Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất khi sấy phun cà chua

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỊ THU HẰNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT KHI SẤY PHUN CÀ CHUA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN : GS TSKH ĐẶNG QUỐC PHÚ HÀ NỘI – 2010 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS.TSKH Đặng Quốc Phú – người thầy động viên tận tình bảo tơi suốt q trình học tập hướng dẫn làm luận văn Tác giả xin cảm ơn thầy cô giáo anh em đồng nghiệp Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt Lạnh – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Xin cảm ơn gia đình bạn bè bên, động viên tạo điều kiện giúp đỡ tơi để tơi hồn thành luận văn Tác giả Trần Thị Thu Hằng i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu hướng dẫn thầy Đặng Quốc Phú Các số liệu thực nghiệm kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả Trần Thị Thu Hằng ii MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY PHUN .3 1.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY PHUN 1.1.1 Giới thiệu công nghệ sấy phun .3 1.1.2 Phân loại nguyên lý hoạt động loại thiết bị sấy phun 1.2 SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG THIẾT BỊ SẤY PHUN 1.3 CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG SẤY PHUN 10 1.3.1 Các nghiên cứu lý thuyết 10 1.3.2 Các nghiên cứu thực nghiệm 12 CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 15 2.1 MỤC ĐÍCH CỦA NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .15 2.2 MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM 15 2.2.1 Mục đích yêu cầu thiết bị thí nghiệm 15 2.2.2 Thiết bị thí nghiệm IC40D 15 2.2.3 Kiểm tra, cải tạo thiết bị 17 2.3 LỰA CHỌN VẬT LIỆU SẤY 20 2.3.1 Giới thiệu sản phẩm .20 2.3.2 Tính chất lý vật liệu sấy .21 2.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ LỰA CHỌN HÀM MỤC TIÊU .23 2.4.1 Lựa chọn yếu tố ảnh hưởng 23 2.4.2 Lựa chọn hàm mục tiêu 23 2.5 QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 24 2.5.1 Khái niệm 24 2.5.2 Trình tự tiến hành .25 2.6 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 27 2.6.1 Các chế độ thí nghiệm 27 2.6.2 Chuẩn bị nguyên liệu sấy 27 2.6.3 Quy trình sấy lấy số liệu 27 2.7 ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 32 2.8 XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 33 2.8.1 Xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích theo số liệu thực nghiệm .33 2.8.2 Xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích theo cơng thức Luikov 34 2.9 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 34 2.9.1 Hệ số trao đổi nhiệt thể tích cà chua 34 2.9.2 Hệ số trao đổi nhiệt thể tích chung cho sản phẩm giàu đường 38 CHƯƠNG III XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC MƠ TẢ Q TRÌNH TRUYỀN NHIỆT – TRUYỀN CHẤT TRONG THIẾT BỊ SẤY PHUN CÙNG CHIỀU 41 3.1 MỤC ĐÍCH VÀ CÁC GIẢ THIẾT CỦA MƠ HÌNH TỐN HỌC 41 3.1.1 Mục đích việc xây dựng mơ hình tốn học 41 3.1.2 Các giả thiết xây dựng mơ hình 41 3.2 MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA GIAI ĐOẠN SẤY TỐC ĐỘ KHÔNG ĐỔI 42 3.2.1 Cân nhiệt cân chất 42 3.2.2 Quá trình dịch chuyển pha lỏng 43 iii 3.3 MƠ HÌNH TỐN GIAI ĐOẠN SẤY GIẢM DẦN 45 3.3.1 Truyền nhiệt 45 3.3.2 Truyền chất 47 3.4 CÂN BẰNG NHIỆT, CÂN BẰNG CHẤT VÀ CÂN BẰNG MOMEN GIỮA CÁC HẠT VÀ TÁC NHÂN SẤY 52 3.4.1 Cân momen 52 3.4.2 Cân chất 53 3.4.3 Cân nhiệt 53 CHƯƠNG IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ĐÁNH GIÁ 55 4.1 GIẢI THUẬT VÀ LỰA CHỌN CƠNG CỤ ĐỂ TÍNH TỐN 55 4.2 BIẾN THIÊN TỐC ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT TRONG KHÔNG GIAN BUỒNG SẤY 58 4.3 NGHIÊN CỨU GIAI ĐOẠN SẤY CÓ TỐC ĐỘ SẤY KHÔNG ĐỔI 58 4.3.1 Ảnh hưởng kích thước ban đầu hạt 59 4.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ ban đầu tác nhân sấy 61 4.3.3 Ảnh hưởng thành phần thể tích chất rắn ban đầu .62 4.4 NGHIÊN CỨU GIAI ĐOẠN SẤY CÓ TỐC ĐỘ GIẢM DẦN VÀ TỒN BỘ Q TRÌNH SẤY 64 4.4.1 Biến thiên nhiệt độ bề mặt hạt tâm hạt theo thời gian 64 4.4.2 Phân khối lượng vỏ xốp 65 4.4.3 Tốc độ bay hạt 67 4.4.4 Biến thiên khối lượng, độ ẩm hạt 68 4.4.5 Biến thiên nhiệt độ độ chứa tác nhân sấy 68 CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .71 5.1 KẾT LUẬN 71 5.2 KIẾN NGHỊ .73 iv DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Giá trị đo nhiệt độ khơng khí cấp 19 Bảng 2.2: Giá trị đo kiểm tra tốc độ khơng khí cấp 20 Bảng 2.3: Thành phần cà chua 21 Bảng 2.5: Giá trị nhiệt độ vỏ máy nén thời gian máy nghỉ 31 Bảng 2.6: Giá trị trung tâm khoảng biến thiên biến 36 v DANH MỤC ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các giai đoạn q trình sấy phun .4 Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo hệ thống sấy phun Hình 1.3: Chu trình hệ thống sấy phun hở Hình 1.4: Chu trình hệ thống sấy phun kiểu kín Hình 1.5: Chu trình hệ thống sấy phun kiểu nửa kín .7 Hình 1.6: Đường cong tốc độ sấy 10 Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo máy sấy phun IC40D 16 Hình 2.2: Vị trí điểm đo để kiểm tra nhiệt độ khơng khí cấp 18 Hình 2.3: Vị trí đo kiểm tra tốc độ .19 Hình 2.4: Hình ảnh loại cà chua 21 Hình 2.5: Quy trình chuẩn bị vật liệu sấy 29 Hình 2.6: Sơ đồ lắp đặt thiết bị 32 Hình 2.7: So sánh hệ số trao đổi nhiệt thể tích tính theo Luikov thực nghiệm 35 Hình 2.8: So sánh αv thực nghiệm αv tính theo phương trình hồi quy 38 Hình 2.9: So sánh αV hồi quy αV thực nghiệm .39 Hình 3.1: Mơ hình giảm ẩm hạt giai đoạn sấy thứ 42 Hình 3.2: Hạt vật liệu