Theo [28], giữa độ chứa ẩm trung bình M , độ ẩm tương đối (%) và độ ẩm tuyệt đối k (%) của vật liệu có quan hệ như sau:
M 100k
; .100%
100 k
k
; .100%
G G
k a k
; (6.1)
% 100 G . G
% G 100 W . G
k a
a a
(6.2)
Bênh cạnh đó, như đã nêu trong chương 3, độ ẩm cân bằng của vật liệu là giá trị độ ẩm tương đối (hoặc độ ẩm tuyệt đối hoặc độ chứa ẩm trung bình) mà tại đó vật liệu không trao đổi ẩm với môi trường TNS.
Giả sử ta tổ chức một thí nghiệm sấy kiệt vật liệu ẩm từ khối lượng ban đầu W , 0 kg (trị số này xác định được bằng cân) đến khi khối lượng không thay đổi trong một khoảng thời gian dài W , kg (trị số này cũng được xác định bằng thiết bị cân khối c lượng) ứng với thông số TNS có nhiệt độ tcb, 0C và độ ẩm cb, %. Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy này là W , kg. t
Khi đó, độ ẩm tương đối ban đầu của vật liệu là [28]:
111
% 100 G . G
% G 100 W . G
k 0 , a
0 , a 0
0 , a
0
(6.3)
trong đó Ga,0 là khối lượng ẩm trong vật liệu tại thời điểm ban đầu, Gk là khối lượng cốt khô của vật liệu, kg, trị số này không thay đổi trong suốt quá trình sấy.
Tại thời điểm kết thúc QTS kiệt, vật liệu ở trạng thái cân bằng với TNS (tcb, 0C,
cb, %). Độ ẩm tương đối của vật liệu cb (%) lúc này được xác định theo công thức:
cb cb , a k
cb , a
cb , a
cb W
.G G 100
G . G
100
, % (6.4)
với Ga,cb là khối lượng ẩm trong vật liệu tại trạng thái cân bằng với TNS, kg.
Độ chứa ẩm trung bình M (kg/kg khô) của VLS tại trạng thái cân bằng này cb được xác định theo mô hình GAB trong chương 2, công thức (2.9).
Bên cạnh đó, từ công thức (6.1), ta xác định được độ ẩm tương đối cân bằng:
% 100 M .
1
% M 100
100 . cb
cb cb
, k cb , k
cb
(6.5)
Từ W = Gc a,c + Gk xác định bằng cách đo trực tiếp và ,%
W .G 100
c cb , a cb
vừa
tính được ta tính được lượng ẩm trong VLS tại trạng thái cân bằng:
100 . Ga,c Wc cb
, kg (6.6)
Vậy, khối lượng cốt khô của vật liệu Gk được tính:
Gk = W - Gc a,c =
W 1 100
100 .
Wc Wc cb c cb (6.7) Suy ra khối lượng ẩm ở trạng thái ban đầu Ga,0 = W - G0 k và độ ẩm tương đối ban đầu của vật liệu:
0 c c
0
0 0 , a
0 W
1 100 W W . W 100
.G 100
, % (6.8)
Tổ chức thực nghiệm sấy kiệt với khoai tây lát mỏng trong HTS HS-01 (Phụ lục E), xác định được độ ẩm tương đối ban đầu của vật liệu là 80,7% (ứng với M 4,2 0 kg/kg khô). Trình tự thực hiện sấy xin xem mục 6.1.2 dưới đây và cách thức tổ chức
thực nghiệm trong chương 2. Độ ẩm tương đối ban đầu này được tiến hành xác định sau khi khoai đã được gọt vỏ, cắt lát, chần trong nước sôi nên rất khó thực hiện được việc duy trì các thí nghiệm để đảm bảo khoai có cùng độ ẩm tương đối ban đầu.
