THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ SẤY ĐỐI LƯU

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆMKhảo sát động lực học quá trình sấy đối lưu vật liệu là giấy bìa carton trong thiết bị sấy bằng không khí nóng với tốc độ và nhiệt độ không khí ẩm không đổi nhằm: - Xâ

BÀI 7: SẤY ĐỐI LƯU

MỤC LỤC 5

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM -2

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT -2

2.1 Khái niệm, phân loại và đặc điểm quá trình sấy -2

2.2 Các giai đoạn sấy. - 3

3 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM -4

3.1.Chuẩn bị - 4

3.2.Tiến hành - 4

3.3 Kết thúc thí nghiệm: - 5

4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU -5

4.1 Kết quả thí nghiệm - 5

4.2 XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM - 6

4.2.1 Tính độ ẩm - 6

4.2.2 Tính tốc độ sấy lý thuyết - 6

4.2.4 Tính tốc độ sấy theo thực nghiệm -7

4.2.5 Tính độ ẩm tới hạn - 7

4.2.6.Tính thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc -7

4.2.7 Tính hệ số sấy K - 8

4.2.8 Tính thời gian sấy trong giai đoạn giảm tốc -8

4.3.KẾT QUẢ XỬ LÝ THÍ NGHIỆM - 8

4.5.ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN - 11

5 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT -14

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO -15

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Khảo sát động lực học quá trình sấy đối lưu vật liệu là giấy bìa carton trong thiết bị sấy bằng không khí nóng với tốc độ và nhiệt độ không khí ẩm không đổi nhằm:

- Xây dựng đường cong sấy

- Xây dựng đường cong tốc độ sấy bằng phương pháp vi phân đồ thị từ đường cong sấy

- Xác định độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy, thời gian sấy đẳng tốc, giảm tốc

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

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Khái niệm, phân loại và đặc điểm quá trình sấy

Sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bốc hơi ẩm ra khỏi vật liệu rắn hoặc lỏng Với mục đích giảm bớt khối lượng vật liệu (giảm công chuyên chở), tăng độ bền vật liệu (như gốm, sứ, gỗ ) và để bảo quản trong một thời gian dài, nhất là đối với lương thực thực phẩm

Bản chất của quá trình sấy là quá trình khuyếch tán do chênh lệch độ ẩm ở bề mặt và trong vật liệu, nói cách khác là do chênh lệch áp suất hơi riêng phần của

ẩm ở bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh Sấy là quá trình không ổn định,

độ ẩm vật liệu thay đổi theo không gian và thời gian sấy

Sấy đối lưu là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với tác nhân sấy là không khí nóng, khói lò,…

Sấy tĩnh là vật liệu được trải thành từng lớp nằm ngang và được không khí lưu thông từ dưới lên trên

Sấy động là vật liệu chuyển động trong lò sấy

Đường cong biểu diễn sự thay đổi độ ẩm của vật liệu theo thời gian sấy được gọi

là đường cong sấy: X =f ( τ ).Để tìm được sự phụ thuộc này, đem vật liệu ẩm đi sấy´ đối lưu đơn giản bằng không khí 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

Từ biểu thức tốc độ sấy nhận thấy tốc độ sấy là tang góc nghiêng α của đường tiếp tuyến với đường cong sấy 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 vật liệu,

đồ thị này được gọi là đường cong tốc độ sấy

2.2 Các giai đoạn sấy.

Ta thấy trên đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy , quá trình sấy diễn ra theo 3 giai đoạn : giai đoạn đốt nóng ,giai đoạn đẳng tốc và giai đoạn giảm tốc Tuy nhiên, vì giai đoạn đốt nóng xảy ra khá nhanh và không có sự biến thiên nhiều về độ ẩm nên chúng ta chỉ khảo sát giai đoạn đẳng tốc và giảm tốc

 Giai đoạn đốt nóng vật liệu :

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

 Giai đoạn sấy đẳng tốc :

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 Xk nào đấy thì kết thúc,

Xk 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 tri 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

 Giai đoạn sấy giảm tốc :

