Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị bài sấy đối lưu

Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị bài sấy đối lưu

Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị Bài SẤY ĐỐI LƯU

Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị Bài SẤY ĐỐI LƯU

1 Mục đích

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

 Xây đựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy

 Xác định các thơng 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: 480C, 600C, 700C

- Đặt giấy lọc vào buồng sấy, ghi nhận giá trị 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

- Khối lượng khơ ban đầu của 3 sấp giấy lọc: G0 25g0,025kg

- Kích thước giấy lọc: 30 20 0, 01 cm 

Bảng 1: Số liệu kết quả thí nghiệm

Chế độ sấy 48 C0 Chế độ sấy 59 C0 Chế độ sấy 70 C0

45 25 62 120

II LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM

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 thuận nghịch và không ổn

định

- Nó diễn ra đồng thời 4 quá trình:

 Truyền nhiệt cho vật liệu

 Dẫn ẩm trong lòng vật liệu

 Chuyển pha

 Tách ẩm vào môi trường xung quanh

3 Các yếu tố ảnh hưởng

- Bản chất của vật liệu sấy: cấu trúc, thành phần hoá học, đặc tính liên kết ẩm …

- Hình dạng vật liệu sấy: kích thước mẫu sấy, bề mặt lớp vật liệu Diện tích bề mặt riêng

của vật liệu càng lớn thì tốc độ sấy càng nhanh

- Độ ẩm đầu, độ ẩm cuối và độ ẩm tới hạn của vật liệu

- Độ ẩm, nhiệt độ và tốc độ của không khí

- Chênh lệch giữa nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của không khí sấy, nhiệt độ cuối cao thì

nhiệt độ trung bình của không khí càng cao, do đó tốc độ sấy cũng tăng Nhưng nhiệt độ

cuối không nên quá cao vì không sử dụng triệt để nhiệt

- Cấu tạo thiết bị sấy, phương thức và chế độ sấy

4 Tác nhân sấy

- Tác nhân sấy là những chất đùng để gia nhiệt cho vật liệu sấy, nhằm tách nước và hơi

nước ra khỏi vật liệu

- Các loại tác nhân sấy:

 Không khí nóng: là loại môi chất phổ biến, rẻ tiền thường được dùng làm tác nhân sấy.

 Khói lò: có thể dùng than, củi, trấu, dầu,…để tạo khói lò

 Hơi quá nhiệt

- Trong bài này sử dụng không khí nóng làm tác nhân sấy, vì:

của hơi nước trong không khí ẩm  P h

 Nếu P m P h: vật nhả ẩm  quá trình sấy

 Nếu P m P h : vật hút ẩm  làm ẩm vật liệu

 Nếu P m P h : có sự cân bằng động giữa hút và nhả ẩm

- Trong thực tế, người ta xây dựng đường cân bằng dưới dạng * f u 

 Nếu *: vật hút ẩm  làm ẩm vật liệu

 Nếu *: vật nhả ẩm  quá trình sấy

 Nếu *: có cân bằng động giữa hút và ẩm

- Cách biểu diễn động lực quá trình sấy

 Là liên kết của ẩm với vật liệu dưới dạng OH hoặc tinh thể ngậm nước VD:

4.2 2 , 4.7 2 ,

 Đây là liên kết bền, không thể tách bằng sấy Muốn tách ẩm này phải dùng phương pháp

hóa học hoặc nung chảy VD: dùng H SO đậm đặc để hút.2 4

- Liên kết vật lí

 Liên kết hấp phụ: sấy chỉ tách được một phần liên kết này

 Liên kết mao dẫn: là liên kết yếu, sẽ tách được bằng sấy

 Liên kết thẩm thấu: tách ẩm từ dung dịch sẽ khó hơn từ dung môi nguyên chất

- Liên kết cơ lí

 Ẩm nằm tự do trên bề mặt hoặc trong các lỗ xốp và mao quản lớn

 Liên kết này là liên kết yếu, có thể tách được bằng sấy, thậm chí là bằng phương pháp cơhọc

7 Xác định tốc độ sấy bằng cân bằng nhiệt

- Lượng nhiệt do dòng tác nhân sấy cung cấp trong khoảng thời gian d

 t, , : t h nhiệt độ của tác nhân sấy, vật liệu và hơi ẩm bão hoà, K

 G C khối lượng và nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, ; /0, 0: kg J kg K

