Để sấy được khối hạt vật liệu rời trong lớp tầng sôi nói chung và sấy tầng sôi xung khí nói riêng yêu cầu phải xác định được giá trị vận tốc không khí đi qua lớp hạt làm cho khối hạt giả lỏng tối thiểu và giả lòng hoàn toàn.
Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh HNKH-01 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ VẬT LÝ CỦA HẠT ĐƯỜNG RS ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY SẤY TẦNG SƠI XUNG KHÍ BÙI TRUNG THÀNH1, PHẠM QUANG PHÚ1 Khoa CN Nhiệt Lạnh, Trường ĐHCN Tp.HCM buitrungthanh@iuh.edu.vn; phamquangphu@iuh.edu.vn Tóm tắt Để sấy khối hạt vật liệu rời lớp tầng sơi nói chung sấy tầng sơi xung khí nói riêng u cầu phải xác định giá trị vận tốc không khí qua lớp hạt làm cho khối hạt giả lỏng tối thiểu giả lịng hồn tồn Để xác định giá trị vận tốc khí yêu cầu phải xác định số thông số vật lý hạt gồm: đường kính hạt (dp), khối lượng thể tích khối hạt(b), khối lượng riêng hạt (p), độ xốp lớp hạt () Nếu hạt vật liệu có dạng hình cầu, kích thước hạt mơ tả rõ ràng đường kính nó, hạt vật liệu rời có hình dạng kích thước hạt phải tính tính thêm hệ số cầu tính () để đưa hạt sấy dạng hạt tương đương hình cầu Kế thưa công bố thông qua thực nghiệm, nghiên cứu xác định khối lượng riêng hạt đường RS p = 1598 kg/m3, khối lượng thể tích khối hạt b =889 kg/m3, độ rỗng khối hạt trạng thái tĩnh = 0,44 cầu tính hạt =0,85 Từ khóa: khối lượng riêng, khối lượng thể tích, độ rỗng khối hạt, cầu tính, sấy tầng sơi xung khí RESEARCH DETERMINES SOME PHYSICAL PARAMETERS OF THE SUGAR CANE RS TO USE IN CALCULATING AND DESIGN A MODEL OF PULSE FLUIDIZED BED DRYER BUI TRUNG THANH1, PHAM QUANG PHU1 Faculty of Heat and Refrigeration Engineering, Industrial University of Ho Chi Minh City buitrungthanh@iuh.edu.vn; phamquangphu@iuh.edu.vn Abstract In order to dry bulks of particles in the fluidized bed in general and on the impulse fluid bed in particular, it is required to determine the value of the suface air velocity which get the bulk of solid particles to become the minimum fluidization For determination on these values of gas velocities, that required to determine some of basic physical parameters of the solid particle including: solid particle diameter (dp), Bulk density (b), density (p), porosity () Incase the particle is spherical, the size of the particle is described by its diameter In fact in nature and food processing solid particles has any shape and so that the size of the particle shall be included in the spherical factor () to bring theere solid particle to the equivalent spherical particle The research in this paper has determined the density of sugar granules RS (p)is 1598 kg / m3, bulk density of particles (b) is 889 kg / m3, the porosity in stationary particle () is 0.44 and the sphericity of the particle is 0.85 keywords: density, bulk