Khi độ ẩm của nhiệt độ tới hạn thì tốc độ sấy bắt đầu giảm dần và đường cong sấy

chuyển tử 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

Xcb 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

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 Xkqư Xkqư là giao điểm giữa đường đẳng tốc N và đường thẳng giảm tốc quy ước

3 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

3.1.Chuẩn bị

Chuẩn bị 3 miếng bìa carton có kích thước dài × rộng = 25 cm × 15 cm

3.2.Tiến hành

- Khảo sát động lực học quá trình sấy ở nhiệt độ 400C, 500C, 600C

- Kiểm tra nước vị trí đo nhiệt độ bầu ướt

- Cài đặt nhiệt độ sấy

- Khởi động tủ điều khiển

- Khởi động quạt

- Bật công tắc điện trở 1,2,3

- Làm ẩm giấy carton

- Khi thiết bị sấy hoạt động ổn định (nhiệt độ bàu khô không đổi), mở cửa phòng sấy, đặt nhẹ giấy carton lên giá đỡ, đóng cửa phòng sấy

- Ghi nhận các số liệu: khối lượng ban đầu G1, nhiệt độ bầu khô, nhiệt độ bầu ướt của không khí tại thời điểm ban đầu

- Bắt đầu tính thời gian, cứ 3 phút thì ghi nhận giá trị cân, nhiệt độ bầu khô, bầu ướt

- Khi giá trị cân không đổi giữa các lần đo thì kết thúc thí nghiệm

- Sau khi kết thúc đo ở một nhiệt độ, tắt công tắc điện trở 1 và 3, cài đặt nhiệt độ trên

bộ điều khiển về nhiệt độ thí nghiệm tiếp theo, lấy giấy carton ra khỏi buồng sấy

- Làm ẩm lại giấy carton

- Bật công tác điện trở 1 và 3

- Tiến hành thí nghiệm như thí nghiệm 1

- Các số liệu cần đo: khối lượng, thời gian, nhiệt độ bầu khô – bầu ướt

3.3 Kết thúc thí nghiệm:

- Tắt công tắc điện trở 1 và 3

- Cài đặt nhiệt độ trên bộ điều khiển về 20°C và tắt công tắc điện trở 2

- Tắt quạt sau 15 phút kể từ khi đo nhiệt độ cuối cùng

- Lấy vật liệu sấy ra khỏi buồng sấy và đặt lại vị trí ban đầu

4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

4.1 Kết quả thí nghiệm

Kích thước bìa carton: Chiều dài 25cm, rộng 15cm và dày 2mm

w k : Vận tốc tác nhân sấy w k=2 m/s

STT τ

(ph)

G (g) Tu

(°C)

Tk (°C)

G (g) Tu

(°C)

Tk (°C)

G (g) Tu

(°C)

Tk (°C)

4.2 XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM

4.2.

1 Tính độ ẩm

Gi: Khối lượng của vật liệu tại lần đo thứ i (kg)

Go = 0,076 kg : Khối lượng vật liệu khô tuyệt đối

Công thức tính độ ẩm tại lần đo thứ i:

´

X i=G i−G0

G0 ×100 %

Ví dụ: Ở nhiệt độ 40oC, ở lần đo thứ 1 là X´1=0,137−0,076

0,076 ×100 %=80,26 %

4.2

.2 Tính tốc độ sấy lý thuyết

F: bề mặt bay hơi của vật liệu (3 miếng) : F = (15×21,5) x 3= 967,5 cm2 = 0,0967

m2

Jm : cường độ bay hơi (kg /m2 h)

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

J m=α m 760

B (P b−P h) (B: Áp suất không khí = 760mmHg) Trong đó α m: Hệ số trao đổi ẩm tính theo chênh lệch áp suất ( kg/m2.h.mmHg), trong trường hợp sấy đối lưu được xác định theo công thức :

α m = 0,04075* wk0,8 = 0,04075 *¿ = 0,07095 (kg/m2.h.mmHg)

w k : Vận tốc tác nhân sấy

P b (tb)−P h(tb): Áp suất hơi (mmHg)

