Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị - Bài: Sấy đối lưu - Lê Thụy Trà My

Nội dung text: Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị - Bài: Sấy đối lưu - Lê Thụy Trà My

1. I. TRÍCH YẾU : 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. 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 một khoảng thời gian, ghi nhận giá trị khối lượng 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. - Khoảng thời gian ghi giá trị tương ứng với chế độ sấy là : 500 C : sau 5 phút; 600C : sau 3 phút; 700C : sau 2 phút. 3. Kết quả thí nghiệm Chế độ sấy Uth U* U2 N  K τ1 τ2 50 14.29 0 3 342.86 0.06998 23.993 0.75 0.25 60 71.43 0 3 571.43 0.014 7.99986 0.35 0.3 70 85.71 0 3 857.14 0.01167 10.0005 0.23 0.24
2. + Rẻ. + Đáp ứng được các yêu cầu của tác nhân sấy: ít tác dụng với vật liệu sấy + Lượng ẩm ít. 5. Động lực của quá trình sấy: • Là chênh lệch giữa áp suất hơi của nước (ẩm) trên bề mặt vật liệu (Pm) và áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm (Ph) : - Nếu Pm > Ph : vật nhả ẩm Quá trình sấy. - Nếu Pm * : vật hút ẩm Làm ẩm vật liệu. - Nếu < * : vật nhả ẩm Quá trình sấy. - Nếu = * : có cân bằng động giữa hút và nhả ẩm. • Các cách biểu diễn động lực quá trình sấy: - Dùng thế sấy:  = tk - tư - Dùng - Dùng P - Dùng (t - ) - Dùng x 6. Xác định tốc độ sấy theo cân bằng nhiệt của quá trình sấy: Lượng nhiệt do dòng tác nhân sấy cung cấp trong khoảng thời gian d: dQ = F(t-)d (1) được tiêu hao để: - Đun nóng vật liệu: (GoCo+GaCa)d (2) - Bay hơi ẩm và quá nhiệt hơi: [r + Ch(t-th)dGa (3) 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
3. 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 Với: 3 • o - khối lượng riêng của vật liệu khô, kg/m 3 •V o - thể tích vật khô, m • C - nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm, J/kg.độ •R o -bán kính qui đổi của vật liệu, m Khi đó, nếu bỏ qua nhiệt làm quá nhiệt hơi ẩm, ta có: dU d C d dU q R r C R 1 R r o o d o o d r dU o o d (10) dU 1 R R r b o o d C d Với R 1 : Chuẩn số Rebinde đặc trưng cho động học của quá trình sấy. b 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. 8. 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 Với: • K - Hệ số tỷ lệ, gọi là hệ số sấy. Nó phụ thuộc vào tốc độ sấy và tính chất của vật liệu ẩm, 1/s
4. 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 9. Lượng nhiệt 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 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 10. 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. 11. Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy: Đường cong sấy: Là đuờng cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu (U) theo thời gian sấy (): U = f() (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). 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
5. 12. 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 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. 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 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. c. CD – giai đoạn sấy giảm tốc : - 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. 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 ):
6. b. Chuẩn bị thí nghiệm: Xác định khối lượng khô ban đầu của 2 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 3 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. 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 calorife: • 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 calorife: • 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:
7. 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 đặt hay không. Trường hợp ở chế độ sấy nhiệt độ cao mà nhiệt độ caloriphe không đạt giá trị cài 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 trên táp – lô điện ở cửa ra – vào phòng thí nghiệm). e. 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. IV. TÍNH TOÁN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1. Số liệu thí nghiệm Bảng 1 : Số liệu thô Chế độ sấy 500C Chế độ sấy 600C Chế độ sấy 700C G τ (phút) t (0F) t (0F) τ (phút) G(g) t (0F) t (0F) τ (phút) G(g) t (0F) t (0F) (g) ư k ư k ư k 0 125 58 96 0 130 62 119 0 115 80 136 5 115 58 110 3 115 66 124 2 115 80 138 10 105 58 112 6 105 68 124 4 105 82 138 15 95 58 114 9 100 66 122 6 100 82 138 20 85 58 114 12 90 66 123 8 95 82 138 25 75 58 114 15 80 68 124 10 85 82 138 30 70 58 112 18 70 68 124 12 75 82 138 35 60 58 114 21 60 68 124 14 65 82 138 40 50 58 112 24 55 68 124 16 60 82 138
