कृषि उपज के अभियांत्रिक गुण, नमी व आर्द्रतामिति, शुष्कन तथा वाष्पन
2. नमी अंश, और आर्द्रतामिति — नम वायु के गुण
नमी अंश आर्द्र आधार पर, M_wb = W_w/(W_w + W_d), जैसा व्यापारी व श्रेणीकर्ता करते हैं, या शुष्क आधार पर, M_db = W_w/W_d, जैसा शुष्कन गणनाएँ करती हैं क्योंकि शुष्क पदार्थ स्थिर रहता है, बताया जाता है। वे M_db = M_wb/(1 − M_wb) व M_wb = M_db/(1 + M_db) से बदलते हैं: 20 प्रतिशत आर्द्र आधार, 25 प्रतिशत शुष्क आधार है। द्रव्यमान W_i को M_i से M_f तक (दोनों आर्द्र आधार, प्रतिशत) सुखाने में हटाया गया जल W_i(M_i − M_f)/(100 − M_f) है: 25 से 14 प्रतिशत तक सुखाया गया 1000 kg धान 1000 × 11/86 = 127.9 kg खोता है — 110 kg नहीं, क्योंकि प्रतिशत एक घटते कुल का है।
आर्द्रतामिति नम वायु को कुल दाब p पर शुष्क वायु व जलवाष्प के मिश्रण के रूप में, प्रत्येक एक आदर्श गैस, मानती है। आर्द्रता अनुपात (विशिष्ट आर्द्रता) W = 0.622 p_v/(p − p_v) kg जल प्रति kg शुष्क वायु है, जहाँ p_v वाष्प का आंशिक दाब है; सापेक्ष आर्द्रता φ = p_v/p_s है, p_s शुष्क-बल्ब ताप पर संतृप्ति दाब; ओसांक वह ताप है जिस पर p_v वायु को संतृप्त कर देता; और प्रति kg शुष्क वायु एन्थैल्पी h = 1.005t + W(2501 + 1.88t) kJ/kg है, t °C में। p = 101.325 kPa पर p_v = 2.0 kPa के साथ W = 0.622 × 2/99.325 = 0.0125; यदि 30 °C शुष्क-बल्ब ताप पर संतृप्ति दाब 4.246 kPa दिया हो, तो φ = 47.1 प्रतिशत; और W = 0.0125 पर h = 30.15 + 0.0125 × 2557.4 = 62.1 kJ/kg शुष्क वायु। आर्द्रतामापी से आर्द्र-बल्ब ताप वायु–जल मिश्रणों हेतु रुद्धोष्म-संतृप्ति ताप के बहुत निकट है।
| प्रक्रम | क्या स्थिर रहता है | क्या बदलता है |
|---|---|---|
| संवेद्य तापन (वायु तापक) | आर्द्रता अनुपात W व ओसांक | शुष्क-बल्ब बढ़ता, सापेक्ष आर्द्रता घटती — वायु की शुष्कन क्षमता बढ़ती |
| संवेद्य शीतलन (ओसांक से ऊपर) | आर्द्रता अनुपात W | शुष्क-बल्ब घटता, सापेक्ष आर्द्रता बढ़ती |
| ओसांक से नीचे शीतलन | — (जल संघनित होता है) | शुष्क-बल्ब व W दोनों घटते; विआर्द्रीकरण |
| परत से होकर जाती शुष्कन वायु (रुद्धोष्म) | लगभग आर्द्र-बल्ब ताप (एन्थैल्पी लगभग स्थिर) | वायु के जल उठाने पर शुष्क-बल्ब घटता, W व सापेक्ष आर्द्रता बढ़ती |
3. शुष्कन बलगतिकी, शुष्कक, तथा अनाजों, दालों व तिलहनों का शुष्कन व मिलिंग
नम ठोस पहले स्थिर दर पर सूखता है, जब तक उसकी सतह गीली रहती है और वाष्पन वायु से ऊष्मा व द्रव्यमान स्थानांतरण से सीमित होता है, और फिर — क्रांतिक नमी अंश X_c से नीचे — घटती दर पर, क्योंकि नमी को भीतर से विसरित होना पड़ता है। यह साम्य नमी अंश (EMC) की ओर जाता है, वह नमी जिस पर वह दिए गए ताप व सापेक्ष आर्द्रता की वायु में न जल लेता है न खोता है (शोषण समतापियों और हेंडरसन जैसे समीकरणों से वर्णित)। अधिकांश अनाज लगभग पूर्णतः घटती-दर अवधि में सूखते हैं। शुष्कन समय, W_s शुष्क-ठोस द्रव्यमान, A शुष्कन क्षेत्रफल व N_c स्थिर दर (kg/m²·h) के साथ, स्थिर-दर अवधि हेतु t_c = W_s(X₀ − X_c)/(AN_c) और, जब घटती दर X_e तक X में रैखिक हो, t_f = [W_s(X_c − X_e)/(AN_c)] ln[(X_c − X_e)/(X − X_e)] हैं। 