Báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị công nghệ

Mục đích của thí nghiệm nhằm: Xây dựng 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, thời gian sấy đẳng tấy và gi

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

GVHD: TS Nguyễn Quốc Hải

MỤC LỤC

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 2

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

2.1 Định nghĩa 2

2.2 Đặc trưng của quá trình sấy 2

2.3 Xác định tốc độ sấy theo cân bằng nhiệt của quá trình sấy 2

2.4 Phương trình cơ bản của động học quá trình sấy 3

2.5 Lượng nhiệt cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy giảm tốc (q2) 4

2.6 Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy đẳng tốc (q1) 5

2.7 Cường độ trao đổi nhiệt (q(x)) 5

2.8 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy 5

2.8.1 Đường cong sấy 5

2.8.2 Đường cong tốc độ sấy 6

2.9 Các giai đoạn của quá trình sấy 7

2.9.1 Giai đoạn đun nóng vật liệu (AB) 7

2.9.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc (BC) 7

2.9.3 Giai đoạn sấy giảm tốc (CD) 7

2.10 Thời gian sấy vật liệu 8

5.3.2 Tính toán các giá trị theo lý thuyết 28

5.4 Đánh giá kết quả thí nghiệm 30

2

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Khảo sát quá trình sấy đối lưu bằng thực nghiệm với tác nhân sấy là không khí, vật liệu sấy là giấy lọc được làm ẩm Quá trình sấy giấy lọc được tiến hành ở 03 chế độ của Caloriphe: 50oC, 60oC và 70oC Mục đích của thí nghiệm nhằm:

Xây dựng 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, thời gian sấy đẳng tấy và giảm tốc

Đánh giá sai số của quá trình sấy

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Định nghĩa

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

2.2 Đặc trưng của quá trình sấy

Quá trình sấy diễn ra rất phức tạp, đặc trưng cho tính không thuận nghịch và không ổn định Nó diễn ra đồng thời 04 quá trình: truyền nhiệt cho vật liệu, dẫn ẩm trong lòng vật liệu, chuyển pha và tách ẩm vào môi trường xung quanh

2.3 Xác định 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 :

t, , th - nhiệt độ của tác nhân sấy, vật liệu và hơi ẩm bão hòa, độ GoCo - khối lượng và nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kg & J/kg.độ GaCa - khối lượng và nhiệt dung riêng của ẩm, kg & J/kg.độ

r - ẩn nhiệt hóa hơi của ẩm, J/kg

Ch - nhiệt dung riêng của hơi ẩm, J/kg.độ Lượng ẩm bốc hơi trong thời gian d:

U: hàm ẩm hay độ ẩm của vật liệu – tính theo vật liệu khô, kg ẩm/kg vật liệu khô Từ (1), (2), (3) và (4), thiết lập cân bằng nhiệt:

Đây là biểu thức tính tốc độ sấy 𝑑𝑈𝑑𝜏 theo cân bằng nhiệt

2.4 Phương trình cơ bản của động học quá trình sấy

Theo phương trình truyền ẩm từ vật liệu vào tác nhân sấy:

Với:

kp - hệ số truyền ẩm trong pha khí, kg/m2.h.p = 1 (1at hay 1mmHg )

pm, p - áp suất của hơi ẩm trên bề mặt vật liệu và trong pha khí, mmHg (hay at) Thay Ga = GoU vào (7) và biến đổi, ta có:

C - nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm, J/kg.độ Ro -bán kính qui đổi của vật liệu, m

Khi đó, nếu bỏ qua nhiệt làm quá nhiệt hơi ẩm, ta có:

4

𝑞 = 𝜌𝑜𝑅𝑜𝑟𝑑𝑈𝑑𝜏 + 𝐶𝜌𝑜𝑅𝑜𝑑𝜃𝑑𝜏 = [1 + (𝐶𝑟)𝑑𝜃𝑑𝑈] × (𝜌𝑜𝑅𝑜𝑟𝑑𝑈𝑑𝜏) = (1 + 𝑅𝑏)𝜌𝑜𝑅𝑜𝑟𝑑𝑈𝑑𝜏 (10)

Với: 𝑅𝑏 = 1 +𝐶𝑟𝑑𝑈𝑑𝜃: Chuẩn số Rebinde đặc trưng cho động học của quá trình sấy Biểu thức (10) là phương trình cơ bản của động học về sấy, nó cho biết sự biến đổi ẩm của vật liệu theo thời gian Ta có thể nhận được biểu thức (10) 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

