(Tiểu luận) phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị bài sấy đối lưu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ PHÚC TRÌNH THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ Bài: SẤY ĐỐI LƯU CBHD: Trần Lê Hải Sinh viên: Lê Khắc Hưng MSSV: 1611427 Nhóm, lớp: H1.1, TNH1 Ngày TN: 17/10/2018 Năm học 2018 - 2019 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị MỤC LỤC TRÍCH YẾU 1.1 Mục đích thí nghiệm 1.2 Phương pháp thí nghiệm 1.3 Kết thí nghiệm (Bảng 1.1) 1.4 Nhận xét kết thí nghiệm 2 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM 2.1 Định nghĩa 2.2 Đặc trưng trình sấy 2.3 Xác định tốc độ sấy theo cân nhiệt trình sấy 2.4 Phương trình động học trình sấy 2.5 Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu giai đoạn sấy giảm tốc 2.6 Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu giai đoạn sấy đẳng tốc 2.7 Cường độ trao đổi nhiệt 2.8 Đường cong sấy đường cong tốc độ sấy 2.9 Các giai đoạn trình sấy 2.10 Thời gian sấy vật liệu DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3.1 Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm 3.2 Phương pháp thí nghiệm 10 3.3 Đo số liệu chế độ thí nghiệm 11 3.4 Chuyển chế độ thí nghiệm 11 3.5 Một số lưu ý vận hành hệ thống sấy 12 3.6 Kết thúc thí nghiệm 12 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 12 4.1 Kết tính tốn 12 4.2 Đồ thị 14 BÀN LUẬN 18 PHỤ LỤC 23 6.1 Các thông số ban đầu 23 6.2 Các cơng thức tính tốn 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị TRÍCH YẾU 1.1 Mục đích thí nghiệm Khảo sát q 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 1.2 Phương pháp thí nghiệm Tiến hành sấy giấy lọc chế độ nhiệt độ calorife: 500C, 600C, 700C: - Đặt giấy lọc vào buồng sấy, ghi nhận giá trị nhận khối lượng vật liệu sau làm ẩm (Go) - Đối với sấy 50oC: 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 khơng đổi vịng phút dừng chế độ thí nghiệm chuyển sang chế độ thí nghiệm khác - Đối với sấy 60oC: 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 khơng đổi vịng phút dừng chế độ thí nghiệm chuyển sang chế độ thí nghiệm khác - Đối với sấy 70oC: 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 khơng đổi vịng phút dừng chế độ thí nghiệm 1.3 Kết thí nghiệm (Bảng 1.1) 1.4 Nhận xét kết thí nghiệm Nhiệt độ bầu khơ chưa xác cài đặt calorife, cịn chệnh lệch tầm đến 2oC chí có lúc lên tới 3oC Nhiệt độ bầu ướt tương đối gần không lệch nhiều Khối lượng giấy giảm đần thí nghiệm, giảm nhanh dần ta tăng nhiệt độ tác nhân sấy từ 50 lên 60 tới 70oC Khối lượng giấy sấy khô gần tuyệt đối gần với khối lượng vật liệu thô ban đầu h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Bảng 1.1: Số liệu thô Chế độ 50 oC Chế độ 60 oC Chế độ 70 oC t G tư tk t G tư tk t G tư tk (phút) (g) (oC) (oC) (phút) (g) (oC) (oC) (phút) (g) (oC) (oC) 140,0 40 54 137,5 47 60 135,0 49 69 130,0 38 48 127,5 47 59 125,0 52 73 125,0 39 51 117,5 46 59 107,5 49 67 117,5 39 52 107,5 47 61 97,5 50 72 12 110,0 39 54 97,5 46 58 82,5 48 68 15 100,0 39 54 10 85,0 47 61 10 75,0 49 70 18 92,5 38 52 12 72,5 46 59 12 65,0 48 69 21 85,0 38 52 14 65,0 48 58 14 55,0 49 69 24 75,0 38 48 16 57,5 46 60 16 45,0 49 70 27 67,5 38 49 18 50,0 46 57 18 40,0 48 67 30 60,0 39 52 20 42,5 47 62 20 35,0 49 72 33 55,0 39 53 22 35,0 46 57 22 30,0 47 67 36 