Môn kỹ thuật thực phẩm bài sấy đối lưu

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH - - MƠN: KỸ THUẬT THỰC PHẨM BÀI: SẤY ĐỐI LƯU Tên: Võ Thành Đô MSSV: 21118121 Lớp: DHTP17E Nhóm: Tổ: Ngày thực hành: 05/05/2023 GVHD: Nguyễn Minh Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Tiến MỤC LỤC Tóm tắt Giới thiệu 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.2.Nguyên lý trình sấy khơng khí 2.1.2 Đường cong sấy tốc độ sấy 2.2 Mơ hình thí nghiệm 2.2.1 Sơ đồ hệ thống Mục đích thí nghiệm Thực nghiệm 4.1 Trang thiết bị, hóa chất 4.2 Tiến hành thí nghiệm 4.2.1 Thí nghiệm: Khảo sát tĩnh học q trình sấy Kết bàn luận 11 5.1 Kết thí nghiệm 11 5.1.1 Thí nghiệm 1: Sấy tốc độ gió wk=2,5(m/s) 11 5.2 Tính tốn kết 11 Kết luận 12 Tính mẫu 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 14 Tóm tắt Q trình sấy khảo sát hai mặt: tĩnh lực học động lực học Bài nghiên cứu trình sấy cụ thể sấy đối lưu khảo sát tĩnh học Vậy sấy gì? Và sấy đối lưu gì? Sấy trình tách pha lỏng khỏi vật liệu phương pháp nhiệt Nguyên tắc trình sấy cung cấp lượng nhiệt để biến đổi trạng thái pha pha lỏng vật liệu thành Hầu hết vật liệu trình sản xuất chứa pha lỏng nước thường gọi ẩm Trong thực tế xem sấy q trình tách ẩm phương pháp nhiệt Sấy đối lưu phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với không khí, khói lị, gọi chung tác nhân sấy Nghiên cứu tĩnh lực học trình sấy nhằm xác định mối quan hệ thông số đầu cuối vật liệu sấy tác nhân sấy dựa phương trình cân vật chất, lượng từ xác định thành phần vật liệu, lượng tác nhân lượng nhiệt cần thiết Giới thiệu 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.2.Nguyên lý trình sấy khơng khí Trong q trình sấy dùng tác nhân sấy khơng khí gọi sấy khơng khí Sơ đồ ngun lý làm việc máy sấy khơng khí mơ tả hình sau: Hình 1: Sơ đồ sấy khơng khí Trong sấy lý thuyết coi đại lượng nhiệt bổ sung nhiệt tổn thất không, gặp trường hợp nhiệt bổ sung nhiệt tổn thất coi sấy lý thuyết Khi sấy lý thuyết nhiệt lượng riêng khơng khí khơng thay đổi suốt q trình H=const (đằng H), nói cách khác, q trình sấy lý thuyết, phần nhiệt lượng khơng khí có bị mát để làm bốc nước vật liệu, H khơng đổi Trong q trình sấy, thường khơng khí thay đổi trạng thái vào phòng sấy sau sấy Các thơng số đặc trưng cho trạng thái khơng khí từ ta xác định đại lượng: - Lượng khơng khí khơ máy sấy: 𝐿= 𝑊 𝑊 = ̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝑌2 − 𝑌̅1 𝑌̅2 − 𝑌̅0 Trong đó: L: lượng khơng khí khơ máy sấy (kg/h) W: lượng ẩm tách khỏi vật liệu (kg/h) 𝑌̅0 : hàm ẩm ban đầu tác nhân sấy (kg/kgkkk) 𝑌̅1 : hàm ẩm sau đốt nóng tác nhân sấy (kg/kgkkk) 𝑌̅2 : hàm ẩm sau sấy tác nhân sấy (kg/kgkkk) - Lượng nhiệt cung cấp cho trình: 𝑄𝑠 = 𝐿(𝐻1 − 𝐻0 ) Trong đó: 𝑄𝑠 : lượng nhiệt cung cấp cho trình sấy (kJ/h) 𝐻0 : hàm nhiệt ban đầu tác nhân sấy (kg/kgkkk) 𝐻1 : hàm nhiệt sau đốt nóng tác nhân sấy (kg/kgkkk) Trường hợp lượng nhiệt bổ sung chung khác với nhiệt lượng tổn thất chung gọi sấy thực tế 2.1.2 Đường cong sấy tốc độ sấy Đường cong biểu diễn thay đổi độ ẩm vật liệu theo thời gian sấy gọi đường cong sấy Để tìm phụ thuộc này, đem vật liệu ẩm sấy đối lưu đơn giản khơng nóng với tốc độ nhiệt độ khơng khí ẩm khơng đổi Sự giảm độ ẩm vật liệu đơn vị thời gian gọi tốc độ sấy 𝑑𝑋̅ 𝑁= 𝑑𝜏̅ Từ biểu thức tốc độ sấy nhận thấy tốc độ sấy tang góc nghiêng a đường tiếp tuyến với đường cong sẩy Như phương pháp vi phân đồ thị tìm tốc độ sấy dựng đồ thị phụ thuộc tốc độ sấy với độ ẩm vật liệu, đồ thị phụ thuộc gọi đường cong tốc độ sấy Hình 2: Đường cong sấy Hình 3: Các đường cong tốc độ sấy điển hình Phân tích đường cong sấy, đường cong tốc độ sấy nhận thấy diễn biến trình sấy gồm giai đoạn: giai đoạn đốt nóng vật liệu, giai đoạn sấy đẳng tốc giai đoạn sấy giảm tốc 2.1.2.1 Giai đoạn đốt nóng vật liệu Đoạn AB Hình biểu diễn giai đoạn đốt nóng vật liệu: ban đầu nhiệt độ vật liệu thấp nhiệt độ bay đoạn nhiệt khơng khí giai đoạn đốt nóng, nhiệt độ vật liệu tăng lên Trong giai đoạn độ ẩm vật liệu thay đổi chậm thời gian diễn tiến nhanh, kết thúc giai đoạn này, nhiệt độ vật liệu đạt đến nhiệt độ bầu ướt khơng khí Nếu vật liệu có độ dày nhỏ q trình sấy đối lưu thời gian khơng đáng kể 2.1.2.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc Đoạn BC Hình biểu diễn giai đoạn sấy đẳng tốc: sau giai đoạn đốt nóng, độ ẩm vật liệu giảm tuyển tính theo thời gian sấy (trên đường cong sấy đoạn thẳng hay đường cong tốc độ sấy đoạn nằm ngang) Trong giai đoạn này, giảm độ ẩm vật liệu đơn vị thời gian không đổi (N = const) nên gọi giai đoạn sấy đẳng tốc, giai đoạn sấy đẳng tốc kéo dài thời điểm mà hàm ẩm vật liệu đạt giá trị kết thúc, gọi độ ẩm tới hạn vật liệu Nhiệt độ vật nói chung nhiệt độ tâm bề mặt vật đạt đến giá trị xấp xỉ nhiệt độ bầu ướt tác nhân sấy nghĩa toàn nhiệt lượng vật liệu nhận để bay ẩm Tốc độ sấy đẳng tốc tính theo công thức 𝑁= 100 𝐽𝑚 100 𝐽𝑚 𝐹 100 𝐽𝑚 𝐹 = = = 100 𝐽𝑚 𝑓 𝑅𝑣 𝜌0 𝑉 𝜌0 𝐺0 Trong đó: N: tốc độ sấy đẳng tốc (%/h) F: bề mặt bay vật liệu (m2) V: thể tích vật liệu (m3) Ps: khối lượng riêng chất khô vật liệu (kg/m3) G0: Khối lượng vật liệu khô tuyệt đối (kg) 𝑓= 𝐹 𝐺𝑜 : Bề mặt riêng khối lượng vật liệu (m3/kg) Jm: cường độ bay (kg/m2.h) Cường độ bay giai đoạn đẳng tốc xác định từ phương trình Dalton Newton: 𝐽𝑚 = 𝛼𝑞 (𝑡 − 𝑡ư ) 𝑟 𝑘 𝛼𝑞 : hệ số tra đổi nhiệt (kJ/m2.h.