Đề tài Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi

lý của vật thể của A.V.Lưcốp . Theo cách này thì các vật liệu ẩm được chia làm 3 nhóm : vật xốp mao dẫn , vật keo và vật keo xốp mao dẫn. 2.1 Vật xốp mao dẫn Những vật mà trong đó ẩm liên kết với vật liệu chủ yếu bằng mối liên kết mao dẫn được gọi là vật xốp mao dẫn . Chúng có khả năng mọi chất lỏng dính ướt không phụ thuộc vào thành phần ẩm hoá học của chất lỏng . Các vật liệu xây dựng , than củi cát thạch anh ... là những thí dụ về vật liệu xốp mao dẫn . Những vật này lực mao dẫn lớn hơn rất nhiều so với trọng lượng ẩm chứa trong vật và quyết định hoàn toàn sự lan truyền ẩm trong vật . Trong trường hợp trọng lượng ẩm cân bằng với lực mao dẫn hay mao quản trương lên , khi sấy khô thì co lại . Phần lớn các vật xốp mao dẫn khi sấy khô thì dòn như bánh mỳ , rau xanh v.v.. 2.2 Vật keo Vật keo là những vật có tính dẻo do cấu trúc hạt . Trong vật keo ẩm liên kết ở dạng hấp phụ và thẩm thấu . Ví dụ keo động vật , vật liệu xenlulôzơ , tinh bột , đất sét ... Các vật keo có điểm chung là khi sấy bị co ngót khá nhiều và vẫn giữ được tính dẻo . Để đơn giản công việc nghiên cứu và tính toán, trong kĩ thuật sấy người ta khảo sát các vật keo như các vật giả xốp mao dẫn . Khi đó các vật keo được xem như vật xốp mao dẫn có cấu trúc mao quản nhỏ. 2.3 Vật keo xốp mao dẫn Những vật thể mà trong đó tồn tại ẩm liên kết có trong cả keo là vật xốp mao dẫn thì được gọi là vật keo xốp mao dẫn. Các loại vật này như gỗ, than, bùn...các loại hạt và một số thực phẩm. Về cấu trúc, các vật này thuộc loại xốp mao dẫn nhưng về bản chất lại là các vật keo có nghĩa là thành mao dẫn của chúng có tính deỏ, khi hút ẩm các mao quản trương lên, khi sấy khô thì co lại.Phần lớn, các vật xốp mao dẫn khi sấy kho thì co lại, trở nên dòn như bánh mỳ, rau xanh,... 3. Cơ chế tách ẩm trong hạt Trong quá trình sấy hạt, ẩm được chuyển từ trung tâm ra bề mặt ngoài của hạt, từ bề mặt hạt, ẩm dược bốc hơi vào môi trường sấy. Quá trình trên chỉ thực hiện được trong điều kiện áp suất hơi riêng phần của hạt lơn hơn áp suất riêng phần của môi trường. Khi đó, bề mặt của hạt sẽ khô đi và sẽ xuất hiện gradien ẩm giữ lõi và bề mặt của hạt, và gây nên sự dịch chuyển ẩm từ phần trung tâm của hạt ra bề mặt hạt. Quá trình sấy có thể tăng cường bằng cách: Tăng áp suất hơi riêng phần của hạt. Giảm áp suất hơi riêng phần của môi trừơng. Đồng thời cả hai biện pháp trên. Nhưng đối với mỗi loại hạt tại một hàm ẩm nhất định nào đó ta chỉ có thể tăng nhiệt độ tới một nhiệt độ cho phép nhất định, gọi là nhiệt độ đốt nóng cho phép của hạt. Nếu vượt qúa giới hạn đó sẽ gây ảnh hương xấu tới chất lượng làm giống hoặc làm lương thực của hạt, như làm giảm độ nẩy mầm, tăng tỷ lệ bị rạn gẫy do nước bốc hơi trên bề mặt là quá mạnh. Giảm áp suất của môi trường bằng cách tăng cường đối lưu, tăng tốc độ của tác nhân sấy nhưng ta cũng chỉ tăng tốc độ của tác nhân sấy tới một trị số nhất định, nếu vượt trị số đó lượng không khí nóng, hoặc khói lò đó sẽ không tận dụng hết để làm khô hạt, hiệu suất sấy sẽ thấp. Không khí nóng hoặc