- Sau đó cứ 5 phút, ghi nhận giá trị cân và hai giá trị nhiệt độ bầu khô – bầu ướt; tiếp tục sấy đến khi giá trị khối lượng vật liệu không đổi trong vòng 15 phút thì dừng chế độ thí nghi
Trang 1I TRÍCH YẾU
1 Mục đích thí nghiệm:
Khảo sát quá trình sấy đối lưu bằng thực nghiệm nhằm:
- Xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy
- Xác định 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
2 Phương pháp thí nghiệm:
- Tiến hành sấy giấy lọc ở 3 chế độ nhiệt độ của caloriphe: 50o, 60o, 70o
- Đặt giấy lọc vào buồng sấy, ghi nhận khối lượng của vật liệu sau khi làm ẩm (G1)
- Sau đó cứ 5 phút, ghi nhận giá trị cân và hai giá trị nhiệt độ bầu khô – bầu ướt; tiếp tục sấy đến khi giá trị khối lượng vật liệu không đổi trong vòng 15 phút thì dừng chế độ thí nghiệm này và chuyển sang chế độ thí nghiệm khác
3 Kết quả thí nghiệm:
Bảng 1: Số liệu thô
Chế độ sấy 50oC Chế độ sấy 60oC Chế độ sấy 70oC
τ(ph
oF) tk(oF) τ(ph
oF) tk(oF) τ(ph
oF) tk(oF)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
145
135
127.5
115
105
92.5
82.5
72.5
62.5
55
52.5
50
47.5
47.5
58 58 58 58 58 58 58 58 58 58 58 58 58 58
103 103 103 103 103 103 103 103 103 103 104 104 104 104
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
145 125 112.5 100 87.5 72.5 60 50 47.5 47.5
68 68 68 68 68 68 68 68 68 68
112 112 112 112 112 112 112 112 112 112
0 5 10 15 20 25 30
145 115 92.5 67.5 52.5 47.5 47.5
82 84 85 86 86 86 86
142 144 145 146 146 146 146
II CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1 Định nghĩa:
Sấy đối lưu là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng cách cấp nhiệt cho ẩm bay hơi Trong đó cả hai quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm đều được thực hiện bằng phương pháp đối lưu
2 Đặc trưng của quá trình sấy:
Quá trình sấy diễn ra rất phức tạp, đặc trưng cho tính không ổn định và không thuận nghịch, gồm 4 quá trình diễn ra đồng thời: truyền nhiệt cho vật liệu, dẫn ẩm trong lòng vật liệu, chuyển pha và tách ẩm vào môi trường xung quanh
Trang 23 Xác định tốc độ sấy theo cân bằng nhiệt của quá trình sấy:
Lượng nhiệt do dòng tác nhân sấy cung cấp trong khoảng thời gian dτ :
dQ = αF(t-θ)dτ (1)
được tiêu hao để:
- Đun nóng vật liệu: (GoCo+GaCa)dθ (2)
- Bay hơi ẩm và quá nhiệt hơi: [r + Ch(t-th)]dGa (3)
Trong đó:
α: hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy vào vật liệu sấy, W/m2độ
F: bề mặt vật liệu, m2
t, θ, th: nhiệt độ của tác nhân sấy, vật liệu và hơi ẩm bão hòa, độ
Go,Co: khối lượng và nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kg ; J/kgđộ
Ga,Ca: khối lượng và nhiệt dung riêng của ẩm, kg ; J/kgđộ
r: ẩn nhiệt hóa hơi của ẩm, J/kg
Ch: nhiệt dung riêng của hơi ẩm, J/kgđộ
Lượng ẩm bốc hơi trong thời gian dτ :
dGa = d(GoU) = GodU (4) VớiU: hàm ẩm (hay độ ẩm) của vật liệu – tính theo vật liệu khô, kg ẩm/kg vật liệu khô
Thiết lập cân bằng nhiệt:
αF(t-θ)dτ = (GoCo+GaCa)dθ + Go[r + Ch(t-th)]dU (5)
Từ đó rút ra:
( )
d
dU
h h v
a a o o
t t C r G
d
d C G C G t
F
− +
+
−
−
θ θ
α
là biểu thức tính tốc độ sấy theo cân bằng nhiệt
4 Phương tình cơ bản của động học quá trình sấy:
Theo phương trình truyền ẩm từ vật liệu vào tác nhân sấy:
dGa = kpF(pm – p)dτ (7)
Với:
kp: hệ số truyền ẩm trong pha khí, kg/m2.h.∆p=1 (1at hay 1mmHg )
pm, p: áp suất của hơi ẩm trên bề mặt vật liệu và trong pha khí, mmHg (hay at) Thay Ga = GoU vào và biến đổi, ta có:
) p p ( G
F k d
dU
m o
=
Khi hơi ẩm không bị quá nhiệt (tức t = th) thì biểu thức được biến đổi thành:
C C GG Go dd rGo dUd FddQ F qF
o
a o
τ
− τ
+ τ
θ
(9) Với q là cường độ dòng nhiệt hay mật độ dòng nhiệt
GG U
o
a = ; o
o
o V
G
ρ
= ; Co + CaU = C và o Ro
F
V
=
Với:
ρo: khối lượng riêng của vật liệu khô, kg/m3
Vo: thể tích vật khô, m3
C: nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm, J/kgđộ
Trang 3Ro: bán kính qui đổi của vật liệu ẩm, m
Khi đó, nếu bỏ qua nhiệt làm quá nhiệt hơi ẩm, ta có:
=
τ
ρ
+
= τ
θ ρ
+ τ ρ
=
d
dU r R R 1
d
dU r R dU
d r
C 1 d
d R C d
dU r R q
o o b
o o o
o o
o
(10)
Với Rb =1+Cr dUdθ : Chuẩn số Rebinde đặc trưng cho động học qúa trình sấy
Biểu thức trên là phương trình cơ bản về động học quá trình sấy, nó cho biết sự biến đổi ẩm của vật liệu theo thời gian Ta có thể nhận được biểu thức này khi giải hệ phương trình vi phân mô tả truyền nhiệt - truyền ẩm trong vật liệu Nhưng nói chung hệ phương trình này không giải được bằng phương pháp giải tích
5 Lượng nhiệt cấp cho vật liệu:
Lượng nhiệt cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy giảm tốc (q 2 ):
Ta thấy rằng trong giai đoạn sấy giảm tốc, đường cong tốc độ sấy có dạng đường thẳng, nên tốc độ sấy trong giai đoạn này được biểu diễn:
K d
τ
Với:
K: Hệ số tỷ lệ, gọi à hệ số sấy Nó phụ thuộc vào tốc độ sấy và tính chất của vật liệu ẩm, 1/s
K: chính là hệ số góc của đường cong tốc độ sấy ở giai đọan sấy giảm tốc, nên:
N
th
χ
=
−
với:
th U
U
1
−
=
χ : hệ số sấy tuyệt đối, phụ thuộc vào tính chất vật liệu ẩm.
Uth: độ ẩm tới hạn
U* : độ ẩm cân bằng.
