Báo cáo thực hành kĩ thuật thực phẩm 2 bài thực hành sấy Đối lưu

Các thông số đặc trưng cho trạng thái không khí và từ đó ta xác định được các đại lượng:- Lượng không khí khô đi trong máy sấy: Y2 Y2−Y1= W Y2−Y0 Trong đó: L: lượng không khí khô đi tro

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC - THỰC PHẨM

BÁO CÁO THỰC HÀNH KĨ THUẬT THỰC PHẨM 2

BÀI THỰC HÀNH: SẤY ĐỐI LƯU

1 Tóm tắt

Quá trình sấy được khảo sát về hai mặt: tĩnh lực học và động lực học Bài này chúng ta nghiên cứu về quá trình sấy cụ thể là sấy đối lưu khảo sát về tĩnh học Vậy sấy là gì? Và sấy đối lưu là gì? Sấy là quá trình tách pha lỏng ra khỏi vật liệu bằng phương pháp

nhiệt

Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái pha của pha lỏng trong vật liệu thành hơi Hầu hết các vật liệu trong quá trình sản xuất đều chứa pha lỏng là nước và thường được gọi là ẩm Trong thực tế có thể xem sấy là quá trình tách ẩm bằng phương pháp nhiệt Sấy đối lưu là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với không khí, khói lò, gọi chung là tác nhân sấy Nghiên cứu về tĩnh lực học quá trình sấy nhằm xác định được mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy và của tác nhân sấy dựa trên phương trình cân bằng vật chất, năng lượng từ đó xác định được thành phần vật liệu, lượng tác nhân và lượng nhiệt cần thiết

2 Giới thiệu

2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.2.Nguyên lý quá trình sấy bằng không khí

Trong quá trình sấy nếu dùng tác nhân sấy là không khí thì gọi là sấy bằng không khí

Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy sấy bằng không khí được mô tả trên hình sau:

Hình 1: Sơ đồ sấy bằng không khí

Trong sấy lý thuyết coi các đại lượng nhiệt bổ sung và nhiệt tổn thất đều bằng không, nếu gặp trường hợp nhiệt bổ sung bằng nhiệt tổn thất cũng coi như sấy lý thuyết

Khi sấy lý thuyết nhiệt lượng riêng của không khí không thay đổi trong suốt quá trình H=const (đằng H), nói cách khác, trong quá trình sấy lý thuyết, một phần nhiệt lượng của không khí có bị mất mát đi cũng chỉ để làm bốc hơi nước trong vật liệu, do đó H không đổi

Trong quá trình sấy, thường thì không khí thay đổi trạng thái vào phòng sấy và sau khi

Các thông số đặc trưng cho trạng thái không khí và từ đó ta xác định được các đại lượng:

- Lượng không khí khô đi trong máy sấy: Y2

Y2−Y1=

W

Y2−Y0

Trong đó: L: lượng không khí khô đi trong máy sấy

(kg/h) W: lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu (kg/h)

Y0: hàm ẩm ban đầu của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

Y1: hàm ẩm sau khi được đốt nóng của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

Y2: hàm ẩm sau khi sấy của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

- Lượng nhiệt cung cấp cho quá trình:

Q s=L(H1−H0)

Trong đó:

𝑄𝑠: lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy (kJ/h)

𝐻0: hàm nhiệt ban đầu của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

𝐻1: hàm nhiệt sau khi được đốt nóng của tác nhân sấy (kg/kgkkk)

Trường hợp lượng nhiệt bổ sung chung khác với nhiệt lượng tổn thất chung gọi là sấy thực tế

2.1.2 Đường cong sấy và tốc độ sấy

Đường cong biểu diễn sự thay đổi độ ẩm của vật liệu theo thời gian sấy được gọi là đường cong sấy Để tìm được sự phụ thuộc này, đem vật liệu ẩm sấy đối lưu đơn giản bằng không khi nóng với tốc độ và nhiệt độ không khí ẩm không đổi

Sự giảm độ ẩm của vật liệu trong một đơn vị thời gian gọi là tốc độ sấy

N= d X

dτ

Từ biểu thức tốc độ sấy nhận thấy tốc độ sấy là tang góc nghiêng a của đường tiếp

tuyến với đường cong sẩy Như vậy bằng phương pháp vi phân đồ thị sẽ tìm được tốc độ sấy và dựng được đồ thị sự phụ thuộc tốc độ sấy với độ ẩm của vật liệu, đồ thị của sự phụ thuộc này được gọi là 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 và nhận thấy diễn biến của quá trình sấy gồm 3 giai đoạn: giai đoạn đốt nóng vật liệu, giai đoạn sấy đẳng tốc và giai đoạn sấy giảm tốc