sấy giai đoạn sấy 46 Hình 3.3: Mơ hình ống mao dẫn bên vỏ hạt .47 Hình 4.1: Lưu đồ thuật tốn .57 Hình 4.2: Biến thiên tốc độ điều kiện Utns = m/s, Rdo = 2mm .59 Hình 4.4: Phân bố phân thể tích chất rắn bên hạt có kích thước ban đầu 0,2 mm thời điểm khác 61 Hình 4.5: Cường độ bay hạt 62 Hình 4.6: Phân thể tích chất rắn bên hạt thời điểm khác 63 Hình 4.7: Phân thể tích chất rắn bên hạt thời điểm khác 63 Hình 4.8: Biến thiên nhiệt độ bề mặt tâm hạt 65 Hình 4.9: Thành phần khối lượng vỏ xốp độ ẩm hạt X = 0,6, bán kính hạt ban đầu Rdo = 2(mm) 66 Hình 4.10: Dịng từ hạt ứng thời điểm khác hạt có kích thước ban đầu Rdo = 2mm 67 Hình 4.11: Biến thiên khối lượng hạt trình sấy 68 Hình 4.12: Biến thiên độ ẩm tương đối hạt trình sấy 69 Hình 4.13: Biến thiên nhiệt độ tác nhân sấy 69 Hình 4.14: Biến thiên độ chứa tác nhân sấy 70 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT Ký hiệu Đơn vị đo Tên gọi C kJ/kgK R m d kg/kg F m2 Diện tích G g/h Lưu lượng khối lượng m kg Khối lượng T oC Nhiệt độ z m Tọa độ P bar Áp suất 10 X % Thành phần chất phụ gia Maltodextrin 11 µ Pa.s Độ nhớt động lực 12 λ J/kg Nhiệt ẩn hóa 13 h W/m2K 14 Dv m2/s 15 Ld m 16 αV W/m3K Hệ số trao đổi nhiệt thể tích 17 ϕ - Thành phần thể tích chất rắn 18 ε - Độ xốp 19 U m/s Tốc độ 20 t s Thời gian 21 D m Đường kính buồng sấy 22 k W/mK Hệ số dẫn nhiệt 23 ρ kg/m3 Khối lượng riêng 24 v m/s 25 ω - Nhiệt dung riêng Bán kính hạt Độ chứa tác nhân sấy Hệ số trao đổi nhiệt Hệ số bay Chiều dài hang xốp Tốc độ dịch chuyển ẩm Phân khối lượng vii 26 σ N/m 27 Q W 28 M kg/kmol 29 x % Sức căng bề mặt Dòng nhiệt Khối lượng kilomol Độ ẩm hạt KÝ HIỆU CHÂN Ký hiệu Ý nghĩa kn Khí nén v Hơi a Khơng khí khơ cr Vỏ xốp wc Nhân ướt l sat Lỏng Bão hòa d Hạt g Môi trường tác nhân sấy viii LỜI MỞ ĐẦU Trải qua nhiều thập kỉ nghiên cứu phát triển, sấy phun ngày sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác từ việc sản xuất sản phẩm đòi hỏi yêu cầu chất lượng vệ sinh cao sản xuất thuốc, bột số loại hoa tới cơng nghiệp khai khống, sản xuất thuốc trừ sâu Công nghệ sấy phun sử dụng nhiều là phương pháp tiên tiến, tạo thành sản phẩm bột có chất lượng cao, thời gian sấy nhanh, áp dụng cho vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ vật liệu chịu nhiệt Hiện công nghệ sấy phun tiếp tục nghiên cứu để đáp ứng nhu cầu cơng nghiệp đại hóa cao giới Các nghiên cứu tập trung chủ yếu theo hai hướng chính: hướng thứ nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng công nghệ sấy phun nhiều lĩnh vực khác theo tiêu chí vận hành an toàn, tiết kiệm lượng cho sản phẩm có chất lượng cao; hướng thứ hai mơ trình sấy phun với trợ giúp chương trình máy tính nhằm đánh giá ảnh hưởng thơng số vận hành, từ tìm giải pháp tối ưu để cải