Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và chuyển chất trong sấy vật chuyển động ảnh hưởng của chuyển động của vật lên chuyển khối khi sấy

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội
-------------------------------------

Cao Duy hữu

nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và chuyển chất
trong sấy vật chuyển động : ảnh hởng của
chuyển động của vật lên chuyển khối khi sấy.

Chuyên ngành : Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học
Mã số :

Luận văn thạc sỹ khoa học

Ngời hớng dẫn khoa học:
pgs.ts. Đỗ Ngọc Cử

Hà nội 2008


Mục lục
Trang
Mở đầu

1

Chơng I Tổng quan

2

I.1 Sự truyền nhiệt và chuyển chất trong quá trình sấy

2

I.1.1 Quá trình truyền ẩm trong vật sấy

3

I.1.2 Quá trình truyền ẩm giữa bề mặt sấy và môi trờng

3

I.1.3 Quan hệ giữa nhiệt và truyền ẩm

5

I.2 Các giai đoạn sấy

6

I.3 Mô tả hiện tợng truyền nhiệt và chuyển chất trong quá trình
sấy bằng các phơng trình chuẩn số.

10

I.4 Sấy tầng sôi

13

Chơng II Phơng pháp nghiên cứu

16

II.1 Hệ thống thí nghiệm

16

II.2 Phơng pháp đo các thông số thí nghiệm

19

II.3 Phơng pháp xử lý số liệu

21

Chơng III Kết quả thí nghiệm và các phân tích
III.1 Kết quả thí nghiệm chuyền chất

26
26

III.2 Kết quả truyền nhiệt và chuyển chất khi sấy tầng sôi
với hạt và lớp hạt

47

Kết luận

52

Tài liệu tham khảo

53

Phụ lục

55


Mở đầu
Vấn đề truyền nhiệt và chuyển chất trong các quá trình công nghệ hóa
học là một lĩnh vực rộng lớn. Các quá trình truyền nhiệt, thoát ẩm khi vật ẩm
đặt trong môi trờng khí nóng ta cũng gặp thờng xuyên trong đời sống sản
xuất và nghiên cứu khoa học. Vấn đề này là cơ sở khi nghiên cứu, tính toán và
thiết kế các quá trình và thiết bị phục vụ sản xuất, nghiên cứu. Ví dụ nh các
quá trình sấy làm khô các sản phẩm thực phẩm và các sản phẩm hóa học khác.
Các nghiên cứu về quá trình sấy đã đợc làm từ rất lâu, hiện tại ngời ta
vẫn đang đợc tiếp tục ngiên cứu, bổ xung các kết quả mới nhằm hoàn thiện
hơn nữa lí thuyết quá trình sấy vốn dĩ rất phức tạp.
Sau khi tham khảo tìm hiểu một số nghiên cứu gần đây cũng nh các tài
liệu trong nớc và nớc ngoài, chúng tôi nhận thấy các nghiên cứu cơ bản cho
các quá trình này là rất cần thiết. Các kết quả nghiên cứu cơ bản sẽ là nền tảng
cho lý thuyết sấy nói chung. Trong quá trình truyền nhiệt và thoát ẩm thì vai
trò của vật ẩm đóng vai trò quan trọng, quyết định đến tính chất của quá trình.
Vật ẩm có thể ở trạng thái tĩnh hoặc trạng thái dao động, các thay đổi về mặt
trạng thái chuyển động cũng phần nào ảnh hởng đến quá trình truyền nhiệt
và chuyển khối khi vật ẩm tơng tác với môi trờng khí nóng.
Từ những tìm hiểu và nhận định trên, để góp phần vào các nghiên cứu
cơ bản cho các quá trình chúng tôi đợc giao nhiệm vụ : Nghiên cứu quá trình
truyền nhiệt và chuyển chất trong sấy vật chuyển động : ảnh hởng của

chuyển động của vật lên chuyển khối khi sấy.

1


Chơng I
Tổng quan

I.1 Sự truyền nhiệt và chuyển chất trong quá trình sấy
Sấy là quá trình tách ẩm bằng cách cấp nhiệt cho vật liệu để ẩm bay
hơi. Vật liệu sấy có thể ở dạng rắn ẩm, bột nhão hoặc dung dịch.
Sấy đối lu là dùng không khí nóng hoặc khí lò làm tác nhân sấy có
nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy bao trùm vật sấy làm cho
ẩm trong vật sấy bay hơi rồi đi theo tác nhân sấy. Sấy đối lu có thể thực hiện
theo mẻ (gián đoạn) hay liên tục.
Quá trình sấy đối lu bao gồm các giai đoạn: Dòng khí cấp nhiệt cho
vật sấy, quá trình truyền ẩm từ trong vật sấy ra ngoài bề mặt sấy, quá trình
truyền ẩm từ bề mặt vật sấy vào môi trờng. Các quá trình truyền nhiệt và
truyền chất trên xảy ra đồng thời trên vật sấy, chúng có ảnh hởng qua lại lẫn
nhau và chịu ảnh hởng của nhiều nhân tố, trong đó một số thuộc về tác nhân
sấy, một số thuộc về thiết bị, một số thuộc về vật liệu sấy nh kích thớc, cấu
trúc và liên kết ẩm trong vật liệu ẩm, trạng thái của vật là đứng yên hay
chuyển động

