Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và chuyển chất trong sấy vật chuyển động ảnh hưởng của chuyển động của vật lên chuyển khối khi sấy

Từ những tìm hiểu và nhận định trên, để góp phần vào các nghiên cứu cơ bản cho các quá trình chúng tôi được giao nhiệm vụ : Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và chuyển chất trong sấy vật

Bộ giáo dục và đào tạo

Trường đại học bách khoa hà nội

-

Cao Duy hữu

nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và chuyển chất trong sấy vật chuyển động : ảnh hưởng của

chuyển động của vật lên chuyển khối khi sấy

Chuyên ngành : Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học

Môc lôc

Trang

Më ®Çu 1

Ch−¬ng I Tæng quan 2

I.1 Sù truyÒn nhiÖt vµ chuyÓn chÊt trong qu¸ tr×nh sÊy 2 I.1.1 Qu¸ tr×nh truyÒn Èm trong vËt sÊy 3 I.1.2 Qu¸ tr×nh truyÒn Èm gi÷a bÒ mÆt sÊy vµ m«i tr−êng 3 I.1.3 Quan hÖ gi÷a nhiÖt vµ truyÒn Èm 5 I.2 C¸c giai ®o¹n sÊy 6

I.3 M« t¶ hiÖn t−îng truyÒn nhiÖt vµ chuyÓn chÊt trong qu¸ tr×nh

sÊy b»ng c¸c ph−¬ng tr×nh chuÈn sè 10

I.4 SÊy tÇng s«i 13

Ch−¬ng II Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu 16

II.1 HÖ thèng thÝ nghiÖm 16

II.2 Ph−¬ng ph¸p ®o c¸c th«ng sè thÝ nghiÖm 19

II.3 Ph−¬ng ph¸p xö lý sè liÖu 21

Ch−¬ng III KÕt qu¶ thÝ nghiÖm vµ c¸c ph©n tÝch 26

III.1 KÕt qu¶ thÝ nghiÖm chuyÒn chÊt 26

III.2 KÕt qu¶ truyÒn nhiÖt vµ chuyÓn chÊt khi sÊy tÇng s«i víi h¹t vµ líp h¹t 47

KÕt luËn 52

Tµi liÖu tham kh¶o 53

Phô lôc 55

Các nghiên cứu về quá trình sấy đã được làm từ rất lâu, hiện tại người ta vẫn đang được tiếp tục ngiên cứu, bổ xung các kết quả mới nhằm hoàn thiện hơn nữa lí thuyết quá trình sấy vốn dĩ rất phức tạp

Sau khi tham khảo tìm hiểu một số nghiên cứu gần đây cũng như các tài liệu trong nước và nước ngoài, chúng tôi nhận thấy các nghiên cứu cơ bản cho các quá trình này là rất cần thiết Các kết quả nghiên cứu cơ bản sẽ là nền tảng cho lý thuyết sấy nói chung Trong quá trình truyền nhiệt và thoát ẩm thì vai trò của vật ẩm đóng vai trò quan trọng, quyết định đến tính chất của quá trình Vật ẩm có thể ở trạng thái tĩnh hoặc trạng thái dao động, các thay đổi về mặt trạng thái chuyển động cũng phần nào ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt

và chuyển khối khi vật ẩm tương tác với môi trường khí nóng

Từ những tìm hiểu và nhận định trên, để góp phần vào các nghiên cứu cơ bản cho các quá trình chúng tôi được giao nhiệm vụ : Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và chuyển chất trong sấy vật chuyển động : ảnh hưởng của chuyển động của vật lên chuyển khối khi sấy

Chương I Tổng quan

I.1 Sự truyền nhiệt và chuyển chất trong quá trình sấy

Sấy là quá trình tách ẩm bằng cách cấp nhiệt cho vật liệu để ẩm bay

hơi Vật liệu sấy có thể ở dạng rắn ẩm, bột nhão hoặc dung dịch

Sấy đối lưu là dùng không khí nóng hoặc khí lò làm tác nhân sấy có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy bao trùm vật sấy làm cho

ẩm trong vật sấy bay hơi rồi đi theo tác nhân sấy Sấy đối lưu có thể thực hiện theo mẻ (gián đoạn) hay liên tục

Quá trình sấy đối lưu bao gồm các giai đoạn: Dòng khí cấp nhiệt cho vật sấy, quá trình truyền ẩm từ trong vật sấy ra ngoài bề mặt sấy, quá trình truyền ẩm từ bề mặt vật sấy vào môi trường Các quá trình truyền nhiệt và truyền chất trên xảy ra đồng thời trên vật sấy, chúng có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau và chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố, trong đó một số thuộc về tác nhân sấy, một số thuộc về thiết bị, một số thuộc về vật liệu sấy như kích thước, cấu trúc và liên kết ẩm trong vật liệu ẩm, trạng thái của vật là đứng yên hay chuyển động