2.5 Lượng nhiệt cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy giảm tốc (q2)

Mặt khác 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:

N - tốc độ sấy đẳng tốc, kg ẩm/ (kg vật liệu khô.s) Tích phân phương trình (11) ta nhận được:

Logarit hóa (13), ta có:

𝑙𝑔(𝑈 − 𝑈∗) = 𝑙𝑔(𝑈𝑡ℎ − 𝑈∗) −2.31 𝜒𝑁𝜏 (14)

Như vậy nếu biết được hệ số sấy K, có thể xác định được thời gian cần thiết để thực hiện giai đoạn sấy giảm tốc

Hệ số sấy tương đối được xác định bằng thực nghiệm và có thể tính gần đúng như sau:

2.6 Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy đẳng tốc (q1)

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:

Như vậy,theo biểu thức (20), khi biết chuẩn số Rb sẽ tính được cường độ trao đổi nhiệt theo độ ẩm của vật liệu

2.8 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy 2.8.1 Đường cong sấy

Là đuờng cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu (U) theo thời gian sấy ():

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 tuy chế độ và phương pháp sấy khác nhau nhưng đường cong sấy vẫn có dạng tương tự nhau

6

(xem hình 2.8.2.1)

2.8.2 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:

Từ biểu thức (22), (23) rõ ràng đường cong tốc độ sấy là là đạo hàm của đường cong sấy (xem hình 2.8.2.2)

Hình 2.8.2.1: Đường cong sấy Hình 2.8.2.2: Đường cong tốc độ sấy

AB – Đun nóng vật liệu AB – Đun nóng vật liệu BC – Sấy đẳng tốc BC – Sấy đẳng tốc

1 – Đường cong sấy 1 – Vật liệu dạng bản mỏng, xốp: Giấy, 2 – Đường nhiệt độ của vật liệu bìa,…

2 – Vật liệu keo 3 – Vật liệu xốp

4 – Vật liệu keo xốp: có điểm uốn (thay đổi cơ chế vận chuyển ẩm)

5 – Vật liệu có điểm gãy khúc (điểm tới hạn thứ hai)

2.9 Các giai đoạn của quá trình sấy

2.9.1 Giai đoạn đun nóng vật liệu (AB)

Giai đoạn này xảy ra nhanh với khoảng thời gian ngắn không đáng kể Toàn bộ nhiệt do dòng tác nhân cấp dùng để đun nóng vật liệu từ nhiệt độ đầu (𝜃𝑜)

Trong giai đoạn này lượng ẩm tách ra không đáng kể, độ ẩm vật liệu giảm không nhiều và tốc độ sấy nhanh lên với tốc độ cực đại (N), thường giai đoạn này bỏ qua trong tính toán

2.9.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc (BC)

Trong giai đoạn này, tốc độ khuếch tán ẩm từ trong lòng vật liệu ra bề mặt lớn hơn tốc độ bốc hơi ẩm từ bề mặt vật liệu, nên bề mặt vật liệu luôn bảo hòa ẩm

Toàn bộ lượng nhiệt cung cấp để bốc hơi ẩm bề mặt (ẩm tự do) và bề mặt bốc hơi là bề mặt ngoài của vật liệu không đổi nên các thông số sấy sau đây sẽ không đổi: Nhiệt độ bề mặt vật liệu và tốc độ sấy; và đo ẩm vật liệu gia m

Với Uth: là độ ẩm tới hạn, độ ẩm cuối giai đoạn sấy đẳng tốc

2.9.3 Giai đoạn sấy giảm tốc (CD)

Do đã bốc hơi hết ẩm bề mặt chỉ còn ẩm liên kết, nên bề mặt bốc hơi bị co hẹp lại dần đi sâu vào trong lòng vật liệu

Tốc độ khuếch tán ẩm trong vật liệu chậm làm giảm tốc độ chung

Nhiệt độ của vật liệu tăng dần từ nhiệt độ bầu ướt (tư) đến nhiệt độ dòng tác nhân (t) – nhiệt độ bầu khô