 G C khối lượng và nhiệt dung riêng của ẩm, ; / a, a: kg J kg K

 r ẩn nhiệt hoá hơi của ẩm, /: J kg

 C nhiệt dung riêng của hơi ẩm, / h: J kg K

- Lượng ẩm bốc hơi trong thời gian d

8 Phương trình cơ bản của động học quá trình sấy

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

hệ số truyền ẩm trong pha khí, kg m h p/ 2   (1 at hay 1 mmHg,…)1

 p p áp suất của hơi ẩm trên bề mặt vật liệu và trong pha khí, m, : mmHg at 

- Thay G a G U0 vào (7) và biến đổi, ta có:

0

p m

k F dU

 0: khối lượng riêng của vật liệu khô, kg m/ 3

 V : thể tích vật liệu khô, o m3

 C: nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm, /J kg K

 R bán kính qui đổi của vật liệu, m0:

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

r dU



 

Chuẩn số Rebinde đặc trưng cho động học của quá trình sấy

- Biểu thức (10) là phương trình cơ bản của động học về sấy, nó cho biết sự biến đổi ẩmcủa vật liệu theo thời gian Ta có thể nhận được biểu thức (10) khi giải hệ phương trình viphân mô tả truyền nhiệt – truyền ẩm trong vật liệu Nhưng nói chung, hệ phương trìnhnày không giải được bằng phương pháp giải tích

9 Lượng nhiệt cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy giảm tốc  q2

- Mặt khác ta thấy rằng trong giai đoạn sấy giảm tốc, đường cong tốc độ sấy có dạngđường thẳng, nên tốc độ sấy trong giai đoạn này được biểu diễn:

dU

K U U d

- Như vậy, nếu biết được hế 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:

10 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 bằng lượngnhiệt bốc hơi ẩm và nhiệt độ vật liệu không đổi nên

11 Cường độ trao đổi nhiệt q x  

* 2

12 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 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, cấutrúc vật liệu, phương pháp và chế độ sấy

 Đường cong sấy là hàm của quá trình sấy, vì vậy tuy chế độ và phương pháp sấy khácnhau nhưng đường cong sấy vẫn có dạng tương tự nhau (xem hình 1)

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 liệusấy:

Hình 1: Đường cong sấy Hình 2: Đường cong tốc độ sấy

AB – Đun nóng vật liệu AB – Đun nóng vật liệu

1 – Đường cong sấy 1 – Vật liệu dạng bản mỏng, xốp: Giấy,

2 – Đường nhiệt độ của vật liệu bìa,…

13 Các giai đoạn của quá trình sấy:

a AB – giai đoạn đun nóng vật liệu :

- Toàn bộ nhiệt cung cấp để đun nóng vật liệu, ẩm bốc hơi không đáng kể

- Nhiệt độ vật liệu tăng nhanh từ   đến nhiệt độ bầu ướt t1 t0 ư 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 khi tính toán.

b BC – giai đoạn sấy đẳng tốc :

- Nhiệt cung cấp để bốc hơi ẩm tự do ở bề mặt vật liệu

- Nhiệt độ của vật liệu bằng tư không đổi

- Độ ẩm của vật liệu giảm nhanh

- 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 độbốc hơi từ bề mặt, trên bề mặt luôn bão hòa ẩm.

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

1

dU

N const d

(23)

- Nên tích phân (23) lên ta có:

0 1

- Với U th : là độ ẩm tới hạn, độ ẩm cuối giai đoạn sấy đẳng tốc

c CD – giai đoạn sấy giảm tốc :

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

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

- 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 này ( ):2

- Với U* : độ ẩm cân bằng, độ ẩm kết thúc giai đoạn sấy giảm tốc

14 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 ( ) và sấy giảm tốc (1  ); có thể bỏ qua giai đoạn đốt nóng vật liệu, vì 2

giai đoạn này xảy ra rất nhanh Biểu thức tính thời gian như sau:

* 0

III DỤNG CỤ – THIẾT BỊ VÀ VẬT LIỆU SẤY

1 Dụng cụ - Thiết bị: Hệ thống thiết bị sấy gồm

- 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 sấy.