°C) r: nhiệt hóa nước nhiệt độ bầu ướt (kJ/kg) Nếu sấy đối lưu nhiệt độ không cao vật liệu phẳng ta có cơng thức thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt 𝛼𝑞 𝛼𝑞 = 3,6 (𝑤𝑘 𝜌𝑘 )0,6 𝑊 , ( 𝐾) (2 𝑅)0,4 𝑚2 Trong đó: R: nửa chiều dày vật liệu (m) wk: vận tốc tác nhân sấy (m/s) 𝜌𝑘 : khối lượng riêng tác nhân sấy (kg/m3) Thời gian sấy giai đoạn đẳng tốc 𝜏1 = 𝑋̅đ − 𝑋̅𝑘 𝑁 Trong đó: 𝑋̅đ : Xới độ ẩm ban đầu vật liệu (tính theo vật liệu khơ) 𝑋̅𝑘 : độ ẩm tới hạn (tính theo vật liệu khơ) N: tốc độ sấy giai đoạn đẳng tốc (%/h) 2.1.2.3 Giai đoạn sấy giảm tốc Khi độ ẩm vật liệu đạt giá trị tới hạn tốc độ sấy bắt đầu giảm dần đường cong sấy chuyển từ đường thẳng sang đường cong tiệm cận dần đến độ ẩm cân vật liệu điều kiện trình sấy Khi độ ẩm vật liệu đạt đến giá trị cân hàm ẩm vật liệu không giảm tốc độ sấy 0, trình sấy kết thúc Tốc độ sấy giai đoạn thay đổi theo qui luật khác tùy thuộc tính chất dạng vật liệu (Hình 3) Để dễ dàng cho việc tính tốn, người ta thay dạng đường cong phức tạp tốc độ sấy đường thẳng giảm tốc quy ước cho việc thay có sai số bé nhất, giá trị độ ẩm tới hạn dịch chuyển điểm tới hạn qui ước gọi độ ẩm tới hạn qui ước, giao điểm đường đẳng tốc N đường thẳng giảm tốc quy ước Tốc độ sấy giai đoạn giảm tốc 𝑑𝑋̅ − = 𝐾(𝑋̅ − 𝑋̅𝑐𝑏 ) 𝑑𝜏 Dấu (-) tốc độ sấy giảm dần K gọi hệ số sấy, phụ thuộc vào chế độ sấy (tốc độ sấy đẳng tốc N) tính chất vật liệu (1/h) K hệ số góc đường thẳng giảm tốc tính: 𝐾= 𝑁 𝑋̅𝑘𝑞𝑢 − 𝑋̅𝑐𝑏 Thời gian sấy giai đoạn giảm tốc 𝜏2 = 𝑋̅𝑘𝑞𝑢 − 𝑋̅𝑐𝑏 𝑋̅𝑘𝑞𝑢 − 𝑋̅𝑐𝑏 𝑋̅𝑘𝑞𝑢 − 𝑋̅𝑐𝑏 ln ( ) = ln ( ) 𝑁 𝐾 𝑋̅𝑐 − 𝑋̅𝑐𝑏 𝑋̅𝑐 − 𝑋̅𝑐𝑏 Trong đó: 𝑋̅𝑐 : độ ẩm cuối vật liệu sấy (tính theo vật liệu khơ) (𝑋̅𝑐 > 𝑋̅𝑐𝑏 ) 2.2 Mơ hình thí nghiệm 2.2.1 Sơ đồ hệ thống Hình 4: Sơ đồ hệ thống Ký hiệu Tên gọi Cửa nạp liệu Cân Calorife Quạt Tủ điện Nhiệm vụ Nạp liệu phòng sấy Xác định khối lượng Gia nhiệt tác nhân sấy Vận chuyển tác nhân sấy Điều khiển thiết bị Ghi A B Công tắc điện trở Công tắc điện trở C D E Tk Cơng tắc điện trở Đóng điện trở Dimer quạt Thay đổi tốc độ quạt Bộ điều khiển nhiệt độ Điều khiển nhiệt độ Điện trở Đầu dị nhiệt độ bầu khơ Hiển thị nhiệt độ Tk0 điểm Đầu dò nhiệt độ bầu ướt