47,5 39 54 24 35,0 47 62 24 30,0 49 72 39 40,0 38 52 26 35,0 46 58 26 30,0 48 70 42 40,0 38 49 28 35,0 47 61 28 30,0 49 72 45 35,0 38 50 48 35,0 38 48 51 35,0 38 52 54 35,0 39 53 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM 2.1 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 2.2 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 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị - Chuyển pha - Tách ẩm vào môi trường xung quanh 2.3 Xác định tốc độ sấy theo cân nhiệt q trình sấy Lượng nhiệt dịng tác nhân sấy cung cấp khoảng thời gian d : dQ = F(t-)d (1) Nhiệt 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) = GodD (4) Với: U hàm ẩm hay độ ẩm vật liệu – tính theo vật liệu khơ, kg ẩm/kg vật liệu khô Từ (1), (2), (3) (4), thiết lập cân nhiệt: F(t - )d = (GoCo+GaCa)d + Go[r + Ch(t - th)dU (5) Từ (5) rút ra: dU  d Ft    G o C o  G a C a  G o r  C h t  t h )  d d (6) dU Đây biểu thức tính tốc độ sấy d theo cân nhiệt 2.4 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/m2.h.p = (1at hay 1mmHg )  pm, p: áp suất ẩm bề mặt vật liệu pha khí, mmHg (hay at) h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Thay Ga = GoU vào (7) biến đổi, ta có: dU k p F  ( p m  p) d Go (8) Khi ẩm khơng bị q nhiệt (tức t = th) biểu thức (5) biến đổi thành:  G  d dU dQ  C o  C o a G o  rG o  F  qF G o  d d Fd  (9) Với: q cường độ dòng nhiệt hay mật độ dòng nhiệt Ga U Go ; Đặt: Go  o Vo ; Co + CaU = C Vo  Ro F Với:  o: khối lượng riêng vật liệu khô, kg/m3  Vo: thể tích vật khơ, 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:     dU d   C  d   dU  q  o R o r  C o R o  1    o R o r d d   r  dU   d        dU  1  R b  o R o r d Với: Rb   (10) C d r dU : 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 2.5 Lượng nhiệt cung 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:  dU  K U  U* d   (11)  K: hệ số tỷ lệ, gọi hệ số sấy, phụ thuộc vào tốc độ sấy, tính chất vật liệu ẩm, 1/s h Sấy đối lưu Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị  K hệ số góc đường cong tốc độ sấy giai đoạn giảm tốc, nên: K N U th  U *   N (12) Với:   U th  U *  : 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 khơ.s) Tích phân phương trình (11) ta nhận được: U  U*  exp N  U th  U * (13) Logarit hóa (13), ta có:     lg U  U *  lg U th  U *  N (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:  Uo (15) Với Uo độ ẩm ban đầu vật liệu Từ đó, ta có: U th  U  U*   U*  1.8 (16) Thay (12) (15) vào phương trình (11), ta được:   U  U*  dU   1.8N d  U0  (17) Thay (17) vào (10), ta được:  U  U*   q   R r1  R b .1.8N U   h (18) Sấy đối lưu Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị 2.6 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: q1   R r dU   R rN d (19) 2.7 Cường độ trao đổi nhiệt q( x )  q2 U  U* 1  Rb   1.8 q1 U0 (20) Như vậy, theo biểu thức (20), biết chuẩn số Rb tính cường độ trao đổi nhiệt theo độ ẩm vật liệu 2.8 Đường cong sấy đường cong tốc độ sấy 2.8.1 Đường cong sấy Là đường 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 2.1) 2.8.2 Đường cong tốc độ sấy Là đường cong biểu diễn mối quan hệ tốc độ sấy độ ẩm (hàm ẩm) vật liệu sấy: dU  g(U) d (22) Từ biểu thức (22), (23) rõ ràng đường cong tốc độ sấy là đạo hàm đường cong sấy (xem hình 2.2) h Sấy đối lưu Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Hình 2.1: Đường cong sấy Hình 2.2: 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, bìa… – Đường nhiệt độ vật liệu – 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) 2.9 Các giai đoạn trình sấy 2.9.1 Giai đoạn đun nóng vật liệu (AB) Tồn 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 đến giá trị cực đại Thời gian ngắn không đáng kể Giai đoạn thường bỏ qua tính tốn 2.9.