KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2 báo cáo THỰC HÀNH sấy đối lưu

So sánh và đánh giá sự khác nhau giữa quá trình sấy thực tế và quá trình sấy lý thuyết.Khảo sát quá trình sấy đối lưu bằng thực nghiệm gồm: + Xây dựng được đường cong sấy và đường cong t

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

THIÊN THANH TRÚC

* TÓM TẮT

Sấy là quá trình dùng nhiệt để làm bốc hơi ẩm ra khỏi vật liệu rắn hoặc lỏng Với mục đíchgiảm bớt khối lượng của vật liệu, tăng độ bền cho vật liệu, (gốm, sứ, gỗ, ) và để bảoquản trong một thời gian dài, nhất là đối với lượng thực và thực phẩm

Bản chất của quá trình sấy là quá trình khuyếch tán do chênh lệch độ ẩm ở bề mặt và bêntrong của vật liệu, nói cách khác là do chênh lệch áp suất hơi riêng phần ở bề mặt vật liệu

và môi trường xung quanh Sấy là quá trình không ổn định, độ ẩm vật liệu thay đổi theokhông gian và thời gian sấy

Khảo sát sự biến đổi thông số không khí ẩm và vật liệu sấy của quá trình sấy lý thuyết.Xác định lượng không khí khô cần sử dụng và lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy lýthuyết

So sánh và đánh giá sự khác nhau giữa quá trình sấy thực tế và quá trình sấy lý thuyết.Khảo sát quá trình sấy đối lưu bằng thực nghiệm gồm:

+ Xây dựng được đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy

+ Xây dững các thông số sấy: tốc độ sấy đẳng tốc, độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng, thời gian sấy đẳng tốc và giảm tốc

+ Đánh giá sai số của quá trình sấy

Qua đó cho người học biết được về cách vận hành máy sấy và cũng như các thông số cótrên máy, để người học có thể nắm được những kiến thức nền cũng như kiến thức chuyênmôn trong bài sấy này, để có thể vận dụng tốt vào trong các ứng dụng của đời sống trongviệc sấy các lượng thực và thực phẩm tương Và nó rất quan trọng đối với sinh viên ngànhcông nghệ thực phẩm trong việc nghiên cứu và áp dụng các quy trình sấy vào trong các sảnphẩm do mình tạo ra để phục vụ cho cuộc sống hằng ngày của con người

8.1 Giới thiệu

Sấy là quá trình tách pha lỏng ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt

Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái pha củapha lỏng trong vật liệu thành hơi Hầu hết các vật liệu trong quá trình sản xuất đều chứapha lỏng là nước và thường được gọi là ẩm Vậy trong thực tế có thể xem sấy là quá trìnhtách ẩm bằng phương pháp nhiệt

Sấy đối lưu là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với không khí, khói lò,

… gọi chung là tác nhân sấy

Quá trình sấy được khảo sát về hai mặt: tĩnh lực học và động lực học

Nghiên cứu về tĩnh lực học quá trình sấy nhằm xác định mối quan hệ giữa các thông sốđầu và cuối của vật liệu sấy và của tác nhân sấy dựa trên phương trình cân bằng vật chất,năng lượng từ đó xác định được thành phần vật liệu , lượng tác nhân và lượng nhiệt cầnthiết

Nghiên cứu về động lực học quá trình sấy nhằm nghiên cứu sự biến đổi hàm ẩm và nhiệt

độ trung bình của vật liệu trong thời gian sấy Trong phạm vi bài thực hành ta chỉ nghiêncứu về sự biến đổi hàm ẩm của vật liệu theo thời gian sấy từ đó xác định các thông số lýhóa của vật liệu và các thông số nhiệt động của quá trình sấy

- Xác định lượng không khí khô cần sử dụng và lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy

- So sánh và đánh giá sự khác nhau giữa quá trình sấy thực tế và quá trình sấy lý thuyết.Thí nghiệm 2: Khảo sát động lực học quá trình sấy đối lưu trong thiết bị sấy bằng không khí nhằm:

- Xây dựng đường cong sấy

THIÊN THANH TRÚC

- Xây dựng đường cong tốc độ sấy

- Xác định độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy

8.2.1 Nguyên lý quá trình sấy bằng không khí

Trong quá trình sấy nếu dùng tác nhân sấy là không khí thì gọi là sấy bằng không khí

Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy sấy bằng không khí được mô tả trên hình sau:

Trong sấy lý thuyết coi các đại lượng nhiệt bổ sung và nhiệt tổn thất đều bằng không, nếugặp trường hợp nhiệt bổ sung bằng nhiệt tổn thất cũng coi như sấy lý thuyết

Khi sấy lý thuyết nhiệt lượng riêng của không khí không thay đổi trong suốt quá trìnhH=const (đẳng H), nói cách khác, trong quá trình sấy lý thuyết, một phần nhiệt lượng củakhông khí bị mất mát đi cũng chỉ để làm bốc hơi nước trong vật liệu, do đó H không đổi.Trong quá trình sấy, thường thì không khí thay đổi trạng thái vào phòng sấy và sau khi sấyxong

Các thông số đặc trưng cho trạng thái không khí vằ từ đó xác định được các đại lượng

- Lượng không khí khô đi trong máy sấy:

Trong đó:

L: lượng không khí khô đi trong máy sấy (kg/h)

W: lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu (kg/h)

hàm ẩm ban đầu của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

hàm ẩm khi được đốt nóng của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

hàm ẩm sau khi sấy của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

- Lượng nhiệt cung cấp cho quá trình:

Trong đó:

: lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy (kj/h)

: hàm nhiệt ban đầu của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

: hàm nhiệt sau khi được đốt nóng của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

Trường hợp lượng nhiệt bổ sung chung khác với lượng nhiệt tổn thất chung gọi là sấy thựctế

8.2.2 Đường cong sấy và tốc độ sấy

- Đường cong biểu diễn sự thay đổi độ ẩm của vật liệu theo thời gian sấy được gọi làđường cong sấy Để tìm được sự phụ thuộc này, đem vật liệu ẩm đơn giản sấy đối lưu bằngkhông khí nóng với tốc độ và nhiệt độ không khí không đổi

Sự giảm độ ẩm của vật liệu trong một đơn vị thời gian gọi là tốc độ sấy

- Từ biểu thức tốc độ sấy nhận thấy tốc độ sấy là tang góc nghiêng α của đường tiếp tuyếnvới đường cong sấy Như vậy bằng phương pháp vi phân đồ thị sẽ tìm được tốc độ sấy vàdựng được đồ thị sự phụ thuộc tốc đô sấy với độ ẩm của vật liệu, đồ thị của sự phụ thuộc nàyđược gọi là đường cong tốc độ sấy

Phân tích đường cong sấy, đường cong tốc độ sấy và nhận thấy diễn biến của quá trình sấygồm 3 giai đoạn: giai đoạn đốt nóng vật liệu, giái đoạn sấy đẳng tốc và giai đoạn sấy giảmtốc.

Đoạn AB trên hình 8.2 biểu diễn giai đoạn đốt nóng vật liệu: nếu ban đầu nhiệt độ của vậtliệu thấp hơn nhiệt độ bay hơi đoạn nhiệt của không khí thì trong giai đoạn đốt nóng, nhiệt

độ của vật liệu tăng lên Trong giai đoạn này độ ẩm vật liệu thay đổi rất chậm và thời giandiễn tiến nhanh, kết thúc giai đoạn này, nhiệt độ của vật liệu đạt đến niệt độ bầu ướt củakhông khí Nedu vật liệu có độ dày nhỏ và quá trình sấy là đối lưu thì thời gian này khôngđáng kể

Đoạn BC trên hình 8.2 biểu diễn giai đoạn sấy đẳng tốc: sau giai đoạn đốt nóng, độ ẩm củavật liệu giảm tuyến tính theo thời gian sấy Trong giai đoạn này sự giảm độ ẩm của vậtliệu trong một đơn vị thời gian là không đổi (N=const) nên được gọi là giai đoạn sấy đẳngtốc, giai đoạn sấy đẳng tốc kéo dài cho đến thời điểm mà hàm ẩm của vật liệu đạt giá trịnào đấy thì kết thúc, được gọi là độ ẩm tới hạn của vật liệu Nhiệt độ nói chung và nhiệt độ

