sấy đối lưu

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 d τ : được tiêu hao để: o Đun nóng vật liệu: GoCo+GaCadθ 2 o

1 TRÍCH YẾU

a Mục đích thí nghiệm:

- Khảo sát quá trình sấy đối lưu bằng thực nghiệm nhằm:

o Xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy

o Xác định các thông số sấy: tốc độ sấy đẳng tốc, độ ẩm tới hạn, độ ẩm cânbằng, thời gian sấy đẳng tốc và giảm tốc

o Đánh giá sai số của quá trình sấy

b 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; tiếptục sấy đến khi giá trị khối lượng vật liệu không đổi trong vòng 15 phút thì dừng chếđộ thí nghiệm này và chuyển sang chế độ thí nghiệm khác

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT:

a 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 phươngpháp đối lưu

b Đặc trưng của quá trình sấy:

- Quá trình sấy diễn ra rất phức tạp, đặc trưng cho tính không ổn định và không thuậnnghịch, gồm 4 quá trình diễn ra đồng thời: truyền nhiệt cho vật liệu, dẫn ẩm tronglòng vật liệu, chuyển pha và tách ẩm vào môi trường xung quanh

c 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 d τ :

được tiêu hao để:

o Đun nóng vật liệu: (GoCo+GaCa)dθ (2)

o 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 d τ :

là biểu thức tính tốc độ sấy theo cân bằng nhiệt

d 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)d τ (7)Với:

kp: hệ số truyền ẩm trong pha khí, kg/m2.h p=1 (1at hay 1mmHg )∆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:

Với q là cường độ dòng nhiệt hay mật độ dòng nhiệt.

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

Ro: bán kính qui đổi của vật liệu ẩm, m

Khi đó, nếu bỏ qua nhiệt làm quá nhiệt hơi ẩm, ta có:

dτθ dτU : 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 biếnđổi ẩm của vật liệu theo thời gian Ta có thể nhận được biểu thức này khi giải hệphương trình vi phân mô tả truyền nhiệt - truyền ẩm trong vật liệu Nhưng nói chunghệ phương trình này không giải được bằng phương pháp giải tích

e Lượng nhiệt cấp cho vật liệu:

e.1 Lượng nhiệt cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy giảm tốc (q2):

- Ta thấy rằng trong giai đoạn sấy giảm tốc, đường cong tốc độ sấy có dạng đườngthẳng, nên tốc độ sấy trong giai đoạn này được biểu diễn:

ưdτU dττ =K(UưU

¿)

(11)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:

) : 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:

(13)Hay logarit hóa (8) ta có:

ưdτU dττ =1,8 N(UưU U0 ¿) (17)

Thay (17) vào (10), ta được:

q2=ρ0R0r(1+R b) 1,8 N(U −U U0 ¿) (18)

e.2 Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy đẳng tốc (q1):

- Trong giai đoạn sấy đẳng tốc, toàn bộ lượng nhiệt cung cấp từ dòng tác nhân bằnglượng nhiệt bốc hơi ẩm và nhiệt độ vật liệu không đổi nên:

g Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy:

II.7.1 Đường cong sấy:

- Là đuờng cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu (U) theo thời gian sấy ():

- Dạng của đường cong sấy:

o Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: liên kết giữa ẩm và vật liệu, hình dáng, kíchthước, cấu trúc vật liệu, phương pháp và chế độ sấy

o Đường cong sấy là hàm của quá trình sấy, vì vậy tùy chế độ và phương phápsấy khác nhau nhưng đường cong sấy vẫn có dạng tương tự nhau

II.7.2 Đường cong tốc độ sấy:

- Là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ sấy và độ ẩm (hàm ẩm) của vậtliệu sấy:

dτU

- Từ biểu thức (22), (23) rõ ràng đường cong tốc độ sấy là là đạo hàm của đường congsấy

h Các giai đọan của quá trình sấy:

- Giai đoạn đun nóng vật liệu:

o Toànbộ nhiệt cung cấp để đun nóng vật liệu, ẩm bốc hơi không đáng kể

o Nhiệt độ vật liệu tăng nhanh từ 1= t0 đến nhiệt độ bầu ướt tư của tác nhân sấy

o Độ ẩm thay đổi không nhiều

o Tốc độ sấy tăng nhanh từ 0 đến cực đại

o Thời gian ngắn không đáng kể.