N: tốc độ sấy đẳng tốc, kg ẩm/(kg vật liệu khô.s)
Tích phân phương trình trên ta nhận được:
(−χ τ)
=
−
U U
U
U
* th
*
(13) hay logarit hóa (8) ta có:
3 , 2
1 U U log U
U
th
*
(14) Như vậy nếu biết được hệ số sấy K, có thể xác định được thời gian cần thiết để thực hiện giai đoạn sấy giảm tốc
Hệ số sấy tương đối được xác định bằng thực nghiệm và có thể tính gần đúng như sau:
U
8 , 1
=
với Uo : độ ẩm ban đầu của vật liệu
Từ đó, ta có:
Trang 4* 0
*
8 , 1
U U
1
χ
Thay (12) và (15) vào phuơng trình (11), ta được:
−
= τ
−
0
* U
U U N 8 , 1 d
dU
(17) Thay (17) vào (10), ta được:
ρ
=
0
* b
0 0
U U N 8 , 1 R 1 r R
Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy đẳng tốc (q 1 ):
Trong giai đoạn sấy đẳng tốc, toàn bộ lượng nhiệt cung cấp từ dòng tác nhân bằng lượng nhiệt bốc hơi ẩm và nhiệt độ vật liệu không đổi nên:
rN R d
dU r R
q1 0 0 =ρ0 0
τ ρ
6 Cường độ trao đổi nhiệt (q(x)):
0
*
1
U
U U 8 , 1 q
q ) x (
Như vậy, theo biểu thức (20), khi biết chuẩn số Rb sẽ tính được cường độ trao đổi nhiệt theo độ ẩm của vật liệu
7 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy:
a Đường cong sấy: là đuờng cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu (U) theo thời
Dạng của đường cong sấy:
- Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: liên kết giữa ẩm và vật liệu, hình dáng, kích thước, cấu trúc vật liệu, phương pháp và chế độ sấy
- Đường cong sấy là hàm của quá trình sấy, vì vậy tùy chế độ và phương pháp sấy khác nhau nhưng đường cong sấy vẫn có dạng tương tự nhau
b Đường cong tốc độ sấy: là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ sấy và độ
ẩm (hàm ẩm) của vật liệu sấy:
) U ( g d
dU =
Từ biểu thức (22), (23) rõ ràng đường cong tốc độ sấy là là đạo hàm của đường cong sấy
8 Các giai đọan của quá trình sấy:
• Giai đoạn đun nóng vật liệu:
- Toànbộ nhiệt cung cấp để đun nóng vật liệu, ẩm bốc hơi không đáng kể
- Nhiệt độ vật liệu tăng nhanh từ θ1= t0 đến nhiệt độ bầu ướt tư của tác nhân sấy.
- Độ ẩm thay đổi không nhiều
- Tốc độ sấy tăng nhanh từ 0 đến cực đại
- Thời gian ngắn không đáng kể
- Thường giai đoạn này được bỏ qua trong tính toán
• Giai đoạn sấy đẳng tốc:
Trang 5- Nhiệt cung cấp để bốc hơi ẩm tự do ở bề mặt vật liệu Và bề mặt bốc hơi là bề mặt ngoài của vật liệu không đổi nên các thông số sấy và độ ẩm của vật liệu sẽ giảm nhanh
- Nhiệt độ của vật liệu bằng tư không đổi
- Độ ẩm của vật liệu giảm nhanh theo đường thẳng
- Tốc độ sấy không đổi
- Trong giai đoạn này tốc độ khuếch tán ẩm từ trong lòng vật liệu ra bề mặt lớn hơn tốc độ do bốc hơi từ bề mặt, nên bề mặt luôn bão hoà ẩm
