Khảo sát quá trình sấy đối lưu bằng thực nghiệm,

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: độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng; tốc độ sấy đẳng tốc; thời gian sấy đẳng tốc, thời gian sấy giảm tốc. • Đánh giá sai số của quá trình sấy.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: độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng; tốc độ sấy đẳng tốc; thời gian sấy đẳng tốc, thời gian sấy giảm tốc. • Đánh giá sai số của quá trình sấy.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: độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng; tốc độ sấy đẳng tốc; thời gian sấy đẳng tốc, thời gian sấy giảm tốc. • Đánh giá sai số của quá trình sấy.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: độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng; tốc độ sấy đẳng tốc; thời gian sấy đẳng tốc, thời gian sấy giảm tốc. • Đánh giá sai số của quá trình sấy.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: độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng; tốc độ sấy đẳng tốc; thời gian sấy đẳng tốc, thời gian sấy giảm tốc. • Đánh giá sai số của quá trình sấy.

MỤC LỤC

1 CHƯƠNG 1 TRÍCH YẾU 3

1.1 Mục đích thí nghiệm 3

1.2 Phương pháp thí nghiệm 3

1.3 Số liệu thô 3

2 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM 5

2.1 Định nghĩa 5

2.2 Các đặc trưng của quá trình sấy 5

2.3 Tác nhân sấy 5

2.4 Động lực quá trình sấy 5

2.5 Các dạng liên kết ẩm 6

2.6 Động học quá trình sấy 6

2.6.1 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy 7

2.6.2 Các giai đoạn của quá trình sấy 7

3 CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 10

3.1 Thiết bị thí nghiệm 10

3.2 Cách tiến hành 10

4 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ XỬ LÝ SỐ LIỆU 11

4.1 Kết quả tính toán và tra cứu: 11

4.2 Đồ thị 14

4.3 Đánh giá kết quả thí nghiệm 17

4.3.1 Sai số khi dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy 17

4.3.2 Sai số khi tính toán các thông số 20

5 CHƯƠNG 5: BÀN LUẬN 22

5.1 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy 22

5.2 Các thông số tính toán 23

5.3 Nhận xét và giải thích kết quả đánh giá sai số 25

5.4 Các nguyên nhân và biện pháp khắc phục sai số 27

6 PHỤ LỤC 28

6.1 Các thông số ban đầu 28

6.1.1 Vật liệu sấy 28

6.1.2 Tác nhân sấy 28

6.2 Các công thức tính toán 28

6.2.1 Tính toán số liệu cho các bảng 3, 4 và 5 28

6.2.2 Tính toán cho bảng 6 29

6.2.3 Tính toán cho bảng 7, 8 và 9 30

6.2.4 Tính toán cho bảng 10: Các giá trị theo lý thuyết 30

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

1 CHƯƠNG 1 TRÍCH YẾU

1.1 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: độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng; tốc độ sấy đẳng tốc; thời gian sấy đẳng tốc, thời gian sấy giảm tốc

• Đánh giá sai số của quá trình sấy

1.2 Phương pháp thí nghiệm

Ta tiến hành sấy ở 3 chế độ: 45oC, 55oC và 65oC

Đầu tiên, giấy lọc được nhúng ướt trong 30 giây, phơi trên song sắt cửa sổ đến khi hết nhiễu nước và được cho vào buồng sấy Song song với đó, calorifer được khởi động với chế độ sấy (nhiệt độ bầu khô) được điều chỉnh cho từng chế độ sấy và khay chứa nước được đổ đầy để xác định nhiệt độ bầu khô Khi nhiệt độ bầu khô và bầu ướt đã hiển thị

ổn định, tiến hành xếp giấy lọc lên khay (có kết nối với cân) trong buồng sấy Tại mỗi thời điểm xác định trước, ghi giá trị nhiệt độ bầu khô – bầu ướt cũng như số chỉ trên cân

• Chế độ sấy 45oC: Cứ 03 phút ghi giá trị một lần

• Chế độ sấy 55oC: Cứ 02 phút ghi giá trị một lần

• Chế độ sấy 65oC: Cứ 02 phút ghi giá trị một lần

1.3 Số liệu thô

Khối lượng khô tuyệt đối của giấy lọc được chọn: G0 = 47,5g hay 0,0475kg

Bảng 1 Kết quả thô thu được từ thí nghiệm

Chế độ sấy 45 o C Chế độ sấy 55 o C Chế độ sấy 65 0 C

G (g)

