πίεσης και είναι από τους πρώτους ερευνητές που έκαναν αυτή τη θεώρηση. Πιο αναλυτικά, ο Luikov ανέπτυξε ένα σύστημα εξισώσεων με βάση το νόμο του Darcy, εκφράζοντας τη διατήρηση της μάζας για την υγρασία και για τον ξηρό αέρα, καθώς επίσης και τη διατήρηση της ενέργειας (Luikov, 1966) (περισσότερα στοιχεία για το μοντέλο του Luikov παρουσιάζονται σε επόμενη ενότητα). Μια άλλη προσέγγιση παρουσιάστηκε από τον Whitaker, το 1977, ο οποίος ανέπτυξε ένα μοντέλο ξήρανσης ξεκινώντας από τις εξισώσεις για κάθε φάση και καταλήγοντας σε εξισώσεις διατήρησης επί του μέσου όγκου. Η θεωρία αυτή δεν διαφέρει πολύ από εκείνη του Luikov. Το βασικό πλεονέκτημά της είναι το ότι αποτελεί πιο πραγματική προσέγγιση του συνεχούς μηχανικού μέσου διότι οι εξισώσεις διατήρησης εκφράζονται επί του μέσου όγκου (Whitaker, 1977). Η έρευνα στον τομέα της μοντελοποίησης της ξήρανσης συνεχίστηκε το 1979 από τον Huang, ο οποίος πρότεινε τη χρήση διαφορετικού συστήματος εξισώσεων για το αρχικό στάδιο της ξήρανσης (όπου η μεταφορά της 4\n14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΞΗΡΑΝΣΗ υγρασίας γίνεται μέσω των τριχοειδών) και για το τελικό (όπου η μεταφορά της υγρασίας γίνεται με διάχυση) (Huang, 1979). Ένα χρόνο μετά, το 1980, οι Dinulescu και Eckert παρουσιάζουν την αναλυτική λύση ενός μοντέλου μονοδιάστατης μεταφοράς υγρασίας, με βαθμίδες υγρασίας/θερμοκρασίας και υποθέτοντας σταθερούς συντελεστές μεταφοράς καταλήγουν σε γενικές, αδιάστατες εξισώσεις για τη θερμοκρασία και για την υγρασία (Dinulescu and Eckert, 1980). Αργότερα, το 1988 οι Ben Nasrallah και Perre αναπτύσσουν ένα μοντέλο ξήρανσης βασισμένο στη θεωρία του Whitaker και μελετούν την ξήρανση με συναγωγή σε δύο εντελώς διαφορετικά πορώδη υλικά, το ξύλο και το τούβλο (Ben Nasrallah and Perre, 1988). Στη συνέχεια, αριθμητική λύση ενός δισδιάστατου μοντέλου ξήρανσης (ανισότροπου υλικού) δόθηκε το 1990 από τους Perre και Degiovanni (Perre and Degiovanni, 1990) ενώ το 1991 οι Masmudi και Prat βασιζόμενοι στη θεωρία των Philip και De Vries μελετούν τη μεταφορά θερμότητας και μάζας σε ακόρεστα πορώδη υλικά (Masmudi and Prat, 1991). Από τα παραπάνω, γίνεται φανερό ότι μία βασική διαφορά των μοντέλων ξήρανσης έγκειται στο ποιες θεωρούν ως κινητήριες δυνάμεις (βαθμίδες θερμοκρασίας, υγρασίας, πίεσης κ.λπ.) για τη μεταφορά μάζας κάτι το οποίο εξαρτάται και από το είδος του προς ξήρανση στερεού σώματος (τρόφιμο, οικοδομικό υλικό, έδαφος κ.λπ.) (Waananen et al., 1993) Το μοντέλο του Luikov Ένα από τα πλέον διαδεδομένα μοντέλα μαθηματικής περιγραφής των φαινομένων μεταφοράς κατά την ξήρανση είναι το μοντέλο του Luikov (Luikov, 1964; Fortes and Okos, 1980). Εντάσσεται στην κατηγορία των φαινομενολογικών σε αντίθεση με τις μηχανιστικές προσεγγίσεις μοντελοποίησης (Datta, 2007). Το μοντέλο αυτό βασίζεται στις αρχές της μη αντιστρεπτής θερμοδυναμικής, θεωρώντας ότι οι διάφορες ροές (μάζας, θερμότητας) συνδέονται γραμμικά με τις κινητήριες δυνάμεις της θερμοδυναμικής μέσω των λεγόμενων φαινομενολογικών νόμων όπως οι νόμοι του Fick, του Fourier και του Darcy.\n15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΞΗΡΑΝΣΗ Αυτή η θεώρηση, στην περίπτωση που περισσότερες από μια θερμοδυναμικές δυνάμεις δρουν ταυτόχρονα, επιτρέπει τη δημιουργία των λεγόμενων σταυρωτών δράσεων (cross effects) μεταξύ των μεγεθών, έτσι ώστε, π.χ. βαθμίδες θερμοκρασίας να δημιουργούν ροές μάζας ή βαθμίδες συγκέντρωσης να δημιουργούν ροές θερμοκρασίας (Waananen et al., 1993). Ο Luikov θεώρησε λοιπόν ότι και η θερμοκρασιακή βαθμίδα είναι επίσης ένας παράγοντας (εκτός από τις βαθμίδες συγκέντρωσης υγρασίας και πίεσης) ο οποίος συντελεί στη μεταφορά της υγρασίας μέσα στα υλικά Ξήρανση Ξήρανση (Drying) ενός υλικού είναι η απομάκρυνση, δια εξατμίσεως, ενός πτητικού υγρού, συνήθως νερού, από το εσωτερικό του υλικού προς την επιφάνεια αυτού και η εξαγωγή του στη συνέχεια στο περιβάλλον. Η ξήρανση επιτυγχάνεται με όλους τους μηχανισμούς διάδοσης της θερμότητας, ενώ είναι διεργασία ταυτόχρονης μετάδοσης θερμότητας και μάζας (υγρό ή ατμός) μεταξύ του υλικού και κάποιων αδρανών αερίων. Η ξήρανση είναι η αρχαιότερη μέθοδος συντήρησης τροφίμων, δεδομένου ότι επιτυγχάνεται και με αρκετές φυσικές διεργασίες. Η ελάττωση του περιεχόμενου νερού περιορίζει σημαντικά την ανάπτυξη μυκήτων, οι οποίοι οδηγούν στην υποβάθμιση και τελικώς στην καταστροφή του προϊόντος. Σήμερα, πολλές βιομηχανίες παράγουν προϊόντα χαμηλής υγρασίας, τα οποία αποθηκεύονται, μεταφέρονται, συντηρούνται και κατεργάζονται ευκολότερα από τα αντίστοιχα νωπά, ενώ η ξήρανση αναπτύσσεται όλο και περισσότερο ως μέθοδος συντήρησης όχι μόνο φυτικών, αλλά και ζωικών προϊόντων. Γενικά, αποτελεί μία από τις σημαντικότερες δραστηριότητες της βιομηχανίας τροφίμων. Στη χώρα μας, όπου τα αποξηραμένα προϊόντα (σταφύλια, σταφίδα, σύκα, δαμάσκηνα, φρούτα, ξηροί καρποί, ακόμη και καπνός) ήταν πάντα μία σημαντική πηγή αγροτικού εισοδήματος, η ξήρανση ήταν και είναι, ένα σημαντικό τμήμα της παραγωγικής διαδικασίας,\n16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΞΗΡΑΝΣΗ Με βάση αυτό το δεδομένο, η βελτίωση των μεθόδων ξήρανσης, θα μπορούσε να συμβάλλει στην ποιοτική αναβάθμιση, καθώς και στην αύξηση της ανταγωνιστικότητας των φυτικών και ζωικών προϊόντων Μέθοδοι ξήρανσης Οι μέθοδοι ξήρανσης που εφαρμόζονται σήμερα είναι κατά βάση δύο. Η ελεγχόμενη ή βιομηχανική ξήρανση και Η ηλιακή ξήρανση Η ελεγχόμενη ξήρανση απαιτεί τον κατάλληλο τύπο ξηραντηρίου, ανάλογα με τη φύση του προϊόντος και των απαιτουμένων συνθηκών. Αυτά λειτουργούν καταναλώνοντας κάποια μορφή ενέργειας, ακόμη και ηλιακής. Η πλέον διαδεδομένη κατηγορία είναι οι ξηραντήρες ρεύματος αέρα, όπου ρεύμα αέρος προκαλεί την ξήρανση, απομακρύνοντας ταυτόχρονα και την εξατμιζόμενη υγρασία. Τέτοια παραδείγματα είναι ξηραντήρες: ραφιών τύπου σήραγγας μεταφορικής ταινίας περιστροφικοί Άλλοι τύποι ξηραντήρων είναι ξηραντήρες: περιστρεφόμενων δίσκων στιγμιαίας δράσεως διασκορπισμού ρευστοποιημένης κλίνης κ.ά. Οι ανωτέρω μέθοδοι ξήρανσης παρουσιάζουν μεν πλεονεκτήματα που αφορούν στην ποιότητα, στην υγιεινή, στη μείωση των απωλειών, αλλά και του απαιτούμενου χρόνου, αλλά το κόστος τους και οι τεχνικές απαιτήσεις τις καθιστούν μη βιώσιμες για χρήση από τους παραγωγούς Θεωρία ξήρανσης Τα στερεά σώματα περιέχουν δύο είδη υγρασίας: Το ελεύθερο νερό, το οποίο συγκρατείται μηχανικά από το στερεό και συμπεριφέρεται ως καθαρό νερό και Το ενωμένο ή δεσμευμένο νερό, το οποίο συναντάται ως φυσικά προσροφημένο, η κρυσταλλικό νερό ή ως διάλυμα. Το νερό αυτό σε\n17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΞΗΡΑΝΣΗ δεδομένο στερεό, προσδιορίζεται ποσοτικά από την καμπύλη ισορροπίας υδρατμού-στερεού σε δοθείσα θερμοκρασία. Από τα δύο αυτά είδη υγρασίας, το πρώτο αποβάλλεται ευκολότερα, ακόμη και με ελεύθερη εξάτμιση, ενώ το δεύτερο δυσκολότερα και συνήθως απαιτεί θέρμανση. Η υγρασία εκφράζεται ποσοτικά, συνήθως επί ξηράς βάσεως (W) σε kg νερού ανά kg ξηρού στερεού και σπανιότερα επί υγρής βάσης (w) σε kg νερού ανά 100 kg νωπού στερεού (η γνωστή % κ. β. περιεκτικότητα) και συνδέονται με τη σχέση: W = w 1 w (2.1.) Η υγρασία των στερεών προσδιορίζεται πειραματικά με τις ακόλουθες 8 μεθόδους: Ξήρανση εντός κλιβάνου σε ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία 105 C. Ξήρανση στο κενό, συνήθως για ευαίσθητα στη θερμοκρασία προϊόντα. Αζεοτροπική απόσταξη του νερού με ανάμιξη του στερεού με τολουένιο. Ογκομετρικώς με το αντιδραστήριο του Fischer (διάλυμα ιωδίου σε πυριδίνη). Με ηλεκτρικές μετρήσεις, καθώς η περιεκτικότητα σε υγρασία επηρεάζει την ηλεκτρική αντίσταση και την διηλεκτρική σταθερά Πορεία ξήρανσης Η πορεία της ξήρανσης ενός στερεού δεν είναι δυνατό να προβλεφθεί πλήρως με βάση τις φυσικές ιδιότητες του στερεού και τα χαρακτηριστικά του χρησιμοποιούμενου συστήματος. Απαιτούνται πειραματικά δεδομένα από πρότυπους ρυθμιζόμενους ξηραντήρες, για το σχεδιασμό των βιομηχανικών ξηραντήρων. Συνήθως σε όλα τα υλικά, υγροσκοπικά και μη, παρατηρούνται δύο ρυθμοί ξήρανσης, ένας σταθερός αρχικά και ένας φθίνων στη συνέχεια. Στο Σχήμα 2.1., φαίνεται η καμπύλη ξήρανσης ενός στερεού και δείχνει τη μέση υγρασία W, συναρτήσει του χρόνου t.\n18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΞΗΡΑΝΣΗ Στο Σχήμα 2.2., η καμπύλη προκύπτει από το Σχήμα 2.1. με παραγώγιση και παριστά το ρυθμό ξήρανσης dw/dt, σε συνάρτηση με την περιεχόμενη υγρασία. Τα Σχήματα αυτά παριστούν μία συνήθη περίπτωση και διακρίνεται ο σταθερός και ο φθίνων ρυθμός, καθώς και η κρίσιμη υγρασία Wc στην οποία ο σταθερός ρυθμός μετατρέπεται σε φθίνοντα. Οι καμπύλες ξήρανσης μεταβάλλονται σημαντικά κατά περίπτωση, μέχρι ακόμη και του σημείου η ξήρανση να λαμβάνει χώρα μέσω μόνο του ενός ή μόνο του άλλου ρυθμού ξήρανσης. Η τελική τιμή της υγρασίας εξαρτάται από το χαρακτήρα του υλικού (υγροσκοπικό ή μη υγροσκοπικό), μπορεί να είναι μηδένή και μεγαλύτερη του μηδενός για τα υγροσκοπικά υλικά. Το υλικό φτάνει σε ισορροπία της περιεχόμενης υγρασίας του, όταν η τάση των υδρατμών του γίνει ίση με τη μερική πίεση των υδρατμών του περιβάλλοντα αέρα. 9 Σχήμα Υγρασία σε συνάρτηση με το χρόνο\n19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΞΗΡΑΝΣΗ 10 Σχήμα Ρυθμός ξήρανσης σε συνάρτηση με την παρεχόμενη υγρασία 2.7. Περίοδος σταθερού ρυθμού ξήρανσης Κατά την περίοδο του σταθερού ρυθμού ξήρανσης, η επιφάνεια του στερεού είναι κορεσμένη με νερό και η ξήρανση λαμβάνει χώρα με διάχυση του νερού στο γύρω χώρο. Κατά την περίοδο αυτή η υγρασία μεταφέρεται από το εσωτερικό προς την επιφάνεια του στερεού, ώστε αυτή να παραμένει συνεχώς κορεσμένη σε νερό. Η θερμότητα εξατμίσεως μεταδίδεται στη διεπιφάνεια στερεού-αέρος με μεταφορά εξ επαφής με ρεύμα αέρος, με αγωγή ή και με ακτινοβολία. Επειδή η μόνη πηγή ενέργειας είναι η θερμότητα του αέρα και η ολική ενθαλπία αυτού μένει σταθερή, η ξήρανση με σταθερό ρυθμό ξήρανσης λέγεται και αδιαβατική ξήρανση. Ο ρυθμός εξάτμισης του νερού ισούται με το ρυθμό μεταφοράς θερμότητας στην επιφάνεια του υλικού και ο ρυθμός ξήρανσης σε αυτήν την περίοδο εξαρτάται από τις σταθερές μεταφοράς θερμότητας και μάζας, από τη διαφορά θερμοκρασίας αέρα ξήρανσης και επιφάνειας εξατμίσεως (θερμοκρασία υγρού βολβού), από την επιφάνεια του υλικού και από τη διαφορά υγρασίας μεταξύ της υγρής επιφάνειας και του αέρα ξήρανσης. Τελικά κατά την περίοδο αυτή, ο ρυθμός ξήρανσης εξαρτάται από τις εξωτερικές και όχι τις εσωτερικές συνθήκες μεταφοράς υγρασίας. Οι συντελεστές μεταφοράς θερμότητας και μάζας εξαρτώνται από τις φυσικές ιδιότητες, την ταχύτητα του αέρα και τη γεωμετρία του ξηραντήρα.\n20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΞΗΡΑΝΣΗ 2.8. Περίοδος φθίνοντος ρυθμού ξήρανσης Κατά την περίοδο αυτή, η μεταφορά υγρασίας προς την επιφάνεια εξατμίσεως είναι βραδύτερη, λόγω της αυξανόμενης αντίστασης στη μεταφορά μάζας εντός του υλικού. Αυτό οφείλεται πιθανότατα, στο γεγονός ότι η υγρασία μεταφερόμενη με διάχυση εντός του υλικού, μεταφέρει και άλλες ουσίες (στα φρούτα ζάχαρα, μέταλλα), που αυξάνουν το ιξώδες, μειώνουν έτσι την τάση των υδρατμών στην επιφάνεια και επομένως και το ρυθμό ξήρανσης, καθώς επίσης και στην αυξανόμενη αντίσταση στη μεταφορά μάζας εντός του στερεού σώματος (συρίκνωση τριχοειδών κ.λπ.). Ο ρυθμός ξήρανσης εξαρτάται κυρίως από την υγρασία του στερεού (W) και τη θερμοκρασία του αέρα (Τ) και λιγότερο από την υγρασία και την ταχύτητα του αέρα Συμπεριφορά υλικών κατά την ξήρανση Τα υλικά κατηγοριοποιούνται σε δυο ομάδες με βάση τη συμπεριφορά τους στην ξήρανση. Κοκκώδη ή κρυσταλλικά υλικά, που συγκρατούν υγρασία στα διάκενα μεταξύ των σωματιδίων ή σε επιφανειακούς πόρους, αποτελούν την πρώτη ομάδα. Σε αυτά τα υλικά η κίνηση της υγρασίας δεν εμποδίζεται ιδιαίτερα και λαμβάνει χώρα ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης των βαρυτικών και των τριχοειδών δυνάμεων. Η περίοδος σταθερού ρυθμού συνεχίζεται για αρκετό χρονικό διάστημα έως ότου επιτευχθούν σχετικά χαμηλά ποσοστά υγρασίας. Αν και η περίοδος ελαττούμενου ρυθμού διακρίνεται στις δυο επιμέρους περιοχές που αναφέρθηκαν προηγουμένως, προσεγγιστικά μοιάζει με μια ευθεία γραμμή στο γράφημα του ρυθμού ξήρανσης με την υγρασία. Το στερεό υλικό, που είναι συνήθως ανόργανο, δεν επηρεάζεται ιδιαίτερα από την παρουσία του υγρού και γι αυτό μένει ανεπηρέαστο από την διεργασία της ξήρανσης. Ως αποτέλεσμα των παραπάνω, οι συνθήκες ξήρανσης μπορούν να επιλεγούν με βάση την τεχνική ευκολία, αλλά και βάσει οικονομικών κριτηρίων, απαιτώντας λίγο μόνο προβληματισμό όσον αφορά στις ιδιότητες των αποξηραμένων προϊόντων. Στην περίπτωση των ένυδρων ουσιών, οι συνθήκες ξήρανσης επηρεάζουν το προϊόν που λαμβάνεται, αλλά γενικά τα υλικά δεν\n21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΞΗΡΑΝΣΗ επηρεάζονται από τις συνθήκες ξήρανσης για μεγάλα εύρη θερμοκρασιών και υγρασιών. Παραδείγματα τέτοιων υλικών είναι η συνθλιμμένη πέτρα, το διοξείδιο του τιτανίου, οι καταλύτες, ο ένυδρος θειικός ψευδάργυρος, το φωσφορικό νάτριο κ.λπ. Για τα υλικά αυτά η υγρασία ισορροπίας είναι συνήθως πολύ κοντά στο μηδέν. Τα περισσότερα οργανικά στερεά είναι είτε άμορφα είτε ινώδη ή έχουν δομή παρόμοια με γέλη (gel) και αποτελούν τη δεύτερη ομάδα υλικών. Στα εν λόγω υλικά η υγρασία αποτελεί ένα απαραίτητο μέρος της δομής τους ή είναι παγιδευμένη μέσα σε ίνες ή πόρους. Η κίνηση της υγρασίας είναι αργή και πιθανότατα συμβαίνει με τη διάχυση του υγρού μέσα στη δομή του στερεού, με αποτέλεσμα οι καμπύλες ξήρανσης των υλικών αυτών να δείχνουν πολύ μικρές περιόδους σταθερού ρυθμού που καταλήγουν σε υψηλές τιμές κρίσιμης υγρασίας. Για τους ίδιους λόγους, η πρώτη περίοδος ελαττούμενου ρυθμού είναι αρκετά μειωμένη και στο μεγαλύτερο μέρος της διεργασίας ξήρανσης ο ρυθμός ξήρανσης ελέγχεται από το ρυθμό διάχυσης του υγρού μέσα από το στερεό. Η κυρίως ξήρανση εκτυλίσσεται στη δεύτερη περίοδο ελαττούμενου ρυθμού. Η υγρασία ισορροπίας είναι γενικά υψηλή, υποδηλώνοντας έτσι ότι μια σημαντική ποσότητα του νερού κατακρατείται τόσο σταθερά από τη δομή του στερεού ή σε μικροσκοπικούς πόρους του, που η τάση ατμών του εμφανίζεται αισθητά μειωμένη. Αφού το νερό που υπάρχει είναι ισχυρά συνδεδεμένο με τη δομή του υλικού, τέτοια υλικά επηρεάζονται έντονα από την αφαίρεση της υγρασίας. Τα επιφανειακά στρώματα τείνουν να ξηραίνονται πιο γρήγορα από τα εσωτερικά. Αν ο ρυθμός ξήρανσης είναι υψηλός, μπορεί να δημιουργήσει μεγάλες διαφορές στο ποσοστό υγρασίας μεταξύ της επιφάνειας και των εσωτερικών στρωμάτων του υλικού και να εμφανιστούν ρωγμές και αναδιπλώσεις στο υλικό. Σε άλλες περιπτώσεις μπορεί να σχηματιστεί εξωτερικά ένα σχετικά αδιαπέραστο αποξηραμένο κέλυφος (πέτσα/κρούστα), που εμποδίζει την περαιτέρω ξήρανση και επιτείνει την ανομοιομορφία στο ποσοστό υγρασίας μέσα στο υλικό, δημιουργώντας συνεπώς ευνοϊκές συνθήκες για την αλλοίωση του στερεού. Ένα σημαντικό φαινόμενο κατά την ξήρανση κάποιων υλικών είναι η συρρίκνωσή τους, καθώς το ποσοστό υγρασίας μειώνεται. Υπάρχουν ωστόσο 12\n22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΞΗΡΑΝΣΗ υλικά που διαφέρουν ως προς αυτήν την ιδιότητα. Σκληρά, πορώδη ή μη πορώδη στερεά δε συστέλλονται σημαντικά κατά την ξήρανση, αλλά κολλοειδή και ινώδη υλικά συρρικνώνονται σημαντικά, καθώς αφαιρείται υγρασία από αυτά. Το φαινόμενο της συρρίκνωσης έχει τρεις συνέπειες: Στην πρώτη, μεταβάλλεται η επιφάνεια του υλικού ανά μονάδα μάζας και έτσι σε πολλές περιπτώσεις η επιφάνεια δεν είναι πλέον γνωστή. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για υλικά όπως τα λαχανικά και τα τρόφιμα, στα οποία το φαινόμενο αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή του ποσοστού της επιφάνειας που είναι εκτεθειμένο στον αέρα. Η δεύτερη και πιο σημαντική συνέπεια είναι η ανάπτυξη μιας σκληρής στοιβάδας στην επιφάνεια, αδιαπέραστης από τη ροή της υγρασίας είτε ως υγρό είτε ως ατμός. Αυτό σημαίνει ότι η υγρασία δεν δύναται να κινηθεί εύκολα από το εσωτερικό του στερεού προς την επιφάνεια ή το σύνορο όπου λαμβάνει χώρα η ξήρανση. Αυτό ελαττώνει σημαντικά την ξήρανση. Η τρίτη συνέπεια συνίσταται στην αλλαγή της ολικής δομής, κάτι που συμβαίνει επί παραδείγματι στην ξήρανση του ξύλου. Σε υλικά τα οποία χαρακτηρίζονται από μεταβολή της ολικής τους δομής ή από δημιουργία σκληρής επιφανειακής στιβάδας είναι συνήθως επιθυμητή η διεξαγωγή της ξήρανσης με υγρό αέρα. Σε αυτήν την περίπτωση επιδιώκεται η ελάττωση της διαφοράς υγρασίας μεταξύ του αέρα και της επιφάνειας του στερεού, έτσι ώστε να ελαττωθεί ο ρυθμός ξήρανσης. Αυτό συχνά επιφέρει μια λιγότερο απότομη διαφορά υγρασίας από μέσα προς τα έξω, συμβάλλοντας στον περιορισμό της συρρίκνωσης του υλικού. Για παράδειγμα, οι ξηραντήρες ξύλου έχουν την ικανότητα να υγραίνουν τον αέρα κατά τη διάρκεια των αρχικών σταδίων της ξήρανσης, ώστε να μην υπάρχει ούτε μεγάλη θερμοκρασιακή διαφορά ούτε μεγάλη διαφορά υγρασίας μεταξύ του υλικού και του αέρα. Έτσι ο ρυθμός ξήρανσης ελαττώνεται σε σημείο που το υλικό διατηρεί μια σημαντική σταθερότητα διαστάσεων. Εξαιτίας αυτών των φαινομένων οι συνθήκες κάτω από τις οποίες γίνεται η ξήρανση είναι κρίσιμες και πρέπει να επιλεγούν με πρωταρχικό στόχο την ποιότητα του υλικού και δευτερευόντως λαμβάνοντας υπόψη την ευκολία της διεργασίας, όσο και κάποια οικονομικά κριτήρια. Παραδείγματα τέτοιων υλικών 13\n23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο : ΞΗΡΑΝΣΗ είναι τα αυγά, τα απορρυπαντικά, οι κόλλες, τα δημητριακά, το άμυλο, το αίμα ζώων και τα εκχυλίσματα καφέ και σόγιας Παράγοντες που επηρεάζουν την ξήρανση Η ξήρανση εξαρτάται από: Τη θερμοκρασία, την υγρασία και την ποσότητα του αέρα που χρησιμοποιείται. Το μέγεθος των προϊόντων που ξηραίνονται. Τη φυσική δομή και τη σύνθεσή τους. Τον τρόπο της κυκλοφορίας του αέρα στον ξηραντήρα. Η γνώση της επίδρασης των συνθηκών αυτών οδηγεί στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων σχεδιασμού του ξηραντηρίου που σχετίζονται άμεσα με το μέγεθος των ενεργειακών απαιτήσεων και την εξοικονόμηση ενέργειας κατά τη λειτουργία. Μία ανάλυση των ενεργειακών απαιτήσεων της διεργασίας της ξήρανσης πρέπει να λαμβάνει οπωσδήποτε υπόψη τον τρόπο με τον οποίο διεξάγονται οι διεργασίες της εναλλαγής μάζας και θερμότητας προϋποθέτοντας τη γνώση των καμπύλων ξήρανσης για τα συγκεκριμένα προϊόντα. 14\n24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 0 ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ 3.1. Εισαγωγή Μια μεγάλη ποικιλία μηχανημάτων έχει αναπτυχθεί όλα αυτά τα χρόνια, βασισμένη κυρίως στη βιομηχανική εμπειρία. Συχνά υπάρχουν ξηραντήρες διαφορετικής κατασκευής που χρησιμοποιούνται για παρόμοιες διεργασίες, γιατί είναι συνηθισμένο σ ένα τομέα της βιομηχανίας να χρησιμοποιείται ένας τύπος και σ έναν άλλο τομέα ένας άλλος τύπος, που μπορεί να είναι τελείως διαφορετικός, για τον ίδιο σκοπό. Μια κατηγοριοποίηση ξηραντήρων, που βασίζεται στον χειρισμό του υλικού κατά την ξήρανση απεικονίζεται στον παρακάτω πίνακα Ξηραντήρες θαλάμου Αυτός ο ξηραντήρας είναι ασυνεχούς λειτουργίας. Αποτελείται από μονωμένο θάλαμο μεγάλου μεγέθους, για να μπορεί να χωράει μεγάλες παρτίδες ανά κύκλο Ατμοσφαιρικοί ξηραντήρες θαλάμου Αυτοί οι ξηραντήρες λειτουργούν κάτω από ατμοσφαιρικές συνθήκες ή κενό. Η θέρμανση στους ατμοσφαιρικούς ξηραντήρες γίνεται με κυκλοφορία ενός αερίου μέσα στον ξηραντήρα, όπως προθερμασμένος αέρας ή θερμά καύσιμα αέρια. Το αέριο ξήρανσης εισέρχεται στον ξηραντήρα με την όσο το δυνατόν πιο υψηλή θερμοκρασία που η σταθερότητα του υλικού μπορεί να επιτρέψει. Η χρήση της όσο το δυνατόν πιο υψηλής θερμοκρασίας προτείνεται, επειδή η ικανότητα μεταφοράς υγρασίας του αερίου και ο ρυθμός ξήρανσης του υλικού αυξάνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας.\n25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ Πίνακας Τύποι Ξηραντηρίων Τύποι Υλικών Υλικά σε μορφή φύλλων ή υλικά μεταφερόμενα με μεταφορική ταινία ή δίσκους Κοκκώδη υλικά Υλικά σε συνεχή φύλλα Πάστες και υλικά μεγάλου ιξώδους Υλικά σε διάλυμα Ειδικά υλικά Ξηραντήρες Α. Ασυνεχούς λειτουργίας (batch) Ατμόσφαιρας (atmospheric) Κενού (vacuum) Β. Συνεχούς λειτουργίας (continuous) Γ. Σήραγγας (tunnel) Α. Περιστροφικοί (Rotary) Τυπικοί (standard) Roto-Louvre B. Τουρμπίνας (Turbo) Γ. Μεταφορικής Ταινίας (conveyor) Δ. Φίλτρου (filter) Α. Κυλινδρικοί (Cylinder) B. Festoon Α. Ανάμιξης (Agitator) Ατμόσφαιρας (atmospheric) Κενού (vacuum) Α. Τυμπάνων (Drum) Ατμόσφαιρας (atmospheric) Κενού (vacuum) Β. Εκνέφωσης (Spray) Α. Υπέρυθρης ακτινοβολίας Β. Διηλεκτρική θέρμανση Γ. Λυοφιλίωση 16 Το υλικό που θα ξηρανθεί, τοποθετείται με οποιοδήποτε τρόπο, όπως π.χ. με άπλωμα του υλικού και υποστήριξή του πάνω σε ράφια ή κρεμασμένο από κατάλληλες κρεμάστρες ή τοποθετημένο το ένα πάνω στο άλλο σε σωρό. Οι λεπτομέρειες της κατασκευής αντικατοπτρίζουν την ευκολία στο χειρισμό και την μετέπειτα ξήρανση του υλικού. Για παράδειγμα, οι δίσκοι (ράφια) θα πρέπει να έχουν μια απόσταση μεταξύ τους, έτσι ώστε ο θερμός αέρας ξήρανσης να μπορεί να κυκλοφορεί\n26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ ανάμεσα και πάνω από κάθε δίσκο με δεδομένη ταχύτητα, χρησιμοποιώντας, αν είναι απαραίτητο, ανακλαστήρες για ομοιομορφία κατανομής του μέσα στο ξηραντήριο. Αν χρησιμοποιώντας μια μόνο διαδρομή του αερίου (single-passflow), η ταχύτητα του αέρα δεν είναι μεγάλη, τότε η χρήση πολλαπλών διαδρομών (multiple-passflow) είναι προτιμότερη. Έχοντας τη θερμοκρασία εισόδου γνωστή καθώς και την υγρασία εισόδου και εξόδου του αέρα, η παροχή του αέρα καθορίζεται από τον επιθυμητό ρυθμό της ξήρανσης, βασισμένη στην περίοδο σταθερού ρυθμού. Εφόσον η ταχύτητα του αέρα επηρεάζει το ρυθμό ξήρανσης μόνο κατά τη διάρκεια του σταθερού ρυθμού και της πρώτης φάσης του ελαττούμενου ρυθμού (το ίδιο συμβαίνει και με την υγρασία του αέρα) και εφόσον η ικανότητα μεταφοράς υγρασίας του αέρα αξιοποιείται πλήρως μόνο κατά τη διάρκεια του σταθερού ρυθμού, είναι επιθυμητό να μεταβάλλονται οι συνθήκες της ξήρανσης κατά τη δεύτερη φάση της περιόδου του ελαττούμενου ρυθμού. 17 Σχήμα Ατμοσφαιρικοί ξηραντήρες θαλάμου Τα χαρακτηριστικά απόδοσης αυτών των ξηραντήρων μπορούν να μελετηθούν υποθέτοντας ότι ο ξηραντήρας λειτουργεί αδιαβατικά. Δυο σημαντικές προϋποθέσεις ισχύουν ήδη για να είναι η υπόθεση πιο αληθινή : ο ξηραντήρας είναι ασυνεχούς λειτουργίας και είναι μονωμένος. Με την υπόθεση\n27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ αυτή, η θερμοκρασία του υλικού κατά την περίοδο σταθερού ρυθμού θα είναι ίδια με τη θερμοκρασία υγρού βολβού του εισερχόμενου αέρα. Αυτοί οι ξηραντήρες ειδικά χρησιμοποιούνται για μικρές παρτίδες ή για ξήρανση υλικών που πρέπει να ξηρανθούν αργά και έτσι ο χρόνος ξήρανσης θα είναι μεγάλος. Ο ξηραντήρας πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο εργονομικός, δηλαδή να μπορεί να λειτουργεί κάτω από συνθήκες όσο το δυνατόν μεγαλύτερου ρυθμού ξήρανσης. Όταν το υλικό τοποθετείται στα ράφια, ανάλογα και με τη φύση του υλικού, η ξήρανση λαμβάνει χώρα και από τις δυο μεριές των ραφιών ή καλύτερα και ενδιάμεσα, αλλά αυτό αναφέρεται παρακάτω. 18 Σχήμα Αδιαβατική λειτουργία ατμοσφαιρικού ξηραντήρα θαλάμου με και χωρίς ενδιάμεση θέρμανση\n28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ Ξηραντήρες θαλάμου κενού Η ξήρανση υπό κενό χρησιμοποιείται κυρίως για την προστασία του υλικού από αυξημένες θερμοκρασίες και οξειδώσεις. Επίσης χρησιμοποιείται για λόγους ευκολίας, όπως για παράδειγμα στην ανάληψη μιας οργανικής ουσίας από εκχυλισμένο στερεό. Αν σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιηθεί αέρας ως μέσο ξήρανσης, η παροχή αέρα θα δώσει ένα μίγμα αέρα-διαλύτη, που μπορεί να είναι εκρηκτικό και ενώ ο διαλύτης σε μερικές περιπτώσεις μπορεί να αναληφθεί εύκολα, σε άλλες δεν είναι και τόσο πρακτικό. Όταν χρησιμοποιείται κενό, ένα σημαντικό μέρος του συστήματος είναι ο συμπυκνωτής, που βρίσκεται μεταξύ του ξηραντήρα και της αντλίας κενού. Ο κύριος όγκος του διαλύτη συλλέγεται στο συμπυκνωτή. Μια ποσότητα διαλύτη χάνεται στην αντλία κενού, γιατί τα μησυμπυκνούμενα αέρια που εξέρχονται είναι κορεσμένα με το διαλύτη. 19 Εικόνα Ξηραντήρας Θαλάμου κενού Για να υπάρχουν λίγες απώλειες σε αυτό το σημείο, το νερό ψύξης του συμπυκνωτή θα πρέπει να είναι στη χαμηλότερη πρακτικά θερμοκρασία. Αν είναι αναγκαίο, η περίσσεια του διαλύτη στα μη-συμπυκνούμενα αέρια συλλέγεται με κατάλληλο προσροφητικό μέσο. Στην ξήρανση κενού χρησιμοποιείται έμμεση θέρμανση. Σε ξηραντήρες κενού με ράφια, οι δίσκοι του υλικού τοποθετούνται σε επίπεδα ράφια, διαμέσου των οποίων κυκλοφορεί το μέσο ξήρανσης, όπως ατμός ή θερμό νερό.\n29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ Οι περιστροφικοί ξηραντήρες κενού είναι εφοδιασμένοι με διπλότοιχο σύστημα και το προς ξήρανση υλικό έρχεται σε επαφή με τις θερμές επιφάνειες που αποξέονται συνεχώς. Η απόξυση διατηρεί τις θερμές επιφάνειες καθαρές και το υλικό σε συνεχή ανάμιξη, έτσι οι ρυθμοί ξήρανσης είναι σαφώς υψηλότεροι από αυτούς που θα είχαμε αν ξηραίναμε το υλικό σε ράφια. Εφόσον η απόξυση συνήθως παράγει σκόνη που μπορεί να δημιουργήσει απόφραξη (fouling) στο συμπυκνωτή ή στην αντλία κενού, μετά τον ξηραντήρα συνήθως υπάρχει σύστημα για τη συλλογή της σκόνης. Κατά τη περίοδο σταθερού ρυθμού, το υγρό βράζει στο σημείο βρασμού, που αντιστοιχεί στο κενό που επικρατεί στον ξηραντήρα. Πολύ θερμοευαίσθηταυλικά, όπως η πενικιλίνη και ο ορός του αίματος ξηραίνονται σε χαμηλές θερμοκρασίες (ψύξης) και απαιτούν τη διατήρηση πολύ υψηλού κενού. Αυτή η διεργασία ονομάζεται λυοφιλίωση (freeze - drying) Ξηραντήρες σήραγγας Οι ξηραντήρες αυτοί έχουν σχεδιαστεί για ξήρανση υπό συνεχή λειτουργία μεγάλων ποσοτήτων υλικού, που σε μικρές ποσότητες αντιμετωπίζονταν σε ατμοσφαιρικούς ξηραντήρες θαλάμου. Για παράδειγμα, για τη μετατροπή από ξήρανση θαλάμου με ράφια σε ξήρανση σήραγγας, τα ράφια φορτώνονται σε καροτσάκια και καθώς ένα καροτσάκι εισέρχεται στη σήραγγα κάποιο άλλο εξέρχεται στο αντίθετο άκρο. Εικόνα Ξηραντήρας σύραγγας\n30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ Ο ξηραντήρας σήραγγας, μπορεί να διαιρεθεί σε τμήματα για την εφαρμογή διαφόρων συνθηκών ξήρανσης. Το μήκος της σήραγγας εξαρτάται από το χρόνο παραμονής του υλικού στον ξηραντήρα, δηλαδή από το ρυθμό ξήρανσης και την ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει το υλικό στον ξηραντήρα Η ξήρανση σήραγγας είναι φτωχό υποκατάστατο της ξήρανσης θαλάμου με ράφια, αφού τα εργατικά είναι το ίδιο υψηλά για το φόρτωμα και ξεφόρτωμα των καροτσιών. Το κύριο πλεονέκτημα της χρησιμοποίησης ενός ξηραντήρα σήραγγας είναι η αντιρροή του αέρα ξήρανσης στα ράφια. Υπάρχουν πιο πρακτικοί τρόποι για τον χειρισμό υγρών μικρομερών στερεών σε συνεχή λειτουργία, όπως ο ξηραντήρας ενδιάμεσης κυκλοφορίας με μεταφορική ταινία, ο ξηραντήρας τουρμπίνας ή ο περιστροφικός ξηραντήρας. Αυτοί οι ξηραντήρες θα αναφερθούν παρακάτω. Ο ξηραντήρας σήραγγας είναι προτιμότερος για ξήρανση, σε συνεχή λειτουργία υλικών όπως η ξυλεία, τούβλα, κεραμικά, δέρματα και υγρές κλωστές. Είναι η καλύτερη μέθοδος για ξήρανση υπέρυθρης ακτινοβολίας και «ψησίματος» βαμμένων ή λακαρισμένων επιφανειών. Η υπέρυθρη ακτινοβολία γενικά αναφέρεται στο τμήμα του φάσματος πάνω από το ορατό κόκκινο, δηλαδή, πάνω από 0,7 μm μήκος κύματος. Ο ρυθμός με τον οποίο μια επιφάνεια δέχεται την ακτινοβολία εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά απορρόφησης. Το φάσμα απορρόφησης της επιφάνειας, δείχνει τα μήκη κύματος στα οποία η επιφάνεια απορροφά. Έτσι, η ακτινοβολία από μια πηγή υψηλής θερμοκρασίας προς μια ψυχρή επιφάνεια πρέπει να αποτελείται κυρίως από κύματα σε μήκη που η ψυχρή επιφάνεια μπορεί να απορροφήσει. Η κατανομή των μηκών κύματος καθορίζεται από τη θερμοκρασία της επιφάνειας, ενώ η ισχύς εκπομπής από την επιφάνεια καθορίζεται και από τη θερμοκρασία και από τον βαθμό μελανότητας της επιφάνειας. Η ακτινοβολία είναι η πηγή της θέρμανσης στη ξήρανση υπερύθρων και ένα αέριο, όπως ο αέρας, χρησιμοποιείται απλά για τη μεταφορά των υδρατμών έξω από τον ξηραντήρα. Στην ξήρανση αέρα, ο αέρας είναι η πηγή της 21\n31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ θερμότητας και οι ακτινοβολούσες επιφάνειες θερμαίνονται από τον αέρα ξήρανσης. Εξάτμιση στην ξήρανση αέρα συμβαίνει πάντα στη θερμοκρασία υγρού βολβού του αέρα που είναι μικρότερη από τη θερμοκρασία του εισερχόμενου αέρα. Στην ξήρανση υπερύθρων, από την άλλη μεριά, εξάτμιση μπορεί να συμβεί σε θερμοκρασία υψηλότερη από τη θερμοκρασία του εισερχόμενου αέρα. Όταν συμβαίνει αυτό, σημαίνει ότι η θερμότητα μεταδίδεται με ακτινοβολία στο υλικό που ξηραίνεται και από το υλικό επιστρέφει στον αέρα ως αισθητή θερμότητα που απομακρύνεται με συναγωγή και ως λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης, οπότε ο αέρας εξέρχεται από τον ξηραντήρα θερμός. Έτσι η θερμοκρασία της ξήρανσης του υλικού είναι καθορισμένη από τη κατάσταση της δυναμικής ισορροπίας μεταξύ της θερμορροής προς το υλικό και της θερμορροής από το υλικό προς τον αέρα. Όταν η ταχύτητα του αέρα αυξηθεί, η θερμοκρασία του υλικού θα μειωθεί οπότε και τραβάει λίγο περισσότερη θερμότητα από ακτινοβολία, αλλά το συνολικό αποτέλεσμα της αύξησης της ταχύτητας του αέρα συνήθως επιφέρει μείωση στο ρυθμό ξήρανσης. Ενώ στη ξήρανση με αέρα οι υψηλές ταχύτητες του αέρα είναι πλεονεκτικότερες, στη ξήρανση υπερύθρων συμβαίνει το αντίθετο. Η θερμοκρασία στην οποία θα έχουμε ξήρανση με υπέρυθρες παρουσία κάποιου αερίου και αν αυτή θα είναι χαμηλότερη, υψηλότερη ή ίση με τη θερμοκρασία του αερίου, εξαρτάται από τη θερμοκρασία του αερίου και την υπέρυθρη ακτινοβολία. Εξαρτάται δηλαδή από το πόσο γρήγορα η θερμότητα (που είναι διαθέσιμη και από τις δύο πηγές), ως αισθητή θερμότητα από το αέριο και ως θερμότητα ακτινοβολίας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη ξήρανση. Αν ο ρυθμός μετάδοσης θερμότητας με ακτινοβολία είναι γρηγορότερος από το ρυθμό που μπορεί να αξιοποιηθεί στη ξήρανση τότε η θερμοκρασία του υλικού θα αυξηθεί μέχρι να έρθει ισορροπία και η ισορροπία μπορεί να επέλθει σε υψηλότερη θερμοκρασία από τη θερμοκρασία του αερίου. Όταν συμβεί αυτό, το αέριο αντί να μεταδίδει θερμότητα στη ξήρανση, λαμβάνει θερμότητα το ίδιο και εξέρχεται από τον ξηραντήρα σε υψηλότερη θερμοκρασία από τη θερμοκρασία εισόδου του. Όταν η περίοδος σταθερού ρυθμού τελειώσει, η 22\n32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ θερμοκρασία του υλικού αρχίζει και ανεβαίνει και τελικά σταθεροποιείται όταν ξηραθεί τελείως, σε ένα σημείο μεταξύ της θερμοκρασίας του αερίου και της θερμοκρασίας της ακτινοβολίας. Με τις δυο θερμοκρασίες (θερμοκρασία εισερχόμενου αερίου και θερμοκρασία ακτινοβολίας) να είναι καθορισμένες, η θερμοκρασία σταθεροποίησης θα ελέγχεται από τη ταχύτητα του αερίου (θα μειώνεται όταν αυξάνει η ταχύτητα Ξηραντήρες ενδιάμεσης κυκλοφορίας Αυτοί οι ξηραντήρες χρησιμοποιούνται για τη ξήρανση κοκκωδών υλικών. Ο αέρας ξήρανσης διέρχεται μέσα από τη κλίνη και γύρω από τα σωματίδια του προς ξήρανση υλικού. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνονται μεγαλύτεροι ρυθμοί ξήρανσης ανά κιλό υλικού σε σχέση με την ξήρανση δίσκων σε παρόμοιες συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας του αέρα. Αυτός ο τύπος ξηραντήρα χρησιμοποιείται για ξήρανση κοκκωδών υλικών που σχηματίζουν κλίνη υψηλής σχετικά διαπερατότητας από τον αέρα. Αν το υλικό κινείται ελεύθερα, τότε ο ξηραντήρας λειτουργεί με την αρχή της κινούμενης κλίνης, δηλαδή το υλικό εισέρχεται από την κορυφή ενός πύργου και κινείται με την βαρύτητα, ενώ ο αέρας ξήρανσης περνά από μέσα προς την αντίθετη κατεύθυνση. Ο αέρας ξήρανσης μπορεί να κινείται και κατά πλάτος της κινούμενης κλίνης. Υλικά που μπορούν και κινούνται ελεύθερα μπορούν να ξηρανθούν με την αρχή της ρευστοποιημένης στοιβάδας, με τον αέρα ξήρανσης να παίζει το ρόλο του ρευστοποιητικού μέσου. Σε άλλη περίπτωση το υλικό μπορεί να μην κινείται ελεύθερα, αλλά μπορεί να ξηρανθεί σε συνεχή λειτουργία με κατάλληλο άπλωμα του πάνω σε κινούμενη μεταφορική ταινία. Ένας τέτοιος ξηραντήρας απεικονίζεται στο Σχήμα 3.3. Μερικά υλικά δεν μπορούν να ξηραθούν σε τέτοιο τύπο ξηραντήρα λόγω της μικρής διαπερατότητας τους. Μπορούν όμως να τροποποιηθούν σε συσσωματώματα κατάλληλου μεγέθους και σχήματος για να δημιουργήσουν στοιβάδες υψηλής διαπερατότητας. Συνήθεις μέθοδοι τροποποίησης είναι η\n33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ εξώθηση, η ταμπλετοποίηση και η πελλετοποίηση. Για την καλύτερη τροποποίηση, τα υλικά πρέπει να έχουν το σωστό ποσοστό υγρασίας και να έχουν αρκετή πλαστικότητα ώστε να κρατούν το σχήμα τους. Αν το υλικό έχει πολύ υγρασία για την τροποποίηση, μπορεί να αναμιχθεί με κάποιο ποσοστό από το ξηρό προϊόν. Σε αυτές τις διεργασίες τροποποίησης, συμπίεση ή θρυμματισμός των σωματιδίων θα πρέπει να αποφευχθεί, αφού τα συμπιεσμένα συσσωματώματα ξηραίνονται πιο αργά. Έτσι για δεδομένες συνθήκες ξήρανσης, ο ρυθμός ξήρανσης επηρεάζεται από τη μέθοδο της τροποποίησης, όπως επίσης και από το μέγεθος και σχήμα των συσσωματωμάτων. 24 Σχήμα Ξηραντήρας ενδιάμεσης κυκλοφορίας 3.5. Ξηραντήρες τουρμπίνας Η γενική κατασκευή ενός τέτοιου τύπου ξηραντήρα απεικονίζεται στο Σχήμα 3.4. Αποτελείται από δακτυλιοειδή ράφια που είναι τοποθετημένα κάθετα το ένα πάνω στο άλλο με την κατάλληλη απόσταση μεταξύ τους. Κάθε ράφι αποτελείται από τμήματα με κενά μεταξύ τους. Ο κεντρικός άξονας φέρει ανεμιστήρες τύπου τουρμπίνας, που εισάγουν ακτινικά τον αέρα ξήρανσης στον ξηραντήρα. Θερμαντικά στοιχεία είναι τοποθετημένα γύρω από τα ράφια. Όλο το σύστημα - ράφια, ανεμιστήρες και θερμαντικά στοιχεία είναι κλεισμένο σε κυλινδρικό ή εξαγωνικό κέλυφος. Υπάρχουν πόρτες για πρόσβαση στο εσωτερικό του ξηραντήρα.\n34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ Το σύστημα περιστρέφεται με ταχύτητες από 0,1 ως 1,0 rpm. Οι ανεμιστήρες κυκλοφορούν τον αέρα με ταχύτητες από 0,8 ως 3,0 m/s. Ο φρέσκος αέρας εισέρχεται στη βάση του ξηραντήρα, κυκλοφορεί μέσα στο ξηραντήρα, όπως δείχνουν τα βέλη και εξέρχεται από την κορυφή. 25 Σχήμα Ξηραντήρας τουρμπίνας Το προς ξήρανση υλικό τροφοδοτείται στο άνω ράφι. Ένας σταθερός βραχίονας πατάει και φέρνει στο ίδιο επίπεδο όλο το υλικό που εισέρχεται σε κάθε τμήμα του ραφιού. Καθώς το ράφι περιστρέφεται περνάει τελικά από ένα άλλο σταθερό βραχίονα, ο οποίος αποξύνει το υλικό και το αναγκάζει μέσα από μια οπή να πέσει στο αμέσως κάτω ράφι. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται και το υλικό κατέρχεται διαδοχικά από ράφι σε ράφι. Τα ράφια έχουν απόσταση μεταξύ τους έτσι ώστε το υλικό να μην βρίσκεται σε επαφή και με τα δύο ράφια καθώς κατέρχεται μέσω του κενού.\n35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ Καθώς το υλικό κατέρχεται από ράφι σε ράφι, πάντα μια φρέσκια επιφάνεια εκτίθεται στον αέρα ξήρανσης, με αποτέλεσμα ο ρυθμός ξήρανσης να είναι αυξημένος, σε σχέση με την απλή ξήρανση δίσκων και το προϊόν να είναι ομοιόμορφα ξηραμένο. Το τελικό προϊόν εξέρχεται από το κάτω ράφι πάνω σε μεταφορική ταινία και απομακρύνεται. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό αυτού του ξηραντήρα είναι ότι έχει καλή δυναμικότητα ξήρανσης, λαμβάνοντας υπόψη ότι καταλαμβάνει μικρό χώρο. Αυτοί οι τύποι ξηραντήρων μπορούν να ξηράνουν υλικά με μεγάλο εύρος υγρασιών Περιστροφικοί ξηραντήρες Αυτοί οι ξηραντήρες αποτελούνται από περιστροφικό κυλινδρικό κέλυφος. Ο άξονας του κελύφους σχηματίζει μικρή γωνία με το οριζόντιο επίπεδο. Το προς ξήρανση υλικό τροφοδοτείται στο άνω μέρος και κινείται προς τα εμπρός καθώς το κέλυφος περιστρέφεται. Σχήμα Περιστροφικός ξηραντήρας με θέρμανση με απευθείας επαφή, διακρίνονται τρία είδη πτερυγίων στο εσωτερικό του Η θέρμανση μπορεί να γίνει με απ ευθείας επαφή του στερεού με θερμό αέρα ή με θερμά καύσιμα αέρια. Επίσης μπορεί να γίνει με έμμεση επαφή μέσω θερμαινόμενων επιφανειών. Η μέθοδος της απευθείας επαφής είναι πιο συνηθισμένη αλλά όταν η επαφή με τον θερμό αέρα ή με τα θερμά καύσιμα αέρια δεν είναι επιθυμητή\n36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ χρησιμοποιείται η άλλη μέθοδος. Ανεξάρτητα από τη μέθοδο θέρμανσης, οι ατμοί πρέπει να εξέρχονται από τον ξηραντήρα και αυτό γίνεται στις πλείστες περιπτώσεις με τη βοήθεια ρεύματος αέρα που περνά μέσω του ξηραντήρα. Αυτοί οι ξηραντήρες χρησιμοποιούνται πιο πολύ για κοκκώδη υλικά που κινούνται ελεύθερα Θέρμανση με απευθείας επαφή Ένας τέτοιος τύπος απεικονίζεται στο Σχήμα 3.6. Το προς ξήρανσης υλικό τροφοδοτείται με κατάλληλη διάταξη και μεταφέρεται μέσα στον ξηραντήρα με τη βοήθεια της περιστροφικής κίνησης του κελύφους και της ανυψωτικής δράσης των πτερυγίων. Τα σωματίδια τείνουν να κινηθούν μπροστά, λόγω της κεκλιμένης θέσης του κελύφους και η περιστροφική κίνηση εμποδίζει τη συσσώρευση των σωματιδίων. Τα σωματίδια διανύουν επίσης μια ορισμένη απόσταση προς τα εμπρός καθώς ανυψώνονται και πέφτουν. 27 Σχήμα Συγκράτηση υλικού (holdup) σε περιστροφικό ξηραντήρα Αυτή η κίνηση εμποδίζεται από το αέριο ξήρανσης όταν έχουμε αντιρροή και υποβοηθάται όταν έχουμε ομορροή. Τα σωματίδια κινούνται μέσω του περιστροφικού ξηραντήρα με διαφορετικές ταχύτητες, γεγονός που λαμβάνεται υπόψη όταν το προς ξήρανση υλικό είναι θερμοευαίσθητο. Ο μέσος χρόνος παραμονής του υλικού στον ξηραντήρα είναι μια συνάρτηση διαφόρων μεταβλητών, όπως το μήκος, η διάμετρος, η κλίση και η ταχύτητα του κελύφους, ο εσωτερικός σχεδιασμός του\n37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ κελύφους, όπως το σχήμα, ο αριθμός και η κατανομή των πτερυγίων, η ταχύτητα του αερίου ξήρανσης και τελικά οι ιδιότητες (μέγεθος και κατανομή μεγέθους, πυκνότητα και σχήμα σωματιδίων) και τα χαρακτηριστικά ελεύθερης κίνησης του υλικού. Ο ρυθμός τροφοδοσίας, φαινομενικά, δεν έχει σημαντική επίδραση στον μέσο χρόνο παραμονής, μέχρι την υπερφόρτωση (πλημμύριση) του ξηραντήρα με υλικό (flooding ή over loading point). Αυτό το σημείο είναι ο ρυθμός της τροφοδοσίας πάνω από την οποίο, τα σωματίδια καθώς στοιβάζονται μεταξύ των πτερυγίων, ένα στρώμα τους περισσεύει και πάνω από τα πτερύγια, με αποτέλεσμα τα σωματίδια στο περίσσιο στρώμα να κυλούν γρηγορότερα προς τα εμπρός από τα υπόλοιπα. Όταν ο ξηραντήρας είναι υπερφορτωμένος πολλά σωματίδια εξέρχονται χωρίς να έχουν εκτεθεί στα αέρια ξήρανσης αρκετά ώστε να ξηραθούν καλά και το προϊόν έχει ανομοιόμορφη υγρασία. Ο ξηραντήρας είναι καταρχήν μια μονάδα μετάδοσης θερμότητας. Στους περιστροφικούς ξηραντήρες με απ ευθείας θέρμανση, η θέρμανση γίνεται με το αέριο ξήρανσης και η επαφή επιτυγχάνεται μεταξύ του αερίου και των στερεών σωματιδίων επειδή τα σωματίδια ανυψώνονται και πέφτοντας διασπείρονται μέσα στο αέριο. Η μετάδοση θερμότητας γίνεται κυρίως με συναγωγή και ο ρυθμός εξαρτάται από τη ταχύτητα του αερίου ξήρανσης και το πόσο καλή είναι η επαφή μεταξύ του αερίου και των στερεών σωματιδίων. Η καλή επαφή είναι κυρίως θέμα σχεδιασμού και κατανομής των εσωτερικών πτερυγίων, καθώς και του ρυθμού τροφοδοσίας του υλικού. Μετρήσεις θερμοκρασίας στο υλικό, καθώς κινείται κατά μήκος του ξηραντήρα, έχουν υποδείξει τρεις διαφορετικές περιοχές στον ξηραντήρα. Η πρώτη που είναι η περιοχή πλησιέστερα στο τέλος του τμήματος της τροφοδοσίας, όπου το υγρό υλικό, αν τροφοδοτείται κρύο, θερμαίνεται στη θερμοκρασία υγρού βολβού του. Στην ενδιάμεση περιοχή (δεύτερη), όπου η εξάτμιση λαμβάνει χώρα σε σταθερή θερμοκρασία και σταθερό ρυθμό και στην τρίτη περιοχή, που είναι το τμήμα πλησιέστερα στην έξοδο, όπου η ξήρανση λαμβάνει χώρα σε μειωμένους ρυθμούς και η θερμοκρασία αυξάνει. Αυτές οι τρεις περίοδοι ξήρανσης παρατηρούνται, επειδή το υλικό πέφτει σε μορφή 28\n38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ στερεάς κουρτίνας, με το αέριο ξήρανσης να κινείται κυρίως μέσω του ελεύθερου διαστήματος μεταξύ των κουρτινών. Όπως και στην τυπική ξήρανση μιας πλάκας, το πάχος και η πυκνότητα των κουρτινών αυτών προσδιορίζουν το ρυθμό της ξήρανσης. Ωστόσο, στους περιστροφικούς ξηραντήρες τα σωματίδια συνεχώς αναμιγνύονται και με τη δημιουργία νέων κουρτινών φρέσκα σωματίδια εκτίθενται στο αέριο ξήρανσης. Αν η υγρασία εντοπίζεται μόνο στην επιφάνεια, όπως στην περίπτωση των κρυστάλλων, καθώς τα σωματίδια αναμειγνύονται η υγρασία μεταφέρεται με επαφή από τα πολύ υγρά σωματίδια στα μερικώς αποξηραμένα. 29 Σχήμα Περιστροφικός ξηραντήρας με θέρμανση χωρίς απ ευθείας επαφή Σε ξηραντήρες αυτού του τύπου, τα σωματίδια θερμαίνονται με αγωγή από επαναλαμβανόμενη επαφή με θερμές επιφάνειες και με ακτινοβολία που παίζει ένα σημαντικό ρόλο. Ρεύμα αέρα περνά μέσα από τον ξηραντήρα στο θάλαμο των υλικών με σκοπό την απομάκρυνση των παραγόμενων υδρατμών. Το πρόβλημα της θέρμανσης ενός υλικού με ακτινοβολία που βρίσκεται σε επαφή με το ρεύμα αέρα, έχει ήδη αναλυθεί και η ανάλυση αυτή ισχύει και γι αυτού του τύπου τους ξηραντήρες. Στο Σχήμα 3.7. απεικονίζεται περιστροφικός ξηραντήρας με θέρμανση χωρίς απευθείας επαφή. Σύμφωνα με την κοινή πρακτική, ο ξηραντήρας απεικονίζεται να θερμαίνεται με θερμά καύσιμα αέρια. Όπως και στον προηγούμενο τύπο, έτσι και εδώ το υλικό μεταφέρεται μέσω του ξηραντήρα με\n39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ την περιστροφική κίνηση του κελύφους και την ανυψωτική δράση των πτερυγίων Ξηραντήρες τυμπάνων Ο ξηραντήρας τυμπάνων αποτελείται από εσωτερικά θερμαινόμενα περιστροφικά τύμπανα. Η ξήρανση λαμβάνει χώρα στην εξωτερική επιφάνεια του τυμπάνου. Το υλικό καθώς ξηραίνεται είναι στη μορφή λεπτού στρώματος απλωμένου ομοιόμορφα και με όμοιο πάχος στην επιφάνεια του τυμπάνου. Έτσι αυτός ο τύπος ξηραντήρων είναι καταλληλότερος για πολτούς ή πάστες στερεών σε λεπτοαιώρηση και αληθινών διαλυμάτων. Στη περίπτωση των διαλυμάτων, το τύμπανο συνδυάζει τη λειτουργία συμπυκνωτή και ξηραντήρα μαζί. Διαλύματα που μπορεί να ξηρανθούν σε τύμπανα, είναι αυτά των ένυδρων κρυστάλλων τηγμένα στο νερό κρυστάλλωσής τους. Οι ξηραντήρες τυμπάνων μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε μονού τυμπάνου, διπλών τυμπάνων και ζεύγους τυμπάνων. Στους ξηραντήρες διπλών τυμπάνων, τα δυο τύμπανα περιστρέφονται το ένα ως προς το άλλο, ενώ στους ξηραντήρες ζεύγους τυμπάνων, περιστρέφονται αντίθετα. Οι προαναφερθέντες ξηραντήρες τυμπάνων και τρεις συνηθισμένοι μέθοδοι τροφοδοσίας απεικονίζονται στο Σχήμα 3.8. Η τροφοδοσία εξαρτάται από τις ειδικές απαιτήσεις της ξήρανσης. Η κεντρική τροφοδοσία ή η τροφοδοσία με εμβάπτιση δεν είναι πρακτική για θερμοευαίσθητα υλικά. Η εμβάπτιση είναι η απλούστερη μέθοδος, αλλά όταν δεν προσφέρει την απαιτούμενη πρόσφυση του υλικού στην επιφάνεια των τυμπάνων, τότε η μέθοδος της εκνέφωσης ή της διαβροχής μπορεί να είναι καλύτερη. Για ομοιομορφία στην ξήρανση μπορεί να είναι αναγκαίο να εισάγουμε μικρό βοηθητικό ρολό για να απλώνει ομοιόμορφα το υλικό στα τύμπανα. Είναι επίσης αναγκαίο να διατηρούμε μια ομοιόμορφη θερμοκρασία στην επιφάνεια του τυμπάνου, που σημαίνει ότι αν τα τύμπανα θερμαίνονται με ατμό, που είναι η κοινή πρακτική, ο ατμός θα πρέπει να είναι ομοιόμορφα κατανεμημένος και τα μη-συμπυκνούμενα αέρια να απάγονται σωστά. Το 30\n40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ ξηραμένο υλικό αποξέεται από το τύμπανο με τη βοήθεια λεπίδας που είναι τοποθετημένη σε κατάλληλο σημείο. Αν ο ξηραντήρας λειτουργεί με σχετικά παχιά στοιβάδα υλικού στα τύμπανα, το αποξηραμένο προϊόν είναι σε μορφή νιφάδας. Λεπτότερη στοιβάδα σημαίνει ότι το υλικό θα είναι περισσότερο σε μορφή σκόνης. Ο ξηραντήρας φέρει απαγωγό για την απομάκρυνση ατμών από το χώρο, είτε με φυσική, είτε με εξαναγκασμένη συναγωγή. 31 Σχήμα Ξηραντήρες τυμπάνων Η δυναμικότητα ενός ξηραντήρα τυμπάνων εξαρτάται από την πτώση θερμοκρασίας από το εσωτερικό του τυμπάνου στο άμεσο περιβάλλον. Επίσης εξαρτάται από το πάχος και τα χαρακτηριστικά του προς ξήρανση υλικού. Από την πλευρά της μετάδοσης θερμότητας, η επιφάνεια των τυμπάνων πρέπει να είναι λεία και καθαρή.\n41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ Το πάχος του υλικού εξαρτάται από την ικανότητα πρόσφυσης του υλικού και σε κάποιο βαθμό από την ταχύτητα των τυμπάνων. Το πάχος πρέπει να είναι τέτοιο ώστε το υλικό φτάνοντας στις λεπίδες να είναι αποξηραμένο. Αν η στοιβάδα του υλικού είναι λεπτή το υλικό θα ξηραθεί πολύ πριν να φτάσει τις λεπίδες και αν είναι πολύ παχύ μπορεί να μην είναι αρκετά ξηρό Ξηραντήρες εκνέφωσης Η λογική εναλλακτική λύση στη ξήρανση τυμπάνων όταν πρόκειται για διαλύματα ή λεπτόρρευστες πάστες είναι η ξήρανση με εκνέφωση. Το προς ξήρανση υλικό διασπείρεται με ψεκασμό (εκνέφωση) στο ρεύμα του αερίου ξήρανσης. Στη πιο απλή του μορφή, ένας ξηραντήρας εκνέφωσης αποτελείται από κάθετο κυλινδρικό θάλαμο, συνήθως με κωνική βάση. Το υλικό τροφοδοτείται στο κέντρο του θαλάμου, κοντά στη κορυφή, και διασπείρεται με κατάλληλη συσκευή, όπως το ακροφύσιο πίεσης, το ακροφύσιο δυο φάσεων ή ο υψηλής ταχύτητας περιστρεφόμενος δίσκος (φυγοκεντρικά). Το αέριο ξήρανσης εισέρχεται στο θάλαμο με τρόπο ώστε να δημιουργήσει μια ελεγχόμενη στροβίλωση, που είναι αναγκαία για να διατηρήσει τις σταγόνες αιωρούμενες και αναταρασσόμενες μέχρι να ξηραθούν. Αν τα αποξηραμένα σωματίδια δεν κατακάθονται εύκολα λόγω μεγέθους ή πυκνότητας (πορώδη σωματίδια), τότε το αέριο ξήρανσης λειτουργεί και σαν μεταφορέας των σωματιδίων έξω από τον ξηραντήρα σε κυκλώνα διαχωρισμού όπου και παραλαμβάνονται ενώ το αέριο διαφεύγει στην ατμόσφαιρα. Ο κυκλώνας διαχωρισμού μπορεί να διαχωρίσει σωματίδια από ένα μέγεθος και πάνω και όταν το αέριο που εξέρχεται από τον κυκλώνα μεταφέρει πολύ μικρά σωματίδια, τότε τοποθετείται μετά τον κυκλώνα κατάλληλο σύστημα διαχωρισμού, π.