- 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 nhiệt độ

- Vật liệu sấy: 3 sấp giấy lọc đã được gấp đôi

- Hệ thống điện: tìm các cầu dao quạt, caloriphe (nhìn đường dây dẫn), các côngtắc điện trên hộp điều khiển nhiệt độ

b Chuẩn bị thí nghiệm:

- Xác định khối lượng khô ban đầu của 3 xấp giấy lọc:

 Mở cửa buồng sấy ra – đặt cẩn thận lên bàn (vì cửa khá nặng – nguy hiểm)

 Cách đặt giấy 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 sẽ dao động – chờ kim hết dao độngđọc giá trị cân (G0)

- 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) vàochậu nước – chờ khoảng 30 giây cho nước thấm đều giấy, lấy giấy lọc lên – phơi ngoàikhông khí (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

 Bật công tắc của chùm điện trở thứ hai (HEATER II) ở vị trí chính giữa sang ON Ở chế

độ 70oC thì bật thêm công tắc của chùm điện trở thứ nhất (HEATER I) ở phía bên trái củacông 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 cài đặtnhiệt độ cần thiết Đồng hồ điện tử trên hộp cài đặt cho biết nhiệt độ của caloriphe

d 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

e Cách đọc giá trị đo:

- Khối lượng (gam): khi đặt giấy lọc vào buồng sấy, kim của cân sẽ dao động (cân gồm haikim, chỉ đọc dây kim mảnh – nhỏ, không đọc kim lớn), chờ kim hết dao động, đọc số màdây kim trùng (đọc số nhỏ – không đọc số lớn) Nếu dây kim nằm giữa hai số thì cộng lạichia đôi

- Nhiệt độ (oF): đồng hồ cơ hiển thị nhiệt độ đo theo nguyên tắc cơ học: có tất cả 4 kim(2 kim nhỏ bên trong và 2 kim lớn bên ngoài), quan tâm hai kim lớn (kim lớn bên phảichỉ 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

- Trong một chế độ nhiệt độ, để đo số liệu được chính xác thì cần lưu ý:

 Khi phơi giấy lọc bên ngoài, phải chờ hết nhiễu nước rồi mới bắt đầu chế độ thí nghiệm

để xác định được G1 chính xác

 Lưu ý cách đặt giấy lọc lên lưới sấy: phải theo chiều nếp gấp giấy lọc từ trái sang phải,tức theo chiều tác nhân và đặt một cách phẳng phiu không xếp góc Không được đặtngược lại, vì khi đó dòng tác nhân thổi qua sẽ bung giấy lọc (do giấy lọc được gấp đôi)thay đổi bề mặt bốc hơi dẫn đến các thông số sấy sẽ thay đổi và cuối cùng gây sai số thínghiệm

- Chuyển đổi chế độ thí nghiệm:

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

 Cài đặt nhiệt độ caloriphe ở giá trị tiếp theo cho chế độ sấy mới

 Chờ cho hệ thống hoạt động ổn định

 Lặp lại trình tự như chế độ đầu

f Một số lưu ý trong quá trình vận hành hệ thống sấy:

- Luôn theo dõi sự hoạt động của bộ điều nhiệt để xem có chính xác giá trị nhiệt độ cài đặthay không Trường hợp ở chế độ sấy nhiệt độ cao mà nhiệt độ caloriphe không đạt giá trịcài đặt thì phải khép bớt cửa dòng khí ra (chỉ khép bớt không được đóng kín).

- Các cửa khí vào – ra phải luôn mở không được đóng

- Châm nước liên tục vào bầu nước để đo nhiệt độ bầu ướt

- Không được mở quạt trần ngay bài thí nghiệm vì sẽ làm kim cân dao động (quạt số 7 trêntáp – lô điện ở cửa ra – vào phòng thí nghiệm)

g Kết thúc thí nghiệm:

- Tắt caloriphe:

 Tắt các công tắc của các chùm điện trở trên hộp điều khiển

 Trả về không cho hộp cài đặt nhiệt độ

 Kéo cầu dao điện của caloriphe

- Tắt quạt:

 Sau khi tắt caloriphe được 5 phút, mới kéo cầu dao quạt để cho caloriphenguội

 Mở cửa buồng sấy lấy giấy lọc ra và lắp cửa lại

 Kiểm tra hệ thống một lần nữa và vệ sinh khu vực bài thí nghiệm – phòng thínghiệm

