SAY DOI LUU BAO CAO THI NGHIEM QTTB

Báo cáo thí nghiêm quá trình thiết bị bài sây đối lưu. Với vật liệu sấy là giấy lọc. Khào sát thực nghiệm để vẽ đường cong sấy, đường cong tốc độ sấy; xác định tốc độ sấy đẳng tốc, tốc độ sấy giảm tốc, độ ẩm tới hạn. Phần phụ lục có hướng dẫn cách tính toán từ thực nghiệm. Bảng số liệu từ thực nghiệm. Phù hợp với môn học quá trình thiết bị cho kỵ sư hóa.

Phúc trình Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị

Bài:

SẤY ĐỐI LƯU

I Nội dung cơ bản của bài thí nghiệm:

1 Mục đích:

Khảo sát quá trình sấy đối lưu bằng thực nghiệm để:

-Xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy

-Xác định các thơng số sấy: tốc độ sấy đẳng tốc, độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng, thời gian sấy đẳng tốc và giảm tốc

-Đánh giá sai số của quá trình sấy

2 Phương pháp thí nghiệm:

- Tiến hành sấy giấy lọc ở 3 chế độ nhiệt độ của caloriphe: 500C, 600C, 700C

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

- Sau đó cứ 5 phút, ghi nhận giá trị cân và hai giá trị nhiệt độ bầu khô – bầu ướt, tiếp

tục sấy đến khi giá trị khối lượng vật liệu không đổi trong vòng 15 phút thì dừng chế

độ thí nghiệm này và chuyển sang chế độ thí nghiệm khác

3 Kết quả thí nghiệm:

Bảng số liệu thô:

4 Nhận xét kết quả thí nghiệm:

-Nhiệt độ sấy càng cao, thời gian sấy càng ngắn lại và độ ẩm của giấy cũng bay hơi

nhiều hơn

II Lý thuyết thí nghiệm:

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 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 4 quá trình:

+Truyền nhiệt cho vật liệu

+Dẫn ẩm trong lòng vật liệu

+Chuyển pha

+Tách ẩm vào môi trường xung quanh

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:

Nhiệt này tiêu hao để:

 Bay hơi ẩm và quá nhiệt hơi: [r + Ch(t – th)]dCa (3)

Trong dó:

 - 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 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:

Đây là biểu thức tính tốc độ sấy

 theo cân bằng nhiệt

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 = 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:

Khi hơi ẩm không bị quá nhiệt (tức t = th) thì biểu thức (5) được biến đổi thành:

qFFFd

dQd

dUrGd

dGG

GC

o

a o

UG

ρo - khối lượng riêng của vật liệu khô, kg/m3

• Vo - thể tích vật khô, m3

• 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:

ρ

[ ( )

] (ρ

)

Biểu thức trên là phương trình cơ bản của động học quá trình sấy, nó cho biết sự biến đổi ẩm của vật liệu theo thời gian Ta có thể nhận được biểu thức trên khi giải hệ 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

5 Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy giảm tốc (q 2 ):

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:

( )

Với: K hệ số tỷ lệ, gọi là hệ số sấy Nó phụ thuộc vào tốc độ sấy và tính chất của vật liệu ẩm, l/s

K chính là hệ số góc của đường cong tốc độ sấy ở giai đoạn sấy giảm tốc, nên:

( )

χ =

hệ số sấy tương đối, phụ thuộc vào tính chất vật liệu ẩm

Uth: độ ẩm tới hạn

U*: độ ẩm cân bằng

Tích phân phương trình trên ta nhận được:

( ) Hay ta có: lg(U-U*)=log(Uth – U*) -

Như vậy nếu biết được hệ số sấy K, có thể xác định được thời gian cần t

hiết để thực hiện giai đoạn sấy giảm tốc

Hệ số sây tương đối được xác định bằng thực nghiệm và có thể tính gần

đúng như sau:

Với Uo: độ ẩm ban đầu của vật liệu

Từ đó ta có:

(

) Thay phương trỉnh trên vào phương trình tính q:

ρ ( ) ( )

6 Lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy đẳng tốc (q 1 )

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:

8 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy:

a) Đường cong sấy:

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

U = f( ) Dạng 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 tương tự nhau



b) Đường cong tốc độ sáy:

Là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ sấy và độ ẩm( hàm ẩm) của vật liệu sấy:

( ) Đường cong tốc độ sấy là do đạo hàm của đường cong sấy

Hình 1: Đường cong sấy Hình 2: Đường cong tốc độ sấy

9 Các giai đoạn của quá trình sấy:

Giai đoạn đun nóng vật liệu:

 Toàn bộ nhiệt cung cấp để đun nóng vật liệu, ẩm bốc hơi không đáng kể

 Nhiệt độ vật liệu tăng nhanh từ 1=to đến nhiệt độ bầu ướt tư của tác nhân sấy

 Độ ẩm thay đổi không nhiều

 Tốc độ sấy tăng nhanh từ 0 đến cực đại

 Thời gian ngắn không đáng kể

 Thường giai đoạn này được bỏ qua trong tính toán

Giai đoạn sấy đẳng tốc:

 Nhiệt cung cấp để bốc hơi ẩm tự do ở bề mặt vật liệu Và bề mặt bốc hơi là bề mặt ngoài của vật liệu không đổi nên các thông số sấy và độ ẩm của vật liệu sẽ giảm nhanh

 Nhiệt độ của vật liệu bằng tư không đổi

 Độ ẩm của vật liệu giảm nhanh theo đường thẳng

 Tốc độ sấy không đổi

 Trong giai đoạn này tốc độ khuếch tán ẩm từ trong lòng vật liệu

ra bề mặt lớn hơn tốc độ do bốc hơi từ bề mặt, nên bề mặt luôn bảo hòa ẩm

Giai đoạn sấy giảm tốc:

 Nhiệt độ của vật liệu tăng dần từ tư lên đến nhiệt độ dòng tác nhân- nhiệt độ bầu khô

 Độ ẩm giảm chậm đến độ ẩm cân bằng U*

 Lúc này trong vật liệu xuất hiện 3 vùng: ẩm, bốc hơi, khô

 Tốc độ sấy giảm tốc từ tốc độ đẳng tốc No xuống 0, tùy theo cấu trúc vật liệu mà có biến dạng khác nhau

 Tốc độ khuếch tán trong chậm hơn tốc độ bốc hơi ề mặt, nên tốc độ chậm dần và có hiện tượng co bề mặt bốc hơi

10 Thời gian sấy vật liệu:

Thời gian sấy trong giai đoạn đẳng tốc (thời gian sấy đẳng tốc - 1 ), được xác định bằng công thức:

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

Thời gian sấy giai đoạn giảm tốc:

Trong giai đoạn này nếu đường cong tốc độ sấy có dạng đường thẳng ( hoặc quy đổi sang đường thẳng:N2 = ax+b ) thì ta có thể tích phân để tính thời gian sấy giảm tốc( 2 ):

Với U*: độ ẩm cân bằng, độ ẩm kết thúc giai đoạn sấy giảm tốc

Thời gian sấy vật liệu:

Thời gian sấy vật liệu được tính bằng tổng thời gian của 3 giai đoạn sấy: đốt nóng vật liệu o, sấy đẳng tốc 1 và sấy giảm tốc 2; có thể bỏ qua giai đoạn đốt nóng vật liệu, vì giai đoạn này xảy ra rất nhanh Biểu thức tính thời gian:

( ) (

) Với U2: độ ẩm của vật liệu cuối cùng sấy, tương ứng với 2: U2 > U* và thường được lấy U2 = U* + 2 (%)

III Dụng cụ – Thiết bị và phương pháp TN:

1 Thiết bị – Dụng cụ:

Hệ thống thiết bị sấy được trang bị:

 Caloriphe: gồm hai chùm điện trở khô, có công suất 10kW và được ổn định nhiệt độ nhờ bộ điều nhiệt tự ngắt

 Quạt hút: có tốc độ 0,85m/s, để hút không khí( tác nhân sấy) và thổi qua caloriphe để nâng nhiệt độ dòng tác nhân lên nhiệt độ cần thiết

 Hệ thống cân: xác định lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy

 Hai cửa gió: có van lá, để thay đổi lượng tác nhân

 Hệ thống đo nhiệt độ: gồm hai đầu dò nhiệt độ bầu khô – bầu ướt được đặt trong buồng sấy, bên trái giàn lưới đặt vật liệu sấy và đồng hồ cơ đo nhiệt độ hiển thị giá trị nhiệt độ

2 Vật liệu sấy:

Gốm 3 xấp giấy lọc gấp đôi lại

3 Phương pháp thí nghiệm:

a) Nội dung thí nghiệm:

 Tiến hành sấy giấy lọc ở chế độ nhiệt độ của caloriphe: 50oC,

 Tiếp tục đến khi giá trị khối lượng không đổi trong vòng 15 phút thì dừng chế độ thí nghiệm này và chuyển sang chế độ thí nghiệm khác

b) Tiến hành thì nghiệm:

1) Quan sát hệ thống:

 Trước khi tiến hành thí nghiệm (15 phút đầu giờ), sinh viên quan sát hệ thống Đối chiếu với sơ đồ trong giáo trình

 Tìm xem vị trí: cửa không khí vào, quạt, caloriphe, bộ điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống đo nhiệt độ bầu ướt – bầu khô, cân, giàn lưới đặt giấy lọc, đồng hồ đo nhiệt độ và cửa không khí ra

 Hệ thống điện: tìm các cầu dao quạt, caloriphe, các công tắc điện trên hộp điều khiển nhiệt độ

2) Chuẩn bị thí nghiệm:

Xác định khối lượng vật liệu khô ban đầu (Go) của 2 xấp giấy lọc:

 Mở cửa buồng sấy ra, đặt cẩn thận lên bàn (vì cửa khá nặng)

 Cách đặt giấy lọc vào buồng sấy: đặt nhẹ nhàng từng xấp giấy lọc lên trên lưới sấy phía trong buồng sấy (đặt cả ba xấp) Khi đó kim của cân sẽ dao động Chờ kim hết dao động đọc giá trị cân (Go) Làm ẩm giấy lọc:

 Lấy khoảng 2/3 chậu nước inox

 Sau khi cân xong, lấy giấy lọc ra và nhúng nhẹ nhàng giấy (tránh rách giấy) vào chậu nước Chờ khoảng 30 giây cho nước thấm đều giấy, lấy giấy lọc lên phơi ngoài không khí (trên song sắt cửa sổ) cho đến khi hết nhiễu nước

Chuẩn bị đồng hồ đeo tay để đo thời gian

Kiểm tra hệ thống:

 Lắp lại cửa buồng sấy, vặn chặt các con tán của cửa;

 Mở hết các van lá của hai cửa khí vào-ra;

 Châm đầy nước vào bầu nước (phía sau hệ thống, không phải là các cốc nước đối trọng trên cân) để đo nhiệt độ bầu ướt

3) Khởi động hệ thống:

Khởi động quạt:

 Đóng cầu dao của quạt để hút dòng tác nhân vào và thổi qua caloriphe gia nhiệt dòng tác nhân (tìm cầu dao quạt bằng cách nhìn đường dây dẫn điện vào quạt)

Khởi động caloriphe:

 Đóng cầu dao của caloriphe để dẫn điện vào hộp điều khiển; (nhìn đường dây dẫn điện sẽ tìm được cầu dao caloriphe)