χ. διαχωριστής υγρής απόξυσης (wet scrubber). Οι ξηραντήρες εκνέφωσης συναγωνίζονται τους ξηραντήρες τυμπάνων, σε μερικές περιπτώσεις λόγω της ποιότητας του προϊόντος και σε άλλες λόγω της εμφάνισης ή της δομής του προϊόντος. Στερεά γάλακτος που ξηράθηκαν με 32\n42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ εκνέφωση έχουν διαλυτότητα 99,9% αντίθετα με τη διαλυτότητα του 85% για τα προϊόντα που η ξήρανση έγινε σε ξηραντήριο τυμπάνων. Επίσης το πυριτικό άλας του αλουμινίου που ξηράθηκε σε ξηραντήριο εκνέφωσης είναι πολύ καλύτερο ποιοτικά σε σύγκριση με προϊόντα που ξηράθηκαν μ όλες τις άλλες μεθόδους ξήρανσης. Η ποιότητα ενός αποξηραμένου υλικού καθορίζεται από τη θερμοκρασία της εξάτμισης και τη θερμοκρασία που έφτασαν τα αποξηραμένα σωματίδια. Στην ξήρανση εκνέφωσης, η θερμοκρασία εξάτμισης είναι περίπου ίση με τη θερμοκρασία υγρού βολβού του αερίου ξήρανσης και είναι σταθερή μέχρι την ξήρανση των σωματιδίων, εκτός αν υπάρξει σκλήρυνση επιφάνειας. Επίσης με την αφαίρεση των μικρότερων σωματιδίων μόλις ξηραθούν, επιτυγχάνεται προϊόν με ομοιόμορφη ποιότητα. Ακόμη, το αποξηραμένο υλικό ψύχεται γρήγορα με τη χρήση ψυχρού αέρα στο θάλαμο ξήρανσης, ακριβώς κάτω από τη ζώνη ξήρανσης. Στην ξήρανση τυμπάνων, από την άλλη μεριά, η θερμοκρασία της θερμής επιφάνειας είναι πολύ επάνω από τη θερμοκρασία υγρού βολβού του ατμοσφαιρικού αέρα. Όπως στη αφυδάτωση με συμπύκνωση, αν η θερμότητα στη μορφή της ενθαλπίας εξάτμισης είναι να μεταδοθεί από το τύμπανο στον ατμοσφαιρικό αέρα, η θερμοκρασία εξάτμισης πρέπει να είναι πάνω από την αδιαβατική θερμοκρασία κορεσμού (ίση με τη θερμοκρασία υγρού βολβού για το σύστημα αέρα-νερού). Για να επιτύχουμε υψηλή απόδοση ξήρανσης ανά τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας τυμπάνων, η θερμοκρασία των τυμπάνων θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε η θερμοκρασία εξάτμισης που πλησιάζει το σημείο βρασμού του υγρού να μπορεί να διατηρηθεί. Το μέγεθος, η ομοιομορφία του μεγέθους, η δομή και η πυκνότητα των αποξηραμένων με εκνέφωση σωματιδίων εξαρτώνται από τη φύση του προς ξήρανση υλικού, δηλαδή το ιξώδες και την επιφανειακή τάση. 33\n43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ 34 Σχήμα Ξηραντήρας Εκνέφωσης Επιπρόσθετα, επηρεάζονται από τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για την διασπορά του υλικού και από τις συνθήκες ξήρανσης που επικρατούν μέσα στο θάλαμο ξήρανσης. Για πολλές εφαρμογές, η ξήρανση με εκνέφωση προσφέρει δυο πλεονεκτήματα. Το πρώτο είναι ότι το αποξηραμένο υλικό είναι κοκκώδες και το δεύτερο ότι κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες σκλήρυνσης επιφανείας, το προϊόν έχει υψηλή ειδική επιφάνεια χωρίς να είναι σε μορφή σκόνης. Ενώ οι ελεγχόμενες συνθήκες σκλήρυνσης επιφανείας μπορούν να χρησιμοποιούνται σαν πλεονέκτημα για την ξήρανση με εκνέφωση, θα πρέπει να αποφεύγεται στις άλλες διεργασίες ξήρανσης για λόγους που ήδη έχουν παρατεθεί Ξηραντήρια δημητριακών Τα ξηραντήρια δημητριακών διατίθενται σε πολλές εκδόσεις και σε διάφορες χωρητικότητες. Κινητά ή σταθερά, με καυστήρες υγραερίου ή πετρελαίου, κινούμενα από τρακτέρ ή ηλεκτρικό μοτέρ ή και τα δύο και με\n44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ χωρητικότητες από 10 έως 50 tn μπορούν να καλύψουν τις ανάγκες κάθε γεωργικής επιχείρησης μικρής ή μεγάλης (http://www.zaintoudis.gr/4df3872e.el.aspx). 35 Σχήμα Ξηραντήριο Δημητριακών Τα γενικά χαρακτηριστικά ενός ξηραντήρα δημητριακών είναι τα εξής: Εσωτερική και εξωτερική επένδυση του ξηραντηρίου με ανοξείδωτο χάλυβα. Πλήρης ομοιομορφία ξήρανσης χάρη στη συνεχή κίνηση του προϊόντος και στο σχεδιασμό του θαλάμου καύσης, με ένα ενιαίο σύστημα\n45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ ασύμμετρων αντανακλαστών αέρα που εξασφαλίζει μια ομοιογενή εσωτερική διανομή θερμοκρασίας. Βεντιλατέρ φυγοκεντρικού τύπου με αναστρεφόμενα πτερύγια, υψηλής αποδόσεως με χαμηλή απορρόφηση ενέργειας και με πολύ χαμηλή στάθμη θορύβου λειτουργίας. Μηχανισμοί και πλαίσιο υψηλής αντοχής, ρουλεμάν και κουζινέτα SKF Θάλαμος καύσης από αθερμικό ατσάλι υψηλής αντοχής, πλήρως μονωμένος για την αποφυγή απώλειας θερμίδων. Καυστήρες πετρελαίου ή υγραερίου Αυτόματοι μηχανισμοί ασφαλείας, μηχανικοί και ηλεκτρονικοί. Πλήρης εναρμόνιση με τις οδηγίες «CE» της Ευρωπαϊκής Ενώσεως. Πλήρης αυτονομία, καμία ανάγκη για δημιουργία υποδομών Μεγάλη γκάμα από έξτρα εξαρτήματα (http://www.zaintoudis.gr/4df3872e.el.aspx) Ηλεκτρικά ξηραντήρια Στην Εικόνα 3.3. βλέπουμε ένα ξηραντήριο ηλεκτιρκό (30) θέσεων, εξωτερικών διαστάσεων (2460 mm 1040 mm 1950 mm). Η πρόσοψη είναι κατασκευασμένη από ανοξείδωτο AISI 304, όπως και οι σχάρες τοποθέτησης των τελάρων. Το πλαίσιο του ξηραντηρίου είναι κατασκευασμένο από μελανίνη θαλάσσης 18 mm, ενώ οι δύο πλαϊνές όψεις είναι επενδυμένες με ανοξείδωτο AISI 304. Το άνοιγμα της κάθε πόρτας είναι (530 mm 70 mm). Τα τελάρα του ξηραντηρίου είναι κατασκευασμένα από ξύλινο προφίλ πεύκου διαστάσεως (45 mm 45 mm) και ανοξείδωτη σήτα κατάλληλη για τρόφιμα. Στο Ξηραντήριο συμπεριλαμβάνονται τριάντα ξύλινα τελάρα. Η κάθε μονάδα είναι εφοδιασμένη με όλα τα συστήματα προστασίας για την καλή λειτουργία του μηχανήματος και του χειριστή. Η κάθε μονάδα των δέκα τελάρων είναι αυτόνομη και ανεξάρτητη, είναι θερμαινόμενη με ανακύκλωση θερμού αέρα η οποία γίνεται με ανεμιστήρες κέντρου και\n46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ αντιστάσεις. Υπάρχει μια ελεύθερη εξαγωγή υγρασίας και μια βεβιασμένη με βεντιλατέρ, το οποίο ελέγχεται με ηλεκτρονικό υγροστάτη. 37 Εικόνα Ηλεκτρικό ξηραντήριο 30 θέσεων Επίσης είναι εφοδιασμένη με ηλεκτρονικό θερμοστάτη και έναν χρονοδιακόπτη για την αυτόματη εκκίνηση και παύση της λειτουργίας της μονάδας. Κάθε τρεις αυτόνομες μονάδες θα είναι ενωμένες και τοποθετημένες επάνω σε μεταλλικό πλαίσιο με ρόδες. Θα υπάρχει ένας πίνακας, ο οποίος θα περιέχει όλα τα όργανα για την λειτουργία της κάθε αυτόνομης μονάδας. Κάθε τριπλή αυτόνομη μονάδα χρειάζεται μια παροχή ηλεκτρικού ρεύματος και έχει ΙΣΧΥ 6,5 kw 380V. Επίσης κάθε τριπλή μονάδα έχει δύο εξόδους εξαερισμού Φ200. Παραγωγικότητα : 100kg/ ανά εργασιακό κύκλο Ξηραντήριο ζυμαρικών Στην παρακάτω Εικόνα 3.4. βλέπουμε ένα κατασκευασμένο από Πάνελ Πεπιεσμένης Πολυουρεθάνης, εσωτερικά και εξωτερικά είναι ανοξείδωτο με μια ή δύο πόρτες. Ο θάλαμος έχει χωρητικό-τητα αντίστοιχα ενός ή δύο ή τεσσάρων καροτσιών, το κάθε καρότσι χωράει είκοσι πέντε τελάρα διαστάσεων cm.\n47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο : ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΩΝ Ο θάλαμος είναι θερμαινόμενος με ανακύκλωση θερμού αέρα η οποία γίνεται με ανεμιστήρες. Υπάρχει ελεύθερο (τάμπερ) εξαερισμού, επίσης βεβιασμένος εξαερισμός με βεντιλατέρ. Ο πίνακας είναι εφοδιασμένος με πλήρες ηλεκτρολογικό υλικό για την καλή λειτουργία του μηχανήματος και την προστασία του. Ακόμη είναι εφοδιασμένος με χρονοδιακόπτη για τον προγραμματισμό της λειτουργίας του και με ηλεκτρονικό υγρόμετρο για να μπορούμε να πετύχουμε σταθερή αφύγρανση του προϊόντος. 38 Εικόνα Ξηραντήριο Ζυμαρικών\n48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΗΛΙΑΚΗ ΞΗΡΑΝΣΗ & ΗΛΙΑΚΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΗΛΙΑΚΗ ΞΗΡΑΝΣΗ & ΗΛΙΑΚΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ 4.1. Τι είναι η ηλιακή ξήρανση και η σημασία της σήμερα Κατά την ηλιακή ξήρανση η θερμότητα που απαιτείται για την απομάκρυνση της υγρασίας από τα στερεά προϊόντα παρέχεται μέσω της ηλιακής ακτινοβολίας, η οποία μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. H εναλλακτική λύση της παραδοσιακής φυσικής ηλιακής ξήρανσης είναι η χρήση ξηραντήρων που χρησιμοποιούν την ηλιακή ακτινοβολία ως πηγή θερμότητας. Αυτή είναι μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας - άφθονη σε αρκετές περιοχές - και η χρήση της έχει πολλά πλεονεκτήματα. Εκτός αυτού, η στροφή σε νέες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας κρίνεται ιδιαιτέρως σημαντική και η μέθοδος της ηλιακής ξήρανσης κάνει άμεση χρήση της ενέργειας του ηλίου. Η ηλιακή ξήρανση, όπου μπορεί να εφαρμοστεί, αποτελεί συχνά την οικονομικά αποδοτικότερη τεχνική ξήρανσης. Ο σωστός σχεδιασμός του ηλιακού ξηραντηρίου μπορεί να καλύψει τις απαιτήσεις της ξήρανσης των προϊόντων ακόμα και χωρίς πρόσθετη πηγή ενέργειας. Κατά το σχεδιασμό τέτοιων ξηραντηρίων, το κόστος της κατασκευής και η δυνατότητα της ευρείας εφαρμογής τους (π.χ. για την ξήρανση πολλών διαφορετικών προϊόντων) είναι δύο πρόσθετοι παράγοντες που θέτουν μια ακόμα μεγαλύτερη πρόκληση στην ανάπτυξη ενός αποδοτικού αλλά και οικονομικά βιώσιμου ηλιακού ξηραντηρίου. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων ετών περισσότερη προσοχή έχει δοθεί στα ηλιακά ξηραντήρια φρούτων και λαχανικών, με όλα τα αποτελέσματα των μελετών να είναι ενθαρρυντικά. Λαμβάνοντας υπόψη ότι τα περισσότερα από τα γεωργικά προϊόντα που ξηραίνονται, θερίζονται κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού όπου στην Ελλάδα η ηλιακή ακτινοβολία είναι ιδιαίτερα υψηλή, η ιδέα του σχεδιασμού ενός ξηραντηρίου χαμηλού κόστους και υψηλής απόδοσης είναι ιδιαιτέρως ελκυστική. 39\n49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΗΛΙΑΚΗ ΞΗΡΑΝΣΗ & ΗΛΙΑΚΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ 4.2. Πλεονεκτήματα και περιορισμοί της ηλιακής ξήρανσης Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της ηλιακής ξήρανσης είναι: Κάνει χρήση μιας ελεύθερης, μη ρυπογόνας, ανανεώσιμης και άφθονης πηγής ενέργειας που προέρχεται από τον ήλιο και δεν μπορεί να μονοπωληθεί. Τα προϊόντα που έχουν υποστεί ηλιακή ξήρανση αναγνωρίζονται ως ανώτερα απο αυτά που έχουν υποστεί βιομηχανική ξήρανση. Παρέχει την επιθυμητή μείωση της περιεκτικότητας σε υγρασία μαζί με βελτιωμένη ποιότητα των προϊόντων Πώς λειτουργούν οι ηλιακοί ξηραντήρες Ένας γνωστός τύπος ηλιακού ξηραντήρα παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.1.: Σχήμα Ηλιακός Ξηραντήρας Σχεδιάστηκε για τις ιδιαίτερες απαιτήσεις του ρυζιού αλλά οι αρχές ισχύουν και για άλλα προϊόντα και τύπους σχεδίων, δεδομένου ότι η πρώτη ανάγκη να αφαιρεθεί το ύδωρ είναι η ίδια. Ο αέρας σύρεται μέσω του ξηραντήρα με φυσική μεταφορά. Θερμαίνεται καθώς περνά μέσω του συλλέκτη και έπειτα δροσίζεται μερικώς δεδομένου ότι παίρνει την υγρασία από το ρύζι. Το ρύζι θερμαίνεται και μέσω του αέρα και άμεσα από τον ήλιο. Ο θερμός αέρας μπορεί να κρατήσει περισσότερη υγρασία από τον κρύο αέρα. Έτσι το ποσό ενέργειας που απαιτείται για ξήρανση εξαρτάται από τη θερμοκρασία στην οποία θερμαίνεται ο αέρας μέσα στο συλλέκτη καθώς επίσης και το ποσό\n50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΗΛΙΑΚΗ ΞΗΡΑΝΣΗ & ΗΛΙΑΚΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ υγρασίας που κράτησε ο θερμός αέρας όταν μπήκε στο συλλέκτη. Ο τρόπος με τον οποίο απορροφάται η υγρασία του αέρα επηρεάζεται από την αρχική υγρασία και από τη θερμοκρασία στην οποία θερμαίνεται. Ηλιακός ξηραντήρας ρυζιού: Ο αέρας εισάγεται σε 20 και φεύγει RH= 80% (η υγρασία) στην αρχική ικανότητα απορρόφησης υγρασίας (γραμμάρια του ύδατος/m 3 του αέρα). Initial relative humidity Πίνακας 4.1. Η διαδικασία ξήρανσης Moisture absorption capability (grammes of water/m 3 of air) Not heated Heatedto 40 C Heatedto 60 C 41 40% 4,3g/m 3 9,2gr/m 3 16,3g/m 3 60% 1,4g/m 3 8,2gr/m 3 15,6g/m 3 80% 0 7,1gr/m 3 14,9g/m 3 Ο στόχος των περισσότερων διαδικασιών ξήρανσης είναι να μειωθεί η περιεκτικότητα σε υγρασία του προϊόντος σε μια συγκεκριμένη τιμή. Η περιεκτικότητα σε υγρασία εκφράζεται ως βάρος του ύδατος ως ποσοστό του συνολικού βάρους. Η περιεκτικότητα σε υγρασία του ρυζιού πρέπει να μειωθεί χαρακτηριστικά από 24% σε 14%. Έτσι για να ξηραθεί ένας τόνος ρυζιού, πρέπει να αφαιρεθούν 100 g ύδατος. Εάν ο θερμός αέρας έχει μια «ικανότητα απορρόφησης» 8g/m 3 τότε απαιτούνται 100/0,0008 = m 3 αέρα για να ξεράνουν έναν τόνο ρυζιού. Η θερμότητα που απαιτείται για να εξατμιστεί το νερό είναι 2,26 kj/kg. Ως εκ τούτου, περίπου 250 MJ (70 kwh) ενέργειας χρειάζονται για να ατμοποιήσουν 100 kg νερού. Δεν υπάρχει καμία σταθερή απαίτηση για την ηλιακή θερμότητα που εισάγεται στον ξηραντήρα.\n51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΗΛΙΑΚΗ ΞΗΡΑΝΣΗ & ΗΛΙΑΚΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ Αυτό είναι επειδή ο εισερχόμενος αέρας περιβάλλοντος μπορεί να χάσει μερική από την εσωτερική ενέργειά του για να ατμοποιεί το νερό (που γίνεται πιο κρύο κατά τη διαδικασία). Πράγματι, εάν ο περιβαλλοντικός αέρας είναι αρκετά ξηρός, καμία αύξηση θερμότητας δεν είναι ουσιαστική. Εντούτοις, η πρόσθετη θερμότητα είναι χρήσιμη για δύο λόγους. Πρώτον, εάν ο αέρας είναι θερμότερος τότε χρειαζόμαστε λιγότερη ποσότητα αέρα. Δεύτερον, η εσωτερική θερμοκρασία στους κόκκους ρυζιού μπορεί να είναι ένας σημαντικός παράγοντας, ειδικά στα μεταγενέστερα στάδια της ξήρανσης, όταν πρέπει η υγρασία να εξέλθει από το εσωτερικό των κόκκων προς τις επιφάνειές τους. Αυτή η θερμοκρασία από μόνη της θα εξαρτηθεί κυρίως από τη θερμοκρασία του αέρα αλλά και από το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που παραλαμβάνει άμεσα από το ρύζι. Σε ένα φυσικό σύστημα μεταφοράς θερμού αέρα, η ροή του αέρα προκαλείται από το γεγονός ότι ο θερμός αέρας μέσα στον αποξηραντήρα είναι ελαφρύτερος από τον δροσερό αέρα έξω από αυτόν. Αυτή η διαφορά στην πυκνότητα δημιουργεί μια μικρή διαφορά πίεσης στον χώρο ξήρανσης του ρυζιού. Έτσι ο αέρας αναγκάζεται να περάσει μέσα από το ρύζι. Αυτή η επίδραση αυξάνεται. Η επίδραση ενός κλιμακωμένου χώρου (h2) είναι λιγότερη από ένα μεγάλο σταθερό χώρο (h1) επειδή ο αέρας ψυχραίνεται καθώς περνά μέσω του χώρου. Η μεταβολή της πυκνότητας του αέρα σε μια φυσική μεταφορά ξήρανσης μπορεί να μας δείξει ότι ο εισερχόμενος αέρας μπορεί θερμανθεί μόνο C. Η παρουσία μιας καπνοδόχου πάνω από τον ξηραντήρα θα έκανε διαφορά, εκτός αν ενεργούσε ως ηλιακός συσσωρευτής και αύξανε τη θερμοκρασία του αέρα σημαντικά. Πρέπει να σημειωθεί ότι ακόμα κι αν η διαφορά στις πυκνότητες είναι τόση πολύ όπως 0,5 kg/m, τότε η προκύπτουσα διαφορά πίεσης είναι μόνο 0,5 Pa (5 millionths της ατμοσφαιρικής πίεσης) ανά μέτρο της καπνοδόχου. Για τη 42\n52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΗΛΙΑΚΗ ΞΗΡΑΝΣΗ & ΗΛΙΑΚΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ σύγκριση, τα συστήματα μεταφοράς λειτουργούν συνήθως με τη διάφορα πίεσης Pa. Πολλά προϊόντα βλάπτονται από τις υπερβολικά αυξημένες θερμοκρασίες, συνεπώς ακολουθούμε κάποιους περιορισμούς. Οι αυστηρότεροι περιορισμοί είναι στα φασόλια μέχρι (35 ), το ρύζι (45 ), και όλα τα σιτάρια εάν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν ως σπόρος μέχρι (45 ) Οικονομικά στοιχεία ηλιακών ξηραντήριων Κύριοι οικονομικοί παράγοντες Με τη βοήθεια της ηλιακής ενέργειας η οποία μπορεί να καλύψει εώς και 80% των αναγκών της ξήρανσης, έχει υπολογιστεί ότι θα μπορούσαν να εξοικονομηθούν PJ ετησίως στη σημερινή αγορά, κυρίως με την αντικατάσταση των βιομηχανικών ξηραντήρων που λειτουργούν σε θερμοκρασίες ξήρανσης κάτω των 50. Παρόλα αυτά, η ακριβής αξιολόγηση των κερδών από το ηλιακό ξηραντήριο δεν είναι τόσο εύκολη όσο στους υπόλοιπους τύπους ηλιακών συστημάτων. Ο κύριος λόγος γι' αυτό βρίσκεται στον μεγάλο αριθμό διαφορετικών τύπων ηλιακών ξηραντηρίων. Για τη σωστή αξιολόγηση του κέρδους που προέρχεται από τη λειτουργία του ηλιακού ξηραντηρίου, θα πρέπει αυτό να υπολογίζεται συγκρινόμενο με έναν άλλο τύπο ξηραντήρα. Οι ξηραντήρες που χρησιμοποιούν αποκλειστικά την ηλιακή ενέργεια θα πρέπει να συγκρίνονται με την παραδοσιακή φυσική ξήρανση. Σε αυτή την περίπτωση τα κέρδη υπολογίζονται λαμβάνοντας υπόψη τη μείωση των απωλειών που θα υπήρχαν στην περίπτωση της παραδοσιακής φυσικής ξήρανσης, καθώς και με τη μη χρησιμοποίηση συμβατικών καυσίμων. Οι ξηραντήρες που λειτουργούν με τη βοήθεια ανεμιστήρα θα πρέπει να συγκρίνονται με ένα βιομηχανικό ξηραντήρα της ίδιας απόδοσης. Τα πλεονεκτήματά τους βρίσκονται στη μείωση του αρχικού κόστους με μία απλή κατασκευή (η οποία παρόλα αυτά δε θα μειώνει σημαντικά την απόδοση του ξηραντηρίου) και με τη μείωση του κόστους που επιτυγχάνεται με το ποσό της ενέργειας που προέρχεται από τον ήλιο και όχι από συμβατική πηγή.