2 m² पर 2.5 kg/m²·h से X₀ = 0.6 से X_c = 0.3 तक 50 kg शुष्क ठोस हेतु t_c = 3 h; X_e = 0.05 के साथ X = 0.1 तक आगे घटने में और 2.5 ln 5 = 4.02 h लगते हैं।
अनाज का पतली-परत शुष्कन नमी अनुपात MR = (M − M_e)/(M₀ − M_e) से वर्णित होता है। लुईस (न्यूटन) प्रतिरूप MR = e^(−kt) शुष्कन को न्यूटनी शीतलन की भाँति मानता है, और पेज प्रतिरूप MR = e^(−ktⁿ) बेहतर बैठाने हेतु एक घातांक जोड़ता है। k = 0.2 h⁻¹ के साथ 5 h बाद MR = e⁻¹ = 0.368, और M_e = 10 प्रतिशत के साथ 30 प्रतिशत शुष्क आधार से अनाज 10 + 20 × 0.368 = 17.4 प्रतिशत पर पहुँचता है। गहरी-परत शुष्कन पतली परतों का ढेर है: शुष्कन अग्र परत में ऊपर चलता है, तल अधिक सूख जाता है जबकि शीर्ष गीला रह सकता है, इसीलिए गहरी परतों को हिलाया, उलटा या उथला रखा जाता है।
| शुष्कक | कैसे कार्य करता है | उपयुक्त |
|---|---|---|
| समतल-परत / ट्रे (बैच) | स्थिर परत से होकर, या उत्पाद की ट्रे के पार गर्म वायु | अनाज के छोटे लॉट; फल व सब्ज़ियाँ |
| सतत-प्रवाह (मिश्रणकारी, जैसे LSU; अमिश्रणकारी स्तंभी) | अनाज गुरुत्व से गर्म-वायु क्षेत्रों से होकर नीचे बहता है | बड़ी अनाज मात्राएँ; टेम्परिंग सहित धान |
| पुनःपरिसंचारी बैच | अनाज को बार-बार शुष्कन क्षेत्र से घुमाया जाता है | धान का एकसमान शुष्कन |
| ड्रम | भाप-तापित घूमते ड्रम पर पतली परत, चाकू से खुरची जाती | प्यूरी, फ़्लेक, पेस्ट |
| फुहार (स्प्रे) | गर्म वायु में कणित द्रव (घूर्णी चक्र या नोज़ल) सेकंडों में सूखता है; चक्रवात में चूर्ण अलग | दूध, कॉफ़ी, अंडा चूर्ण — ऊष्मा-संवेदी द्रव |
| हिम | निर्वात में, जल के त्रिक बिंदु (लगभग 611 Pa, 0.01 °C) से नीचे, जमे उत्पाद की बर्फ़ ऊर्ध्वपातित होती है | उच्चतम गुणवत्ता व पुनर्जलीकरण; सबसे महँगा |
परासरणी निर्जलीकरण फल या सब्ज़ी के टुकड़ों को सांद्र शर्करा या लवण विलयन में भिगोता है, परासरण से जल हटाते हुए कुछ विलेय प्राप्ति के साथ, प्रायः वायु या हिम-शुष्कन से पहले पूर्व-उपचार के रूप में। जलतापीय उपचार — भिगोना, भाप देना व सुखाना — धान का उसनाकरण (parboiling) है: यह स्टार्च को जिलेटिनित करता है, दरारें बंद करता है, पोषक तत्वों को चोकर से भ्रूणपोष में ले जाता है और साबुत-चावल लब्धि बढ़ाता है। धान की मिलिंग सफ़ाई, छिलका उतारना (रबर-रोल या अंडर-रनर डिस्क शेलर; भूसी धान द्रव्यमान का लगभग पाँचवाँ भाग है), धान पृथक्करण, पॉलिशिंग (श्वेतन) व श्रेणीकरण है; साबुत चावल (पूरे दाने) मिलिंग गुणवत्ता का माप है। दाल मिलिंग पूर्व-उपचार (तेल व पानी, या सुखाना) से छिलका ढीला करती है और फिर दाने का छिलका उतारकर उसे दलती है (दाल)। तिलहनों को साफ़ किया जाता है, छिलका उतारा जाता है, ऊष्मा व नमी से अनुकूलित किया जाता है, और पेंच एक्सपेलरों में दबाया जाता है, फिर खली का अवशिष्ट तेल पाने हेतु विलायक-निष्कर्षण (हेक्सेन) किया जाता है।