Ví dụ ở 40o C

Nhiệt độ bầu ướt trung bình :t´u = 31,18 oC

Nhiệt độ bầu khô trung bình : t´k = 41,86 oC

Dựa vào nhiệt độ bầu ướt trung bình tra trên giản đồ Ramzin ta được P b (tb) = 166,83 mmHg

Dựa vào nhiệt độ bầu khô trung bình tra trên giản đồ Ramzin ta được P h (tb) = 81,41 mmHg

 J m=α m 760

B (P b−P h) = 0,07095 .760

760(166,83−81,41) = 6,06 (kg/m2.h)

 Tốc độ sấy đẳng tốc theo lý thuyết: N = 100.Jm.f

Ndt = 100.Jm.f = 100× J m × F

G0=100× 6,06 ×

0,0967 0,076 =777,13(

%

h )

Tương tự :

ở 500C :

Nhiệt độ bầu ướt trung bình :t´u = 39,54 oC => P b (tb) = 98,76 mmHg

Nhiệt độ bầu khô trung bình : t´k = 48,18 oC => P h (tb) = 28,02 mmHg

 J m = 5,01 (kg/m2.h) => Ndt = 638,60 (%/h)

ở 60oC

Nhiệt độ bầu ướt trung bình :t´u = 43,04 oC => P b (tb) = 70,73 mmHg

Nhiệt độ bầu khô trung bình : t´k = 50,09 oC => P h (tb) = 13,34 mmHg

 J m = 4,02 (kg/m2.h) => Ndt = 512,67 (%/h)

4.2.4 Tính tốc độ sấy theo thực nghiệm

Dựa vào phương pháp vi phân đồ thị ta tính được tốc độ sấy chính là hệ số góc của tiếp tuyến với đường cong sấy

N tn=d ´X

dτ =tan α Với: α là tan góc nghiêng đường tiếp tuyến với đường cong sấy

4.2.5 Tính độ ẩm tới hạn

´

X k=

´

X đ

1.8+ ´X cb

Ví dụ: Ở 40℃ , X đ=80,36% , X´cb = 1,315%

 X´k=

´

X đ

1.8+ ´X cb ¿80,26

1.8 +1,315 = 45,90%

4.2.6.Tính thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc

τ1=

´

X đ− ´X k

´

N dt

Trong đó: X´đlà ẩm độ ban đầu của vật liệu lại lần đo 1(tính theo vật liệu khô)

´

X k là độ ẩm tới hạn (tính theo vật liệu khô)

´

N dtlà tốc độ sấy trong giai đoạn đẳng tốc (%/h)

Ví dụ: Tại nhiệt độ 40oC thì

τ1=80,26−45,9

777,13 =0, 042(h)

4.2.7 Tính hệ số sấy K

K= N´dt

´

X kqu− ´X cb

ở 40℃ , K1= 777,13

(45,90−1,315)=17,43(

1

h)

ở 50℃ , K2= 638,60

(45,90−1,315)=14,32(

1

h)

ở 60℃ , K3= 512,67

(45,90−1,315)=11,50(

1

h)

4.2.8 Tính thời gian sấy trong giai đoạn giảm tốc

τ2=1

K ln(X´kqu− ´X cb

´

X c− ´X cb )

Trong đó: X´ kqu là độ ẩm tới hạn quy ước ( ở đây =X´k thực nghiệm)

´

X c là độ ẩm cuối của vật liệu sấy ( là độ ẩm mà ta mong muốn sấy được, X´c> ´X cb) (Trong bài X´c= 2 %)

Ví dụ ở 40oC thì

τ2= 1

17,43 ln(45,90−1,3152−1,315 )=0,24 (h)

Tổng thời gian sấy :τ =τ1+ τ2 = 0,042 + 0,24 = 0,282 (h)

