Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Sấy đối lưu - Bài 1

Nội dung text: Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Sấy đối lưu - Bài 1

1. 1. TRÍCH YẾU. 1.1. Mục đích thí nghiệm. 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 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. 1.2. Phương pháp thí nghiệm. - Tiến hành sấy giấy lọc ở 3 chế độ nhiệt độ của caloriphe: 500C, 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. 1.3. Kết quả thí nghiệm. Khối lượng khô ban đầu của 3 sấp giấy lọc: Go = 29(g) = 0.029(kg). Một sấp giấy lọc gồm 3 tấm giấy lọc. Bảng 1: Số liệu thô Chế độ 50oC Chế độ 60oC Chế độ 70oC o o o o o o t(phút) G(g) tứ( F) tk( F) t(phút) G(g) tứ( F) tk( F) t(phút) G(g) tứ( F) tk( F) 0.000 85.000 69.000 124.000 0.000 85.000 80.000 134.000 0.000 85.000 93.000 146.000 5.000 69.000 70.000 126.000 3.000 74.000 80.000 135.000 2.000 73.000 97.000 150.000 10.000 51.000 71.000 126.000 6.000 60.000 81.000 136.000 4.000 61.000 98.500 152.000 15.000 35.000 71.000 125.000 9.000 46.000 81.500 136.000 6.000 50.000 98.500 152.000 20.000 30.000 71.000 125.000 12.000 35.000 81.500 136.000 8.000 40.000 99.500 152.500 25.000 29.000 71.000 126.000 15.000 29.000 81.500 136.000 10.000 32.000 100.000 153.000 30.000 29.000 72.000 126.000 18.000 29.000 81.500 136.000 12.000 29.000 100.000 153.000 35.000 29.000 72.000 126.000 21.000 29.000 81.500 136.000 14.000 29.000 100.000 153.000 40.000 29.000 72.000 126.000 24.000 29.000 81.500 136.000 16.000 29.000 100.000 153.000 18.000 29.000 100.000 153.000 1
2. Trong đó: • - hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy vào vật liệu sấy, W/m 2.độ • F – bề mặt vật liệu, m2 • t, , th - nhiệt độ của tác nhân sấy, vật liệu và hơi ẩm bão hòa, độ •G oCo - khối lượng và nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kg & J/kg.độ •G aCa - khối lượng và nhiệt dung riêng của ẩm, kg & J/kg.độ • r - ẩn nhiệt hóa hơi của ẩm, J/kg •C h - nhiệt dung riêng của hơi ẩm, J/kg.độ Lượng ẩm bốc hơi trong thời gian d: dGa = d(GoU) = GoDu (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), thiết lập cân bằng nhiệt: F(t - )d = (GoCo+GaCa)d + Go[r + Ch(t - th)dU (5) Từ (5) rút ra: d F t  G C G C  dU o o a a d (6) d G o r Ch t t h)  dU Đây là biểu thức tính tốc độ sấy theo cân bằng nhiệt. d 2.4. Phương trình cơ bản của động học quá trình sấy. - Theo phương trình truyền ẩm từ vật liệu vào tác nhân sấy: dGa = kpF(pm – p)d (7) Với: 2 •k p - hệ số truyền ẩm trong pha khí, kg/m .h. p = 1 (1at hay 1mmHg ) •p m, p - áp suất của hơi ẩm trên bề mặt vật liệu và trong pha khí, mmHg (hay at) Thay Ga = GoU vào (7) và biến đổi, ta có: dU k p F (p m p) (8) d G o Khi hơi ẩm không bị quá nhiệt (tức t = th) thì biểu thức (5) được biến đổi thành: G d dU dQ a Co Co G o rG o F qF (9) G o d d Fd Với : q là cường độ dòng nhiệt hay mật độ dòng nhiệt. G a G o Vo U ; o ; Co + CaU = C và R o G o Vo F 3 • o - khối lượng riêng của vật liệu khô, kg/m 3