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc (BC) 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 Thời gian sấy gian đoạn (thời gian sấy đẳng tốc – 1) xác định từ:  dU  N  const d (23) h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Nên tích phân (23) lên ta có: 1  U  U th N1 (24) Với: Uth độ ẩm tới hạn, độ ẩm cuối giai đoạn sấy đẳng tốc 2.9.3 Giai đoạn sấy giảm tốc (CD) 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 No xuống 0, tùy theo cấu trúc vật liệu mà có 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 (hoặc qui đổi sang đường thẳng – N2 = ax+b) ta tích phân để tính thời gian sấy giai đoạn sấy giảm tốc (2): 2  U th  U * U th  U * ln N1 U2  U* (25) Với: U* độ ẩm cân bằng, độ ẩm kết thúc giai đoạn sấy giảm tốc 2.10 Thời gian sấy vật liệu Thời gian sấy vật liệu tính tổng thời gian giai đoạn sấy: đốt nóng vật liệu0), sấy dẳng tốc (1) sấy giảm tốc (2); bỏ qua giai đoạn đốt nóng vật liệu, giai đoạn xảy nhanh Biểu thức tính thời gian sau: U  U th 2,3 U th  U * *     2  * (U th  U ) * lg( ) N N U2 U * (26) Với U2: độ ẩm vật liệu cuối trình sấy, tương ứng với2; U2 > U* thường lấy: U2 = U* + (2 – 3) (%) DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3.1 Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm Hệ thống thiết bị sấy trang bị: - Calorife: gồm hai chùm điện trở khơ, có công suất 10kW ổn định nhiệt độ nhờ điều nhiệt tự ngắt - Quạt hút: có tốc độ 0,85 m/s, để hút khơng khí (tác nhân sấy) thổi qua calorife để nâng nhiệt độ dòng tác nhân lên nhiệt độ cần thiết - Hệ thống cân: xác định lượng ẩm tách từ vật liệu sấy - Hai cửa gió: có van lá, để thay đổi lượng tác nhân h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị - Đóng cầu dao calorife để dẫn điện vào hộp điều khiển (nhìn đường dây điện tìm cầu dao calorife) - Bật công tắc chùm điện trở thứ (HEATER I) vị trí đầu sang ON Ở chế độ 70oC bật thêm cơng tắc chùm điện trở thứ hai (HEATER II) phía bên trái cơng tắc điện trở thứ hai Cài đặt nhiệt độ cho calorife: Mở nắp mica hộp cài đặt nhiệt độ (phía hộp công tắc) cài đặt nhiệt độ cần thiết Đồng hồ điện tử hộp cài đặt cho biết nhiệt độ calorife 3.2.4 Tiến hành thí nghiệm Chờ hệ thống hoạt động ổn định khi: - Nhiệt độ calorife đạt giá trị cài đặt  (12oC) - Giấy lọc phơi khơng cịn nhiễu nước Tiến hành sấy vật liệu chế độ cần khảo sát: - Mở cửa buồng sấy – đặt cửa lên bàn - Đặt nhẹ nhàng sấp giấy lọc lên lưới sấy - Lắp kín cửa buồng sấy lại 3.3 Đo số liệu chế độ thí nghiệm Các số liệu cần đo: khối lượng, nhiệt độ bầu khô – bầu ướt thời gian  Cách đọc: - Khối lượng (gam): đặt giấy lọc vào buồng sấy, kim cân dao động (cân gồm hai kim, đọc dây kim mảnh – nhỏ, không đọc kim lớn), chờ kim hết dao động, đọc số mà dây kim trùng (đọc số nhỏ – không đọc số lớn) Nếu dây kim nằm hai số cộng lại chia đôi - Nhiệt độ (oC): đọc giá trị nhiệt độ đồng hồ điện tử bảng điều