B CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIP THC PHM TP.HCM KHOA CÔNG NGH THC PHM Báo cáo Thực hành KĨ THUẬT THC PHM GVHD: Võ Văn Sim SVTH: Nguyễn Thị Thanh Xuân MSSV: 2005100024 Lớp: 01ĐHTP3 TP.HCM 05/2013 Bài 1: SẤY ĐỐI LƯU I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 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 và tách ẩm vào môi trường xung quanh Xác định tốc độ sấy theo cân bằng nhiệt của quá trình sấy Lượng nhiệt do dòng tác nhân sấy cung cấp cho khoảng thời gian dτ τθα dtFdQ )( −= (1) Nhiệt này được tiêu hao để - Đun nóng vật liệu: θ GaCa)d (GoCo + (2) - Bay hơi ẩm và quá nhiệt hơi: [r+C h (t-t h )]dG a (3) Trong đó: α: hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy vào vật liệu sấy, W/m 2 độ F: bề mặt vật liệu, m 2 t, θ, t h : nhiệt độ tác nhân sấy, vật liệu và hơi bão hòa, độ G o , C o : khối lượng và nhiệt dung của vật liệu sấy, kg; j/kgđộ G a , C a : khối lượng và nhiệt dung của ẩm, kg; j/kgđộ r: An nhiệt hóa hơi của ẩm, j/kh C h : Nhiệt dung riêng của hơi ẩm, j/kgđộ Lượng ẩm bốc hơi trong thời gian dτ: dG a = d(G o U) = G o dU (4) U: hàm ẩm (hay độ ẩm) của vật liệu, tính theo vật liệu khô, kg ẩm/kg vật liệu khô Từ (1), (2), (3) và(4), thiết lập cân bằng nhiệt: αF(t-θ)dτ = (G o C o + G a C a )dθ + G o [r + C h (t - t h )]dU (5) Từ (5) rút ra: )]([ ][)( hho aaoo ttCrG d d CGCGtF d dU −+ +−− = τ θ τα τ Đây là biểu thức tính tốc độ sấy τ d dU theo cân bằng nhiệt Phương trình cơ bản của động học quá trình sấy Theo phương trình truyền ẩm từ vật liệu vào tác nhân sấy: dG a = k p F(p m -p)dτ (7) Với: k p : hệ số truyền ẩm trong pha khí kg/m 2 .h.∆p P m , p: áp suất của hơi ẩm trên bề mặt vật liệu và trong pha khí, mmHg (at) Thay G a =G 0 U vào (7) và biến đổi ta có: ( ) pp G Fk d dU m O p −= τ (8) Khi hơi ẩm không bị quá nhiệt (tức t=t h ) thì biểu thức (5) được biến đổi thành: qFF Fd dQ d dU rG d d G G G CC oo o a ao ==+         + τττ θ (9) q: cường độ dòng nhiệt hay mật độ dòng nhiệt Đặt: U G G o a = o o a V G ρ = CUCC ao =+ o o R F V = Với ρ o : khối lượng riêng của vật liệu khô, kg/m 3 V o : thể tích vật khô, m 3 C: nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm, j/kgđộ R o : bán kính qui đổi của vật liệu, m Khi đó, nếu bỏ qua nhiệt làm quá nhiệt hơi ẩm, ta có: ( )( ) τ ρ τ ρ θ τ θ ρ τ ρ d dU rRRb d dU rR dU d r C d d RC d dU rRq OoOoOoOo +=                   +=+= 11 (10) với dU d r C Rb θ       += 1 : chuẩn số Rebinde đặc trưng cho động học quá trình sấy Biểu thức (10) là phương trình cơ bản của động học về sấy, nó cho biết sự biến đổi ẩm của vật liệu theo thời gian. Ta có thể nhận được biểu thức (10) khi giải hệ phương trình 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. Lượng nhiệt cấp cho vật liệu trong giai đoạn sấy giảm tốc (q 2 ) 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: )( * UUK d dU −=− τ (11) K: hệ số tỷ lệ, gọi là hệ số sấy. Nó phụ thuộc vào