Thí nghiệm quá trình thiết bị chương 4

I. TRÍCH YẾU 1. Mục đích thí nghiệm: Khảo sát quá trình sấy đối lưu bằng thực nghiệm nhằm: - Xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy. - Xác đònh 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: 50 o , 60 o , 70 o - Đặt giấy lọc vào buồng sấy, ghi nhận khối lượng của vật liệu sau khi làm ẩm (G 1 ). - Sau đó cứ 5 phút, ghi nhận giá trò cân và hai giá trò nhiệt độ bầu khô – bầu ướt; tiếp tục sấy đến khi giá trò 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. 3. Kết quả thí nghiệm: Bảng 1: Số liệu thô Chế độ sấy 50 o C Chế độ sấy 60 o C Chế độ sấy 70 o C τ (ph ) G(g) t ư ( o F) t k ( o F) τ (ph ) G(g) t ư ( o F) t k ( o F) τ (ph ) G(g) t ư ( o F) t k ( o F) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 145 135 127.5 115 105 92.5 82.5 72.5 62.5 55 52.5 50 47.5 47.5 58 58 58 58 58 58 58 58 58 58 58 58 58 58 103 103 103 103 103 103 103 103 103 103 104 104 104 104 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 145 125 112.5 100 87.5 72.5 60 50 47.5 47.5 68 68 68 68 68 68 68 68 68 68 112 112 112 112 112 112 112 112 112 112 0 5 10 15 20 25 30 145 115 92.5 67.5 52.5 47.5 47.5 82 84 85 86 86 86 86 142 144 145 146 146 146 146 II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Đònh nghóa: Sấy đối lưu là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng cách cấp nhiệt cho ẩm bay hơi. Trong đó cả hai quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm đều được thực hiện bằng phương pháp đối lưu. 2. Đặc trưng của quá trình sấy: Quá trình sấy diễn ra rất phức tạp, đặc trưng cho tính không ổn đònh và không thuận nghòch, gồm 4 quá trình diễn ra đồng thời: truyền nhiệt cho vật liệu, dẫn ẩm trong lòng vật liệu, chuyển pha và tách ẩm vào môi trường xung quanh. 1 3. Xác đònh 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 τ : dQ = αF(t-θ)d τ (1) được tiêu hao để: - Đun nóng vật liệu: (G o C o +G a C a )dθ (2) - Bay hơi ẩm và quá nhiệt hơi: [r + C h (t-t h )]dG a (3) Trong đó: α: hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy vào vật liệu sấy, W/m 2 độ F: bề mặt vật liệu, m 2 t, θ, t h : nhiệt độ của tác nhân sấy, vật liệu và hơi ẩm bão hòa, độ G o ,C o : khối lượng và nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kg ; J/kgđộ G a ,C a : khối lượng và nhiệt dung riêng của ẩm, kg ; J/kgđộ r: ẩn nhiệt hóa hơi của ẩm, J/kg C h : nhiệt dung riêng của hơi ẩm, J/kgđộ Lượng ẩm bốc hơi trong thời gian d τ : dG a = d(G o U) = G o dU (4) VớiU: hàm ẩm (hay độ ẩm) của vật liệu – tính theo vật liệu khô, kg ẩm/kg vật liệu khô Thiết lập cân bằng nhiệt: αF(t-θ)d τ = (G o C o +G a C a )dθ + G o [r + C h (t-t h )]dU (5) Từ đó rút ra: ( ) [ ] ( ) [ ] ) d dU hhv aaoo ttCrG d d CGCGtF −+ +−− = τ θ θα τ (6) là biểu thức tính tốc độ sấy theo cân bằng nhiệt. 