khiển - Thời gian (phút): đo đồng hồ bấm  Trong chế độ nhiệt độ, để đo số liệu xác cần lưu ý: - Khi phơi giấy lọc bên ngoài, phải chờ hết nhiễu nước bắt đầu chế độ thí nghiệm để xác định Go xác - Lưu ý cách đặt giấy lọc lên lưới sấy: phải theo chiều nếp gấp giấy lọc từ trái sang phải, tức theo chiều tác nhân đặt cách phẳng phiu khơng xếp góc Khơng đặt ngược lại, dịng tác nhân thổi qua bung giấy lọc (do giấy lọc gấp đôi) thay đổi bề mặt bốc dẫn đến thông số sấy thay đổi cuối gây sai số thí nghiệm 3.4 Chuyển chế độ thí nghiệm - Mở cửa buồng sấy, lấy giấy lọc làm ẩm tiếp (lặp lại ban đầu) - Cài đặt nhiệt độ calorife giá trị cho chế độ sấy 11 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị - Chờ cho hệ thống hoạt động ổn định - Lặp lại trình tự chế độ đầu 3.5 Một số lưu ý vận hành hệ thống sấy - Luôn theo dõi hoạt động điều nhiệt để xem có xác giá trị nhiệt độ cài đặt hay khơng Trường hợp chế độ sấy nhiệt độ cao mà nhiệt độ calorife khơng đạt giá trị cài đặt phải khép bớt cửa dịng khí (chỉ khép bớt khơng đóng kín) - Các cửa khí vào – phải ln mở khơng đóng - Châm nước liên tục vào bầu nước để đo nhiệt độ bầu ướt - Khơng mở quạt trần thí nghiệm làm kim cân dao động (quạt số táp – lô điện cửa – vào phịng thí nghiệm) 3.6 Kết thúc thí nghiệm  Tắt calorife: - Tắt công tắc chùm điện trở hộp điều khiển - Trả không cho hộp cài đặt nhiệt độ - Kéo cầu dao điện calorife  Tắt quạt: - Sau tắt calorife phút, kéo cầu dao quạt calorife nguội - Mở cửa buồng sấy lấy giấy lọc lắp cửa lại - Kiểm tra hệ thống lần vệ sinh khu vực thí nghiệm – phịng thí nghiệm KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1 Kết tính tốn Bảng 4.1: Kết tính tốn thơng số Chế độ 50 oC t (giờ) G (kg) U (%) G=U N (%/h) tư (oC) tk (oC) ε Pm (mmHg) P (mmHg) 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,1400 0,1300 0,1250 0,1175 0,1100 0,1000 0,0925 0,0850 0,0750 0,0675 0,0600 0,0550 0,0475 367 333 317 292 267 233 208 183 150 125 100 83 58 33 17 25 25 33 25 25 33 25 25 17 25 667 333 500 500 667 500 500 667 500 500 333 500 40 38 39 39 39 39 38 38 38 38 39 39 39 54 48 51 52 54 54 52 52 48 49 52 53 54 14 10 12 13 15 15 14 14 10 11 13 14 15 54,7 49,5 51,9 52,1 51,9 51,9 49 49 49,5 48,6 52,1 51,9 51,9 48,7 45 46,8 46,3 45,3 45,3 43 43 45 44,5 46,3 45,8 45,3 12 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,0400 0,0375 0,0350 0,0350 0,0350 0,0350 33 25 17 17 17 17 25 8 0 500 167 167 0 38 38 38 38 38 39 52 49 50 48 52 53 14 11 12 10 14 14 49 48,6 49 49,5 49 51,9 43 44,5 44 45 43 45,8 Chế độ 60 oC t (giờ) G (kg) U (%) G=U N (%/h) tư (oC) tk (oC) ε Pm (mmHg) P (mmHg) 0,000 0,033 0,067 0,100 0,133 0,167 0,200 0,233 0,267 0,300 0,333 0,367 0,400 0,433 0,467 0,1375 0,1275 0,1175 0,1075 0,0975 0,0850 0,0725 0,0650 0,0575 0,0500 0,0425 0,0350 0,0350 0,0350 0,0350 358 325 292 258 225 183 142 117 92 67 42 17 17 17 17 33 33 33 33 42 42 25 25 25 25 25 0 0 1000 1000 1000 1000 1250 1250 750 750 750 750 750 0 47 47 46 47 46 47 46 48 46 46 47 46 47 46 47 60 59 59 61 58 61 59 58 60 57 62 57 62 58 61 13 12 13 14 12 14 13 10 14 11 15 11 15 12 14 79 79 75,3 79 75,3 79 75,3 83,4 74,9 75,3 79 75,3 79 75,3 79 73,6 74,1 69,7 73,2 70,1 73,2 69,7 79,2 69,2 70,6 72,7 70,6 72,7 70,1 73,2 Chế độ 70 oC t (giờ) G (kg) U (%) G=U N (%/h) tư (oC) tk (oC) ε Pm (mmHg) P (mmHg) 0,000 0,033 0,067 0,100 0,133 0,167 0,200 0,233 0,267 0,300 0,333 0,367 0,400 0,433 0,467 0,1350 0,1250 0,1075 0,0975 0,0825 0,0750 0,0650 0,0550 0,0450 0,0400 0,0350 0,0300 0,0300 0,0300 0,0300 350 317 258 225 175 150 117 83 50 33 17 0 0 33 58 33 50 25 33 33 33 17 17 17 0 0 1000 1750 1000 1500 750 1000 1000 1000 500 500 500 0 49 50 49 50 48 49 48 49 49 48 49 47 49 48 49 69 73 67 72 68 70 69 69 70 67 72 67 72 70 72 20 23 18 22 20 21 21 20 21 19 23 20 23 22 23 87,1 91,8 87,4 91,8 83,1 87,1 83,1 87,1 87,1 83,1 87,1 78,6 87,1 82,7 87,1 78,9 82,1 79,8 82,6 74,6 78,5 74,1 78,9 78,5 75 77,5 70,4 77,5 73,6 77,5 13 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị 4.2 Đồ thị Hình 4.1: Đồ thị đường cong sấy 50oC Hình 4.2: Đồ thị đường cong sấy 60oC 14 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Hình 4.3: Đồ thị đường cong sấy 70oC Sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu để tìm giá trị tốc độ sấy đẳng tốc N, hệ số góc đường đẳng tốc đồ thị đường cong sấy Hình 4.4: Đồ thị đường đẳng tốc 50oC 15 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Hình 4.5: Đồ thị đường đẳng tốc 60oC Hình 4.6: Đồ thị đường đẳng tốc 70oC Bảng 4.2: Kết tính tốn từ đồ thị Chế độ 50oC 2 (h) 0,6897 Uo (%) 5,3485 1 (h) 0,4986 Uth (%) U* (%) U2 (%) N (%/h) χ (1/%) K (h-1) 100 2,5 534,85 0,0100 367 Chế độ 60oC Uth (%) U* (%) U2 (%) N (%/h) χ (1/%) K (h-1) 1 (h) 2 (h) Uo (%) 92 2,5 1033,3 0,0109 11,2724 0,2581 0,3195 358 Chế độ 70 C o Uth (%) U* (%) U2 (%) N (%/h) χ (1/%) K (h-1) 1 (h) 2 (h) Uo (%) 83 2,5 1157,7 0,0120 13,8924 0,2303 0,2524 350 Từ giá trị tốc độ sấy đẳng tốc N, dựng đồ thị đường cong tốc độ sấy sau: 16 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Hình 4.7: Đồ thị đường cong tốc độ sấy 4.3 Đánh giá kết thí nghiệm Bảng 4.3: Một số thơng số tính tốn F (m2) 0,36 Go (kg) 0,03 vk (m/s) 0,85 p Jm (50oC) (kg/m2.h.mmHg) Jm (60 oC) (kg/m2.h.mmHg) Jm (70 oC) (kg/m2.h.mmHg) f (m2/kg) 0,03769 0,20908 0,20403 0,33117 12 Bảng 4.4: Kết đánh giá sai số Thông số Chế độ 50oC TN Chế độ 60oC Sai số (%) LT TN Chế độ 70oC Sai số (%) LT TN Sai số (%) LT Uth (%) 100 203,7 -50,9 92 199,1 -54,0 83 194,4 -57,1 U* (%) 0 0,0 0 0,0 0 0,0 U2 (%) N (%/h) χ (1/%) 2,5 2,5 0,0 2,5 2,5 0,0 2,5 2,5 0,0 534,85 250,90 113,2 1033,3 244,83 322,0 1157,7 397,4 191,3 0,0109 0,0050 117,2 0,0120 0,0051 133,3 816,6 13,8924 2,0438 579,7 0,0100 0,0049 103,7 -1 K (h ) 5,3485 1,2317 334,2 11,2724 1,2299 1 (h) 0,4986 0,6495 -23,2 0,2581 0,6505 -60,3 0,2303 0,3914 -41,2 2 (h) 0,6897 3,5727 -80,7 0,3195 3,5592 -91,0 0,2524 2,1303 -88,2 17 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị BÀN LUẬN 5.1 Đường cong sấy đường cong tốc độ sấy Đường cong sấy Dạng đường cong sấy có dạng tương đối phù hợp so với dạng lý thuyết q trình sấy đẳng tốc lại khơng thể rõ giai đoạn đốt nóng sấy giảm tốc Giá trị R2 phương pháp bình phương cực tiểu tính ba đường sấy đẳng tốc 50oC, 60oC 70oC 0,9981, 0,9969, 0,9910 chứng tỏ số liệu thí nghiệm thể đặc điểm giai đoạn sấy đẳng tốc rõ ràng Đường cong sấy ba nhiệt độ 50oC, 60oC 70oC đường cong lúc đầu giảm nhanh theo đường thẳng tiệm cận với giá trị Uth diễn trình loại ẩm tự bề mặt vật liệu Sau đó, độ ẩm bắt đầu thay đổi chậm tới giai đoạn không thay đổi đạt gần tới độ ẩm cân bằng, ẩm liên kết lòng vật