SAÁY ÑOÁI LÖU Saáy ñoái löu MUÏC LUÏC 3I/ TRÍCH YEÁU 31 Muïc ñích thí nghieäm 32 Phöông phaùp thí nghieäm 33 Keát quaû thí nghieäm 4II/ LYÙ THUYEÁT THÍ NGHIEÄM 41 Ñònh nghóa 42 Ñaëc tröng cuûa quaù tr[.]
Sấy đối lưu MỤC LỤC I/ TRÍCH YẾU: Mục đích thí nghiệm: Phương pháp thí nghiệm: 3 Kết thí nghiệm: II/ LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: Định nghóa: Đặc trưng trình sấy: .4 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình sấy: 4 Tác nhân sấy: Động lực trình sấy: Các dạng liên kết aåm: Xác định tốc độ sấy theo cân nhiệt trình sấy: Phương trình động học trình sấy: Lượng nhiệt cấp cho vật liệu giai đoạn sấy giảm tốc (q 2): 10 Lượng nhiệt cấp cho vật liệu giai đoạn sấy đẳng tốc (q 1): .8 11 Cường độ trao đổi nhiệt: 12 Đường cong sấy đường cong tốc độ sấy: .8 13 Các giai đoạn trình sấy: 14 Thời gian sấy vật liệu: 10 III/ DỤNG CỤ – THIẾT BỊ & VẬT LIỆU SẤY: .10 Dụng cụ – thiết bị: 10 Phương pháp thí nghiệm: 10 IV/ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM : 12 Xử lý số liệu thô 12 Kết tính toán 13 eát sai số 16 Đồ thị 16 V/ BÀN LUẬN: .19 VI/ PHUÏ LUÏC: 23 Tính toán thông số Bảng 2: 23 Tính toán thông số Bảng 3: 23 Dựng đường cong saáy U = f ( ) : 24 Dựng đường cong tốc độ sấy N = f (U) : 25 Sấy đối lưu Tính toán giá trị Bảng 5: 25 Tính toán giá trị Bảng 6: 26 VII/ TÀI LIỆU THAM KHẢO: 27 Sấy đối lưu SẤY ĐỐI LƯU I/ TRÍCH YẾU: Mục đích thí nghiệm: 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: 500C, 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: G o = 45(g) = 0.045 (kg) Một sấp giấy lọc gồm giấy lọc Kích thước giấy lọc: 30 x 20 x 0,01 (cm) Bảng 1: Số liệu thô Chế độ sấy 50oC Chế độ sấy 60oC (ph G(g tư tk ) ) (oF) (oF) (ph) G(g) tö (oF) tk (oF) 135 59 108 59 109 10 125 112 59 109 15 20 25 30 35 40 45 50 100 85 75 62.5 55 50 45 45 59 59 59 59 59 59 59 59 109 109 109 109 109 110 109 110 12 15 18 21 24 27 30 Chế độ sấy 70oC (p h) tö (oF) tk (oF) 79 133 135 122 65 119 G(g) 132 65 120 120 80 134 115 102 92.5 85 77.5 65 60 52.5 47.5 65 120 110 80 135 65 66 66 66 66 66 66 66 120 121 121 121 121 120 120 120 10 12 14 16 18 20 100 92.5 85 75 67.5 60 55 50 80 81 81 81 81 81 81 81 135 134 134 135 135 135 135 135 Sấy đối lưu 55 45 59 110 33 36 39 45 45 45 66 66 66 120 120 120 22 24 26 28 47.5 45 45 45 81 82 82 82 136 136 135 135 II/ LYÙ THUYẾT THÍ NGHIỆM: Định nghóa: Sấy đối lưu trình tách ẩm khỏi vật liệu cách cấp nhiệt cho ẩm bay Trong đó, hai trình truyền nhiệt truyền ẩm thực phương pháp đối lưu Đặc trưng trình sấy: Quá trình sấy diễn phức tạp, đặc trưng cho tính không thuận nghịch không 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 đến trình sấy: - 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 không khí - Chênh lệch nhiệt độ đầu nhiệt độ cuối không khí sấy, nhiệt độ cuối cao nhiệt độ trung bình không khí cao, tốc độ sấy tăng Nhưng nhiệt độ cuối không nên cao không sử dụng triệt để nhiệt - Cấu tạo thiết bị sấy, phương thức chế độ sấy Tác nhân sấy: - Tác nhân sấy chất dùng để gia nhiệt cho vật liệu sấy, nhằm tách nước nước khỏi vật liệu sấy - Các loại tác nhân sấy: + Không khí nóng: loại môi chất phổ biến, rẻ tiền thường dùng làm tác nhân sấy + Khói lò: dùng than, củi, trấu, dầu, khí… để tạo khói lò + Hơi nhiệt - Trong sử dụng không khí nóng làm tác nhân sấy Vì: + Cần độ + Rẻ + Đáp ứng yêu cầu tác nhân sấy: tác dụng với vật liệu sấy,… + Lượng ẩm Sấy đối lưu Động lực trình sấy: Là chênh lệch áp suất nước (ẩm) bề mặt vật liệu (P m) áp suất riêng phần nước không khí ẩm (Ph) : + Nếu Pm > Ph : vật nhả ẩm Quá trình sấy + Nếu Pm < Ph : vật hút ẩm Làm ẩm vật liệu + Nếu Pm = Ph : có cân động hút nhả ẩm Trong thực tế ta xây dựng đường cân pha dạng * = f(u) : + Nếu > * : vật hút ẩm Làm ẩm vật liệu + Nếu < * : vật nhả ẩm Quá trình sấy + Nếu = * : có cân động hút nhả ẩm Các cách biểu diễn động lực trình sấy: + Dùng sấy: = tk - tư + Dùng + Dùng P + Dùng (t - ) + Dùng x Các dạng liên kết ẩm: DẠNG LIÊN KẾT Liên kết hóa học Liên kết hấp phụ Liê n kết hóa lý Liên kết mao dẫn Liên kết thẩm thấu KHÁI NIỆM - Là liên kết ẩm với vật liệu dạng OH- tinh thể ngậm nước Ví dụ: CaSO4.2H2O, SiO2.7H2O,… - Do lực hấp phụ, lực điện trường, lực từ trường,… tạo nên lớp đơn phân tử bề mặt vật liệu, tạo thành lớp đa phân tử, có liên kết yếu hơn, cuối chúng gần đến trạng thái ẩm tự - Do lực mao dẫn giữ mao quản nhỏ lỗ xốp nhỏ lớp ẩm - Dạng liên kết tồn dung dịch - Do áp suất thẩm thấu làm cho áp suất bề mặt dung dịch nhỏ áp suất dung môi nguyên chất ẢNH HƯỞNG CỦA SẤY ĐẾN LIÊN KẾT - Đây liên kết bền, tách sấy Muốn tách ẩm phải dùng phương pháp hóa học nung chảy Ví dụ: dùng H2SO4đđ để hút… - Quá trình sấy tách phần ẩm - Liên kết liên kết yếu tách sấy - Quá trình sấy để tách ẩm từ dung dịch khó tách ẩm từ dung môi nguyên chất Sấy đối lưu Liên kết lý - Ẩm nằm tự bề - Liên kết mặt lỗ xốp liên kết yếu, có mao quản lớn thể tách sấy, chí phương pháp học Xác định tốc độ sấy theo cân nhiệt trình sấy: Lượng nhiệt dòng tác nhân sấy cung cấp khoảng thời gian d : dQ = F(t-)d (1) tiêu hao để: Đun nóng vật liệu: (GoCo+GaCa)d (2) Bay ẩm nhiệt hơi: [r + Ch(t-th)].dGa (3) Trong đó: - hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy vào vật liệu sấy, W/m2.độ F – bề mặt vật liệu, m2 t, , th - nhiệt độ tác nhân sấy, vật liệu ẩm bão hòa, độ GoCo - khối lượng nhiệt dung riêng vật liệu sấy, kg & J/kg.độ GaCa - khối lượng nhiệt dung riêng ẩm, kg & J/kg.độ r - ẩn nhiệt hóa ẩm, J/kg Ch - nhiệt dung riêng ẩm, J/kg.độ Lượng ẩm bốc thời gian d: dGa = d(GoU) = GoDu (4) U: hàm ẩm hay độ ẩm vật liệu – tính theo vật liệu khô, kg ẩm/kg vật liệu khô Từ (1), (2), (3) (4), thiết lập cân nhieät: F(t - )d = (GoCo+GaCa)d + Go[r + Ch(t - th)dU (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 từ vật liệu vào tác nhân sấy: dGa = kpF(pm – p)d (7) Với: kp - hệ số truyền ẩm pha khí, kg/m 2.h.p = (1at hay 1mmHg ) pm, p - áp suất ẩm bề mặt vật liệu pha khí, mmHg (hay at) Thay Ga = GoU vào (7) biến đổi, ta có: (8) Sấy đối lưu Khi ẩm không bị nhiệt (tức t = th) biểu thức (5) biến đổi thành: (9) Với : q cường độ dòng nhiệt hay mật độ dòng nhiệt ; ; Co + CaU = C o - khối lượng riêng vật liệu khô, kg/m3 Vo - thể tích vật khô, m3 C - nhiệt dung riêng vật liệu ẩm, J/kg.