Các dạng liên kết giữa nớc và vật liệu
Nớc có trong vật liệu ẩm có thể chia làm hai loại: nớc tự do và nớc
liên kết. Nớc tự do nằm trong vật ẩm là lợng nớc mà hơi nớc có áp suất
riêng phần bằng giá trị bão hòa ở nhiệt độ hiện tại của vật ẩm. Nớc liên kết
với vật ẩm có áp suất riêng nhỏ hơn áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ của vật.
Năng lợng liên kết càng lớn, áp suất hơi p càng nhỏ, càng khó tách. Muốn

tách nớc ra khỏi vật ẩm cần có năng lợng bằng hay lớn hơn năng lợng liên

2


kết của nó với vật ẩm. Để có thể lựa chọn phơng pháp tách nớc tốt nhất, cần
biết các dạng liên kết của nó với vật ẩm.

I.1.1 Quá trình truyền ẩm trong vật sấy
Quá trình truyền ẩm từ trong lòng vật sấy ra ngoài bề mặt nhìn chung
do chênh lệch độ ẩm và chênh lệch nhiệt độ giữa vật ẩm và môi trờng.
Phơng trình dẫn ẩm có dạng:
qm = qma + qmt

[I-1]

Trong đó:
qma - dòng ẩm do dẫn ẩm.
qmt - dòng ẩm do khuếch tán nhiệt.
qma = - D.gradU
qmt = - DTgradt
D : hệ số dẫn ẩm
DT: hệ số dẫn nhiệt
Khi sấy đối lu, vật sấy đặt trong dòng khí nóng. Quá trình truyền nhiệt
thực hiện từ bề mặt vào trong lòng vật sấy. Nhiệt độ bề mặt vật lớn hơn nhiệt
độ bên trong vật sấy, điều này ảnh hởng xấu đến quá trình dẫn ẩm từ trong
vật sấy ra ngoài. Việc dẫn ẩm từ trong vật sấy ra ngoài gây nên do gradien độ
ẩm, còn gradien nhiệt độ ngợc lại làm chậm sự dẫn ẩm. Sự bay hơi ẩm trên
bề mặt vật liệu tạo nên dòng ẩm trong vật sấy.
Dòng ẩm từ trong vật sấy truyền ra ngoài trong sấy đối lu là:

qm = qma - qmt

[I-2]

I.1.2 Quá trình truyền ẩm giữa bề mặt sấy và môi trờng
Quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất giữa bề mặt vật sấy và môi chất
sấy rất phức tạp, có thể mô tả bằng hệ thống các phơng trình vi phân và các
điều kiện đơn trị của chúng. Dòng hơi ẩm thoát ra từ vật vào môi trờng bao

3


gồm ba thành phần: dòng ẩm khuếch tán, dòng ẩm khuếch tán nhiệt và dòng
ẩm do khuếch tán phân tử.
qm = qmk + qmt + qmp

[I-3]

Dòng khuếch tán qmk gây nên bởi chênh lệch nồng độ hơi ẩm giữa bề
mặt và môi trờng. Dòng khuếch tán nhiệt qmt gây nên do chênh lệch nhiệt độ
giữa bề mặt và môi trờng. Còn dòng khuếch tán phân tử gây nên do chênh
lệch phân áp suất hơi giữa bề mặt và môi trờng. Dòng khuếch tán và khuếch
tán phân tử đóng vai trò chính, dòng khuếch tán nhiệt rất nhỏ, trong nhiều
trờng hợp có thể bỏ qua. Khó có thể phân định các dòng trên nên trong quá
trình thực tế, sự truyền ẩm từ bề mặt vật ẩm vào môi trờng khí đợc biểu thị
qua định luật cấp khối:

m = .F.(pbm - pmt)

[I-4]

Trong đó: m - lợng ẩm cấp từ bề mặt ra môi trờng khí, kg;
F - diện tích bề mặt, m2;
- thời gian, s;
- hệ số cấp khối, kg/m2s;
pbm, pmt - áp suất hơi trên bề mặt và môi trờng, mmHg;
Lợng ẩm truyền ra môi trờng phụ thuộc vào chế độ chảy và hớng
chuyển động của dòng khí, nhiệt độ bề mặt của vật ẩm, trạng thái của vật là
đứng yên(tĩnh) hay chuyển động.
Hệ số cấp khối là một đại lợng phức tạp. Nó phụ thuộc vào tính chất
vật lý của các pha, nhiệt độ, áp suất, lu lợng, kích thớc hình học đặc trng
và cấu tạo thiết bị. Cách tính thông qua các phơng trình chuẩn số:

=

Nu'.D
l

[I-5]

Trong đó: Nu - chuẩn số Nusselt đặc trng cho quá trình cấp khối;
D - hệ số khuếch tán động, m2/s ;
l - kích thớc hình học đặc trng, m ;