4.3.KẾT QUẢ XỬ LÝ THÍ NGHIỆM

Chế độ 40 o C Chế độ 50 o C Chế độ 60 o C

STT τ (ph)ph) X´i (ph)%) N lt

%/h

´

X i (ph)%) N lt

%/h

´

X i (ph)%) N lt

%/h

8 21 23,68 54,60 22,37 29,68 31,58 33,88

KẾT QUẢ TÍNH CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÁC

Độ ẩm tới hạn X´k thực

nghiệm

Độ ẩm tới hạn X´ k lý thuyết 45,91 % 45,91 % 45,91 %

Tốc độ sấy đăng tốc lý

truyết trung bình N dt´

777,13%/h 638,60 %/h 512,67 %/h

Tốc độ sấy thực nghiệm

N tn (%/h) đẳng tốc

Tốc độ sấy thực nghiệm

N tn (%/h) giảm tốc

Hệ số K (h-1) 17,43 (h-1) 14,32 (h-1) 11,50 (h-1) Thời gian sấy đẳng tốc lý

thuyết (h)

Thời gian sấy giảm tốc lý

thuyết (h)

Tổng thời gian sấy theo lý 0,284 h 0,335 h 0,381 h

thuyết (h) Tổng thời gian sấy theo

thực nghiệm (h)

4.5.ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN

Hình 1: Đường cong sấy và tốc độ sấy ở các chế độ nhiệt

 Chế độ 40 o C

Dựa vào phương pháp vi phân đồ thị để tính được tốc độ sấy

Thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc : (16-3) / 60 = 0,216 h

 N tn ( giai đoạn sấy đẳng tốc) = tanα 1 =

74−28 (16−3) 60

= 212,9(%/h) Thời gian sấy trong giai đoạn giảm tốc: 0,5 h

 N tn ( giai đoạn sấy giảm tốc)= tanα 2 =

28−8 (40−16) 60 = 50 (%/h)

E D

C A

B

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Đường cong tốc độ sấy ở nhiệt độ 40oC

độ ẩm vật liệu %

đốt cháy vật liệu

BC : là giai đoạn đẳng tốc

CD : là giai đoạn giẩm tốc

 Chế độ 50 o C

0

20

40

60

80

100

120

140

Dựa vào phương pháp vi phân đồ thị để tính được tốc độ sấy

Thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc : (18-3) / 60 = 0,25 h

 N tn ( giai đoạn sấy đẳng tốc) = tanα 1 =

118−25 (18−3) 60

= 372 (%/h) Thời gian sấy trong giai đoạn giảm tốc : 0,35 h

 N tn ( giai đoạn sấy giảm tốc)= tanα 2 =

25−1 (37−16) 60

=68.57 (%/h)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Đường cong tốc độ sấy ở nhiệt độ 50oC

đọ ẩm vật liệu %

AB : là giai đoạn đốt cháy vật liệu

BC : là giai đoạn đẳng tốc

CD : là giai đoạn giẩm tốc

 Chế độ 60 0 C

Dựa vào phương pháp vi phân đồ thị để tính được tốc độ sấy :

Thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc : = 0,13 h

Thời gian sấy trong giai đoạn giảm tốc : = 0,28 h

 N tn ( giai đoạn sấy đẳng tốc) = tanα 1 =

128−61 (11−3) 60 = 487,5 (%/h)

 N tn ( giai đoạn sấy giảm tốc)= tanα 2 =

61−10 (28−11) 60 ) = 180 (%/h)

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 0

100 200 300 400 500 600

Đường cong tốc độ sấy ở nhiệt độ 60oC

Độ ẩm vật liệu %

AB : là giai đoạn đốt cháy vật liệu

BC : là giai đoạn đẳng tốc

E D

C B A

CD : là giai đoạn giẩm tốc

5 ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT

 Đánh giá về kết quả thí nghiệm

 Trong quá trình sấy ở thí nghiệm 1 và 2 ta nhân thấy nhiệt độ tăng thì tốc độ sấy cũng tăng theo và thời gian sấy tăng (Do độ ẩm ban đầu của vật liệu ở cả 3 thí nghiệm không giống nhau)

- Giai đoạn đẳng tốc giảm dần từ thí nghiệm 1 tới thí nghiệm 3 Do nhiệt độ thấp hơn nên quá trình sấy sẽ lâu hơn

 Nhận xét về đường công tốc độ sấy

Đường cong tốc độ sấy có dạng giống lý thuyết khi ta vi phân đường cong sấy và dựng

đồ thị và cũng chia làm 3 giai đoạn giống với lý thuyết như sau:

 Giai đoạn 1 – Đun nóng vật liệu: Theo lý thuyết thì giai đoạn này diễn ra trong

khoảng thời gian rất ngắn và độ ẩm vật liệu thay đổi không đáng kể.Qua đồ thị ta lại thấy đoạn này khá thẳng và diễn ra trong thời gian khá ngắn ,kết quả trên là do sai số.