liệu, bề mặt bốc bị thu hẹp dần Hai trình nhả ẩm hút ẩm vật liệu đạt trạng thái cân cho ta giá trị U*, thực tế làm thí nghiệm giá trị U*=0 ta đo G0 giá trị sau trình sấy đến khối lượng vật liệu khơng đổi ta khơng thể xác định thực tế U* Đường cong tốc độ sấy Đường cong tốc độ sấy có dạng phù hợp so với lý thuyết Đó ta khơng dùng cách vẽ trung bình U/, mà lấy vi phân trực tiếp đường cong sấy Để đường cong tốc độ sấy xác hơn, ta phải lấy vi phân nhiều điểm Nhưng cách phức tạp nên ta lấy hai điểm Cho nên nhìn chung, đường cong tốc độ sấy hình dạng giá trị khơng xác Đường cong tốc độ sấy gồm ba q trình: đốt nóng vật liệu, sấy đẳng tốc, sấy giảm tốc, ta thấy rõ sau hiệu chỉnh đường cong tốc độ sấy đường cong gồm ba phần Phần đầu trình đốt nóng lúc độ ẩm thay đổi Tiếp theo trình sấy đẳng tốc độ ẩm giảm nhanh tốc độ sấy không thay đổi lúc tốc độ sấy giảm đột ngột lúc bắt đầu trình sấy giảm tốc Quá trình sấy kết thúc tốc độ sấy khơng 5.2 Các thơng số tính tốn Độ ẩm cân U* Với độ ẩm, nhiệt độ tăng độ ẩm cân vật liệu giảm Nhưng thí nghiệm độ ẩm cân chọn khơng xấp giấy lọc mà ta cân sau sấy vật liệu khô tuyệt đối, mà vật liệu chứa lượng ẩm cân định (ở điều kiện nhiệt độ mơi trường ngồi) Cho nên thực chất ta sấy vật liệu xuống Go khơng thể tính cách xác khơng có số liệu khối lượng vật liệu khô tuyệt đối vật liệu sấy đạt đến độ ẩm cân U*= const 18 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Độ ẩm tới hạn Uth Kết thí nghiệm chế độ sấy 50oC ,60oC 70oC 100%, 92% 83% Uth giảm dần nhiệt độ tăng nhiệt độ cao nhiều ẩm bốc nên lượng ẩm tới hạn cịn sót lại giảm Tốc độ sấy đẳng tốc N Kết thí nghiệm: - Ở chế độ sấy 50oC: N = 534,85 (%/h) - Ở chế độ sấy 60oC: N = 1033,3 (%/h) - Ở chế độ sấy 70oC: N = 1157,7 (%/h) Khi nhiệt độ sấy tăng tốc độ sấy đẳng tốc tăng Điều phù hợp với lí thuyết nhiệt độ tăng động lực trình sấy (thế sấy ) tăng Hệ số sấy tương đối giai đoạn giảm tốc  Kết thí nghiệm: - Ở chế độ sấy 50oC:  = 0,0100 (1/%) - Ở chế độ sấy 60oC:  = 0,0109 (1/%) - Ở chế độ sấy 70oC:  = 0,0120 (1/%) Hệ số sấy tương đối  phụ thuộc vào tính chất vật liệu ẩm (loại vật liệu, thước vật liệu, độ ẩm ban đầu vật liệu…), không phụ thuộc vào nhiệt độ tác nhân sấy Ta thấy thí nghiệm hệ số tương đối sấy  ba chế độ sấy gần nhau, điều phù hợp với lý thuyết Hệ số sấy giai đoạn giảm tốc K Kết thí nghiệm: - Ở chế độ sấy 50oC: K = 5,3485 (1/h) - Ở chế độ sấy 60oC: K = 11,2724 (1/h) - Ở chế độ sấy 70oC: K = 13,8924 (1/h) Hệ số sấy K phụ thuộc vào chế độ sấy (tốc độ sấy đẳng tốc N) tính chất vật liệu ẩm () theo cơng thức K = N Điều có nghĩa với tính chất vật liệu ẩm khơng đổi, nhiệt độ tác nhân sấy tăng K tăng (do  khơng đổi, cịn N tăng lên) Kết thí nghiệm tương đối phù hợp với lý thuyết sai số q trình thí nghiệm Thời gian đun nóng vật liệu Dựa vào “Đường cong sấy”, nhiệt độ tác nhân sấy tăng thời gian đun nóng vật liệu ngắn Điều hồn toàn phù hợp so với lý thuyết, nhiệt độ sấy tăng 19 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị vật liệu đạt đến trạng thái bốc nhanh Tuy nhiên, giai đoạn ngắn, không đáng kể, tính tốn ta thường bỏ qua giai đoạn Thời gian sấy đẳng tốc 1 Kết thí nghiệm: - Ở chế độ sấy 50oC: 1 = 0,4986 (h) - Ở chế độ sấy 60oC: 1 = 0,2581 (h) - Ở chế độ sấy 70oC: 1 = 0,2303 (h) Theo lý thuyết, nhiệt độ sấy tăng thời gian thời