Lúc này; Trong vật liệu xuất hiện 03 vùng: Ẩm, bốc hơi và khô

8

Trong giai đoạn này, nếu đường cong tốc độ sấy có dạng đường thẳng (hoặc qui đổi sang đường thẳng – N2 =ax +b) thì ta có thể phân tích để tính thời gian sấy giai đoạn sấy giảm tốc này (𝜏2):

𝜏2 =𝑈𝑡ℎ−𝑈′

𝑁1 𝑙𝑛𝑈𝑡ℎ−𝑈′

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 được tính bằng tổng thời gian của 03 giai đoạn sấy: đốt nóng vật liệu 𝜏0, sấy dẳng tốc (𝜏1) và sấy giảm tốc ( ); có thể bỏ qua giai đoạn 2 đốt nóng vật liệu, vì giai đoạn này xảy ra rất nhanh Biểu thức tính thời gian như sau:

𝜏 = 𝜏1+ 𝜏2 =𝑈0−𝑈𝑡ℎ

𝑁 +2.3𝑁 (𝑈𝑡ℎ − 𝑈′) 𝑙𝑔(𝑈𝑡ℎ−𝑈′

𝑈2−𝑈′) (26)

Với U2: độ ẩm của vật liệu cuối quá trình sấy, tương ứng với 𝜏2; U2 > U’ và thường được lấy: U2 = U’ + (2 - 3) (%)

3 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Tiến hành sấy giấy lọc ở 03 chế độ 50oC, 60oC và 70oC

Đặt giấy lọc vào buồng sấy, ghi nhận giá trị khối lượng của vật liệu sau khi làm ẩm (G1)

Cứ 02 phút ghi nhận giá trị khối lượng hiển thị trên cân và giá trị trên bảng điều khiển tự động bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm trước và sau buồng sấy

Tiếp tục sấy đến khi giá trị khối lượng vật liệu không đổi thì dừng chế độ thí nghiệm và chuyển sang chế độ thí nghiệm khác

4 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM 4.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm

Hệ thống thiết bị sấy được trang bị :

Quạt hút: Vận chuyển không khí, hút không khí từ môi trường và thổi qua

Caloriphe để nâng nhiệt độ dòng tác nhân lên nhiệt độ cần thiết

Caloriphe: Ba điện trở có công suất 3 KW và được ổn định nhiệt độ nhờ bộ điều nhiệt tự ngắt

Hệ thống đo nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, được đặt trong buồng sấy

tại vị trí trước buồng sấy (sau Caloriphe) và sau buồng sấy

Hệ thống cân: Xác định khối lượng vật liệu sấy theo thời gian Hai cửa gió: Có van, để thay đổi lượng tác nhân

Hình 4.1.1 Sơ đồ hệ thống sấy đối lưu

1 Quạt hút 2 Điện trở

3 Nhiệt kế bầu khô trước buồng sấy (sau Caloriphe) 4 Ẩm kế đo độ ẩm không khí trước buồng sấy 5 Cửa buồng sấy

6 Giá để vật liệu sấy

10

7 Cân

8 Nhiệt kế bầu khô sau buồng sấy

9 Ẩm kế đo độ ẩm không khí sau buồng sấy

Bật công tắc nguồn và gia nhiệt để hút không khí và thổi qua Caloriphe và gia nhiệt dòng tác nhân

Cài đặt nhiệt độ gia nhiệt theo thí nghiệm tương ứng với các chế độ ở 50oC, 60oC và 70oC

Chờ hệ thống hoạt động ổn định, nhiệt độ của Caloriphe đạt giá trị cài đặt mong muốn (±1÷2oC)

Xác định khối lượng vật liệu khô ban đầu (G0) của giấy lọc

Khối lượng vật liệu khô tuyệt đối được xác định trong môi trường có tác nhân sấy để hạn chế sai số (các số liệu được lấy trong cùng điều kiện hoạt động)

Mở cửa buồng sấy, đặt cẩn thận giấy lọc vào giá, khóa chặt van cửa buồng sấy

Đọc giá trị khối lượng vật liệu khô (Go)

Tiến hành thí nghiệm:

Giấy lọc sau khi cân, đem đi làm ẩm nhẹ nhàng (tránh rách giấy) Cho giấy lọc vào giá đỡ, sau đó khóa kín van cửa buồng sấy

Cứ sau 02 phút ta ghi nhận lại các số liệu: khối lượng vật liệu, nhiệt độ bầu khô và độ ẩm tại vị trí sau buồng sấy Tiếp tục đến khi giá trị khối lượng vật liệu không đổi thì dừng chế độ thí nghiệm này chuyển sang chế độ khác