density, porosity, spherical, pulsated fluidized bed drying -13- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh GIỚI THIỆU Để sấy khối hạt vật liệu rời lớp hạt giả lỏng (fluidization), nghĩa hạt sấy sơi dịng khơng khí nóng dịng tác nhân khí cấp vào lớp khối hạt cấp theo phương vng góc với lớp hạt phải đạt tới giá trị vận tốc tối thiểu để làm lớp hạt giả lỏng tối thiểu Việc tính vận tốc khơng khí làm cho khối hạt giả lỏng tối thiểu vận tốc khí làm cho khối hạt giả lỏng hồn tồn hay cịn gọi sơi hồn tồn tính vận tốc khí tới hạn để không làm hạt bay khỏi buồng sấy việc tính tốn thiết kế máy sấy tầng sơi nói chung sấy tầng sơi xung khí nói riêng phải xác định thông số vật lý hạt gồm: đường kính hạt, khối lượng thể tích khối hạt khối lượng riêng hạt, độ xốp lớp hạt Nếu hạt vật liệu có dạng hình cầu, kích thước hạt mơ tả rõ ràng đường kính nó, hạt vật liệu rời có hình dạng kích thước hạt phải tính tính thêm hệ số cầu tính để đưa hạt vật liệu sấy tương đương hình cầu Trong khn khổ báo, tác giả trình bày cách xác định số thông số vật lý hạt đường RS Việc xác định thông số vật lý hạt đường RS làm sở cho việc thiết kế mơ hình thực nghiệm sấy tầng sơi xung khí theo hướng nghiên cứu nhóm tác giả DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Cầu tính hạt có hình dạng Xét khối hạt rời để trạng thái tự nhiên, hạt ln chịu lực dính lẫn trọng lực hạt Tại trạng thái V = 0; dv/dt = Tăng vận tốc dịng khí lên đến giá trị tối thiếu ta có phương trình cân bằng: F= G -A (1) A = Vh.ρh.g (2) Trong đó: G = m.g trọng lực khối hạt, A-lực đẩy Archimedes, Vh-thế tích khối hạt, m3,- khối lượng riêng hạt, kg/m3, g gia tốc trọng trường, m/s2 Để khối hạt giãn chuyển động qua lại có trạng thái linh động cịn gọi giả lỏng hay cịn gọi trạng thái lơ lửng vận tốc hạt lúc gọi vận tốc cân hạt V cb (m/s) tính theo Công thức (1) [1] U cb = k p d g p (3) Trong đó: dp - đường kính hạt dạng cầu tròn, m; g – khối lượng riêng khí, kg/m3;k hệ số theo kích thước hạt; k = 10 dh =0,00001 0,07m; k = 170 dh = 0,005 0,07 m [1] Theo [2] để lớp hạt giả lỏng hồn tồn sơi ổn định, vận tốc dịng khí qua lớp hạt Vg (m/s) xác định qua tiêu chuẩn Reynolds: Ug = Re. g g d p (4) Trong đó: g – Độ nhớt động lực học, N.s/m2 Như hạt có dạng trịn hay hình cầu kích thước hạt dễ dàng xác định mơ tả đường kính (dp) Theo [2], tốc độ cân hạt vật liệu có hình dạng tính theo cơng thức g.d p ( p − g ) (5) U cb = m/s 3.Cd g với: Cd - hệ số trở lực Cd hàm phụ thuộc vào chuẩn số Re cầu tính hạt Cd = f(Re; ) Thực tế tự nhiên thực tế sản xuất, quy trình cơng nghệ lại tạo hạt cầu gặp, hầu hết hạt có hình dạng Do bắt buộc tính tốn ta phải quy kích thước hạt kích thước trung bình tính tốn giá trị kích thước hạt dựa khái niệm hệ số cầu tính hạt Một hạt khơng có dạng hình cầu xác định định nghĩa “cầu tính” đại lượng không thứ nguyên [2] -14- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh 𝜙= 𝐷𝑖ệ𝑛 𝑡í𝑐ℎ 𝑘ℎố𝑖 𝑐ầ𝑢 𝑐ó 𝑐ù𝑛𝑔 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ 𝑣ớ𝑖 ℎạ𝑡 (6) 𝐷𝑖ệ𝑛 𝑡í𝑐ℎ 𝑏ề 𝑚ặ𝑡 𝑐ủ𝑎 ℎạ𝑡 Theo [2] Tiêu chuẩn Anh BS 4359 (1970) cung cấp giá trị đo lường cầu tính số loại hạt thơng dụng có giá trị nằm khoảng từ 0,28 – 0,95 (Bảng 1) Việc đo diện tích bề mặt hạt yêu cầu phải có thiết bị thực phịng thí nghiệm Bảng Cầu tính số hạt thơng dụng [2] Vật liệu Hạt cát (trịn) Hạt cát có cạnh Hạt than đá (nghiền) Hạt mica Cầu tính 0,92 0,66 0,6 – 0,75 0,28 Vật liệu Hạt nhôm oxyt Hạt đá vơi Hạt muối tinh Bột nghiền Cầu tính 0,3 – 0,8 0,5 – 0,9 0,84 0,89 Cầu tính hạt khó xác định chủ yếu dựa vào kết từ tài liệu sẵn có, nhiên, biết trước vận tốc dịng khí qua khối hạt độ rỗng khối hạt dựa vào quan hệ tương quan tiêu chuẩn Archimedes tiêu chuẩn Reynolds trạng thái sơi tối thiểu để xác định cầu tính hạt vật liệu [3]: Ar =150 (1 − mf ) mf Remf + 1, 75 mf Re2mf (7) Trong đó: Ar – Tiêu chuẩn Archimedes Ar = g. g ( p − g ).d p3 g2 (8) Remf – Tiêu chuẩn Reynolds trạng thái sôi tối thiểu Remf = gU mf d p g (9) mf – Độ rỗng trạng thái sôi tối thiểu Khối lượng riêng hạt khối lượng thể tích khối hạt a Khối lượng riêng hạt Khối lượng riêng hạt (density) sử dụng phương trình tính tốn khối hạt vật liệu giả lỏng định nghĩa khối lượng hạt chia cho thể tích thủy động Thể tích “được thấy” dịng lưu chất tương tác động học lưu chất với hạt bao gồm thể tích tất lỗ rỗng kín hở Hình Thể tích thủy động hạt [4] -15- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh p = mp (10) Vp Trong đó:p – Khối lượng riêng hạt, kg/m3; mp – khối lượng hạt, kg; Vp – Thể tích thủy động hạt, m3 b Khối lượng thể tích khối hạt Khái niệm khối lượng thể tích hạt, b (bulk density) đề cập để tính tốn xác kích thước buồng sấy hạt đặc biệt tính tốn thơng số thủy động học thiết kế lớp hạt hóa sơi Khối lượng thể tích khơng dễ đo cách trực tiếp Geldart (1972) [5] đề xuất nhiều phương pháp Khối lượng thể tích xác định phương trình (11): b = mb Vb (11) Trong đó: b – khối lượng thể tích, kg/m3; mb – khối lượng khối hạt, kg; Vb – Thể tích khối hạt, m3 (bao gồm độ rỗng hạt) Độ rỗng Độ rỗng hay gọi độ xốp lớp hạt () phần thể tích lớp hạt chiếm chỗ khoảng không gian hạt rắn Giá trị độ rỗng phụ thuộc vào hình dạng hạt, dạng mà chúng xếp lớp hạt (những hạt nhỏ lấp đầy độ rỗng hạt lớn hơn), kích thước lớp hạt (độ rỗng gần buồng chứa bề mặt bên khác với độ rỗng lớp hạt) Độ rỗng chừng từ dạng hình học hạt đơn lẻ thiếu tin cậy thực tiễn Độ rỗng lớp hạt tin cậy cao tiến hành thí nghiệm điều kiện cụ thể có tính đến độ ẩm hạt Theo [2] độ rỗng khối hạt trạng thái tĩnh xác định công thức: 0 = 1− b p (12) Nếu lớp hạt xếp chặt nén xuống, độ rỗng nhỏ độ rỗng tính Theo [6], độ rỗng lớp hạt trạng thái sơi tối thiểu tính cơng thức thực nghiệm: (13) mf = + 10%. = 1,1. Theo Kunii Levenspiel [7] đưa phương trình