Hiển thị nhiệt độ Tư1 điểm Đầu dò nhiệt độ bầu khô Hiển thị nhiệt độ Tk1 điểm Đầu dò nhiệt độ bầu ướt Hiển thị nhiệt độ Tư1 điểm Đầu dị nhiệt độ bầu khơ Hiển thị nhiệt độ Tk2 điểm Đầu dò nhiệt độ bầu ướt Hiển thị nhiệt độ Tư2 điểm Bảng 1: Bảng mơ tả phận mơ hình sấy Tư Tk Tư Tk Tư Đóng điện trở Đóng điện trở Các điều khiển nhiệt độ Mục đích thí nghiệm Thí nghiệm: Khảo sát tĩnh lực học trình sấy đối lưu thiết bị sấy không - Xác định biến đổi thơng số vật lý khơng khí ẩm thành phần vật liệu sấy trình sấy - Xác định lượng khơng khí khơ cần sử dụng lượng nhiệt cần thiết cho trình sấy - So sánh đánh giá khác trình sấy thực tế trình sấy lý thuyết Thực nghiệm 4.1 Trang thiết bị, hóa chất - Vật liệu sấy: giấy lọc giấy carton - Phong tốc kế - Đồng hồ bấm giây (có thể sử dụng điện thoại di động) 4.2 Tiến hành thí nghiệm 4.2.1 Thí nghiệm: Khảo sát tĩnh học q trình sấy 4.2.1.1 Chuẩn bị - Kiểm tra nước vị trí đo nhiệt độ bầu ướt - Kiểm tra hoạt động phong tốc kế - Tắt tất công tắc tủ điều khiển - Cài đặt nhiệt độ sấy - Khởi động tủ điều khiển - Kiểm tra hoạt động cân - Cân vật liệu sấy - Làm ẩm vật liệu sấy - Khởi động quạt, điều chỉnh tốc độ thí nghiệm - Đo tốc độ quạt, ghi nhận giá trị đo - Bật công tắc điện trở 1, - Khi nhiệt độ đạt giá trị thí nghiệm ổn định bắt đầu tiến hành thí nghiệm 4.2.1.2 Các lưu ý - Trước đặt vật liệu sấy vào phòng sấy phải điều chỉnh cân - Khi nhiệt độ sấy đạt giá trị thí nghiệm giá trị tăng tắt điện trở hoặc hai điện trở 3, tuyệt đối không tắt điện trở (do có điều khiển) Trường hợp sau khoảng thời gian định khơng đạt kiểm tra điện trở bật chưa (đèn báo), chưa bật lên - Trong suốt q trình thí nghiệm phải điều chỉnh cho nhiệt độ điểm 1, tốc độ tác nhân sấy không thay đổi - Khi kết thúc thí nghiệm: + Tắt cơng tắc điện trở (nếu bật) + Cài đặt nhiệt độ điều khiển nhiệt độ thí nghiệm Nếu thí nghiệm cuối cài đặt nhiệt độ điều khiển 20°C tắt công tắc điện trở + Lấy vật liệu sấy khỏi phòng sấy 4.2.1.3 Báo cáo - Xác định thơng số khơng khí ẩm vị trí khác - Xác định thành phần vật liệu sấy trình sấy 10 - Xác định lượng khơng khí khơ cần sử dụng lượng nhiệt cần thiết cho trình sấy - So sánh đánh giá khác trình sấy thực tế q trình sấy lý thuyết * THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM TRÊN LẦN VỚI TỐC ĐỘ GIÓ KHÁC NHAU Kết bàn luận 5.1 Kết thí nghiệm 5.1.1 Thí nghiệm 1: Sấy tốc độ gió wk=2,5(m/s) - Khối lượng mẫu ban đầu G0=0,082 (Kg) - Chiều dài chiều rộng buồng sấy 0,4m, 0,25m Số điện