4. द्रव खाद्यों का सांद्रण: वाष्पित्र
वाष्पन द्रव खाद्य — रस, दूध, शर्करा विलयन — को जल उबालकर निकालते हुए सांद्रित करता है, प्रायः निर्वात में ताकि वह कम ताप पर उबले और अपना रंग, स्वाद व पोषक तत्व बनाए रखे। प्रकार हैं खुला पैन (सरल, धीमा, ऊष्मा-क्षतिकारी), लघु-नली ऊर्ध्वाधर (कैलेंड्रिया) वाष्पित्र, दीर्घ-नली चढ़ती-परत व गिरती-परत वाष्पित्र (कम निवास समय, दूध व रस जैसे ऊष्मा-संवेदी द्रवों हेतु सामान्य चयन), श्यान या परत बनाने वाले द्रवों हेतु बल-परिसंचरण वाष्पित्र, प्लेट वाष्पित्र, और अति श्यान उत्पादों हेतु विलोडित (पोंछी) पतली-परत वाष्पित्र। एक प्रभाव पर ऊष्मा संतुलन m_s λ_s = F c_p(T₁ − T_F) + Vλ है, और स्थानांतरित ऊष्मा q = UA ΔT है। भाप मितव्ययिता — प्रति kg भाप वाष्पित जल का kg — एकल प्रभाव हेतु 1 से थोड़ी कम है; बहु-प्रभाव वाष्पन में एक प्रभाव की वाष्प अगले को कम दाब पर गर्म करती है, जिससे मितव्ययिता लगभग प्रभावों की संख्या के अनुपात में बढ़ती है (2000 kg/h भाप से 3600 kg/h वाष्पित करना 1.8 की मितव्ययिता है)। घुले ठोसों से क्वथनांक उन्नयन द्रव के सांद्र होने के साथ उपलब्ध तापांतर घटाता है।
मुख्य बिंदु
- गोलीयता = (abc)^(1/3)/a; ढेर की सरंध्रता = 1 − ρ_b/ρ_t।
- M_db = M_wb/(1 − M_wb); हटाया गया जल = W_i(M_i − M_f)/(100 − M_f), आर्द्र-आधार प्रतिशतों पर।
- W = 0.622p_v/(p − p_v); φ = p_v/p_s; h = 1.005t + W(2501 + 1.88t) — दिए गए दाबों से निकाला गया, स्मृति के चार्ट से नहीं।
- संवेद्य तापन W स्थिर रखता व RH घटाता है; परत से होकर जाती शुष्कन वायु लगभग स्थिर आर्द्र-बल्ब ताप की रेखा पर चलती है।
- t_c = W_s(X₀ − X_c)/(AN_c); रैखिक घटती दर एक लघुगणक जोड़ती है; पतली-परत MR = e^(−kt)।
- भाप मितव्ययिता = वाष्पित जल/प्रयुक्त भाप, बहु-प्रभावों से बढ़ती है; हिम-शुष्कन त्रिक बिंदु से नीचे बर्फ़ ऊर्ध्वपातित करता है।
अभ्यास प्रश्न (14)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
एक अनाज नमूने का नमी अंश आर्द्र आधार पर 20 प्रतिशत है। शुष्क आधार पर उसका नमी अंश, प्रतिशत में, क्या है?
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उत्तर: 25
M_db = M_wb/(1 − M_wb) = 0.20/0.80 = 0.25 = 25 प्रतिशत: 80 g शुष्क पदार्थ के साथ 20 g जल। उलटी दिशा, 20/(1 + 0.20) = 16.7 प्रतिशत, शुष्क आधार को आर्द्र आधार में बदलती है और उलटे प्रश्न का उत्तर देती है।25 प्रतिशत नमी (आर्द्र आधार) पर 1000 kg धान को 14 प्रतिशत (आर्द्र आधार) तक सुखाया जाता है। कितना जल हटाया जाता है, kg में (एक दशमलव स्थान तक)?