Các dạng liên kết giữa nước và vật liệu

Nước có trong vật liệu ẩm có thể chia làm hai loại: nước tự do và nước

liên kết Nước tự do nằm trong vật ẩm là lượng nước mà hơi nước có áp suất riêng phần bằng giá trị bão hòa ở nhiệt độ hiện tại của vật ẩm Nước liên kết

với vật ẩm có áp suất riêng nhỏ hơn áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ của vật Năng lượng liên kết càng lớn, áp suất hơi ∆p càng nhỏ, càng khó tách Muốn tách nước ra khỏi vật ẩm cần có năng lượng bằng hay lớn hơn năng lượng liên

kết của nó với vật ẩm Để có thể lựa chọn phương pháp tách nước tốt nhất, cần biết các dạng liên kết của nó với vật ẩm

I.1.1 Quá trình truyền ẩm trong vật sấy

Quá trình truyền ẩm từ trong lòng vật sấy ra ngoài bề mặt nhìn chung

do chênh lệch độ ẩm và chênh lệch nhiệt độ giữa vật ẩm và môi trường

độ bên trong vật sấy, điều này ảnh hưởng xấu đến quá trình dẫn ẩm từ trong vật sấy ra ngoài Việc dẫn ẩm từ trong vật sấy ra ngoài gây nên do gradien độ

ẩm, còn gradien nhiệt độ ngược lại làm chậm sự dẫn ẩm Sự bay hơi ẩm trên

bề mặt vật liệu tạo nên dòng ẩm trong vật sấy

Dòng ẩm từ trong vật sấy truyền ra ngoài trong sấy đối lưu là:

I.1.2 Quá trình truyền ẩm giữa bề mặt sấy và môi trường

Quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất giữa bề mặt vật sấy và môi chất sấy rất phức tạp, có thể mô tả bằng hệ thống các phương trình vi phân và các

điều kiện đơn trị của chúng Dòng hơi ẩm thoát ra từ vật vào môi trường bao

gồm ba thành phần: dòng ẩm khuếch tán, dòng ẩm khuếch tán nhiệt và dòng

ẩm do khuếch tán phân tử

Dòng khuếch tán qmk gây nên bởi chênh lệch nồng độ hơi ẩm giữa bề mặt và môi trường Dòng khuếch tán nhiệt qmt gây nên do chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và môi trường Còn dòng khuếch tán phân tử gây nên do chênh lệch phân áp suất hơi giữa bề mặt và môi trường Dòng khuếch tán và khuếch tán phân tử đóng vai trò chính, dòng khuếch tán nhiệt rất nhỏ, trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua Khó có thể phân định các dòng trên nên trong quá trình thực tế, sự truyền ẩm từ bề mặt vật ẩm vào môi trường khí được biểu thị qua định luật cấp khối:

đứng yên(tĩnh) hay chuyển động

Hệ số cấp khối β là một đại lượng phức tạp Nó phụ thuộc vào tính chất vật lý của các pha, nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, kích thước hình học đặc trưng

và cấu tạo thiết bị Cách tính β thông qua các phương trình chuẩn số:

l

D Nu'.

=

Trong đó: Nu’ - chuẩn số Nusselt đặc trưng cho quá trình cấp khối;

D - hệ số khuếch tán động, m2/s ;

I.1.3 Quan hệ giữa nhiệt và truyền ẩm

Quan hệ giữa nhiệt và truyền ẩm thể hiện qua các phương trình vi phân

τ

du m r d

dm r

r – nhiệt hóa hơi của nước liên kết trong vật ẩm, kJ/kg;

m0,mn – khối lượng chất khô và nước ttrong vật ẩm, kg;

Q1,Q2 – nhiệt lượng nung nóng vật ẩm, nhiệt lượng để nước bay hơi;

u – độ chứa ẩm trung bình trong vật sấy;

r = rn + Ch(t – tb) + ∆r [I-9]

Trong đó:

rn – nhiệt hóa hơi của nước, kJ/kg;

Ch – nhiệt dung riêng của nước, kJ/kg.độ;

t – nhiệt độ của hơi bị đốt nóng, oC;

tb – nhiệt độ bay hơi của nước, oC;

∆r – nhiệt lượng liên kết của nước, kJ/kg;

Cường độ truyền nhiệt từ tác nhân sấy đến vật sấy được thể hiện ở công thức :

= +

=

d

dt m m

m C C F Q Q F

qdF

F

n F

0 0

0 0

2 1 )

(

1

I.2 Các giai đoạn sấy

Trong quá trình sấy, độ ẩm của vật ẩm liên tục thay đổi theo hướng giảm dần Tùy cấu tạo của vật ẩm và phương pháp sấy mà độ ẩm và nhiệt độ của vật sấy ở các phần bên trong và trên bề mặt cũng khác nhau theo từng giai