3. • N - tốc độ sấy đẳng tốc, kg ẩm/(kg vật liệu khô.s) - Tích phân phương trình (11) ta nhận được: U U* * exp N (13) U th U Logarit hóa (13), ta có: 1 lg U U* lg U U* N (14) th 2.3 Như vậy nếu biết được hệ 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: 1.8  (15) U o Với: U0 - độ ẩm ban đầu của vật liệu. Từ đó, ta có: 1 U U U* 0 U* (16) th  1.8 Thay (12) và (15) vào phương trình (11), ta được: dU U U* 1.8N (17) d U 0 Thay (17) vào (10), ta được: U U* q 2 0 R 0 r 1 R b .1.8N (18) U 0 2.6. Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy đẳng tốc. 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: dU q R r R rN (19) 1 0 0 d 0 0 2.7. Cường độ trao đổi nhiệt. q U U* q(x) 2 1.8 1 Rb (20) q1 U 0 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. 2.8. Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy. 2.8.1. Đường cong sấy - Là đuờng cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu (U) theo thời gian sấy (): 5
4. 2.9. Các giai đoạn của quá trình sấy. 2.9.1. Giai đoạn đun nóng vật liệu(AB) - Toàn bộ nhiệt cung cấp để đun nóng vật liệu, ẩm bốc hơi không đáng kể. - Nhiệt độ vật liệu tăng nhanh từ 1 = to 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. - Giai đoạn này thường bỏ qua trong tính toán. Thường giai đoạn này được bỏ qua khi tính toán. 2.9.2. Giai đoạn sấy đẳng tốc (BC) - 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 độ bốc hơi từ bề mặt, trên bề mặt luôn bão hòa ẩm. Thời gian sấy trong gian đoạn này (thời gian sấy đẳng tốc -  1 ) được xác định từ: dU N const (23) d 1 Nên tích phân (23) lên ta có: U 0 U th 1 (24) N1 Với Uth : là độ ẩm tới hạn, độ ẩm cuối giai đoạn sấy đẳng tốc. 2.9.3. Giai đoạn sấy giảm tốc(CD) - 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 No 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. 7
5. - Hệ thống điện: tìm các cầu dao quạt, caloriphe (nhìn đường dây dẫn), các công tắc điện trên hộp điều khiển nhiệt độ. 3.2.2. 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 phía trong buồng sấy (đặt cả ba sấp), khi đó kim của cân sẽ dao động – chờ kim hết dao động đọc 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) 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. 3.2.3. 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 nhất (HEATER I) ở vị trí đầu sang ON. Ở chế độ 70oC thì bật thêm công tắc của chùm điện trở thứ hai (HEATER II) 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 hộp công tắc) và cài đặt nhiệt độ cần thiết. Đồng hồ điện tử trên hộp cài đặt cho biết nhiệt độ của caloriphe. 3.2.4. Tiến hành 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. 9
6. - Không được mở quạt trần ngay bài thí nghiệm vì sẽ làm kim cân dao động (quạt số 7 trên táp – lô điện ở cửa ra – vào phòng thí nghiệm). 3.2.6. 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 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. 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM. 4.1. Kết quả tính toán. Bảng 3: Kết quả tính toán thừ các thông số đã xử lý. Chế độ 50oC o o t(giờ) G(kg) U(%) G= U N(%/h) tứ( C) tk( C) Pm (mmHg) P (mmHg) thế sấy 0.000 0.085 193.103 0.000 0.000 20.556 51.111 18.156 3.247 30.000 0.083 0.069 137.931 55.172 662.069 21.111 52.222 18.787 3.610 30.556 0.167 0.051 75.862 62.069 744.828 21.667 52.222 19.438 4.535 30.556 0.250 0.035 20.690 55.172 662.069 21.667 51.667 19.438 4.806 30.278 0.333 0.030 3.448 17.241 206.897 21.667 51.667 19.438 4.806 30.278 0.417 0.029 0.000 3.448 41.379 21.667 52.222 19.438 4.534 30.278 0.500 0.029 0.000 0.000 0.000 22.222 52.222 20.108 5.479 30.278 0.583 0.029 0.000 0.000 0.000 22.222 52.222 20.108 5.479 30.278 0.667 0.029 0.000 0.000 0.000 22.222 52.222 20.108 5.479 30.278 11