độ Ro -bán kính qui đổi vật liệu, m 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 mô tả truyền nhiệt - truyền ẩm vật liệu Nhưng nói chung hệ phương trình không giải phương pháp giải tích Lượng nhiệt cấp cho vật liệu giai đoạn sấy giảm tốc (q2): 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) Với: K - Hệ số tỷ lệ, gọi hệ số sấy Nó phụ thuộc vào tốc độ sấy tính chất vật liệu ẩm, 1/s K: hệ số góc đường cong tốc độ sấy giai đoạn giảm tốc, nên: (12) Với: : hệ số sấy tuyệt đối, phụ thuộc vào tính chất vật liệu ẩm Uth - độ ẩm tới hạn U* - độ ẩm cân N - tốc độ sấy đẳng tốc, kg ẩm/(kg vật liệu khô.s) Tích phân phương trình (11) ta nhận được: (13) Logarit hóa (13), ta có: Sấy đối lưu (14) Như biết hệ 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) Với: U0 - độ ẩm ban đầu vật liệu Từ đó, ta có: (16) Thay (12) (15) vào phương trình (11), ta được: (17) Thay (17) vào (10), ta được: (18) 10 Lượng nhiệt cấp cho vật liệu giai đoạn sấy đẳng tốc (q1): 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 đổi nhiệt theo độ ẩm vật liệu 12 Đường cong sấy đường cong tốc độ sấy: a) Đường cong sấy: Là đøng cong biểu diễn thay đổi độ ẩm vật liệu (U) theo thời gian sấy (): U = f() (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: Sấy đối lưu (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: AB – giai đoạn đun nóng vật liệu : - Toàn nhiệt cung cấp để đun nóng vật liệu, ẩm bốc không đáng kể - Nhiệt độ vật liệu tăng nhanh từ 1 = to đến nhiệt độ bầu ướt tư tác nhân sấy - Độ ẩm thay đổi không nhiều - Tốc độ sấy tăng nhanh từ đến cực đại - Thời gian ngắn không đáng kể Thường giai đoạn bỏ qua tính toán 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 bão hòa ẩm Sấy đối lưu Thời gian sấy gian đoạn (thời gian sấy đẳng tốc xác định từ: ) (23) Nên tích phân (23) lên ta có: (24) tốc Với Uth : độ ẩm tới hạn, độ ẩm cuối giai đoạn sấy đẳng CD – giai đoạn sấy giảm tốc : Nhiệt độ vật liệu tăng dần từ tư lên t2 tác nhân Độ ẩm giảm chậm đến độ ẩm cân 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 - Tốc độ khuếch tán chậm tốc độ bốc bề mặt, nên tốc độ chậm dần có tượng co bề mặt bốc Lúc này, vật liệu xuất vùng ẩm: ẩm, bốc khô Trong giai đoạn này, đường cong tốc độ sấy có dạng đường thẳng ( qui đổi sang đường thẳng; N2 = ax+b) ta tích phân để tính thời gian sấy giai đoạn sấy giảm tốc ( ): - (25) 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 tính tổng thời gian giai đoạn sấy: đốt nóng vật liệu , sấy dẳng tốc ( ) sấy giảm tốc ( ); bỏ qua giai đoạn đốt nóng vật liệu, giai đoạn xảy nhanh Biểu thức tính thời gian sau: (26) Với U2 : độ ẩm vật liệu cuối trình sấy, tương ứng với ; U2 > U* thường lấy: U2 > U* = Ucb III/ DỤNG CỤ – THIẾT BỊ & VẬT LIỆU SẤY: Dụng cụ – thiết bị: Hệ thống thiết bị sấy trang bị: - Caloriphe: gồm hai chùm điện trở khô, có công suất 10KW ổn định nhiệt độ nhờ điều nhiệt tự ngắt - Quạt hút: có tốc độ 0,85 m/s, để hút không khí (tác nhân sấy) thổi qua caloriphe để nâng nhiệt độ dòng tác nhân lên nhiệt độ cần thiết 10 Sấy đối löu Chế độ sấy Uth 70.79 500C 00 64.13 600C 00 76.26 700C 00 U* U2 3.0 3.0 3.0 N 330.83 00 431.22 00 618.57 00 0.014 0.015 0.013 K 4.673 6.724 8.111 1 0.3990 0.3055 0.1892 2 0.518 0.343 0.277 Bảng 