2.1.2.1 Giai đoạn đốt nóng vật liệu

Đoạn AB trên Hình 2 biểu diễn giai đoạn đốt nóng vật liệu: nếu ban đầu nhiệt độ của vật liệu thấp hơn nhiệt độ bay hơi đoạn nhiệt của không khí thì trong giai đoạn đốt nóng, nhiệt độ của vật liệu tăng lên Trong giai đoạn này độ ẩm của vật liệu thay đổi rất chậm

và thời gian diễn tiến nhanh, kết thúc giai đoạn này, nhiệt độ của vật liệu đạt đến nhiệt độ bầu ướt của

không khí Nếu vật liệu có độ dày nhỏ và quá trình sấy là đối lưu thì thời gian này

không đáng kể

2.1.2.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc

Đoạn BC trên Hình 2 biểu diễn giai đoạn sấy đẳng tốc: sau giai đoạn đốt nóng, độ ẩm của vật liệu giảm tuyển tính theo thời gian sấy (trên đường cong sấy là đoạn thẳng hay trên đường cong tốc độ sấy là đoạn nằm ngang) Trong giai đoạn này, sự giảm độ ẩm của vật liệu trong một đơn vị thời gian là không đổi (N = const) nên được gọi là giai đoạn sấy đẳng tốc, giai đoạn sấy đẳng tốc kéo dài cho đến thời điểm mà hàm ẩm của vật liệu đạt giá trị nào đấy thì kết thúc, được gọi là độ ẩm tới hạn của vật liệu Nhiệt độ vật nói chung

và nhiệt độ ở tâm bề mặt vật đạt đến giá trị xấp xỉ nhiệt độ bầu ướt của tác nhân sấy

nghĩa là toàn bộ nhiệt lượng vật liệu nhận được chỉ để bay hơi ẩm

Tốc độ sấy đẳng tốc được tính theo công thức

N= 100 J m

R V ρ0 =

100 J m F

V ρ0 =

100 J m F

G0 =100 Jm f

Trong đó:

N: tốc độ sấy đẳng tốc (%/h)

F: bề mặt bay hơi của vật liệu (m2)

V: thể tích của vật liệu (m3)

ρ s: khối lượng riêng của chất khô trong vật liệu ( kg/m3)

G0: Khối lượng vật liệu khô tuyệt đối (kg)

f = F

G0 : Bề mặt riêng khối lượng của vật liệu (m3/kg)

J m: cường độ bay hơi ( kg/m2.h)

Cường độ bay hơi giai đoạn đẳng tốc được xác định từ phương trình của Dalton và Newton:

J m=α q

r (t k−t ư)

α q:hệ số tra đổi nhiệt (kJ/m2.h.° C )

r: nhiệt hóa hơi của nước ở nhiệt độ bầu ướt (kJ/kg)

Nếu sấy đối lưu ở nhiệt độ không cao và vật liệu phẳng thì ta có công thức thực

nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt 𝛼𝑞

α q=3.6(W k ρ k)0,6

(2 R)0,4 , ( W

m2 K)

Trong đó:

R: nửa chiều dày của vật liệu

(m) wk: vận tốc tác nhân sấy

(m/s)

𝜌𝑘: khối lượng riêng của tác nhân sấy (kg/m3)

Thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc

r1=X đ−X k

N

Trong đó:

X đ: Xới độ ẩm ban đầu của vật liệu (tính theo vật liệu khô)

X k: độ ẩm tới hạn (tính theo vật liệu

khô) N: tốc độ sấy trong giai đoạn

đẳng tốc (%/h)

2.1.2.3 Giai đoạn sấy giảm tốc

Khi độ ẩm của vật liệu đạt giá trị tới hạn thì tốc độ sấy bắt đầu giảm dần và đường

cong sấy chuyển từ đường thẳng sang đường cong tiệm cận dần đến độ ẩm cân bằng của vật liệu trong điều kiện của quá trình sấy Khi độ ẩm của vật liệu đạt đến giá trị cân bằng thì hàm ẩm của vật liệu không giảm nữa và tốc độ sấy bằng 0, quá trình sấy kết thúc Tốc

độ sấy trong giai đoạn này thay đổi theo các qui luật khác nhau tùy thuộc tính chất và dạng vật liệu (Hình 3)