hỗn hợp không khí với khói lò làm nhiệm vụ chuyển nhiệt để đốt nóng và bốc hơi ẩm của hạt, đồng thời làm nhiệm vụ chuyển hơi ẩm ra bên ngoài và chúng được gọi là tác nhân sấy. 4. Các giai đoạn xảy ra trong qúa trình sấy hạt Quá trình sấy hạt xảy ra theo 3 giai đoạn: * Giai đoạn nâng nhiệt độ vật liệu ( Giai đoạn I ): Nâng nhiệt của vật liệu khi tác nhân sấy bắt đầu tiếp xúc với vật liệu. Giai đoạn này rất ngắn có thể xem như không tồn tại. Nó chỉ tương ứng với việc nâng nhiệt độ của vật liệu đạt được nhiệt độ sấy ( khi đó năng lượng chỉ dùng để bay hơi nước. Nhiệt độ đó không thể đạt ngay lập tức vì rằng lúc đầu nhiệt độ còn khá thấp so với nhiệt độ của tác nhân sấy và bản thân nó lại thường có độ dẫn nhiệt kém, khi tốc độ sấy tăng nhanh. * Giai đoạn tốc độ sấy không đổi hay giai đoạn đẳng tốc ( Giai đoạn II ) Giai đoạn đẳng tốc tương ứng với việc bay hơi ẩm tự do trên bề mặt vật liệu. Trong giai đoạn này, tốc độ di chuyển ẩm từ trong bề mặt vật liệu lớn hơn tốc độ bay hơi ẩm từ bề mặt vào môi trường ( không khí nóng ). Nhiệt độ bề mặt vật liệu sấy không đổi và đúng bằng nhiệt độ bầu ướt không khí sấy. Trong giai đoạn này, tốc độ sấy không đổi khi các thông số của tác nhân sấy không đổi. * Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần hay giai đoạn giảm tốc ( Giai đoạn III ) Khi trên bề mặt vật liệu không còn ẩm tự do nữa thì áp suất hơi riêng phần ở đó giảm xuống rõ rệt và do vậy tốc độ sấy các lớp trong bề mặt vật liệu nhỏ hơn tốc độ bay hơi từ bề mặt vào môi trường. Đôi khi người ta còn chia giai đoạn này thành 2 giai đoạn khác nhau: Giai đoạn đầu: trên bề mặt không còn ẩm tự do song ở lớp sâu phía trong thì vẫn còn.Giai đoạn cuối: không còn ẩm tự do trong toàn bộ vật liệu. Nhiệt độ VL sấy I II III Thời gian sấy Độ ẩm vật liệu sấy I II III Thời gian sấy Tốc độ sấy Thời gian sấy Hình I.5: Mô tả các giai đoạn sấy Khi nước tự do đã hoàn toàn biến mất thì trong vật liệu chỉ còn ẩm liên kết. Việc tách ẩm liên kết càng về sau càng khó khăn do ở những lớp sau, năng lượng liên kết của ẩm trong vật liệu càng mạnh hơn. Mặt khác các chất hoà tan trong vật liệu ( ví dụ: đường muối...) do nước vận chuyển đến bề mặt vật liệu đã bịt kín các lỗ mao quản làm cản trở quá trình khuếch tán ẩm của vật liệu. Trong giai đoạn này nhiệt độ của vật liệu sấy dần dần tăng lên và cuối cùng bằng nhiệt độ tác nhân sấy. Sở dĩ là do tốc độ bay hơi giảm xuống đã kéo theo hiệu ứng làm lạnh ( do bay hơi ) cũng giảm xuống. Nếu ta tiếp tục sấy cho đến khi không còn khả năng thoát ẩm trong vật liệu, có nghĩa là vật liệu đạt được độ ẩm cân bằng thì nhiệt độ của vật liệu sẽ bằng nhiệt độ của môi trường xung quanh ( nhiệt độ của các tác nhân sấy ) và do đó có thể vượt quá nhiệt độ cho phép của vật liệu. Thực tế trong giai đoạn này người ta thường duy trì nhiệt độ tác nhân sấy thấp hơn ( vài độ ) so với nhiệt độ cho phép của vật liệu để đảm bảo chất lượng sản phẩm. 5. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ sấy Tốc độ sấy là tốc độ khuyếch tán của nước từ trong hạt ra ngoài không khí được quy ước biểu thị bằng lượng hơi nước bốc hơi từ một đơn vị bề mặt hạt trong một đơn vị thời gian (kgẩm / m2. giờ). Ngoài ra trong thực tế sản xuất , tốc độ sấy còn được biểu diễn qua lượng hơi nước bốc lên từ một đơn vị khối lượng hạt trong một đơn vị thời gian (kg ẩm/m2.giờ) , hoặc phần trăm hạt giảm trong một đơn vị thời gian (%ẩm/giờ). Tốc độ sấy chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố và phức tạp . Trong giai đoạn đẳng tốc , tốc độ sấy được quyết định bởi tốc độ bay hơi ẩm từ bề mặt hạt vào không khí . Theo Đanton tốc độ bay hơi từ bề mặt phụ thuộc vào độ chênh lệch áp suất hơi nước trên bề mặt hạt và không khí được biểu diễn bằng phương trình sau : (I.26) Trong đó : K: hệ số chuyển khối F: bề mặt tự do (bề mặt bốc hơi ) của 1 kg hạt Pm, P: áp suất hơi riêng phần trên bề mặt hạt và trong không khí Như vậy , muốn sấy nhanh phải tăng áp suất hơi trên bề mặt hạt , hoặc giảm áp suất hơi trong không khí . áp suất hơi trên bề mặt tăng và giảm theo sự tăng giảm nhiệt độ và độ ẩm của nó . Do đó , tốc độ sấy cũng tăng hoặc giảm phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của hạt . Lúc đầu quá trình sấy , độ ẩm trong hạt cao nên có tốc độ lớn , càng về sau độ ẩm của hạt càng giảm nên tốc độ sấy giảm . Mặt khác , nước trong hạt khi bốc hơi kèm theo sự thu nhiệt , nếu không có sự đốt nóng , cung cấp từ ngoài vào nhiệt tương ứng thì nhiệt độ của hạt bị giảm dần , làm giảm tốc độ sấy . Do vậy muốn tăng tốc độ sấy cần cung cáp nhiệt cho hạt . Trong thực tế , thường dùng không khí nóng hay hỗn hợp không khí với khói lò để làm chất đốt nóng đồng thời là chất mang ẩm ( từ hạt thoát ra ) gọi là tác nhân sấy . Tốc độ bay hơi nước phụ thuộc vàp tốc độ cung cấp nhiệt của tác nhân sấy và nhiệt độ của tác nhân sấy . Như vậy , tăng nhiệt độ nhiệt độ của tác nhân sấy là biện pháp tăng tốc độ sấy 6. Trao đổi nhiệt và truyền ẩm trong tầng sôi Quá trình trao đổi nhiệt và truyền ẩm giữa các vật sấy (các hạt) và tác nhân sấy trong tầng sôi xảy ra rất mạnh . Đó là kết quả tiếp xúc bề mặt lớn giữa các hạt rời chuyển động hỗn loạn trong dòng tác nhân sấy chảy rối. Có nhiều giả thuyết dưa ra các phương trình chuẩn số Nusselt từ đó để hệ số tỏa nhiệt α giữa tác nhân sấy và các hạt : (I.27) Trong đó : λ- hệ số dẫn nhiệt của tác nhân sấy (không khí) lấy theo nhiệt dộ trung bình , kcal/m.h.độ dtd-đường kính tương đương của hạt , m Chuẩn số Nusselt được tính như sau: (I.28) với Fe = 30 -:- 100 (I.29) với Fe = 100 -:- 200 trong đó: H- chiều cao của lớp hạt khi sôi , m Phần 2 Phương pháp nghiên cứu Mục đích của đề tài nghiên cưú này là “Nghiên cứu động học của quá trình sấy tầng sôi “ ,tìm hiểu ảnh hưởng của các nhân tố : chế độ thủy lực của lớp hạt trong sấy tầng sôi , về trở lực lớp hạt ,chế độ sấy, nhiệt độ sấy, vận tốc tác nhân sấy, truyền nhiệt trong sấy tầng sôi. Do những yêu câu như vậy chúng tôi đã chọn vật liệu để nghiên cứu là hạt thực vật (cụ thể là hạt Xuyên Tiêu ) có đặc điểm sau: +Có hình dạng gần hình cầu +Có khối lượng riêng nhỏ ( khoảng 663.3 kg/m3 ) dễ tạo tầng sôi +Độ xốp ε = 0.4275 (m3/m3) + Đường kính tương đương dtd = 1.684 (mm) Được đưa lên máy sấy tầng sôi sấy ở nhiều điều kiện sấy khác nhau và đưa ra các quan hệ thể hiện trên các đường cong thực tế đo được I. hệ thống thí nghiệm 1. Cấu tạo hệ thống thí nghiệm Sơ đồ của hệ thống thí nghiệm sấy tầng sôi là hệ thống làm việc theo chế độ liên tục . Gồm các bộ phận chính: - Quạt gió: là loại quạt ly tâm , chạy bằng điện 3 pha 220/380 . Công suất động cơ là 4,5 kW , tốc độ vòng quay 1450 (vòng/phút) . - Caloriphe : Đốt nóng bởi các dây điện trở Cr – Ni , có khả năng đưa nhiệt độ của tác nhân sấy lên đến 1500C . - Thiết bị sấy : Làm bằng thép không rỉ . Phần sấy có dạng hình trụ phần trên nở rộng hình nón . Phía dưới có lưới phân phối khí,phía trên có lắp một vít tải nạp liệu . Chiều cao của thiết bị có thể thay đổi bằng cách lắp ghép các đoạn có chiều cao khác nhau 50mm va 100mm . Dọc trên thân thiết bị có cửa để đo áp suất và nhiệt độ . Trên đường ống dẫn gió (trước khi vào thiết bị sấy ) có lắp van điều chỉnh và dụng cụ đo lưu lượng tác nhân sấy. Hình II.1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm sấy tầng sôi 1.Quạt gió 7. Thiết bị tầng sôi 2. Caloriphe 8. áp kế chữ U 3. ống Pitô-pran 9. Bảng điều khiển 4. Van điều chỉnh gió 10. Van tháo vật liệu rơi 5. Van tháo vật liệu 6. Vít nạp liệu 2. Đặc tính kĩ thuật của hệ thống thí nghiệm sấy tầng sôi - Đường kính thiết bị , mm 200 - Đường kính (chỗ lớn nhất) phần giảm tốc phân ly ,mm 400 - Chiều cao thiết bị(vùng sấy hình trụ), mm 200 - Năng suất vít tải , kg/giờ 50 Nhiệt độ của tác nhân sấy thay đổi bằng cách đóng mở 4 cầu dao cấp điện cho các dây đốt. Thực tế , nhiệt độ có thể duy trì ở mức 90oC đến 150oC. Nhiệt độ có thể được đo trên 6 vị trí (1 trước buồng sấy và 5 trong buồng sấy). Căn cứ vào điều kiện chế tạo và đặc điểm công nghệ sấy ( trên thực tế thường sử dụng tác nhân là khói lò nên có độ tạo chất khá cao ) nên sử dụng lưới phân phối gió là loại tấm mỏng có đục lỗ . Các thông số kĩ thuật của lưới như sau : -Kích thước lỗ 2(mm) -Chiều dày lưới 5(mm) -Bước lỗ 6,5(mm) -Tỷ lệ tiết diện tự do 7% - Trở lực của hệ thống (chạy không tải) tính theo mm H2O được xác định ở bảng sau: Vl (m/s) 0,44 1,06 2,04 3,06 3,53 3,9 ∆Pl(mmH2O) 1 2 5 11 25 27 3. Nguyên tắc làm việc của hệ thống Trước khi tiến hành thí nghiêm ta phải kiểm tra tất cả hệ thống sấy , xem xét cầu dao , công tắc , bịt kín hết các lỗ hở trong thiết bị sấy ... Không khí được đưa vào caloriphe nhờ quạt 1 và dược caloriphe đốt nóng, nhiệt độ của khí được đốt bằng 1 trong 4 caloriphe , muốn tăng nhiệt độ thì ta có thể đóng thêm caloirphe bằng các cầu dao trên bảng điều khiển 9 . Khí nóng được thổi từ phía dưới lên buồng sấy qua lớp lưới . Vật liệu được nạp vào buồng sấy từ vít tải liệu vào phần hình trụ của buồng sấy . Các thông số về trở lực được đo bằng các áp kế hình chữ U trên bảng 8 nó lam viêc thao nguyên lý của ông Pitô-Pran . Chênh lệch áp suất giữa các điểm I và II là trở lực của lưới , giữa II và III là trở lực của lớp sôi , giữa I và III hoặc IV hoặc V , VI là tổng trở lực của hệ thống tùy vào chiều cao của lớp hạt mà ta điều chỉnh các điểm III , IV ,V ,VI mà ta đo trở lực của hệ thống. ở phần thắt lại của caloriphe có van điều chỉnh để điều chỉnh lưu lượng gió , và có một ống Pitô-Pran để đo tốc độ gió . 