4


Hệ số cấp khối còn có thể đợc xác định từ phơng trình :

Nu = A.Ren(Pr)0,33Gu0,135

Trong đó : Nu ' =

.l
D

; Re =

[I-6]


.l .l.
T Tu
'
=
; Pr = ; Gu =
;

à
D
T

l - chiều dài bề mặt bay hơi theo hớng dòng khí, m; D - hệ số khuếch tán,
m2/s; - tốc độ dòng khí, m/s; - độ nhớt động học, m2/s; T, T là nhiệt độ
bầu khô và bầu ớt, oK; A và n là các hệ số phụ thuộc vào chế độ chuyển động
của dòng khí và một số yếu tố ảnh hởng khác.
I.1.3 Quan hệ giữa nhiệt và truyền ẩm
Quan hệ giữa nhiệt và truyền ẩm thể hiện qua các phơng trình vi phân
sau:
Q1 = (C 0 m 0 + C n m n )

Q2 = r

dt
d

dm n
du
= r .m 0
d
d

[I-7]
[I-8]

Trong đó:
C0,Cn nhiệt dung riêng của chất khô và của ẩm (nớc),
kJ/kg.độ;
r nhiệt hóa hơi của nớc liên kết trong vật ẩm, kJ/kg;
m0,mn khối lợng chất khô và nớc ttrong vật ẩm, kg;
Q1,Q2 nhiệt lợng nung nóng vật ẩm, nhiệt lợng để nớc bay
hơi;
u độ chứa ẩm trung bình trong vật sấy;

dt
- biểu diễn sự gia tăng nhiệt độ trung bình của vật sấy, còn
d
gọi là tốc độ nung nóng.

5

du
- sự thay đổi độ ẩm trung bình của vật sấy, còn gọi là tốc độ
d

sấy.
Nhiệt hóa hơi của nớc liên kết trong vật ẩm bằng tổng nhiệt hóa hơi
của nớc, nhiệt nung nóng hơi nớc, nhiệt lợng thắng năng lợng liên kết
của nớc với chất khô.
r = rn + Ch(t tb) + r

[I-9]

Trong đó:
rn nhiệt hóa hơi của nớc, kJ/kg;
Ch nhiệt dung riêng của nớc, kJ/kg.độ;
t nhiệt độ của hơi bị đốt nóng, oC;
tb nhiệt độ bay hơi của nớc, oC;
r nhiệt lợng liên kết của nớc, kJ/kg;
Cờng độ truyền nhiệt từ tác nhân sấy đến vật sấy đợc thể hiện ở công thức :

q=

mn dt
1
1
1
du

(
)
+
.
qdF
Q
Q
C
C
m
r
m
=
+
=
+


1
2
0
n
0
0
F (F)
F
F
m0 d
d

[I-10]

Trong đó:
F bề mặt vật ẩm, m2.
I.2 Các giai đoạn sấy
Trong quá trình sấy, độ ẩm của vật ẩm liên tục thay đổi theo hớng
giảm dần. Tùy cấu tạo của vật ẩm và phơng pháp sấy mà độ ẩm và nhiệt độ
của vật sấy ở các phần bên trong và trên bề mặt cũng khác nhau theo từng giai
đoạn sấy.
Các giai đoạn sấy gồm: giai đoạn đầu hay còn gọi là giai đoạn nung
nóng vật sấy đến nhiệt độ bay hơi của ẩm, giai đoạn thứ nhất hay giai đoạn có
tốc độ sấy không đổi, giai đoạn thứ hai là giai đoạn tốc độ sấy giảm dần.

6


ở giai đoạn đầu (nung nóng), nhiệt độ tác nhân sấy cao hơn nhiệt độ
bay hơi của ẩm, nhiệt độ của vật sấy đợc nâng lên đến nhiệt độ bay hơi của
ẩm (t). Do đợc làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm ít do bay hơi ẩm. Sự
tăng nhiệt độ xảy ra không đồng đều ở phần trong và phần ngoài vật. Vùng
trong vật đạt đến t chậm hơn. Đối với những vật dễ sấy, giai đoạn làm nóng
vật xẩy ra rất nhanh.
Quá trình sấy chỉ có thể xảy ra khi nhiệt độ của vật sấy cao hơn nhiệt
độ điểm sơng của tác nhân sấy, nếu ngợc lại hơi nớc từ tác nhân sấy sẽ
ngng và thấm vào vật sấy.
Trong giai đoạn sấy thứ nhất, nhiệt độ của vật sấy bằng nhiệt độ bay hơi
của nớc. Tốc độ bay hơi nớc và nhiệt độ của vật sấy là không thay đổi.
Nhiệt lợng từ tác nhân sấy truyền cho vật sấy cấp hết cho nớc bay hơi:
q = (tt-tm)