gian 1 giảm Đó 1 tính theo cơng thức 1  U  U th , mà nhiệt độ tác nhân sấy tăng tốc độ sấy N1 N1 tăng đáng kể, làm 1 giảm Thời gian sấy giảm tốc 2 Kết thí nghiệm: - Ở chế độ sấy 50oC: 2 = 0,6897 (h) - Ở chế độ sấy 60oC: 2 = 0,3195 (h) - Ở chế độ sấy 70oC: 2 = 0,2524 (h) Theo lý thuyết, nhiệt độ sấy tăng thời gian thời gian 2 giảm Kết thí nghiệm hồn tồn phù hợp với cơng thức tính thời gian sấy giảm tốc U th  U * U th  U * 2  ln N1 U2  U* Ta nhận thấy thời gian sấy giảm tốc 2 nhỏ thời gian sấy đẳng tốc 1 Tính chất tùy thuộc vào loại vật liệu (tùy thuộc vào liên kết ẩm với vật liệu) Mối quan hệ thông số sấy theo lý thuyết Khi T tăng Uth giảm, tốc độ sấy đẳng tốc N1 tăng, hệ số sấy tương đối  hệ số sấy K tăng, giá trị thời gian sấy giảm 5.3 Nhận xét giải thích kết đánh giá sai số Độ ẩm tới hạn Uth Kết đánh giá sai số: - Ở chế độ sấy 50oC: Uth = -50,9% - Ở chế độ sấy 60oC: Uth = -54,0% - Ở chế độ sấy 70oC: Uth = -57,1% 20 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Sai số phép đo Uth lớn Các giá trị Uth tính theo thực nghiệm nhỏ lý thuyết (do sai số có giá trị âm) Đó sai số ta xác định điểm tới hạn đường cong sấy, mà đường cong sấy có sai số làm thí nghiệm xử lí số liệu Tốc độ sấy đẳng tốc N Kết đánh giá sai số: - Ở chế độ sấy 50oC: N = 113,2% - Ở chế độ sấy 60oC: N = 322,0% - Ở chế độ sấy 70oC: N = 191,3% Sai số tốc độ sấy đẳng tốc N cực lớn Kết tính tốn có sai số q trình tính tốn N lý thuyết, để đơn giản ta sử dụng công thức thức nghiệm p = 0,0229 + 0,0174vk , kg/m2.h.mmHg Công thức không phản ánh hết phụ thuộc hệ số trao đổi ẩm p vào yếu tố ảnh hưởng lên cơng thức chuẩn  p   p Nu m L mà phản ánh phụ thuộc vào tốc độ tác nhân sấy Và ta coi p số suốt q trình sấy, điều dẫn đến sai biệt nói p khơng thể phản ánh xác diễn tiến q trình sấy Ngồi cịn sai số dùng giản đồ khơng khí ẩm để tra Pm P, đồng thời giản đồ xây dựng áp suất 745mmHg, áp suất thí nghiệm khơng trùng với áp suất Bên cạnh cịn sai số dựng đường cong sấy đường cong tốc độ sấy để tìm N sai số trình làm thí nghiệm Hệ số sấy tương đối giai đoạn giảm tốc  : Kết đánh giá sai số: - Ở chế độ sấy 50oC:  = 103,7% - Ở chế độ sấy 60oC:  = 117,2% - Ở chế độ sấy 70oC:  = 133,3% Sai số  lớn (tuy nhỏ sai số tốc độ sấy đẳng tốc N), sai số ta xác định Uth U* Do xác định độ ẩm tới hạn Uth có sai số lớn nên tính  kéo theo sai số lớn chuyện bình thường Hệ số sấy giai đoạn giảm tốc K Kết đánh giá sai số: - Ở chế độ sấy 50oC: K = 334,2% - Ở chế độ sấy 60oC: K = 816,6% - Ở chế độ sấy 70oC: K = 579,7% 21 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Sai số K lớn (khoảng ~500%) Đó sai số xác định  N lớn nên kéo theo K sai số lớn (do K tính theo  N) Thời gian sấy đẳng tốc 1 Kết đánh giá sai số: - Ở chế độ sấy 50oC: 1 = -23,2% - Ở chế độ sấy 60oC: 1 = -60,3% - Ở chế độ sấy 70oC: 1 = -41,2% Sai số 1 lớn khoảng chấp nhận (~ -30%) Giá trị 1 đo thực nghiệm nhỏ so với lý thuyết Đó sai số xác định thông số Thời gian sấy đẳng tốc 2 Kết đánh giá sai số: - Ở chế độ sấy 50oC: 2 = -80,7% - Ở chế độ sấy 60oC: 2 = -91,0% - Ở chế độ sấy 70oC: 2 = -88,2% Sai số 2 lớn (~ -85%) Giá trị 2 đo thực nghiệm nhỏ so với lý thuyết Cũng thông số xác định có sai số nên kéo theo 2 có sai số lớn 5.4 Các nguyên nhân biện pháp khắc phục sai số 5.4.1 Các ngun nhân sai số Trong q trình làm thí