4 Xác định vận tốc , lưu lượng tác nhân sấy và trở lực lớp vật liệu Để xác định vận tốc và lưu lượng của tác nhân sấy và áp suất ta thường dùng các dụng cụ như áp kế , ống Pitô-pran , dụng cụ tiết lưu ( ống Văngturi, màng chắn , ống loa ) .Các dụng cụ này có cơ sở tính toán và cho kết quả chính xác . Trong cuộc thí nghiệm này chúng tôi dùng ống Pitô-pran . ống Pitô-pran là dụng cụ làm việc theo nguyên tắc ống thu áp , có cấu tạo 2 ống đồng tâm , ống trong lỗ tâm và dùng để thu áp suất ( áp suất Pazomet) . Hiệu số hiệu số áp suất trong chất khí trong 2 ống được đo bằng áp kế vi sai . Phần chữ U của áp kế chứa một chất lỏng có khối lượng riêng xác định . Vận tốc của chất khí trong ống dẫn tại điểm đặt đầu đo được xác định (II.1) Để xác định vận tốc trung bình trong ống dẫn người ta có thể làm theo 2 phương pháp sau đây: +Xác định vận tốc theo tiết diện ngang của ống dẫn tại các điểm khác nhau theo bán kính . Vận tốc trung bình được tính theo công thức : (II.2) + Dùng quan hệ giữa vận tốc lớn nhất và vận tốc trung bình ở các chế độ chảy khác nhau tính được lưu lượng . Các bước tính cụ thể như sau : -Tính vận tốc lớn nhất (vmax ) tại tâm dòng chảy . -Tính giá trị Râynôn Tìm giá trị tỷ số , ứng với giá trị của chuẩn số Re vừa tìm được trên đồ thị quan hệ - Re. Từ đó tính vận tốc trung bình . Tuy nhiên có thể lấy một cách gần chính xác như sau +Re < 103 thì Vtb = 0,5.Vmax +103 < Re < 105 thì Vtb =(0,7ữ 0,82).Vmax +Re > 105 thì Vtb = 0,82 Vmax Lượng chất khí được tính theo công thức sau : L = Vtb.Stổng (II.3) Stổng : là diện tích tiết diện ngang của ống dẫn 5 Xác định độ ẩm và nhiệt độ của vật liệu ẩm +Có rất nhiều phương pháp dùng để xác định độ ẩm của vật liệu như: phương pháp dùng nhiệt sấy khô , phương pháp chưng cất , chiết , phưong pháp đo độ dẫn điện … Trong trường hợp này ta dùng phương pháp sấy khô . Trong quá trình sấy ta lấy mẫu theo thời gian quy định và cho đem cân rồi cho vào tủ sấy , sấy cho đến khi khối lượng không đổi do đó xác định đươc lượng nước ẩm có trong vật liệu từ đó xác định được độ ẩm của vật liệu . Phương pháp này có ưu điểm là dễ thao tác , độ chính xác cao . Tuy nhiên thời gian xác định lâu không phù hợp cho điều kiện sản xuất cần xác định nhanh. +Do nhiệt độ trong quá trình thí nghiệm không cao, nên việc xác định nhiệt độ của vật liệu cũng như tác nhân sấy ta dùng nhiệt kế thủy ngân , đồng hồ đo nhiệt loại nhỏ… 6. Xác định thông số của hạt xuyên tiêu +Đường kính tương đương của hạt xuyên tiêu được xác đinh bằng công thức sau: (II.4) trong đó m : khối lượng số hạt đem đo , m n : số hạt đem đo ρ khối lượng riêng của hạt , kg/m3 + Khối lượng riêng của hạt được xác định như sau: Cân một khối lượng hạt xác định , sau đó xác định thể tích hạt bằng cách cho khối lượng đó vào ống đong co chứa nước , phần thể tích dâng lên chính là thể tích hạt chiếm chỗ và khối lượng riêng được xác định bằng công thức: (II.5) +Độ xốp của hạt được xác