Báo cáo Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Sấy đối lưu - Lương Duy Quốc Thịnh

Nội dung text: Báo cáo Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Sấy đối lưu - Lương Duy Quốc Thịnh

1. 48 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.
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 H2SO4 đậm đặc để hút. - 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 cơ học. 7. Xác định tốc độ sấy bằng cân bằng nhiệt - Lượng nhiệt do dòng tác nhân sấy cung cấp trong khoảng thời gian d dQ F t  d (1) - Nhiệt này được tiêu hao để • Đun nóng vật liệu G0C0 GaCa d (2) • Bay hởi ẩm và hoá hơi nhiệt r Ch t th dGa (3) - Trong đó • : hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy vào vật liệu sấy, W / m2  K • F : bề mặt vật liệu, m2 • t,,th : nhiệt độ của tác nhân sấy, vật liệu và hơi ẩm bão hoà, K • G0 ,C0 : khối lượng và nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kg; J / kg  K • Ga ,Ca : khối lượng và nhiệt dung riêng của ẩm, kg; J / kg  K • r : ẩn nhiệt hoá hơi của ẩm, J / kg • Ch : nhiệt dung riêng của hơi ẩm, J / kg  K - Lượng ẩm bốc hơi trong thời gian d dGa d G0U G0dU (4) • 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) ta có cân bằng nhiệt:
3. dU d q R r C R 0 0 d 0 0 d C d dU 1 0 R0r (10) r dU d dU = 1 Rb R r 0 0 d C d - Với Rb 1 : Chuẩn số Rebinde đặc trưng cho động học của quá trình sấy r dU - Biểu thức (10) là phương trình cơ bản của động học về sấy, nó cho biết sự biến đổi ẩm của vật liệu theo thời gian. Ta có thể nhận được biểu thức (10) 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. 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 dạng đường thẳng, nên tốc độ sấy trong giai đoạn này được biểu diễn: dU K U U * (11) d • K : hệ số tỉ lệ, gọi là 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 đoạn sấy giảm tốc, nên ta có N K  N (12) * Uth U 1 •  : hệ số sấy tương đối, phụ thuộc vào tính chất vật liệu ẩm * Uth U • 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 (11), ta có U U * * exp  N (13) Uth U - Hay logarit hoá (8), ta có
4. U f (t) (21) - 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 tuy chế độ và phương pháp sấy khác nhau 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 liệu sấy: dU g U (22) d - Từ biểu thức (22), (23) rõ ràng đường cong tốc độ sấy là là đạo hàm của đường cong sấy (xem hình 2). Hình 1: Đường cong sấy Hình 2: Đường cong tốc độ sấy AB – Đun nóng vật liệu AB – Đun nóng vật liệu BC – Sấy đẳng tốc BC – Sấy đẳng tốc CD – Sấy giảm tốc CD – Sấy giảm tốc 1 – Đường cong sấy 1 – Vật liệu dạng bản mỏng, xốp: Giấy, 2 – Đường nhiệt độ của vật liệu bìa,
5. - Nhiệt độ của vật liệu tăng dần từ tư lên t2 của tác nhân. - Độ ẩm giảm chậm đến độ ẩm cân bằng u*. - Tốc độ sấy giảm dần từ tốc độ đẳng tốc N o xuống 0, tùy theo cấu trúc vật liệu mà có biên 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. - 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 ): * Uth U Uth U  2 ln * (25) N1 U2 U - 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 ( 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: * U0 Uth 23 * Uth U  1  2 (Uth U )log * (26) N N U2 U * - Với U2 : độ ẩm của vật liệu cuối quá trình sấy, tương ứng với 2 ; U2 > U và thường được * lấy: U2 > U = Ucb 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.
6. c. Khởi động hệ thống - Khởi động quạt: • Đóng cầu dao của quạt để hút các dòng tác nhân vào và thổi qua coloriphe gia nhiệt dòng 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 sẽ tìm được cầu dao caloriphe). • 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 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 cài đặt nhiệt 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 hai kim, chỉ đọc dây kim mảnh – nhỏ, không đọc kim lớn), chờ kim hết dao động, đọc số mà dây kim trùng (đọc số nhỏ – không đọc số lớn). Nếu dây kim nằm giữa hai số thì cộng lại chia đôi.