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उत्तर: 127.9
शुष्क पदार्थ = 1000 × 0.75 = 750 kg; अंतिम द्रव्यमान = 750/0.86 = 872.1 kg; हटाया जल = 1000 − 872.1 = 127.9 kg, जो 1000 × (25 − 14)/(100 − 14) के समान है। प्रतिशत घटाना (110 kg) यह उपेक्षित करता है कि 14 प्रतिशत छोटे अंतिम द्रव्यमान का है।101.325 kPa कुल दाब पर नम वायु का जलवाष्प आंशिक दाब 2.0 kPa है। उसका आर्द्रता अनुपात, kg जल प्रति kg शुष्क वायु में (चार दशमलव स्थानों तक), क्या है?
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उत्तर: 0.0125
W = 0.622 p_v/(p − p_v) = 0.622 × 2.0/(101.325 − 2.0) = 1.244/99.325 = 0.0125। शुष्क-वायु आंशिक दाब के बजाय कुल दाब से भाग देने पर 0.01228, और 0.622 (जल व वायु के मोलर द्रव्यमानों का अनुपात) छोड़ने पर 0.0201 आता है।30 °C शुष्क-बल्ब ताप पर वायु का वाष्प आंशिक दाब 2.0 kPa है। 30 °C पर संतृप्ति वाष्प दाब 4.246 kPa दिया है। उसकी सापेक्ष आर्द्रता, प्रतिशत में (एक दशमलव स्थान तक), क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 47.1
φ = p_v/p_s = 2.0/4.246 = 0.471 = 47.1 प्रतिशत। आर्द्रता अनुपातों का अनुपात (संतृप्ति की कोटि) निकट है परंतु बराबर नहीं; कुल दाब से भाग देने पर 2 प्रतिशत आता है, जो सापेक्ष आर्द्रता है ही नहीं।30 °C पर नम वायु का आर्द्रता अनुपात 0.0125 kg/kg शुष्क वायु है। h = 1.005t + W(2501 + 1.88t) प्रयोग करते हुए, उसकी एन्थैल्पी, kJ प्रति kg शुष्क वायु में (एक दशमलव स्थान तक), क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 62.1
h = 1.005 × 30 + 0.0125 × (2501 + 1.88 × 30) = 30.15 + 0.0125 × 2557.4 = 30.15 + 31.97 = 62.1 kJ/kg शुष्क वायु। गुप्त पद 2501 छोड़ने पर केवल 30.9 kJ/kg आता है, वाष्प द्वारा वहन अधिकांश ऊर्जा छूट जाती है।30 प्रतिशत (शुष्क आधार) प्रारंभिक नमी अंश वाले अनाज को पतली परत में ऐसी वायु में सुखाया जाता है जिसमें उसका साम्य नमी अंश 10 प्रतिशत (शुष्क आधार) है। शुष्कन MR = e^(−kt), k = 0.2 h⁻¹, का पालन करता है। 5 h बाद उसका नमी अंश, प्रतिशत शुष्क आधार में (एक दशमलव स्थान तक), क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 17.4
MR = e^(−0.2 × 5) = e^(−1) = 0.368। M = M_e + MR(M₀ − M_e) = 10 + 0.368 × 20 = 17.4 प्रतिशत। MR को पूरे 30 प्रतिशत पर लगाना (30 × 0.368 = 11.0) भूलता है कि अनाज M_e की ओर सूखता है, शून्य की ओर नहीं।एक ट्रे शुष्कक 2 m² शुष्कन क्षेत्रफल पर 50 kg शुष्क ठोस रखता है। स्थिर शुष्कन दर 2.5 kg/(m²·h) है। ठोस को 0.6 से 0.3 के क्रांतिक नमी अंश (kg जल प्रति kg शुष्क ठोस) तक सुखाने में कितने घंटे लगते हैं?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 3
t_c = W_s(X₀ − X_c)/(AN_c) = 50 × 0.3/(2 × 2.5) = 15/5 = 3 h। शुष्क ठोस के बजाय कुल गीला द्रव्यमान लेना हटाए जाने वाले जल को बढ़ा देता है; क्षेत्रफल भूलने पर 6 h आता है।वही ठोस (50 kg शुष्क ठोस, 2 m², स्थिर दर 2.5 kg/(m²·h), क्रांतिक नमी 0.3) घटती-दर अवधि में सूखता है, दर 0.05 के साम्य नमी तक नमी अंश में रैखिक है। 0.1 तक पहुँचने में घटती-दर अवधि कितने घंटे लेती है (दो दशमलव स्थानों तक)?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 4.02
