Wprowadzenie

Wysoka czystość i higiena pomieszczeń produkcyjnych i maszyn do produkcji stosowanych w przemyśle spożywczym czy farmaceutycznym minimalizuje ryzyko zanieczyszczeń mikrobiologicznych, chemicznych i fizycznych, bezpośrednio przekłada się na bezpieczeństwo żywności i zmniejsza ryzyko zakażeń bakteryjnych.

Dlatego w cyklu pracy każdego zakładu związanego z produkcją żywności i leków są przewidziane okresy wyłączenia pomieszczeń z produkcji, przeznaczone na mycie i dezynfekcję.

W dzisiejszym artykule zajmiemy się wpływem temperatury nawiewu i ilości powietrza wentylacyjnego na wydajność osuszania pomieszczeń produkcyjnych branży spożywczej po myciu tych pomieszczeń.

Mycie pomieszczeń produkcyjnych

W procesach produkcyjnych branży spożywczej stałym elementem w cyklu produkcji jest czas mycia i dezynfekcji. Podczas produkcji z czasem następuje zabrudzenie pomieszczeń i maszyn zarówno odpadowym materiałem organicznym używanym do produkcji jak również zanieczyszczeniami pochodzącymi od ludzi (np. obuwia), a także wody używanej w procesach produkcyjnych. Wszystko to sprawia, że koniecznością jest zaplanowanie cyklicznego czasu, w którym pomieszczenia są wyłączane z produkcji i opróżniane z surowców do produkcji, a maszyny są rozbierane i wszystko podlega cyklicznemu myciu i dezynfekcji.

Procesy mycia pomieszczeń i urządzeń produkcyjnych generują znaczne ilości pary wodnej, oraz pozostałości wody, która musi zostać efektywnie usunięta. Jednym z najważniejszych czynników wpływających na skuteczność osuszania jest temperatura i wilgotność powietrza.

Przywrócenie do produkcji pomieszczeń i maszyn po takim gruntowym myciu wymaga usunięcia w krótkim czasie dużych ilości wody, które mogą pozostawać zarówno na urządzeniach, jak i ścianach, sufitach i podłogach, gdyż ich zaleganie może stać się nowym źródłem powstawania niekorzystnych zjawisk.

W niniejszym artykule omawiamy wpływ temperatury, wilgotności i ruchu powietrza na szybkość parowania i efektywność odprowadzania wilgoci.

Dlaczego szybkość parowania rośnie wraz z podwyższaniem temperatury?

Parowanie zachodzi w każdej temperaturze, jednak wraz ze wzrostem temperatury rośnie prędkość parowania. Zjawisko to wykorzystujemy powszechnie w praktyce, np. gdy rozwieszamy pranie w pobliżu źródeł ciepła.

Z punktu widzenia fizycznego parowanie to proces przejścia cząsteczek wody z powierzchni cieczy do powietrza. Cząsteczki wody w cieczy nieustannie poruszają się i zderzają, posiadając energię kinetyczną. Aby cząsteczka wody mogła opuścić powierzchnię cieczy, czyli „wyparować”, musi mieć dostatecznie dużą energię kinetyczną aby pokonać siły przyciągania tej cząsteczki przez inne cząsteczki. Jeżeli cząsteczka ma dostateczną energię kinetyczną do tego, aby znaleźć się poza zasięgiem działania sił molekularnych, to „wyparuje”, czyli opuści powierzchnię cieczy.

Proces parowania wymaga dostarczenia energii w postaci ciepła parowania, które pochodzi z cieczy. W wyniku tego ciecz traci część swojej energii, co prowadzi do jej ochłodzenia.

Wyższa temperatura zwiększa energię kinetyczną cząsteczek wody, co ułatwia ich odrywanie się od powierzchni.

Tak więc wzrost temperatury jest równoważny ze wzrostem średniej energii kinetycznej cząsteczek, a więc  w wyższej temperaturze będzie więcej cząsteczek, które będą miały wystarczającą energię kinetyczną by pokonać siłę oddziaływania pozostałych cząsteczek i do wyparowania.

