I TRÍCH YẾU 1 Mục đích 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,[.]
I TRÍCH YẾU Mục đích - Khảo sát trình sấy đối lưu thực nghiệm để: Xây đựng đường cong sấy đường cong tốc độ sấy Xác định thông số sấy: tốc độ sấy đẳng tốc, độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng, thời gian sấy đẳng tốc giảm tốc Đánh giá sai số trình sấy Phương pháp thí nghiệm - Tiến hành sấy giấy lọc chế độ nhiệt độ caloriphe: 480C, 600C, 700C - Đặt giấy lọc vào buồng sấy, ghi nhận giá trị nhận khối lượng vật liệu sau làm ẩm (G1) - Sau phút, ghi nhận giá trị cân hai giá trị nhiệt độ bầu khô – bầu ướt; tiếp tục sấy đến giá trị khối lượng vật liệu không đổi vòng 15 phút dừng chế độ thí nghiệm chuyển sang chế độ thí nghiệm khác Kết thí nghiệm - Khối lượng khô ban đầu sấp giấy lọc: - Kích thước giấy lọc: Bảng 1: Số liệu kết thí nghiệm Chế độ sấy 10 15 20 25 30 35 40 45 105 90 75 62,5 48 40 32,5 27,5 25 25 Chế độ sấy 62 62 62 62 62 62 62 62 62 62 118 118 120 118 120 118 120 119 119 120 10 15 20 25 30 35 100 80 62,5 47,5 32,5 25 25 25 Chế độ sấy 80 81 82 82 82 82 82 82 139 140 140 139 141 140 139 140 10 15 20 25 30 35 95 72,5 55 40 30 25 25 25 82 84 82 81 81 81 81 81 138 141 138 137 137 137 137 137 48 25 II 62 120 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM Định nghĩa - Sấy đối lưu trình tách ẩm khỏi vật liệu cách cấp nhiệt cho ẩm bay Trong đó, hai q trình truyền nhiệt truyền ẩm thực phương pháp đối lưu Đặc trưng trình sấy - Quá trình sấy diễn phức tạp, đặc trưng cho tính khơng thuận nghịch khơng ổn định - Nó diễn đồng thời trình: Truyền nhiệt cho vật liệu Dẫn ẩm lòng vật liệu Chuyển pha Tách ẩm vào môi trường xung quanh Các yếu tố ảnh hưởng - Bản chất 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 vật liệu lớn tốc độ sấy nhanh - Độ ẩm đầu, độ ẩm cuối độ ẩm tới hạn vật liệu - Độ ẩm, nhiệt độ tốc độ khơng khí - Chênh lệch nhiệt độ đầu nhiệt độ cuối khơng khí sấy, nhiệt độ cuối cao nhiệt độ trung bình khơng khí cao, tốc độ sấy tăng Nhưng nhiệt độ cuối khơng nên q cao khơng sử dụng triệt để nhiệt - Cấu tạo thiết bị sấy, phương thức chế độ sấy Tác nhân sấy - Tác nhân sấy chất đùng để gia nhiệt cho vật liệu sấy, nhằm tách nước nước khỏi vật liệu - Các loại tác nhân sấy: Khơng khí nóng: loại mơi chất phổ biến, rẻ tiền thường dùng làm tác nhân sấy Khói lị: dùng than, củi, trấu, dầu,…để tạo khói lị Hơi q nhiệt - Trong sử dụng khơng khí nóng làm tác nhân sấy, vì: Cần độ Rẻ tiền Đáp ứng yêu cầu tiếp xúc vật liệu sấy Lượng ẩm Động lực trình sấy - Là chênh lệch áp suất nước (ẩm) bề mặt vật liệu nước khơng khí ẩm Nếu : vật nhả ẩm trình sấy Nếu : vật hút ẩm làm ẩm vật liệu Nếu : có cân động hút nhả ẩm - Trong thực tế, người ta xây dựng đường cân dạng Nếu : vật hút ẩm làm ẩm vật liệu Nếu : vật nhả ẩm trình sấy Nếu - Cách biểu diễn động lực trình sấy Dùng sấy: Dùng Dùng Dùng Dùng : có cân động hút ẩm Các dạng liên kết ẩm - Liên kết hoá học áp suất riêng phần Là liên kết ẩm với vật liệu dạng Đây liên kết bền, tách sấy Muốn tách ẩm phải dùng phương pháp hóa học nung chảy VD: dùng tinh thể ngậm nước VD: đậm đặc để hút - Liên kết vật lí Liên kết hấp phụ: sấy tách phần liên kết Liên kết mao dẫn: liên kết yếu, tách sấy Liên kết thẩm thấu: tách ẩm từ dung dịch khó từ dung mơi ngun chất - Liên kết lí Ẩm nằm tự bề mặt lỗ xốp mao quản lớn Liên kết liên kết yếu, tách sấy, chí phương pháp học Xác định