1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.2.3. Phương pháp xử lý và gia công số liệu thực nghiệm
2.2.3.1. Phương pháp xử lý đo đạc
Trong nghiên cứu thực nghiệm đo đạc của máy, các kết quả đo đạc đều là kết quả ngẫu nhiên, trong kỹ thuật nông nghiệp xác suất tin cậy thường dùng trong khoảng 0,7 - 0,9, xác suất của dụng cụ đo trong khoảng 0,95 - 0,99. Vì vậy, để đảm bảo độ tin cậy thì các thí nghiệm phải được lặp lại nhiều lần để đảm bảo xác suất tin cậy của dụng cụ. Nếu trong quá trình khảo nghiệm, khi thấy các số liệu có sai lệch bất thường, chúng tôi phải tiến hành đo lại để đảm bảo độ tin cậy cao.
Trong quá trình xử lý số liệu đo đạc, chúng tôi áp dụng các qui tắc của xác suất thống kê toán học, sau khi đã lặp lại n lần chúng ta nhận được các giá trị Xi = (1 – n). Giá trị trung bình của mỗi lần đo được tính theo công thức sau: ∑ = = n i Xi n X 1 1 (3.32)
Sai số bình phương trung bình: δ =
1 ) ( 2 1 − − ∑ = n X X n i i i (3.33) Sai số trung bình: tb n δ σ = (3.34)
Giá trị độ tin cậy được tính theo tiêu chuẩn Student với α = 0,05, bậc tự do f = n - 1. khi đó độ tin cậy sẽ là:
X=X±tα σtb
Đối với các số liệu ngờ, số được kiểm tra lại theo tiêu chuẩn 3σ như sau:
Xnghi ngờ - X.>3σ thì loại bỏ.
2.2.3.2. Phương pháp gia công số liệu
giữa các giá trị trung bình của tổng thể (Y..) với các giá trị trung bình của Y.j ứng với mỗi yếu tố xi :
2 yt S = 1 ..) . ( 1 − − ∑ = k Y Y k j j (3.35)
- Phương sai thí nghiệm được xác định như sau: S2tn= k N Y Y k i ij j − − ∑ =1 2 ) . ( (3.36) với N - k = k(n - 1) là bậc tự do.
Dùng tiêu chuẩn Fisher này để đánh giá tỷ số: F = 2 2 tn yt S S (3.37)
- Để kiểm nghiệm “ giá trị không” xem hai phương sai đó khác nhau ít hay nhiều. Đối chiếu với trị số Fb (tra bảng tiêu chuẩn Fisher với α = 0,05 và bậc tự do f1= k – 1, f2 = N –k)
Nếu F > Fb thì yếu tố đó có ảnh hưởng đến thông số mục tiêu và không ảnh hưởng trong trường hợp ngược lại.
- Để đánh giá tiêu chuẩn đồng nhất của phương sai, ta phải tính phương sai thí nghiệm ngẫu nhiên, đối với mỗi thí nghiệm ở mỗi mức biến thiên của yếu tố kí hiệu là S2j . 1 n ) . Y Y ( S 2 j ij 2 j − − =∑ (3.38)
- Vì số thí nghiệm lặp lại lớn hơn 2 (n = 3) nên có thể áp dụng tiêu chuẩn Cooren để đánh giá xem tỷ số G giữa hai phương sai cực đại S2jmax với
tổng phương sai ∑ 2
j
với α = 0,05; f1 = n – 1; f2 = N – k) 2 t k 1 j 2 max j S S G ∑ = = (3.39)
Nếu G < Gb thì các giá trị phương sai được coi là đồng nhất, không phương sai nào vượt quá nhiều so với phương sai khác.
Với các số liệu thí nghiệm đo được của đề tài này chúng tôi đều gia công theo phương pháp trên.
CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SẤY 3.1. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY
Động học quá trình sấy khảo sát sự thay đổi các thông số đặc trưng của vật sấy trong quá trình sấy. Các thông số được nghiên cứu là độ
chứa ẩm u, độ ẩm W, nhiệt độ sấy tb, tốc độ sấy ∂τ
∂u
hay ( ∂τ
∂W
). Trong quá trình sấy thông số này thay đổi theo thời gian sấy. Các quy luật nghiên cứu được ở động học quá trình sấy cho phép tính toán lượng ẩm bay hơi, nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình sấy, từ đó xác định được thời gian sấy cũng như các chế độ sấy phù hợp cho các loại sản phẩm khác nhau [2].