đoạn sấy

Các giai đoạn sấy gồm: giai đoạn đầu hay còn gọi là giai đoạn nung nóng vật sấy đến nhiệt độ bay hơi của ẩm, giai đoạn thứ nhất hay giai đoạn có

ở giai đoạn đầu (nung nóng), nhiệt độ tác nhân sấy cao hơn nhiệt độ bay hơi của ẩm, nhiệt độ của vật sấy được nâng lên đến nhiệt độ bay hơi của

ẩm (tư) Do được làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm ít do bay hơi ẩm Sự tăng nhiệt độ xảy ra không đồng đều ở phần trong và phần ngoài vật Vùng trong vật đạt đến tư chậm hơn Đối với những vật dễ sấy, giai đoạn làm nóng vật xẩy ra rất nhanh

Quá trình sấy chỉ có thể xảy ra khi nhiệt độ của vật sấy cao hơn nhiệt

độ điểm sương của tác nhân sấy, nếu ngược lại hơi nước từ tác nhân sấy sẽ ngưng và thấm vào vật sấy

Trong giai đoạn sấy thứ nhất, nhiệt độ của vật sấy bằng nhiệt độ bay hơi của nước Tốc độ bay hơi nước và nhiệt độ của vật sấy là không thay đổi Nhiệt lượng từ tác nhân sấy truyền cho vật sấy cấp hết cho nước bay hơi:

q = α(t t -t m ) [I-11]

trong đó:

α - hệ số tỏa nhiệt từ tác nhân sấy cho vật sấy;

t t - nhiệt độ của tác nhân sấy;

t m - nhiệt độ bề mặt của vật sấy;

Trong giai đoạn này chủ yếu làm bay hơi nước tự do trong vật sấy Hơi bay lên từ bề mặt vật sấy là hơi nước bão hòa, nhiệt hóa hơi đúng bằng nhiệt hóa hơi của nước tự do nên nhiệt độ bề mặt thấm ướt bằng nhiệt độ bầu ướt Tốc độ sấy ở giai đoạn này tỉ lệ với tốc độ truyền nhiệt vào vật

Fdτ

dm

U = ~ q [I-12]

Để có tốc độ sấy không đổi, lượng ẩm đã bay hơi phải bằng lượng ẩm

sâu bên trong truyền ra bề mặt vật sấy

Giai đoạn U = const kết thúc khi tốc độ bay hơi lớn hơn tốc độ dẫn ẩm

ra bề mặt Tiếp đó là giai đoạn tốc độ sấy giảm dần Đó là do càng về sau ẩm

Phương trình tốc độ ở giai đoạn sau:

U 2 = β(u-u cb ) [I-13] Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự do và nó càng tăng khi độ ẩm của vật càng nhỏ Quá trình sấy càng tiếp diễn, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm của vật sấy bằng với độ

ẩm cân bằng ứng với điều kiện của môi trườngkhông khí ẩm trong buồng sấy(ucb,ωcb) thì quá trình thoát ẩm của vật dừng lại có nghĩa là tốc độ sấy bằng không ( = 0

Vấn đề vật sấy dao động trong quá trình sấy đối lưu

Trong quá trình sấy đối lưu, vật sấy có thể ở trạng thái tĩnh hoặc trạng thái dao động Các dạng chuyển động của vật sấy có thể qui về các chuyển

động cơ học như : chuyển động dao động tuần hoàn, chuyển động tự do và chuyển động theo dòng khí(bị lôi cuốn theo dòng khí)

ở trạng thái tĩnh, bao quanh vật sấy là các lớp biên thủy động và lớp biên nhiệt Các hiện tượng truyền nhiệt và chuyển khối diễn ra tại các lớp biên này Khi vật ở trạng thái dao động, không gian bao quanh vật sấy liên tục thay

đổi làm cho cấu trúc lớp biên cũng bị thay đổi So sánh trường hợp dòng khí nóng thổi lướt qua bề mặt tĩnh, và dòng khí nóng thổi lướt qua bề mặt dao

động, ta thấy khi dòng khí nóng thổi lướt qua bề mặt vật ẩm dao động nó làm

tăng độ rối của lớp chất lỏng sát trên bề mặt, lớp biên chảy tầng do đó bị ảnh hưởng dẫn tới các thay đổi về truyền nhiệt và chuyển chất trong quá trình sấy

Khi vật ẩm dạng hạt, kích thước tương đối đồng đều chuyển động lơ lửng trong dòng khí, quá trình truyền nhiệt và chuyển chất giữa tác nhân sấy

và hạt ẩm xảy ra rất mạnh Đó là kết quả khi bề mặt hạt được tiếp xúc tối đa với dòng khí theo các phương chiều và hướng quay khác nhau