định như sau: cho lượng hạt xác định vào ống đong không có nước ta xác định được thể tích hạt rỗng Vo , rồi đo thể tích hạt chiếm thực tế bằng cách như xác định khối lượng riêng ta được V , độ xốp của hạt được tính như sau: (II.6) II. tiến hành thực nghiệm và tính toán kết quả 1. Phương pháp tiến hành thí nghiệm Truớc khi tiến hành thí nghiêm cần kiểm tra thiết bị , các dụng cụ đo ( ống Pitô-pran , nhiệt kế ẩm ..) , độ kín của hệ thống (các mặt bích), hệ thống cấp điện Về nguyên liệu : Vật liệu sấy được ngâm và lựa chọn (sàng , nhặt những hạt không đạt yêu cầu và ủ vật liệu đến độ ẩm cần phân tích) *Nghiên cứu chế độ thủy động của hạt : Quan hệ ∆p-V là bức tranh thực nghiệm phản ánh diễn biến trạng thái và chế độ thủy động lực học của lớp hạt. Do vậy, để xác định các thông số của lớp hạt sôi, ta đi khảo sát qua quan hệ ∆p-V của lớp hạt . Phương pháp tiến hành thí nghiệm như sau: -Nạp vật liệu khô với khối lượng xác định trước ( tương ứng với chiều cao Ho ) -Cho quạt làm việc, đóng cửa van cấp gió -Mở van cấp gió ở các vị trí khác nhau . Theo dõi độ chênh lệch cột nước trong các áp kế chữ U (đo lưu lượng gió và trở lực của lớp hạt ) -Ghi số liệu *Nghiên cứu chế độ sấy hạt : Quá trình sấy tầng sôi có khả năng cấp nhiệt rất mạnh do lớp hạt được khuấy trộn mạnh . Do đó trong khi tiến hành thí nghiệm phải hết sức khẩn trương và lưu ý.Trước khi tiến hành thí nghiệm phải kiểm tra thiết bị, dụng cụ đo , hệ thống cung cấp điện. Các bước tiến hành sấy hạt như sau: -Điều chỉnh nhiệt độ và vận tốc gió trong trường hơp nghiên cứu cụ thể -Xác định khối lượng hạt cần nghiên cứu -Lấy mẫu để xác định độ ẩm ban đầu -Đo nhiêt độ vật liệu bằng nhiệt kế -Trong mỗi khoảng thời gian xác đinh trong quá trình sấy ta phả lấy mẫu để xác định độ ẩm , song song với việc đo độ ẩm của lớp hạt và nhiệt độ khí ra - Cuối cùng tắt quạt , caloriphe, quét dọn và làm vệ sinh…. 2.Tính toán kết quả thí nghiệm thu được Sau khi tiến hành thí nghiêm xong ta thu được các số liệu ban đàu dưới đây và bằng những tính toán xử lý số liệu trên phần mềm Exell ta đưu ra các kết quả. *Quá trình thủy lực - Quan hệ ∆P – V thực tế - Các vận tốc giới hạn : Vs , Vf *Quá trình sấy Độ ẩm ban đầu wđ Độ ẩm cuối wc Độ ẩm tại các điểm đo wi Khối lượng vật liệu ẩm ban đầu Gđ Khối lượng vật liệu ẩm sau khi sấy Gc Nhiệt độ tác nhân sấy ttn Nhiệt độ lớp hạt th Nhiệt độ khí ra tkh Bằng những công thức lý thuyết và các dữ liệu đã có tiến hành tính lại để so sánh một số kết quả thực nghiêm so với tinh toán lý thuyết Đối với quá trình thủy lực ta tính lại một số điểm đã đo theo công thức sau: Khi 54 < Re < 6300 (II.7) Khi Re >6300 (II.8) Trong đó : +v : vận tốc khí qua lớp hạt (m/s) +ν: độ nhớt động học (m2/s) +d: đường kính tương đương (mm) Đối với quá trình sấy trong khí tính nhiệt lượng ta có thể dựa vào các công thức sau: *Nhiệt lượng cung cấp theo thực tế : Qtt = L.C. ∆T (kj/h) (II.9) Trong đó + L lưu lượng tác nhân sấy (kgkk/h) + C nhiệt dung riêng của tác nhân sấy , đối với không khí ta lấy C = 103 (J/kg,độ) Mặt khác nhiệt lượng cung cấp theo thực tế lại chính bằng nhiệt