 Bậc công tắc của chùm điện trở thứ I sang ON (chính giữa trên hộp điều khiển) Ở chế độ nhiệt độ 70oC bậc thêm công tắc của chùm điện trở thứ II phía bên trái công tắc điện trở thứ I

Cài đặt nhiệt độ cho caloriphe:

 Mở nắp mi-ca của hộp cài đặt nhiệt độ (phía trên công tắc điện trở I) và cài đặt nhiệt độ cần thiết Đồng hồ điện tử trên hộp cài đặt cho biết nhiệt độ của caloriphe

4) Tiến hành thí nghiệm:

Chờ hệ thống hoạt động ổn định:

 Nhiệt độ của caloriphe đạt giá trị mong muốn (± 12oC)

 Giấy lọc phơi không còn nhiễu nước

Tiến hành sấy vật liệu ở chế độ cần khảo sát:

 Mở cửa buồng sấy ra – đặt cửa lên bàn

 Đặt nhẹ nhàng từng xấp giấy lọc lên các lưới sấy

 Đóng kín cửa buồng sấy lại

IV Kết quả thí nghiệm

1 Bảng số liệu thô:

Chế độ sấy 50oC Chế độ sấy 60o Chế độ sấy 70oC

3 Kết quả tính toán từ đồ thị:

4 Kết quả tính toán từ lý thuyết:

137,63 0,00 2,00 1100,00 0,007 7,99 0,12 0,53

Chế độ sấy 70 độ C

Chế độ sấy 50 độ C

Chế độ sấy 60 độ C

5 Đánh giá kết quả thí nghiệm:

Chế độ sấy

Độ ẩm tới hạn Uth (%) Tốc độ sấy đẳng tốc N (%/h)Thực nghiệm Lý thuyết Sai số (%) Thực nghiệm Lý thuyết Sai số (%)

Chế độ sấy

Thực nghiệm Lý thuyết Sai số (%) Thực nghiệm Lý thuyết Sai số (%)

V Đồ thị:

1 Đồ thị ở chế độ 50 o C:

2 Đồ thị ở chế độ 60 o C:

3 Đồ thị ở chế độ 70 0 C:

VI Bàn Luận:

1 Nhận xét và giải thích dạng đường cong sấy-đường cong tốc độ sấy so với dạng lý

thuyết:

 Đường cong sấy thực nghiệm khá giống với đường cong sấy lý thuyết Từ đồ

thị thấy được là có thể bỏ qua giai đoạn sấy đẳng tốc vì vật liệu là giấy lọc nên quá trình đốt nóng diễn ra rất nhanh

 Đường cong tốc độ sấy do lấy vi phân từ đường cong sấy nên phù hợp với lý

thuyết Thấy rõ được 3 giai đoạn là: đun nóng, tốc độ sấy giảm tốc và tốc độ sấy đẳng tốc

2 Nhận xét kết quả tính toán

 Độ ẩm tới hạn Uth :

Theo lý thuyết, khi nhiệt độ của tác nhân tăng lên thì độ ẩm tới hạn sẽ giảm đi Tuy

nhiên trong bài thí nghiệm độ ẩm tới hạn lại tăng lên

 Tốc độ sấy đẳng tốc N:

Khi nhiệt độ sấy càng tăng thì tốc độ sấy đẳng tốc càng tăng

 Hệ số sấy tương đối trong giai đoạn giảm tốc c :

Hệ số sấy tương đối c chỉ phụ thuộc vào tính chất của vật liệu ẩm (loại vật liệu, kích thước vật liệu, độ ẩm ban đầu của vật liệu,…), không phụ thuộc vào nhiệt độ của tác nhân sấy

Theo lý thuyết ta thấy hệ số sấy ở 3 chế độ thí nghiệm là như nhau nhưng trong thực nghiệm thì c ở không giống nhau ở cả 3 chế độ Điều này có thể giải thích là do độ ẩm ban đầu của 3 chế độ không giống nhau

 Thời gian sấy đẳng tốc 1 :