5: Kết tính toán theo lý thuyết U 200.0 177.7 150.0 122.2 88.89 66.67 38.89 22.22 11.11 0.00 0.00 0.00 U Uth 111.11 111.11 111.11 111.11 111.11 111.11 111.11 111.11 111.11 111.11 111.11 111.11 Uth Giai ñoạ n Đẳn g tốc Giả m tốc Giai ñoạ n Chế ñộ sấy 50 0C PmP 12.8 12.8 12.8 12.8 12.8 12.8 12.8 12.8 12.8 12.8 12.8 12.8 p 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 Jm 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 0.48 N 386.8 386.8 386.8 386.8 386.8 386.8 386.8 386.8 386.8 386.8 386.8 386.8 Ntb K 1 2 386.8 0.00 3.481 0.229 1.037 K t1 t2 Chế ñộ sấy 60 0C PmP p Jm N Ntb 16 Sấy đối lưu 200 172.2 22 155.5 56 127.7 78 105.5 56 88.88 89 72.22 22 44.44 44 33.33 33 16.66 67 5.555 56 0 111.1 11 111.1 11 111.1 11 111.1 11 111.1 11 111.1 11 111.1 11 111.1 11 111.1 11 111.1 11 111.1 11 111.1 11 111.1 11 111.1 11 U Uth 194.4 44 166.6 66 144.4 44 122.2 22 105.5 55 88.88 88 66.66 66 108.02 108.02 108.02 108.02 108.02 108.02 108.02 108.02 108.02 108.02 50 33.33 33 22.22 22 Đẳn g tốc Giả m tốc 14.3 14.7 05 14.7 05 14.7 05 15.0 75 15.0 75 15.0 75 15.0 75 14.7 14.7 14.7 14.7 14.7 14.7 Giai đoaï n Đẳn g tốc Giả m tốc 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.540 0.554 23 0.554 23 0.554 23 0.568 18 0.568 18 0.568 18 0.568 18 0.554 04 0.554 04 0.554 04 0.554 04 0.554 04 0.554 04 432 08 443 39 443 39 443 39 454 54 454 54 454 54 454 54 443 23 443 23 443 23 443 23 443 23 443 23 445 0.00 4.011 0.199 0.900 44 Chế ñộ sấy 70 0C Pm-P p Jm N Ntb K t1 t2 14.5 14.4 14.8 14.8 14.3 14.3 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.548 39 0.545 37 0.559 0.559 0.539 72 0.539 72 0.554 04 0.554 04 0.554 04 0.554 04 438.7 11 436.2 99 447.7 57 447.7 57 431.7 76 431.7 76 443.2 34 443.2 34 443.2 34 443.2 34 440 66 0.009 25 4.07 0.19 61 0.878 14.7 14.7 14.7 14.7 17 Sấy đối lưu 11.11 11 5.555 55 108.02 108.02 108.02 108.02 108.02 0 14.7 14.9 14.4 14.4 14.4 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.037 69 0.554 04 0.562 33 0.545 75 0.545 75 0.545 75 443.2 34 449.8 67 436.6 01 436.6 01 436.6 01 Kết sai số Bảng 6: Kết đánh giá sai số Chế độ sấy 50oC 60oC 70oC Thự Lý c nghiệm thuyết 70.7900 64.1300 76.2600 Chế độ sấy 50oC 60oC 70oC 111.111 111.111 108.022 Sai soá (%) -36.29 -44.98 -29.40 Hệ số sấy tương đối Thự Lý c nghiệm thuyết 0.0141 0.0156 0.0131 Chế độ sấy 50oC 60oC 70oC Độ ẩm tới hạn Uth (%) 0.009 0.009 0.0092 Sai số (%) 56.67 73.33 41.62 Thời gian sấy đẳng tốc 1, h Thự Lý c nghiệm thuyết 0.3990 0.3055 0.1892 0.2298 0.1994 0.1961 Sai soá (%) 73.91 53.21 -3.52 Tốc độ sấy đẳng tốc N (%/h) Lý Thực Sai số thuyế nghiệm (%) t 330.8300 -14.48 386.85 431.2200 -3.25 445.7 618.5700 40.37 440.66 Hệ số sấy K, Lý Thực thuyế nghiệm t 4.6734 3.4817 6.7242 4.011 8.1113 4.079 1/h Sai số (%) 33.36 67.64 98.85 Thời gian sấy đẳng tốc 2, h Lý Thực Sai số thuyế nghieäm (%) t 0.5180 -50.07 1.0374 0.3435 -61.85 0.90044 0.2778 -68.38 0.8785 Đồ thị 4.1 Đường cong sấy 18 Sấy đối lưu U(%) Đường cong sấy chế độ 500 C (s) U(%) Đường cong sấy chế độ 600 C (s) 19 Sấy đối lưu U(%) Đường cong sấy chế độ 600 C (s) 4.2 Đường cong tốc độ sấy N(%/h) Đường cong tốc độ sấy chế ñoä 500C U (%) 20