tiến hoàn thiện dần công nghệ sấy phun Sản lượng rau Việt Nam không ngừng tăng lên nhờ có q trình đại hóa nơng nghiệp Tuy nhiên, hầu hết loại sản phẩm sử dụng theo mùa vụ thời gian bảo quản ngắn dẫn tới dư thừa thiếu hụt tùy theo thời vụ năm Hơn nữa, nhu cấu sử dụng thức ăn nhanh ngày lớn nên việc sản xuất loại bột từ loại trái nhằm kéo dài thời gian sử dụng đáp ứng nhu cầu nguyên liệu cho ngành công nghiệp thực phẩm có ý nghĩa thực tiễn lớn Cơng nghệ sấy phun giải pháp tối ưu cho nhu cầu Mục đích luận văn nghiên cứu q trình truyền nhiệt – truyền chất thiết bị sấy phun nói chung trình sấy phun sản phẩm giàu đường nói riêng PHỤ LỤC PL1: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN CHO MƠ HÌNH TỐN clear all format long % DIEU KIEN BAN DAU % kich thuoc buong say D_buong=0.125; F_buong=3.1416*D_buong^2/4; %dieu kien moi truong ngoai t_mt=30; humit=0.8; % so khoang chia sokhoang=10; % cac thong so ban dau cua hat tocdo_d(1)=100; G_d=0.1/3600; R_d(1)=2/10^3; t_d(1)=t_mt; s_L=4.28*10^3; s_s=0.7*10^3; s_v=10^3; succang=71.2/10^3; data=0.946; muy_l=0.0002819; X(1)=0.94; ro_mal=1400; ro_suc=1526; ro_w=998; x_mal=0.45; ro_s=x_mal*ro_mal+(1-x_mal)*ro_suc; ro_d(1)=ro_s*(1+X(1))/(1+ro_s*X(1)/ro_w); v_d(1)=4/3*R_d(1)^3; m(1)=ro_d(1)*v_d(1); m_l(1)=m(1)*X(1); m_s(1)=m(1)*(1-X(1)); N=G_d/m(1); % xop lon nhat phi_max=0.6; % cac thong so dau vao cua tac nhan say tocdo_tns(1)=5; t_tns(1)=200; p_bho=exp(12-4026/(235.5+t_mt)); d(1)=0.622*humit*p_bho/(1-humit*p_bho); ro_tns(1)=353*(1+d(1))/(t_tns(1)+273)/(1+1.068*d(1)); G_k=ro_tns(1)*tocdo_tns(1)*F_buong k_tns(1)=0.0060065+0.0000656*(t_tns(1)+273); donhot_tns(1)=(0.0411*(t_tns(1)+273)+6.2563)/10^6; p_h(1)=humit*p_bho; p_wR(1)=exp(12-4026/(235.5+t_d(1))); D_AB(1)=(0.0015*(t_d(1)+273)-0.19)/10^4; % truong xop ban dau for j=1:sokhoang+1 phi(j,1)=0.32 end % he so dan nhi?t k_p=1.2;%duong gluco k_lt=0.006;%khong de tinh cho cr k_w=53; xi=k_p/k_w; k_wc(sokhoang,1)=k_w*(xi*(1-phi(sokhoang,1))^(2/3)+1-(1phi(sokhoang,1))^(2/3))/(xi*(1-(phi(sokhoang,1))^(2/3)-(1phi(sokhoang,1)))+1-(1-phi(sokhoang,1))^(2/3)+(1-phi(sokhoang,1))); k_cr=k_lt*(2*k_lt+k_p-2*phi_max*(k_lt-k_p)/(2*k_lt+k_p+phi_max*(k_ltk_p))); % buoc thoi gian delta_t=5*10^(-10); i=1 %for i=2:20 while (phi(sokhoang+1,i)0 m_cham(i-1)=delta_m(i-1)/delta_t; m(i)=m(i-1)-delta_m(i-1); m_l(i)=m_l(i-1)-delta_m(i-1); m_s(i)=m_s(i-1); X(i)=m_l(i)/m(i); % tac nhan say delta_d(i-1)=N*delta_m(i-1); d(i)=d(i-1)+delta_d(i-1); % tinh toc tuong doi cua hat tocdo_tns(i)=tocdo_tns(i-1); tocdo_df(i-1)=0.153*(2*R_d(i-1))^1.14*9.81^0.71*(ro_d(i-1)-ro_tns(i1))/(ro_tns(i-1)^0.29*(donhot_tns(i-1)^0.4)); Re(i-1)=ro_tns(i-1)*tocdo_d(i-1)*2*R_d(i-1)/donhot_tns(i-1); if Re(i-1)ri(sokhoang,i)) && (ri2(i)