ở tâm bề mặt vật đạt đến giá trị xấp xỉ nhiệt độ bầu ướt của tác nhân sấy nghĩa là toàn bộnhiệt lượng vật liệu nhận được chỉ để bay hơi ẩm

- Tốc độ sấy đẳng tốc được tính theo công thức:

khối lượng riêng chất khô trong vật liệu (kg/m3)

: khối lượng vật liệu khô tuyệt đối (kg)

: bề mặt riêng khối lượng của vật liệu

: cường độ bay hơi (kg/m2h)

- Cường độ bay hơi giai đoạn đẳng tốc được xác định từ phương trình của Dalton và Newton

: hệ số trao đổi nhiệt (kj/m2.h.0C)

r: nhiệt hóa hơi của nước ở nhiệt độ bầu ướt (kj/kg)

- Nếu sấy đối lưu ở nhiệt độ không cao và vật liệu phẳng thì ta có công thức thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt :

Trong đó:

R: nửa chiều dày của vật liệu (m) : vận tốc tác nhân sấy (m/s)

: khối lượng riêng của tác nhân sấy (kg/m3)

- Thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc:

Trong đó:

: độ ẩm ban đầu của vật liệu (tính theo vật liệu khô)

: độ ẩm tới hạn (tính theo vật liệu khô)

N: tốc độ sấy trong giai đoạn đẳng tốc (%/h)

Khi độ ẩm của vật liệu đạt giá trị tới hạn thì tốc độ sấy bắt đầu giảm dần và đường congsấy chuyển từ đường thẳng sang đường cong tiệm cận dần đến độ ẩm cân bằng vật liệutrong điều kiện của quá trình sấy Khi độ ẩm của vật liệu đạt đến giá trị cân bằng thì hàm

ẩm của vật liệu không giảm nữa và tốc độ sấy bằng 0, quá trình sấy kết thúc Tốc độ sấytrong giai đoạn này thay đổi theo các quy luật khác nhau tùy thuộc tính chất và dạng vậtliệu (hình 8.3)

Để dễ dàng cho việc tính toán, người ta thay các đường cong phức tạp của tốc độ sấy bằngđường thẳng giảm tốc quy ước sao cho việc thay thế này có sai số bé nhất, khi đó

THIÊN THANH TRÚC

giá trị độ ẩm tới hạn qui ước, được gọi là độ ẩm tới hạn qui ước là giao điểm giữa đường đẳng tốc N và đường giảm tốc qui ước.

Tốc độ sấy trong giai đoạn giảm tốc

Dấu (-) chỉ tốc độ sấy giảm dần

K gọi là hệ số sấy, phụ thuộc vào chế độ sấy (tốc độ sấy đẳng tốc N) và tính chất của vật liệu (l/h) K là hệ số góc của đường giảm tốc và được tính:

Thời gian sấy trong giai đoạn giảm tốc:

Trong đó: là độ ẩm cuối của vật liệu sấy ( tính theo vật liệu khô) (

8.4 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

8.4.1 sơ đồ hệ thống

Hình 8.4: Sơ đồ hệ thống

Bảng 8.1: Bảng mô tả các bộ phận trên mô hình sấy

1 Cửa nạp liệu Nạp liệu phòng sấy

5 Tủ điện Điều khiển thiết bị

A Công tắc điện trở 1 Đóng mở điện trở 1

B Công tắc điện trở 2 Đóng mở diện trở 2 Có bộ điều khiển

nhiệt độ

C Công tắc điện trở 3 Đóng mở điện trở 3

D Dimer quạt Thay đổi tốc độ

Tư 0 Đầu dò nhiệt độ bầu Hiển thị nhiệt độ Tư

8.4.2 Trang thiết bị hoá chất

- Vật liệu sấy: giấy lọc hoặc giấy carton

- Kiểm tra nước vị trí đo nhiệt độ bầu ướt

- Kiểm tra hoạt động của phong tốc kế

- Tắt tất cả công tắc trên tủ điều khiển

- Cài đặt nhiệt độ sấy

- Khởi động tủ điều khiển

- Kiểm tra hoạt động của cân

- Cân vật liệu sấy

- Làm ẩm vật liệu sấy

- Khởi động quạt, điều chỉnh tốc độ của thí nghiệm

- Đo tốc độ của quạt, ghi nhận giá trị đo

- Bật công tắc điện trở 1,2 và 3

- Khi nhiệt độ đạt giá trị của thí nghiệm ổn định thì bắt đầu tiến hành thí nghiệm

8.5.1.2 Các lưu ý.

- Trước khi đặc vật liệu sấy vào phòng sấy phài điều chỉnh cân về 0

- Khi nhiệt độ sấy đạt giá trị thí nghiệm nhưng giá trị vẫn tăng thì tắt điện trở 1 hoặc 3hoặc cả hai điện trở 1 và 3, tuyệt đối không được tắt điện trở 2 (do có bộ điều khiển) Trườnghợp sau khoảng thời gian nhất định không đạt thì kiểm tra điện trở 1 hoặc 3 đã bật chưa (đènbáo), nếu chưa thì bật lên

- Trong suốt quá trình của thí nghiệm phải điều chỉnh sao cho nhiệt độ điểm 1, tốc độ tác nhân sấy không được thay đổi

- Khi kết thúc thí nghiệm:

+ Tắt công tắt điện trở 1 và 3 (nếu đang bật)

+ cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển về nhiệt độ thí nghiệm tiếp theo Nếu là thí nghiệm cuối thì cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển về C và tắt công tắt điện trở 2

+ Lấy vật liệu sấy ra khỏi phòng sấy

8.5.1.3 Báo cáo

- Xác định các thông số của không khí ẩm ở các vị trí khác nhau

- Xác định thành phần vật liệu sấy của quá trình sấy

- Xác định lượng không khí khô cần sử dụng và lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy -

So sánh và đánh giá sự khác nhau giữa quá trình sấy thực tế và quá trình sấy lý thuyết

Kích thước mẫu: hình vuông cạnh 0,2 (m)

Nửa chiều dày của vật liệu: R = 0,001 (m)

Bề mặt riêng khối lượng vật liệu:

- Độ ẩm tới hạn quy ước :

+ Thực nghiệm, ta các định trên đường cong tốc độ sấy khi giai đoạn đẳng tốc kết

Đường cong sấy ở nhiệt độ 300C

Đ ường cong tốấc đ ộsấấy điển hình

Đường cong tốc độ sấy ở 30

8.5.2 Thí nghiệm 2: Khảo sát động lực học quá trình sấy

8.5.2.1 Chuẩn bị

- Kiểm tra nước vị trí đo nhiệt độ bầu ướt

- Kiểm tra hoạt động của phong tốc kế

- Tắt tất cả công tắc trên tủ điều khiển

- Cài đặt nhiệt độ sấy

- Khởi động tủ điều khiển

- Kiểm tra hoạt động của cân

- Cân vật liệu sấy

- Xác định kích thước vật liệu sấy

- Làm ẩm vật liệu sấy

- Khởi động quạt, điều chỉnh tốc độ của thí nghiệm

- Đo tốc độ của quạt, ghi nhận giá trị đo

- Bật công tắc điện trở 1,2 và 3

- Khi nhiệt độ đạt giá trị của thí nghiệm ổn định thì bắt đầu tiến hành thí nghiệm

- Sauk hi kết thúc thí nghiệm ở 1 giá trị nhiệt độ sấy, tiến hành thí nghiệm tiếp theo ở giá trị nhiệt độ sấy khác thì tiến hành tương tự từ bước cài đặt nhiệt độ sấy