Một vật dao động điều hòa so với hệ tọa độ đứng yên thỏa mãn phương trình vi phân :

g

A g

Nu = C.Ren.Rm [I-19]

Phương trình chuyển khối tổng quát:

Bằng các thực nghiệm cụ thể có thể dẫn đến xác định được các tham số

Đồng dạng nhiệt :

Dựa vào các phương trình vi phân về nhiệt, dùng thuyết đồng dạng để rút ra các chuẩn số đồng dạng, từ đó thiết lập được phương trình chuẩn số cho quá trình cấp nhiệt Sau đây đưa ra một số chuẩn số tiêu biểu

Chuấn số Nusselt : Đặc trưng cho quá trình cấp nhiệt ở bề mặt phân

Chuẩn số Pecle :

a

l w

ν

βρ

Đối với chất khí, sự biến đổi của Pr theo nhiệt độ là rất nhỏ, có thể coi

Pr = const Khi dòng khí chuyển động cưỡng bức có thể bỏ qua ảnh hưởng của

chuẩn số Gr Khi đó phương trình [I-15] có thể viết gọn lại như sau:

Nu = C.f(Re) = C.Ren [I-27]

Hệ số C sẽ chứa trong nó giá trị của chuẩn số Pr và Gr Tùy vào các trường hợp cụ thể mà phương trình [I-16] có dạng cụ thể khác nhau

Đồng dạng quá trình chuyển chất:

Việc xác định hệ số cấp khối β thông thường được xác định bằng cách

sử dụng thuyết đồng dạng, đưa các phương trình vi phân về các phương trình chuẩn số, sau đó sử dụng các số liệu thực nghiệm để ứng dụng cho tính toán Trong quá trình chuyền chất thường gặp các chuẩn số cơ bản sau:

Chuẩn số Nu’ : Đặc trưng cho quá trình chuyển chất ở bề mặt phân

β ρ

Đối với chất khí, sự biến đổi của Pr theo nhiệt độ là rất nhỏ, có thể coi

Pr = const Khi quá trình xảy ra trong môi trường khí chuyển động cưỡng bức (lúc này có thể bỏ qua ảnh hưởng của các chuẩn số, Gr và Fr) thì ta có phương trình:

k i m

l

l d

d A

Nu = ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞

0 0

Re

(Re) '.

' A f

'

Re '.

Bằng cách làm thí nghiệm đối với nhiều trường hợp có thể xác định

được các số mũ của phương trình nói trên

I.4 Sấy tầng sôi

Sấy tầng sôi là một trường hợp của sấy đối lưu trong đó lớp vật liệu

dưới tác động của tác nhân sấy (có thể còn có các tác động khác) chuyển động lơ lửng và xáo trộn cùng dòng khí nóng tạo thành lớp sôi Trong lớp sôi khí nóng gia nhiệt và sấy khô vật liệu

Các quá trình sấy tầng sôi có trao đổi nhiệt và truyền ẩm giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy với cường độ cao, thời gian sấy giảm, năng suất vì thế tăng

Truyền nhiệt và chuyển chất trong lớp sôi

Quá trình trao đổi nhiệt và ẩm giữa các hạt rắn và tác nhân sấy trong lớp sôi xảy ra rất mạnh, nhiệt độ phân bố rất đồng đều trong toàn bộ lớp Do

sự khuấy trộn mãnh liệt trong lớp mà gradient nhiệt độ theo hướng kính có thể

đều tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt;

- Không xác định được chính xác nhiệt độ của hạt đang chuyển động hỗn loạn trong lớp hạt

Với lớp hạt trong sấy tầng sôi, các hạt sắp xếp gần sát nhau Khi có dòng khí nóng thổi qua, các hạt chuyển động và tráo đổi chỗ cho nhau Các hạt bên dưới chuyển động lên trên và nhường chỗ cho các hạt bên trên chìm xuống Khi mật độ các hạt là lớn, sự va chạm giữa các hạt thường xuyên xảy

ra Các hạt bên dưới nhận nhiệt trước các hạt bên trên nên có nhiệt độ cao hơn, khi đi lên va chạm với các hạt khác có nhiệt độ thấp hơn sẽ xảy ra hiện tượng truyền bớt một lượng nhiệt từ hạt đến hạt, bên cạnh đó còn có hiện tượng truyền bớt một phần động năng giữa các hạt lẫn nhau và cũng góp phần thay

đổi nhiệt độ của chúng

Khi các hạt đem sấy có số lượng rất ít, không gian sấy đủ lớn để các hạt hầu như không va chạm lẫn nhau, chuyển động của các hạt có thể coi như chuyển động tự do dưới tác động của dòng khí, khi đó hiện tượng truyền nhiệt

và thoát ẩm của một hạt là kết quả tương tác giữa hạt đó và tác nhân sấy, không chịu ảnh hưởng của các hạt xung quanh

Hệ số cấp khối có thể tính theo công thức:

β F p.τ

m nuocbayhoi

∆

= , kg/m2s [I-37]

Trong đó: F - bề mặt thấm ướt của hạt vật liệu, m2;

F = 3,14(dtđ)2 ; với dtđ là đường kính tương đương của hạt vật liệu

∆p - chênh lệch áp suất hơi giữa môi trường và bề mặt vật liệu

τ - thời gian, s;

m - lượng ẩm bay ra trong thời gian τ, (g);

Kết luận

Trên cơ sở các vấn đề trình bày tổng quan ở trên, để đạt được các mục tiêu đề

ra (Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và chuyển chất trong sấy vật chuyển

động : ảnh hưởng của chuyển động của vật lên chuyển khối khi sấy) Luận

văn tập trung giải quyết những nhiệm vụ cụ thể sau đây:

1 Nghiên cứu quá trình chuyển khối với vật ẩm ở trạng thái tĩnh, từ đó

đưa ra phương trình chuẩn số liên hệ giữa Nu’ - Re

2 Từ những kết quả ở phần 1 kể trên, tiếp tục nghiên cứu quá trình chuyển khối của vật ở trạng thái dao động Trên cơ sở phương trình đưa ra ở trên, thành lập phương trình chuẩn số nói lên ảnh hưởng của yếu tố dao

động lên quá trình chuyển khối

3 Nghiên cứu quá trình sấy tầng sôi với các hạt chè ẩm Nêu ra các nhận xét khi các hạt có mật độ va chạm nhỏ (sấy số lượng ít hạt) và khi sấy với tập hợp hạt có mật độ va chạm lớn

Chương ii phương pháp nghiên cứu

Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và chuyển chất trong sấy thông qua các mẫu vật thí nghiệm tự tạo và tiến hành thí nghiệm sấy tầng sôi với tập hợp hạt thực vật là hạt chè đen

II.1 Hệ thống thí nghiệm

Sơ đồ thí nghiệm:

1 Nguồn điện 10 Trục lệch tâm

2 Quạt gió 11 Động cơ

3 Caloriphe 12 Nhiệt kế bầu khô, bầu ướt

4 Van điều chỉnh lưu lượng gió 13 Bộ điều chỉnh tần số dao động

5 Buồng sấy

6 Vật sấy

7 Gối đỡ

8 Đồng hồ đo nhiệt độ

Nguyên tắc hoạt động

Hệ thống thí nghiệm có thể tiến hành các thí nghiệm khi mẫu vật ở trạng thái tĩnh và trạng thái dao động, bên cạnh đó khi tháo dỡ bộ phận tạo dao động, có thể tiến hành thí nghiệm sấy tầng sôi với các hạt ẩm

Khi tiến hành thí nghiệm, bước đầu cần bật cầu giao điện tại nguồn 1 Tiếp đến bật quạt gió sau đó là bật công tắc cho caloriphe hoạt động Nhiệt độ sấy có thể điều chỉnh nhờ hệ thống công tắc điều khiển, giới hạn nhiệt độ từ

60 ữ 170oC Không khí được gia nhiệt khi thổi qua caloriphe, vận tốc gió được

điều khiển bằng lá gió 4 Nhiệt độ dòng khí được đo nhờ thiết bị đo 8

Bộ tạo dao động bao gồm động cơ 11, tốc độ vòng quay động cơ được

điều khiển bằng bộ biến áp 12 Động cơ được gắn một trục lệch tâm 10, khi

động cơ hoạt động chuyển động quay của trục lệch tâm sẽ làm cho thanh truyền chuyển động lên xuống, từ đó khiến cho mẫu vật có chuyển động dao

động theo một tần số và biên độ nào đó Gối đỡ 7 có thể thay đổi vị trí, do đó thay đổi được chiều dài các cánh tay đòn dẫn đến thay đổi được biên độ dao

động

Khi máy sấy chạy ổn định ở một chế độ nhiệt độ và vận tốc gió như mong muốn, mẫu vật được đưa vào không gian sấy, tiến hành đo đạc các thông số cần thiết cho quá trình nghiên cứu

Thí nghiệm chuyển chất với mẫu vật ở trạng thái tĩnh

Mẫu vật bằng thép tại thí nghiệm truyền nhiệt được bọc một lớp vải có khả năng thấm nước tốt Mẫu vật mới này được tẩm ẩm đến một độ ẩm xác

