SẤY ĐỐI LƯU
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1 Khái niệm chung a Sấy là gì?
Sấy là quá trình sử dụng nhiệt để loại bỏ nước khỏi vật liệu, thông qua các phương pháp dẫn nhiệt, đối lưu hoặc bức xạ Mục đích của quá trình sấy là giảm độ ẩm trong sản phẩm, từ đó cải thiện chất lượng, bảo quản lâu dài và tăng giá trị sử dụng của vật liệu.
Mục đích của quá trình sấy là làm giảm khối lượng vật liệu, giảm ẩm, giảm ẩm, tăng độ bền và bảo quản được tốt.
2 Tĩnh lực học quá trình sấy a Các thông số hỗn hợp không khí
- Nhiệt độ: Gồm 3 loại: tK, tƯ, tS.
tK: Nhiệt độ bầu khô là nhiệt độ của hỗn hợp không khí được xác định bằng nhiệt kế thông thường
Nhiệt độ bầu ướt là nhiệt độ ổn định đạt được khi nước bốc hơi vào không khí chưa bão hòa, được đo bằng nhiệt kế có bọc vải ướt ở bầu thủy ngân.
tS: Nhiệt độ điểm sương, nhiệt độ ở trạng thái bão hòa hơi nước.
d: Là độ chứa hơi, là số kg ẩm có trong 1 kg không khí khô của không khí chưa bảo hòa hơi nước (kẩm/kgkkk).
A: là độ ẩm cực đại là số kg ẩm có trong 1 kg không khí khô của không khí bảo hòa hơi nước (kgẩm/kgkkk).
: Độ ẩm tương đối hay gọi là độ bảo hòa hơi nước = d/A (0% 100%).
- Áp suất: Gồm P, Pbh, Pb, Ph.
P: Áp suất tổng của không khí (mmHg).
Pbh: Áp suất hơi bảo hòa của nước ở cùng nhiệt độ bầu khô (mmHg).
Ph: Áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu (mmHg).
Quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ bầu khô Áp suất riêng phần hơi nước trong tác nhân sấy và độ ẩm tương đối là: d= 0,622 P bh
H: Là ENTAPI của hỗn hợp không khí ẩm, là nhiệt lượng của hỗn hợp không khí ẩm trong đó có chứa 1 kg không khí khô b Cân bằng vật chất trong thiết bị sấy
Trong kỹ thuật sấy, độ ẩm của vật liệu được xác định qua hai khái niệm chính Đầu tiên, độ ẩm vật liệu trên cơ sở vật liệu ướt được ký hiệu là x (kgẩm/kgvlư) Công thức tính độ ẩm này là x = L1 - L0, trong đó L1 và L0 lần lượt đại diện cho trọng lượng của vật liệu ướt và trọng lượng của vật liệu khô.
L 1 ∗100 % (%kgẩm/kgvlư) X: Độ ẩm vật liệu trên căn bản vật liệu khô (kgẩm/kgvlk).
- Các phương trình cân bằng vật chất:
Lượng vật liệu khô tuyệt đối:
L K = L 1 ( 1− x 1) = L 2 (1− x 2 ) Lượng vật liệu trước khi sấy:
Lượng vật liệu sau khi sấy:
Lượng ẩm cần tách trong quá trình sấy:
Lượng không khí khô cần trong quá trình sấy:
2 −d 1 (kg, kg/s) Lượng không khí ẩm cần làm bay hơi 1kg ẩm: g = W G = d 1
Trong quá trình sấy, độ ẩm của vật liệu được xác định bởi x1 và x2, tương ứng với độ ẩm trước và sau khi sấy tính theo vật liệu ướt Độ ẩm tác nhân ban đầu và sau khi đun nóng được ký hiệu là d0 = d1, với điều kiện không có sự tách ẩm hay tăng ẩm trong quá trình này Độ ẩm tác nhân ra, sau khi loại bỏ hơi ẩm từ vật liệu sấy, được biểu thị bằng d2 Bên cạnh đó, cân bằng năng lượng cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sấy này.
Nhiệt lượng cần thiết làm bay hơi 1 kg ẩm trong quá trình sấy theo lý thuyết: q c = H 2 −H 0 d 2 −d 0 = g( H 2 − H 0 )
3 Động học quá trình sấy a Các định nghĩa
- Tốc độ sấy: Là lượng ẩm bay hơi trên 1m2 vật liệu sấy trong một đơn vị thời gian.
Thời gian sấy là khoảng thời gian bắt đầu từ khi đun nóng vật liệu cho đến khi đạt được độ ẩm cần thiết, bao gồm độ ẩm bảo quản hoặc độ ẩm cụ thể Quá trình sấy thường diễn ra qua nhiều giai đoạn khác nhau để đảm bảo hiệu quả tối ưu trong việc loại bỏ độ ẩm.
Người ta chia các quá trình sấy ra làm các giai đoạn:
- Giai đoạn tăng tốc: Giai đoạn đun nóng vật liệu nhiệt độ vật liệu tăng lượng ẩm bay hơi chậm.
Giai đoạn sấy đẳng tốc là giai đoạn trong quá trình sấy, khi vật liệu bay hơi đều với tốc độ không đổi Trong giai đoạn này, nhiệt độ của vật liệu sấy không tăng và duy trì bằng nhiệt độ của vật liệu ướt.
- Giai đoạn giảm tốc: Nhiệt độ vật liệu sấy tăng lượng ẩm bay hơi chậm dần. c Tính tốc độ sấy:
Tốc độ sấy kí hiệu N:
N = S.dt dW hay dW = S.Ndt
Trong đó: W1, W2: Là lượng lượng ẩm bay ra ở thời điểm 1 và 2. t1, t2: Là thời gian sấy từ giai đoạn 1 đến giai đoạn 2.
Thời điểm mới bắt đầu sấy lượng ẩm bay ra là 0 (kg)
Giai đoạn tăng tốc: NTT = S ∆t W TT
Giai đoạn đẳng tốc: NĐT = S ∆t W DT
Giai đoạn giảm tốc: NGT = S ∆t W ¿ ¿ d Tính thời gian sấy
Thời gian sấy tính toán lý thuyết của từng giai đoạn được tính bằng công thức: t = N S W
Trong thực tế để xác định được thời gian sấy cho từng loại vật liệu ta phải làm thí nghiệm mới có kết quả chính xác. e Giản đồ sấy :
(kgẩm/ kg vật liệu khô) Giảm tốc Đẳng tốc
Do các điều kiện sấy khác nhau trong từng trường hợp, có nhiều loại thiết bị sấy đa dạng Vì vậy, việc phân loại các phương pháp sấy cũng rất phong phú.