8. 0.25 0.095 171.43 28.57 342.86 14.44 45.56 0.1 12.33 31.11 0.33 0.085 142.86 28.57 342.86 14.44 45.56 0.1 12.33 31.11 0.42 0.075 114.29 28.57 342.86 14.44 45.56 0.1 12.33 31.11 0.50 0.07 100.00 14.29 171.43 14.44 44.44 0.15 12.33 30.00 0.58 0.06 71.43 28.57 342.86 14.44 45.56 0.1 12.33 31.11 0.67 0.05 42.86 28.57 342.86 14.44 44.44 0.15 12.33 30.00 0.75 0.04 14.29 28.57 342.86 14.44 44.44 0.15 12.33 30.00 0.83 0.035 0.00 14.29 171.43 14.44 44.44 0.15 12.33 30.00 0.92 0.035 0.00 0 0 14.44 43.33 0.3 12.33 28.89 1.00 0.035 0.00 0 0 14.44 43.33 0.3 12.33 28.89 Chế độ sấy 600C 0 0 τ (h) G(kg) U (%) ∆ U N(%/h) tư( C) tk( C) P(mmHg) Pm(mmHg) Thế sấy 0 0.13 271.43 16.67 48.33 0.00 14.09 31.67 0.05 0.115 228.57 42.86 857.14 18.89 51.11 1.00 15.00 32.22 0.1 0.105 200.00 28.57 571.43 20.00 51.11 3.33 17.25 31.11 0.15 0.1 185.71 14.29 285.71 18.89 50.00 1.25 15.00 31.11 0.2 0.09 157.14 28.57 571.43 18.89 50.56 1.05 15.00 31.67 0.25 0.08 128.57 28.57 571.43 20.00 51.11 3.33 17.25 31.11 0.3 0.07 100.00 28.57 571.43 20.00 51.11 3.33 17.25 31.11 0.35 0.06 71.43 28.57 571.43 20.00 51.11 3.33 17.25 31.11 0.4 0.055 57.14 14.29 285.71 20.00 51.11 3.33 17.25 31.11 0.45 0.045 28.57 28.57 571.43 20.00 51.11 3.33 17.25 31.11 0.5 0.04 14.29 14.29 285.71 18.89 50.00 1.25 15.00 31.11 0.55 0.035 0.00 14.29 285.71 18.89 51.11 1.00 15.00 32.22 0.6 0.035 0.00 0.00 0.00 18.89 51.11 1.00 15.00 32.22 0.65 0.035 0.00 0.00 0.00 18.89 51.11 1.00 15.00 32.22 Chế độ sấy 700C 0 0 τ (h) G(kg) U (%) ∆ U N(%/h) tư( C) tk( C) P(mmHg) Pm(mmHg) Thế sấy 0.00 0.115 228.57 26.67 57.78 10.00 24.50 31.11 0.03 0.115 228.57 0.00 0.00 26.67 58.89 8.90 24.50 32.22 0.07 0.105 200.00 28.57 857.14 27.78 58.89 15.05 28.00 31.11 0.10 0.1 185.71 14.29 428.57 27.78 58.89 15.05 28.00 31.11 0.13 0.095 171.43 14.29 428.57 27.78 58.89 15.05 28.00 31.11 0.17 0.085 142.86 28.57 857.14 27.78 58.89 15.05 28.00 31.11
9. Giản đồ đường cong sấy chế độ sấy 600C Giản đồ đường cong sấy chế độ sấy 700C
10. Bảng 5. Tính toán lý thuyết Chế độ sấy 500C U Uth P(mmHg) Pm(mmHg) N Ntb  K p Jm f τ1 τ2 257.14 3.75 12.33 223.57 0.33 228.57 0.30 12.33 313.46 0.46 200.00 142.86 0.15 12.33 317.37 298.35 0.01 2.09 0.04 0.46 6.86 0.38 1.85 171.43 0.10 12.33 318.67 0.46 142.86 0.10 12.33 318.67 0.46 Chế độ sấy 600C U Uth P(mmHg) Pm(mmHg) N Ntb  K p Jm f τ1 τ2 271.43 0.00 14.09 367.14 0.54 228.57 1.00 15.00 364.79 0.53 200.00 150.79 3.33 17.25 362.71 363.28 0.01 2.41 0.04 0.53 6.86 0.33 1.63 185.71 1.25 15.00 358.28 0.52 157.14 1.05 15.00 363.49 0.53 Chế độ sấy 700C U Uth P(mmHg) Pm(mmHg) N Ntb  K p Jm f τ1 τ2 228.57 10.00 24.50 377.82 0.55 228.57 8.90 24.50 406.48 0.59 200.00 15.05 28.00 337.43 0.49 126.98 355.67 0.01 2.80 0.04 6.86 0.29 1.33 185.71 15.05 28.00 337.43 0.49 171.43 15.05 28.00 337.43 0.49 142.86 15.05 28.00 337.43 0.49
11. .* Thời gian sấy đẳng tốc 1 : Nhiệt độ tăng thời gian sấy đẳng tốc giảm * Thời gian sấy giảm tốc 2 : Nhiệt độ sấy càng tăng thì thời gian thì thời gian 2 càng giảm.ø * Mối quan hệ của các thông số sấy theo lý thuyết: Khi nhiệt độ tác nhân sấy càng tăng thì: Uth N  K 1 2   = const    Câu 3: 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. + Do thao tác lúc làm thí nghiệm: bấm thời gian, đọc thông số, điều chỉnh chế độ sấy chưa ổn định ( đôi lúc nhiệt độ lớn hơn 3-40C) - 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). + Do việc chấp nhận U* = 0. + Do dựng đường cong sấy: dựng đường cong bằng cách dự đoán điểm nên có độ chính xác không cao. + Do dựng đường cong tốc độ sấy: dựng theo giá trị ∆U/∆τ có bỏ qua một số điểm thay vì lấy vi phân 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 : + 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. ( do ở đây xem khối lượng khô tuyệt đối là giá trị khối lượng cuối không đổi sau 15ph) + Thao tác thí nghiệm cẩn thận, đặc biệt khi điều chỉnh chế độ sấy ổn định. + Tính toán khi dựng đường cong sấy và dựng đường cong tốc độ sấy.
12. 0.24 f = = 6.86 (m2/kg) 0.035 1,8 - Giá trị  :  = U o - Giá trị K: K = N ,1/h N: tốc độ sấy đẳng tốc, %/h (được lấy trung bình của các giá trị N trong bảng) U 0 U th - Giá trị 1: 1 ,h N1 * * U th U U th U - Giá trị 2: 2 ln * ,h N1 U 2 U 5. Tính toán các giá trị trong Bảng 6: Thực nghiệm Lý thuyết Tính sai số: Sai số (%) = 100 Lý thuyết VII. 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.