Chuyển chế độ thí nghiệm

Sau khi hoàn thành chế độ trước, lấy giấy lọc ra và tiếp tục đem đi làm ẩm

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

Cài đặt lại giá trị gia nhiệt cho chế độ mới và chờ hệ thống hoạt động ổn định Lặp lại trình tự như chế độ đầu và ghi nhận kết quả

Bước 3: Tắt hệ thống

Khi hoàn thành xong thí nghiệm, tắt công tắc gia nhiệt, hệ thống cân, chờ cho hệ thống được làm nguội tự động quạt tắt và sau đó tắt nguồn hệ thống

12

5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5.1 Số liệu thô

Khối lượng khô ban đầu của 03 tờ giấy lọc: Go= 27.00g

Bảng 5.1.1 Bảng số liệu thô ở chế độ sấy 50oC với Go = 27.00 g

Bảng 5.1.2 Bảng số liệu thô ở chế độ sấy 60oC với Go = 27.00 g

Xác định nhiệt độ bầu ướt (𝑇ư) và áp suất hơi bão hòa (𝑃𝑚): Từ nhiệt đồ bầu khô Tk (oC) và độ ẩm φ (%), tra giản đồ không khí ẩm, ta xác định được nhiệt độ bầu ướt (Tư) và áp suất hơi bão hòa (Pm)

Bảng 5.2.1.1 Xử lý số liệu ở chế độ sấy 50oC với Go = 27.00 g

18

Hình 5.2.1.2 Đường cong sấy ở chế độ 50oC

Hình 5.2.1.3 Đường cong tốc độ sấy ở chế độ sấy 50oC

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

Xác định nhiệt độ bầu ướt (𝑇ư) và áp suất hơi bão hòa (𝑃𝑚): Từ nhiệt đồ bầu khô Tk (oC) và độ ẩm φ (%), tra giản đồ không khí ẩm, ta xác định được nhiệt độ bầu ướt (Tư) và áp suất hơi bão hòa (Pm)

Chế độ sấy 60oC

τ (phút) G1 (g) φo (%) T1 (oC) φ1 (%) T2 (oC) φ2 (%)

Bảng 5.2.2.1 Xử lý số liệu ở chế độ sấy 60oC với Go = 27.00 g

22

Hình 5.2.2.2 Đường cong sấy ở chế độ 60oC

Hình 5.2.2.3 Đường cong tốc độ sấy ở chế độ sấy 60oC

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

Xác định nhiệt độ bầu ướt (𝑇ư) và áp suất hơi bão hòa (𝑃𝑚): Từ nhiệt đồ bầu khô Tk (oC) và độ ẩm φ (%), tra giản đồ không khí ẩm, ta xác định được nhiệt độ bầu ướt (Tư) và áp suất hơi bão hòa (Pm)

Bảng 5.2.3.1 Xử lý số liệu ở chế độ sấy 70oC với Go = 27.00 g

26

Hình 5.2.3.2 Đường cong sấy ở chế độ 70oC

Hình 5.2.3.3 Đường cong tốc độ sấy ở chế độ sấy 70oC

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)

5.3 Tính toán các giá trị từ đồ thị và lý thuyết 5.3.1 Tính toán các giá trị từ đồ thị

Dựa vào đường cong tốc độ sấy ta xác định được các đại lượng sau:

Độ ẩm tới hạn Uth và tốc độ sấy đẳng tốc (N) tra từ đường cong tốc độ sấy

Trong đó, Uth là độ ẩm cuối giai đoạn sấy đẳng tốc và N là tốc độ sấy trung bình của các điểm sấy đẳng tốc

Độ ẩm cân bằng U2 tra từ đường cong sấy U2 là độ ẩm cuối quá trình sấy

Đối với chế độ sấy 50oC:

5.3.2 Tính toán các giá trị theo lý thuyết

Đối với chế độ sấy 50oC

Tương tự đối với các chế độ sáy khác, ta thu được kết quả như sau:

30

5.4 Đánh giá kết quả thí nghiệm

Công thức tính toán sai số:

6 BÀN LUẬN 6.1 Hoài Bảo

Dạng đường cong sấy – Đường cong tốc độ sấy so với dạng lý thuyết

Đường cong sấy: gần giống với lý thuyết, đồ thị không biểu diễn giai đoạn đốt nóng như lý thuyết vì quá trình diễn ra quá nhanh Ở cả 3 chế độ khảo sát (50C, 60C, 70C) thì đường cong tốc độ sấy tương đối như nhau, tuy nhiên còn nhiều điểm chênh lệch, có thể do thao tác và thời gian ghi nhận chưa đồng bộ, do ảnh hưởng của môi trường dẫn đến chênh lệch về số liệu

Đường cong tốc độ sấy: Chênh lệch nhiều với dạng lý thuyết, có thể do sai số trong quá trình thực nghiệm nên còn một số vị trí bị lệch, vì vậy cần chọn lọc số liệu trong quá trình thực nghiệm để có được đường cong tốc độ sấy chính xác hơn

Mối quan hệ của các thông số sấy

Độ ẩm tới hạn (Uth): phụ thuộc vào độ ẩm không khí và nhiệt độ như độ ẩm cân bằng

Độ ẩm tới hạn là độ ẩm cuối cùng của quá trình sấy đẳng tốc Độ ẩm tới hạn còn phụ thuộc vào Uo và U*

Độ ẩm cân bằng (U*): phụ thuộc vào độ ẩm không khí và nhiệt độ Với cùng một độ ẩm, khi nhiệt độ càng tăng thì độ ẩm của vật liệu càng giảm đến khi không thay đổi nữa, tức đạt đến độ ẩm cân bằng

Tốc độ sấy – N: khi nhiệt độ càng tăng thì tốc độ sấy đẳng tốc càng tăng

Hệ số tương đối của giai đoạn sấy đẳng tốc: chỉ phụ thuộc vào tính chất của vật liệu ẩm không phụ thuộc vào nhiệt độ của tác nhân sấy

Hệ số sấy trong giai đoạn giảm tốc K: phụ thuộc vào tốc độ sấy đẳng tốc (N) và tính chất vật liệu ẩm Tức là với tính chất vật liệu ẩm không đổi khi nhiệt độ tác nhân sấy càng tăng thì K càng tăng

Thời gian sấy đẳng tốc: khi nhiệt độ càng tăng thì thời gian sấy đẳng tốc càng giảm

Thời gian sấy giảm tốc: nhiệt độ sấy càng cao thì thời gian sấy giảm tốc càng giảm

32

Khi nhiệt độ tác nhân sấy tăng thì: U* ↓, Uth ↓, hệ số tương đối của giai đoạn sấy đẳng tốc không đổi, thời gian sấy đẳng tốc ↓, thời gian sấy giảm tốc ↓, K ↑, N↑

Nguyên nhân và biện pháp khắc phục sai số Nguyên nhân dẫn đến sai số:

Do thao tác người làm thí nghiệm thiếu chính xác vì: đọc số cân hiển thị trên cân phân tích, nhiệt độ bầu khô, bầu ướt, thiếu chính xác do số liệu nhảy liên tục

Tra P, Pm bằng giản đồ không khí ẩm thiếu chính xác, sai số trong tính toán Sai số do thiết bị thí nghiệm có thể sai lệch

Vật liệu ban đầu không phải vật liệu khô tuyệt đối còn giữ lượng ẩm của phòng

Sử dụng đồng hồ bấm giờ canh chính xác thời gian

Đọc các thông số một cách chính xác nhất: nhiệt độ bầu khô, bầu ướt, khối lượng giấy

Phải để nhiệt độ sấy đạt đến nhiệt độ sấy ổn định mới cho vật liệu sấy vào, Không được chạm vào thiết bị khi sấy

6.2 Phương Anh

Dạng đường cong sấy – Đường cong tốc độ sấy so với dạng lý thuyết

Đường cong sấy: chia làm 3 đoạn gần giống với lý thuyết như sau:

Đoạn 1: Giai đoạn đun nóng vật liệu: theo lý thuyết thì giai đoạn này diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn và độ ẩm của vật liệu thay đổi không đáng kể nên có thể bỏ qua

Tuy nhiên, trên đồ thị đường cong sấy dựng được ta lại thấy đoạn này trên đồ thị rất dốc, độ ẩm thay đổi nhiều Kết quả này sai lệch so với lý thuyết do sai số trong quá trình thí nghiệm

Downloaded by tran quang (quangsuphamhoak35@gmail.com)