[I-11]

trong đó:
- hệ số tỏa nhiệt từ tác nhân sấy cho vật sấy;
tt- nhiệt độ của tác nhân sấy;
tm- nhiệt độ bề mặt của vật sấy;
Trong giai đoạn này chủ yếu làm bay hơi nớc tự do trong vật sấy. Hơi
bay lên từ bề mặt vật sấy là hơi nớc bão hòa, nhiệt hóa hơi đúng bằng nhiệt
hóa hơi của nớc tự do nên nhiệt độ bề mặt thấm ớt bằng nhiệt độ bầu ớt.
Tốc độ sấy ở giai đoạn này tỉ lệ với tốc độ truyền nhiệt vào vật.
U=

dm
~q
Fd

[I-12]

Để có tốc độ sấy không đổi, lợng ẩm đã bay hơi phải bằng lợng ẩm
sâu bên trong truyền ra bề mặt vật sấy.
Giai đoạn U = const kết thúc khi tốc độ bay hơi lớn hơn tốc độ dẫn ẩm
ra bề mặt. Tiếp đó là giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Đó là do càng về sau ẩm
cần tách càng có năng lợng liên kết lớn, áp suất hơi nhỏ, tách khó.

7


Phơng trình tốc độ ở giai đoạn sau:
U2 = (u-ucb)

[I-13]

Năng lợng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự do và nó càng
tăng khi độ ẩm của vật càng nhỏ. Quá trình sấy càng tiếp diễn, độ ẩm của vật
càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm của vật sấy bằng với độ
ẩm cân bằng ứng với điều kiện của môi trờngkhông khí ẩm trong buồng
sấy(ucb,cb) thì quá trình thoát ẩm của vật dừng lại có nghĩa là tốc độ sấy bằng
không (

u
= 0 ). Nhiệt độ ở lớp bên ngoài bề mặt tăng nhanh, còn càng vào


sâu bên trong vật nhiệt độ tăng chậm hơn do đó hình thành gradien nhiệt độ
trong vật sấy. ở cuối quá trình sấy do tốc độ sấy giảm nên thời gian sấy kéo
dài. Về lý thuyết để cho độ ẩm vật sấy đạt đến độ ẩm cân bằng thì thời gian
sấy tức là đờng cong u = f() tiệm cận với đờng thẳng ucb=const.
Trong thực tế ngời ta sấy đến độ ẩm cuối cùng U2 lớn hơn độ ẩm cân bằng.
Tốc độ sấy không đổi ở giai đoạn thứ nhất, giảm dần ở giai đoạn thứ hai và
bằng không khi u = ucb.
Vấn đề vật sấy dao động trong quá trình sấy đối lu
Trong quá trình sấy đối lu, vật sấy có thể ở trạng thái tĩnh hoặc trạng
thái dao động. Các dạng chuyển động của vật sấy có thể qui về các chuyển
động cơ học nh : chuyển động dao động tuần hoàn, chuyển động tự do và
chuyển động theo dòng khí(bị lôi cuốn theo dòng khí).
ở trạng thái tĩnh, bao quanh vật sấy là các lớp biên thủy động và lớp
biên nhiệt. Các hiện tợng truyền nhiệt và chuyển khối diễn ra tại các lớp biên
này. Khi vật ở trạng thái dao động, không gian bao quanh vật sấy liên tục thay
đổi làm cho cấu trúc lớp biên cũng bị thay đổi. So sánh trờng hợp dòng khí
nóng thổi lớt qua bề mặt tĩnh, và dòng khí nóng thổi lớt qua bề mặt dao

động, ta thấy khi dòng khí nóng thổi lớt qua bề mặt vật ẩm dao động nó làm

8


tăng độ rối của lớp chất lỏng sát trên bề mặt, lớp biên chảy tầng do đó bị ảnh
hởng dẫn tới các thay đổi về truyền nhiệt và chuyển chất trong quá trình sấy.
Khi vật ẩm dạng hạt, kích thớc tơng đối đồng đều chuyển động lơ
lửng trong dòng khí, quá trình truyền nhiệt và chuyển chất giữa tác nhân sấy
và hạt ẩm xảy ra rất mạnh. Đó là kết quả khi bề mặt hạt đợc tiếp xúc tối đa
với dòng khí theo các phơng chiều và hớng quay khác nhau.
Một vật dao động điều hòa so với hệ tọa độ đứng yên thỏa mãn phơng
trình vi phân :
x + 2x = 0

[I-14]

Và nghiệm của phơng trình đó có dạng (xét tình huống góc pha ban
đầu bằng 0) :
x = Asin(t) = Asin(2ft)

[I-15]

Trong đó :
x - li độ hay tọa độ của vật dao động, m;
A - biên độ dao động, m;
- tần số góc của vật, rad/s ;
f - tần số dao động của vật, Hz;
Gia tốc dao động:
a = x = - 2Asin(t) = 2Asin(t - ) , m/s2;

amax = 2A;

[I-16]
[I-17]

Khi vật sấy dao động trong trờng trọng lực với gia tốc trọng trờng
g(m/s2), ta có thể thiết lập chuẩn số không thứ nguyên đại diện cho tác động
dao động trong quá trình sấy :

a 2A
R= =
g
g

[I-18]

Khi vật sấy dao động, các phơng trình truyền nhiệt và chuyển khối sẽ
xuất hiện thêm yếu tố dao động thể hiện qua chuẩn số R nói trên.
Phơng trình truyền nhiệt tổng quát :
9


Nu = C.Ren.Rm

[I-19]

Phơng trình chuyển khối tổng quát:
Nu = A.Ren.Rm

[I-20]

Bằng các thực nghiệm cụ thể có thể dẫn đến xác định đợc các tham số
C, A, n, m, n, m.