\n53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΗΛΙΑΚΗ ΞΗΡΑΝΣΗ & ΗΛΙΑΚΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ Στους ηλιακούς ξηραντήρες μεικτού τύπου, τα κέρδη θα πρέπει να αξιολογούνται από την ενέργεια που αντικαθιστάται. Ως κόστος, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη το σύστημα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας. Τα κέρδη από ένα ηλιακό ξηραντήριο εξαρτώνται από το διάρκεια ζωής του, και για τους δύο τελευταίους τύπους εξαρτώνται και από το κέρδος που εξοικονομήθηκε με την αντικατάσταση των συμβατικών καυσίμων με ηλιακή ενέργεια. Ο χρόνος ζωής του ηλιακού ξηραντηρίου μπορεί να υπολογιστεί εκ των προτέρων, σε κάθε περίπτωση όμως σχετίζεται με το κόστος συντήρησης. 'Ενα σφάλμα στον υπολογισμό του χρόνου ζωής μπορεί να προκαλέσει σημαντική αβεβαιότητα στην οικονομική αξιολόγηση του έργου. Εκτός αυτών, στην οικονομική μελέτη πρέπει να ληφθούν υπόψη και οι αλλαγές της τιμής πώλησης των ξηραινόμενων προϊόντων καθώς επίσης και οι μεταβολές της τιμής των συμβατικών καυσίμων (π.χ. πετρέλαιο) που μπορούν να συμβαίνουν καθόλη τη διάρκεια ζωής του ξηραντηρίου. Γι' αυτές τις αλλαγές μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατάλληλες προβλέψεις, παρόλα αυτά, προκαλούν ακόμα ένα παράγοντα αβεβαιότητας στην οικονομική ανάλυση. Το συνολικό κόστος εγκατάστασης του ηλιακού ξηραντηρίου αποτελείται από: το κόστος επένδυσης τους τόκους και τα έξοδα λειτουργίας και συντήρησης τους φόρους, και ο χρόνος αποπληρωμής σε περίπτωση δανείου Ο πληθωρισμός επίσης μεταβάλλει το συνολικό κόστος εγκατάστασης Σύγκριση ηλιακής ξήρανσης με ηλεκτρική-μηχανική Για ξήρανση η πιο διαδεδομένη μορφή είναι η μηχανική με χρήση ενέργειας κατά κόρον ηλεκτρικής. Η ηλιακή ξήρανση αν και στην ιστορία απαντάται για κατά πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα δεν είναι προτιμητέα. Για να αναλυθεί καλύτερα η σύγκριση των δυο διαδικασιών ξήρανσης πρέπει να αναλυθούν τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους.\n54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΗΛΙΑΚΗ ΞΗΡΑΝΣΗ & ΗΛΙΑΚΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ Πλεονεκτήματα- Μειονεκτήματα Μηχανικής Ξήρανσης Πλεονεκτήματα: Στα μηχανικά ξηραντήρια έχει επιτευχθεί ιδιαίτερη βελτίωση λόγω της ευρείας χρήσηςτους. Ο χρόνος που απαιτείται είναι πολύ μικρότερος απ'ότι αυτός που χρειάζεται η ηλιακή μέθοδος και είναι απεξαρτημένος από τις κλιματολογικές συνθήκες. Τα υπό ξήρανση υλικά είναι προστατευμένα από το εξωτερικό περιβάλλον με αποτέλεσμα την αποτροπή αλληλεπίδρασης με αυτό, πολύ χρήσιμο και για τρόφιμα τα οποία παραμένουν καθαρά αλλά και για την λυματολάσπη ή άλλα υλικά που έχουν δυσάρεστη οσμή. Λόγω της μεγάλης διάδοσης και του ανταγωνισμού των εταιριών το κόστος δεν είναι τόσο μεγάλο όσο παλιότερα. Αποφυγή αποδέσμευσης ρύπων από το υπό ξήρανση υλικό μιας και αυτό είναι περιορισμένο μέσα στην συσκευή. 45 Μειονεκτήματα: Ο μεγάλος ανταγωνισμός έχει ρίξει τις τιμές αλλά η σύνθετη διαδικασία για την παραγωγή μηχανικών ξηραντήριων τα καθιστούν ακόμα μια πολύ ακριβή διαδικασία. Επιπρόσθετα επειδή η ανάπτυξη τέτοιων τεχνολογιών απαιτεί βαριά βιομηχανία δεν παράγονται στον Ελλαδικό χώρο και το κόστος μεταφοράς επιβαρύνει ακόμα περισσότερο τον φορέα που χορηγεί τους οικονομικούς πόρους για το έργο. Η χρήση των ξηραντήριων σε μεγάλες εφαρμογές απαιτούν την δημιουργία πολύ μεγάλων χώρων οι οποίοι ουσιαστικά χρησιμοποιούνται ως κλίβανοι, για την καλύτερη λειτουργία, αυτοί οι χώροι απαιτούνται να μονωθούν με πολύ ακριβές διαδικασίες και για να λειτουργήσουν να σπαταληθούν τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Οι πολύ μεγάλες ποσότητες ενέργειας που απαιτούνται είναι πολύ δύσκολο να παραχθούν από ήπιες μορφές ενέργειας με αποτέλεσμα να\n55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΗΛΙΑΚΗ ΞΗΡΑΝΣΗ & ΗΛΙΑΚΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστον συμβατικοί πόροι. Οι συμβατικοί πόροι με τους οποίους τροφοδοτείται μια τέτοια εγκατάσταση δημιουργούν μεγάλες επιβαρύνσεις στο περιβάλλον και την ατμόσφαιρα. Το γεγονός ότι μια εγκατάσταση θα προκαλεί ήδη μεγάλη όχληση η χρήση συμβατικών πόρων δυσχεραίνει την αποδοχή του έργου από την περιβάλλουσα κοινωνία Πλεονεκτήματα- Μειονεκτήματα Ηλιακής Ξήρανσης Πλεονεκτήματα: Η κατασκευή μιας εγκατάστασης ηλιακής ξήρανσης ή ενός απλού ξηραντήρα είναι μια σχετικά απλή διαδικασία για την οποία τα υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται είναι εύκολο να βρεθούν και δεν έχουν μεγάλο κόστος. Στην εγκατάσταση ηλιακής ξήρανσης λυματολάσπης απαιτείται η δημιουργία ενος χώρου παρόμοιας κατασκευής με θερμοκήπιο το οποίο είναι πολύ πιο φθηνό σε σύγκριση με την δημιουργία του κλιβάνου για την μηχανική ξήρανση. Η συντήρηση της εν λόγω εγκατάστασης ή συσκευής είναι μια πολύ απλή και οικονομική διαδικασία. Οι ενεργειακές ανάγκες είναι σαφώς πολύ μικρότερες και η κάλυψη τους μπορεί να γίνει εξ' ολοκλήρου με ήπιες μορφές ενέργειας. Η όλη κατασκευή δεν απαιτεί πολύ μεγάλες αλλαγές στον περιβάλλοντα χώρο. Μειονεκτήματα: Ο χρόνος ο οποίος απαιτείται για ξήρανση είναι μεγαλύτερος από αυτόν που απαιτείται στις μηχανικές μεθόδους. Η μέθοδος της ηλιακής ξήρανσης είναι απολύτως συνδεδεμένη με τις κλιματολογικές συνθήκες τις περιοχής. Το γεγονός ότι είναι πολύ λιγότερο διαδεδομένη τεχνική και υπάρχουν πολύ λιγότερες εταιρίες δημιουργεί μικρότερο ανταγωνισμό και δεν ωφελεί την ανάπτυξη της και τον περιορισμό του κόστους της. Υπα ρχει αλληλεπι δραση με το περιβα λλον α ρα οι οσμε ς δραπετευ ουν 46\n56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΗΛΙΑΚΗ ΞΗΡΑΝΣΗ & ΗΛΙΑΚΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ δημιουργωντας ο χληση με αρκετα μεγα λη δυσοσμι α. 47 Εικόνα Ηλιακός ξηραντήρας μεγάλης κλίμακας Εικόνα Ηλιακός ξηραντήρας δωματίου Solarwall\n57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο : ΗΛΙΑΚΗ ΞΗΡΑΝΣΗ & ΗΛΙΑΚΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ 48 Εικόνα Θάλαμος ξήρανσης ηλιακού ξηραντήρα δωματίου\n58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 0 ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ 5.1. Γεωθερμία-Βασικές έννοιες Γεωθερμία (Γη + θερμός) είναι ο κλάδος της Γεωφυσικής που ερευνά τα θερμικά φαινόμενα, τα οποία συμβαίνουν στο εσωτερικό της Γης. Κάθε γεωφυσικό φαινόμενο συνδέεται άμεσα ή έμμεσα με τη γεωθερμία, αφού είτε συνοδεύεται από μετακίνηση ποσοτήτων θερμότητας, είτε επηρεάζεται από τη θερμοκρασία. H θερμότητα λοιπόν είναι μια μορφή ενέργειας, και η γεωθερμική ενέργεια είναι η θερμότητα που περιέχεται στο εσωτερικό της γης, η οποία προκαλεί τη δημιουργία διαφόρων γεωλογικών φαινομένων σε παγκόσμια κλίμακα. Συνήθως όμως, ο όρος «γεωθερμική ενέργεια» χρησιμοποιείται σήμερα για να δηλώσει εκείνο το τμήμα της γήινης θερμότητας που μπορεί να ανακτηθεί και να αξιοποιηθεί από τον άνθρωπο. Ένας κλάδος λοιπόν που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον στις μέρες μας, είναι η εφαρμοσμένη έρευνα στον τομέα της Γεωθερμίας, που αποσκοπεί στην αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας, η οποία ανήκει στις ήπιες και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (Κατσιφαράκης, 2009) Θερμότητα Η θερμότητα είναι η συνολική (μακροσκοπική) έκφραση της ενέργειας των μορίων ενός σώματος, είναι δηλαδή μια μορφή ενέργειας. Αποτελεί τη φυσική κατάληξη κάθε διαδικασίας ενεργειακών μετατροπών. Με άλλα λόγια όλες οι μορφές ενέργειας μπορούν να μετατραπούν εξ ολοκλήρου σε θερμότητα, ενώ το αντίστροφο δεν ισχύει. Με την έννοια αυτή η θερμική ενέργεια είναι η πιο υποβαθμισμένη.\n59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ 5.3. Γεωθερμικά πεδία Η συγκεντρωμένη στο εσωτερικό της γης θερμότητα μεταφέρεται κοντά στην επιφάνειά της μέσω γεωλογικών φαινομένων, δημιουργώντας έτσι υπέρθερμες περιοχές με γεωθερμική βαθμίδα μεγαλύτερη από 700 C/km. Το σημαντικότερο από αυτά τα γεωλογικά φαινόμενα είναι αυτό της κίνησης των λιθοσφαιρικών πλακών: Το εξωτερικό κέλυφος της γης, η λιθόσφαιρα, δεν είναι ενιαίο αλλά αποτελείται από πολλά κομμάτια, τις λιθοσφαιρικές πλάκες. Οι πλάκες αυτές βρίσκονται σε μια διαρκή κίνηση που πραγματοποιείται με πολύ μικρή ταχύτητα, μερικά μόλις εκατοστά το χρόνο. Ανάλογα με τη σχετική κίνηση των πλακών, στα όριά τους παρατηρούνται τρία διαφορετικά φαινόμενα: Οι δύο πλάκες αποκλίνουν, δηλαδή κινούνται έτσι που να απομακρύνονται η μια από την άλλη. Στο κενό που αφήνουν, αναβλύζει μάγμα που στερεοποιείται, γεμίζει το κενό και δημιουργεί καινούργια λιθόσφαιρα, Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούνται οι λεγόμενες «ράχες». Οι δύο πλάκες συγκλίνουν έτσι που η μια να βυθίζεται κάτω από την άλλη και τελικά να απορροφάται από το μανδύα ή να καταστρέφεται. Φαινόμενα τριβής στα όρια των πλακών έχουν σαν αποτέλεσμα, μέρος της μηχανικής ενέργειας να μετατρέπεται σε θερμότητα. Αυτή η θερμότητα εκτονώνεται με τη μορφή ηφαιστειακής δράσης. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούνται οι «τάφροι». Στις τάφρους η λιθόσφαιρα καταστρέφεται με το ρυθμό που δημιουργείται στις ράχες. Οι δύο πλάκες «γλιστρούν» η μια παράλληλα στην άλλη με τρόπο που ούτε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται λιθόσφαιρα. Τόσο οι «τάφροι» όσο και οι «ράχες» συνδέονται με ηφαιστειακή δράση και κατά συνέπεια με υπέρθερμες περιοχές. Γι' αυτό και τα σημαντικότερα γεωθερμικά πεδία εντοπίζονται σε συγκεκριμένες περιοχές, δηλαδή στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών, τις λεγόμενες «ζώνες σεισμικών εστιών». Περιοχές με μικρότερο γεωθερμικό ενδιαφέρον, δηλαδή με γεωθερμική βαθμίδα λίγο υψηλότερη από τη μέση, μπορεί να βρεθούν και εκτός των εν λόγω ζωνών. 50\n60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Γενικά, θα μπορούσαμε να πούμε πως γεωθερμικά πεδία είναι οι περιοχές στις οποίες οι συνθήκες για την εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας είναι ευνοϊκές. Τα κύρια χαρακτηριστικά τους είναι τα ακόλουθα (Κατσιφαράκης, 2009): Αυξημένη (σε μικρό ή μεγάλο βαθμό) θερμική ροή. Αυτή συνδέεται με την ύπαρξη μαγματικού όγκου σε μικρό σχετικά βάθος. Ύπαρξη υπόγειου υδροφορέα, σε βάθος μικρότερο των 3 km, ο οποίος θερμαίνεται από τον μαγματικό όγκο. Μεταξύ του υδροφορέα και της πηγής θερμότητας πρέπει να υπάρχουν θερμοπερατά στρώματα ή ρήγματα, που ευκολύνουν την κυκλοφορία ρευστών. Ύπαρξη πρακτικά αδιαπέρατου, θερμικά και υδραυλικά, στρώματος πάνω από τον υδροφορέα, για την προστασία του θερμικού περιεχομένου του. 51 Σχήμα Σχηματική παράσταση γεωθερμικού πεδίου\n61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Τα γεωθερμικά πεδία διακρίνονται, όπως και οι γεωθερμικές ενεργειακές πηγές, σε υψηλής, μέσης και χαμηλής ενθαλπίας. Είναι φανερό ότι τα πεδία υψηλής ενθαλπίας είναι πολύ πιο αποδοτικά από οικονομική και τεχνική άποψη. Τα χαμηλής ενθαλπίας όμως είναι πολύ περισσότερα. Πίνακας Ταξινόμηση γεωθερμικών πεδίων Είδος πηγής (α) (β) (γ) (δ) Χαμηλής ενθαλπίας T < 90 T < 125 T < 100 T < 150 Μέσης ενθαλπίας 90 <T< < T < < T < Υψηλής ενθαλπίας T >150 T >225 T >200 T > 150 (Πηγή: DicksonandFanelli (2004)) 52 (α) Muffler and Cataldi (1978), (β) Hochstein (1990), (γ) Benderitter and Cormy (1990), (δ) Nicholson (1993). Ανάλογα με το θερμοκρασιακό της επίπεδο μπορεί να έχει διάφορες χρήσεις. H Υψηλής Ενθαλπίας (>150 C) χρησιμοποιείται συνήθως για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η ισχύς τέτοιων εγκαταστάσεων το 1979 ήταν ΜW με παραγόμενη ενέργεια kwh/yr. Η Μέσης Ενθαλπίας (80 έως 150 C) που χρησιμοποιείται για θέρμανση ή και ξήρανση ξυλείας και αγροτικών προϊόντων καθώς και μερικές φορές και για την παραγωγή ηλεκτρισμού (π.χ. με κλειστό κύκλωμα φρέον που έχει χαμηλό σημείο ζέσεως). Η Χαμηλής Ενθαλπίας (25 έως 80 C) που χρησιμοποιείται για θέρμανση χώρων, για θέρμανση θερμοκηπίων, για ιχθυοκαλλιέργειες, για παραγωγή γλυκού νερού.\n62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Η πρώτη βιομηχανική εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας έγινε στο Λαρνταρέλλο (Lardarello) της Ιταλίας, όπου από τα μέσα του περασμένου αιώνα χρησιμοποιήθηκε ο φυσικός ατμός για να εξατμίσει τα νερά που περιείχαν βορικό οξύ αλλά και να θερμάνει διάφορα κτίρια. Το 1904 έγινε στο ίδιο μέρος η πρώτη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από τη γεωθερμία (σήμερα παράγονται εκεί 2,5 δισ. kwh/y). Σπουδαία είναι η αξιοποίηση της γεωθερμικής ενέργειας από την Ισλανδία, όπου καλύπτεται πολύ μεγάλο μέρος των αναγκών της για ηλεκτρική ενέργεια και θέρμανση. Η ύπαρξη όμως υψηλής γεωθερμικής βαθμίδας σε κάποια περιοχή δεν είναι η μοναδική συνθήκη-προϋπόθεση για την ύπαρξη εκμεταλλεύσιμου γεωθερμικού πεδίου. Η γεωθερμική ενέργεια είναι πρωτογενώς αποθηκευμένη μέσα στα πετρώματα, είναι διασκορπισμένη μέσα στη μάζα τους και πρέπει να συγκεντρωθεί και να μεταφερθεί στην επιφάνεια της γης, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί. Το μεταλλικό νερό (σε υγρή ή αέρια φάση) που περιέχεται μέσα σε πορώδη πετρώματα ή σε συστήματα ρηγμάτων αποτελεί το μέσο που μεταφέρει τη θερμότητα από τα πετρώματα αυτά στην επιφάνεια της γης. Έτσι, η παραγωγικότητα μιας θερμικής περιοχής προσδιορίζεται και συχνά καθορίζεται από την υδρολογία των γεωλογικών σχηματισμών. Δεν έχουν όμως όλες οι θερμικές περιοχές κατάλληλη υδρολογία που αποτελεί τη δεύτερη συνθήκη για την ύπαρξη εκμεταλλεύσιμου γεωθερμικού πεδίου. Κατά συνέπεια, ένα φυσικό γεωθερμικό πεδίο είναι συνδυασμός θερμών πετρωμάτων και ύπαρξης νερού που να κυκλοφορεί μέσα σ' αυτά. Το οικονομικό ενδιαφέρον των γεωθερμικών πεδίων, όπως και όλων των γεωθερμικών πηγών, εξαρτάται και από τη μέγιστη παροχή γεωθερμικού ρευστού που μπορεί να αντληθεί, χωρίς εξάντληση του νερού του θερμού υδροφορέα και χωρίς σημαντική μείωση της θερμοκρασίας του (δηλαδή με βιώσιμη διαχείριση της ανανεώσιμης ενεργειακής πηγής). Η παροχή αυτή εξαρτάται από τον όγκο και τη διαπερατότητα του υδροφόρου στρώματος, καθώς και από την τροφοδοσία του σε νερό και τη διαδικασία θέρμανσής του. 53\n63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Προέλευση των γεωθερμικών ρευστών Κύριο γεωθερμικό ρευστό είναι το νερό, σε υγρή ή αέρια κατάσταση. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιείται στα επόμενα και ο όρος γεωθερμικό νερό. Το γεωθερμικό ρευστό έχει και άλλα στερεά ή αέρια συστατικά, τα οποία είναι επιβλαβή και δυσχεραίνουν την θερμική εκμετάλλευση, αν και μερικές φορές δίνουν χρήσιμα παραπροϊόντα (όπως CO2 για τη βιομηχανία αναψυκτικών). Το γεωθερμικό νερό προέρχεται από (Κατσιφαράκης, 2009): Μετεωρικό νερό (Meteoric water), δηλαδή νερό που πρόσφατα συμμετείχε στην ατμοσφαιρική κυκλοφορία και κατείσδυσε μέχρι τον θερμό υδροφορέα. Ωκεάνιο νερό (Ocean water), που εισδύει στον φλοιό στις περιοχές ωκεάνιας απομάκρυνσης. Νέο νερό (Juvenile water), που προέρχεται από το μάγμα και δεν συμμετείχε προηγουμένως στην υδρόσφαιρα. Συγγενές νερό (Connate water), δηλαδή απολιθωμένο νερό, που εμπεριέχεται σε ιζήματα από τον χρόνο εναπόθεσής τους. Μαγματικό νερό (Magmatic water), δηλαδή νερό άλλων κατηγοριών (όχι νέο), που σε κάποια φάση αποτέλεσε μέρος του μάγματος. Μεταμορφικό νερό (Metamorphic water), που προκύπτει από την ανακρυστάλλωση υδρομεταλλικών ενώσεων κατά τη διαδικασία της μεταμόρφωσης. Όπως προέκυψε από την ανάλυση των σταθερών ισοτόπων του υδρογόνου και του οξυγόνου, το γεωθερμικό νερό έχει κυρίως μετεωρική προέλευση. Το συμπέρασμα αυτό ενισχύθηκε με πειράματα, που αφορούν στη σύσταση του γεωθερμικού ρευστού. Το ωκεάνιο νερό αποτελεί την κύρια πηγή των υποθαλάσσιων γεωθερμικών συστημάτων, που βρίσκονται κοντά σε ωκεάνιες ράχες, αλλά και ορισμένων γεωθερμικών πεδίων, που βρίσκονται στην ξηρά. Τα ρευστά των πεδίων αυτών διακρίνονται από τη μεγάλη περιεκτικότητά τους σε μέταλλα, που είναι αποτέλεσμα της μεγάλης οξύτητάς τους. 54\n64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ 5.4. Γεωθερμικά πεδία υψηλής ενθαλπίας Η γεωθερμική ενέργεια υψηλής ενθαλπίας, που παρέχεται από τα αντίστοιχα πεδία, χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η εκμετάλλευση άρχισε από γεωθερμικά πεδία που παράγουν ξηρό ατμό. Η πρώτη μονάδα λειτούργησε στο Larderello, όπως αναφέρθηκε, το 1913 και είχε ισχύ 250 kw. Σήμερα η εκμετάλλευση έχει επεκταθεί και σε πεδία, τα οποία παράγουν θερμό νερό, ενώ η συνολική εγκαταστημένη ισχύς έχει ξεπεράσει τα 8000 MW. Στην Ελλάδα υπάρχουν γεωθερμικά πεδία ψηλής ενθαλπίας, που συνδέονται με το ηφαιστειακό τόξο του Αιγαίου. Πιο γνωστό είναι το πεδίο της Μήλου, όπου έγινε προσπάθεια για κατασκευή σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, χωρίς όμως να ολοκληρωθεί. Εξ ίσου αξιόλογο είναι και το γεωθερμικό πεδίο της Νισύρου Γεωθερμικά πεδία χαμηλής ενθαλπίας Στις περιοχές της Γης με κανονική θερμοβαθμίδα, δηλαδή στο μεγαλύτερο μέρος του πλανήτη, η θερμοκρασία σε βάθος 2000 m φθάνει τους 80 o C. Επομένως όλοι οι υδροφορείς που υπάρχουν σ αυτό το βάθος, αποτελούν γεωθερμικές πηγές χαμηλής ενθαλπίας. Γ ια την εκμετάλλευσή τους απαιτούνται γεωτρήσεις μεγάλου βάθους. Γι αυτό το κόστος κατασκευής και λειτουργίας είναι σχετικά μεγάλο. Πάντως σε ορισμένες χώρες γίνεται εκτεταμένη εκμετάλλευση των πηγών αυτών. Ενεργειακές πηγές πολύ χαμηλής ενθαλπίας αποτελούν οι υδροφορείς που βρίσκονται σε μικρό βάθος. Σε κλιματικές συνθήκες όμοιες με τις ελληνικές, η θερμοκρασία σε βάθος m κυμαίνεται από 12 ως 15. Επομένως το νερό των υδροφορέων αυτών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση, με τη βοήθεια αντλίας θερμότητας. Η απόδοση των πηγών αυτών βελτιώνεται, αν το καλοκαίρι διοχετεύεται στον υδροφορέα νερό, που έχει θερμανθεί με ηλιακούς συλλέκτες (ηλιογεωθερμία). Ο συνδυασμός αυτός παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον για τη χώρα μας.\n65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Κριτήρια αξίας των γεωθερμικών πηγών χαμηλής ενθαλπίας είναι το ποσό θερμίδων που παρέχουν και η θερμοκρασία του παρεχομένου νερού. Για τον λόγο αυτό η ενέργεια που παράγεται από τις πηγές αυτές, μετρείται με βάση την ποσότητα πετρελαίου που υποκαθιστούν στη θέρμανση κάποιου χώρου (ή σε άλλη χρήση). Η μονάδα μέτρησης ονομάζεται ΤΕΡ (Tonne Equivalent Petrole = Ισοδύναμο Τόνου Πετρελαίου) Εφαρμογές της γεωθερμικής ενέργειας 56 Οι χρήσεις της γεωθερμικής ενέργειας καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα οικονομικών δραστηριοτήτων και εφαρμογών ανάλογα με τη θερμοκρασία και την ποιότητα των ρευστών. Μάλιστα μπορούν να διακριθούν σε ηλεκτρικές και άμεσες χρήσεις. Σχήμα Τροποποιημένο διάγραμμα Lindal Στις άμεσες χρήσεις γίνεται απευθείας εκμετάλλευση της θερμότητας των ρευστών (χωρίς να παραχθεί ηλεκτρική ενέργεια). Οι κυριότερες χρήσεις της γεωθερμίας παρουσιάζονται συνοπτικά στο τροποποιημένο διάγραμμα Lindal. Το διάγραμμα αυτό είναι ενδεικτικό, γεγονός που σημαίνειότι οι\n66 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ δυνατότητες χρήσης δεν περιορίζονται μόνο σ' αυτές που αναφέρονται στο διάγραμμα ούτε τα θερμοκρασιακά όρια που τίθενται είναι πολύ αυστηρά. Γεωθερμικά ρευστά με θερμοκρασία > 150 (υψηλής ενθαλπίας) χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ οι άμεσες χρήσεις (όπως η λουτροθεραπεία, η θέρμανση χώρων και η τηλεθέρμανση, οι αγροτικές εφαρμογές, οι υδατοκαλλιέργειες, διάφορες βιομηχανικές χρήσεις) καλύπτουν όλη την κλίμακα των θερμοκρασιών (12,5% της συνολικής χρήσης της γεωθερμικής ενέργειας κατά το έτος 2000). Με κατάλληλη διαδικασία, όπως είναι ο λεγόμενος «δυαδικός κύκλος» (ή κύκλος Rankine με οργανικό ρευστό), είναι δυνατή η ηλεκτροπαραγωγή και με τη χρησιμοποίηση ρευστών χαμηλότερης θερμοκρασίας ( ). Στην Ελλάδα υπάρχει η δυνατότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τόσο με ρευστά υψηλής ενθαλπίας όσο και με τον δυαδικό κύκλο. Το διάγραμμα του Lindal δίνει έμφαση σε δύο σημαντικές παραμέτρους που αφορούν στην αξιοποίηση των γεωθερμικών πόρων (Dickson and Fanelli, 2004): (α) με διαδοχικές και συνδυασμένες εφαρμογές μπορούν να αυξηθούν οι πιθανότητες επιτυχούς έκβασης και η αποτελεσματικότητα των γεωθερμικών προγραμμάτων και (β) η θερμοκρασία των ρευστών μπορεί να περιορίσει τις πιθανές χρήσεις. Παρόλα αυτά, το πεδίο εφαρμογών μπορεί να διευρυνθεί εάν ο σχεδιασμός ενός προγράμματος είναι τέτοιος ώστε να μπορεί να προσαρμόζεται κατά περίπτωση Tηλεθέρμανση και θέρμανση χώρων Η περιφερειακή θέρμανση οικισμών και πόλεων ευρίσκει εφαρμογή σε πολλές χώρες. Ιδιαίτερα μεγάλη ανάπτυξη παρουσίασαν στην Ισλανδία, όπου η συνολική ισχύς του γεωθερμικού συστήματος τηλεθέρμανσης ανέρχεται σε περίπου 1200 MWt. Αποτελούν επίσης ιδιαίτερα διαδεδομένες εφαρμογές και στις χώρες της Ανατολικής Ευρώπης, καθώς και τις Η.Π.Α., Κίνα, Ιαπωνία, Γαλλία κ.λπ.\n67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Με την εφαρμογή τηλεθέρμανσης με γεωθερμική ενέργεια μπορεί να δημιουργηθούν ιδιαίτερα ευνοϊκές συνθήκες εκμετάλλευσης, διότι η παραγωγή θερμικής ενέργειας εξασφαλίζεται από εγκαταστάσεις χαμηλού κόστους κατασκευής, συντηρήσεως και κυρίως λειτουργίας. Τα γεωθερμικά συστήματα τηλεθέρμανσης είναι έντασης κεφαλαίου, δηλαδή απαιτούν μεγάλα αρχικά κεφάλαια. Το κύριο κόστος αφορά την αρχική επένδυση για την κατασκευή των γεωτρήσεων άντλησης και επαναφόρτισης, την αγορά των συστημάτων άντλησης και μεταφοράς των ρευστών, την κατασκευή των δικτύων και των σωληνώσεων, την προμήθεια του εξοπλισμού ελέγχου και παρακολούθησης των εγκαταστάσεων, την κατασκευή των σταθμών διανομής και των δεξαμενών αποθήκευσης. Παρόλα αυτά, τα λειτουργικά έξοδα, τα οποία αφορούν στην ενέργεια που καταναλώνεται για την άντληση των ρευστών, τη συντήρηση του συστήματος και τη διαχείριση της εγκατάστασης, είναι σημαντικά μικρότερα σε σύγκριση με αυτά μιας συμβατικής μονάδας. Οι θερμοκρασίες σχεδιασμού ενός γεωθερμικού συστήματος τηλεθέρμανσης εξαρτώνται από τη χρήση (κατοικίες 18 20, γραφεία κ.λπ.), ενώ για να γίνει συνδυασμός τηλεθέρμανσης και κάλυψης αναγκών σε ζεστό νερό πρέπει η θερμοκρασία του γεωθερμικού ρευστού να είναι τουλάχιστον Αφαλάτωση θαλασσινού νερού Στις άνυδρες νησιωτικές και παραθαλάσσιες περιοχές η αφαλάτωση θαλασσινού νερού είναι μια σημαντική εφαρμογή της γεωθερμίας. Η διαδικασία αφαλάτωσης με γεωθερμικά ρευστά σαν θερμαντικό μέσο μπορεί να επιτευχθεί με τη μέθοδο της πολυσταδιακής εξάτμισης εν κενώ (MES). Για να είναι οικονομικά συμφέρουσα η αφαλάτωση πρέπει η θερμοκρασία των γεωθερμικών ρευστών να είναι τουλάχιστον 60. Η θερμοκρασία απόρριψης σχεδιάζεται να είναι Για τις γεωργικές εφαρμογές της γεωθερμίας δεν απαιτείται η επένδυση υψηλού αρχικού κεφαλαίου, το κόστος θέρμανσης είναι αρκετά χαμηλό και ο χρόνος απόσβεσης μικρότερος του έτους. Η σημαντική διαφοροποίηση, που 58\n68 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ μπορεί να παρουσιάζει η χημική σύσταση των ρευστών από γεώτρηση σε γεώτρηση και η ιδιαιτερότητα του κάθε γεωθερμικού πεδίου και της κάθε εφαρμογής, δεν επιτρέπει την ανάπτυξη ενός ενιαίου συστήματος εκμετάλλευσης της γεωθερμικής ενέργειας. Μια πάρα πολύ κοινή περίπτωση, για τα δεδομένα του ελλαδικού χώρου είναι η θέρμανση γυάλινων θερμοκηπίων με ντομάτα και με θερμαντικό μέσο γεωθερμικά ρευστά Υδατοκαλλιέργειες 59 Οι υδατοκαλλιέργειες, οι οποίες στην ουσία αποτελούν την ελεγχόμενη εκτροφή υδρόβιων οργανισμών, αποκτούν σήμερα ολοένα και μεγαλύτερη σπουδαιότητα σε παγκόσμιο επίπεδο, λόγω της αυξημένης ζήτησής των παραγόμενων προϊόντων στην αγορά. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας εκτροφής των ειδών αυτών είναι πολύ πιο σημαντικός σε σχέση με τα είδη που αναπτύσσονται στην ξηρά (θηλαστικά και πτηνά). Διατηρώντας με τεχνητά μέσα τη θερμοκρασία σε βέλτιστα επίπεδα, καθίσταται δυνατή και η εκτροφή εξωτικών ειδών, η βελτίωση της παραγωγής ή ακόμη και ο διπλασιασμός του αναπαραγωγικού κύκλου σε μερικά είδη. Τα είδη που κατά παράδοση εκτρέφονται σε τέτοιες μονάδες είναι: κυπρίνος, γατόψαρο, λαβράκια, κέφαλοι, χέλια, σολομοί, μουρούνες, γαρίδες, αστακοί, καραβίδες, κάβουρες, στρείδια, μύδια, χτένια κ.λπ. Οι υδατοκαλλιέργειες περιλαμβάνουν επίσης την εκτροφή κροκοδείλων και αλιγατόρων, που αξιοποιούνται συνήθως ως τουριστικό αξιοθέατο αλλά και για την εκμετάλλευση του δέρματός τους, η οποία μπορεί να αποτελέσει μια πολύ επικερδή δραστηριότητα. Τέτοια ερπετά εκτρέφονται εδώ και χρόνια σε ειδικές εγκαταστάσεις στο Κολοράντο και το Άινταχο των Η.Π.Α., ενώ παρόμοιες εφαρμογές σχεδιάζονται και στην Ισλανδία. Οι θερμοκρασίες που απαιτούνται για τα υδρόβια είδη κυμαίνονται κατά βάση μεταξύ 20 και 30. Το μέγεθος των εγκαταστάσεων εξαρτάται από την αρχική θερμοκρασία των ρευστών, τη θερμοκρασία που απαιτείται στις δεξαμενές εκτροφής και από τις θερμικές απώλειες των τελευταίων.\n69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Η καλλιέργεια της σπιρουλίνας (Spirulina) θεωρείται επίσης μια μορφή υδατοκαλλιέργειας. Λόγω της υψηλής διατροφικής του αξίας, αυτό το μονοκυτταρικό, σπειροειδές και γαλάζιο - πράσινο φύκος, συχνά αποκαλείται «υπερ-τροφή». Η σπιρουλίνα καλλιεργείται σήμερα σε αρκετές τροπικές και υπο-τροπικές χώρες, σε λίμνες ή τεχνητές δεξαμενές, όπου επικρατούν ιδανικές συνθήκες για τη γρήγορη ανάπτυξή της (μέσα σε ένα ζεστό, αλκαλικό περιβάλλον, πλούσιο σε CO2). Παρόλα αυτά, σε αρκετές χώρες των εύκρατων ζωνών η γεωθερμική ενέργεια έχει ήδη αξιοποιηθεί επιτυχώς σε τέτοιες υδατοκαλλιέργειες, για την ανάπτυξη της σπιρουλίνας σε ετήσια βάση, παρέχοντας την απαραίτητη θερμότητα αλλά και το CO2. Στις μονάδες υδατοκαλλιεργειών αν και απαιτείται υψηλό αρχικό κεφάλαιο, ο χρόνος απόσβεσης είναι πολύ μικρός και η δυνατότητα της εν σειρά ανάπτυξης με τη θέρμανση θερμοκηπίων αξιοποιώντας το απορριπτόμενο ζεστό νερό ή γεωθερμικό ρευστό καθιστά ακόμα πιο συμφέρουσα οικονομικά. Οι υδατοκαλλιέργειες λοιπόν μπορούν να γίνουν είτε μεμονωμένα με γεωθερμικά ρευστά σαν θερμαντικό μέσο, θερμοκρασίας 25 έως 35 είτε από το απορριπτόμενο νερό από τη θέρμανση θερμοκηπίων. Στη δεύτερη περίπτωση εκτιμάται ότι από τα απορριπτόμενα νερά 5 στρεμμάτων γυάλινου θερμοκηπίου με τριαντάφυλλα μπορεί να θερμανθεί δεξαμενή εκτροφείου χελιών όγκου 500 m 3 (www.ypan.gr) Βιομηχανικές εφαρμογές Τα γεωθερμικά ρευστά, σε ολόκληρο το θερμοκρασιακό τους εύρος, είτε πρόκειται για ατμό είτε για νερό, μπορούν να αξιοποιηθούν και σε βιομηχανικές εφαρμογές. Οι διάφορες δυνατές μορφές αξιοποίησης περιλαμβάνουν θέρμανση κατά τη διεργασία, εξάτμιση, ξήρανση, απόσταξη, αποστείρωση, πλύσιμο, λιώσιμο πάγων και ανάκτηση αλάτων. Η χρήση της γεωθερμικής θερμότητας κατά τη βιομηχανική επεξεργασία διάφορων προϊόντων εφαρμόζεται σε 19 χώρες, όπου οι εγκαταστάσεις είναι γενικά πολύ μεγάλες και η κατανάλωση ενέργειας υψηλή.\n70 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ Άλλα συγκεκριμένα παραδείγματα βιομηχανικών εφαρμογών είναι η εμφιάλωση νερού και ανθρακούχων ποτών, η παραγωγή χαρτιού, η χρήση σε πλυντήρια μαλλιών (Ν. Ζηλανδία), η χώνευση βιολογικής λάσπης και λυμάτων, η επεξεργασία πολτού και χαρτιού και η παραγωγή βορικών αλάτων και βορικού οξέος. Υπάρχουν επίσης εφαρμογές για χρήση των γεωθερμικών ρευστών χαμηλής θερμοκρασίας για λιώσιμο πάγου και αντιπαγετική προστασία πεζοδρομίων, δρόμων, πλατειών καθώς και καλλιεργειών. Επιπλέον, στην Ιαπωνία λειτουργεί μια μικρή βιομηχανία που χρησιμοποιεί τις λευκαντικές ιδιότητες του υδρόθειου (H2S) των γεωθερμικών νερών για την παραγωγή πρωτοποριακών και εξαιρετικής ποιότητας υφασμάτων για γυναικεία ρούχα. Στην ίδια χώρα, εφαρμόζεται σε πειραματικό στάδιο μια τεχνική για τη βιοτεχνική-βιομηχανική παρασκευή ενός ελαφρού «γεωθερμικού ξύλου», το οποίο θεωρείται ιδιαίτερα κατάλληλο για ειδικές κατασκευές. Κατά την επεξεργασία του κανονικού ξύλου με το νερό μιας γεωθερμικής πηγής, τα πολυσακχαρίδιά του υφίστανται υδρόλυση, οπότε το υλικό γίνεται πιο πορώδες και συνεπώς ελαφρύτερο Θέρμανση θερμοκηπίων και ξήρανση αγροτικών προϊόντων Τα γεωθερμικά ρευστά εντοπίζονται κύρια σε γεωργικές περιοχές με αποτέλεσμα το ενδιαφέρον για την ανάπτυξη εφαρμογών, όπως η θέρμανση θερμοκηπίων, η πρωίμηση καλλιεργειών και η ξήρανση αγροτικών προϊόντων, να είναι έντονο. Οι χρήσεις και το μέγεθος των θερμοκηπιακών εγκαταστάσεων εξαρτάται από τη διαθέσιμη γεωθερμική ενέργεια, από τα υλικά κατασκευής των θερμοκηπίων και από το είδος της καλλιέργειας. Το πολύ χαμηλό κόστος θέρμανσης από τη χρήση της γεωθερμικής ενέργειας χαμηλής ενθαλπίας οδήγησε στην ανάπτυξη της γεωθερμικής\n71 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο : ΓΕΩΘΕΡΜΙΑ θέρμανσης θερμοκηπίων στη χώρα μας. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ο χρόνος απόσβεσης της επένδυσης κυμαίνεται από 6 μήνες μέχρι και 2 χρόνια. 62 Εικόνα (α) Γεωθερμικό ξηραντήριο τομάτας τύπου σήραγγας στο Ν. Εράσμιο της Ξάνθης, (β) Θέρμανση θερμοκηπίου με λουλούδια σε γλάστρες στο Σιδηρόκαστρο Ν. Σερρών με χρήση γεωθερμικής ενέργειας (www.ypan.gr).