7. • 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 caloriphe nguội. • 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 thí nghiệm. IV. KÉT QUẢ THÍ NGHIỆM 1. Kết quả xử lí số liệu thô Bảng 2: Xử lí số liệu thô Chế độ 48 Chế độ 59 Chế độ 70 t(ph) G tu tk t G tu tk t G tu tk 0,00 0,11 16,67 47,78 0,00 0,10 26,67 59,44 0,00 0,10 27,78 58,89 0,08 0,09 16,67 47,78 0,08 0,08 27,22 60,00 0,08 0,07 28,89 60,56 0,17 0,08 16,67 48,89 0,17 0,06 27,78 60,00 0,17 0,06 27,78 58,89 0,25 0,06 16,67 47,78 0,25 0,05 27,78 59,44 0,25 0,04 27,22 58,33 0,33 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 58,33 0,48 0,03 16,67 48,89 0,48 0,03 27,78 59,44 0,48 0,03 27,22 58,33 0,58 0,03 16,67 48,33 0,58 0,03 27,78 60,00 0,58 0,03 27,22 58,33 0,67 0,03 16,67 48,33 0,75 0,03 16,67 48,89 0,83 0,03 16,67 48,89 2. Kết quả tính toán Bảng 3: Các thông số ở chế độ sấy 48o C Chế độ sấy 48oC t t P  h G kg U % U N u k m P  (oC) (oC) (mmHg) (mmHg) 0,0000 0,1048 320 16,67 47,78 12,48 0,00 31,11 0,0833 0,0900 260 60 720 16,67 47,78 12,48 0,00 31,11 0,1667 0,0748 200 60 720 16,67 48,89 12,48 0,00 32,22 0,2480 0,0625 148 48 600 16,67 47,78 12,48 0,00 31,11
8. 3. Đồ thị a. Đường cong sấy Hình 3: Đường cong sây ở chế độ 48o C 350 300 250 200 U % 150 100 50 0 00,000 00,000 00,000 00,001 00,001 00,001 -50  h Hình 4: Đường cong sấy ở chế độ sấy 59o C 350 300 250 U % 200 150 100 50 0 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,001 00,001 00,001 -50  h
9. Hình 7: Đường cong tốc độ sấy ở chế độ 59o C 1200 1000 800 600 400 200 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Hình 8: Đường cong tốc độ sấy ở chế độ 70o C 1200 1000 800 600 400 200 0 0 50 100 150 200 250 300
10. 120 155,6 8,5 25,00 895,51 0,0064 5,7569 0,0377 0,62 14,4 60 155,6 7,5 23,48 868,38 0,0064 5,5824 0,0377 0,60 14,4 20 155,6 7,5 23,48 868,38 0,0064 5,5824 0,0377 0,60 14,4 0 155,6 7,5 23,48 868,38 0,0064 5,5824 0,0377 0,60 14,4 0 155,6 7,5 23,48 868,38 0,0064 5,5824 0,0377 0,60 14,4 0 155,6 7,5 23,48 868,38 0,0064 5,5824 0,0377 0,60 14,4 Bảng 8: Sai số Ñoä aåm tôùi haïn U (%) Toác ñoä saáy ñaúng toác N (%/h) Cheá ñoä th Thöïc Thöïc saáy Lyù thuyeát Sai soá (%) Lyù thuyeát Sai soá (%) nghieäm nghieäm 48oC 73.948 177.778 -140,4027 627.000 678420 -8,20 59oC 105.160 166.667 -58,4887 840.000 957251 -13,96 70oC 63.510 155.556 -144,9308 876.000 881946 -0,68 Heä soá saáy töông ñoái  Heä soá saáy K, 1/h Cheá ñoä Thöïc Thöïc saáy Lyù thuyeát Sai soá (%) Lyù thuyeát Sai soá (%) nghieäm nghieäm 48oC 0,01352 0,0056 58,40 8,48 3,8161 54,99 59oC 0,00951 0,0060 36,90 7,99 5,8615 26,62 70oC 0,01575 0,0064 59,17 13,79 5,7569 58,26 Thôøi gian saáy ñaúng toác  , h Thôøi gian saáy ñaúng toác  , h Cheá ñoä 1 2 Thöïc Thöïc saáy Lyù thuyeát Sai soá (%) Lyù thuyeát Sai soá (%) nghieäm nghieäm 48oC 0,3924 0,21 46,49 0,2360 0,75 -217,82 59oC 0,2320 0,20 13,78 0,1570 0,3 -91,05 70oC 0,2471 0,18 27,17 0,0838 0,29 -246,18 V. BÀN LUẬN Câu 1 : Nhận xét và giải thích dạng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy so với dạng lý thuyết. * Đường cong sấy: Với những số liệu thô ta thu được và áp dụng phương pháp bình phương cực tiểu, ta thu được đường cong sấy khá giống với lý thuyết. Trong bài thí nghiệm này, vậy liệu sấy là giấy lọc, nên