tương quan mặt cân khối lượng: g.H (1 − ) p A = (1 − mf ) p g.H mf (14) Trong đó: g- gia tốc trường, m/s ; 0, mf - độ rỗng khối hạt trạng thái tĩnh trạng thái lớp hạt giả lỏng tối thiểu; H0, Hmf - chiều cao lớp hạt trạng thái tĩnh chiều cao lớp hạt trạng thái sôi tối thiểu, m; A - Diện tích ghi phân phối khí hay tiết diện lớp hạt sấy, m2 Như chiều cao lớp hạt sôi tối thiểu (Hmf): (1 − ) (15) H mf = H (1 − mf ) Khi tính tốn độ rỗng lớp hạt trạng thái sôi ổn định, Zabrodsky trình bày [8] đưa cơng thức tính theo tiêu chuẩn Reynolds Archimedes sau: 18 Re + 0,36 Re s = Ar Khi lớp hạt bị dòng tác nhân khí lơi = 0,21 (16) PHƯƠNG TIỆN VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM Q trình thực nghiệm tiến hành loại dụng cụ đo bao gồm: Ống nghiệm Đức sản xuất có thang chia vạch 1ml; Cân tiểu ly kỹ thuật số hiệu Ohaus PA214 Mỹ sản xuất độ nhạy 0,0001g; Máy phân tích độ ẩm Axis AGS100 Đức, sai số đo 0,01%,; Dụng cụ đo vận tốc gió Extech SDL350 Đài -16- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Loan sản xuất với sai số 0,01 m/s; Đồng hồ đo chênh lệch áp suất Extech HD350 Mỹ sản xuất; Bộ điều khiển nhiệt độ Autonics TZN4M ghi PNTECH DDC-C46 Nhật Bản sử dụng để điều khiển ghi liệu nhiệt độ trình sấy phạm vi đo từ 0400C sai số 0,5C; Thiết bị đo tần số Extech SDL350, sai số 0,01 dùng đo tần số xung khí cấp vào buồng sấy dung dịch ethylene glycol Hình Các dụng cụ đo phục vụ thí nghiệm Kết hợp với mơ hình máy sấy tầng sơi xung khí, suất 5kg/mẻ lắp đặt phòng thực hành X6.11, trường Đại học Cơng Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Mơ hình có thơng số kỹ thuật sau: Năng suất: 5kg/h (Kích thước (dài rộng cao): 1100mm 600mm 1500mm); Bộ gia nhiệt điện trở, công suất cực đại: kW; Công suất quạt ly tâm cấp khí nóng: 1,5kW/3P/380V 1- Tủ điện điều khiển; 2- Quạt cấp khơng khí; 3- Bộ gia nhiệt; 4- Buồng lắng; 5- Buồng sấy; 6- Buồng phân phối TNS; 7- Cửa lấy mẫu; T1, T2, T3: vị trí đo nhiệt độ Hình Mơ hình máy sấy tầng sơi xung khí KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Thực nghiệm xác định khối lượng riêng hạt đường RS Đổ dung dịch ethylene glycol vào ống nghiệm, xác định thể tích dung dịch, thực cân mẫu đường RS từ bao đường, xác định chênh lệch thể tích trước sau cho lượng đường RS vào -17- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh ống nghiệm Từ số liệu khối lượng thể tích đo được, xác định khối lượng riêng hạt đường RS dựa theo phương trình (10) Kết thí nghiệm trình bày Bảng Bảng Kết đo khối lượng riêng đường RS Thí nghiệm Thể tích dung Khối lượng dịch ban đầu đường (g) (ml) 6,3156 15 8,020 50 33,756 100 47,050 150 32,334 250 232,2 500 477,0 1000 806,8 1500 639,8 Khối lượng riêng trung bình: Độ lệch chuẩn: Thể tích hỗn hợp(ml) 20 71 130 170 395 800 1500 1900 Khối lượng riêng (kg/m3) 1578,9 1604,0 1607,4 1568,3 1616,7 1601,4 1590,0 1613,6 