Có nhiều loại thiết bị sấy dựa vào tác nhân sấy, bao gồm thiết bị sấy bằng không khí và thiết bị sấy bằng khói lò Ngoài ra, còn có các phương pháp sấy đặc biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng tia hồng ngoại và sấy bằng dòng điện cao tần.
- Dựa vào áp suất làm việc: Thiết bị sấy chân không, thiết bị sấy ở áp suất thường.
- Dựa vào phương thức làm việc: Sấy liên tục hay sấy gián đoạn
- Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: Thiết bị sấy tiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy bức xạ.
- Dựa vào cấu tạo thiết bị: Phòng sấy, hầm sấy, sấy bang tải, sấy trục, sấy thùng quay, sấy phun, sấy tầng sôi
- Dựa vào chiều tác động của tác nhân sấy và vật liệu sấy:Cùng chiều, nghịch chiều và giao chiều.
Hình 1.1: Sơ đồ thiết bị sấy
Hình 1.2: Số liệu thực nghiệm quá trình sấy đối lưu
- Dài = 33,2cm và Rộng = 25,6cm S = 849,92 cm 2
Bảng 1.1: Bảng số liệu thô thu được khi sấy ở nhiệt độ 50 0 C
Bảng 1.2: Bảng số liệu thô thu được khi sấy ở nhiệt độ 60 0 C
- Độ ẩm vật liệu tính trên căn bản vật liệu khô (%kg ẩm/kg vật liệu khô)
- Độ ẩm vật liệu vào lúc t = 0 phút ở nhiệt độ 50 o C là:
0,080 100 %= 7,5 % Tương tự ta có độ ẩm vật liệu trong các khoảng t=5, t, t, t ở nhiệt độ
50 o C và 60 o C ở các bảng 1.3 và bảng 1.4.
Ta có tốc độ sấy tại t = 5 phút là:
Bảng 1.3: Các thông số và công thức tính toán cho chế độ sấy ở nhiệt độ 50 o C t (phút) G i (kg) Wi (%) N=dw/dt
Bảng 1.4: Các thông số và công thức tính toán cho chế độ sấy ở nhiệt độ 60 o C t (phút) G i (kg) Wi (%) N=dw/dt
Pb (mmHg): Áp suất riêng phần hơi ẩm trên bề mặt vật liệu điều kiện đoạn nhiệt.
Ph (mmHg): Áp suất hơi ẩm trong tác nhân sấy (được tra trên giản đồ không khí ẩm).
Do sự giới hạn của giản đồ nên khi nhiệt độ quá 50 o C thì P sẽ được cho bằng 85 mmHg.
Trong đó: Jm: cường độ ẩm
B: áp suất phòng sấy am: hệ số trao đổi ẩm tính theo chênh lệch áp suất (kg/m 2 h.mm.Hg) am= 0,0229+0,0174.Vk
Vk : Tốc độ khí trong phòng sấy ( chọn Vk = 1.6 (m/s)
Tốc độ sấy đẳng tốc
Trong đó: W1: độ ẩm ban đầu khi sấy(%)
Wc: độ ẩm cân bằng = 3%
Thời gian sấy đẳng tốc:
J m =∝ m ( P b ( TB ) − P h ( TB ) ) 760 B ¿ ¿(0,0229+0,0174.1,6).(81,8−79,5).1=0,11(kg/m 2 h) Trong đó: Jm : Cường độ ẩm.
B: Áp suất phòng sấy; B = 760mmHg. am : Hệ số trao đổi ẩm tính theo chênh lệch áp suất (kg/m2.h.mmHg) am = 0.0229 + 0.0174.Vk
Vk : Tốc độ khí trong phòng sấy ( chọn Vk = 1.6 (m/s)
Tốc độ sấy đẳng tốc
Trong đó: W1 : Độ ẩm ban đầu trước khi sấy(%)
Wc : Độ ẩm cân bằng = 3%.
Thời gian sấy đẳng tốc:
(kg/m2h) Ndt(%/h) Wth (%kgẩm/kgkkk) Thời gian sấy (h)
∆ T sây = | T sấy T −T sấy (¿) sấy (tn) | 100 = | 0,025− 0,025 20 60 | 100= 1233,3(%)
∆ w th = | W th ( ¿ W ) −W th(¿) cuoi(tn) | 100= | 9,25− 9,25 0 | 100=1(%)
∆ N dt = | N dt ( ¿ N ) − dt ∆ ( ¿ ) dt ( tn ) | 100= | 778−51,762 778 | 100= 93,5 ( % )
∆ T sây = | T sấy W −W sấy (¿) sấy (tn) | 100= | 0,82− 0,82 20 60 | 100 Y,3 ( %)
∆ w th = | W th ( ¿ W ) −W th(¿) cuoi(tn) | 100= | 20,26− 20,26 4,05 | 100 ,0 ( %)
∆ N dt = | N dt ( N ¿ ) − dt(¿) ∆ dt (tn) | 100= | 131,7 131,7 −81,06 | 100 8,5(% )
Nhiệt độ 50 0 C Đồ thị biểu diễn độ ẩm của vật liệu theo thời gian (W-t)
Tốc độ sấy (%/h) Đồ thị biểu diễn tốc độ sấy vật liệu theo độ ẩm (N-W)
Thời gian (phút) Độ ẩm (%)
Thời gian (phút) Độ ẩm (%) Đồ thị biểu diễn độ ẩm của vật liệu theo thời gian (W-t)
Tốc độ sấy (%/h) Đồ thị biểu diễn tốc độ sấy vật liệu theo độ ẩm (N-W)
- Đồ thị W-τ là một đường cong.
- Độ ẩm của vật liệu giảm dần theo thời gian.
- Đồ thị đường cong tốc độ sấy khác biệt khá nhiều so với lí thuyết do sai số
- Đường đẳng tốc không rõ ràng.
2 Kết quả thí nghiệm: có sai số
- Thời gian sấy chưa chính xác.
- Các thao tác kỹ thuật trong quá trình thí nghiệm chưa tốt.
- Các sai số trong quá trình tính toán, xử lý số liệu.
- Cần nắm rõ các thao tác kỹ thuật trước khi làm thí nghiệm.
- Dùng đồng hồ và cố gắng canh chỉnh thời gian chính xác nhất có thể.
- Đọc kết quả và tính toán cẩn thận, lấy sai số ở mức tối thiểu.
Dựa trên các thông số thu được từ quá trình thí nghiệm, chúng ta có thể tính toán các giá trị cần thiết cho quá trình sấy Tuy nhiên, do những sai sót trong thiết bị và các lỗi trong quá trình thực hiện cũng như tính toán, kết quả thường chênh lệch so với mong đợi Việc kéo dài thời gian sấy giúp thu thập nhiều giá trị hơn, từ đó giảm thiểu sai số khi chờ đợi quá lâu trong quá trình sấy.