\n72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ 6.1. Χρήση της γεωθερμικής ενέργειας στην ξήρανση τομάτας Στο Νέο Εράσμιο του Νομού Ξάνθης, έχει δημιουργηθεί μια πρότυπη μονάδα αφυδάτωσης για την παραγωγή αποξηραμένης τομάτας, κοινώς «λιαστής». Οι τομάτες επιλέγονται, μετά από συστηματικό ποιοτικό έλεγχο από τις εύφορες πεδιάδες στο Δέλτα του Ποταμού Νέστου και η αφυδάτωσή τους γίνεται με γεωθερμική ενέργεια, κάτω από ήπιες συνθήκες θερμοκρασίας. 63 Εικόνα 6.1. Λιαστές τομάτες Νέου Ερασμίου Πριν την ξήρανση η τομάτα υπόκειται σε λεπτομερείς διαδικασίες πρόπλυσης πλύσης - διαλογής και κοπής. Η διαδικασία ξήρανσης γίνεται σε ξηραντήρια τύπου σήραγγας, συνολικής χωρητικότητας, σε νωπό προϊόν, kg. Ο θερμός αέρας δεν ανακυκλώνεται, αλλά εισάγεται με συνεχή ροή. Ο αέρας θερμαίνεται στους 55-58, μέσω των γεωθερμικών ρευστών που κυκλοφορούν σε σωληνοειδείς εναλλάκτες θερμότητας.\n73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ Τα παραπάνω θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά ξήρανσης έχουν σαν αποτέλεσμα: Την αποφυγή θερμικού shock που θα είχε άμεση επίπτωση στην κυτταρική δομή των τελικών αποξηραμένων προϊόντων. Τη διατήρηση του αρχικού χρώματος. Τη διατήρηση του έντονου φυσικού αρώματος που τα καθιστά ξεχωριστά για κάθε χρήση. Δεν χρησιμοποιείται αλάτι ή συντηρητικά. Συσκευάζονται σε κενό οξυγόνου με προσθήκη αζώτου. Έτσι διατηρούνται αναλλοίωτα τα βασικά χαρακτηριστικά της τομάτας: το βαθυκόκκινο χρώμα, το έντονο άρωμα και η αυθεντική γεύση. Οι ήπιες συνθήκες ξήρανσης δεν καταστρέφουν το λυκοπένιο, στο οποίο οφείλεται το βαθύ κόκκινο χρώμα και θεωρείται ένα από τα σημαντικότερα αντιοξειδωτικά συστατικά της τομάτας. Το τελικό προϊόν συντηρείται σε ψυκτικούς θαλάμους και συσκευάζεται χωρίς καμία συντηρητική ουσία. Με την πρώτη χρονιά λειτουργίας της μονάδας ξήρανσης ντομάτας με γεωθερμική ενέργεια στο Ν. Εράσμιο αποδείχτηκε όχι μόνο η δυνατότητα επέκτασης της χρήσης της γεωθερμίας στην Ελλάδα και σε άλλους τομείς εκτός από τη θέρμανση θερμοκηπίων, αλλά και η παραγωγή προϊόντων καλύτερης ποιότητας από τα προϊόντα που παράγονται με συμβατικά καύσιμα. Οι ήπιες συνθήκες ξήρανσης της ντομάτας με γεωθερμία έχουν ως αποτέλεσμα την παραγωγή αποξηραμένης ντομάτας η οποία διατηρεί τα θρεπτικά συστατικά της νωπής ντομάτας, χωρίς επιφανειακή οξείδωση και τη συνακόλουθη αλλοίωση του χρώματός της. Η επιτυχής λειτουργία της μονάδας μπορεί να οδηγήσει τόσο στην επέκταση της μονάδας σε μέγεθος και στην επέκταση του χρόνου λειτουργίας με ξήρανση άλλων λαχανικών (π.χ. πιπεριάς) ή φρούτων (σύκα, βερίκοκα). Σημειώνεται ότι οι δυνατότητες της μονάδας (γεωθερμικό ρευστό, εναλλάκτης και ανεμιστήρες) είναι σχεδόν διπλάσιες από την παραγωγή του Τέλος, ένα σημαντικό στοιχείο από τη λειτουργία της μονάδας είναι ότι γεωθερμική ξήρανση φρούτων και λαχανικών μπορεί να επιτευχθεί με σχετικά 64\n74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ χαμηλές θερμοκρασίες ρευστών γύρω στους 55, κάτι που πληρούν τα περισσότερα γεωθερμικά πεδία στη Βόρεια Ελλάδα. Στο Παράρτημα της παρούσας Πτυχιακής Εργασίας περιέχεται μια μελέτη που πραγματοποιήθηκε από τους ερευνητές Ν. Ανδρίτσο, Π. Δαλαμπάκη και Ν. Κολιό για την λειτουργία της εν λόγω μονάδας αφυδάτωσης του Νέου Ερασμίου Η αποξήρανση ψαριών και η χρήση γεωθερμικής ενέργειας Τα τελευταία χρόνια, η ετήσια παγκόσμια παραγωγή αποξηραμένων, ανάλατων αλιευμάτων έφτασε τους tn, αλλά η συνολική παγκόσμια παραγωγή αποξηραμένων ψαριών είναι tn. Η παραγωγή βακαλάου είναι tn. Οι βασικές χωρες παραγωγής είναι η Ισλανδία και η Νορβηγία. Οι μεγαλύτεροι παραγωγοί άλλων αποξηραμένων προιοντων δραστηριοποιούνται σε χώρες της Ασίας και της Αφρικής. Η ετήσια εξαγωγή αποξηραμένων μπακαλιάρων από την Ισλανδία ανέρχεται στους tn. Οι αποξηραμένες ζωοτροφές είναι μια νέα αναπτυσσόμενη βιομηχανία στην Ισλανδία με ετήσια παραγωγή περίπου 500 tn. Στην Ισλανδία υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για την παραγωγή αποξηραμένων ψαριων για κατανάλωση από ανθρώπους κυρίως όσον αφορά στα μικρά είδη ψαριών όπως οι χαμηλού λίπους καπελίνοι. Η ετήσια παραγωγή αποξηραμένων φυκιών και φαιοφύκης στην Ισλανδία είναι περίπου 4000 tn. 65\n75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ 66 Σχήμα Χάρτης ισόθερμων καμπύλων οροφής ταμιευτήρα στο γεωθερμικό πεδίο Ν. Ερασμίου Η χρήση γεωθερμικής ενέργειας στην επεξεργασία ψαριών, αντί της χρήσης πετρελαίου ή ηλεκτρικού, έχει πολλά πλεονεκτήματα. Στη βιομηχανία ψαριών η γεωθερμία έχει κυρίως εφαρμοστεί στην ξήρανση σε κλειστούς χώρους σε αλμυρά ψάρια, μπακαλιάρους, μικρά ψάρια και άλλα προϊόντα. Οι πρώτες εταιρείες ιδρύθηκαν πριν από 25 χρόνια και τώρα υπάρχουν περισσότερες από 20. Οι περισσότερες χρησιμοποιούν γεωθερμική ενέργεια για την ξήρανση μπακαλιάρου. Το 2001 η κατανάλωση ζεστού νερού ήταν 2 εκατομύρια th ή 550 TJ. Πειράματα έχουν γίνει σχετικά με τη χρήση γεωθερμικού ατμού για την επεξεργασία ψαριών αλλά η εταιρεία που τα πραγματοποίησε δεν υπάρχει πια. Επίσης φαίνεται να είναι δυνατή η χρηση γεωθερμικού ατμού για την ξήρανση\n76 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ σε κατάψυξη. Υπάρχουν ανεξερεύνητες πιθανότητες σχετικά με τη χρήση γεωθερμίας σε περιοχές όπου υπάρχουν λιμάνια, όπου υπάρχει γεωθερμία. Η έρευνα στον τομέα αυτό ξεκινησε πριν από 15 χρόνια. Η βασική εργασία στις έρευνες ήταν να βρεθούν οι καλύτερες παράμετροι ξήρανσης ώστε να παράγονται προϊόντα άριστης ποιότητας και να βελτιώνονται οι διαδικασίες ξήρανσης. Στις δοκιμές προσδιοριζόταν η ταχύτητα του αέρα, η θερμοκρασία και η υγρασία του αέρα, το φορτίο προιόντων σε κάθε δίσκο και το μέγεθος της σύραγγας ξήρανσης. Οι τελευταίες έρευνες στον τομέα αυτό σχετίζονται με την επίδραση στην ποιότητα των προϊόντων και την σταθεροποίηση του προϊόντος με διαφορετικές παραμέτρους αποθήκευσης Χρήση γεωθερμικής ενέργειας στην ξήρανση γης διατόμων Η παραγωγή πυρόλιθου στο Namafjall της Ισλανδίας με τη χρήση γεωθερμικής ενέργειας αποτελεί σημαντική εξέλιξη καθώς αποτελεί παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο η φθηνή γεωθερμική ενέργεια μπορέι να κάνει μια διαδικασία οικονομική όταν με τις συμβατικές πηγές ενέργειας η διαδικασία δεν θα μπορούσε να αιτιολογηθεί. Ο πυρόλιθος ανασύρεται από τη λίμνη Myvatn με αναρρόφηση και η τσιμεντολάσπη μεταφέρεται με αντλία διαμέσου ενός σωλήνα 2 μιλίων στο εργοστάσιο. Εως και 50 th/h ατμού σε 361 of/147 psig μπορούν να μεταφερθούν μέσα από οπές 1970 ft μακριά. Η χωρητικότητα του εργοστασίου ήταν το tn αέρα φίλτρου πυρόλιθου. Ο ατμός χρησιμοποιείται για να διατηρεί χωρίς παγο τα ρεζερβουάρ που περιέχουν πυρόλιθο και μέσα στον ξηραντήρα που είναι περιστροφικός. Περίπου 30 tn/h ατμού χρησιμοποιούνται για κάθε ξηραντήρα. Περίπου 6 tn ξηρού πυρόλιθου παράγονται ανά ώρα. Η περιεκτικότητα του πυρόλιθου σε υγρασία μειώνεται απο 88 και 89% σε 2 και 6% κατα τη διαδικασία.\n77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ 6.4. Ξήρανση ξυλείας Στον καθένα είναι γνωστό και εύκολα κατανοητό ότι για να φθάσουν στα χέρια του κάποια έτοιμα η ημι-έτοιμα προϊόντα - παράγωγα του ξύλου (πριστή ξυλεία, μοριοσανίδες, αντικολλητά, κουφώματα, έπιπλα κ.ά.), πρέπει το ξύλο να υποστεί διάφορες κατεργασίες αμέσως μετά τη μεταφορά του από τον τόπο παραγωγής του (δάσος) μέχρις ότου πάρει την τελική του μορφή. Τέτοιες επεξεργασίες είναι η πρίση, ηεπανάπριση, το πλάνισμα, η διαμόρφωση πάχους, η μορφοποίηση άκρων στοιχείων, το τρύπημα, η μορφοποίηση συνδέσμων και συναρμολόγηση, η λείανση, ο εμποτισμός, ο θρυμματισμός, η εκτύλιξη, η συγκόλληση κ.ά., ανάλογα με το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα. Μέρος από τις διαδικασίες αυτές υλοποιείται στις δασικές βιομηχανίες και μέρος στις μονάδες δευτερογενούς επεξεργασίας (επιπλοποιεία, ξυλουργεία). Απόλυτα απαραίτητη σε κάθε περίπτωση «αν και λιγότερο γνωστή» είναι η διαδικασία της ξήρανσης του ξύλου, ειδικά αν πρόκειται να χρησιμοποιήσουμε συμπαγές («μασίφ») ξύλο για εσωτερικές κατασκευές. Η αναγκαιότητα για ξήρανση προκύπτει από το γεγονός ότι το ξύλο, ως βιολογικό προϊόν και ως «ζωντανό» υλικό στο δένδρο, περικλείει μεγάλες ποσότητες νερού, υπό μορφή υγρού η «ελεύθερου» νερού στις κοιλότητες των κυττάρων του υδρατμών στις κυτταρικές κοιλότητες και ως δεσμευμένο νερό στα κυτταρικά τοιχώματα Η αρχική ποσότητα του νερού αυτού μπορεί να κυμαίνεται από 30% έως και 300% σε σύγκριση με το ξηρό βάρος του ξύλου, ανάλογα με το είδος, τη θέση μέσα στο δένδρο, την εποχή κ.ά. Το νερό αυτό αρχίζει να αποβάλλεται από τη μάζα του ξύλου ευθύς μόλις γίνει η υλοτομία του δένδρου, δυστυχώς όμως αυτή η διαδικασία αποβολής διαρκεί για μακρύ χρόνο και το κυριότερο συνοδεύεται από ακανόνιστη μείωση των διαστάσεών του. 68\n78 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ 69 Εικόνα Δυναμική φυσική ξήρανση οξιάς Δυναμική φυσική ξήρανση οξιάς, σε πειραματική εγκατάσταση των ΙΜΔΟ & ΤΔΠ. Όταν η υγρασία του ξύλου πέσει κάτω από ένα όριο (περίπου 30% - σημείο ινοκόρου), τότε έχει εξατμιστεί το νερό που είναι ελεύθερο στις κυτταρικές κοιλότητες και ξεκινά η απώλεια νερού από τα τοιχώματα των κυττάρων. Τότε ακριβώς αρχίζουν να ελαττώνονται και οι διαστάσεις του ξύλου (ρίκνωση) ενώ παράλληλα μεταβάλλονται και οι λοιπές φυσικές και μηχανικές ιδιότητές του. Το χειρότερο απ όλα είναι ότι αυτή η μεταβολή των διαστάσεων προκύπτει με διαφορετικό τρόπο στις τρεις αυξητικές διαστάσεις του (αξονικά, ακτινικά, εφαπτομενικά) ενώ ισχύει και το αντίστροφο φαινόμενο (διόγκωση) σε περίπτωση που το ξύλο για κάποιο λόγο αποκτήσει εκ νέου υγρασία. Γίνεται επομένως αντιληπτό ότι αν το ξύλο αξιοποιηθεί σε κάποια χρήση έχοντας υγρασία περισσότερη η λιγότερη από αυτήν στην οποία τελικά θα ισορροπήσει, επηρεαζόμενο από τις συνθήκες θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας του περιβάλλοντος χώρου, τότε θα έχουμε και μεταβολή των διαστάσεών του που θα προκύψει ανομοιόμορφα στις διαστάσεις του και μπορεί να έχουμε παραμόρφωση της κατασκευής. Όλοι έχουμε δυσάρεστες εμπειρίες από τους αρμούς ενός επίπλου που «άνοιξαν», από ένα συρτάρι που «σφήνωσε» το χειμώνα η μια πόρτα σε νεόδμητη κατοικία που «φράκαρε». Το παραπάνω χαρακτηριστικά, χωρίς να είναι το μόνο, αποτελεί το βασικό μειονέκτημα που εμφανίζει το ξύλο έναντι άλλων ανταγωνιστικών σε αυτό υλικών, που αντιστρατεύεται σημαντικά τα πλεονεκτήματα του\n79 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ (αισθητική υπεροχή, ανανεώσιμος χαρακτήρας, ποικιλία χρήσεων, μικρή κατανάλωση ενέργειας για τη μεταποίηση του κ.ά.). Το φαινόμενο αντιμετωπίζεται με τεχνικές όπως η αναδιανομή των δομικών στοιχείων του ξύλου, η επικάλυψη με ανθυγροσκοπικές ουσίες η ο εμποτισμός με ουσίες που το διατηρούν σε κατάσταση μόνιμης διόγκωσης. Σε κάθε περίπτωση όμως ο πλέον κατάλληλος τρόπος είναι η εκ των προτέρων ξήρανση του ξύλου, σε υγρασία ανάλογη με αυτή που θα αποκτήσει στο χώρο χρήσης του. Η υγρασία αυτή για τα ελληνικά δεδομένα πρέπει να είναι για εξωτερικές κατασκευές 12-15%, για ημι-υπαίθριες κατασκευές 10-12%, για πατώματα, έπιπλα (εσωτερικές κατασκευές) 89%. Τα παραπάνω αποτελούν το βασικό λόγο ξήρανσης της ξυλείας, ωστόσο δεν είναι και ο μοναδικός, καθώς μια σειρά ακόμη πλεονεκτημάτων ανακύπτουν με την ξήρανση, όπως: μειώνεται το βάρος, οπότε διευκολύνεται κατά πολύ ο χειρισμός και η μεταφορά, η κατεργασία (πλάνισμα, κοπή κ.λπ.) γίνεται καλύτερα, με τη μείωση της υγρασίας αυξάνονται οι μηχανικές ιδιότητες, οπότε η αντοχή του ξύλου σε εξωτερικές δυνάμεις (κάρφωμα, βίδωμα) αυξάνεται, η συγκόλληση και το φινίρισμα (τρίψιμο, βάψιμο) γίνονται επίσης καλύτερα, προσβολές από σηπτικούς - χρωστικούς μύκητες σταματούν, όταν η υγρασία πέσει κάτω από 20%. Σε περίπτωση ξήρανσης με θερμοκρασίες άνω των 50 ο 55 C επέρχεται και αποστείρωση της ξυλείας από μύκητες καιέντομα που τυχόν προϋπήρχαν. Παράλληλα με τα προηγούμενα, ανακύπτουν και οικονομικά κυρίως μειονεκτήματα σχετιζόμενα με την ξήρανση, όπως είναι οι χρονικές καθυστερήσεις μέχρις ότου ολοκληρωθεί η ξήρανση, η δέσμευση κεφαλαίων και χώρων, αυξημένο εργατικό κόστος (για στοίβαξη, αποστοίβαξη, μεταφόρτωση, παρακολούθηση), κόστος αγοράς εξοπλισμού και κόστος λειτουργίας και συντήρησης εγκαταστάσεων ξήρανσης. 70\n80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ 6.5. Μέθοδοι ξήρανσης Τρεις είναι οι βασικοί παράγοντες για την πρόκληση ξήρανσης στο ξύλο: η θερμοκρασία, η σχετική υγρασία και η κίνηση του αέρα που περιβάλλει την ξηραινόμενη ξυλεία Η βασική διάκριση μεταξύ των μεθόδων ξήρανσης είναι αυτή μεταξύ φυσικής και τεχνητής ξήρανσης. Στη φυσική εκμεταλλευόμαστε τη θερμοκρασία, τη σχετική υγρασία και την κίνηση του αέρα του περιβάλλοντος. Στην τεχνητή δημιουργούμε ελεγχόμενες συνθήκες σε κλειστούς θαλάμους, ανάλογα με την ακριβή μέθοδο που ακολουθείται, με αποτέλεσμα η ξήρανση να είναι ταχύτερη και ποιοτικά ελεγχόμενη. Ο ανεξέλεγκτος (γρήγορος) ρυθμός ξήρανσης προκαλεί σφάλματα έως και ολική καταστροφή της ξυλείας, επομένως και η τεχνητή ξήρανση πρέπει να υπακούει σε κάποιους κανόνες. Εξυπακούεται ότι ο ρυθμός (χρόνος) ξήρανσης επηρεάζεται και από το είδος και τις διαστάσεις (πάχος) του ξύλου, την αρχική και την επιθυμητή τελική υγρασία, την αναλογία σομφού - εγκάρδιου ξύλου, τη θέση του ξύλου στη στοιβάδα κ.ά Η φυσική ξήρανση Η φυσική ξήρανση είναι η παλαιότερη και απλούστερη μέθοδος, που παραμένει πάντα σε ευρεία χρήση ειδικά σε χώρες με θερμό - ξηρό κλίμα όπως η δική μας. Αντίθετα, σε χώρες με υγρό - ψυχρό κλίμα αξιοποιείται μόνο στα αρχικά στάδια της ξήρανσης, ως μέθοδος προξήρανσης πριν από την τεχνητή ξήρανση. Η ξυλεία τοποθετείται σε υπόστεγα, σε στοιβάδεςμε διαχωριστικούς πήχεις ανάμεσα σε κάθε στρώση ξύλων και με μικρά διάκενα ανάμεσα σε σανίδες της ίδιας στρώσης, για να κυκλοφορεί απρόσκοπτα ο αέρας. Ως μέθοδος διαρκεί αισθητά περισσότερο από την τεχνητή, γεγονός που προκαλεί δέσμευση κεφαλαίων και χώρων, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι η ξυλεία είναι κατώτερης ποιότητας.\n81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ Στην Ελλάδα και ειδικά τους θερινούς μήνες, η φυσική ξήρανση είναι ταχύτατη. Σε ορισμένες περιοχές με ξηρό κλίμα (π.χ. Αττική) η υγρασία μπορεί να κατέλθει και σε 8%, γεγονός που κάνει την ξυλεία κατάλληλη για κάθε χρήση. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό και με το υψηλό κόστος που απαιτείται για την προμήθεια και λειτουργία εγκαταστάσεων τεχνητής ξήρανσης, έχει ως αποτέλεσμα την υποτίμηση της ανάγκης για προσεκτική και επιμελημένη ξήρανση. Η ξυλεία πολλές φορές παραμένει πρόχειρα και προσωρινά στοιβαγμένη σε ακάλυπτους χώρους, για να στεγνώσει όσο είναι δυνατόν μέχρι να χρησιμοποιηθεί, με αποτέλεσμα άλλοτε να βρέχεται και να επανυγραίνεται, άλλοτε να μένει εκτεθειμένη απ ευθείας στην ηλιακή ακτινοβολία και να δημιουργούνται ραγάδες και στρεβλώσεις στις εξωτερικές στρώσεις κ.