 Giai đoạn 2 – sấy đẳng tốc: Trong giai đoạn này độ ẩm của vật liệu giảm nhanh gần

như theo đường thẳng và tốc độ sấy không đổi, độ ẩm vật liệu giảm đến độ ẩm tới hạn.

 Giai đoạn 3 – sấy giảm tốc: Độ ẩm vật liệu giảm chậm trong giai đoạn này và tốc độ

sấy giảm dần từ về 0.

 Nhận xét về thực nghiệm và lý thuyết

Kết quả thực nghiệm nhỏ hơn so với kết quả lý thuyết Do trong quá trình thí nghệm xảy

ra nhiều sai số không mong muốn

 Tốc độ sấy bị thay đổi do sai số trong thí nghiệm Điều đó làm cho giai đoạn sấy đẳng tốc của đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy không phải là đường thẳng như lý thuyết

 Kết quả tốc độ sấy lý thuyết và tốc độ sấy thực nghiệm có sai khác lớn Nguyên nhân tạo nên sự khác biệt giữa quá trình sấy lý thuyết và sấy thực nghiệm là do quá trình sấy 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

Khi nhiệt độ tăng thời gian sấy của lý thuyết tăng còn thời gian sấy của thực nghiệm lại giảm



 Một số nguyên nhân dẫn đến sai số

 Việc canh thời gian và đo khối lượng vật liệu mỗi 3 phút không chuẩn sẽ gây ra sai

số cho thí nghiệm Từ đó ảnh hưởng nhiều đến việc xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy

 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến giá trị cân

 Sai số do thiết bị

 Do các thao tác tiến hành thí nghiệm của người làm thí nghiệm không chuẩn giữa các thí nghiệm với nhau

 Ảnh hưởng của không khí

+ Nhiệt độ của không khí: Trong các điều kiện khác nhau không đổi như độ ẩm không khí, tốc độ gió…, việc nâng cao nhiệt độ sẽ làm tăng nhanh tốc độ làm khô

do lượng nước trong nguyên liệu giảm xuống càng nhiều Nhiệt độ sấy thích hợp được xác định phụ thuộc vào độ dày, diện tích bề mặt vật sấy Khi sấy ở những nhiệt độ khác nhau thì nguyên liệu có thể có những biến đổi khác nhau

+Độ ẩm không khí: Độ ẩm tương đối của không khí cũng là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình làm khô, độ ẩm của không khí càng lớn quá trình làm khô sẽ chậm lại

+Tốc độ chuyển động của không khí: Tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ đều không

có lợi cho quá trình sấy Vì tốc độ chuyển động của không khí quá lớn khó giữ nhiệt lượng trên nguyên liệu để cân bằng quá tŕnh sấy, còn tốc độ quá nhỏ sẽ làm cho quá trình sấy chậm lại Vì vậy, cần phải có một tốc độ gió thích hợp, nhất là giai đoạn đầu của quá trình làm khô

 Ảnh hưởng của hướng gió

Hướng gió cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá tŕnh làm khô, khi hướng gió song song

với bề mặt nguyên liệu thì tốc độ làm khô rất nhanh

 Ảnh hưởng của nguyên liệu

+Kích thước nguyên liệu cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy Nguyên liệu càng

bé, càng mỏng thì tốc độ sấy càng nhanh, nhưng nếu nguyên liệu có kích thước quá bé và quá mỏng sẽ làm cho nguyên liệu bị cong, dễ gẫy vỡ

+Tùy vào bản thân nguyên liệu mà người ta chọn chế độ làm khô cho phù hợp, cần phải xét đến thành phần hóa học của nguyên liệu