• Giai đoạn sấy giảm tốc:
- Nhiệt độ của vật liệu tăng dần từ tư lên t2 của tác nhân
- Độ ẩm giảm chậm đến độ ẩm cân bằng U*
- Lúc này, trong vật liệu xuất hiện 3 vùng: ẩm, bốc hơi và khô
- Tốc độ sấy giảm tốc từ tốc độ đẳng tốc No xuống 0, tuỳ theo cấu trúc vật liệu mà có biến dạng khác nhau
- Tốc độ khuếch tán trong chậm hơn tốc độ bốc hơi ở bề mặt, nên tốc độ chậm dần và có hiện tượng co bề mặt bốc hơi
9 Thời gian sấy vật liệu:
Thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc (thời gian sấy đẳng tốc - τ1) được xác định từ:
const N
d
dU
1 =
= τ
nên tích phân (23) lên ta có:
1
0 1
N
U
U − th
=
Với Uth : là độ ẩm tới hạn, độ ẩm cuối gian đoạn sấy đẳng tốc
Thời gian sấy trong giai đoạn giảm tốc:
Trong giai đoạn này, nếu đường cong tốc độ sấy có dạng đường thẳng ( hoặc qui đổi sang đường thẳng; N2 = ax+b) thì ta có thể tích phân để tính thời gian sấy giai đoạn sấy giảm tốc (τ2):
* 2
*
1
*
U U
U U N
U
−
−
−
=
Với U* : độ ẩm cân bằng, độ ẩm kết thúc giai đoạn sấy giảm tốc
Thời gian sấy vật liệu:
Thời gian sấy vật liệu được tính bằng tổng thời gian của 3 giai đoạn sấy: đốt nóng vật liệu τ0, sấy dẳng tốc (τ1) và sấy giảm tốc (τ2); có thể bỏ qua giai đoạn đốt nóng vật liệu,
vì giai đoạn này xảy ra rất nhanh Biểu thức tính thời gian như sau:
) U U
U U lg(
) U U ( N
3 , 2 N
U U
* 2
* th
* th th
0 2 1
−
−
×
−
× +
−
= τ + τ
=
Với U2 : độ ẩm của vật liệu cuối quá thình sấy, tương ứng vớiτ2; U2 > U* và thường được lấy: U2 =U* +2 ÷ 3 (%)
Trang 6III THIẾT BỊ – DỤNG CỤ – CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM
1 Thiết bị – Dụng cụ:
Hệ thống thiết bị sấy được trang bị:
- Caloriphe: gồm hai chùm điện trở khô, có công suất 10KW và được ổn định nhiệt độ nhờ bộ điều nhiệt tự ngắt
- Quạt hút: có tốc độ 0,85 m/s, để hút không khí ( tác nhân sấy) và thổi qua caloriphe để nâng nhiệt độ dòng tác nhân lên nhiệt độ cần thiết
- Hệ thống cân: xác định lượng ẩm tách ra từ vật liệu
- Hai cửa gió: có van lá, để thay đổi lượng tác nhân
- Hệ thống đo nhiệt độ: gồm hai đầu dò nhiệt độ bầu khô – bầu ướt được đặt trong buồng sấy – bên trái giàn lưới đặt vật liệu sấy và đồng hồ cơ đo bằng nhiệt độ
2 Vật liệu sấy:
Gồm 3 sấp giấy lọc được gấp lại
3 Cách tiến hành thí nghiệm:
3.1 Quan sát hệ thống:
3.2 Chuẩn bị thí nghiệm:
a Xác định khối lượng khô ban đầu (Go) của 3 sấp giấy lọc:
- Mở cửa buồng sấy ra – đặt cẩn thận lên bàn ( vì cửa khá nặng – nguy hiểm )
- Cách đặt lọc vào buồng sấy: đặt nhẹ nhàng từng sấp giấy lọc lên trên lưới sấy phía trong buồng sấy ( đặt cả ba sấp ), khi đó kim của cân dao động – chờ kim hết dao động đọc giá trị cân (Go)