1599,5 1597,8 16,0 Kết đo đạc p = 1598 kg/m3 Theo [9] [10], khối lượng riêng hạt đường RS là 1590 1600 kg/m3 nên kết đo hợp lý sử dụng tính tốn liên quan Thực nghiệm xác định khối lượng thể tích độ rỗng Cũng sử dụng dụng cụ thí nghiệm thí nghiệm xác định khối lượng riêng, thí nghiệm khơng sử dụng dung dịch ethylene glycol Đường RS nguyên liệu lấy ngẫu nhiên đưa thẳng vào ống nghiệm trạng thái tĩnh tự nhiên thơng qua phễu Trong thí nghiệm này, khối lượng thể tích khối hạt ρb; độ rỗng khối hạt s xác định cách sử dụng cơng thức (11) (12) Thí nghiệm thực 06 loại ống nghiệm khác với dải thể tích thay đổi từ – 2000 ml cho kết Bảng Bảng Kết đo khối lượng thể tích đường RS Thí nghiệm Khối lượng (g) 10 11 12 8,0 13,3 17,0 17,8 45,0 71,2 88,6 103,8 133,8 182,8 224,8 269,4 Thể tích chiếm chỗ (ml) 9,0 15,0 19,0 20,0 51,0 81,0 100,0 120,0 150,0 204,0 250,0 300,0 -18- Khối lượng riêng thể tích (kg/m3) 888,9 886,7 894,7 890,0 882,4 879,0 886,0 865,0 892,0 896,1 899,2 898,0 Độ rỗng 0,444 0,445 0,440 0,443 0,448 0,450 0,446 0,459 0,442 0,439 0,437 0,438 Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh 13 14 15 16 17 18 Trung bình Độ lệch chuẩn 356,8 445,6 731,2 900,4 1325,4 1783,4 400,0 500,0 820,0 1010,0 1500,0 2000,0 892,0 891,2 891,7 891,5 883,6 891,7 888,9 7,956 0,442 0,442 0,442 0,442 0,447 0,442 0,444 0,005 Kết xác định khối lượng thể tích khối hạt b = 889 kg/m3 Theo [10], khối lượng thể tích hạt đường RS là 800 kg/m3 nên kết đo hợp lý sử dụng tính tốn liên quan Thực nghiệm xác định cầu tính hạt Như phân tích để tính tốn vận tốc cân hạt, vận tốc khí làm lớp hạt sơi tối thiểu, vận tốc sôi ổn định vận tốc tới hạn hạt vật liệu tính tốn cụ thể cho trường hợp sấy đường RS phải xác định cầu tính hạt Kết xác định giá trị cầu tính số loại hạt cho Bảng trình bày [2] mang tính tham khảo cho vật liệu rời tương ứng Như trường hợp sấy đường RS cụ thể phải có số liệu cầu tính thơng qua thực nghiệm Dụng cụ thí nghiệm xác định cầu tính cho trường hợp sử dụng thí nghiệm trên, ngồi cịn có thêm dụng cụ đo vận tốc tác nhân khí bề lớp hạt trạng thái sơi tối thiểu Thừa nhận kết từ thí nghiệm xác định khối lượng riêng hạt đường RS trình bày ρp = 1598 kg/m3 Nhiệt độ dịng tác nhân cung cấp cho thí nghiệm trì ổn định nhiệt độ 80C chiều dày lớp hạt sơi thí nghiệm để mức H0 = 30mm Thí nghiệm nhằm xác định vận tốc khí bề mặt trạng thái sơi tối thiểu theo vật liệu đường RS Sử dụng công thức (8) (9) xác định tiêu chuẩn Archimedes (Ar) Reynolds (Remf) và sau thay vào phương trình (7) để tìm kết cầu tính hạt đường RS cho từng trường hợp cụ thể sau lấy kết cầu tính trung bình để làm sở tính tốn lý thuyết thiết kế sấy đường RS tầng sơi xung khí Hình Đồ thị thực nghiệm xác định vận tốc sôi tối thiểu Trong trường hợp này, với hạt đường RS có kích thước trung bình dm = 892μm, độ rỗng trạng thái sôi tối thiểu εmf = 