IV KÉT QUẢ THÍ NGHIỆM

1 Kết quả xử lí số liệu thô

Bảng 2: Xử lí số liệu thô

0,00 0,11 16,67 47,78 0,00 0,10 26,67 59,44 0,00 0,10 27,78 58,890,08 0,09 16,67 47,78 0,08 0,08 27,22 60,00 0,08 0,07 28,89 60,560,17 0,0

8 16,67 48,89 0,17 0,06 27,78 60,00 0,17 0,06 27,78 58,890,25 0,06 16,67 47,78 0,25 0,05 27,78 59,44 0,25 0,04 27,22 58,330,33 0,05 16,67 48,89 0,33 0,03 27,78 60,56 0,33 0,03 27,22 58,33

0,42 0,04 16,67 47,78 0,42 0,03 27,78 60,00 0,42 0,03 27,22 58,330,48 0,0

3 16,67 48,89 0,48 0,03 27,78 59,44 0,48 0,03 27,22 58,330,58 0,03 16,67 48,33 0,58 0,03 27,78 60,00 0,58 0,03 27,22 58,330,67 0,03 16,67 48,33

47,7

8 12,48 0,00 31,110,083

3

0,090

16,67

47,7

8 12,48 0,00 31,110,166

7 0,0748 200 60 720 16,67 48,89 12,48 0,00 32,220,248

0

0,062

16,67

47,7

8 12,48 0,00 31,110,333

3 0,0480 100 48 600 16,67 48,89 12,48 0,00 32,220,416

7

0,040

16,67

47,7

8 12,48 0,00 31,110,480

0

0,032

16,67

48,8

9 12,48 0,00 32,220,583

3 0,0275 10 20 240 16,67 48,33 12,48 0,00 31,670,666

7

0,024

16,67

48,3

3 12,48 0,00 31,670,748

9 12,48 0,00 32,22

3 Đồ thị

a Đường cong sấy

Hình 3: Đường cong sây ở chế độ 48 o C

00,00000,00000,00000,00000,00000,00100,00100,00100,00100,001-50

050

f(x) = − 627.43 x + 312.38 R² = 0.99

Hình 4: Đường cong sấy ở chế độ sấy 59 o C

00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,001 00,001 00,001 00,001 0

Hình 5: Đường cong sấy ở chế độ 70 o C

00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,001 00,001 00,001 00,001 0

f(x) = 0

R² = 0

b Đường cong tốc độ sấy

Hình 6: Đường cong tốc độ sấy ở chế độ 48 o C

0100

Hình 7: Đường cong tốc độ sấy ở chế độ 59 o C

0 200

0,7 5

14, 4 10

0

177,

0,4 7

14, 4

0,3 0

0,2 9

14, 4

Thực nghiệm Lý thuyết Sai số (%)

* Đường cong sấy:

Với những số liệu thô ta thu được và áp dụng phương pháp bình phương cực tiểu, ta thu đượcđường cong sấy khá giống với lý thuyết Trong bài thí nghiệm này, vậy liệu sấy là giấy lọc, nên qua trình đun nóng diễn ra khá nhanh, nên ta có thể bỏ qua giai đoạn này, và ghép chung với giaiđoạn đẳng tốc Nhận xét chung: hình dạng đường cong sấy sai lệch so với lý thuyết không đáng kể

* Đường cong tốc độ sấy:

Đường cong tốc độ sấy cũng có dạng phù hợp so với lý thuyết Đó là bởi vì ta không dùngcách vẽ trung bình U/, mà lấy vi phân trực tiếp trên đường cong sấy Để đường cong tốc độsấy được chính xác hơn, đáng lẽ ta phải lấy vi phân tại nhiều điểm Nhưng vì cách này quá phứctạp nên ta chỉ lấy tại 2 điểm Cho nên nhìn chung, đường cong tốc độ sấy tuy đúng về hình dạngnhưng về giá trị thì không được chính xác lắm

Theo KQ Thí nghiệm thu được thì U* = 0 Nhưng trên thực tế, U* không thể bằng 0 do vậtliệu không được sấy khô tuyệt đối mà luôn chứa 1 lượng ẩm cân bằng nhất định Tuy nhiên trongmột bài thí nghiệm nào đều có một sai số nhất định, nên trong bài thí nghiệm này, ta lây U* = 0

Câu 2 : Nhận xét và giải thích kết quả tính toán, nêu lên mối quan hệ của các thông số sấy.

* Độ ẩm cân bằng U * :