định (22%) sau đó được đặt cố định trong không gian sấy, tác nhân sấy thổi lướt qua bề mặt ở một nhiệt độ xác định (65oC), làm nóng vật ẩm và thoát ẩm

ra ngoài Nhiệt độ bề mặt thoát ẩm được theo dõi và ghi chép theo thời gian

Sự thay đổi độ ẩm được xác định bằng phương pháp khối lượng, vật ẩm được

đem cân sau những khoảng thời gian xác định, từ sự giảm khối lượng vật ẩm

do nước thoát ra có thể tính được độ ẩm của vật theo thời gian Các điểm xác

định khối lượng được căn cứ vào một thí nghiệm thăm dò ban đầu, từ đó xác

định khoảng thời gian mà ẩm tự do thoát ra đều đặn nhất Thí nghiệm chuyển chất tĩnh được thí nghiệm với các vận tốc gió nóng khác nhau, từ đó khảo sát

sự thay đổi độ ẩm và nhiệt độ bề mặt thoát ẩm theo thời gian

Thí nghiệm chuyển chất với mẫu vật ở trạng thái dao động

Thí nghiệm này cũng gần giống với các thí nghiệm khi vật ở trạng thái tĩnh Nhiệt độ tác nhân sấy vẫn ở 65oC Tốc độ gió nóng có thể thay đổi, tần

số dao động có thể thay đổi Hai yếu tố thay đổi đó làm số lượng thí nghiệm tăng lên đáng kể Các thông số khối lượng và nhiệt độ bề mặt thoát ẩm được theo dõi và ghi chép lại

Thí nghiệm tầng sôi với hạt

Thí nghiệm tầng sôi với số ít hạt: Thả một lượng không đáng kể các hạt

ẩm vào luồng khí nóng, quan sát chuyển động của các hạt Lượng hạt đưa vào vừa đủ sao cho quan sát thấy các hạt hầu như không va chạm lẫn nhau, nhưng lượng hạt thu được sau khi dừng thí nghiệm phải đủ để có thể phân tích độ ẩm

Đặt các chế độ sấy phù hợp với điều kiện nghiên cứu Sau một khoảng thời gian nhất định, tiến hành đo nhanh nhiệt độ bề mặt của hạt vật liệu ẩm Dùng túi nilông kín đựng mẫu hạt để đem đi phân tích độ ẩm

Thí nghiệm tầng sôi với lớp hạt: Đưa một lượng lớn các hạt ẩm vào khu

vực sấy Các hạt lúc này là dày đặc, mật độ va chạm giữa các hạt là rất lớn Thí nghiệm được tiến hành liên tục trong một khoảng thời gian khoảng hơn 10 phút Trong thời gian thí nghiệm, sau một khoảng thời gian nhất định tiến hành lấy mẫu, đo nhanh nhiệt độ bề mặt và cất giữ vào túi nilông kín đem phân tích độ ẩm Các thông số khác của quá trình sấy như tốc độ gió thổi qua

lớp, nhiệt độ khí vào, nhiệt độ khí ra khỏi lớp và nhiệt độ lớp hạt được ghi chép lại để lấy cơ sở cho tính toán

II.2 Phương pháp đo các thông số thí nghiệm

Đo nhiệt độ:

Nhiệt độ bề mặt của vật sấy và nhiệt độ bề mặt của các hạt được xác

định bằng dụng cụ đo cầm tay Hình ảnh dụng cụ này được ghi lại tại hình dưới đây

Nguyên tắc hoạt động của dụng cụ đo nhiệt độ bề mặt: Dùng một chùm tia bức xạ hồng ngoại bắn vào bề mặt cần xác định nhiệt độ, chùm tia phản xạ lại máy đo sẽ mang thông tin nhiệt độ bề mặt và được hiển thị trên màn hình

điện tử

Bên cạnh thiết bị trên, các dụng cụ đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện và nhiệt kế thủy ngân cũng được sử dụng ở những vị trí hợp lí

Đo tốc độ gió:

Vận tốc gió được đo bằng dụng cụ cầm tay có hình ảnh như dưới đây:

Đưa bộ phận cánh quạt của thiết bị đo vuông góc với dòng khí, cánh quạt quay từ đó đưa thông tin về bộ xử lí Vận tốc gió được hiển thị trên màn hình điện tử

Đo độ ẩm:

Độ ẩm mẫu vật nghiên cứu được xác định theo phương pháp khối lượng, khối lượng mẫu vật ban đầu và khối lượng mẫu vật khi kết thúc thí nghiệm kết hợp lại cho ta độ ẩm của mẫu vật đó

Độ ẩm của hạt được xác định bằng máy phân tích ẩm dùng đèn hồng ngoại kết hợp với cân phân tích Sự bay hơi ẩm được thực hiện nhờ bóng đèn hồng ngoại ẩm thoát ra đến khi nào khối lượng mẫu trên đĩa không giảm trong một khoảng thời gian thì máy báo độ ẩm ban đầu của mẫu phân tích

Cân đo khối lượng:

Khối lượng mẫu vật và khối lượng lớp hạt được cân trên cân phân tích với độ chính xác cao

Đo tần số dao động:

Tần số dao động được xác định từ số vòng quay của động cơ trên một

đơn vị thời gian Khi điều chỉnh điện áp vào động cơ sẽ làm thay đổi số vòng quay dẫn đến làm thay đổi tần số của dao động Số vòng quay của động cơ

được xác định bằng thí nghiệm riêng

Để xấc định số vòng quay của động cơ, dùng một sợi dây mảnh có độ dài hợp lí Một đầu sợi dây được dính vào trục động cơ, đầu dây còn lại được thả tự do Khi động cơ quay trong một khoảng thời gian xác định(dùng đồng

hồ bấm dây), sợi dây mảnh sẽ quấn hết vào trục động cơ Sau đó gỡ từng vòng của sợi dây và đếm tổng số vòng dây được quấn vào trục Số vòng dây đó đem chia cho thời gian quấn hết sợi dây sẽ được vận tốc vòng quay của động cơ Khi trục động cơ quay được một vòng thì vật thực hiện được một dao động

Từ đó tính được số dao động của vật trong một khoảng thời gian hay chính là tần số dao động của mẫu vật

II.3 Phương pháp xử lý số liệu

Các kết quả thí nghiệm ban đầu được đưa lên đồ thị biểu diễn quá trình Các điểm đo đạc thể hiện trên đồ thị thể hiện qui luật gần đúng cho quá trình nghiên cứu, vì trong qúa trình đo đạc khó tránh khỏi những sai sót Các kết quả ban đầu đó là các số liệu thô, để có được số liệu tinh thể hiện gần đúng hơn nữa tính chất của quá trình, ta tiến hành vẽ các đường hồi qui thực nghiệm với độ chính xác cao nhất và được chấp nhận trong kỹ thuật Đường trung bình xác định được từ các điểm thí nghiệm phản ánh gần nhất qui luật thực của quá trình Vì vậy từ các số liệu thô có được do đo đạc, sau khi đưa lên đồ thị phản

ánh tính qui luật ta sẽ được các số liệu tinh, hơn nữa nếu đưa ra được phương trình liên hệ giữa các biến liên quan thì tính liên tục của quá trình được thể hiện rõ hơn rất nhiều

Khi vẽ các đường nói trên, có thể xử lý theo đường thẳng hoặc vẽ đường cong thực nghiệm Để thành lập một đường cong và từ đó đưa ra phương trình liên hệ giữa các biến số ta cần ít nhất 5 điểm Trong các phần mềm máy tính hiện có như bảng tính điện tử Excel của Microsoft đã có các tính năng vẽ tự

động các kiểu đồ thị và từ đó đưa ra các hàm số thích hợp với độ lệch quân phương tốt nhất có thể(R2 ≈ 1)

Tính toán xử lý số liệu cho các thí nghiệm chuyển chất

Thí nghiệm chuyển chất khi mẫu vật ở trạng thái tĩnh:

Trong hiện tượng chuyển chất, ta quan tâm đến chuẩn số Nu’ Phương trình tổng quát như đã biết trong trường hợp cấp nhiệt cưỡng bức đối lưu được cho như sau :

'

Re '.

nuocbayhoi

x F

m

∆

Trong đú:

mnướcbayhơi: lượng bay hơi khỏi vật ẩm, kg;

F là bề mặt tham gia quỏ trỡnh bay hơi ẩm, m2;

τ là thời gian sấy, s;

vl

x , x kk lần lượt là độ ẩm của bề mặt vật liệu và của khụng khớ sấy, chỉ số 1 là trạng thỏi trước khi sấy, chỉ số 2 là trạng thỏi sau khi sấy, kg ẩm/kg kkk

2 1

P

P T

T D

Trong đó D1 là hệ số khuếch tán động của hệ (nước - không khí) tại T1

= 0oC, và P1 = 1at D2 là hệ số khuếch tán động tại điều kiện nhiệt độ không khí là T2; áp suất không khí là P2 = 1at Như vậy tỉ số (P1/P2) = 1 Tra trong sổ tay Hóa Công II ta thu được biểu thức cụ thể sau:

[II.3]

- Đặc trưng hình học l(m) của mẫu vật sấy là cạnh của mẫu vật hình vuông, với mẫu vật đem nghiên cứu l = 0.098 m

Chuẩn số Re tính theo vận tốc tác nhân sấy Từ các số liệu tính toán

được cho Nu’ và Re ta có thể đưa ra được phương trình nêu lên mối quan hệ giữa Nu’ và Re

Trong điều kiện vật ở trạng thái tĩnh, không gian bao quanh vật sấy là tương đối ổn định Khi thay đổi tốc độ gió, không gian đó sẽ có sự thay đổi khác nhau Từ đó ta sẽ quan sát được sự thay đổi của đường cong sấy đối với

sự thay đổi tốc độ gió như vậy

Thí nghiệm chuyển chất khi mẫu vật ở trạng thái dao động :

( 273 , 2 / 273 2 ) ( * ( 273 , 2 ) / 273 , 2 )

* 10

Khi đưa thêm yếu tố dao động vào thí nghiệm truyền nhiệt, ta có thể giả thiết ảnh hưởng của dao động là độc lập với các yếu tố ảnh hưởng khác Phương trình tổng quát sẽ xuất hiện thêm yếu tố nói lên ảnh hưởng của dao

động bên cạnh các thành phần khác giống như trong chuyển chất ở trạng thái tĩnh

' '

Re '.