IV TRẢ LỜI CÂU HỎI CHUẨN BỊ
1 Định nghĩa quá trình sấy đối lưu
Sấy đối lưu là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với tác nhân sấy là không khí nóng, khói lò,
2 Truyền nhiệt và truyền ẩm bằng phương pháp đối lưu
Là quá trình các phân tử chất lỏng hoặc chất khí nhận nhiệt rồi đổi chỗ cho nhau.
Gồm có 3 giai đoạn sấy:
- Giai đoạn đun nóng vật liệu.
- Giai đoạn sấy đẳng tốc.
- Giai đoạn sấy giảm tốc.
- Truyền nhiệt cho vật liệu.
- Dẫn ẩm trong lòng vật liệu.
- Tách ẩm vào môi trường xung quanh.
5 Một vài loại thiết bị sấy
- Thiết bị sấy băng tải.
- Thiết bị sấy thăng hoa.
- Thiết bị sấy tầng sôi.
- Thiết bị sấy bức xạ - đối lưu.
- Thiết bị sấy điện cao tần.
- Thiết bị sấy khí động (hay còn gọi là thiết bị sấy khí thổi).
6 Các thông số cần đo trong quá trình thí nghiệm
Khối lượng, nhiệt độ bầu khô, nhiệt độ bầu ướt và thời gian.
Tiến hành sấy miếng vải ở nhiệt độ 50 độ C bằng cách đặt vật liệu vào buồng sấy Ghi nhận các giá trị thí nghiệm bao gồm khối lượng, nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt Tiếp tục ghi nhận giá trị sau mỗi 5 phút cho đến khi khối lượng vật liệu không thay đổi trong một khoảng thời gian nhất định.
20 phút thì dừng thí nghiệm.
8 Cách thức tiến hành thí nghiệm
Bước 1: Chuẩn bị thí nghiệm:
- Xác định khối lượng vật liệu khô ban đầu (G0) của vật liệu:
- Mở cửa buồng sấy ra, đặt cẩn thận.
Để làm ẩm vật liệu, sau khi cân xong, bạn nên nhẹ nhàng nhúng vật liệu vào chậu nước trong khoảng 30 giây để nước thấm đều Sau đó, hãy lấy vật liệu ra, để ráo nước và xếp chúng vào giá Đừng quên chuẩn bị đồng hồ đeo tay để đo thời gian.
Lắp lại cửa buồng sấy.
Mở hết các van của hai cửa khí vào ra.
Châm đầy nước vào bầu ướt (phía sau hệ thống).
- Lập bảng số liệu thí nghiệm.
Bước 2: Khởi động hệ thống:
- Khởi động quạt: bật công tắc của quạt để hút dòng tác nhân vào và thổi qua caloriphe gia nhiệt dòng tác nhân.
- Khởi động caloriphe, bật công tắc Caloriphe.
- Cài đặt nhiệt độ cho Caloriphe ở nhiệt độ thí nghiệm.
Bước 3: Tiến hành thí nghiệm:
- Chờ hệ thống hoạt động ổn định khi: nhiệt độ của Caloriphe đạt giá trị mong muốn ( 1 2 0 C ) Tiến hành sấy vật liệu ở nhiệt độ khảo sát.
- Đo số liệu trong chế độ thí nghiệm.
- Các số liệu cần đo: Khối lượng, nhiệt độ bầu khô, bầu ướt và thời gian.
Khối lượng (gam) khi đặt giá đỡ vật liệu sấy, đọc số hiển thị trên cân.
Nhiệt độ ( 0 C): Nhấn nút tương ứng các vị trí cần đo và đọc số trên đồng hồ hiện số.
- Chuyển chế độ thí nghiệm (nếu có):
Mở cửa buồng sấy, lấy vật liệu ra làm ẩm tiếp (lặp lại như ban đầu).
Cài nhiệt độ Caloriphe ở giá trị tiếp theo cho chế độ sấy mới.
Chờ hệ thống hoạt động ổn định.
Lặp lại trình tự như chế độ đầu.
Bước 4: Kết thúc thí nghiệm
- Tắt công tắt của điện trở Caloriphe.
- Sau khi tắt Caloriphe được 5 phút, tắt quạt cho Caloriphe nguội.
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lí làm việc và ưu nhược điểm của thiêt bị.
- Vận hành được hệ thống thiết bị sấy.
- Tính toán được 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.
- Xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy dựa trên số liệu thực nghiệm.
- Là đường cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu (W) theo thời gian sấy )
- Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như liên kết giữ 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.
11 Đường cong tốc độ sấy
Đường cong tốc độ sấy thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ sấy và độ ẩm của vật liệu, được xác định thông qua hàm ẩm Nó chính là đạo hàm của đường cong sấy, giúp hiểu rõ hơn về quá trình sấy.
12 Phương trình cơ bản của động học quá trình sấy
13 Khái niệm sấy và sự khác nhau giữa sấy và cô đặc
Sấy đối lưu là phương pháp loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu thông qua việc cung cấp nhiệt để làm cho độ ẩm bay hơi Quá trình này kết hợp cả truyền nhiệt và truyền ẩm bằng cách sử dụng phương pháp đối lưu.
Sự khác nhau giữa sấy và cô đặc:
- Sấy là quá trình bốc hơi nước làm cho vật liệu khô đi không còn ẩm trong đó
- Cô đặc cũng là quá trình làm bốc hơi nước nhưng nó làm giàu các cấu tử hòa tan trong đó và làm cho vật liệu cô đặc lại.
14 Thời gian sấy của vật liệu
Thời gian sấy của vật liệu phụ thuộc vào chế độ sấy cụ thể mà mỗi loại vật liệu yêu cầu Do đó, mỗi vật liệu sẽ có thời gian sấy khác nhau tùy thuộc vào chế độ sấy áp dụng.
1 Khái niệm chung a Định nghĩa cô đặc
KẾT LUẬN
- Đồ thị W-τ là một đường cong.
- Độ ẩm của vật liệu giảm dần theo thời gian.
- Đồ thị đường cong tốc độ sấy khác biệt khá nhiều so với lí thuyết do sai số
- Đường đẳng tốc không rõ ràng.
2 Kết quả thí nghiệm: có sai số
- Thời gian sấy chưa chính xác.
- Các thao tác kỹ thuật trong quá trình thí nghiệm chưa tốt.
- Các sai số trong quá trình tính toán, xử lý số liệu.
- Cần nắm rõ các thao tác kỹ thuật trước khi làm thí nghiệm.
- Dùng đồng hồ và cố gắng canh chỉnh thời gian chính xác nhất có thể.
- Đọc kết quả và tính toán cẩn thận, lấy sai số ở mức tối thiểu.
Dựa trên các thông số thu thập từ quá trình thí nghiệm, chúng ta có thể tính toán các giá trị cần thiết cho quá trình sấy Tuy nhiên, do ảnh hưởng của thiết bị và các sai số trong quá trình thực hiện và tính toán, kết quả thu được có sự chênh lệch đáng kể so với mong đợi Thời gian sấy kéo dài giúp thu thập thêm nhiều giá trị, từ đó giảm thiểu sai số do chờ đợi quá lâu.
TRẢ LỜI CÂU HỎI CHUẨN BỊ
1 Định nghĩa quá trình sấy đối lưu
Sấy đối lưu là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với tác nhân sấy là không khí nóng, khói lò,
2 Truyền nhiệt và truyền ẩm bằng phương pháp đối lưu
Là quá trình các phân tử chất lỏng hoặc chất khí nhận nhiệt rồi đổi chỗ cho nhau.
Gồm có 3 giai đoạn sấy:
- Giai đoạn đun nóng vật liệu.
- Giai đoạn sấy đẳng tốc.
- Giai đoạn sấy giảm tốc.
- Truyền nhiệt cho vật liệu.
- Dẫn ẩm trong lòng vật liệu.
- Tách ẩm vào môi trường xung quanh.
5 Một vài loại thiết bị sấy
- Thiết bị sấy băng tải.
- Thiết bị sấy thăng hoa.
- Thiết bị sấy tầng sôi.
- Thiết bị sấy bức xạ - đối lưu.
- Thiết bị sấy điện cao tần.
- Thiết bị sấy khí động (hay còn gọi là thiết bị sấy khí thổi).
6 Các thông số cần đo trong quá trình thí nghiệm
Khối lượng, nhiệt độ bầu khô, nhiệt độ bầu ướt và thời gian.
Tiến hành sấy miếng vải ở nhiệt độ 50 độ C bằng cách đặt vật liệu vào buồng sấy Ghi nhận các giá trị thí nghiệm bao gồm khối lượng, nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt Tiếp tục theo dõi và ghi nhận giá trị mỗi 5 phút cho đến khi khối lượng vật liệu không thay đổi.
20 phút thì dừng thí nghiệm.
8 Cách thức tiến hành thí nghiệm
Bước 1: Chuẩn bị thí nghiệm:
- Xác định khối lượng vật liệu khô ban đầu (G0) của vật liệu:
- Mở cửa buồng sấy ra, đặt cẩn thận.
Để làm ẩm vật liệu, sau khi cân xong, nhẹ nhàng nhúng vật liệu vào chậu nước trong khoảng 30 giây để nước thấm đều Sau đó, lấy vật liệu ra, để ráo nước và xếp vào giá Hãy chuẩn bị đồng hồ đeo tay để theo dõi thời gian.
Lắp lại cửa buồng sấy.
Mở hết các van của hai cửa khí vào ra.
Châm đầy nước vào bầu ướt (phía sau hệ thống).
- Lập bảng số liệu thí nghiệm.
Bước 2: Khởi động hệ thống:
- Khởi động quạt: bật công tắc của quạt để hút dòng tác nhân vào và thổi qua caloriphe gia nhiệt dòng tác nhân.
- Khởi động caloriphe, bật công tắc Caloriphe.
- Cài đặt nhiệt độ cho Caloriphe ở nhiệt độ thí nghiệm.
Bước 3: Tiến hành thí nghiệm:
- Chờ hệ thống hoạt động ổn định khi: nhiệt độ của Caloriphe đạt giá trị mong muốn ( 1 2 0 C ) Tiến hành sấy vật liệu ở nhiệt độ khảo sát.
- Đo số liệu trong chế độ thí nghiệm.
- Các số liệu cần đo: Khối lượng, nhiệt độ bầu khô, bầu ướt và thời gian.
Khối lượng (gam) khi đặt giá đỡ vật liệu sấy, đọc số hiển thị trên cân.
Nhiệt độ ( 0 C): Nhấn nút tương ứng các vị trí cần đo và đọc số trên đồng hồ hiện số.
- Chuyển chế độ thí nghiệm (nếu có):
Mở cửa buồng sấy, lấy vật liệu ra làm ẩm tiếp (lặp lại như ban đầu).
Cài nhiệt độ Caloriphe ở giá trị tiếp theo cho chế độ sấy mới.
Chờ hệ thống hoạt động ổn định.
Lặp lại trình tự như chế độ đầu.
Bước 4: Kết thúc thí nghiệm
- Tắt công tắt của điện trở Caloriphe.
- Sau khi tắt Caloriphe được 5 phút, tắt quạt cho Caloriphe nguội.
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lí làm việc và ưu nhược điểm của thiêt bị.
- Vận hành được hệ thống thiết bị sấy.
- Tính toán được 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.
- Xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy dựa trên số liệu thực nghiệm.
- Là đường cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu (W) theo thời gian sấy )
- Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như liên kết giữ 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.
11 Đường cong tốc độ sấy
Đường cong tốc độ sấy thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ sấy và độ ẩm của vật liệu, và nó được xác định bằng cách lấy đạo hàm của đường cong sấy.
12 Phương trình cơ bản của động học quá trình sấy
13 Khái niệm sấy và sự khác nhau giữa sấy và cô đặc
Sấy đối lưu là phương pháp loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu thông qua việc cung cấp nhiệt để làm cho ẩm bay hơi Quá trình này bao gồm cả truyền nhiệt và truyền ẩm, được thực hiện đồng thời bằng cách sử dụng phương pháp đối lưu.
Sự khác nhau giữa sấy và cô đặc:
- Sấy là quá trình bốc hơi nước làm cho vật liệu khô đi không còn ẩm trong đó
- Cô đặc cũng là quá trình làm bốc hơi nước nhưng nó làm giàu các cấu tử hòa tan trong đó và làm cho vật liệu cô đặc lại.
14 Thời gian sấy của vật liệu
Thời gian sấy của vật liệu phụ thuộc vào chế độ sấy cụ thể của từng loại Mỗi loại vật liệu có các yêu cầu sấy khác nhau, dẫn đến thời gian sấy không giống nhau.