t_f = [W_s(X_c − X_e)/(AN_c)] ln[(X_c − X_e)/(X − X_e)] = [50 × 0.25/5] ln(0.25/0.05) = 2.5 × ln 5 = 2.5 × 1.609 = 4.02 h। घटती अवधि को स्थिर दर पर मानने से 50 × 0.2/5 = 2 h आता है — बहुत कम, क्योंकि दर घटती रहती है।एक अनाज दाने की मुख्य विमाएँ 6 mm, 4 mm व 3 mm हैं। उसकी गोलीयता (तीन दशमलव स्थानों तक) क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 0.693
गुणोत्तर-माध्य व्यास = (6 × 4 × 3)^(1/3) = 72^(1/3) = 4.160 mm; गोलीयता = 4.160/6 = 0.693। समांतर माध्य (4.33 mm) लेने पर 0.722, और सबसे छोटी विमा से भाग देने पर 1 से अधिक मान आता है, जो किसी गोलीयता का नहीं हो सकता।एक डिब्बे में गेहूँ का स्थूल घनत्व 800 kg/m³ व वास्तविक (दाना) घनत्व 1250 kg/m³ है। ढेर की सरंध्रता, प्रतिशत में, क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 36
ε = 1 − ρ_b/ρ_t = 1 − 800/1250 = 1 − 0.64 = 0.36 = 36 प्रतिशत। अनुपात 0.64 स्वयं ठोस अंश है, उत्तर का पूरक।एक द्वि-प्रभाव वाष्पित्र 2000 kg/h भाप प्रयोग करते हुए रस से 3600 kg/h जल हटाता है। उसकी भाप मितव्ययिता क्या है?
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 1.8
मितव्ययिता = वाष्पित जल/प्रयुक्त भाप = 3600/2000 = 1.8, ऊष्मा हानियों व भरण की संवेद्य ऊष्मा के कारण दो प्रभावों के आदर्श 2 से थोड़ी कम। अनुपात उलटने (0.56) पर प्रति kg जल भाप, अर्थात् भाप खपत, मिलती है।हिम-शुष्कन में जमे उत्पाद से जल मुख्यतः किसके द्वारा हटाया जाता है?
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उत्तर: A — निर्वात में, जल के त्रिक बिंदु से नीचे बर्फ़ का ऊर्ध्वपातन
त्रिक बिंदु (लगभग 611 Pa व 0.01 °C) के नीचे द्रव जल अस्तित्व में नहीं रह सकता, अतः बर्फ़ सीधे वाष्प बनती है; उत्पाद अपनी संरचना बनाए रखता है और भली-भाँति पुनर्जलीकृत होता है। परासरण परासरणी निर्जलीकरण का और गर्म ड्रम ड्रम शुष्कन का वर्णन करता है — दोनों द्रव-प्रावस्था निष्कासन।खाद्य पदार्थों के प्रवाह व्यवहार के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: B — n < 1 वाला घात-नियम तरल अपरूपण-तनुकारी (आभासी-सुघट्य) है; C — बिंघम सुघट्य तब तक नहीं बहता जब तक पराभव प्रतिबल पार न हो; D — न्यूटनी तरल n = 1 वाला घात-नियम तरल है
τ = Kγ̇ⁿ हेतु आभासी श्यानता Kγ̇ⁿ⁻¹ है: n < 1 (आभासी-सुघट्य) पर यह अपरूपण दर के साथ घटती है और n > 1 (विस्फारी) पर बढ़ती है, अतः पहला कथन असत्य है। बिंघम सुघट्य को बहने हेतु τ > τ₀ चाहिए, और n = 1 न्यूटनी τ = μγ̇ लौटा देता है।आर्द्रतामितीय प्रक्रमों के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — संवेद्य तापन आर्द्रता अनुपात अपरिवर्तित छोड़ता है; C — गीली अनाज परत से रुद्धोष्म रूप से गुज़रती वायु लगभग स्थिर आर्द्र-बल्ब ताप की रेखा पर चलती है; D — संवेद्य तापन के दौरान ओसांक नहीं बदलता
बिना जल जोड़े गर्म करने से W — और इसलिए वाष्प दाब व ओसांक — स्थिर रहते हैं, जबकि p_s बढ़ता है, अतः सापेक्ष आर्द्रता घटती है; इसीलिए गर्म वायु सुखाती है। रुद्धोष्म वाष्पनी शुष्कन लगभग स्थिर एन्थैल्पी पर, आर्द्र-बल्ब रेखा के अनुदिश, संवेद्य को गुप्त ऊष्मा में बदलता है। दूसरे कथन में दिशा उलटी है।