3.1.1. Các giai đoạn của quá trình sấy
Nếu chế độ sấy tương đối dịu, tức là nhiệt độ và tốc độ chuyển động của không khí không lớn, đồng thời vật có độ ẩm tương đối cao thì quá trình sấy sẽ xảy ra theo 3 giai đoạn: giai đoạn làm nóng vật, giai đoạn tốc độ sấy không đổi và giai đoạn tốc độ sấy giảm dần.
3.1.1.1. Giai đoạn làm nóng vật
Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho đến khi nhiệt độ của vật đạt đến bằng nhiệt độ của nhiệt kế ướt (tư). Trong quá trình này toàn bộ vật được gia nhiệt ẩm lỏng, trong vật cũng được gia nhiệt cho đến khi đạt nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất hơi nước trong môi trường không khí trong buồng sấy (tư). Vật được làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm đi chút ít do bay hơi ẩm còn nhiệt độ của vật thì tăng dần từ nhiệt độ ban đầu cho đến khi bằng nhiệt kế ướt. Vật tăng nhiệt độ trong quá trình xảy ra không đồng đều ở phần ngoài và phần trong vật. Vùng trong vật đạt tới tư chậm hơn. Đối với những vật dễ sấy thì giai đoạn vật làm nóng xảy ra rất nhanh.
Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt. Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sấy sẽ hoá hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉ để làm hoá hơi nước. Ẩm sẽ hoá hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hoá hơi. Do nhiệt độ không khí nóng không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi. Do vậy tốc độ ẩm bay hơi ẩm của vật cũng không đổi. Điều này
làm cho tốc độ giảm của độ chứa ẩm của vật theo thời gian ∂τ ∂u
không đổi, có
nghĩa là tốc độ sấy không đổi: const u = τ ∂ ∂
.
Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi, biến thiên của chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính. Ẩm được thoát ra trong giai đoạn này là ẩm tự do. Khi độ ẩm của vật đạt tới trị số giới hạn uk =ucbmax. Thì giai đoạn sấy không đổi chấm dứt. Đồng thời cũng là chấm dứt giai đoạn thoát ẩm tự do chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ giảm.
3.1.1.3. Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần
Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi, ẩm tự do đã bay hơi hết còn lại trong vật là ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ (ẩm liên kết càng chặt). Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi có nghĩa là tốc độ sấy trong giai đoạn này nhỏ hơn và càng giảm đi theo thời gian sấy. Quá trình càng tiếp diễn, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm của vật giảm đến bằng độ ẩm cân bằng ứng với điều kiện môi trường không khí ẩm trong buồng sấy (ucb,ωcb) thì quá trình thoát ẩm của vật ngừng
lại có nghĩa là tốc độ sấy bằng 0 ( 0 u
= τ ∂ ∂
nhiệt độ sấy tăng lên lớn hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt. Nhiệt độ ở các lớp bên ngoài bề mặt tăng nhanh hơn còn càng sâu vào bên trong vật nhiịet độ tăng chậm do đó hình thành Gradient nhiệt độ trong vật sấy. Khi độ ẩm vật đạt đến độ ẩm cân bằng thì lúc này giữa vật sấy và môi trường có sự cân bằng nhiệt ẩm. Có nghĩa là không có sự trao đổi nhiệt và chất giữa vật và môi trường (nhiệt độ vật bằng nhiệt độ môi trường, còn độ ẩm của vật là độ ẩm cân bằng). ở cuối quá trình sấy do tốc độ nhỏ nên thời gian sấy kéo dài. Về lý thuyết để cho độ ẩm giảm đến độ ẩm cân bằng thì thời gian sấy τ→∞ tức là đường
cong u=f( )τ tiệm cận với đường thẳng ωcb =const.Tuy vậy trong thực tế người ta sấy đến độ ẩm cuối u2( )ω2 lớn hơn độ ẩm cân bằng. Độ ẩm cân bằng
phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ không khí trong buồng sấy mà độ ẩm cuối của sản phẩm sấy có thể đạt đến sẽ khác nhau. Cần chú ý tới điều kiện trên khi chọn nhiệt độ và độ ẩm của không khí tiếp xúc với vật liệu sấy ở giai đoạn cuối quá trình sấy.