CÔ ĐẶC
Cơ sở lý thuyết
a Cân bằng vật liệu trong hệ thống cô đặc 1 nồi
- Bảo toàn khối lượng: Gđ = Gc + W
- Bảo toàn chất khô: Gđ.xđ = Gc.xc
Trong đó: Gđ : khối lượng nguyên liệu, [kg];[kg/s]
Gc : khối lượng sản phẩm, [kg]; [kg/s]
W : lượng hơi thứ, [kg]; [kg/s] xđ : nồng độ % chất khô trong nguyên liệu, [ phần khối lượng] xc : nồng độ % chất khô trong sản phẩm, [phần khối lượng]
- Theo định luật bảo toàn vật chất:
W = Gđ (1- x x đ c ) Nồng độ sản phẩm cuối: x c = G đ x đ
Theo định luật bảo toàn nhiệt:
Gđ.cđ.tđ + D.i = Gc.cc.tc + W.i’ + D.cn.tn + Qcđ + Qmt
Trong quá trình sản xuất, các yếu tố quan trọng bao gồm nhiệt độ nguyên liệu, nhiệt độ sản phẩm và nhiệt độ nước ngưng Nhiệt dung riêng của nguyên liệu, sản phẩm và nước ngưng cũng đóng vai trò quan trọng, với các giá trị được đo bằng J/kg.độ Ngoài ra, hàm nhiệt trong hơi đốt và hơi thứ cũng cần được xem xét để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong quy trình.
Qcđ tổn thất nhiệt cô đặc, [J]; Qcđ=0.01.∆q.Gc
∆q tổn thất nhiệt cô đặc riêng, [J/kg]
Qmt tổn thất nhiệt ra môi trường, [J].
- Lượng hơi đốt tiêu tốn:
Trong quá trình tính toán nhiệt có thể xem cc ≈ cđ
- Tính bề mặt truyền nhiệt
Trong đó: Q: lượng nhiệt truyền, [J].
K: hệ số truyền nhiệt, [W/m 2 độ].
F: diện tích bề mặt truyền nhiệt, [m 2 ]
∆thi: hiệu số nhiệt hữu ích, [độ].
Thiết bị thí nghiệm
Dung dịch được cô đặc theo từng mẻ, với quá trình nhập liệu từ thùng chứa dung dịch đầu Dung dịch sôi trong buồng bốc hơi nhờ nhiệt truyền từ nước nóng bên ngoài Hơi bốc lên từ dung dịch sôi được dẫn qua thiết bị ngưng tụ ống xoắn để thu hồi và định lượng Hệ thống sử dụng bơm chân không loại vòng nước để tạo ra chân không cần thiết.
Hệ thống cô đặc hai vỏ có thiết bị chính sau:
- Nồi cô đặc hai vỏ có cánh khuấy - Bơm chân không loại vòng nước
- Máy khuấy trộn - Nồi cô đặc hai vỏ
- Thiết bị ngưng tụ ống xoắn - Bình chứa nước ngưng
- Áp kế đo độ chân không - Nhiệt kế điện tử
- Hệ thống điện - Xô nhựa chứa dung dịch đầu
Sơ đồ thiết bị
Hình 2.1: Sơ đồ thiết bị cô đặc
Hình 2.2: Số liệu thực nghiệm quá trình cô đặc
Bảng 2.1: Số liệu thô thu được sau quá trình cô đặc
Nồng độ dd đường (brix)
Nhiệt độ nước ngoài vỏ t ng ( 0 C)
Nhiệt độ dung dịch t dd ( 0 C)
Nhiệt độ hơi thứ t ht ( 0 C)
Nồng độ phần khối lượng của dung dịch đường nhập liệu:
Tại t = 0, nồng độ là 17,5Bx vậy xđ = 0,175 (phần khối lượng)
Nồng độ dịch đường thu được sau quá trình thí nghiệm:
73,5Bx => xc= 0,73,5 (phần khối lượng)
Lượng nước ngưng thực tế:
(Tổng thể tích nước ngưng thu được trong suốt quá trình thí nghiệm (m 3 )).
Tính cân bằng vật chất và các đại lượng chưa biết:
Ta có: xđ = 0,175 (phần khối lượng)
Tính xc và W áp dụng định luật bảo toàn vật chất:
Bảo toàn khối lượng: Gđ = Gc + W
Bảo toàn chất khô: Gđ.xđ = Gc.xc
xc= Gđ.xđ / Gc = 10 0,175/1,64 = 1,06 (phần khối lượng)
Sai số nồng độ cuối của quá trình:
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về nồng độ % chất khô trong sản phẩm sau khi cô đặc Cụ thể, xc đại diện cho nồng độ % chất khô theo lý thuyết (phần khối lượng), trong khi xc’ là nồng độ % chất khô thực tế được đo bằng Bx kế (phần khối lượng).
Sai số lượng nước ngưng thu được trong quá trình cô đặc
Nồng độ dung dịch đường (Bx) Đồ thị biểu diễn nồng độ dung dịch đường theo thời gian cô đặc
Thời gian (Phút) Lượng nước ngưng thu được (ml) Đồ thị biểu diễn lượng nước ngưng thu được theo thời gian cô đặc
- Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa chỉ số Bx và thời gian cô đặc : Chỉ số Bx tăng dần theo thời gian
- Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa lượng nước ngưng thu được và thời gian cô đặc
: Lượng nước ngưng có lúc tăng lúc giảm theo thời gian do áp lực khí không đủ để đẩy nước từ bình chứa ngưng ra ngoài để đo.
2 Kết quả thí nghiệm: có sai số
Thiết bị cô đặc gián đoạn một nồi là công cụ thiết yếu trong thí nghiệm cô đặc, giúp người dùng thực hành và nắm vững quy trình vận hành Quá trình này tăng nồng độ dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi trong môi trường chân không, từ đó giảm nhiệt độ sôi của dung dịch đường, giảm hao phí nhiệt năng và bảo vệ sản phẩm khỏi biến tính ở nhiệt độ cao Tuy nhiên, trong quá trình thí nghiệm, có thể xảy ra sai sót về các thông số như nhiệt độ và thời gian.
- Các thao tác kỹ thuật trong quá trình thí nghiệm chưa tốt.
- Dụng cụ thiết bị thí nghiệm còn nhiều hạn chế.
- Sai số làm tròn lớn.
- Cân đong dung dịch đường chưa chính xác.
- Thông số thiết bị không ổn định.
- Thời gian không đồng đều.
- Kiểm tra thiết bị trước và sau khi làm thí nghiệm Báo ngay cho bộ phận sửa chữa nếu có phát hiện hư hỏng.
- Cần nắm vững kiến thức trước khi thực hành thí nghiệm.
- Vệ sinh và khởi động thiết bị để nhiệt độ và áp suất ổn định.
- Thao tác vận hành nhanh, pha dung dịch phải chuẩn.
- Tính toán cẩn thận và chính xác.