o Thường giai đoạn này được bỏ qua trong tính toán

- Giai đoạn sấy đẳng tốc:

o Nhiệt cung cấp để bốc hơi ẩm tự do ở bề mặt vật liệu Và bề mặt bốc hơi là bềmặt ngoài của vật liệu không đổi nên các thông số sấy và độ ẩm của vật liệusẽ giảm nhanh

o Nhiệt độ của vật liệu bằng tư không đổi

o Độ ẩm của vật liệu giảm nhanh theo đường thẳng

o Tốc độ sấy không đổi

o Trong giai đoạn này tốc độ khuếch tán ẩm từ trong lòng vật liệu ra bề mặt lớnhơn tốc độ do bốc hơi từ bề mặt, nên bề mặt luôn bão hoà ẩm

- Giai đoạn sấy giảm tốc:

o Nhiệt độ của vật liệu tăng dần từ tư lên t2 của tác nhân

o Độ ẩm giảm chậm đến độ ẩm cân bằng U*

o Lúc này, trong vật liệu xuất hiện 3 vùng: ẩm, bốc hơi và khô

o Tốc độ sấy giảm tốc từ tốc độ đẳng tốc No xuống 0, tuỳ theo cấu trúc vật liệumà có biến dạng khác nhau

o Tốc độ khuếch tán trong chậm hơn tốc độ bốc hơi ở bề mặt, nên tốc độ chậmdần và có hiện tượng co bề mặt bốc hơi

i Thời gian sấy vật liệu:

- Thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc (thời gian sấy đẳng tốc - τ1 ) được xác địnhtừ:

−dτU

dττ =N1=const

(23)nên tích phân (23) lên ta có:

τ1=U0−Uth

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 ):

- 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 đốtnóng vật liệu, vì giai đoạn này xảy ra rất nhanh Biểu thức tính thời gian như sau:

3 THIẾT BỊ – DỤNG CỤ – CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM:

a Thiết bị – Dụng cụ:

- Hệ thống thiết bị sấy được trang bị:

o Caloriphe: gồm hai chùm điện trở khô, có công suất 10KW và được ổn địnhnhiệt độ nhờ bộ điều nhiệt tự ngắt

o Quạt hút: có tốc độ 0,85 m/s, để hút không khí ( tác nhân sấy) và thổi quacaloriphe để nâng nhiệt độ dòng tác nhân lên nhiệt độ cần thiết

o Hệ thống cân: xác định lượng ẩm tách ra từ vật liệu

o Hai cửa gió: có van lá, để thay đổi lượng tác nhân

o Hệ thống đo nhiệt độ: gồm hai đầu dò nhiệt độ bầu khô – bầu ướt được đặttrong buồng sấy – bên trái giàn lưới đặt vật liệu sấy và đồng hồ cơ đo bằngnhiệt độ

- Hệ thống thiết bị thí nghiệm được mô tả trên sơ đồ sau:

b Vật liệu sấy:

- Gồm 3 sấp giấy lọc được gấp lại

c Cách tiến hành thí nghiệm:

Quan sát hệ thống.

Chuẩn bị thí nghiệm:

 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 phíatrong buồng sấy (đặt cả ba sấp), khi đó kim của cân dao động – chờ kim hết dao độngđọc giá trị cân (Go)

 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 – phơingoài khôngkhí (trên song sắt cửa sổ) cho đến khi hết nhiễu nước

- Chuẩn bị đồng hồ đeo tay để đo thời gian

 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 đốitrọng trên cân) để đo nhiệt độ bầu ướt

Khởi động hệ thống:

 Khởi động quạt:

- Đóng cầu dao của quạt để hút các dòng tác nhân vào và thổi qua caloriphe gia nhiệtdòng tác nhân ( tìm cầu dao quạt bằng cách nhìn đường dây dẫn điện vào quạt)

 Khởi động caloriphe:

- Đóng cầu dao của caloriphe để dẫn điện vào hộp điều khiển, (nhìn đường dây điện sẽtìm được cầu dao caloriphe)

- Bật công tắc của chùm điện trở thứ hai (HEATER II) ở vị trí chính giữa sang ON Ởchế độ 70C thì bật thêm công tắc của chùm điện trở thứ nhất (HEATER I) ở phía bêntrái của công tắc điện trở thứ hai

 Cài đặt nhiệt độ cho caloriphe:

- Mở nắp mica của hộp cài đặt nhiệt độ (phía trên công tắc của chùm điện trở II) và càiđặt nhiệt độ cần thiết Đồng hồ điện tử trên hộp cài đặt cho biết nhiệt độ củacaloriphe

Tiến hành các chế độ thí nghiệm:

 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

 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

 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 sốthì 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 bênphải chỉ nhiệt độ bầu khô; kim lớn bên trái chỉ nhiệt độ bầu ướt).Đầu nhọn của cáckim 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 từtrong 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.