G (g)

2 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM

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 2 quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm đều được thực hiện bằng phương pháp đối lưu Các cơ chế đối lưu về bản chất giống với các cơ chế tiếp xúc, nhưng luôn luôn kèm theo sự chuyển động mạnh của dòng lưu chất (ở đây là tác nhân sấy sẽ truyền nhiệt và nhận ẩm trong lúc di chuyển qua vật liệu mang ẩm)

2.2 Các đặc trưng của quá trình sấy

Quá trình sấy là một quá trình không thuận nghịch (ẩm sẽ thoát ra ngoài cùng với tác nhân sấy)

và không ổn định (tốc độ sấy thay đổi) Chính vì vậy, đây là một quá trình khá phức tạp, với 4 quá trình nhỏ diễn ra đồng thời:

• Truyền nhiệt cho vật liệu (đun nóng vật liệu)

• Dẫn ẩm trong lòng vật liệu (khuếch tán trong)

• Chuyển pha (ẩm từ lỏng thành hơi)

• Ẩm được bốc ra môi trường xung quanh (khuếch tán ngoài)

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy cũng khá đa dạng Có thể kể đến bản chất vật liệu sấy (quyết định cấu trúc bề mặt, mao quản, khả năng liên kết ẩm), hình dạng vật liệu sấy (quyết định diện tích bề mặt tiếp xúc), độ ẩm vật liệu sấy (quyết định giới hạn quá trình sấy), các tính chất vật lý của tác nhân sấy (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ), chênh lệch nhiệt độ đầu – cuối của quá trình sấy (quyết định lượng nhiệt tiêu hao), cấu tạo thiết bị sấy (vật liệu đảo trộn hay đứng yên, phương thức sấy và chế độ sấy)

2.3 Tác nhân sấy

Tác nhân sấy là những chất dùng để gia nhiệt cho vật liệu sấy, đồng thời cũng là nơi nhận ẩm

và mang ẩm ra khỏi vật liệu sấy Tác nhân sấy được dùng phổ biến nhất là không khí (có mang một lượng ẩm nhất định) do tính có sẵn của nó cũng như việc đảm bảo độ sạch cho vật liệu Trong bài thí nghiệm này, ta dùng không khí ẩm để làm tác nhân sấy

2.4 Động lực quá trình sấy

Là sự chênh lệch giữa áp suất hơi nước (ẩm) trên bề mặt vật liệu và áp suất riêng phần của nước trong không khí ẩm (là tác nhân sấy sử dụng) Như bản chất quá trình khuếch tán gắn liền với mọi cơ chế truyền khối, ẩm sẽ di chuyển từ nơi có áp suất cao (bề mặt vật liệu) sang nơi có áp suất thấp hơn (không khí ẩm) nhằm san bằng khoảng cách về áp suất giữa 2 bên Tuy nhiên, trong thực tế người ta xây dựng đường cong biểu diễn cân bằng giữa độ ẩm tương đối của không

khí ẩm (φ, thể hiện nồng độ của hơi nước trong pha nhận vật chất) với độ ẩm tuyệt đối của vật liệu (U, thể hiện nồng độ của nước lỏng trong pha nhường vật chất) Động lực của quá trình, chính vì thế có thể biểu diễn qua ΔP, Δφ hay sử dụng thế sấy (chênh lệch nhiệt độ bầu khô và bầu ướt của không khí ẩm) ε

2.5 Các dạng liên kết ẩm

Bảng 2 Các dạng liên kết của ẩm với vật liệu và khả năng tách bằng quá trình sấy

Liên kết

thẩm thấu

Dạng liên kết này chỉ tồn tại trong dung dịch, do áp suất thẩm thấu làm cho áp suất hơi ở trên bề mặt dung dịch nhỏ hơn áp suất hơi ở trên dung môi nguyên chất

Quá trình sấy để tách ẩm

từ dung dịch sẽ khó hơn tách ẩm từ dung môi nguyên chất

Liên kết cơ lý 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 hoặc phương pháp cơ học

, trong bài này U là độ ẩm tuyệt đối của vật liệu (% khối lượng ẩm so với khối lượng khô tuyệt đối) và τ là thời gian sấy (theo giờ) Từ đó, N mang đơn vị %/h

2.6.1 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy

Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy sẽ có dạng như sau:

Hình 1 Hình dạng đường cong sấy (bên trái, đường nhạt), đường cong nhiệt độ vật liệu (bên

trái, đường đậm) và đường cong tốc độ sấy (bên phải)

Ở cả 2 đồ thị, giai đoạn AB là giai đoạn đun nóng vật liệu, BC là giai đoạn sấy đẳng tốc và CD

là giai đoạn sấy giảm tốc Riêng ở đường cong tốc độ sấy, giai đoạn sấy giảm tốc có hình dạng khá phức tạp và phụ thuộc vào loại vật liệu sấy Đường số 1 đặc trưng cho vật liệu xốp, bản mỏng Đường số 2 đặc trưng cho vật liệu keo Đường số 3 đặc trưng cho vật liệu xốp Đường

số 4 đặc trưng cho vật liệu keo xốp (có điểm uốn) và đường số 5 đặc trưng cho vật liệu có điểm tới hạn thứ 2 (điểm gãy thứ 2)

Trong bài thí nghiệm này, vật liệu sấy có dạng xốp, bản mỏng nên dạng đường cong tốc độ sấy trong giai đoạn giảm tốc sẽ là đường thẳng

2.6.2 Các giai đoạn của quá trình sấy

Phân tích đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy, ta thấy quá trình sấy có thể chia làm 3 giai đoạn:

2.6.2.1 Giai đoạn đun nóng vật liệu (giai đoạn 1)

Nếu ban đầu nhiệt độ vật liệu thấp hơn nhiệt độ bầu ướt của không khí ẩm thì giai đoạn này sẽ làm nóng vật liệu (cùng với lượng ẩm có sẵn) đến nhiệt độ bầu ướt đấy Độ ẩm của vật liệu sẽ giảm từ U0 đến U1, tốc độ sấy tăng từ 0 đến N1 Đặc điểm của giai đoạn này là ẩm bốc hơi không đáng kể (U1 ≈ U0), thời gian sấy không đáng kể (τ≈ 0) và tốc độ sấy tăng nhanh từ 0 đến tốc độ sấy của giai đoạn kế tiếp N1

Trong bài thí nghiệm này, ta bỏ qua luôn giai đoạn 1 vì vật liệu sấy khá mỏng và quá trình sấy theo cơ chế đối lưu

2.6.2.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc (giai đoạn 2)

Đây là giai đoạn ẩm tự do trên bề mặt vật liệu bốc hơi dễ dàng trên toàn bộ bề mặt do quá trình khuếch tán trong nhanh hơn khuếch tán ngoài, làm cho độ ẩm vật liệu giảm nhanh theo đường thẳng có độ dốc lớn Theo định nghĩa, độ dốc của đường cong sấy chính là tốc độ sấy Từ đó ta rút ra nhận xét, ở giai đoạn 2 này tốc độ sấy là không đổi (do hệ số góc của đường thẳng là hằng

số, từ đó có tên “sấy đẳng tốc”) Theo thời gian, tốc độ của quá trình khuếch tán trong giảm dần Giá trị độ ẩm mà tại đó tốc độ quá trình khuếch tán trong bằng với quá trình khuếch tán ngoài được gọi là độ ẩm tới hạn (Uth), đây cũng là giới hạn của giai đoạn 2 khi ẩm không thể bốc dễ dàng trên toàn bộ bề mặt sấy nữa

Do giai đoạn này chỉ có ẩm nhận nhiệt để bốc hơi, nhiệt độ vật liệu không thay đổi và bằng nhiệt độ bầu ướt của không khí ẩm (giá trị đạt được khi kết thúc giai đoạn 1) Cùng lúc đó, tốc

độ quá trình khuếch tán ngoài quyết định toàn bộ tốc độ giai đoạn 2 nên ta có cường độ sấy (kí hiệu J, đơn vị kg/m2h) bằng đúng cường độ bốc hơi nước và được xác định bằng phương trình