trở Nhiệt Thời độ (ᵒC) gian (phút) 50 55 60 Gđ (Kg) Gc (Kg) Tk0 (ᵒC) Tk1 (ᵒC) Tk2 (ᵒC) 0,155 0,143 33 46 33 0,183 0,175 27 49 35 0,186 0,179 28 55 35 Bảng 2: Kết sấy thí nghiệm Tư0 (ᵒC) Tư1 (ᵒC) Tư2 (ᵒC) 27 27 28 33 32 33 28 29 28 5.2 Tính tốn kết - Tra giản đồ Ramzin ta được: H0 (kJ/kg) STT ST T H1 (kJ/kg) H2 (kJ/kg) Y0 (kg/kg) Y1 (kg/kg) Y2 (kg/kg) 85 117 90 0,0201 0,0321 0,0221 85 111 95 0,0225 0,024 0,0232 90 116 90 0,0240 0,0239 0,0241 Bảng 3: Thơng số khơng khí ẩm vị trí 0, 1, thí nghiệm Lí thuyết 𝑥̅đ 𝑥̅𝑐 𝑋̅đ 𝑋̅𝑐 Thực tế W 𝐿𝑙𝑡 𝑄𝑙𝑡 𝐿𝑡𝑡 𝑄𝑡𝑡 0,4709 0,4265 0,89 0,7436 0,012 30 0,25 2,22 0,5519 0,5314 1,2316 1,1340 0,008 11,4 114 0,25 2,22 0,5591 0,5418 1,268 1,182 0,007 70 0,25 2,22 Bảng 4: Kết tính tốn thí nghiệm 11 Kết luận - Lượng ẩm bay khỏi vật liệu tương đối - Kết sấy thực nghiệm nhỏ so với kết sấy lý thuyết - Nguyên nhân tạo nên khác biệt trình sẩy lý thuyết sấy thực nghiệm trình sảy lý thuyết xem nhiệt lượng bổ sung trình sấy với nhiệt lượng tổn thất trình sấy Trong trình sấy thực nghiệm nhiệt lượng bổ sung khác nhiệt lượng tổn thất Ngoài so với thực nghiệm ta bỏ qua giai đoạn đun nóng nhỏ nên lượng nhiệt so với lý thuyết có sai lệch Tính mẫu Số Nhiệt điện độ (ᵒC) trở 50 - G0=0,082 (kg) Thời gian (phút) Gđ (Kg) Gc (Kg) Tk0 (ᵒC) Tk1 (ᵒC) Tk2 (ᵒC) Tư0 (ᵒC) Tư1 (ᵒC) Tư2 (ᵒC) 0,155 0,145 33 46 33 27 33 28 - Chiều dài 0,4m - Chiều rộng 0,25m ̅đ , 𝒙 ̅𝒄 - Tính 𝒙 𝑥̅đ = 𝐺đ − 𝐺0 0,155 − 0,082 = = 0,4709 𝐺đ 0,155 𝑥̅𝑐 = 𝐺𝑐 − 𝐺0 0,145 − 0,082 = = 0,4344 𝐺𝑐 0,145 ̅đ, 𝑿 ̅𝒄 - Tính 𝑿 𝑋̅đ = 𝑥̅đ 0,4709 = = 0,89 − 𝑥̅đ − 0,4709 𝑋̅𝑐 = 𝑥̅𝑐 0,4344 = = 0,768 − 𝑥̅𝑐 − 0,4344 - Tính lượng ẩm bay khỏi vật liệu 12 𝑊 = 𝐺𝑐 𝑥̅đ − 𝑥̅𝑐 0,4709 − 0,4344 = 0,145 = 0,01 − 𝑥̅đ − 0,4709 - Tính lượng khơng khí khơ cần sử dụng cho q trình sấy lí thuyết 𝐿𝑙𝑡 = 𝑊 0,01 = =5 𝑌̅2 − 𝑌̅0 0,0221 − 0,0201 - Tính lượng nhiệt cung cấp cho q trình sấy lí thuyết 𝑄𝑙𝑡 = 𝐿𝑙𝑡 (𝐻2 − 𝐻0 ) = (90 − 85) = 25 (𝑘𝐽) - Tính lượng khơng khí khơ cần sử dụng cho q trình sấy thực tế 𝐿𝑡𝑡 = 𝜔 𝐶𝐷 𝐶𝑅 𝜑𝑘𝑘 = 2,5 0,4 0,25 = 0,25 - Tính lượng nhiệt cung cấp cho trình sấy thực tế 𝑄𝑡𝑡 = 𝐿𝑡𝑡 (𝐻2 − 𝐻0 ) + 1 = 0,25 (90 − 85) + = 2,228(𝑘𝐽) + 0,0221 + 𝑌̅2 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Lụa, Kỹ thuật sấy vật liệu, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, 2014 [2] Nguyễn Văn May, giáo trình kỹ thuật sấy nơng sản thực phẩm, NXB KHKT, 2007 [3] Nguyễn Bin, trình thiết bị cơng nghiệp hóa chất thực phẩm, tập 4: phân riêng tác dụng nhiệt, NXB KHKT, 2013 14