IV TRẢ LỜI CÂU HỎI CHUẨN BỊ
1 Mục tiêu bài thí nghiệm là gì?
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lí làm việc và ưu nhược điểm thiết bị cô đặc gián đoạn một nồi, hoạt động trong điều kiện chân không.
- Vận hành được hệ thống cô đặc.
- Tính toán được cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và các đại lượng đặc trưng cho quá trình cô đặc.
Quá trình cô đặc dung dịch diễn ra bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi, trong đó dung môi sẽ bay hơi và được gọi là hơi thứ.
3 Mục đích của quá trình cô đặc là gì?
- Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch.
- Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh).
- Tách dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước).
4 Các bước chuẩn bị tiến hành thí nghiệm?
- Tìm hiểu hệ thống thiết bị, các van và tác dụng của nó.
- Tìm hiểu thiết bị đo nhiệt độ, các vị trí đo và cách điều chỉnh công tắc để đo nhiệt độ.
- Tìm hiểu các thiết bị đo nồng độ chất khô (Brix kế).
- Xác định các đại lượng cần đo.
- Chuẩn bị dung dịch đường đem đi cô đặc.
- Chuẩn bị bảng số liệu thí nghiệm.
5 Các phương pháp đo nồng độ của dung dịch đường?
- Phương pháp 1: sử dụng Brix kế theo nguyên tắc khúc xạ quang học (nồng độ càng lớn góc khúc xạ càng lớn) dd chatkhohoa
- Phương pháp 2: dùng phù kế (tỷ trọng kế) theo nguyên tắc nồng độ càng cao thì lực đẩy càng mạnh.
6 Nêu các bước tiến hành thí nghiệm?
7 Mô tả cấu tạo hệ thống thiết bị cô đặc dùng trong thí nghiệm?
- Thiết bị ngưng tụ ống xoắn.
- Bơm chân không loại vòng nước.
- Áp kế đo độ chân không.
- Xô nhựa chứa dung dịch đầu.
8 Nêu các dạng thiết bị cô đặc khác nhau?
- Dạng thiết bị cô đặc một nồi
- Dạng thiết bị cô đặc nhiều nồi
- Dạng thiết bị cô đặc liên tục
- Dạng thiết bị cô đặc gián đoạn.
- Dạng thiết bị cô đặc ở áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất khác.
9 Các thông số cần đo trong bài?
- Nồng độ dung dịch đường (Bx).
- Lượng nước ngưng thu được Vngưng (ml).
10 Viết cân bằng nhiệt lượng cho quá trình cô đặc?
Phương trình cân bằng nhiệt lượng trong quá trình cô đặc:
Gđ.cđ.tđ+D.i = Gc.cc.tc+W.i’+D.cn.tn+Qcd+Qmt
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các thông số nhiệt độ và nhiệt dung liên quan đến nguyên liệu và sản phẩm Nhiệt độ nguyên liệu (tđ) và nhiệt độ sản phẩm (tc) được đo bằng độ, trong khi nhiệt độ nước ngưng (tn) cũng được xác định bằng độ Ngoài ra, nhiệt dung riêng của nguyên liệu (cđ), sản phẩm (cc) và nước ngưng (cn) được biểu thị bằng đơn vị J/kg.độ Cuối cùng, hàm nhiệt trong hơi đốt (i) và hàm nhiệt trong hơi thứ (i’) cũng được đề cập, với đơn vị đo là J/kg.
Qcđ: tổn thất nhiệt cô đặc, [J].
Qmt: tổn thất nhiệt ra môi trường, [J].
D: lượng hơi đốt tiêu tốn.
11 Viết cân bằng vật chất cho quá trình cô đặc?
Trong đó: G đ khối lượng nguyên liệu [kg].
G c khối lượng sản phẩm [kg]. x đ nồng độ % chất khô trong nguyên liệu [ phần khối lượng]. x c nồng độ % chất khô trong sản phẩm [phần khối lượng].
CHƯNG CẤT
Mô hình mâm lý thuyết
Mô hình mâm lý thuyết là mô hình toán đơn giản nhất dựa trên các cơ sở sau:
- Cân bằng giữa hai pha lỏng - hơi cho hỗn hợp hai cấu tử
- Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm lý cho hai pha lỏng - hơi là:
- Pha lỏng phải hòa trộn hoàn toàn trên mâm
- Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời có nồng độ đồng nhất tại mọi vị trí trên tiết diện
- Trên mỗi mâm luôn đạt sự cân bằng giữa hai pha.
Phương trình cân bằng vật chất
Trong đó: F: Suất lượng nhập liệu
D: Suất lượng sản phẩm đỉnh
W: Suất lượng sản phẩm đáy. xF: Nồng độ nhập liệu (của cấu tử dễ bay hơi) xD: Nồng độ sản phẩm đỉnh (của cấu tử dễ bay hơi) xW: Nồng độ sản phẩm đáy(của cấu tử dễ bay hơi)
Hiệu suất
Để chuyển đổi từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực, cần xác định hiệu suất mâm Có ba loại hiệu suất mâm chính: Hiệu suất tổng quát, liên quan đến toàn bộ tháp; Hiệu suất mâm Murphree, áp dụng cho từng mâm cụ thể; và Hiệu suất cục bộ, tập trung vào một vị trí nhất định trên mâm.
Hiệu suất tổng quát Eo là một chỉ số quan trọng, phản ánh hiệu suất sử dụng của hệ thống Nó được định nghĩa là tỷ số giữa số mâm lý tưởng và số mâm thực trong toàn bộ tháp, cho thấy mức độ chính xác trong quá trình hoạt động.
E 0= số mâm lý tưởng số mâm thực
Hiệu suất mâm Murphree là tỷ lệ giữa sự thay đổi nồng độ pha hơi qua một mâm và sự thay đổi nồng độ cực đại mà pha hơi có thể đạt được khi nó rời khỏi mâm và cân bằng với pha lỏng ở mâm thứ n.
Công thức tính EM được xác định như sau: EM = (yn - yn±1) / (y*n - yn+1), trong đó yn là nồng độ thực của pha hơi tại mâm thứ n, yn+1 là nồng độ thực của pha hơi tại mâm thứ n+1, và y*n là nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng tại ống chảy chuyền mâm thứ n.
Nói chung, pha lỏng rời mâm có nồng độ không bằng với nồng độ trung bình của pha lỏng trên mâm nên dẫn đến khái niệm hiệu cục bộ.