tốc độ sấy và tính chất của vật liệu ẩm, 1/s K chính là hệ số góc của đường cong tốc độ sấy ở giai đoạn sấy giảm tốc, nên: N UU N K th χ = − = * (12) * 1 UU th − = χ : hệ số sấy tương đối, phụ thuộc vào tính chất vật liệu ẩm U th : độ ẩm tới hạn U * : độ ẩm cân bằng N: tốc độ sấy đẳng tốc, kg ẩm/(kg vật liệu khô.s) Tích phân phương trình (11) ta nhận được: )exp( * * τχ N UU UU th −= − − (13) Hay logarit hóa (8), ta có τχ NUUUU th 3,2 1 )lg()lg( ** −−=− (14) Như vậy, nếu biết được hệ số sấy K, có thể xác định được thời gian cần thiết để thực hiện giai đoạn sấy giảm tốc Hệ số sấy tương đối được xác định bằng thực nghiệm và có thể tính gần đúng như sau: o U 8,1 = χ (15) Với U o : độ ẩm ban đầu của vật liệu Từ đó ta có: ** 8,1 1 U U UU o th +=+= χ (16) Thay (12) và (15) vào phương trình (11), ta được:         − =− o U UU N d dU * 8,1 τ (17) Thay (17) vào (10) ta được         − += o oo U UU NRbrRq * 2 8,1)1( ρ (18) 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: rNR d dU rRq oooo ρ τ ρ == 1 Cường độ trao đổi nhiệt (q(x)) )1(8,1)( * 2 1 Rb U UU q q xq o + − == Như vậy, theo biểu thức (20), khi biết chuẩn số Rb sẽ tính được cường độ trao đổi nhiệt theo độ ẩm của vật liệu. Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy. Đồ thị đường cong tốc độ sấy Đồ thị đường cong sấy a) Đường cong sấy Là đường cong biểu diễn sự thay đổi của độ ẩm vật liệu (U) theo thời gian sấy )( τ U = f )( τ (21) Dạng của đường cong sấy: Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như liên kết giữ 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 ở chế độ và phương pháp sấy khác nhau nhưng dạng đường công sấy là tương tự nhau. b) Đường cong tốc độ sấy: Là đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ sấy và độ ẩm ( hàm ẩm) của vật liệu sấy: )(Ug d dU = τ (22) Từ biểu thức (21) và (22), rõ ràng đường cong tốc độ sấy là đạo hàm của đường cong sấy. Các giai đoạn của quá trình sấy a) Giai đoạn đun nóng vật liệu (AB) Giai đoạn này xảy ra nhanh với khoảng thời gian ngắn không đáng kể. Toàn bộ nhiệt do dòng tác nhân cấp dùng để đun nóng vật liệu từ nhiệt độ đầu )( θο lên nhiệt độ bầu ướt (t Ư ). Trong giai đoạn này lượng ẩm tách ra không đáng kể, độ ẩm vật liệu giảm không nhiều và tốc độ sấy nhanh lên với tốc độ cực đại (N). thường giai đoạn này bỏ qua trong tính toán. b) Giai đoạn sấy đẳng tốc (BC) Trong giai đoạn này, tốc độ khuếch tán ẩm từ trong lòng vật liệu ra bề mặt lớn hơn tốc độ bốc hơi ẩm từ bề mặt vật liệu, nên bề mặt vật liệu luôn bảo hòa ẩm. Tòan bộ lượng nhiệt cung cấp để bốc hơi ẩm bề mặt (ẩm tự do) và bề mặt bốc hơi là bề mặt ngoài của vật liệu không đổi nên các thông số sấy sau đây sẽ không đổi: Nhiệt độ bề mặt vật liệu và tốc độ sấy; và độ ẩm vật liệu giảm nhanh. Thời gian sấy trong giai đoạn này là (thời gian sấy đẳng tốc )( τ được xác định từ: - constN d dU == 1 τ (23) Nên tích phân (23) ta có 1 1 N th U o U − = τ (24) Với th U là độ ẩm cuối giai đoạn sấy đẳng tốc. c) Giai đoạn sấy giảm tốc (CD) Do đã bốc hơi hết ẩm bề mặt chỉ còn ẩm liên kết, nên bề mặt bốc hơi bị co hẹp lại dần đi sâu vào trong lòng vật liệu. Tốc độ khuếch tán ẩm trong vật liệu chậm làm giảm tốc độ chung. Nhiệt độ của vật liệu tăng dần từ nhiệt độ bầu ướt (t ư ) đến nhiệt độ dòng tác nhân (t) – nhiệt độ bầu khô. Lúc này; Trong vật liệu xuất hiện 3 vùng : Ẩm, bốc hơi và khô. Trong giai đoạn này, nếu đường cong tốc độ sấy có dạng đường thẳng (hoặc qui đổi sang đường thẳng – N 2 =ax +b) thì ta có thể phân tích để tính thời gian sấy giai đoạn sấy giảm tốc này ( 2 τ ) : ' 2 ' ln 1 ' 2 UU U th U N U th U − −− = τ 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 0 τ . Sấy đẳng tốc 1 τ và sấy giảm tốc 2 τ . Có thể bỏ qua giai đoạn đốt nóng vật liệu, vì giai đoạn này xảy ra rất nhanh. Biểu thức tính thời gian sấy như sau:           − − −+ − =+= ' 2 ' lg)' ( 3.2 21 UU U th U U th U N N th U o U τττ (26) Với 2 U độ ẩm vật liệu cuối quá trình sấy. Tương ứng với 2 τ .U 2 > U’ và thường được lấy : U 2 = U’ + 2 3 ÷ (%) II. SỐ LIU VÀ XỬ LÝ SỐ LIU Do không cân vật liệu trước khi sấy nên ta giả sử vật liệu sau khi sấy có độ ẩm 4%  G 0 = G min - (G min x 4)/100 = 650 g • Nhiệt độ bầu ướt vào: 45 o C • Nhiệt độ bầu ướt ra: 45 o C • Nhiệt độ bầu khô vào: 54 o C • Nhiệt độ bầu khô ra: 52 o C  T k tb: 53 o C  T ư tb: 45 o C • Tra giản đồ Ramzdim ta có  P b(tb) = 72 mmHg  P h(tb) = 68 mmHg Với Độ ẩm vật liệu: Tốc độ sấy: ( ) h ii i T WW N ∆ − = + + 1 1 Cường độ ẩm: . 2 m m b(tb) h(tb) 760 J a .(P P ). (kg / m .h) B = − m J : Cường độ ẩm. B: Áp suất phòng sấy, B = 760 mmHg. a m : Hệ số trao đổi ẩm tính theo chênh lệch áp suất ( kg/m 2 .h.mmHg) V k : Tốc độ khí trong phòng sấy ( chọn Vk = 1,6 m/s =5760 m/h ) a m =0,0229 + 0,0174.V k = 0,0229 + 0,0174.5760 = 100 ( kg/m 2 .h.mmHg) Ta có bảng số liệu (G 0 =650g) STT T G i (g) W i (%) N (%h) 1 0 826 25.15 [...]... trong dung dịch) Trong đó: Gđ – Khối lượng ngun liệu, [kg]; kg/s Gc – Khối lượng sản phẩm, [kg]; kg/s W – Lượng hơi thứ, [kg]; kg/s xđ – Nồng độ chất khơ trong ngun liệu, [phần khối lượng] xc – Nồng độ chất khơ trong sản phẩm, [phần khối lượng] Lượng hơi thứ trong q trình cơ đặc  x  W = G đ 1 − đ   xc    Nồng độ sản phẩm cuối xc = G đ x đ G x = đ đ Gc Gđ − W Cân bằng nhiệt lượng trong hệ thống cơ... và di+1 – đường kính trong và ngồi của lớp thứ i, (m); λi – hệ số dẫn nhiệt của lớp tương ứng thứ i, (W/m.K);  Ở bài thí nghiệm này, ta tiến hành thí nghiệm với ống truyền nhiệt, do vậy ta xem như là truyền nhiệt ở tường hình trụ 1 lớp nên cơng thức trên trở thành : Q = KL.