(phph) G(phg)

tư(phoF)

tk(phoF)

(phph) G(phg)

tư(phoF)

tk(phoF)

tk(phoC)

(phh) G(phkg)

tư(phoC)

tk(phoC) (phh) G(phkg)

tư(phoC)

tk(phoC)

0 0.15 15.56 43.33 0 0.15 16.67 45.56 0 0.15 24.44 53.330.08

3

0.13

5

15.56

44.44

0.05

0.1375

18.89

48.89

0.03

3 0.135

25.5654.44

7 0.125 15.56 44.44 0.1 0.1275 19.44 50 0.067 0.1225 25.56 54.440.25 0.11 15.56 43.89 0.15 0.1175 19.44 50.56 0.1 0.115 25.56 54.440.33

3

0.09

5

15.56

43.8

9 0.2

0.1075

19.44

51.11

43.89

0.2

5 0.095 20

51.11

3 0.06

15.56

43.89

0.35

0.077

51.11

0.233

0.0725

26.1

0.66

7 0.05 15.56 43.89 0.4 0.0675 20 51.11 0.267 0.0675 26.11 550.75 0.048 15.56 43.89 0.45 0.0625 20 51.11 0.3 0.06 26.11 550.83

3

0.04

5

15.56

43.89

0.55

0.047

51.67

43.8

9 0.6 0.045

20.56

52.2

0.0475

26.67

54.441.08

3 0.04

15.56

43.89

0.6

5 0.04

21.11

52.22

0.43

3 0.045

26.67

54.441.16

7 0.04

15.56

43.8

9 0.7 0.04

21.11

52.22

7 0.04

26.67

55.560.6 0.04 26.6

7

55.56

c Kết quả từ số liệu thô

tk(phoC

Thếsấy

0 0.15 275 0 0 15.56 43.33 12.5 0.001 12.499

0.08

3 0.135 237.5 37.5 450 15.56 44.44 12.5 0.001 12.499

12

5

0.001

12.4990.41

15.56

43.89

12

5

0.001

12.4990.5 0.0675 68.75 31.25 375 15.56 43.89 12.5 0.001 12.499

0.58

15.56

43.89

12

5

0.001

12.4990.66

43.89

12

5

0.001

12.4990.91

15.56

43.89

12

5

0.001

12.499

6

43.89

12

5

0.001

12.4991.08

15.56

43.89

12

5

0.001

12.4991.16

15.56

43.89

12

5

0.001

12.4991.25 0.04 0 0 0 15.56 43.89 12.5 0.001 12.499

oC) Pm p Thế sấy

0.25 0.095 137.5 31.25 625 20 51.11 16 2.4 13.60.3 0.0875 118.75 18.75 375 20 51.11 16 2.4 13.60.35 0.077

tk(phoC

Thếsấy

4

53.3

3 22 8.9 13.10.03

3 0.135 237.5 37.5 1125

25.56

54.44

54.44

3 0.105 162.5 25 750 25.56 55 22.5 10.2 12.30.16

7 0.0675 68.75 12.5 375 26.11 55 23 11.3 11.70.3 0.06 50 18.75 562.5 26.11 55 23 11.3 11.70.33

3 0.045 12.5 6.25 187.5

26.67

54.4

12

7 11.30.46

0.5 0.045 12.5 0 0 26.67 55.56 24 12.2 11.80.53

26.67

55.5

12

2 11.80.56

26.67

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0

562.5

375 375

e Kết quả tính tốn từ đồ thị:

f

quả tính tốn từ lý thuyết

Chế độ sấy 50 0 C

o Đường cong sấy: chia làm 3 đoạn gần giống với lý thuyết như sau:

 Đoạn 1: Giai đoạn đun nóng vật liệu: theo lý thuyết thì giai đoạn này

diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn và độ ẩm của vật liệu thay đổikhông đáng kể nên có thể bỏ qua Tuy nhiên, trên đồ thị đường congsấy dựng được ta lại thấy đoạn này trên đồ thị rất dốc, độ ẩm thay đổinhiều Kết quả này sai lệch so với lý thuyết do sai số trong quá trình thínghiệm