11. 1  lại khác nhau. Đó là do  được xác định theo công thức:  * . Mà như đã nói U th U ở trên, U* và Uth tính toán được là không chính xác nân dẫn đến sai số của . Tuy nhiên theo kết quả ta thấy, chênh lệch giữa các chế độ không lớn lắm 16% * Hệ số sấy trong giai đoạn giảm tốc K : - Theo tài liệu (p93, [1]): hệ số sấy K phụ thuộc vào chế độ sấy (tốc độ sấy đẳng tốc N) và tính chất của vật liệu ẩm () theo công thức K = N. Điều đó có nghĩa là với tính chất của vật liệu ẩm không đổi, khi nhiệt độ tác nhân sấy càng tăng thì K càng tăng (do  không đổi, còn N thì tăng lên) Kết quả thí nghiệm phù hợp với lý thuyết, K tăng theo nhiệt độ tác nhân sấy. * Thời gian đun nóng vật liệu : - Dựa vào “Đường cong sấy” khi nhiệt độ tác nhân sấy càng tăng thì thời gian đun nóng vật liệu càng ngắn. Điều này là hoàn toàn phù hợp so với lý thuyết, do nhiệt độ sấy càng tăng thì vật liệu sẽ đạt đến trạng thái bốc hơi nhanh hơn. Tuy nhiên, giai đoạn này rất ngắn, không đáng kể, cho nên trong tính toán ta thường bỏ qua giai đoạn này. * Thời gian sấy đẳng tốc 1 : - Theo lý thuyết, khi nhiệt độ sấy càng tăng thì thời gian thì thời gian  1 càng giảm. Đó là U 0 U th do 1 được tính theo công thức 1 . Mà khi nhiệt độ tác nhân sấy tăng thì U th N1 tính được cũng tăng, trong khi đó N tăng nhanh hơn Uth 1 giảm kết quả thí nghiệm là hoàn toàn phù hợp với lý thuyết. * Thời gian sấy giảm tốc 2 : - Theo lý thuyết, khi nhiệt độ sấy càng tăng thì thời gian thì thời gian  2 càng giảm. Như KQ tính toán giống với lý thuyết. Tuy nhiên trong quá trình tính toán vẫn còn sai số, vì khi ta dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy đều gần đúng. - Ta cũng nhận thấy rằng thời gian sấy giảm tốc  2 lớn hơn thời gian sấy đẳng tốc  1. Tính chất này còn tùy thuộc vào loại vật liệu (tùy thuộc vào các liên kết của ẩm với vật liệu) . Mối quan hệ của các thông số sấy theo lý thuyết: Khi nhiệt độ tác nhân sấy càng tăng thì:
12. o o o - Sai số của 1 ở 2 chế độ 48 C và 60 C là khá lớn, chỉ có ở chế độ 70 C là nhỏ. Giá trị 1 đo được trong thực nghiệm lớn hơn so với lý thuyết. Tuy nhiên ở chế độ 70 oC lại lớn hơn. Đó là do sai số khi xác định các thông số ở trên. * Thời gian sấy đẳng tốc 2 : - Sai số của 2 là khá lớn ( 60%). Giá trị 2 đo được trong thực nghiệm nhỏ hơn so với lý thuyết. Đó là do sai số khi xác định các thông số ở trên. Câu 4 : Nêu các nguyên nhân và biện pháp khắc phục sai số. * Các nguyên nhân sai số : - Trong quá trình làm thí nghiệm: • Do vật liệu ban đầu không phải là vật liệu khô tuyệt đối, cho nên dẫn đến sai số trong tính toán (đã nói trong Câu 2, ở phần