3.1.2. Một số quy luật cơ bản của quá trình sấy
Các quy luật thay đổi các đặc tính cơ bản của quá trình sấy là những quy luật nhận được qua nghiên cứu thực nghiệm. Trong đó quan trọng nhất là các quy luật thay đổi của độ ẩm theo thời gian sấy, quy luật thay đổi của nhiệt độ vật sấy và quy luật thay đổi của tốc độ sấy. Các quy luật này biểu thị dưới dạng đồ thị tương ứng là các đường cong sấy, đường cong tốc độ sấy và đường cong nhiệt độ sấy.
3.1.2.1. Đường cong sấy
Đường cong sấy biểu diễn quan hệ giữa độ chứa ẩm và nhiệt độ vật sấy theo thời gian: u=f(τ), tv=f(τ). Ba giai đoạn của quá trình sấy biểu diễn trên đồ thị tương ứng bằng các đoạn OA, AB và BC (hình 3.1).
Hình 3.1. Đường cong sấy
Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi độ ẩm và nhiệt độ có quan hệ tuyến tính với thời gian. Còn trong giai đoạn gia nhiệt và giai đoạn sấy tốc độ giảm quan hệ này có dạng đường cong. Đường cong thay đổi nhiệt độ của vật trong giai đoạn làm nóng vật và giai đoạn sấy tốc độ giảm không trùng nhau đối với các lớp bên trong vật (a', b') và các lớp trên bề mặt vật (a, b).
3.1.2.2. Đường cong tốc độ sấy (hình 3.2.)
Đường cong tốc độ sấy biểu thị quan hệ giữa tốc độ sấy ∂τ
∂u
và thời gian sấy τ. Đường cong sấy có thể nhận được bằng cách đạo hàm hàm số u=f(τ). Tốc độ sấy tại mỗi thời điểm được biểu thị bằng độ dốc của đường cong
) ( f
u= τ tại thời điểm đó. Trong quá trình sấy độ ẩm của vật giảm dần nên
chiều diễn biến của đường cong tốc độ sấy là từ phải sang trái. Trong giai đoạn làm nóng vật tốc độ sấy tăng nhanh từ 0 đến trị số N sau đó giữ không đổi trong suốt giai đoạn sấy đầu cho tới khi độ ẩm giảm đến trị số ωK1. Trong giai đoạn sấy tốc độ giảm, tốc độ sấy sẽ giảm từ trị số N tới 0 ứng với độ ẩm cân bằng của vật ωcb. Trong giai đoạn này, đường cong tốc độ sấy có dạng khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc, khích thước và bản chất vật sấy.
Hình 3.2. Đường cong tốc độ sấy 3.1.2.3. Đường cong nhiệt độ sấy (hình 3.3.)
Hình 3.3. Đường cong nhiệt độ sấy
Đường cong nhiệt độ sấy tv = f(u) nói chung có dạng như hình 3.3. Trong quá trình sấy độ chứa ẩm của vật giảm dần nên quá trình sấy trên đồ thị này diễn biến theo chiều u giảm (từ phải sang trái). Vật ở trạng thái đầu u0, t0 được gia nhiệt tăng nhiệt độ cho đến tư. Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi nhiệt độ vật bằng tư. Trong giai đoạn sấy tốc độ giảm nhiệt độ vật (tv) tăng dần và khi đạt đến trạng thái cân băng giữa vật sấy và môi trường (trong buồng sấy) thì tv = tf (tf là nhiệt độ của môi chất sấy); còn độ chứa ẩm của vật là ucb. Trong giai đoạn làm nóng vật nhiệt độ tâm vật và bề mặt vật khác nhau, nhiệt độ bề mặt vật thay đổi nhanh hơn còn ở tâm vật thay đổi
chậm hơn nhưng cuối cùng khi đã đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt thì chúng đều bằng nhau và bằng với nhiệt độ môi chất sấy tf.
3.1.3. Phân tích quá trình sấy
3.1.3.1. Giai đoạn tốc độ sấy không đổi
Nhiệt lượng cung cấp trong quá trình này dùng để nâng cao nhiệt độ của vật tới nhiệt độ hoá hơi của nước và làm hoá hơi ẩm lỏng. Phương trình cân bằng nhiệt trong giai đoạn này có dạng:
dQ = (CkGk + CnGn)dtv + [(r + Cph).(th - tbh)]Gn (4.41) Với: dQ - nhiệt cấp cho vật trong khoảng thời gian τ
Ck, Cn - nhiệt dung riêng của vật khô và của nước
Gk, Gn - khối lượng riêng của vật khô và nước trong vật dEv - biến thiên nhiệt độ trung bình của vật trong thời gian dτ.
r - nhiệt hoá hơi của nước ở áp suất xảy ra quá trình Cph - nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi nước
th - nhiệt độ của hơi nước thoát ra khỏi vật
dGn - lượng ẩm bay ra khỏi vật trong thời gian dτ.