tốc độ sấy cân nhiệt - Lượng nhiệt dòng tác nhân sấy cung cấp khoảng thời gian (1) - Nhiệt tiêu hao để Đun nóng vật liệu (2) Bay hởi ẩm hố nhiệt (3) - Trong hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy vào vật liệu sấy, bề mặt vật liệu, nhiệt độ tác nhân sấy, vật liệu ẩm bão hoà, khối lượng nhiệt dung riêng vật liệu sấy, khối lượng nhiệt dung riêng ẩm, ẩn nhiệt hoá ẩm, nhiệt dung riêng ẩm, - Lượng ẩm bốc thời gian (4) - hàm ẩm (hay độ ẩm) vật liệu, tính theo vật liệu khơ, kg ẩm/kg vật liệu khô Từ (1), (2), (3) (4) ta có cân nhiệt: (5) - Từ (5) rút ra: (6) - Đây biểu thức tính tốc độ sấy theo cân nhiệt Phương trình động học trình sấy - Theo phương trình truyền ẩm vật liệu vào tác nhân sấy: (7) - Trong hệ số truyền ẩm pha khí, - (1 at hay mmHg,…) áp suất ẩm bề mặt vật liệu pha khí, Thay vào (7) biến đổi, ta có: (8) - Khi ẩm không bị nhiệt (tức ) biểu thức (5) biến đổi thành (9) cường độ hay mật độ dòng nhiệt - Đặt - Trong khối lượng riêng vật liệu khơ, : thể tích vật liệu khơ, nhiệt dung riêng vật liệu ẩm, - bán kính qui đổi vật liệu, Khi đó, bỏ qua nhiệt làm nhiệt ẩm, ta có (10) - Với Chuẩn số Rebinde đặc trưng cho động học trình sấy - Biểu thức (10) phương trình động học sấy, cho biết biến đổi ẩm vật liệu theo thời gian Ta nhận biểu thức (10) giải hệ phương trình vi phân mơ tả truyền nhiệt – truyền ẩm vật liệu Nhưng nói chung, hệ phương trình khơng giải phương pháp giải tích Lượng nhiệt cấp cho vật liệu giai đoạn sấy giảm tốc - Mặt khác ta thấy giai đoạn sấy giảm tốc, đường cong tốc độ sấy có dạng đường thẳng, nên tốc độ sấy giai đoạn biểu diễn: (11) - hệ số tỉ lệ, gọi hệ số sấy Nó phụ thuộc vào tốc độ sấy tính chất vật liệu ẩm, K hệ số góc đường cong tốc độ sấy giai đoạn sấy giảm tốc, nên ta có (12) hệ số sấy tương đối, phụ thuộc vào tính chất vật liệu ẩm độ ẩm tới hạn - độ ẩm cân tốc độ sấy đẳng tốc, kg ẩm/(kg vật liệu khơ.s) Tích phân phương trình (11), ta có (13) - Hay logarit hố (8), ta có (14) - Như vậy, biết hế số sấy K xác định thời gian cần thiết để thực giai đoạn sấy giảm tốc - Hệ số sấy tương đối xác định thực nghiệm tính gần sau: (15) - đổ ẩm ban đầu vật liệu Từ ta có (16) - Thay (12) (15) vào phương trình (11), ta (17) - Thay (17) (10), ta được: (18) 10 Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu giai đoạn sấy đẳng tốc - Trong giai đoạn sấy đẳng tốc, toàn lượng nhiệt cung cấp từ dòng tác nhân lượng nhiệt bốc ẩm nhiệt độ vật liệu không đổi nên (19) 11 Cường độ trao đổi nhiệt (20) - Như vậy, theo biểu thức (20), biết chuẩn số Rb tính cường độ trao đơi nhiệt theo độ ẩm vật liệu 12 Đường cong sấy đường cong tốc độ sấy a Đường cong sấy: - Là đuờng cong biểu diễn thay đổi độ ẩm vật liệu (U) theo thời gian sấy (): (21) - Dạng đường cong sấy: Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: liên kết ẩm vật liệu, hình dáng, kích thước, cấu trúc vật liệu, phương pháp chế độ sấy Đường cong sấy hàm trình sấy, chế độ phương pháp sấy khác đường cong sấy có dạng tương tự (xem hình 1) b Đường cong tốc độ sấy: - Là đường cong biểu diễn mối quan hệ tốc độ sấy độ ẩm (hàm ẩm) vật liệu sấy: (22) - Từ biểu thức (22), (23) rõ ràng đường cong tốc độ sấy là đạo hàm 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 – Đường cong sấy – Vật liệu dạng mỏng, xốp: Giấy, – Đường nhiệt độ vật liệu bìa,… – Vật liệu keo – Vật liệu xốp – Vật liệu keo xốp: có điểm uốn (thay