nghiệm - Do vật liệu ban đầu vật liệu khô tuyệt đối, dẫn đến sai số tính tốn - Vật liệu ẩm cho vào ban đầu lần thí nghiệm khơng hồn toàn đồng dẫn đến việc xác định sai thơng số tính tốn - Do đọc số cân khơng xác Vì khó đọc số kim dao động vạch - Do bấm thời gian khơng hồn tồn xác - Ngồi ra, cịn thiết bị cũ kỹ nên khơng cịn xác Quạt, calorife, cảm biến nhiệt độ khơng cịn hoạt động ổn định xác Trong q trình tính tốn - Do dùng giản đồ để tra Pm P (sai số phải dựng nhiều đường đồ thị nội suy) Đồng thời giản đồ xây dựng áp suất 745mmHg, áp suất thí nghiệm khơng trùng với áp suất Nhưng sai số không đáng kể - Chọn giá trị tính tốn khơng xác đẫn đến sai số thô bạo - Do dựng đường cong tốc độ sấy dựa phương trình đường cong sấy 22 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Do lựa chọn cơng thức tính N lý thuyết p = 0,0229 + 0,0174vk , kg/m2.h.mmHg 5.4.2 Các biện pháp khắc phục sai số Trong q trình làm thí nghiệm - Vật liệu ban đầu phải vật liệu khô tuyệt đối, cách xác định trước khối lượng khơ tuyệt đối vật liệu - Phải ý thật kỹ để đọc số liệu xác Nhưng tốt phịng thí nghiệm nên có thiết bị đo điện tử để việc đọc số liệu xác Trong q trình tính tốn - Phải cẩn thận việc tra đồ thị Tốt áp dụng cơng thức để tính tốn thay tra giản đồ Ramzin - Hạn chế sai số quy trịn - Nên áp dụng cơng thức p   p Nu m L để tính p PHỤ LỤC 6.1 Các thơng số ban đầu Tính tốn số liệu cho Bảng 4.3: giấy lọc, gấp từ tờ giấy lọc có kích thước 30x20x0,01 (cm) - Diện tích bề mặt bay F = 0,2x0,3x2x3= 0,36, m2 - Khối lượng giấy lọc khô tuyệt đối: Go = 30, g - Bề mặt riêng khối lượng vật liệu: f = F/Go = 0,36/(30.10-3) = 12, m2/kg - Giá trị p: p = 0,0229 + 0,0174vk, kg/m2.h.mmHg - Giá trị Jm: Jm = p(Pm – P), kg/m2.h Từ giá trị nhiệt độ bầu khô nhiệt độ bầu ướt xác định điểm làm việc giản đồ khơng khí ẩm từ xác định giá trị Pm P Các giá trị Pm P tra giản đồ không khí ẩm (giá trị Pm lấy xấp xỉ giá trị áp suất bão hịa khơng khí ẩm) sau: 23 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị 6.1.2 Tác nhân sấy Khơng khí nóng với vận tốc: vk = 0,85, m/s 6.2 Các cơng thức tính tốn Tính tốn số liệu cho Bảng 4.1: W G  G0 100 G0 (%) U (%)= (Gi - Go)/Go; ∆Ui+1 = Ui+1 – Ui; N (%/h) = ∆Ui+1/ (ti+1 – ti); Thế sấy: ε= tk – tư Tính tốn số liệu cho Bảng 4.2: Tìm giá trị tốc độ sấy đẳng tốc (N) hệ số góc (lấy giá trị dương) đường đẳng tốc đường cong sấy Tìm giá trị độ ẩm tới hạn (Uth) giá trị độ ẩm mà kết thúc đường cong sấy đẳng tốc bắt đầu đường cong sấy giảm tốc Giá trị U* chọn 0, giá trị U2 chọn 2,5 % Uo giá trị ẩm ban đầu vật liệu  Giá trị : U th  U * Giá trị K: K = χN, 1/h Giá trị 1: Giá trị 2: 1  U  U th N1 ,h 2  U th  U * U th  U * ln N1 U  U * ,h 24 h Sấy đối lưu Thí nghiệm Q trình & Thiết bị Tính tốn số liệu cho Bảng 4.4: (các giá trị lý thuyết) U th  Giá trị Uth: Uo  U* 1,8 Giá trị U* U2 lý thuyết thực nghiệm cho Giá trị N (lý thuyết): N = 100Jmf, %/h Giá trị :  = 1,8 Uo Giá trị K: K = *N Giá trị 1 2 tính tốn Bảng 4.2 thay giá trị lý thuyết Thực nghiệm  Lý thuyết  100 Lý thuyế t Tính sai số: Sai số (%) = TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học & Thực phẩm – Tập 3: Truyền Khối”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TpHCM, 2004, 388tr [2] Giáo trình Thí nghiệm QTTB – Bộ môn Máy & Thiết bị – ĐH Bách Khoa TP.HCM 25 h