- Trước khi đặc vật liệu sấy vào phòng sấy phải điều chỉnh cân về 0

- Khi nhiệt độ sấy đạt giá trị thí nghiệm nhưng giá trị vẫn tăng thì tắt điện trở 1 hoặc 3hoặc cả hai điện trở 1 và 3, tuyệt đối không được tắt điện trở 2 (do có bộ điều khiển) Trườnghợp sau khoảng thời gian nhất định không đạt thì kiểm tra điện trở 1 hoặc 3 đã bật chưa (đènbáo), nếu chưa thì bật lên

- Trong suốt quá trình của thí nghiệm phải điều chỉnh sao cho nhiệt độ điểm 1, tốc độ tác nhân sấy không được thay đổi

- Chọn bước thời gian ghi nhận giá trị cân và nhiệt độ điểm 1

THIÊN THANH TRÚC

- Khi giá trị cân không đổi liên tục giữa các lần đo thì kết thúc thí nghiệm

- Khi kết thúc thí nghiệm:

+ Tắt công tắt điện trở 1 và 3 (nếu đang bật)

+ cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển về nhiệt độ thí nghiệm tiếp theo Nếu là thí nghiệm cuối thì cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển về C và tắt công tắt điện trở 2

+ Lấy vật liệu sấy ra khỏi phòng sấy

8.5.2.3 Báo cáo

- Xác định độ ẩm tương đối của vật liệu sấy

- Xây dựng đường cong sấy

- Xây dựng đưởng cong tốc độ sấy bằng phương pháp vi phân đồ thị từ đường cong sấy

- Nhận xét về dạng đường cong tốc độ sấy giai đoạn sấy giảm tốc

- Xác định độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng

- Tính toán thời gian sấy đẳng tốc, giảm tốc

- So sánh kết quả thực nghiệm với lý thuyết

- So sánh kết quả giữa các thí nghiệm

Kích thước mẫu: hình vuông cạnh 0,2 (m)

Nửa chiều dày của vật liệu: R = 0,001 (m)

Bề mặt riêng khối lượng vật liệu:

Tốc độ sấy thực nghiệm: = = 0,12

- Độ ẩm cân bằng : dựa vào đường cong tốc độ sấy, từ điểm tốc độ sấy N=0 ta xác định = 47,436%

- Độ ẩm tới hạn quy ước :

+ Thực nghiệm, ta các định trên đường cong tốc độ sấy khi giai đoạn đẳng tốc kết thúc.+ Lý thuyết:

Đ ường cong tốấc đ ộsấấy điển hình0.25

Kết quả thực nghiệm nhỏ hơn so với kết quả lý thuyết Do trong quá trình thí nghệm xảy

ra nhiều sai số không mong muốn

− Tốc độ sấy bị thay đổi do sai số trong thí nghiệm Điều đó làm cho giai đoạn sấy đẳngtốc của đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy không phải là đường thẳng như lý thuyết

− Kết quả tốc độ sấy lý thuyết và tốc độ sấy thực nghiệm có sai khác lớn

Nguyên nhân tạo nên sự khác biệt giữa quá trình sấy lý thuyết và sấy thực nghiệm là doquá trình sấy lý thuyết xem nhiệt lượng bổ sung trong quá trình sấy bằng với nhiệt lượngtổn thất trong quá trình sấy Trong quá trình sấy thực nghiệm thì nhiệt lượng bổ sung khácnhiệt lượng tổn thất Ngoài ra so với thực nghiệm ta đã bỏ qua giai đoạn đun nóng do nóquá nhỏ nên lượng nhiệt so với lý thuyết có sai lệch

Khi nhiệt độ tăng thời gian sấy của lý thuyết tăng còn thời gian sấy của thực nghiệm lạigiảm

Một số nguyên nhân dẫn đến sai số: Việc canh thời gian và đo khối lượng vật liệu mỗi 3phút không chuẩn sẽ gây ra sai số cho thí nghiệm Từ đó ảnh hưởng nhiều đến việc xâydựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy, Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đếngiá trị cân Sai số do thiết bị Do các thao tác tiến hành thí nghiệm của người làm thí

THIÊN THANH TRÚC

Tốc độ quạt : =8,904 m/s