Các điều kiện thí nghiệm khi thí nghiệm khi vật ở trạng thái tĩnh sẽ

được lặp lại trong thí nghiệm vật dao động Do vậy khi xử lý số liệu sẽ nêu

được ảnh hưởng của dao động lên chuyển chất thông qua chuẩn số R

ứng với mỗi vận tốc gió, tiến hành thí nghiệm tại nhiều tần số khác nhau, từ đó xây dựng các bộ số liệu để thiết lập các phương trình liên hệ

Khác với tình huống vật sấy ở trạng thái tĩnh Tuy rằng ở một tốc độ gió không đổi nhưng không gian bao quanh vật sấy luôn luôn được làm mới nhờ tác động của dao động Mức độ làm mới không gian bao quanh đó cũng sẽ khác nhau khi tiến hành thí nghiệm ở các tần số và biên độ khác nhau Với một giá trị biên độ dao động, khi tần số thay đổi thì mức độ làm mới không gian bao quanh cũng sẽ thay đổi theo mức độ khác nhau Nhưng nếu tăng biên

độ dao động lên thì mức độ làm mới này sẽ có ảnh hưởng sâu sắc hơn nữa

Tính toán xử lý số liệu cho các thí nghiệm tầng sôi với hạt và lớp hạt

Hệ số cấp khối có thể tính theo công thức:

β F p.τ

m nuocbayhoi

∆

= , kg/m2s [II-5]

Trong đó: F - bề mặt thấm ướt của hạt vật liệu, m2;

F = 3,14(dtđ)2 ; với dtđ là đường kính tương đương của hạt vật liệu

∆p - chênh lệch áp suất hơi giữa môi trường và bề mặt vật liệu, giá trị này có thể tính được khi biết nhiệt độ môi trường và nhiệt độ bề mặt hạt vật liệu

τ - thời gian, s;

m - lượng ẩm bay ra trong thời gian τ, (g);

Từ đó sẽ tính được chuẩn số Nu’ theo công thức:

D

l

Nu' = β.

Trong đó l bằng đường kính tương đương của hạt vật liệu D là hệ số khuếch

tán và được tính theo phương trình [II-3] khi biết nhiệt độ dòng khí

Chương iii Kết quả thí nghiệm

Các thí nghiệm được tiến hành bao gồm : Thí nghiệm truyền nhiệt trên vật tĩnh và vật chuyển động Thí nghiệm chuyển chất trên vật sấy tĩnh và vật sấy dao động Thí nghiệm sấy tầng sôi với hạt, trong đó tiến hành sấy với một số ít hạt và với một tập hợp hạt Với nhiệm vụ được giao tôi xin trình bày các kết quả nghiên cứu chuyền chất và các yếu tố ảnh hưởng

III.1 Kết quả thí nghiệm chuyền chất

Kết quả chuyển chất khi vật ở trạng thái tĩnh :

Thí nghiệm được tiến hành trên một vật sấy dạng phẳng Cốt bên trong bằng thép, bọc một lớp vải bên ngoài cốt thép và được tẩm ẩm đều trên bề mặt Vật sấy được đặt trong luồng khí nóng thổi lướt qua bề mặt thoát ẩm ẩm thoát ra trên bề mặt, không vận chuyển xuyên qua cốt thép bên trong được Vật sấy được tẩm ẩm đến độ ẩm mong muốn là 22% Từ đó tính ra độ ẩm theo vật liệu khô tuyệt đối vào khoảng 28,2%

Nhiệt độ khí nóng thổi qua là 65oC

Trong quá trình thí nghiệm, các thông số đo được là: Tốc độ khí nóng thổi

lướt qua bề mặt vật sấy từ đó tính được giá trị chuẩn số Re Khối lượng ban

đầu và khối lượng khi kết thúc thí nghiệm sấy để từ đó tính ra độ ẩm của vật sấy Nhiệt độ bề mặt thoát ẩm, nhiệt độ bầu khô bầu ướt của không khí trước khi đi vào máy sấy

Ban đầu thí nghiệm thăm dò được tiến hành với mục đích xác định vùng mà

ẩm tự do thoát ra Sau thí nghiệm thăm dò đó, sơ bộ xác định được khoảng thời gian mà ẩm tự do thoát ra ổn định, từ đó tiếp tục làm các thí nghiệm khác xác định cụ thể hơn các thông số khác