lượng cần thiết để đốt nóng vật liệu và nhiệt lượng cung cấp để bốc hơi ẩm Qtt = Qb + Qđn (II.10) Nhiệt lượng cần thiết dùng để bốc hơi được tính theo công thức Qb = rhh∆Gn (II.11) Do đó ta dễ dàng tính được nhiệt cung cấp dùng để đốt nóng dựa vào các công thức trên : Qđn = Qtt - Qb (II.12) + rhh Nhiệt hóa hơi của nước , tra tại bảng [I.212 (3-150)] sổ tay quá trình thiết bị , kcal/kg *Nhiệt lượng cung cấp tính theo lý thuyết : Đối với quá trình cung cấp nhiệt theo lý thuyết ta tính theo chuẩn số Nuxen (II.13) Trong tầng sôi thì chuẩn số Nu được tính thông qua các phương trình chuân r số sau : (II.14) với Fe = 30 ữ 100 (II.15) với Fe = 100 ữ 200 trong đó các chuẩn số liên quan được tính như sau: (II.16) (II.17) khi độ xốp ε = 0,4 thì ta có thể tính (II.18) Ar : là chuẩn số Accimet và được tính theo (II.19) Cuối cùng nhiệt lượng cung cấp tính theo lý thuyết được tính theo công thức sau: Qlt = α.∆T.F (II.20) F= 6G/ρh.dtđ (II.21) Trong đó thì: F: Diện tích bề mặt truyền nhiệt, m G: Khối lượng hạt có trên lưới , kg ρh,ρk : Khối lượng riêng của hạt và tác nhân sấy (không khí), kg/ m3 ε: Độ xốp của lớp hạt ,m3/ m3 H: chiều cao lớp hạt ,m dtđ : Đường kính tương đương của hạt ,m λ : Hệ số dẫn nhiệt của không khí phụ thuộc vào nhiệt độ tính theo công thức: (W/m,K) (II.22) λ0 : Hệ số dẫn nhiệt của không khí ở 00C , W/m,K λ0 = 0,0201 [bảng I,122(I-124)] T : Nhiệt độ tuyệt đối của không khí , K C : Hằng số , C = 122 [bảng I,122(I-124)] Phần 3 kết quả thực nghiệm I.Kết quả thực nghiệm quá trình thủy lực 1. Sự ảnh hưởng của chiều cao lớp hạt đến quá trình thủy lực Trong kĩ thuật sấy tầng sôi , chiều cao của lớp vật liệu đóng môt vai trò quan trọng . Nó không những liên quan đến đặc tính công nghệ của quá trình mà còn ảnh hưởng tới sự phân lớp trong thiết bị tầng sôi . Khi hiện tượng phân lớp xảy ra thì hiệu suất chuyển khối bị giảm xuống hạt có nguy cơ bị quá nhiệt cục bộ , hạt có thể bị bắn ra khỏi thiết bị . Theo nhiều nghiên cứu trước đây thì cho thấy rằng tỷ số càng lớn thì khả năng phân lớp càng cao . Giới hạn chiều cao lớp hạt khi vượt quá giá trị này sẽ tạo ra sự phân lớp có thể xác định qua công thức sau : H0gh = D.tgα Trong đó : H0gh – Chiều cao giới hạn của lớp hạt tĩnh ,mm D - Đường kính thiết bị , mm α – Góc nội ma sát của hạt , độ Qua các quan sát thực nghiệm trên máy sấy tầng sôi mà chúng tôi thực hiện trên hạt xuyên tiêu với các chiều cao lớp hạt khác nhau ( tương ứng với khối lượng khác nhau) có bảng kết quả sau Bảng 1:Kết quả thực nghiệm thủy lực Từ bảng kết quả thực nghiệm (bảng III.1) ta lập đồ thị sau: Hình III.1: Đồ thị ảnh hưởng của chiều cao lớp hạt lên chế độ thủy động Nhận thấy rằng khi chiều cao lớp hạt càng tăng thì hình ảnh trở lực càng hiện rõ , hay nói cách khác thì sự ảnh hưởng của chiều cao lớp hạt lên chế độ thủy động của hạt càng rõ nét . Điều này có thể giải thích như sau , khi chiều cao càng lớn thì lực liên kết giữa các hạt càng lớn vì vậy trở lực của nó càng lớn . Muốn tạo sự phân lớp sôi thì cần vận tốc lớn hơn. Qua kết quả nhận được trong quá trình thực nghiệm ta thấy rằng vận