6.1.2. Thực nghiệm xác định động học sấy
Mô tả thí nghiệm: Tiến hành sấy khoai tây lát mỏng 5 mm với khối lượng khác nhau trong buồng sấy HTS HS-01. Trước khi sấy, mẫu khoai được lấy ra khỏi tủ lạnh, để qua đêm trong phòng thí nghiệm. Nhiệt độ ban đầu của mẫu khoai được coi bằng nhiệt độ phòng thí nghiệm. Sau khi đo đạc và xử lý thông số cần thiết, xây dựng được đường cong sấy, biến thiên lượng ẩm tách ra khỏi VLS ở các chế độ sấy khác nhau. Kết quả thực nghiệm có so sánh với kết quả tính toán lý thuyết (giống như đã thực hiện ở chương 4).
Biến thiên độ ẩm tương đối VLS theo TGS (28,8C, 43,7%, 3,8 m/s)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 50 100 150 200 250
Thời gian sấy, phút
Độ ẩm tương đối của VLS, %
Lý thuyết Thực nghiệm
Hình 6.1. Đường cong sấy ở chế độ sấy 28,80C, độ ẩm 43,7%, tốc độ 3,8 m/s (Thí nghiệm 1 - TN1)
Hình 6.1 thể hiện đường cong sấy thực nghiệm và lý thuyết ở chế độ sấy với thông số TNS 28,80C, độ ẩm 43,7%, tốc độ 3,8 m/s (thí nghiệm - TN1). Khối lượng vật liệu khi đưa vào sấy là 1 kg, nhiệt độ ban đầu là 260C. Chế độ chạy máy ở đây là hai dàn lạnh, vận hành 25 phút nghỉ 5 phút xả băng (ký hiệu chế độ E(25+5) - xem bảng 2.3).
Sai lệch E% (xác định theo công thức (2.12)) giữa độ ẩm tương đối thực nghiệm và lý thuyết của VLS là 11,02% lớn hơn trị số cần thiết để đạt độ chính xác chấp nhận được là 1,02%. Sai lệch bình phương trung bình RMSE (xác định theo công thức (2.11)) là 0,08. Mặc dù vậy, sau 205 phút sấy, lượng ẩm tách ra khỏi VLS là 0,676 kg, trong khi đó lượng ẩm tách ra tính theo lý thuyết là 0,671 kg (hình 6.2).
Cùng với độ dày 5 mm, nhiệt độ ban đầu là 260C, khối lượng 1 kg, chúng tôi
113
tiến hành sấy gián đoạn theo chế độ E(40+20) tức hệ số gián đoạn bgd = 2/3, với thông số TNS trung bình: 28,80C, 37,3% và 3,8 m/s (thí nghiệm 2 - TN2). Hình dáng đường cong sấy lý thuyết (gián đoạn) và thực nghiệm cũng giống như trường hợp thí nghiệm 1 (hình 6.3). Sai lệch E% trong trường hợp này là 20,89% và sai lệch bình phương trung bình RMSE là 0,13, lớn hơn so với trường hợp TN1 nhưng lượng ẩm tách ra khỏi VLS trong TN2 này cũng giống như với TN1, lý thuyết và thực nghiệm xấp xỉ nhau là 0,741 và 0,734 kg (hình 6.4).
Biến thiên khối lượng VLS trong QTS (28,8C, 43,7%, 3,8 m/s)
0 200 400 600 800 1000 1200
0 50 100 150 200 250
Thời gian sấy, phút
Khối lượng VLS, g
Lý thuyết Thực nghiệm
Hình 6.2. Biến thiên khối lượng VLS theo thời gian trong thí nghiệm 1.
Biến thiên độ ẩ m tương đối VLS theo thời gian sấy (28,8C, 37,3%, 3,8 m/s)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Thời gian sấy, phút
Độ ẩm tương đối của VLS, %
Lý thuyết Thực nghiệm
Hình 6.3. Đường cong sấy ở chế độ sấy gián đoạn (bgđ = 2/3) 28,80C, độ ẩm 37,3%, tốc độ 3,8 m/s (Thí nghiệm 2 - TN2)
Với độ dày 3 mm, nhiệt độ ban đầu là 260C, khối lượng 0,15 kg khoai, chúng tôi tiến hành sấy theo chế độ D(25+5) tức ngắt dàn lạnh bay hơi có nhiệt độ sôi cao
hơn, với thông số TNS trung bình: 34,40C, 40% và 1,1 m/s (thí nghiệm 3 - TN3).