đổi chế vận chuyển ẩm) – Vật liệu có điểm gãy khúc (điểm tới hạn thứ hai) 13 Các giai đoạn trình sấy: a AB – giai đoạn đun nóng vật liệu : - Tồn nhiệt cung cấp để đun nóng vật liệu, ẩm bốc không đáng kể - Nhiệt độ vật liệu tăng nhanh từ - Độ ẩm thay đổi không nhiều - Tốc độ sấy tăng nhanh từ đến cực đại - Thời gian ngắn không đáng kể đến nhiệt độ bầu ướt tư tác nhân sấy Thường giai đoạn bỏ qua tính tốn b BC – giai đoạn sấy đẳng tốc : - Nhiệt cung cấp để bốc ẩm tự bề mặt vật liệu - Nhiệt độ vật liệu tư không đổi - Độ ẩm vật liệu giảm nhanh - Tốc độ sấy không đổi - Trong giai đoạn tốc độ khuếch tán ẩm từ lòng vật liệu bề mặt lớn tốc độ bốc từ bề mặt, bề mặt ln bão hịa ẩm 0,58 0,67 0,75 0,83 0,0 0,0 0,0 0,0 16,67 48,33 0,58 0,03 27,78 60,00 0,58 0,03 27,22 58,33 16,67 48,33 16,67 48,89 16,67 48,89 Kết tính tốn Bảng 3: Các thơng số chế độ sấy Chế độ sấy 48oC 0,000 0,083 0,166 0,248 0,333 0,416 0,480 0,583 0,666 0,748 0,833 0,104 0,090 0,074 0,062 0,048 0,040 0,032 0,027 0,024 0,024 0,024 320 260 60 720 200 60 720 148 48 600 100 48 600 60 40 480 30 30 360 10 20 240 10 120 0 0 0 (oC) (oC) 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 47,7 47,7 48,8 47,7 48,8 47,7 48,8 48,3 48,3 48,8 48,8 Bảng 4: Các thông số chế độ sấy Chế độ sấy 59oC (mmHg ) (mmHg ) 12,48 0,00 31,11 12,48 0,00 31,11 12,48 0,00 32,22 12,48 0,00 31,11 12,48 0,00 32,22 12,48 0,00 31,11 12,48 0,00 32,22 12,48 0,00 31,67 12,48 0,00 31,67 12,48 0,00 32,22 12,48 0,00 32,22 0,0000 0,0833 0,1667 0,2480 0,3333 0,4167 0,4800 0,5833 0,1000 0,0800 0,0625 0,0475 0,0325 0,0248 0,0248 0,0248 300 220 148 90 30 0 80 70 60 60 30 0 960 840 720 720 360 0 (oC) (oC) (mmHg) 26,67 27,22 27,78 27,78 27,78 27,78 27,78 27,78 59,44 60,00 60,00 59,44 60,56 60,00 59,44 60,00 23,0 23,5 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 25,0 (oC) (oC) (mmHg) 27,78 28,89 27,78 27,22 27,22 27,22 27,22 27,22 58,89 60,56 58,89 58,33 58,33 58,33 58,33 58,33 25,0 27,0 25,0 23,5 23,5 23,5 23,5 23,5 (mmHg ) 5,0 6,5 7,3 7,5 7,0 7,3 7,5 7,3 32,78 32,78 32,22 31,67 32,78 32,22 31,67 32,22 Bảng 5: Các thông số chế độ sấy Chế độ sấy 70oC 0,0000 0,0833 0,1667 0,2480 0,3333 0,4167 0,4800 0,5833 0,0948 0,0725 0,0548 0,0400 0,0300 0,0248 0,0248 0,0248 280 190 120 60 20 0 90 70 60 40 20 0 1080 840 720 480 240 0 (mmHg ) 8,48 10,00 8,48 7,48 7,48 7,48 7,48 7,48 31,11 31,67 31,11 31,11 31,11 31,11 31,11 31,11 Đồ thị a Đường cong sấy Hình 3: Đường cong sây chế độ 350 300 f(x) = − 627.428571428571 x + 312.380952380952 R² = 0.994969051745482 250 200 150 100 50 f(x) = 591.428571428575 x² − 876.428571428576 x + 321.428571428573 R² = 0.993912337662337 00,000 -50 00,001 00,001 Hình 4: Đường cong sấy chế độ sấy f(x) 100= NaN x + NaN R² = 90 80 f(x) = 1542.85714285714 x² − 1537.71428571429 x + 375.428571428571 R² = 0.983193277310924 70 60 50 40 30 20 10 00,000 00,001 00,001 Hình 5: Đường cong sấy chế độ f(x) 70 = NaN x + NaN R² = 60 f(x) = 1028.57142857143 x² − 1025.14285714286 x + 250.285714285714 R² = 0.983193277310924 50 40 30 20 10 00,000 00,001 00,001 b Đường cong tốc độ sấy Hình 6: Đường cong tốc độ sấy chế độ 800 700 600 500 400 300 200 100 0 50 100 150 200 250 Hình 7: Đường cong tốc độ sấy chế độ 1200 1000 800 600 400 200 0 50 100 150 200 250 300 350 Hình 8: Đường cong tốc độ sấy chế độ 1200 1000 800 600 400 200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200