I.3 Mô tả hiện tợng truyền nhiệt và chuyển chất trong quá trình sấy
bằng các phơng trình chuẩn số.
Theo thuyết đồng dạng: Nếu hai quá trình là đồng dạng vật lý thì tất cả
các chuẩn số của chúng có cùng giá trị. Khi thiết lập các chuẩn số xuất phát từ
phơng trình cân bằng đợc biểu thị dới dạng phơng trình vi phân, những
hiểu biết lí tính bao gồm mọi phạm vi khoa học đợc thể hiện. Từ đó các quá
trình chuyển khối, truyền nhiệt và truyền động lợng đợc dẫn giải toán học
thành những chuẩn số cơ bản.
Đồng dạng nhiệt :
Dựa vào các phơng trình vi phân về nhiệt, dùng thuyết đồng dạng để
rút ra các chuẩn số đồng dạng, từ đó thiết lập đợc phơng trình chuẩn số cho
quá trình cấp nhiệt. Sau đây đa ra một số chuẩn số tiêu biểu.
Chuấn số Nusselt : Đặc trng cho quá trình cấp nhiệt ở bề mặt phân
giới.

Nu =

.l


[I-21]

Chuẩn số Reynold : Đặc trng cho chế độ chảy.

Re =

.l .l.
=

à

[I-22]

10


Chuẩn số Pecle :

Pe =

w.l
a

[I-23]

Chuẩn số Pranlt : Đặc trng cho tính chất vật lý của môi trờng.

Pr =


a

=

Cpà

[I-24]



Chuẩn số Gơratcốp : Đặc trng cho quá trình truyền nhiệt khi đối lu
tự nhiên.
Gr = Ga.t =

g.l 3 . 2 . .t

2

[I-25]

Phơng trình tổng quát của quá trình cấp nhiệt:
Nu = f(Re,Pr,Gr)

[I-26]

Đối với chất khí, sự biến đổi của Pr theo nhiệt độ là rất nhỏ, có thể coi
Pr = const. Khi dòng khí chuyển động cỡng bức có thể bỏ qua ảnh hởng của
chuẩn số Gr. Khi đó phơng trình [I-15] có thể viết gọn lại nh sau:
Nu = C.f(Re) = C.Ren

[I-27]

Hệ số C sẽ chứa trong nó giá trị của chuẩn số Pr và Gr. Tùy vào các
trờng hợp cụ thể mà phơng trình [I-16] có dạng cụ thể khác nhau.
Đồng dạng quá trình chuyển chất:
Việc xác định hệ số cấp khối thông thờng đợc xác định bằng cách

sử dụng thuyết đồng dạng, đa các phơng trình vi phân về các phơng trình
chuẩn số, sau đó sử dụng các số liệu thực nghiệm để ứng dụng cho tính toán.
Trong quá trình chuyền chất thờng gặp các chuẩn số cơ bản sau:
Chuẩn số Nu : c trng cho quá trình chuyn cht ở bề mặt phân
giới.

11


.l

Nu ' =

[I-28]

D

Chuẩn số Pe : Đặc trng cho quá trình chuyển chất trong môi trờng
chuyển động.

Pe' =

.l

[I-29]

D

Chuẩn số Re : Đặc trng cho

Re =

.l .l.
=

à

[I-30]

Chuẩn số Pr : Đặc trng cho tính chất vật lý của môi trờng.
Pr' =


D

=

Pe'
Re

[I-31]

Chuẩn số Gơratcốp : Đặc trng cho quá trình chuyển chất có đối lu tự
nhiên

Gr = Ga.t =

g.l 3 . 2 . .t

2

[I-32]

Với các hệ không đồng dạng về hình học, cần thiết đa thêm vào các
nhóm đồng dạng hình học : d, d0, l, l0
Phơng trình tổng quát của quá trình chuyển chất:
Nu = f(Re,Pr,Gr,Fr,

d l
, )
d 0 l0

[I-33]

Đối với chất khí, sự biến đổi của Pr theo nhiệt độ là rất nhỏ, có thể coi
Pr = const. Khi quá trình xảy ra trong môi trờng khí chuyển động cỡng bức
(lúc này có thể bỏ qua ảnh hởng của các chuẩn số, Gr và Fr) thì ta có phơng
trình:

d
Nu ' = A. Re .
d0
m

i

l

l0

k

Hay:

12

[I-34]


Nu ' = A'. f (Re)

[I-35]

Nu' = A'.Re n '

[I-36]

Bằng cách làm thí nghiệm đối với nhiều trờng hợp có thể xác định
đợc các số mũ của phơng trình nói trên.