ά. Σε παραλλαγή της μεθόδου (δυναμική φυσική ξήρανση) χρησιμοποιούνται ανεμιστήρες μεγάλης διαμέτρου, που διευκολύνουν - επιταχύνουν την κίνηση του αέρα μέσω της στοιβάδας, συμβάλλοντας στην εξάτμιση και απομάκρυνση της υγρασίας Η τεχνητή ξήρανση Στην προκειμένη περίπτωση η ξήρανση πραγματοποιείται σε ειδικά διαμορφωμένους θαλάμους, με έλεγχο των συνθηκών ξήρανσης. Οι σύγχρονοι θάλαμοι είναι κατασκευασμένοι συνήθως από προκατασκευασμένα πλαίσια αλουμινίου με μόνωση. Υπάρχουν όμως σε χρήση και θάλαμοι κατασκευασμένοι από τούβλα και σκυρόδεμα. Η ξυλεία τοποθετείται σε στρώσεις με διαχωριστικούς πήχεις ανάμεσα, χωρίς πλευρικά διάκενα μεταξύ των σανίδων της ίδιας στρώσης. Η ανύψωση της θερμοκρασίας είναι σταδιακή και πραγματοποιείται με την καύση πετρελαίου αλλά και υπολειμμάτων ξύλου, όταν αυτά υπάρχουν σε αρκετές ποσότητες. Η σχετική υγρασία ελέγχεται με ψεκασμό ατμού η νερού (για αύξηση) και ανεμιστήρες εξαερισμού (για μείωση) ενώ η κυκλοφορία του αέρα\n82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ πραγματοποιείται με τη βοήθεια ανεμιστήρων, κατάλληλα τοποθετημένων πάνω η στα πλάγια της στοιβαγμένης ξυλείας. Η όλη διαδικασία ακολουθεί ένα πρόγραμμα ξήρανσης, κατάλληλα διαμορφωμένο για κάθε είδος και πάχος ξύλου. Παλιότερα η εφαρμογή του προγράμματος ξήρανσης βασιζόταν στις παρατηρήσεις και την εμπειρία του χειριστή του ξηραντήριου ενώ σήμερα υπάρχουν πλήρως αυτοματοποιημένα συστήματα ελέγχου της πορείας της ξήρανσης. Μολονότι τα τελευταία χρόνια δίνονται αρκετά κίνητρα στις επιχειρήσεις για επένδυση σε εγκαταστάσεις ξήρανσης, δεν υπερβαίνουν το 10% του συνόλου οι επιχειρήσεις πρωτογενούς κατεργασίας ξύλου στην Ελλάδα που διαθέτουν ξηραντήριο. Οι λόγοι αναφέρθηκαν ήδη ενώ θα πρέπει να προσθέσουμε σε αυτούς και το γεγονός ότι η τεχνητή ξήρανση είναι αρκετά ενεργοβόρος. Υπολογίζεται ότι πάνω από το μισό (60-70%) της απαιτούμενης ενέργειας για την παραγωγή πριστής ξυλείας, καταναλώνεται στη διαδικασία της ξήρανσης, εφόσον η μονάδα διαθέτει εγκαταστάσεις τεχνητής ξήρανσης. Το ξύλο άλλωστε δεν απαιτεί ιδιαίτερα μεγάλα ποσά ενέργειας για τη μεταποίηση του (αισθητά μικρότερα ποσοστά σε σχέση με τα ανταγωνιστικά του υλικά), οπότε η ποσοστιαία συμμετοχή της τεχνητής ξήρανσης εμφανίζεται μεγάλη. Η χρήση του φυσικού αερίου από τις επιχειρήσεις στο προσεχές μέλλον αναμένεται να μειώσει αυτό το κόστος και να αποτελέσει κίνητρο για επενδύσεις στον τομέα της ξηρανσης του ξύλου. Παρότι η συγκεκριμένη μέθοδος βρίσκεται σε εφαρμογή σχεδόν 100 χρόνια και παρά τις όποιες τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα της ξήρανσης, εξακολουθεί να είναι η δημοφιλέστερη μέθοδος τεχνητής ξήρανσης γι αυτό και αποκαλείται και συμβατική τεχνητή ξήρανση. Υπάρχουν σήμερα και άλλες μέθοδοι τεχνητής ξήρανσης, με περιορισμένη διεθνώς και ελάχιστη η και καθόλου διάδοση στη χώρα μας, κυριότερες από τις οποίες είναι η αφύγρανση, η ξήρανση με πολύ υψηλές θερμοκρασίες, η ξήρανση σε κενό, η ξήρανση με υψίσυχνα ρεύματα, η ξήρανση με υψίσυχνα και κενό. 73\n83 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ Όλες σχεδόν απαιτούν αποκλειστική χρήση ηλεκτρικής ενέργειας ή/και ξήρανση μεγάλων ποσοτήτων ξυλείας, πράγμα που δεν προσιδιάζει στα ελληνικά δεδομένα Η ηλιακή ξήρανση Παραλλαγή της συμβατικής τεχνητής ξήρανσης, με αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας που είναι άφθονη στην Ελλάδα, αποτελεί η ηλιακή ξήρανση που έχει δοκιμαστεί επιτυχώς στη χώρα μας τα τελευταία 15 χρόνια από το Ινστιτούτο Μεσογειακών Δασικών Οικοσυστημάτων & Τεχνολογίας Δασικών Προϊόντων (ΙΜΔΟ & ΤΔΠ). Σύμφωνα με τη συγκεκριμένη μέθοδο η απαιτούμενη ενέργεια για την ανύψωση της θερμοκρασίας στο θάλαμο ξήρανσης προέρχεται από την ηλιακή ακτινοβολία και πραγματοποιείται με τη βοήθεια ηλιακών συλλεκτών αέρος. Η λοιπή διαδικασία είναι ανάλογη με αυτήν που ακολουθείται στη συμβατική τεχνητή ξήρανση, από την οποία υπολείπεται στο γεγονός ότι η παροχή ηλιακής ενέργειας είναι από τη φύση της διακοπτόμενη. Αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί εν μέρει με τη χρήση συστημάτων συσσώρευσης ενέργειας στη διάρκεια της ημέρας (π.χ. σκυρόστρωση του δαπέδου μέσα από την οποία κυκλοφορεί ένα μέρος του αέρα), είτε με τη χρήση συμπληρωματικών συστημάτων παροχής ενέργειας (π.χ. καυστήρας υπολειμμάτων ξύλου, σε λειτουργία τις νυχτερινές ώρες και τις νεφοσκεπείς ημέρες). Από το εργαστήριο Τεχνολογίας Δασικών Προϊόντων του ΙΜΔΟ & ΤΔΠ κατασκευάστηκε πειραματικό ηλιακό ξηραντήριο με 5 εξωτερικούς ηλιακούς συλλέκτες αέρα, πλήρως αυτοματοποιημένο στην τελική του μορφή, στο οποίο έγινε ξήρανση ξυλείας 4 Ελληνικών δασοπονικών ειδών (ελάτη, μαύρη πεύκη, οξυά και δρυς) με παράλληλη φυσική ξήρανση ίδιου είδους ξυλείας σε παρακείμενο χώρο, για συγκριτικούς λόγους. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι: Η ηλιακή ξήρανση (όπως είναι λογικό) είναι ταχύτερη τους θερινούς μήνες σε σχέση με τους χειμερινούς, ταυτόχρονα όμως είναι 2 έως 10 φορές ταχύτερη της φυσικής ξήρανσης, ανάλογα με το είδος και το πάχος 74\n84 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ του ξύλου και την εποχή. Η υπεροχή αυτή είναι μεγαλύτερη τους χειμερινούς μήνες σε σύγκριση με το καλοκαίρι. Η ηλιακή ξήρανση είναι 1,4 έως 4,5 φορές βραδύτερη της συμβατικής τεχνητής ξήρανσης στα είδη που εξετάστηκαν. Οι χρονικές διαφορές ήταν μικρότερες τους καλοκαιρινούς μήνες και στα δύσκολα ξηραινόμενα είδη (οξιά, δρυς). Η φυσική ξήρανση δεν μπορεί να κατεβάσει την υγρασία στα ίδια χαμηλά επίπεδα σε σχέση με την ηλιακή. Στα δύσκολα ξηραινόμενα είδη οι διαφορές υπέρ της ηλιακής ξήρανσης ήταν εντονότερες. Η θερμοκρασία στο ηλιακό ξηραντήριο ήταν κατά μέσο όρο 20,4 ψηλότερη από αυτή του περιβάλλοντος. Οι διαφορές θερμοκρασίας θαλάμου περιβάλλοντος είναι εντονότερες το χειμώνα, σε σύγκριση με το καλοκαίρι. Γενικά η θερμοκρασία σε ένα ηλιακό ξηραντήριο επηρεάζεται από την εποχή, τη διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία, τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, την υγρασία του ξύλου, το σχεδιασμό του ξηραντήριου και την ένταση του εξαερισμού. Με κατάλληλο σύστημα ελέγχου στην ηλιακή ξήρανση επιτυγχάνεται καλύτερη ποιότητα ξήρανσης, απ ότι στη φυσική ξήρανση. Η ύπαρξη πηγής ύγρανσης του αέρα στο θάλαμο, παρέχει τη δυνατότητα διόρθωσης των σφαλμάτων που ανακύπτουν λόγο βεβιασμένης ξήρανσης. Υπάρχουν οι δυνατότητες και για απλούστερες κατασκευές ηλιακών ξηραντηρίων από τη συγκεκριμένη, χωρίς εξωτερικούς συλλέκτες και με διαφανή/ημιδαφανή τοιχώματα, με περιορισμένη/καθόλου μόνωση των τοιχωμάτων, αποκαλούμενες γι αυτό «τύπου θερμοκηπίου» «ημιθερμοκηπίου». Υπερτερούν στο μειωμένο κόστος κατασκευής, μειονεκτούν στους χρόνους και τη δυνατότητα πλήρους ελέγχου της πορείας ξήρανσης. Μπορούν ωστόσο να αποτελέσουν λύσεις εκεί που δεν υπάρχουν άλλες δυνατότητες. Σε κάθε περίπτωση η επιμελημένη ξήρανση, στο κατάλληλο - ανάλογα και με την τελική χρήση - ποσοστό υγρασίας, είναι μια διαδικασία η οποία δεν 75\n85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ πρέπει να παραμελείται και συμβάλλει στην καλύτερη αξιοποίηση αυτού του ανεκτίμητου φυσικού πόρου, του ξύλου Η γεωθερμική ξήρανση Οι παραδοσιακές μέθοδοι της ξήρανσης ξυλείας στη Νέα Ζηλανδία ήταν σε μεγάλο βαθμό στοιβάσματα πριστής ξυλείας σε στρώματα σε απόσταση σε εξωτερικούς χώρους, αφήνοντας το ήλιο και τον άνεμο να επιτύχουν την ξήρανση τους κατά τη διάρκεια μιας περιόδου μερικών εβδομάδων το καλοκαίρι και για αρκετά περισσότερο το χειμώνα. Κάποια ξυλεία προ - ξηραινόταν σε υπαίθριους χώρους και στη συνέχεια μειωνόταν η περιεκτικότητα σε υγρασία στο ελεγχόμενο περιβάλλον ενός κλίβανου ξήρανσης. Οι παλαιότερου τύπου κλίβανοι στις ΗΠΑ ήταν η τύπου «Wigwam» ή κωνικού τύπου. Αυτή η διαδικασία είχε ορισμένους περιορισμούς: μεταβλητότητα της υγρασίας από πάνω προς τα κάτω και δεξιά - αριστερά ανάλογα με την έκθεση η θερμοκρασία στον κλίβανο και η τελική περιεκτικότητα σε υγρασία της ξυλείας δεν μπορούσε να ελεγχθεί σωστά στους παλαιότερου τύπου κλιβάνους ξήρανσης, ο ήλιος επιδρούσε στην ξυλεία που βρισκόταν στην κορυφή της στοίβας στην ύπαιθρο, και φαρδιά κομμάτια ξυλείας εμφάνιζαν φαινόμενα στρέβλωσης και το αυξημένο κόστος διαχείρισης και η παρατεταμένη περίοδο ξήρανσης απαιτούσε το υλικό να παραμείνει για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα στην αποθήκη απογραφής. Περίπου 40 χρόνια πριν, ορισμένα από τα μεγαλύτερα πριονιστήρια ξεκίνησαν να κατασκευάζουν κλιβάνους ξήρανσης ξυλείας. Αυτά ήταν συνήθως κατασκευές από τούβλα, τσιμέντο και σκυρόδεμα τοιχοποιίας και θα φιλοξενούσαν από 20 έως 50 m 3 σωρευμένης ξυλείας. Αυτοί οι χώροι θερμαίνονται με ατμό και εναλλάκτες θερμότητας. Οι λειτουργικές θερμοκρασίες ήταν χαμηλές με βαση τα σημερινά δεδομένα, 76\n86 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ δηλαδή συνήθως από 60 έως 70 (80 C κατ 'ανώτατο όριο), γεγονός που είχε ως αποτέλεσμα να απαιτούνται 2-3 εβδομάδες για να στεγνώσει η ξυλεία. Εκείνη την εποχή, οι πόροι ξυλείας ήταν ως επί το πλείστον από εγγενής ποικιλίες και η αργή διαδικασία ξήρανσης ήταν ιδανική, δεδομένου ότι επέτρεπε στην υγρασία να εξαχθεί χωρίς να υποβληθεί η ξυλεία σε βλάβη των κυττάρων και καταπόνηση. Περίπου 20 χρόνια πριν, η τεχνολογία που αναπτύχθηκε με την εισαγωγή της ξήρανσης μέσω «Αφύγρανσης» που χρησιμοποιεί κατά κύριο λόγο ανάστροφες τεχνικές ψύξης παρόμοιες με του κλιματισμού για να αφαιρεθεί η υγρασία από το ξύλο. Το ποσοστό της ξυλείας που αποξηράνθηκε από το σύνολο της ξυλείας που κόπηκε ήταν σχετικά μικρό και η ζήτηση των αποξηραμένων ξύλων ήταν τόση που θα μπορούσε να χρεωθεί ένα premium που έκανε την διαδικασία ξήρανσης μια κερδοφόρα επιχείρηση. Ήταν προφανώς ο πιο γρήγορος και απλός τρόπος να αυξηθεί η αξία του ξυλου, κάτι που ισχύει ακόμη και σήμερα. Πεύκο Radiata: Με την ταχεία μείωση της διαθεσιμότητας των εγγενών ειδών ξυλείας και η διαθεσιμότητα μιας μεγάλης καλλιέργειας πεύκων radiata η διαδικασία ξήρανσης έπρεπε να αλλάξει. Το πεύκο radiata έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά σε σχέση με τα εγγενή είδη, καθώς έχει χαμηλότερη πυκνότητα, είναι γεμάτο κόμπους, και έχει μεγάλη περιεκτικότητα σε υγρασία (εως και 130%). Η βιομηχανία ξηλείας της Νέας Ζηλανδίας πλέον εξαρτάται από αυτόν τον νέο πόρο. Ωστόσο το πεύκο radiata έχει μειονεκτήματα σε σχέση με άλλη ξυλεία που χρησιμοποιείται σε παρόμοιες περιπτωσεις: είναι χαμηλής και μεταβλητής πυκνότητας κατά την συγκομιδή έχει υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία είναι σχετικά χαμηλής αντοχής και κινδυνεύει από μύκητες και επιθέσεις εντόμων αν δεν τύχει σωστής περιποίησης Το Ινστιτούτο Δασικών Ερευνών έχει αναπτύξει τεχνικές και διεργασίες που έχουν λύσει αρκετά από τα προαναφερθέντα προβλήματα: κατάταξη της ξυλείας που έχει κοπεί 77\n87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ προγραμματισμός της ξήρανσης σε κλίβανο μέτρηση και εγγύηση της αντοχής και μία σειρά από προληπτικές θεραπευτικές διαδικασίες. Ο πιο σημαντικός παράγοντας είναι η ξήρανση σε κλίβανο ώστε να μπορέσει να παραχθεί ένα προβλέψιμο προϊόν. Λεπτομέρειες για τον Κλίβανο. Τα δύο βασικά αίτια στην ξήρανση ξυλείας είναι η ρύθμιση σφρίγους και η αποφυγή στρεβλώσεων. Το σφριγος συνήθως ορίζεται στους 57 με 60 και η στρέβλωση αποφεύγεται με την επίτευξη ενιαίου περιεχομένου υγρασίας μέσω του πάχους του ξύλου, κάτι που επιτυγχάνεται καλύτερα σε κλίβανο. Το ποσοστό ξύρανσης ποικίλλει ανάλογα με το είδος της ξυλείας και μειώνεται ( ο χρόνος αυξάνει) σε παχύτερα μεγέθη ξύλου. Οι τεχνικές ξήρανσης σε κλίβανο έχουν αναπτυχθεί σε βαθμό που τα διαφορετικά συστήματα ξήρανσης ακολουθούνται ανάλογα με την τελική χρήση της ξυλείας. Για ξυλεία που χρησιμοποιειται σε εφαρμογές δόμησης η εμφάνιση δεν παίζει ρόλο αρκεί το ξύλο να είναι δυνατό, ίσιο και σταθερό. Αυτές οι παράμετροι μπορούν να επιτευχθούν πρώτων με τη σωστή διαβάθμιση του ξύλου, κατόπιν με την ξήρανση σε αυξανόμενες θερμοκρασιες που επιτρέπουν η ξήρανση να επιτευχθεί σε λιγότερο από 24 ώρες. Συχνά ακολουθεί και μια διαδικασία επεξεργασίας. Για ξυλεία που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή άλλων προϊόντων, όπως δάπεδα, κουφώματα και έπιπλα το ξύλο πρέπει να ξηρανθεί με τέτοιο τρόπο που να αποκλείεται η παρουσία ελαττωμάτων που επηρεάζουν την εμφάνιση. Για την παραγωγή δομικών στοιχείων όπως συνδέσεις/αρμούς και Laminating είναι υψίστης σημασίας η ξυλεία να έχει ξηρανθεί με ακρίβεια και η περιεκτικότητα σε υγρασία ανάμεσα στα κομματια να διαφέρει +/- 1%. Βασικά ένας κλίβανος ξήρανσης ξύλου είναι απλά ένας μεγαλος φούρνος που μπορεί να θερμανθεί και ο θερμός αέρας να κυκλοφορεί για να αφαιρεθεί η υγρασία από το ξυλο και να εξατμιστεί στην ατμόσφαιρα. 78\n88 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ Η πιό δημοφιλής μέθοδος παροχής ενέργειας τα τελευταία χρόνια είναι η παροχή ζεστού νερού σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία σε ένα κλειστό σύστημα με εναλλάκτες θερμότητας στους κλιβάνους και ανεμιστήρες που διανέμουν τον αέρα με ταχύτητες που κυμαίνονται από 5 έως 8 m/s και η θερμοκρασία του κλίβανου κυμαίνεται από 80 ως 140. Η λειτουργία των κλιβάνων μπορεί να είναι απολύτως αυτόματη. Ως πηγή θερμότητας μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ο ατμός. Αν αξιοποιηθεί η γεωθερμική ενέργεια το κόστος υπολογίζεται από NZ$2.00 ως NZ$4.00 ανά m 3 (US$1.00 ως 2.00). Αυτό είναι συνήθως το μισό κόστος σε σχέση με άλλες πηγές ενέργειας, ωστόσο η γεωθερμική ενέργεια δεν είναι παντού διαθέσιμη. Κλίβανος ξήρανσης Kawerau. O γεωθερμικός κλίβανος ξήρανσης στο εργοστάσιο πολτού και χαρτιού Tasman στο Kawerau χειρίζεται από την Fletcher Challenge Forest. Αυτός ο κλίβανος χρησιμοποιεί 10 Bar γεωθερμικού ατμού σε θερμοκρασία εισόδου 180 που στον κλίβανο παράγει Εικόνα Στοιβαγμένη ξυλεία προς ξήρανση Το πεύκο Radiata σε παρτίδες των 80 ως 100 μεταφέρεται στον κλίβανο με τρία φορτηγά που κινούνται σε σιδηροτροχιά. Κάθε στρώμα ξυλείας χωρίζεται τοποθετώντας τα κομμάτια σε απόσταση 2 cm. Στον κλίβανο η υγρασία μειώνεται από 150 σε 10% σε 2 ώρες. Ανεμιστήρες με διάμετρο 2 m παράγουν 9 m/s άερα μέσα από σωλήνες εναλλάκτες θερμότητας. Η κατευθυνση της κυκλοφορίας αντιστρέφεται από υπολογιστή κάθε 1.5 ώρα.\n89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο : ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ ΓΕΩΘΕΡΜΙΑΣ ΣΤΑ ΞΗΡΑΝΤΗΡΙΑ Στη συνέχεια, η ξυλεία περνά για 2 ώρες στο στάδιο ψύξης και τέλος σε διάστημα 6 ως 8 ωρών φτάνει τους o C βαθμούς Κελσίου, γεγονός που αλλάζει την περιεκτικότητα υγρασίας από 10 σε 20%. Έτσι δημιουργείται ομοιομορφη περιεκτικότητα σε υγρασία σε κάθε κομμάτι ξυλείας. Κατόπιν χρησιμοποιείται ένα στρώμα βακτηρίων για να καθαριστεί το υδροθείο από τον γεωθερμικό ατμό μετά το πέρασμα από τους εναλλακτες θερμότητας Μια τυπική αποξηραμένη ξυλεία έχει διάμετρο 2 4 (5 10 cm), ωστόσο αν είναι πιό φαρδύ το ξύλο απαιτείται χαμηλότερη θερμοκρασία 120 o C βαθμών και περισσότερος χρόνος. 80 Σχήμα 6.2. Τυπικός κλίβανος ξηράνσεως Ξυλείας (Νέα Ζηλανδία) 1. Ανεμιστήρας Αλουμινίου Ρυθμιζόμενης κλίσης, 2. Εξαερισμός, 3. Πλευρικό διάφραγμα αέρα (αλουμίνιο), 4. Νερό για παραγωγή υγρασίας, 5. Κατακόρυφο ρυθμιζόμενο διάφραγμα αέρα (αλουμίνιο), 6. Πτερύγια θερμότητας (διμεταλλικό αλουμίνιο ) σωληνών εναλλάκτη