Hiệu suất cục bộ được định nghĩa như sau:
Công thức EM = y'n - y'n+1 / y'en - y'n+1 mô tả sự chênh lệch nồng độ pha hơi tại vị trí cụ thể trên mâm n Trong đó, y'n là nồng độ pha hơi rời khỏi mâm n, y'n+1 là nồng độ pha hơi tại cùng vị trí trên mâm n, và y'en là nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng tại vị trí đó.
Sơ đồ nguyên lý thiết bị
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị chưng cất
A-Thùng chứa vật liệu B-Bơm nhập liệu
C-Lưu lượng kế nhập liệu D-Điện trở gia nhiệt nhập liệu
E-Cột chung cất F-Nồi đun
G-Thiết bị ngưng tụ H-Bơm hoàn lưu K-Bình chứa sản phẩm
Hình 3.2: Số liệu thực nghiệm quá trình chưng cất
- Nồng độ nhập liệu: xF = 13% v/v
- Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 9%v/v
- Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 42,6% v/v
Bảng 3.1: Bảng kết quả thực nghiệm quá trình chưng cất rượu (không hồi lưu)
Ta có thể tích nhập liệu là:
L = Lo + D Vì đây là quá trình chưng cất không hồi lưu nên L = D Phần mol xF, xD xF ρ r x r
Trong đó: ρr(kg/m3) khối lượng riêng của cồn tra theo nồng độ và nhiệt độ ρn (kg/m3) khối lượng riêng của nước tra theo nhiệt độ Tương tự với xD
Suất lượng nhập liệu F, suất lượng sản phẩm đỉnh D
Phương trình cân bằng vật chất tính W và xW
Bảng 3.2: Bảng tổng hợp cân bằng vật chất
Nhập liệu Sản phẩm đỉnh R
Đồ thị
Nồng độ sản phẩm đỉnh (%) Đồ thị biểu diễn nồng độ sản phẩm đỉnh theo thời gian
Th ể tíc h (l) Đồ thị biểu diễn thể tích sản phẩm đỉnh theo thời gian
Đồ thị nồng độ sản phẩm đỉnh theo thời gian cho thấy sự không ổn định, với nồng độ cao nhất đạt 64% vào phút thứ 10, sau đó bắt đầu giảm dần.
Đồ thị thể hiện sự biến động không ổn định của thể tích sản phẩm thu được theo thời gian Ban đầu, lượng thể tích thu được ở mức thấp, nhưng đột ngột tăng lên 2,15 l vào phút thứ 20 Tuy nhiên, sau đó, thể tích thu được tiếp tục giảm dần theo thời gian.
Kết quả thí nghiệm có sai số.
Nguyên nhân
- Các giá trị đo được lấy sai số.
- Sai số trong quá trình tính toán, xử lý số liệu.
- Sai số do thiết bị thí nghiệm.
Cách khắc phục
- Nắm rõ các thao tác kỹ thuật trước khi làm thí nghiệm.
- Đọc kết quả và tính toán cẩn thận, lấy sai số ở mức tối thiểu.
IV TRẢ LỜI CÂU HỎI CHUẨN BỊ
Chưng cất là phương pháp tách biệt các thành phần trong một hỗn hợp lỏng hoặc lỏng-khí dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của chúng Quá trình này diễn ra ở cùng một điều kiện, cho phép thu được các cấu tử riêng lẻ một cách hiệu quả.
2 Nêu một số loại thiết bị chưng cất
Có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau:
- Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới.
- Tháp chưng cất dùng mâm chóp
- Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm ).
3 Thí nghiệm này khảo sát những yếu tố nào?
Thí nghiệm này khảo sát hiệu suất làm việc của máy, và thể hiện quan hệgiữa hiệu suất mâm Murphree và hiệu suất mâm tổng quát.
4 Tỉ số hoàn lưu là gì? Không có dòng hoàn lưu được không ?
Tỉ số hoàn lưu là tỉ số trong lượng hoàn lưu quay về tháp và sản phẩm đỉnh lấy ra.
Không có dòng hoàn lưu là không được.
5 Nêu điều kiện mô hình mâm lý thuyết ? Điều kiện mô hình mâm lý thuyết :
- Pha lỏng phải hòa trộn hoàn toàn trên mâm.
- Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời có nồng độ đồng nhất tại mọi vị trí trên tiết diện.
- Trên mỗi mâm luôn đạt sự cân bằng giữa hai pha.
6 Có mấy lọai hiệu suất mâm ?
Có 3 loại hiệu suất mâm : hiệu suất tổng quát, hiệu suất mâm Murphree, hiệu suất cục bộ.
7 Nêu định nghĩa các hiệu suất mâm và mối tương quan nếu có ?
Hiệu suất mâm tổng quát E0 là chỉ số đơn giản để đánh giá hiệu suất sử dụng, tuy nhiên nó không chính xác nhất vì chỉ phản ánh tỷ lệ giữa số mâm lý tưởng và số mâm thực tế trong toàn bộ tháp.
Hiệu suất mâm Murphree là tỷ lệ giữa sự thay đổi nồng độ pha hơi qua một mâm và sự thay đổi nồng độ cực đại có thể đạt được khi pha hơi rời khỏi mâm cân bằng với pha lỏng ở mâm thứ n.
- Hiệu suất mâm cục bộ:
Mối quan hệ giữa hiệu suất mâm Murphree và hiệu suất mâm tổng quát cho thấy rằng hiệu suất tổng quát của tháp không thể đơn giản là trung bình của hiệu suất từng mâm Sự tương quan này phụ thuộc vào độ dốc tương đối của đường cân bằng và đường làm việc Cụ thể, khi tỷ lệ mG/L lớn hơn 1, hiệu suất tổng quát sẽ cao hơn, trong khi nếu mG/L nhỏ hơn 1, hiệu suất tổng quát sẽ giảm xuống.
8 Trình bày trình tự thí nghiệm?
9 Nêu các số liệu cần đo trong bài?
- Lưu lượng dòng F, D (ml/phút).
- Độ chỉ cồn kế xD, xF (%).
10 Ảnh hưởng của tỉ số hoàn lưu R đến quá trình chưng cất?
- Tăng nồng độ sản phẩm đỉnh và làm cho tháp hoạt động.
- Giảm số mâm lí thuyết.
11 Dòng hoàn lưu có tác dụng gì?
Khi tỉ số hoàn lưu (R) tăng, nồng độ sản phẩm đỉnh cũng tăng, dẫn đến việc thu hồi sản phẩm ít hơn Ngược lại, khi tỉ số hoàn lưu (R) thấp, nồng độ sản phẩm đỉnh giảm, giúp thu hồi sản phẩm nhiều hơn Do đó, việc duy trì tỉ số hoàn lưu (R) ở mức thích hợp là rất quan trọng để đảm bảo năng suất thu hồi sản phẩm tối ưu.
