BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ SẤY ĐỐI LƯU

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, dẫ

Mục Lục

I MỤC DÍCH THÍ NGHIỆM: 2

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

2.1 Định nghĩa: 2

2.2 Đặc trưng của quá trình sấy: 2

2.3 Xác định tốc độ sấy theo cân bằng nhiệt của quá trình sấy: 3

2.4 Phương tình cơ bản của động học quá trình sấy: 4

2.5 Lượng nhiệt cấp cho vật liệu: 6

2.5.1 Lượng nhiệt cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy giảm tốc (q2): 6

2.5.2 Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy đẳng tốc (q1): 8

2.6 Cường độ trao đổi nhiệt (q(x)): 8

2.7 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy: 8

2.7.1 Đường cong sấy: 8

2.7.2 Đường cong tốc độ sấy: 9

2.8 Các giai đọan của quá trình sấy: 9

2.8.1 Giai đoạn đun nóng vật liệu: 9

2.8.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc: 9

2.8.3 Giai đoạn sấy giảm tốc: 10

2.9 Thời gian sấy vật liệu: 10

III THIẾT BỊ – DỤNG CỤ – CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM: 12

IV PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 13

4.1 Nội dung thí nghiệm 13

4.2 Tiến hành 13

4.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm: 13

4.2.2 Khởi động hệ thống: 14

4.2.3 Tiến hành các chế độ thí nghiệm: 14

4.3 Đo số liệu trong chế độ thí nghiệm 14

4.3.1 Các số liệu cần đo: 14

4.3.2 Cách đọc: 14

4.4 Chuyển chế độ thí nghiệm: 15

4.5 Kết thúc thí nghiệm 15

V PHÚC TRÌNH 15

5.1 Số liệu thí nghiệm 15

5.2 Kết quả thí nghiệm 16

5.3 Đồ thị 19

5.4 Bàn luận 21

VI PHỤ LỤC 23

Bảng số liệu đo được 23

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

BÀI 9: S ẤY ĐỐI LƯU

I MỤC DÍCH 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

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 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

2.2 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

2.3 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 :

Nhiệt này 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 d :

Với U: hàm ẩm (hay độ ẩm) của vật liệu – tính theo vật liệu khô, kg ẩm/kg vật

liệu khô

Từ (1), (2), (3) và (4) thiết lập cân bằng nhiệt:

a a o o

t t C r G

d

d C G C G t

Đây là biểu thức tính tốc độ sấy theo cân bằng nhiệt

2.4 Phương tình cơ bản của động học quá trình sấy:

Theo phương trình truyền ẩm từ vật liệu vào tác nhân sấy:

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:

Fkd

dU

m o

dUrGd

dGG

GC

o

a o

a  ; o

o

oV

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:

d

dUrRdU

dr

C1d

dRCd

dUrRq

o o b

o o o

o o

C 1

Rb    : 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

2.5 Lượng nhiệt cấp cho vật liệu:

2.5.1 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 đường thẳng, nên tốc độ sấy trong giai đoạn này được biểu diễn:

U U *

K d

 : 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:

* th

1UUlogU

*

8 , 1

U U

UUN8,1d

0 0

UUN8,1.R1rR

2.5.2 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

U

UU8,1q

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

2.7 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy:

2.7.1 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:

- 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

2.7.2 Đường cong tốc độ sấy:

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

2.8 Các giai đọan của quá trình sấy:

2.8.1 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 1= 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

2.8.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc:

- 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

2.8.3 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

2.9 Thời gian sấy vật liệu:

Thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc (thời gian sấy đẳng tốc - 1) được xác định từ:

const N

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 (2):

* 2

U U N

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 0, sấy dẳng tốc (1) và sấy giảm tốc (2); 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:

)UU

UUlg(

)UU(N

3,

2N

UU

* 2

* th

* th th

0 2

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

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

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

Sơ đồ hệ thống thí nghiệm sấy đối lưu

IV PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

4.1 Nội dung thí nghiệm

Tiến hành sấy giấy lọc ở 3 chế độ của Caloriphe:500C, 600C, và 700C Đặt giấy lọc vào buồng sấy, ghi nhận khối lượng vật liệu sau khi làm ẩm (G1) Sau đó cứù 5 phút ghi nhận giá trị cân và giá trị nhiệt độ bầu khô, bầu ướt Tiếp tục 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

4.2 Tiến hành

4.2.1 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 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)

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

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

4.2.2 Khởi động hệ thống:

- Khởi động quạt: bật công tắc của quạt để hút dòng tác nhân vào và thổi qua caloriphegia nhiệt dòng tác nhân

- Khởi động caloriphe, bật công tắc Caloriphe

- Cài đặt nhiệt độ cho Caloriphe ở nhiệt độ thí nghiệm

4.2.3 Tiến hành các chế độ thí nghiệm:

Chờ hệ thống hoạt động ổn định khi: nhiệt độ của Caloriphe đạt giá trị mong muốn (±1÷2 0C)

Tiến hành sấy vật liệu ở nhiệt độ khảo sát:

- Đặt giá đỡ vật liệu lên cân

- Đóng kín cửa buồng sấy

4.3 Đo số liệu trong chế độ thí nghiệm

4.3.1 Các số liệu cần đo: Khối lượng, nhiệt độ bầu khô, bầu ướt và thời gian

4.3.2 Cách đọc:

- Khối lượng (gam) khi đặt giá đỡ vật liệu sấy, đọc số hiển thị trên cân

- Nhiệt độ (0C) : Nhấn nút tương ứng các vị trí cần đo và đọc số trên đồng hồ hiện số