Theo số liệu thực nghiệm, nhiệt độ sấy càng tăng thì thời gian sấy đẳng tốc càng giảm, phù hợp với lý thuyết

 Thời gian sấy giảm tốc 2:

Theo lý thuyết thì nhiệt độ sấy càng tăng thì thời gian sấy giảm tốc càng giảm nhưng thực nghiệm cho thấy, nhìn chung là thời gian sấy tăng và không đều Đây có thể là do sai số trong quá trình thí nghiệm và tính toán

3 Nhận xét và giải thích kết quả đánh giá sai số:

Nhìn chung ở tất cả các thông số thì sai số giữa lý thuyết và thực nghiệm khá lớn, đa số đều lớn hơn 30% Nhưng do các thông số đa phần là tính từ Uth mà ngay từ Uth đã thì sai số đã lớn nên sẽ kéo theo sai số của các thông số sau

4 Nguyên nhân và biện pháp khắc phục sai số:

a) Các nguyên nhân sai số :

o Do vật liệu ban đầu không phải là vật liệu khô tuyệt đối, cho nên dẫn đến sai số trong tính toán

o Do đọc số trên cân không chính xác Vì rất khó đọc chính xác số vì tác nhân sấy thôi qua sẽ làm cho cân bị dao động, kim dịch chuyển nhiều làm khó đọc

o Do điện áp không ổn định làm cho nhiệt độ bầu khô biến đổi rất phức tạp, thường sẽ thấp hơn nhiệt độ cần thiết

o Do bấm thời gian không hoàn toàn là chính xác

b) Biện pháp khắc phục:

 Quan sát thật kỹ kim cân của thiết bị, chờ kim cân dao động chậm đến khi tắt hẳn mới đọc số liệu

 Để cho xấp giấy hết nhiễu nước rồi mới đưa vào thí nghiệm

 Lưu ý phải nhìn kỹ xem xấp giấy lọc đã được gấp sẵn hay chưa để tránh ảnh hưởng đến bài thí nghiệm

 Kiểm tra, bảo trì hệ thống thường xuyên để đảm bảo thiết bị hoạt động tốt nhất

VII Phụ lục:

1 Tính toán các thông số ở bảng xử lý số liệu thô:

60

)ph()h

(  



1000

)g(G)Kg(

)32Ft(9

5C

G G U







 U)h/(%

N

 = tk - tư

2 Dựng đường cong sấy U=f():

-Từ các giá trị tính toán được (U và ) trong bảng 3, ta chấm các điểm tương ứng trên đồ thị

-Đường cong sấy biểu thị 3 giai đoạn chính:

 Giai đoạn đun nóng vật liệu: có dạng đoạn thẳng nằm ngang (rất ngắn)

 Giai đoạn sấy đẳng tốc: có dạng đường cong nhưng có thể xem gần đúng là đường thẳng

 Giai đoạn sấy giảm tốc: có dạng đường cong tiệm cận đến một giá trị U* nào đó (trong bài thí nghiệm này thì U* = 0)

 Từ đó, ta vẽ 3 đoạn tối ưu nhất theo phương pháp bình phương cực tiểu Nhưng để đơn giản:

 Ở giai đoạn thứ hai: ta dùng các chức năng trong Excel: Add trendline/ Type/ Linear để chọn dạng đường thẳng và Add trendline/ Options/ Display equation

on chart để hiện hàm của đường thẳng vừa chọn

 Ở giai đoạn thứ ba: : ta dùng các chức năng trong Excel: Add trendline/Polynomial, trong Order chọn 2 để chọn dạng đường cong bậc 2 và đánh tick vào Display equation on chart để hiện hàm của đường cong vừa chọn

-Để xác định giao điểm 2 đường (đường thẳng và đường bậc 2), ta chọn 1 điểm nghi ngờ, rồi dựng đường 2 đường như trên Sau đó đạo hàm 2 phương trình trên, cho bằng