4. Phương tình cơ bản của động học quá trình sấy: Theo phương trình truyền ẩm từ vật liệu vào tác nhân sấy: dG a = k p F(p m – p)d τ (7) Với: k p : hệ số truyền ẩm trong pha khí, kg/m 2 .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 G a = G o U vào và biến đổi, ta có: )pp( G Fk d dU m o p −= τ (8) Khi hơi ẩm không bò quá nhiệt (tức t = t h ) thì biểu thức được biến đổi thành: qFF Fd dQ d dU rG d d G G G CC oo o a oo = τ − τ + τ θ         + (9) Với q là cường độ dòng nhiệt hay mật độ dòng nhiệt. U G G o a = ; o o o V G ρ= ; C o + C a U = C và o o R F V = Với: ρ o : khối lượng riêng của vật liệu khô, kg/m 3 V o : thể tích vật khô, m 3 C: nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm, J/kgđộ 2 R o : bán kính qui đổi của vật liệu ẩm, m Khi đó, nếu bỏ qua nhiệt làm quá nhiệt hơi ẩm, ta có: ( ) τ ρ+=       τ ρ       θ       += τ θ ρ+ τ ρ= d dU rRR1 d dU rR dU d r C 1 d d RC d dU rRq oob oooooo (10) Với dU d r C 1R b θ += : Chuẩn số Rebinde đặc trưng cho động học qúa trình sấy. Biểu thức trên là phương trình cơ bản về động học quá trình sấy, nó cho biết sự biến đổi ẩm của vật liệu theo thời gian. Ta có thể nhận được biểu thức này 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. 5. Lượng nhiệt cấp cho vật liệu: Lượng nhiệt cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy giảm tốc (q 2 ): 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: ( ) * UUK d dU −= τ − (11) Với: K: Hệ số tỷ lệ, gọi à hệ số sấy. Nó phụ thuộc vào tốc độ sấy và tính chất của vật liệu ẩm, 1/s K: chính là hệ số góc của đường cong tốc độ sấy ở giai đọan sấy giảm tốc, nên: ( ) N UU N K * th χ= − = (12) với: ( ) * th UU 1 − =χ : hệ số sấy tuyệt đối, phụ thuộc vào tính chất vật liệu ẩm. U th : độ ẩm tới hạn. U * : độ ẩm cân bằng. N: tốc độ sấy đẳng tốc, kg ẩm/(kg vật liệu khô.s) Tích phân phương trình trên ta nhận được: ( ) τχ−= − − Nexp UU UU * th * (13) hay logarit hóa (8) ta có: ( ) ( ) τχ−−=− N 3,2 1 UUlogUUlg * th * (14) Như vậy nếu biết được hệ số sấy K, có thể xác đònh được thời gian cần thiết để thực hiện giai đoạn sấy giảm tốc. Hệ số sấy tương đối được xác đònh bằng thực nghiệm và có thể tính gần đúng như sau: U 8,1 =χ (15) với U o : độ ẩm ban đầu của vật liệu. Từ đó, ta có: 3 * 0 * th U 8,1 U U 1 U +=+ χ = (16) Thay (12) và (15) vào phng trình (11), ta được:         − = τ − 0 * U UU N8,1 d dU (17) Thay (17) vào (10), ta được: ( )         − +ρ= 0 * b002 U UU N8,1.R1rRq (18) Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy đẳng tốc (q 1 ): 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: rNR d dU rRq 00001 ρ= τ ρ= (19) 6. Cường độ trao đổi nhiệt (q(x)): ( ) b 0 * 1 2 R1 U UU 8,1 q q )x(q + − == (20) Như vậy, theo biểu thức (20), khi biết chuẩn số R b sẽ tính được cường độ trao đổi nhiệt theo độ ẩm của vật liệu. 7. Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy: a. Đường cong sấy: là đøng cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu (U) theo thời gian sấy (τ): U = f(τ) (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 tùy chế độ và phương pháp sấy khác nhau nhưng đường cong sấy vẫn có dạng tương tự nhau. b. 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: )U(g d dU = τ (22) Từ biểu thức (22), (23) rõ ràng đường cong tốc độ sấy là là đạo hàm của đường cong sấy. 8. Các giai đọan của quá trình sấy: • Giai đoạn đun nóng vật liệu: - Toànbộ nhiệt cung cấp để đun nóng vật liệu, ẩm bốc hơi không đáng kể. - Nhiệt độ vật liệu tăng nhanh từ θ 1 = t 0 đến nhiệt độ bầu ướt t ư 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 trong tính toán. • Giai đoạn sấy đẳng tốc: 4 - Nhiệt cung cấp để bốc hơi ẩm tự do ở bề mặt vật liệu. Và bề mặt bốc hơi là bề mặt ngoài của vật liệu không đổi nên các thông số sấy và độ ẩm của vật liệu sẽ giảm nhanh. - Nhiệt độ của vật liệu bằng t ư không đổi. - Độ ẩm của vật liệu giảm nhanh theo đường thẳng. - 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 do bốc hơi từ bề mặt, nên bề mặt luôn bão hoà ẩm. • Giai đoạn sấy giảm tốc: - Nhiệt độ của vật liệu tăng dần từ t ư lên t 2 của tác nhân. - Độ ẩm giảm chậm đến độ ẩm cân bằng U * . - Lúc này, trong vật liệu xuất hiện 3 vùng: ẩm, bốc hơi và khô. - Tốc độ sấy giảm tốc từ tốc độ đẳng tốc N o xuống 0, tuỳ theo cấu trúc vật liệu mà có biến 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. 9. Thời gian sấy vật liệu: Thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc (thời gian sấy đẳng tốc - 1 τ ) được xác đònh từ: constN d dU 1 == τ − (23) nên tích phân (23) lên ta có: 1 0 1 N UU th − = τ (24) Với U th : là độ ẩm tới hạn, độ ẩm cuối gian đoạn sấy đẳng tốc. Thời gian sấy trong giai đoạn giảm tốc: Trong giai đoạn này, nếu đường cong tốc độ sấy có dạng đường thẳng ( hoặc qui đổi sang đường thẳng; N 2 = ax+b) thì ta có thể tích phân để tính thời gian sấy giai đoạn sấy giảm tốc ( 2 τ ): * 2 * 1 * 2 ln UU UU N UU thth − −− = τ (25) Với U * : độ ẩm cân bằng, độ ẩm kết thúc giai đoạn sấy giảm tốc. Thời gian sấy vật liệu: Thời gian sấy vật liệu được tính bằng tổng thời gian của 3 giai đoạn sấy: đốt nóng vật liệu 0 τ , sấy dẳng tốc ( 1 τ ) và sấy giảm tốc ( 2 τ ); có thể bỏ qua giai đoạn đốt nóng vật liệu, vì giai đoạn này xảy ra rất nhanh. Biểu thức tính thời gian như sau: ) UU UU lg()UU( N 3,2 N UU * 2 * th * th th0 21 − − ×−×+ − =τ+τ=τ (26) Với U 2 : độ ẩm của vật liệu cuối quá thình sấy, tương ứng với 2 τ ; U 2 > U * và thường được lấy: U 2 =U * +2 ÷ 3 (%). 