 Đoạn 2: Giai đoạn sấy đẳng tốc: trong giai đoạn này thì độ ẩm của vật

liệu giảm nhanh gần như theo đường thẳng và tốc độ sấy không đổi Độẩm của vật liệu giảm đến độ ẩm tới hạn (tiếp tuyến của đoạn 2 và đoạn3)

 Đoạn 3: Giai đoạn sấy giảm tốc: độ ẩm của vật liệu giảm chậm trong

giai đoạn này và tốc độ sấy giảm dần từ cực đại về 0 Độ ẩm của vậtliệu giảm đến U2 và dần tiệm cận đến U* Tuy nhiên trên đồ thị tadựng được thì giá trị U* và Uth rất khó xác định được chính xác và U*

luôn tiệm cận với trục hoành Ở một chế độ sấy 500C và chế độ sấy

600C, U* có giá trị = 0 và < 0; điều này do sai số trong quá trình làm thínghiệm và có thể là do khi phơi giấy ngoài môi trường thì giấy lại hútthêm 1 phần ẩm của môi trường nên ngoài lượng ẩm do ngâm nước màcó thì giấy còn có thêm một lượng ẩm của môi trường, làm tăng lượngẩm, ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm

o Đường cong tốc độ sấy: Có dạng giống lý thuyết khi ta vi phân đường cong sấyvà dựng lên trên đồ thị Ở đồ thị của đường cong tốc độ sấy thì ta dễ dàng xácđịnh được độ ẩm Uth và U* của vật liệu Nếu ta dựng đường cong tốc độ sấytheo N(%/h) tức là theo U/ tính toán ở bảng trên thì thu được kết quả saikhác rất nhiều so với lý thuyết do ta xem U/  dU/d nhưng thực tế thì Uvà  được lấy ở các giá trị cách xa nhau nên giá trị thu được không thể bằngvới vi phân những khoảng cách vô cùng nhỏ dU và d Do đó khi dựng đườngcong tốc độ sấy bằng cách lấy vi phân đường cong sấy sẽ thu được kết quảchính xác hơn

- Dựa vào kết quả thu được khi tính toán trên đồ thị ta thấy:

o Nhiệt độ càng cao thì tốc độ sấy đẳng tốc càng tăng và tổng thời gian sấy vậtliệu càng giảm vì nhiệt độ tăng làm tăng nhanh tk của không khí trong khi tư

tăng với tốc độ chậm hơn làm tăng thế của quá trình sấy => tăng động lực củaquá trình => làm tăng tốc độ và rút ngắn thời gian sấy

o Nhiệt độ càng cao thì Uth, U* phải càng giảm do tăng động lực quá trình vàhiệu quả của quá trình sấy Tuy nhiên ở đây ta thấy 2 giá trị này thay đổikhông phù hợp với lý thuyết nêu trên do độ ẩm ban đầu của mỗi chế độ sấyđều tăng dần nên tuy thời gian sấy có ngắn hơn khi nhiệt độ tăng nhưng dophải tổn thất động lực để làm bốc hơi một lượng ẩm nhiều hơn nên kết quả Uth

và U* thu được là không chính xác

o Theo lý thuyết thì khi nhiệt độ tăng thì tốc độ sấy N tăng, K cũng tăng theo do

 là hằng số, tổng thời gian sấy sẽ giảm xuống

- Dựa vào bảng đánh giá sai số ta thấy mức độ sai số giữa kết quả thí nghiệm và tínhtheo lý thuyết là rất lớn Mặc dù khi đánh giá sai số của U* và U2 có mức độ sai số là

0 nhưng không có nghĩa là 2 giá trị này được tính chính xác hoàn toàn Do U* phụthuộc vào từng loại vật liệu và sẽ được xác định bằng thực nghiệm và cho dưới dạngbảng số nên ở đây ta muốn có kết quả U* theo lý thuyết thì phải chấp nhận giá trị U*theo thí nghiệm tính được để đánh giá, vì vậy không có sai số ở giá trị này là hiểnnhiên U2 cũng không xác định được chính xác mà phải lấy theo U* cộng thêm 2-3%nên U2 tính theo thực nghiệm và lý thuyết đều có cùng một giá trị nên mức độ sai sốlà 0 Tuy nhiên U* xác định được trong điều kiện thí nghiệm chịu ảnh hưởng của