J = p −p Trong đó α (kg/m2h.mmHg) là hệ số trao đổi ẩm hay hệ số truyền ẩm, pm

(mmHg) là áp suất hơi của ẩm ngay sát bề mặt vật liệu, bằng giá trị áp suất hơi nước bão hòa trong không khí tại nhiệt độ bầu ướt, và p (mmHg) là áp suất hơi riêng phần của không khí Hệ

số trao đổi ẩm cho bài thí nghiệm này có thể xác định bằng công thức  =0, 0229 0, 0174 v+ , với v (m/s) là tốc độ của dòng không khí Tốc độ sấy đẳng tốc N1 được xác định bằng công

thức N1=100  , với J f

0

F f G

= (m2/kg) là bề mặt riêng theo khối lượng của vật liệu sấy

Cùng với đó, thời gian sấy đẳng tốc cũng được xác định: 1 0

2.6.2.3 Giai đoạn sấy giảm tốc (giai đoạn 3)

Đây là lúc quá trình khuếch tán trong không thể cung cấp đủ ẩm cho quá trình khuếch tán ngoài, dẫn đến bề mặt bốc hơi bắt đầu bị co lại, lượng ẩm bốc hơi ít dần làm nhiệt dư tiếp tục đun nóng vật liệu, tốc độ sấy giảm mạnh Giới hạn của giai đoạn 3 này là khi độ ẩm của vật liệu đạt giá trị cân bằng U*, tại đó áp suất hơi của ẩm ngay sát bề mặt vật liệu bằng áp suất hơi nước trong không khí ẩm và tốc độ sấy về 0

Trong bài thí nghiệm này, vật liệu sấy có cấu trúc xốp, bản mỏng nên đường cong tốc độ sấy của giai đoạn này có dạng của đường thẳng

phụ thuộc vào chế độ sấy (thể hiện qua tốc độ sấy đẳng tốc N1) và phụ thuộc vào tính chất của

vật liệu (thể hiện qua hệ số sấy tương đối 1 *

3 CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

3.1 Thiết bị thí nghiệm

Hệ thống thí nghiệm bao gồm thiết bị sấy được trang bị bộ đốt nóng bằng điện trở, không khí được quạt ly tâm thổi qua điện trở sẽ được gia nhiệt đến nhiệt độ cần thiết Lượng không khí được hút vào và thải ra bằng các cửa gió, với cửa hút ở phía trước và cửa thải ở phía sau Ở bên ngoài thiết bị có lắp nhiệt kế điện tử để ghi nhận nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt (đơn vị

oC) cũng như cài đặt chế độ sấy Ở bên trong thiết bị có cân để đặt vật liệu sấy và xác định khối lượng theo thời gian Ngoài ra chúng ta cần chuẩn bị thì kế hoặc đồng hồ bấm giờ để xác định khoảng thời gian dãn cách giữa 2 lần đọc giá trị trên cân

Vật liệu sấy thí nghiệm là 3 tấm giấy lọc, mỗi tấm được ghép từ 3 tờ giấy lọc Mỗi tấm có kích thước 30 x 20 x 0,01 (cm)

Sau khi nhiệt độ trong phòng sấy đạt giá trị mong muốn, mở cửa phòng sấy ra, đặt cẩn thận nhẹ nhàng các tờ giấy lọc lên các giá đỡ, ghi nhận số chỉ trên cân rồi đóng cửa phòng sấy lại Trong suốt quá trình sấy ghi nhận các đại lượng: số chỉ trên cân (G), nhiệt độ bầu khô (tk) và nhiệt độ bầu ướt (tư) trong phòng sấy tương ứng với mỗi khoảng thời gian

Tiến hành thí nghiệm ở các nhiệt độ không khí 45oC, 55oC và 65oC Ở nhiệt độ 65oC phải mở thêm bộ gia nhiệt (điện trở) thứ hai

4 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ XỬ LÝ SỐ LIỆU

4.1 Kết quả tính toán và tra cứu:

Bảng 3 Kết quả tính toán và tra cứu cho chế độ sấy 45 o C

|ΔU|

(%)

N (%/h)

ε ( o C)

0,1 0,135 184,21 15,79 315,79 36 48 44,25 38,83 12 0,15 0,1275 168,42 15,79 315,79 36 48 44,25 38,83 12 0,2 0,12 152,63 15,79 315,79 36 48 44,25 38,83 12 0,25 0,1125 136,84 15,79 315,79 36 48 44,25 38,83 12 0,3 0,105 121,05 15,79 315,79 36 48 44,25 38,83 12

0,4 0,0875 84,21 15,79 315,79 35 48 41,84 35,95 13

0,5 0,0725 52,63 15,79 315,79 35 47 41,86 36,44 12 0,55 0,0675 42,1 10,53 210,53 35 47 41,86 36,44 12 0,6 0,0625 31,58 10,53 210,53 35 47 41,86 36,44 12 0,65 0,0575 21,05 10,53 210,53 35 47 41,86 36,44 12