Để dễ dàng cho việc tính toán, người ta thay các dạng đường cong phức tạp của tốc độ sấy bằng đường thẳng giảm tốc quy ước sao cho việc thay thế này có sai số bé nhất, khi

đó giá trị độ ẩm tới hạn sẽ dịch chuyển về điểm tới hạn qui ước và được gọi là độ ẩm tới hạn qui ước, là giao điểm giữa đường đẳng tốc N và đường thẳng giảm tốc quy ước

Tốc độ sấy trong giai đoạn giảm tốc

−dX

dτ =K ( X− X cb)

Dấu (-) chỉ tốc độ sấy giảm dần

K gọi là hệ số sấy, phụ thuộc vào chế độ sấy (tốc độ sấy đẳng tốc N) và tính chất của vật liệu (1/h) K là hệ số góc của đường thẳng giảm tốc và được tính:

X kqu−X cb

Thời gian sấy trong giai đoạn giảm tốc

τ2=X kqu−X cb

N ln(X kqu−X cb

X c−X cb )=1

K ln ⁡(

X kqu−X cb

X c−X cb )

Trong đó: X c là độ ẩm cuối của vật liệu sấy (tính theo vật liệu khô ) (X c>X cb)

2.2 Mô hình thí nghiệm

2.2.1 Sơ đồ hệ thống

Hình 4: Sơ đồ hệ thống

1 Cửa nạp liệu Nạp liệu phòng sấy

3 Calorife Gia nhiệt tác nhân sấy

A Công tắc điện trở 1 Đóng điện trở 1

B Công tắc điện trở 2 Đóng điện trở 2 Các bộ điều khiển nhiệt

độ

C Công tắc điện trở 3 Đóng điện trở 3

D Dimer quạt Thay đổi tốc độ quạt

E Bộ điều khiển nhiệt độ Điều khiển nhiệt độ Điện trở 2

Tk 0 Đầu dò nhiệt độ bầu khô

điểm 0 Hiển thị nhiệt độ Tk0

Tư 0 Đầu dò nhiệt độ bầu ướt

điểm 0

Hiển thị nhiệt độ Tư1

Tk 1 Đầu dò nhiệt độ bầu khô

điểm 1

Hiển thị nhiệt độ Tk1

Tư 1 Đầu dò nhiệt độ bầu ướt

điểm 1 Hiển thị nhiệt độ Tư1

Tk 2 Đầu dò nhiệt độ bầu khô

điểm 2

Hiển thị nhiệt độ Tk2

Tư 2 Đầu dò nhiệt độ bầu ướt

điểm 2

Hiển thị nhiệt độ Tư2

Bảng 1: Bảng mô tả các bộ phận trên mô hình sấy

3 Mục đích thí nghiệm

Thí nghiệm: Khảo sát về tĩnh lực học quá trình sấy đối lưu trong thiết bị sấy bằng không

- Xác định sự biến đổi thông số vật lý không khí ẩm và thành phần vật liệu sấy của

quá trình sấy

- Xác định lượng không khí khô cần sử dụng và lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy

- So sánh và đánh giá sự khác nhau giữa quá trình sấy thực tế và quá trình sấy lý thuyết

4 Thực nghiệm

4.1 Trang thiết bị, hóa chất

- Vật liệu sấy: giấy lọc hoặc 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 quá trình sấy

4.2.1.1 Chuẩn bị:

- Kiểm tra nước vị trí đo nhiệt độ bầu ướt

- Kiểm tra hoạt động của phong tốc kế

- Tắt tất cả công tắc trên tủ điều khiển

- Cài đặt nhiệt độ sấy

- Khởi động tủ điều khiển

- Kiểm tra hoạt động của 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, 2 và 3

- Khi nhiệt độ đạt giá trị thí nghiệm ổn định thì bắt đầu tiến hành thí nghiệm

4.2.1.2 Các lưu ý

- Trước khi đặt vật liệu sấy vào phòng sấy phải điều chỉnh cân về 0

- Khi nhiệt độ sấy đạt giá trị thí nghiệm nhưng giá trị vẫn tăng thì tắt điện trở 1 hoặc 3 hoặc

cả hai điện trở 1 và 3, tuyệt đối không tắt điện trở 2 (do có bộ điều khiển) Trường hợp sau khoảng thời gian nhất định không đạt thì kiểm tra điện trở 1 hoặc 3 đã bật chưa (đèn báo), nếu chưa thì bật lên

- Trong suốt quá trình thí nghiệm phải điều chỉnh sao cho nhiệt độ điểm 1, tốc độ tác nhân sấy không được thay đổi

- Khi kết thúc thí nghiệm:

+ Tắt công tắc điện trở 1 và 3 (nếu đang bật)

+ Cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển về nhiệt độ thí nghiệm tiếp theo Nếu là thí

nghiệm cuối thì cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển về 20°C và tắt công tắc điện trở 2 + Lấy vật liệu sấy ra khỏi phòng sấy

4.2.1.3 Báo cáo

- Xác định các thông số của không khí ẩm ở các vị trí khác nhau

- Xác định thành phần vật liệu sấy của quá trình sấy

- Xác định lượng không khí khô cần sử dụng và lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy

- So sánh và đánh giá sự khác nhau giữa quá trình sấy thực tế và quá trình sấy lý thuyết

5 Kết quả và bàn luận

5.1 Kết quả thí nghiệm

5.1.1 Thí nghiệm 1: Sấy ở nhiệt độ 50℃

Đo lần Thời

gian

(phút)

11 33 0.038 34 36 21 26 31 27

5.1.2 Thí nghiệm 2: Sấy ở nhiệt độ 60℃

Đo lần Thời

gian

(phút)

5.2 Tính toán kết quả:

 Thí nghiệm 1: Sấy ở nhiệt độ 50℃

- to = 500C

- Gk = 0,038g

- Gư = 0,073g

 Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu:

W =G đ−G c=0,073−0,038=0,035(kg / phút)

 Tính số đo lần 3 và 4

- Độ ẩm của vật liệu:

W3=G3−G k

G k ×100=

0 058−0.038 0.038 × 100=52,63 %

W4=G4−G k

G k

×100=0 055−0.038

0.038 × 100=44,73 %

- Tốc độ sấy

N3=W3−W4

t4−t3 =

52,63−44,73

Lần

đo

Thời gian

(%phút)

0 0 92.10526 5.263158 33.66667 28.66667

4 12 44.73684 3.508772 31.33333 28.66667

5 15 34.21053 2.631579 31.66667 28.66667

6 18 26.31579 2.631579 31.33333 28.66667

7 21 18.42105 2.631579 30.66667 28.33333

8 24 10.52632 1.754386 30.66667 28.33333

9 27 5.263158 0.877193 30.66667 28.33333

10 30 2.631579 0.877193 30.33333 27.66667

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Biểu đồ biểu diễn đường cong sấy

(ở nhiệt độ sấy 50oC)

Thời gian (phút)

0

1

2

3

4

5

6

Biểu đồ biểu diễn đường cong tốc độ sấy

(ở nhiệt độ sấy 50oC)

Thời gian (phút)

 Thí nghiệm 2: Sấy ở nhiệt độ 60℃

- to = 600C

- Gk = 0,028g

- Gư = 0,050g

 Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu:

W =G đ−G c=0,05−0,028=0,022(kg / phút)

 Tính số đo lần 5 và 6

- Độ ẩm của vật liệu:

W3=G3−G k

G k

×100=0 044−0.028

0.028 ×100=57,14 %

W4=G4−G k

G k ×100=

0 040−0.028 0.028 × 100=42,85 %

- Tốc độ sấy

N3=W3−W4

t4−t3 =

57,14−42,85 12−9 =4,76 %

Lần

đo

Thời gian

(%phút)

1 3 78.57143 3.571430 44.33333 32.66667

2 6 67.85714 3.571429 43.66667 32.66667

3 9 57.14286 4.761905 43.66667 32.66667

8 24 7.142857 2.380952 43.66667 32.33333

3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Biểu đồ biểu diễn đường cong sấy

(ở nhiệt độ sấy 60oC)

Thời gian (phút)

0

1

2

3

4

5

6

Biểu đồ biểu diễn đường cong tốc độ sấy

(ở nhiệt độ sấy 60oC)

Thời gian (phút)

6 Kết luận

- Lượng ẩm bay hơi ra khỏi vật liệu tương đối ít

- Kết quả sấy thực nghiệm nhỏ hơn so với kết quả sấy lý thuyết

- Nguyên nhân tạo nên sự khác biệt giữa quá trình sẩy lý thuyết và sấy thực nghiệm là do quá trình sảy lý thuyết xem nhiệt lượng bổ sung trong quá trình sấy bằng với nhiệt lượng tổn thất trong quá trình sấy Trong quá trình sấy thực nghiệm thì nhiệt lượng bổ sung khác nhiệt lượng tổn thất Ngoài ra so với thực nghiệm ta đã bỏ qua giai đoạn đun nóng

do nó quá nhỏ nên lượng nhiệt so với lý thuyết có sai lệch