12 Viết phương trình cân bằng vật chất
Phương trình cân bằng vật chất: F = D+W
Khi thay đổi lưu lượng dòng hoàn lưu, nồng độ sản phẩm sẽ bị giảm Sự thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu suất của sản phẩm.
TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG
Các khái niệm
Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp diễn ra đồng thời thông qua ba hình thức trao đổi nhiệt cơ bản: dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt và bức xạ nhiệt.
Trong tự nhiên quá trình truyền nhiệt chỉ xảy ra theo một chiều từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp. c Chất tải nhiệt
Chất tải nhiệt là chất có khả năng di chuyển nhiệt từ một vị trí này sang vị trí khác, cũng như giữa các môi trường khác nhau, theo các quy luật tự nhiên Phương pháp truyền nhiệt này được gọi là truyền nhiệt trực tiếp.
Truyền nhiêt trực tiếp là quá trình truyền nhiệt mà chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với vật liệu. e Truyền nhiệt gián tiếp
Truyền nhiệt gián tiếp là quá trình chuyển giao nhiệt mà trong đó chất tải nhiệt không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu, mà thông qua một vật ngăn cách Quá trình này được gọi là truyền nhiệt ổn định.
Truyền nhiệt ổn định là quá trình mà nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian Ngược lại, truyền nhiệt không ổn định là hiện tượng mà nhiệt độ có sự biến đổi theo thời gian.
Truyền nhiệt không ổn định là quá trình truyền nhiệt mà nhiệt độ thay đổi theo không gian và thời gian. h Trường nhiệt
Nhiệt độ (t, [°C]; T, [K]) là chỉ số đặc trưng cho độ nóng của vật Tập hợp tất cả các giá trị nhiệt độ của một vật hoặc môi trường được gọi là trường nhiệt Trong đó, nhiệt trường ổn định là một khái niệm quan trọng cần được hiểu rõ.
Nhiệt trường ổn định là nhiệt trường mà nhiệt độ chỉ thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian t = f(x,y,z). j Nhiệt trường không ổn định
Nhiệt trường không ổn định là nhiệt trường mà nhiệt độ thay đổi theo không gian và thời gian. k Mặt đẳng nhiệt
Mặt đẳng nhiệt là một tập hợp các điểm có nhiệt độ đồng nhất Trong quá trình dẫn nhiệt, nhiệt chỉ được truyền từ mặt đẳng nhiệt này sang mặt đẳng nhiệt khác, không xảy ra trên chính mặt đẳng nhiệt đó.
Các quá trình truyền nhiệt
Trong thực tế quá trình truyền nhiệt diễn ra theo 3 phương thức truyền nhiệt cơ bản như sau: a Dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt năng từ vùng có nhiệt độ cao sang vùng có nhiệt độ thấp mà không có sự chuyển động vị trí giữa các phân tử Quá trình này xảy ra do sự truyền động năng hoặc dao động giữa các phân tử vật chất Dẫn nhiệt có thể xảy ra trong các chất rắn, lỏng, hoặc khí, dù chúng đứng yên hay đang chuyển động Theo định luật Fourien, khi xem xét một mặt phẳng có diện tích F, dòng nhiệt dẫn qua mặt phẳng này được xác định theo phương vuông góc với mặt phẳng.
Mật độ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn nhiệt tỉ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền và gradien nhiệt độ theo phương đó.
Trong đó: Qx: dòng nhiệt truyền qua diện tích F (j/s). qx: mật độ dòng nhiệt (W/m 2 ).
F: diện tích bề mặt truyền nhiệt vuông góc với phương x (m 2 ). λ : hệ số dẫn nhiệt (W/m.độ).
Thực nghiệm chứng tỏ λ là một thông số vật lý biểu diễn khả năng dẫn nhiệt của vật liệu.
- Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, vật liệu, cấu trúc vật liệu.
- Hệ số dẫn nhiệt của chất khí trong khoảng 0,006÷0,6 (W/m.độ).
- Hệ số dẫn nhiệt của chất lỏng trong khoảng 0,07÷0,7 (W/m.độ).
- Hệ số dẫn nhiệt của chất rắn phụ thuộc vào kết cấu, độ xốp và độ ẩm của vật liệu.
Từ định luật Fourien cơ bản người ta đưa ra các dạng phương trình truyền nhiệt cho các trường hợp cụ thể.
Dẫn nhiệt ổn định qua tường phẳng là quá trình mà nhiệt độ của vật không thay đổi theo thời gian Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung vào việc phân tích hiện tượng dẫn nhiệt trong điều kiện ổn định.
- Một lớp: Nhiệt lượng truyền qua trong khoảng thời gian T (giây)
Để tính toán nhiệt độ tại một vị trí cách mặt nhiệt độ một khoảng x, ta sử dụng công thức t = t_i - q / (λ x), trong đó q là nhiệt lượng, λ là hệ số dẫn nhiệt, t_i là nhiệt độ bề mặt tường trái (°C) và t_2 là nhiệt độ bề mặt tường phải (°C).
F : diện tích bề mặt tường trái nơi tiếp xúc với dòng nhiệt nóng (m 2 ). δ : chiều dày của tường (m). λ : hệ số dẫn nhiệt, độ dẫn nhiệt (W/m o C).
- Nhiều lớp: Nhiệt lượng truyền qua trong khoảng thời gian T (giây)
Nếu xét trong khoảng thời gian 1s:
Trong đó: n: số lớp vật liệu. r i = δ i λ i : nhiệt trở của tường (m 2 s o C/j).
Mật độ dòng nhiệt qua các lớp (2 lớp): q= λ 1 δ 1 (t 1 −t 2 ) q= λ 2 δ 2 (t 2 −t 3 )
( δ 1 λ 1 + δ 2 λ 2 ) Vậy tổng quát cho tường n lớp: q=( t 1 −t n +1 )
Và nhiệt độ cho vách thứ k là: t k =t 1 −q ∑ i=1 n δ i λ i Trong đó: k: vách thứ k theo chiều truyền nhiệt. k-1: số lớp trước vách k theo chiều truyền nhiệt.n: số lớp.
Dẫn nhiệt ổn định qua ống:
Nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt qua vách trụ (ống) khi nhiệt độ vách trong t1 và nhiệt độ vách ngoài t2 không thay đổi, với vật liệu có hệ số dẫn nhiệt λ không đổi Phương trình dẫn nhiệt được thiết lập để mô tả hiện tượng này.
Trong đó: L: chiều dài của ống (m) d1, d2: đường kính trong và ngoài của ống (m) δ = d 2 −d 1 2 F: diện tích bề mặt trung bình (m 2 ):
1