∆tlog.L (2) L : chiều dài ống, m KL : hệ số truyền nhiệt dài, W/mK ∆tlog : chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, K Độ chênh lệch... Pr   m n  Prt Nu = A.Re Pr     0,25 ε lε R (5) Các hệ số A, n, m, ε l , ε R là các hệ số thực nghiệm, tùy thuộc vào các yếu tố sau: Chế độ chảy của các dòng lưu chất Sự tương quan giữa dòng chảy và bề mặt truyền nhiệt Đặc điểm bề mặt truyền nhiệt (độ nhám, hình dạng…) II.XỬ LÝ SỐ LIỆU 1.Bảng số liệu thực nghiệm Lưu lượng dòng nóng G’N(l/p) ống kép chảy dọc 10 l/p ống kép chảy ngang 10 l/p Lưu... giữa hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm và chế độ chảy dọc của dòng lạnh Đồ thị 2:quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt dài và chế độ chảy dọc của dòng lạnh Quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt và chế độ chảy ngang ReL 45.5 90 134.8 KL * 27.72 40.482 60.726 177.9 Khơng định 222.4 xác Khơng định xác KL 27.406 36.264 42.383 47.056 50.949 Đồ thị 3 :quan hệ giữa hệ số truyền nhiệt dài thực nghiệm và chế độ chảy ngang... truyền nhiệt phức tạp Ở đây diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất được ngăn cách bởi vách ngăn kim loại, bao gồm truyền nhiệt đối lưu từ dòng nóng đến vách, dẫn nhiệt qua thành ống kim loại và đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh với thành ống Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất Q = G1C1(tv1 – tR1) = G2C2 (tR2 – tv2) ,W (1) G1, G2: lưu lượng dòng nóng và lạnh, kg/s C1, C2: nhiệt dung riêng... đặc Q7: Nhiệt tổn thất ra mơi trường → Gđ.cđ.tđ + D.i = Gc.cc.tc + W.i’ + D.cn.tn + Qcđ + Qmt Với: tđ : Nhiệt độ ngun liệu, [độ] tc ; Nhiệt độ sản phẩm, [độ] tn : Nhiệt độ nước ngưng, [độ] cđ : Nhiệt dung riêng ngun liệu, [J/kg.độ] cc : Nhiệt dung riêng sản phẩm, [J/kg.độ] cn : Nhiệt dung riêng nước ngưng, [J/kg.độ] i : Hàm nhiệt trong hơi đốt, [J/kg] i’: Hàm nhiệt trong hơi thứ, [J/kg] Lượng hơi đốt... 49 49 57 57 57 57 57 tNV (0C) 36 36 36 36 36 37 37 37 37 37 tNV (0C) 40 39 39 38 38 41 40 40 39 39 ∆tmax 16 17 17 17 17 18 19 19 20 20 ∆tmin 14 14 14 13 13 20 20 20 20 20 7.Tính hệ số dài truyền nhiệt thực nghiệm K*L = QL/∆tlog.L với L=1,05m K*L1 = QL1/∆tlog1.L =552,6/(14,978.1,05) = 35,137 K*L2 = QL2/∆tlog2.L =829,1/(15,451.1,05) =51,105 Tính tương tự cho các giá trị khác tương tự ∆tlog 14.978 15.451... dụng bảng khối lượng riêng của đường theo độ Brix (Sổ tay Cơng nghệ hóa chất – Tập 1) ta có: đ = 1074.4 (kg/m3) + Khối lượng dd đường nhập liệu: Gđ = Vđ *đ = 4*1074.4*10-3 = 4.298 (kg) + Lượng nước ngưng thực tế: Ta có: . B CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIP THC PHM TP.HCM KHOA CÔNG NGH THC PHM Báo cáo Thực hành KĨ THUẬT THC PHM GVHD: Võ Văn Sim SVTH: Nguyễn Thị Thanh Xuân MSSV: 2005100024 Lớp: 01ĐHTP3 TP.HCM. được hệ số sấy K, có thể xác định được thời gian cần thiết để thực hiện giai đoạn sấy giảm tốc Hệ số sấy tương đối được xác định bằng thực nghiệm và có thể tính gần đúng như sau: o U 8,1 = χ (15) Với. loại, bao gồm truyền nhiệt đối lưu từ dòng nóng đến vách, dẫn nhiệt qua thành ống kim loại và đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh với thành ống. Phương trình cân bằng nhiệt lượng cho hai dòng lưu chất Q