I.4 Sấy tầng sôi
Sấy tầng sôi là một trờng hợp của sấy đối lu trong đó lớp vật liệu
dới tác động của tác nhân sấy (có thể còn có các tác động khác) chuyển động
lơ lửng và xáo trộn cùng dòng khí nóng tạo thành lớp sôi. Trong lớp sôi khí
nóng gia nhiệt và sấy khô vật liệu.
Các quá trình sấy tầng sôi có trao đổi nhiệt và truyền ẩm giữa tác nhân
sấy và vật liệu sấy với cờng độ cao, thời gian sấy giảm, năng suất vì thế tăng.

Truyền nhiệt và chuyển chất trong lớp sôi
Quá trình trao đổi nhiệt và ẩm giữa các hạt rắn và tác nhân sấy trong

lớp sôi xảy ra rất mạnh, nhiệt độ phân bố rất đồng đều trong toàn bộ lớp. Do
sự khuấy trộn mãnh liệt trong lớp mà gradient nhiệt độ theo hớng kính có thể
bỏ qua.
Hệ số cấp nhiệt của các hạt ở lớp tầng sôi rất khó xác định một cách
chính xác vì:
- Khó xác định bề mặt trao đổi nhiệt thực, nhất là đối với các hạt có
hình dạng không chính tắc, không phải toàn bộ bề mặt của các hạt
đều tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt;
- Không xác định đợc chính xác nhiệt độ của hạt đang chuyển động
hỗn loạn trong lớp hạt.

13


Với lớp hạt trong sấy tầng sôi, các hạt sắp xếp gần sát nhau. Khi có
dòng khí nóng thổi qua, các hạt chuyển động và tráo đổi chỗ cho nhau. Các
hạt bên dới chuyển động lên trên và nhờng chỗ cho các hạt bên trên chìm
xuống. Khi mật độ các hạt là lớn, sự va chạm giữa các hạt thờng xuyên xảy
ra. Các hạt bên dới nhận nhiệt trớc các hạt bên trên nên có nhiệt độ cao hơn,
khi đi lên va chạm với các hạt khác có nhiệt độ thấp hơn sẽ xảy ra hiện tợng
truyền bớt một lợng nhiệt từ hạt đến hạt, bên cạnh đó còn có hiện tợng
truyền bớt một phần động năng giữa các hạt lẫn nhau và cũng góp phần thay
đổi nhiệt độ của chúng.
Khi các hạt đem sấy có số lợng rất ít, không gian sấy đủ lớn để các hạt
hầu nh không va chạm lẫn nhau, chuyển động của các hạt có thể coi nh
chuyển động tự do dới tác động của dòng khí, khi đó hiện tợng truyền nhiệt
và thoát ẩm của một hạt là kết quả tơng tác giữa hạt đó và tác nhân sấy,
không chịu ảnh hởng của các hạt xung quanh.
Hệ số cấp khối có thể tính theo công thức:

=

mnuocbayhoi
F .p.

, kg/m2s

[I-37]

Trong đó: F - bề mặt thấm ớt của hạt vật liệu, m2;
F = 3,14(dtđ)2 ; với dtđ là đờng kính tơng đơng của hạt vật liệu.
p - chênh lệch áp suất hơi giữa môi trờng và bề mặt vật liệu.
- thời gian, s;
m - lợng ẩm bay ra trong thời gian , (g);

14


Kết luận
Trên cơ sở các vấn đề trình bày tổng quan ở trên, để đạt đợc các mục tiêu đề
ra (Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và chuyển chất trong sấy vật chuyển
động : ảnh hởng của chuyển động của vật lên chuyển khối khi sấy). Luận
văn tập trung giải quyết những nhiệm vụ cụ thể sau đây:
1. Nghiên cứu quá trình chuyển khối với vật ẩm ở trạng thái tĩnh, từ đó
đa ra phơng trình chuẩn số liên hệ giữa Nu - Re.
2. Từ những kết quả ở phần 1 kể trên, tiếp tục nghiên cứu quá trình chuyển
khối của vật ở trạng thái dao động. Trên cơ sở phơng trình đa ra ở
trên, thành lập phơng trình chuẩn số nói lên ảnh hởng của yếu tố dao
động lên quá trình chuyển khối.
3. Nghiên cứu quá trình sấy tầng sôi với các hạt chè ẩm. Nêu ra các nhận

xét khi các hạt có mật độ va chạm nhỏ (sấy số lợng ít hạt) và khi sấy
với tập hợp hạt có mật độ va chạm lớn.

15


Chơng ii
phơng pháp nghiên cứu

Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và
chuyển chất trong sấy thông qua các mẫu vật thí nghiệm tự tạo và tiến hành
thí nghiệm sấy tầng sôi với tập hợp hạt thực vật là hạt chè đen.