Kolejnym kluczowym czynnikiem jest wilgotność względna powietrza. Powietrze o niższej wilgotności względnej łatwiej pochłania parę wodną, co przyspiesza proces osuszania. Jednakże nawet przy optymalnej wilgotności powietrza efektywność parowania może być ograniczona, jeśli temperatura powietrza jest zbyt niska, lub nie ma ruchu powietrza przy powierzchni cieczy.

Wpływ temperatury na zawartość pary wodnej

Drugim elementem związanym z temperaturą jest zależność opisana na wykresie Molliera.

Wyższe temperatury zwiększają pojemność powietrza dla pary wodnej, co oznacza, że cieplejsze powietrze może przenosić większą ilość pary wodnej bez osiągania stanu nasycenia.

Na przykład przy temperaturze 10°C powietrze może pomieścić około 9,4 g/m³ pary wodnej,  przy 20°C wartość ta wzrasta do 17,5 g/m³, a przy 30°C do blisko 31 g/m3.

Wpływ temperatury na efektywność osuszania w praktyce

W zakładach spożywczych, gdzie podczas produkcji stosuje się niskie temperatury zapobiegające szybkiemu psuciu się produktów spożywczych, podgrzewanie powietrza stosowane jest często w celu przyspieszenia procesu osuszania po myciu pomieszczeń. Wyższa temperatura nawiewu powoduje szybsze odparowanie wilgoci z powierzchni oraz jej skuteczniejsze usunięcie z powietrza.

Optymalne temperatury dla procesu osuszania muszą uwzględniać jednak nie tylko samą szybkość odparowania dostatecznej ilości wody i skroplin pozostałych po procesach mycia, ale również szybkość przywrócenia potem temperatury właściwej dla procesu produkcji która najczęściej kształtuje się na poziomie kilku-kilkunastu stopni. Z tego punktu widzenia optymalne temperatury osuszania mieszczą się zazwyczaj w przedziale od 20°C do 30°C, co pozwala na uzyskanie zadowalającej efektywności osuszania, bez nadmiernego zużycia energii, oraz zapewnić szybkie przywrócenie niskiej temperatury właściwej dla cyklu produkcji,

Wpływ ilości powietrza na skuteczność odprowadzania wilgoci

Powietrze z wysoką zawartością pary wodnej przejętej z procesów parowania powinno zostać szybko zastąpione powietrzem o niższej zawartości pary wodnej, aby „zrobić miejsce” do odparowania kolejnym cząsteczkom wody.

Zatem drugim najważniejszym czynnikiem wpływającym na wydajność osuszania jest ilość wymian powietrza wpływająca na ruch powietrza w strefie przypowierzchniowej oraz określająca nam maksymalne możliwości „transportu” pary wodnej poza pomieszczenie.

Jak dokładnie działa ten mechanizm?

Usuwanie nasyconej warstwy granicznej

Gdyby nie było wymiany powietrza z czasem w takim zamkniętym układzie ustaliłaby się równowaga dynamiczna w której proces parowania osiągnąłby równowagę z procesem kondensacji, gdzie liczba cząsteczek parujących równałaby się liczbie cząsteczek kondensujących.

Nad powierzchnią cieczy powstałaby warstwa powietrza nasycona parą wodną, co spowalniałoby, lub całkowicie zachamowałoby dalsze parowanie. Ruch powietrza usuwa tę warstwę zastępując ją nową, o niższej zawartości pary, umożliwiając dalej efektywne odprowadzanie pary i przyspieszając parowanie.

Zatem wymiana powietrza zapewnia trwanie procesu parowania

Podsumowanie

Temperatura powietrza jest jednym z kluczowych czynników determinujących skuteczność osuszania w zakładach spożywczych. Wyższe temperatury zwiększają zdolność powietrza do absorpcji wilgoci, przyspieszają proces parowania oraz poprawiają efektywność wentylacji. W drugiej części artykułu przedstawimy praktyczne przykłady obliczeń i symulacje dla różnych scenariuszy osuszania.