7. 250.000 Chế độ 50oC 200.000 150.000 Sấy đẳng tốc 100.000 Sấy giảm tốc 50.000 0.000 0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 -50.000 250.000 Chế độ 60oC 200.000 150.000 Sấy đẳng tốc 100.000 sấy giảm tốc 50.000 0.000 0.000 0.100 0.200 0.300 -50.000 13
8. Chế độ sấy 50oC * Uth U U2 N (%ẩm/h)  K(1/h) 1 2 21.25 0 2 691.8 0.04706 32.5553 0.24841 0.07259 Chế độ sấy 60oC 24.42 0 2 870.9 0.04095 35.6634 0.19369 0.07016 Chế độ sấy 70oC 16.05 0 2 1241 0.06231 77.3209 0.14267 0.02693 Trình tự tính toán được trình bày cụ thể trong phần Phụ lục 4.2.3. Đánh giá kết quả thí nghiệm. Kết quả tính toán các thông số từ lý thuyết Bảng 5: Tính theo lý thuyết U* Uth N (%/h) χ K (1/h) ґ1 ґ2 U2 Jm 50 độ 7.459 114.739 465.00168 4.334479946 0.16852575 0.82520329 10.459 0.562 60 độ 7.05 114.33 460.90902 0.00932 4.296330508 0.17090955 0.83253071 10.05 0.557 70 độ 6.175 113.455 442.14768 4.121448017 0.18014061 0.8678569 9.175 0.534 Từ Bảng 4 và Bảng 5 ta có: Bảng 6: Kết quả đánh giá sai số. Độ ẩm tới hạn Uth (%) Tốc độ sấy đẳng tốc N(%/h) Chế độ sấy Thực Lý Sai số Thực Lý Sai số nghiệm thuyết (%) nghiệm thuyết (%) 50oC 21.25 114.739 81.4797 691.8 465.002 48.77366 60oC 24.42 114.33 78.6407 870.9 460.909 88.95269 70oC 16.05 113.455 85.8534 1241 442.148 180.6755 15
9. Ta biết độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào độ ẩm không khí và nhiệt độ. Với cùng một độ ẩm, khi nhiệt độ càng tăng thì độ ẩm cân bằng của vật liệu càng giảm .Trong bài thí nghiệm này đúng với chế độ sấy 500C và 700C. Mặc khác, ta có U* =0 do ta không đo khối lượng Go của giấy trước khi sấy vì giấy lúc đó có thể bị ẩm do môi trường xung quanh. Độ ẩm tới hạn Uth Kết quả thí nghiệm: o Ở chế độ sấy 50 C: Uth = 21.25% o Ở chế độ sấy 60 C: Uth = 24.42% o Ở chế độ sấy 70 C: Uth = 16.05% - Khi nhiệt độ tăng thì Uth lại tăng, điều này không phù hợp với lý thuyết ở chế độ sấy 50 và 60.Điều này có thể do các điểm thí nghiệm của ta lệch nhau nhiều, chọn diểm kết thúc đường cong sấy đẳng tốc và điểm bắt đầu đường sấy giảm tốc không chính xác dẫn đến sai số trong phương trình hồi quy và kết quả sai số nhiều.Nhưng đến chế độ sấy 70 thì chính xác phù hợp với lý thuyết Mặc khác, so với lý thuyết, các giá trị Uth đều nhỏ hơn rất nhiều, đây cũng là nguyên nhân gây sai số lớn. 5.2.2. Tốc độ sấy đẳng tốc N Kết quả thí nghiệm: - Ở chế độ sấy 50oC: N = 691.8%/h - Ở chế độ sấy 60oC: N =870.9%/h - Ở chế độ sấy 70oC: N = 1241%/h Ta nhận thấy rằng: khi nhiệt độ sấy càng tăng thì tốc độ sấy đẳng tốc càng tăng. Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết. Đó là do khi nhiệt độ càng tăng thì động lực của quá trình sấy (thế sấy ) càng tăng. 5.2.3. Hệ số sấy tương đối trong giai đoạn giảm tốc  Kết quả thí nghiệm: - Ở chế độ sấy 50oC:  = 0.009321429 - Ở chế độ sấy 60oC:  = 0.009321429 - Ở chế độ sấy 70oC:  = 0.009321429 17