U*). • Do đọc số trên cân không chính xác. Vì rất khó đọc số khi kim dao động giữa 2 vạch. • Do đọc số trên vòng đo nhiệt độ bầu khô và bầu ướt không chính xác. Vì nhiệt độ dao động trong một khoảng rất nhỏ. • Do bấm thời gian không hoàn toàn là chính xác. • Ngoài ra, còn do thiết bị đã cũ kỹ nên không còn được chính xác nữa. - Trong quá trình tính toán: • Do dùng giản đồ để tra P m và P . Đồng thời còn do giản đồ này được xây dựng ở áp suất 745mmHg, trong khi áp suất thí nghiệm không trùng với áp suất này. Nhưng sai số này là không đáng kể. • Do dựng đường cong tốc độ sấy dựa trên phương trình đường cong sấy 2 • Do lựa chọn công thức khi tính N lý thuyết p = 0,0229 + 0,0174vk , kg/m .h.mmHg (như đã nói ở Câu 3, phần N) * Các biện pháp khắc phục sai số : - Trong quá trình làm thí nghiệm: • Vật liệu ban đầu phải là vật liệu khô tuyệt đối, hoặc bằng cách nào đó xác định trước được khối lượng khô tuyệt đối của vật liệu. • Phải chú ý thật kỹ để đọc được số liệu chính xác. Nhưng tốt nhất là phòng thí nghiệm nên có các thiết bị đo điện tử để việc đọc số liệu được chính xác hơn. - Trong quá trình tính toán:
13. được U tại giao điểm, so với U xác định bằng đồ thị, nếu 2 giá trị này gần bằng nhau thì ta chọn điểm đó là giao điểm 2 đường. Nếu 2 giá trị rất khác xa nhau thì tiến hành chọn điểm khác và tiến hành như trên 4. Đường cong tốc độ sấy N f U Đường cong tốc độ sấy là đạo hàm của đường cong sấy. Trên cơ sở đó, ta có các bước thực hiện như sau: -Ở giai đoạn thứ hai: sau khi đã có hàm của đường thẳng, ta đạo hàm để tìm giá trị của tốc độ sấy trong giai đoạn sấy đẳng tốc. Đó chính là giá trị tuyệt đối của hệ số góc của đoạn dU thẳng vừa tìm được (vì N ). d -Ở giai đoạn thứ ba: như ta đã biết, giấy lọc là vật liệu dạng bản mỏng, xốp nên đường cong tốc độ sấy trong giai đoạn sấy giảm tốc là đường thẳng. Vì đường thẳng này đã đi qua điểm (U*, N = 0) nên ta chỉ cần tìm thêm một điểm nữa, bằng cách: • Kẻ một tiếp tuyến với đường cong sấy trong giai đoạn 3 tại một thời điểm  nào đó. • Chọn thời điểm thích hợp trong giai đoạn sấy giảm tốc N U • Dựng đường thẳng đi qua 2 điểm (U *, 0) và (U, N) ta có đường cong tốc độ sấy trong giai đoạn giảm tốc. • Giao điểm của đường giảm tốc và đường đẳng tốc là Uth. Để chính xác, ta phải vẽ nhiều tiếp tuyến tại nhiều điểm biểu diễn các điểm này lên đồ thị đường cong tốc độ sấy dùng phương pháp bình phương cực tiểu để tìm đường thẳng tốt nhất đi qua các điểm đó. Nhưng, phương pháp này rất phức tạp. 5. Tính toán các giá trị - Tìm giá trị Uth trên đồ thị: đó chính là hoành độ giao điểm của đường đẳng tốc và đường giảm tốc. U * 0 1  * Uth U K  N,1/ h U0 Uth 1 ,h N1
14. [2]. Voõ Vaên Bang – Vuõ Baù Minh, “Quaù trình vaø Thieát bò trong Coâng Ngheä Hoùa Hoïc & Thöïc phaåm – Taäp 3: Truyeàn Khoái”, Nhaø xuaát baûn Ñaïi hoïc Quoác gia TpHCM, 2004, 388tr. [3]. Giaùo trình Thí nghieäm QTTB – Boä moân Maùy & Thieát bò – ÑH Baùch Khoa TP.HCM