5 III. THIẾT BỊ – DỤNG CỤ – CÁCH TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 1. Thiết bò – Dụng cụ: Hệ thống thiết bò sấy được trang bò: - Caloriphe: gồm hai chùm điện trở khô, có công suất 10KW và được ổn đònh nhiệt độ nhờ bộ điều nhiệt tự ngắt. - Quạt hút: có tốc độ 0,85 m/s, để hút không khí ( tác nhân sấy) và thổi qua caloriphe để nâng nhiệt độ dòng tác nhân lên nhiệt độ cần thiết. - Hệ thống cân: xác đònh lượng ẩm tách ra từ vật liệu. - Hai cửa gió: có van lá, để thay đổi lượng tác nhân. - Hệ thống đo nhiệt độ: gồm hai đầu dò nhiệt độ bầu khô – bầu ướt được đặt trong buồng sấy – bên trái giàn lưới đặt vật liệu sấy và đồng hồ cơ đo bằng nhiệt độ. 2. Vật liệu sấy: Gồm 3 sấp giấy lọc được gấp lại. 3. Cách tiến hành thí nghiệm: 3.1. Quan sát hệ thống: 3.2. Chuẩn bò thí nghiệm: a. Xác đònh khối lượng khô ban đầu (G o ) của 3 sấp giấy lọc: - Mở cửa buồng sấy ra – đặt cẩn thận lên bàn ( vì cửa khá nặng – nguy hiểm ). - Cách đặt 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 dao động – chờ kim hết dao động đọc giá trò cân (G o ). b. 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 bò đồng hồ đeo tay để đo thời gian. c. 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. 3.3. Khởi động hệ thống: a. Khởi động quạt: Đóng cầu dao của quạt để hút các dòng tác nhân vào và thổi qua caloriphe gia nhiệt dòng tác nhân ( tìm cầu dao quạt bằng cách nhìn đường dây dẫn điện vào quạt). b. 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 hai (HEATER II) ở vò trí chính giữa sang ON. Ở chế độ 70°C thì bật thêm công tắc của chùm điện trở thứ nhất (HEATER I ) ở phía bên trái của công tắc điện trở thứ hai. c. Cài đặt nhiệt độ cho caloriphe: 6 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. 3.4. Tiến hành các chế độ thí nghiệm: a. Chờ hệ thống hoạt động ổn đònh khi: - Nhiệt độ của caloriphe đạt giá trò cài đặt ± (1÷2 o C). - Giấy lọc phơi không còn nhiễu nước. b. Tiến hành sấy vật liệu ở chế độ cần khảo sát: - Mở cửa buồng sấy ra – đặt cửa lên bàn - Đặt nhẹ nhàng từng sấp giấy lọc lên các lưới sấy - Lắp kín cửa buồng sấy lại. c. Đo số liệu trong một chế độ thí nghiệm: Các số liệu cần đo: khối lượng, nhiệt độ bầu khô – bầu ướt và thời gian. Cách đọc giá trò đo: - Khối lượng (gam): khi đặt giấy lọc vào buồng sấy, kim của cân sẽ dao động(cân gồm hai kim, chỉ đọc dây kim mảnh nhỏ, không đọc số lớn). Nếu dây kim nằm giữa hai số thì cộng lại chia đôi. - Nhiệt độ ( ° F): đồng hồ cơ hiển thò nhiệt độ đo theo nguyên tắc cơ học: có tất cả 4 kim (hai kim nhỏ bên trong và hai kim lớn bên ngoài) quan tâm hai kim lớn (kim lớn bên phải chỉ nhiệt độ bầu khô; kim lớn bên trái chỉ nhiệt độ bầu ướt). Đầu nhọn của các kim này sẽ chỉ vào các vòng tròn có ghi giá trò nhiệt độ (vòng đậm có giá trò cụ thể, vòng mảnh không ghi giá trò – mỗi vòng là hai đơn vò độ). Giá trò nhiệt độ tăng từ trong ra ngoài, nếu đầu kim nằm giữa hai vòng mảnh thì lấy giá trò lẻ 1 độ. - Thời gian: đo bằng đồng hồ đeo tay. IV. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1. Số liệu thí nghiệm: Bảng 2: Xử lý số liệu thô Chế độ sấy 50 o C Chế độ sấy 60 o C Chế độ sấy 70 o C τ (h) G(kg) t ư ( o C) t k ( o C) τ (h) G(kg) t ư ( o C) t k ( o C) τ (h) G(kg) t ư ( o C) t k ( o C) 0 0.08 3 0.16 7 0.25 0.33 3 0.41 7 0.5 0.58 0.145 0.135 0.127 5 0.115 0.105 0.092 5 0.082 5 0.072 5 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 40 40 0 0.08 3 0.16 7 0.25 0.33 3 0.41 7 0.5 0.58 0.145 0.125 0.112 5 0.1 0.087 5 0.072 5 0.06 0.05 0.047 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 0 0.08 3 0.16 7 0.25 0.33 3 0.41 7 0.5 0.145 0.115 0.092 5 0.067 5 0.052 5 0.047 5 0.047 5 27.7 8 28.8 9 29.4 4 30 30 30 30 61.1 62.2 62.8 63.3 63.3 63.3 63.3 7 3 0.66 7 0.75 0.83 3 0.91 7 1 1.08 3 0.062 5 0.055 0.052 5 0.05 0.047 5 0.047 5 14.4 14.4 40 40 3 0.66 7 0.75 5 0.047 5 2. Kết quả tính toán Bảng 3: Kết quả tính toántừ các thông số đã xử lý Chế độ sấy 50 o C τ (h) G(kg) U (100%) ∆ G = ∆ U N (100%/h) t ư ( o C) t k ( o C) P m (mmHg) P (mmHg) Thế sấy 0 0.083 0.167 0.25 0.333 0.417 0.5 0.583 0.667 0.75 0.833 0.917 1 1.083 0.145 0.135 0.1275 0.115 0.105 0.0925 0.0825 0.0725 0.0625 0.055 0.0525 0.05 0.0475 0.0475 2.053 1.842 1.684 1.421 1.211 0.947 0.737 0.526 0.316 0.158 0.105 0.053 0.032 0 0 0.211 0.158 0.263 0.211 0.263 0.211 0.211 0.053 0.053 0.053 0.021 0.021 0 0 2.526 1.894 3.158 2.526 3.158 2.526 2.526 3.158 3.158 3.158 1.895 1.263 0 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 14.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 39.4 40 40 40 40 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 Chế độ sấy 70 o C τ (h) G(kg) U ∆ G = ∆ U N t ư ( o C) t k ( o C) P m (mmHg) P (mmHg) Thế sấy 0 0.083 0.167 0.25 0.333 0.417 0.145 0.125 0.1125 0.1 0.0875 0.0725 205.3 1.632 1.368 1.105 0.842 0.526 0 0.063 0.095 0.053 0.053 0.053 0 3.789 5.684 3.158 3.158 3.158 20 20 20 20 20 20 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 44.4 16.2 16.2 16.2 16.2 16.2 16.2 5 5 5 5 5 5 24.4 24.4 24.4 24.4 24.4 24.4 8 0.5 0.583 0.667 0.75 0.06 0.05 0.0475 0.0475 0.263 0.053 0 0 0.053 0.053 0.053 0 3.158 3.158 3.158 0 20 20 20 20 44.4 44.4 44.4 44.4 16.2 16.2 16.2 16.2 5 5 5 5 24.4 24.4 24.4 24.4 Chế độ sấy 70 o C τ (h) G(kg) U ∆ G = ∆ U N t ư ( o C) t k ( o C) P m (mmHg) P (mmHg) Thế sấy 0 0.083 0.167 0.25 0.333 0.417 0.5 0.145 0.115 0.0925 0.0675 0.0525 0.0475 0.0475 2.053 1.421 0.947 0.421 0.105 0.053 0 0 0.105 0.053 0.105 0.053 0.053 0 0 6.306 3.158 6.316 3.158 3.158 0 27.78 28.89 29.44 30 30 30 30 61.1 62.2 62.8 63.3 63.3 63.3 63.3 27 29 30 31 31 31 31 11 13 14 15 15 15 15 33.32 33.31 33.36 33.3 33.3 33.3 33.3 3. Đồ thò: Đường cong sấy Đường cong sấy U = f( τ ) ở chế độ 50 o C Đường cong sấy U = f( τ ) ở chế độ 60 o C 9 Đường cong sấy U = f( τ ) ở chế độ 70 o C Đường cong tốc độ sấy Đường cong tốc độ sấy )U(g d dU = τ ở chế độ 50 o C Đường cong tốc độ sấy )U(g d dU = τ ở chế độ 60 o C 10