b Làm ẩm giấy lọc:
- Lấy khoảng 2/3 chậu nước inox
- Sau khi cân xong, lấy giấy lọc ra và nhúng nhẹ nhàng từng sấp giấy (tránh rách giấy) vào chậu nước – chờ khoảng 30 giây cho nước thấm đều giấy, lấy giấy lọc lên – phơi ngoài khôngkhí ( trên song sắt cửa sổ ) cho đến khi hết nhiễu nước
- Chuẩn bị đồng hồ đeo tay để đo thời gian
c Kiểm tra hệ thống:
- Lắp lại cửa buồng sấy – vặn chặt các con tán của cửa
- Mở hết các van lá của hai cửa khí vào, ra
- Châm đầy nước vào bầu nước ( phía sau hệ thống, không phải là các cốc nước đối trọng trên cân ) để đo nhiệt độ bầu ướt
3.3 Khởi động hệ thống:
a Khởi động quạt:
Đóng cầu dao của quạt để hút các dòng tác nhân vào và thổi qua caloriphe gia nhiệt dòng tác nhân ( tìm cầu dao quạt bằng cách nhìn đường dây dẫn điện vào quạt)
b Khởi động caloriphe:
- Đóng cầu dao của caloriphe để dẫn điện vào hộp điều khiển, ( nhìn đường dây điện sẽ tìm được cầu dao caloriphe)
- Bật công tắc của chùm điện trở thứ hai (HEATER II) ở vị trí chính giữa sang ON
Ở chế độ 70°C thì bật thêm công tắc của chùm điện trở thứ nhất (HEATER I ) ở phía bên trái của công tắc điện trở thứ hai
c Cài đặt nhiệt độ cho caloriphe:
Trang 7Mở nắp mica của hộp cài đặt nhiệt độ ( phía trên công tắc của chùm điện trở II ) và cài đặt nhiệt độ cần thiết Đồng hồ điện tử trên hộp cài đặt cho biết nhiệt độ của caloriphe
3.4 Tiến hành các chế độ thí nghiệm:
a Chờ hệ thống hoạt động ổn định khi:
- Nhiệt độ của caloriphe đạt giá trị cài đặt ± (1÷2oC)
- Giấy lọc phơi không còn nhiễu nước
b Tiến hành sấy vật liệu ở chế độ cần khảo sát:
- Mở cửa buồng sấy ra – đặt cửa lên bàn
- Đặt nhẹ nhàng từng sấp giấy lọc lên các lưới sấy
- Lắp kín cửa buồng sấy lại
c Đo số liệu trong một chế độ thí nghiệm:
Các số liệu cần đo: khối lượng, nhiệt độ bầu khô – bầu ướt và thời gian
Cách đọc giá trị đo:
- Khối lượng (gam): khi đặt giấy lọc vào buồng sấy, kim của cân sẽ dao động(cân
gồm hai kim, chỉ đọc dây kim mảnh nhỏ, không đọc số lớn) Nếu dây kim nằm giữa hai số thì cộng lại chia đôi
- Nhiệt độ (°F): đồng hồ cơ hiển thị nhiệt độ đo theo nguyên tắc cơ học: có tất cả 4
kim (hai kim nhỏ bên trong và hai kim lớn bên ngoài) quan tâm hai kim lớn (kim lớn bên phải chỉ nhiệt độ bầu khô; kim lớn bên trái chỉ nhiệt độ bầu ướt)
Đầu nhọn của các kim này sẽ chỉ vào các vòng tròn có ghi giá trị nhiệt độ (vòng đậm có giá trị cụ thể, vòng mảnh không ghi giá trị – mỗi vòng là hai đơn vị độ) Giá trị nhiệt độ tăng từ trong ra ngoài, nếu đầu kim nằm giữa hai vòng mảnh thì lấy giá trị lẻ 1 độ
- Thời gian: đo bằng đồng hồ đeo tay.
IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
1 Số liệu thí nghiệm:
Bảng 2: Xử lý số liệu thô
Chế độ sấy 50oC Chế độ sấy 60oC Chế độ sấy 70oC
τ(h) G(kg) tư(oC) tk(oC) τ(h) G(kg) tư(oC) tk(oC) τ(h) G(kg) tư(oC) tk(oC) 0
0.08
3
0.16
7
0.25
0.33
3
0.41
7
0.5
0.58
0.145
0.135
0.127
5
0.115
0.105
0.092
5
0.082
5
0.072
5
14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4
39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 40 40
0 0.08 3 0.16 7 0.25 0.33 3 0.41 7 0.5 0.58
0.145 0.125 0.112 5 0.1 0.087 5 0.072 5 0.06 0.05 0.047
20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4
0 0.08 3 0.16 7 0.25 0.33 3 0.41 7 0.5
0.145 0.115 0.092 5 0.067 5 0.052 5 0.047 5 0.047 5
27.7 8 28.8 9 29.4 4 30 30 30 30
61.1 62.2 62.8 63.3 63.3 63.3 63.3
Trang 80.66
7
0.75
0.83
3
0.91
7
1
1.08
3
0.062
5
0.055
0.052
5
0.05
0.047
5
0.047
5
14.4 14.4 4040 30.66
7 0.75
5 0.047 5
2 Kết quả tính toán
Bảng 3: Kết quả tính toántừ các thông số đã xử lý
Chế độ sấy 50oC
τ(h) G(kg) U
(100%) ∆∆G =U N(100%/h) tư(
oC) tk(oC) Pm
(mmHg) P(mmHg)
Thế sấy
0
0.083
0.167
0.25
0.333
0.417
0.5
0.583
0.667
0.75
0.833
0.917
1
1.083
0.145
0.135
0.1275
0.115
0.105
0.0925
0.0825
0.0725
0.0625
0.055
0.0525
0.05
0.0475
0.0475
2.053 1.842 1.684 1.421 1.211 0.947 0.737 0.526 0.316 0.158 0.105 0.053 0.032 0
0 0.211 0.158 0.263 0.211 0.263 0.211 0.211 0.053 0.053 0.053 0.021 0.021 0
0 2.526 1.894 3.158 2.526 3.158 2.526 2.526 3.158 3.158 3.158 1.895 1.263 0
14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4
39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 40 40 40 40
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25
Chế độ sấy 70oC
oC) tk(oC) Pm
(mmHg) P(mmHg)
Thế sấy
0
0.083
0.167
0.25
0.333
0.417
0.145
0.125
0.1125
0.1
0.0875
0.0725
205.3 1.632 1.368 1.105 0.842 0.526
0 0.063 0.095 0.053 0.053 0.053
0 3.789 5.684 3.158 3.158 3.158
20 20 20 20 20 20
44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4
16.2 16.2 16.2 16.2 16.2 16.2
5 5 5 5 5 5
24.4 24.4 24.4 24.4 24.4 24.4
Trang 90.583
0.667
0.75
0.06
0.05
0.0475
0.0475
0.263 0.053 0 0
0.053 0.053 0.053 0
3.158 3.158 3.158 0
20 20 20 20
44.4 44.4 44.4 44.4
16.2 16.2 16.2 16.2
5 5 5 5
24.4 24.4 24.4 24.4
Chế độ sấy 70oC
N tư(oC) tk(oC) Pm
(mmHg)
P (mmHg)
Thế sấy
0
0.083
0.167
0.25
0.333
0.417
0.5
0.145
0.115
0.0925
0.0675
0.0525
0.0475
0.0475
2.053 1.421 0.947 0.421 0.105 0.053 0
0 0.105 0.053 0.105 0.053 0.053 0
0 6.306 3.158 6.316 3.158 3.158 0
27.78 28.89 29.44 30 30 30 30
61.1 62.2 62.8 63.3 63.3 63.3 63.3
27 29 30 31 31 31 31
11 13 14 15 15 15 15
33.32 33.31 33.36 33.3 33.3 33.3 33.3
3 Đồ thị:
Đường cong sấy
Đường cong sấy U = f(τ) ở chế độ 50oC
Đường cong sấy U = f(τ) ở chế độ 60oC
Trang 10Đường cong sấy U = f(τ) ở chế độ 70oC
Đường cong tốc độ sấy
Đường cong tốc độ sấy g(U)
d
dU =
τ ở chế độ 50oC
Đường cong tốc độ sấy dUd =g(U)
τ ở chế độ 60oC