II.1 Hệ thống thí nghiệm
Sơ đồ thí nghiệm:

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

Ngun in
Qut gió
Caloriphe
Van iu chnh lu lng gió

Bung sy
Vt sy
Gối đỡ
ng h o nhit
Thanh truyền

10. Trục lệch tâm
11. Động cơ
12. Nhiệt kế bầu khô, bầu ớt
13. Bộ điều chỉnh tần số dao động

16


Nguyên tắc hoạt động
Hệ thống thí nghiệm có thể tiến hành các thí nghiệm khi mẫu vật ở
trạng thái tĩnh và trạng thái dao động, bên cạnh đó khi tháo dỡ bộ phận tạo
dao động, có thể tiến hành thí nghiệm sấy tầng sôi với các hạt ẩm.
Khi tiến hành thí nghiệm, bớc đầu cần bật cầu giao điện tại nguồn 1.
Tiếp đến bật quạt gió sau đó là bật công tắc cho caloriphe hoạt động. Nhiệt độ
sấy có thể điều chỉnh nhờ hệ thống công tắc điều khiển, giới hạn nhiệt độ từ
60 ữ 170oC. Không khí đợc gia nhiệt khi thổi qua caloriphe, vận tốc gió đợc
điều khiển bằng lá gió 4. Nhiệt độ dòng khí đợc đo nhờ thiết bị đo 8.
Bộ tạo dao động bao gồm động cơ 11, tốc độ vòng quay động cơ đợc
điều khiển bằng bộ biến áp 12. Động cơ đợc gắn một trục lệch tâm 10, khi
động cơ hoạt động chuyển động quay của trục lệch tâm sẽ làm cho thanh
truyền chuyển động lên xuống, từ đó khiến cho mẫu vật có chuyển động dao
động theo một tần số và biên độ nào đó. Gối đỡ 7 có thể thay đổi vị trí, do đó
thay đổi đợc chiều dài các cánh tay đòn dẫn đến thay đổi đợc biên độ dao
động.

Khi máy sấy chạy ổn định ở một chế độ nhiệt độ và vận tốc gió nh
mong muốn, mẫu vật đợc đa vào không gian sấy, tiến hành đo đạc các
thông số cần thiết cho quá trình nghiên cứu.
Thí nghiệm chuyển chất với mẫu vật ở trạng thái tĩnh
Mẫu vật bằng thép tại thí nghiệm truyền nhiệt đợc bọc một lớp vải có
khả năng thấm nớc tốt. Mẫu vật mới này đợc tẩm ẩm đến một độ ẩm xác
định (22%) sau đó đợc đặt cố định trong không gian sấy, tác nhân sấy thổi
lớt qua bề mặt ở một nhiệt độ xác định (65oC), làm nóng vật ẩm và thoát ẩm
ra ngoài. Nhiệt độ bề mặt thoát ẩm đợc theo dõi và ghi chép theo thời gian.
Sự thay đổi độ ẩm đợc xác định bằng phơng pháp khối lợng, vật ẩm đợc

17


đem cân sau những khoảng thời gian xác định, từ sự giảm khối lợng vật ẩm
do nớc thoát ra có thể tính đợc độ ẩm của vật theo thời gian. Các điểm xác
định khối lợng đợc căn cứ vào một thí nghiệm thăm dò ban đầu, từ đó xác
định khoảng thời gian mà ẩm tự do thoát ra đều đặn nhất. Thí nghiệm chuyển
chất tĩnh đợc thí nghiệm với các vận tốc gió nóng khác nhau, từ đó khảo sát
sự thay đổi độ ẩm và nhiệt độ bề mặt thoát ẩm theo thời gian.

Thí nghiệm chuyển chất với mẫu vật ở trạng thái dao động
Thí nghiệm này cũng gần giống với các thí nghiệm khi vật ở trạng thái
tĩnh. Nhiệt độ tác nhân sấy vẫn ở 65oC. Tốc độ gió nóng có thể thay đổi, tần
số dao động có thể thay đổi. Hai yếu tố thay đổi đó làm số lợng thí nghiệm
tăng lên đáng kể. Các thông số khối lợng và nhiệt độ bề mặt thoát ẩm đợc
theo dõi và ghi chép lại.
Thí nghiệm tầng sôi với hạt
Thí nghiệm tầng sôi với số ít hạt: Thả một lợng không đáng kể các hạt
ẩm vào luồng khí nóng, quan sát chuyển động của các hạt. Lợng hạt đa vào

vừa đủ sao cho quan sát thấy các hạt hầu nh không va chạm lẫn nhau, nhng
lợng hạt thu đợc sau khi dừng thí nghiệm phải đủ để có thể phân tích độ ẩm.
Đặt các chế độ sấy phù hợp với điều kiện nghiên cứu. Sau một khoảng thời
gian nhất định, tiến hành đo nhanh nhiệt độ bề mặt của hạt vật liệu ẩm. Dùng
túi nilông kín đựng mẫu hạt để đem đi phân tích độ ẩm.
Thí nghiệm tầng sôi với lớp hạt: Đa một lợng lớn các hạt ẩm vào khu
vực sấy. Các hạt lúc này là dày đặc, mật độ va chạm giữa các hạt là rất lớn.
Thí nghiệm đợc tiến hành liên tục trong một khoảng thời gian khoảng hơn 10
phút. Trong thời gian thí nghiệm, sau một khoảng thời gian nhất định tiến
hành lấy mẫu, đo nhanh nhiệt độ bề mặt và cất giữ vào túi nilông kín đem
phân tích độ ẩm. Các thông số khác của quá trình sấy nh tốc độ gió thổi qua