Bảng 4 Kết quả tính toán và tra cứu cho chế độ sấy 55 o C

|ΔU|

(%)

N (%/h)

ε ( o C)

0,033 0,14 194,74 21,05 631,58 39 54 52,03 45,33 15 0,067 0,135 184,21 10,53 315,79 39 52 52,09 46,29 13

0,133 0,1175 147,37 10,53 315,79 39 55 52 44,86 16 0,167 0,11 131,58 15,79 473,68 39 52 52,09 46,29 13 0,2 0,1025 115,79 15,79 473,68 40 56 54,87 47,76 16

0,267 0,0875 84,21 15,79 473,68 40 57 54,84 47,28 17

0,333 0,075 57,89 10,53 315,79 40 56 54,87 47,76 16 0,367 0,0675 42,11 15,79 473,68 39 53 52,06 45,81 14 0,4 0,0625 31,58 10,53 315,79 40 53 54,96 49,19 13 0,433 0,0575 21,05 10,53 315,79 39 54 52,03 45,33 15 0,467 0,0525 10,53 10,53 315,79 39 52 52,09 46,29 13

Bảng 5 Kết quả tính toán và tra cứu cho chế độ sấy 65 o C

|ΔU|

(%)

N (%/h)

ε ( o C)

0,033 0,13 173,68 36,84 1105,26 46 62 75,16 68,28 16 0,067 0,115 142,11 31,58 947,37 47 67 78,95 70,39 20 0,1 0,105 121,05 21,05 631,58 46 65 75,05 66,87 19 0,133 0,0925 94,74 26,32 789,47 46 63 75,12 67,81 17 0,167 0,0825 73,68 21,05 631,58 47 67 78,95 70,39 20

0,233 0,0625 31,58 15,79 473,68 47 65 79,02 71,32 18 0,267 0,055 15,79 15,79 473,68 47 68 78,93 69,92 21

4.2 Đồ thị

Hình 2 Đường cong sấy cho chế độ sấy 45 o C

Hình 3 Đường cong sấy của giai đoạn đẳng tốc, chế độ sấy 45 o C có dạng đường thẳng

Hình 4 Đường cong sấy cho chế độ sấy 55 o C

Hình 5 Đường cong sấy của giai đoạn đẳng tốc, chế độ sấy 55 o C có dạng đường thẳng

Hình 6 Đường cong sấy cho chế độ sấy 65 o C

Hình 7 Đường cong sấy của giai đoạn đẳng tốc, chế độ sấy 65 o C có dạng đường thẳng

Từ các đồ thị đường cong sấy của giai đoạn đẳng tốc ở mỗi chế độ, hệ số góc của mỗi đường thẳng tuyến tính theo phương pháp bình phương cực tiểu chính là tốc độ sấy đẳng tốc của chế

χ (1/%)

K (1/h)

4.3 Đánh giá kết quả thí nghiệm

4.3.1 Sai số khi dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy

Từ các đồ thị đường cong sấy, ta xây dựng đường cong sấy lý thuyết để tính U’:

• Giai đoạn đẳng tốc: Sử dụng phương trình xấp xỉ tuyến tính của các đồ thị đường cong sấy đẳng tốc để xác định U’

• Giai đoạn giảm tốc: Giải phương trình vi phân dU ( *)

  , hay U i =U thexp−K( i− 1) Trong đó,

Ui là độ ẩm của từng thời điểm trong giai đoạn đẳng tốc, Uth là độ ẩm tới hạn, K

là hệ số sấy, τi là thời điểm ứng với độ ẩm Ui và τ1 là thời gian sấy đẳng tốc

Từ đồ thị các đường cong tốc độ sấy sau khi xử lý, ta xác định giá trị của tốc độ sấy:

• Giai đoạn đẳng tốc: Tốc độ sấy không thay đổi

• Giai đoạn giảm tốc: Đường thẳng đi qua gốc tọa độ và có hệ số góc là K, từ đó

có phương trình Ni = KUi cho giai đoạn này ở từng chế độ sấy Trong đó, Ni là tốc độ sấy ở từng thời điểm trong giai đoạn giảm tốc và Ui là độ ẩm của vật liệu ứng với thời điểm cụ thể trong giai đoạn giảm tốc

Bảng 7 Sai số khi dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy cho chế độ sấy 45 o C

τ

(h)

U (%)

N’

(%/h)

N – N’ (%/h)