10. Theo lý thuyết, khi nhiệt độ sấy càng tăng thì thời gian thì thời gian 2 càng giảm. Kết quả thực nghiệm phù hợp với lý thuyết. * * U th U U th U Ta có thời gian sấy giảm tốc được tinh qua công thức 2 ln * , mà N1 U 2 U * Uth, U , N có sai số rất lớn do đó 2 cũng không chính xác. 5.3. Nhận xét kết quả đánh giá sai số, nêu các nguyên nhân và biện pháp khắc phục sai số. 5.3.1. Nhận xét kết quả đánh giá sai số Độ ẩm tới hạn Uth : Kết quả đánh giá sai số: o - Ở chế độ sấy 50 C: Uth = 81.47965664% o - Ở chế độ sấy 60 C: Uth = 78.64071944% o - Ở chế độ sấy 70 C: Uth = 85.85338384% Sai số của phép đo Uth là rất lớn .Các giá trị Uth tính theo thực nghiệm nhỏ hơn lý thuyết .Đó là do sai số khi ta xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy để xác định Uth. Ngoài ra còn có những sai số trong quá trình làm thí nghiệm. Tốc độ sấy đẳng tốc N : Kết quả đánh giá sai số: - Ở chế độ sấy 50oC: N = 48.77365604% - Ở chế độ sấy 60oC: N = 88.95269179% - Ở chế độ sấy 70oC: N = 180.6754521% Sai số ở chế độ sấy 600C, 70oC la ølớn û hơn sai số ở chế độ sấy 50oC. Sai số tăng dần khi nhiệt độ sấy tăng dần. Kết quả tính toán có sai số là do trong quá trình tính toán N lý thuyết, để đơn giản ta 2 đã sử dụng công thức thức nghiệm p = 0,0229 + 0,0174vk , kg/m .h.mmHg. Công thức này không phản ánh hết sự phụ thuộc của hệ số trao đổi ẩm p vào các yếu tố ảnh  .Nu hưởng lên nó như công thức chuẩn p m mà chỉ phản ánh sự phụ thuộc vào p L tốc độ tác nhân sấy. Và khi đó ta đã coi p là một hằng số trong suốt quá trình sấy, chính điều này đã dẫn đến sai biệt nói trên khi p không thể phản ánh được chính xác diễn tiến quá trình sấy. Ngoài ra còn do sai số do dùng giản đồ không khí ẩm để tra Pm và P (do có sai số khi nội suy), 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 nhỏ . Bên cạnh đó còn do sai số khi dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy để tìm N và sai số trong quá trình làm thí nghiệm. 19
11. + 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 cũõ nên không còn được chính xác nữa. - Trong quá trình tính toán: + Do dùng giản đồ để tra Pm và P (sai số do phải dựng nhiều đường trên đồ thị và nội suy). 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 + Do lựa chọn công thức khi tính N lý thuyết p = 0,0229 + 0,0174vk (kg/m2.h.mmHg ). 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: + Phải cẩn thận hơn trong việc tra đồ thị. Tốt nhất là áp dụng các công thức để tính toán thay vì tra trên giản đồ. + Dùng phương pháp “Bình phương cực tiểu” để vẽ đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy.  p .Nu m + Nên áp dụng công thức để tính p. p L 6. PHỤ LỤC. 6.1. Các thông số ban đầu a) Vật liệu. 3 tấm giấy lọc, mỗi tấm được gấp từ 3 tờ giấy lọc có kích thước 30x20x0,01 (cm). - Diện tích bề mặt bay hơi F = 0,2.0,3.2.2= 0.24 m2. -Nửa chiều dày một tấm giấy lọc : R = 0,5.3.0,0001 = 0,00015 m. - Khối lượng giấy lọc khô tuyệt đđối : G0 = 29 g. -3 3 -Bề mặt riêng khối lượng của vật liệu : f = F/G 0 = 0,24/29.10 = 8.276 (m /kg). b) Tác nhân sấy: Không khí nóng. Vận tốc vk = 0,85 m/s. c) Đổi nhiệt độ 0C = 5/9.(0F - 32) 21
12. N = 100.αp.(Pm – P).F/Go 2 αp =0,0229+0,0174. 0,85=0.038(kg/m .h. ∆p)  = 1,8/U1 K=N* τ1, τ2 được tính tương tự như 6.3. 6.5. Tính toán số liệu cho Bảng 6. Thực nghiệm Lý thuyết Tính sai số: Sai số (%) = 100 Lý thuyết 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Văn Lụa, “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học & Thực phẩm – Tập 7: Kỹ thuật sấy vật liệu”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 2001, 252tr. [2]. Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học & Thực phẩm – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr. [3]. Giáo trình Thí nghiệm QTTB – Bộ môn Máy & Thiết bị – ĐH Bách Khoa TP.HCM 23