4.4 Chuyển chế độ thí nghiệm:

- Mở cửa buồng sấy, lấy giấy lọc ra làm ẩm tiếp (lặp lại như ban đầu)

- Cài nhiệt độ Caloriphe ở giá trị tiếp theo cho chế độ sấy mới

- Chờ hệ thống hoạt động ổn định

- Lặp lại trình tự như chế độ đầu

4.5 Kết thúc thí nghiệm

- Tắt công tắt của điện trở Caloriphe

- Sau khi tắt Caloriphe được 5 phút, tắt quạt cho Caloriphe nguội

V PHÚC TRÌNH

5.1 Số liệu thí nghiệm

Bảng 1: Số liệu thô

Chế độ sấy 40 0 C Chế độ sấy 50 0 C Chế độ sấy 60 0 C

*Khối lượng mẫu khơ: G0=59.2g

5.2 Kết quả thí nghiệm

Bảng 2.1: kết quả tính toán từ các thông số đã xử lýở chế độ sấy 400C

Chế độ sấy 40 0 C τ(h) G(kg) U (%)

- Khối lượng vật liệu khô: Go=0.0592kg

- Khối lượng vật liệu ướt ở t = 0 phút: G1=0.1542kg

2 1

t t

U U





=

0 5

60

* ) 60 157 47 160 (

42,402612

Thế sấy : = T -Tư

Tương tự ta cĩ các bảng số liệu với hai chế độ sấy 500C và 600C:

Bảng 2.2: kết quả tính toán từ các thông số đã xử lýở chế độ sấy 500C

Chế độ sấy 50 0 C

5.3 Đồ thị

Tính toán kết quả: Chế độ sấy 400

Với U0 = 160.47% : độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy sau khi làm ẩm,%

- Thời gian sấy giảm tốc:

)16.1(4ln38.121

)16.1(4

*

*ln

*

2 U U

U U N

 Đường cong tốc độ sấy:

Có dạng giống lý thuyết khi ta vi phân đường cong sấy và dựng lên trên đồ thị Ở đồ thị của đường cong tốc độ sấy thì ta dễ dàng xác định được độ ẩm

Uth và U* của vật liệu Nếu ta dựng đường cong tốc độ sấy theo N(%/h) tức là theo U/ tính toán ở bảng trên thì thu được kết quả sai khác rất nhiều

so với lý thuyết do ta xem U/ dU/d nhưng thực tế thì U và  được lấy

ở các giá trị cách xa nhau nên giá trị thu được không thể bằng với vi phân những khoảng cách vô cùng nhỏ dU và d Do đó khi dựng đường cong tốc độ sấy bằng cách lấy vi phân đường cong sấy sẽ thu được kết quả chính xác hơn

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

Nhiệt độ càng cao thì tốc độ sấy đẳng tốc càng tăng và tổng thời gian sấy vật liệu 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 của quá trình => làm tăng tốc

độ và rút ngắn thời gian sấy

Nhiệt độ càng cao thì Uth , U* phải càng giảm do tăng động lực quá trình và hiệu quả của quá trình sấy Tuy nhiên ở đây ta thấy 2 giá trị này thay đổi không phù hợp với

lý thuyết nêu trên do độ ẩm ban đầu của mỗi chế độ sấy đều tăng dần nên tuy thời gian sấy có ngắn hơn khi nhiệt độ tăng nhưng do phải tổn thất động lực để làm bốc hơi một lượng ẩm nhiều hơn nên kết qu ả Uth và U* thu được là không chính xác

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

là hằng số, tổng thời gian sấy sẽ giảm xuống

 Sai số trong quá trình thí nghiệm có thể do các nguyên nhân sau:

- Sai số khi đọc giá trị của cân do kim cân rất nhạy và rất dễ dao động khi có một tác động nhỏ từ bên ngoài

- Vật liệu sấy hút ẩm từ môi trường bên ngoài làm ảnh hưởng đến giá trị

G0 của vật liệu

- Sai số khi đọc nhiệt độ bầu khô và bầu ướt

- Sai số do hệ thống thí nghiệm hoạt động không ổn định

- Sai số do hệ thống cấp nhiệt không ổn định

 Để khắc phục sai số và thu kết quả chính xác nhất ta có thể tiến hành như sau:

- Quan sát thật kỹ và chờ cho kim cân dao động ít nhất mới đọc giá trị

- Không bật quạt, mở cửa tại nơi đặt hệ thống thí nghiệm để không làm ảnh hưởng đến cân

- Phải nắm rõ thao tác và trình tự thí nghiệm, tiến hành đúng trình tự và chính xác trong thao tác

- Kiểm tra bảo dưỡng hệ thống thường xuyên để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định

VI PHỤ LỤC

Bảng số liệu đo đƣợc

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Võ Văn Dài và các tác giả “ Cơ sở Qúa trình và thiết bị trong Công nghệ Hóa Học” [2] Các tác giả “ Qúa trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm tập 3” ĐHQG TP.HCM

[3] Các tác giả “ sổ tay quá trình và thiết bị tập 1,2 “ ĐHQG Hà Nội