0,488 (phương trình 13), độ nhớt động lực học μf = 2,096.10-5 kg/(m.s) khối lượng riêng tác nhân ρg = 0,9994 kg/m3, tương ứng với nhiệt độ sấy đường RS theo [11]ở 80C [15] Khối lượng riêng hạt ρp 1598 kg/m3, vận tốc sôi tối thiểu xác định thí nghiệm 0,54 m/s Lúc cầu tính hạt đường RS xác định sau: từ phương trình (8) (9), tính giá trị tiêu chuẩn Archimedes tiêu chuẩn Reynolds là: Ar = 25294,46 Re = 19,99 Thay giá trị vào phương trình (7) dẫn đến, -19- Hội thảo CÁC NGHIÊN CỨU TIÊN TIẾN TRONG KHOA HỌC NHIỆT VÀ LƯU CHẤT Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh 25294, 46 = 150(1 − 0, 488) 1, 75 19,99 + 19,992 3 0, 488 0, 488 25294, 46 − 6002,51 − 13167, = Giải phương trình bậc 01 nghiệm âm 01 nghiệm dương Chỉ nghiệm dương = 0,85 có ý nghĩa vật lí cầu tính hạt đường RS 0,85 KẾT LUẬN Kế thừa cơng thức tính tốn cơng bố kết hợp với thực nghiệm, nghiên cứu xác định khối lượng riêng hạt đường RS p 1598 kg/m3, khối lượng thể tích khối hạt b 889 kg/m3, độ rỗng khối hạt trạng thái tĩnh 0,44 cầu tính hạt 0,85 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cranikov B.B.Podemno, Transport Machinery in cenkom kozeyctb Moscow "koloc ", 1987 [2] Howard.J.R Fluidized bed Technology, principles and application, Publisher Taylor & Francis Group Date, 1989 [3] F Mohos, Confectionery and chocolate engineering John Wiley & Sons, 2016 [4] Martin Rhodes, Fluidization of Particles by Fluids, Department of Chemical Engineering, Monash University, Melbourne, Australia [5] D Geldart, “The effect of particle size and size distribution on the behaviour of gas-fluidised beds,” Powder Technol., vol 6, no 4, pp 201–215, 1972 [6] Ginzburg AS Theoretical and Technical Basis of Drying Food Products Moscow: Pishchevaya Promyshlennost; 1973 p 528 (in Russian) [7] Kunii, D and O Levenspiel, Fluidization engineering Butterworth-Heinemann., 1991 [8] W.-C Yang, Handbook of fluidization and fluid-particle systems, vol 1, no 2003 [9] P J Fellows, “Food processing technology,” Food Process Technol., 2009 [10] F Mohos, Confectionery and chocolate engineering John Wiley & Sons, 2016 [11] Y A Cengel and M A Boles., Thermodynamics: An Engineering Approach 6th Editon (SI Units) The McGrawHill Companies, Inc., New York., 2007 -20- ... bày cách xác định số thơng số vật lý hạt đường RS Việc xác định thông số vật lý hạt đường RS làm sở cho việc thiết kế mơ hình thực nghiệm sấy tầng sơi xung khí theo hướng nghiên cứu nhóm tác giả... để tính tốn vận tốc cân hạt, vận tốc khí làm lớp hạt sôi tối thiểu, vận tốc sôi ổn định vận tốc tới hạn hạt vật liệu tính tốn cụ thể cho trường hợp sấy đường RS phải xác định cầu tính hạt Kết xác. .. tính hạt đường RS cho từng trường hợp cụ thể sau lấy kết cầu tính trung bình để làm sở tính tốn lý thuyết thiết kế sấy đường RS tầng sơi xung khí Hình Đồ thị thực nghiệm xác định vận tốc sôi