Sai lệch phần trăm E% giữa lý thuyết và thực nghiệm là 14,07% và sai lệch bình phương trung bình RMSE là 0,06 (hình 6.5). Lượng ẩm thực tế tách ra được sau 355 phút là 0,113 kg chênh rất ít so với lượng ẩm tính toán lý thuyết 0,115 kg (hình 6.6).
Biến thiên khối lượng VLS trong QTS (28,8C, 37,3%, 3,8 m/s)
0 200 400 600 800 1000 1200
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Thời gian sấy, phút
Khối lượng VLS, g
Lý thuyết Thực nghiệm
Hình 6.4. Biến thiên khối lượng VLS theo thời gian trong thí nghiệm 2.
Nhận xét: Với cả 3 thí nghiệm điển hình nêu trên có thông số TNS khác nhau, độ dày vật liệu khác nhau, thời gian ủ khác nhau (chế độ sấy liên tục ở thí nghiệm 1 thực chất là sấy gián đoạn với bgđ = 25/30 = 5/6), có thể thấy rằng mặc dù sai lệch phần trăm của đường cong sấy trong thí nghiệm 1 là 11,02%, của thí nghiệm 2 là 20,89% và thí nghiệm 3 là 14,07%, nhưng chênh lệch giữa lượng ẩm lý thuyết và thực nghiệm tách ra khỏi VLS ở cuối QTS trong cả 3 thí nghiệm không có sự sai lệch lớn. Với TN1 là 0,7%, TN2 là 1% và TN3 là 1,8%.
Ngoài sai số của thiết bị đo, cách lấy số liệu, nguyên nhân của các sai lệch phần trăm nêu trên có thể đến chính từ giả thiết khi lựa chọn mô hình toán học ở chương 3 là hệ số bay hơi hay hệ số biến đổi pha bằng 1 tức dòng ẩm lỏng rất bé so với dòng ẩm hơi [27] và bỏ qua sự co ngót.
Bên cạnh đó, về mặt thực nghiệm, còn có thể có nguyên nhân dẫn đến sai lệch là: thông số TNS trên thực tế rất khó duy trì; sự tiếp xúc giữa TNS với VLS không đồng đều giữa các tầng vật liệu; VLS bị cong vênh, dẫn đến tiếp xúc của một lát VLS với TNS không đồng đều.
115
Tuy vậy, có thể khẳng định, mô hình toán học QTS lạnh trên cơ sở bỏ qua ảnh hưởng của truyền nhiệt đến truyền ẩm đã lựa chọn ở chương 3 có thể sử dụng để nghiên cứu động học QTS lạnh liên tục và gián đoạn.
Biến thiên độ ẩm tương đối VLS theo thời gian sấy (34,4C, 40%, 1,1 m/s)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Thời gian sấy, phút
Độ ẩm tương đối VLS, %
Lý thuyết Thực nghiệm
Hình 6.5. Đường cong sấy ở chế độ sấy 34,40C, độ ẩm 40%, tốc độ 1,1 m/s (Thí nghiệm 3 - TN3)
Biến thiên khối lượng VLS trong QTS (34,4C, 40%, 1,1 m/s)
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Thời gian sấy, phút
Khối lượng VLS, g
Lý thuyết Thực nghiệm
Hình 6.6. Biến thiên khối lượng VLS theo thời gian trong thí nghiệm 3.
Hình 6.7 là biến thiên lượng tách ẩm riêng SMER trong các thí nghiệm từ 1 đến 3. Đồ thị này có dạng giống như với các kết quả thực nghiệm của các tác giả đã nêu trong mục 1.5 chương 1.
Lượng tách ẩm riêng SMER, kg/kWh - TN1
0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45
0 50 100 150 200 250
Thời gian sấy, phút
SMER, kg/kWh
Lượng tách ẩm riêng SMER, kg/kWh - TN2
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6
0 100 200 300 400
Thời gian sấy, phút
SMER, kg/kWh
Lượng tách ẩm riêng SMER, kg/kWh - TN3
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
0 100 200 300 400
Thời gian sấy, phút
SMER, kg/kWh
Hình 6.7. Biến thiên lượng tách ẩm riêng trong các thí nghiệm 1 đến 3.