Nhiệt lượng cung cấp cho vật sẽ lấy từ môi chất sấy trong khoảng thời gian dτ thông qua quá trình truyền nhiệt, vậy ta có:
τ − α
= F(t t )d
dQ f bh (4.42)
Với: α - hệ số TĐN đối lưu từ môi chất sấy đến bề mặt vật [W/m2K].
F - diện tích bề mặt tiếp xúc giữa vật sấy và môi chất sấy [m2]. tf - nhiệt độ của môi chất sấy [0C].
tbh - nhiệt độ của vật sấy [0C].
) T t ( C r d dt ) G C G C ( ) t t ( F dr dG Z bh h ph v n n k k bh f n 1 + − τ + − − α = = (4.43)
Từ phương trình trên, có nhận xét: tuỳ thuộc vào sự khác nhau giữa nhiệt độ của hơi ẩm thoát ra và nhiệt độ bão hoà mà trị số tốc độ sấy cũng có sự thay đổi. Trong giai đoạn làm nóng vật nhiệt độ ban đầu t0 cũng có thể lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa tbh.
- Nếu t0 < tbh thì vật sẽ bị làm nóng và ta có phương trình cân bằng nhiệt trong giai đoạn làm nóng vật là:
∫ ∫τα − =tbh + 0 v n n k k 0 bh f t )dr (C G C G )dt t ( F (4.44) - Nếu t0 > tbh thì không cần quá trình làm nóng và ngay từ ban đầu ẩm trong vật đã hoá hơi và nhiệt độ vật sẽ giảm tới nhiệt độ bão hoà t0 → tbh .
Trong thời kỳ sấy tốc độ không đổi ẩm bốc hơi chủ yếu từ bề mặt vật, hơi ẩm thoát ra là hơi bão hòa có nhiệt độ là tbh (hay tư). Như vậy trong giai đoạn này, biểu thức xác định tốc độ sấy là:
r ) t t ( F dr dG Z n f bh 1 − α = = (4.45) Dễ dàng nhận thấy rằng Z1 = const.
Thực nghiệm chứng tỏ, trong điều kiện chế độ sấy như nhau cường độ bay hơi ẩm ở giai đoạn sấy tốc độ không đổi và cường độ bề mặt vật sấy bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt (tv = tbh - tư). Trong trường hợp do bức xạ nhiệt từ vách buồng sấy, nhiệt độ của vật lớn hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt thì cường độ bay hơi của giai đoạn sấy tốc độ không đổi lớn hơn khoảng 20% so với nước tự do. Nếu tác nhân sấy có nhiệt độ cao, tốc độ sấy trong giai đoạn đầu vẫn không đổi nhưng nhiệt độ vật sấy tăng liên tục và lớn hơn nhiều so với nhiệt độ nhiệt kế ướt.
Trong giai đoạn sấy tốc độ giảm bề mặt bay hơi lùi dần vào trong lòng vật sấy, nhiệt độ bề mặt vật sấy tăng cao hơn trị số nhiệt độ nhiệt kế ướt (tư) và sẽ tiến tới bằng nhiệt độ môi chất sấy (tf). Trong giai đoạn này cường độ trao đổi nhiệt giảm dần do đó nhiệt độ môi chất sấy cung cấp cho vật cũng giảm dần. Đồng thời hơi ẩm thoát ra khỏi vật là hơi quá nhiệt chứ không phải hơi bão hoà như ở giai đoạn 1. Nhiệt lượng môi chất sấy cung cấp cho vật trong giai đoạn này không chỉ để làm bay hơi ẩm như giai đoạn 1 mà còn dùng để quá nhiệt cho hơi ẩm bay ra, dùng để gia nhiệt cho vật sấy để cho nhiệt độ sấy tăng lên. Vì vậy tốc độ sấy trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn đầu và tốc độ sấy cũng giảm liên tục do nhiệt truyền từ môi chất sấy đến vật