tốc sôi tối thiểu của lớp hạt càng cao thì càng lớn . Chứng tỏ rằng sự phụ thuộc của vận tốc sôi tối thiểu vào chiều cao lớp hạt . Điều này cũng rất phù hợp với các công thức lý thuyết, Ta đi tính trở lực của lớp hạt theo lý thuyết theo công thức sau: Do chuẩn số 54< Re < 6300 nên (III.1) Trong đó : -ρo : khối lượng riêng của hạt (kg/m3) -d : Đường kính tương đương của hạt (m) -v : vận tốc gió (m/s) - ν : độ nhớt động học của khí Sau khi tính toán đối với từng chiều cao khác nhau của lớp hạt ta được bảng sau: Bảng 2: Kết quả tính toán trở lực theo lý thuyết Qua bảng trên ta thấy rằng kết quả tính toán lý thuyết và thực tế đều tăng dần theo sự tăng của chiều cao lớp hạt,Kết quả tính toán lý thuyết và thực tế khác nhau trong khoảng từ 14 ữ 43% . Điều này có thể giải thích là công thức áp dụng vào tính toán có thể dựa trên đặc điểm của lớp hạt nào đó có tính chất khác với lớp hạt chúng tôi đang nghiên cứu. II.Kết quả thực nghiệm đối với quá trình sấy Mục đích của chúng tôi là đi nghiên cứu động học quá trình sấy tầng sôi . làm rõ các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình sấy tầng sôi . Chúng tôi đi tiến hành các thí nghiệm ở các lớp hạt có chiều cao ban đầu khác nhau trong các chế độ sấy khác nhau . Sau đó bằng tính toán theo các công thức lý thuyết và thực nghiệm dựng lên các đồ thị , qua đó nhận xét và đánh giá 1. Kết qủa thực nghiệm trong quá trình sấy tầng sôi *Kết quả sấy trong điều kiện : -Chiều cao lớp hạt H0=60mm -Nhiệt độ tác nhân sấy t = 900C -Vận tốc tác nhân sấy(không khí) v = 3 (m/s) -Độ ẩm ban đầu của hạt Wđ = 50,2% -Độ ẩm cuối của hạt Wc = 4,3% - Khối lượng hạt đem sấy Gd = 700 (g) Bảng 3: Thời gian (giây) Nhiệt độ lớp hạt (oC) Nhiệt độ khí ra(oC) Độ ẩm (W%) Tốc độ (1/h) Trở lực (mmH2O) 0 25,5 22 50,2 2,037 5 2 63 40 43,4 3,827 5 6 70 56 17,9 1,953 5 7 71 61 14,6 1,578 4,5 9 72 65 9,4 0,89 4,5 11 72,5 68 6,4 0,413 4,5 13 73 69,5 5,0 0,08 4 16 73,5 70 4,7 0,001 4 20 74 71 4,5 0,044 4 25 74 71 4,3 0,034 4 *Kết quả sấy trong điều kiện : -Chiều cao lớp hạt H0=60mm -Nhiệt độ tác nhân sấy t = 900C -Vận tốc tác nhân sấy(không khí) v = 3,5 (m/s) -Độ ẩm ban đầu của hạt Wđ = 50,2% -Độ ẩm cuối của hạt Wc = 0,3% - Khối lượng hạt đem sấy Gd = 700 (g) Bảng 4 Thời gian (giây) Nhiệt độ lớp hạt (oC) Nhiệt độ khí ra(oC) Độ ẩm (W%) Tốc độ (1/h) Trở lực (mmH2O) 0 30 28 50,2 2,415 6 2 53 46 42,1 2,521 6 3 62 54 37,9 2,914 6 4 67 59 33,1 7,041 5,5 5 71 64 21,3 3,504 5,5 6 74 68 15,5 2,63 5,5 7 77 72 11,1 0,472 5 9 78,5 75 9,5 0,314 5 11 81 78,5 8,5 1,823 5 13 83,5 80 2,4 0,149 5 16 85 82 1,7 0,193 5 20 85 82,5 0,4 0,012 5 25 85 82,5 0,3 4E-04 5 Từ bảng tổng hợp kết quả ở bảng ta lập được các đồ thị đường cong sấy sau: Hình III.2 : Các đồ thị trong điều kiện sấy Ho = 60mm , v=3m/s , v=3,5(m/s) *Kết quả sấy trong điều kiện: -Chiều cao lớp hạt H0=70mm -Nhiệt độ tác nhân sấy t = 900C -Vận tốc tác nhân sấy(không khí) v = 2,04 (m/s) -Độ ẩm ban đầu của hạt Wđ = 42,47% -Độ ẩm cuối của hạt Wc = 3,24% - Khối lượng hạt đem sấy Gd = 800 (g) Kết quả được tổng hợp ở bảng dưới đây : Bảng 5 Thời gian (giây) Nhiệt