18


lớp, nhiệt độ khí vào, nhiệt độ khí ra khỏi lớp và nhiệt độ lớp hạt đợc ghi
chép lại để lấy cơ sở cho tính toán.
II.2 Phơng pháp đo các thông số thí nghiệm

Đo nhiệt độ:
Nhiệt độ bề mặt của vật sấy và nhiệt độ bề mặt của các hạt đợc xác
định bằng dụng cụ đo cầm tay. Hình ảnh dụng cụ này đợc ghi lại tại hình
dới đây.

Nguyên tắc hoạt động của dụng cụ đo nhiệt độ bề mặt: Dùng một chùm
tia bức xạ hồng ngoại bắn vào bề mặt cần xác định nhiệt độ, chùm tia phản xạ
lại máy đo sẽ mang thông tin nhiệt độ bề mặt và đợc hiển thị trên màn hình
điện tử.
Bên cạnh thiết bị trên, các dụng cụ đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện và
nhiệt kế thủy ngân cũng đợc sử dụng ở những vị trí hợp lí.

Đo tốc độ gió:

19


Vận tốc gió đợc đo bằng dụng cụ cầm tay có hình ảnh nh dới đây:

Đa bộ phận cánh quạt của thiết bị đo vuông góc với dòng khí, cánh
quạt quay từ đó đa thông tin về bộ xử lí. Vận tốc gió đợc hiển thị trên màn
hình điện tử.
Đo độ ẩm:
Độ ẩm mẫu vật nghiên cứu đợc xác định theo phơng pháp khối
lợng, khối lợng mẫu vật ban đầu và khối lợng mẫu vật khi kết thúc thí
nghiệm kết hợp lại cho ta độ ẩm của mẫu vật đó.
Độ ẩm của hạt đợc xác định bằng máy phân tích ẩm dùng đèn hồng
ngoại kết hợp với cân phân tích. Sự bay hơi ẩm đợc thực hiện nhờ bóng đèn
hồng ngoại. ẩm thoát ra đến khi nào khối lợng mẫu trên đĩa không giảm
trong một khoảng thời gian thì máy báo độ ẩm ban đầu của mẫu phân tích.
Cân đo khối lợng:
Khối lợng mẫu vật và khối lợng lớp hạt đợc cân trên cân phân tích
với độ chính xác cao.

20


Đo tần số dao động:
Tần số dao động đợc xác định từ số vòng quay của động cơ trên một
đơn vị thời gian. Khi điều chỉnh điện áp vào động cơ sẽ làm thay đổi số vòng
quay dẫn đến làm thay đổi tần số của dao động. Số vòng quay của động cơ
đợc xác định bằng thí nghiệm riêng.

Để xấc định số vòng quay của động cơ, dùng một sợi dây mảnh có độ
dài hợp lí. Một đầu sợi dây đợc dính vào trục động cơ, đầu dây còn lại đợc
thả tự do. Khi động cơ quay trong một khoảng thời gian xác định(dùng đồng
hồ bấm dây), sợi dây mảnh sẽ quấn hết vào trục động cơ. Sau đó gỡ từng vòng
của sợi dây và đếm tổng số vòng dây đợc quấn vào trục. Số vòng dây đó đem
chia cho thời gian quấn hết sợi dây sẽ đợc vận tốc vòng quay của động cơ.
Khi trục động cơ quay đợc một vòng thì vật thực hiện đợc một dao động.
Từ đó tính đợc số dao động của vật trong một khoảng thời gian hay chính là
tần số dao động của mẫu vật.
II.3 Phơng pháp xử lý số liệu
Các kết quả thí nghiệm ban đầu đợc đa lên đồ thị biểu diễn quá trình.
Các điểm đo đạc thể hiện trên đồ thị thể hiện qui luật gần đúng cho quá trình
nghiên cứu, vì trong qúa trình đo đạc khó tránh khỏi những sai sót. Các kết
quả ban đầu đó là các số liệu thô, để có đợc số liệu tinh thể hiện gần đúng
hơn nữa tính chất của quá trình, ta tiến hành vẽ các đờng hồi qui thực nghiệm
với độ chính xác cao nhất và đợc chấp nhận trong kỹ thuật. Đờng trung bình
xác định đợc từ các điểm thí nghiệm phản ánh gần nhất qui luật thực của quá
trình. Vì vậy từ các số liệu thô có đợc do đo đạc, sau khi đa lên đồ thị phản
ánh tính qui luật ta sẽ đợc các số liệu tinh, hơn nữa nếu đa ra đợc phơng
trình liên hệ giữa các biến liên quan thì tính liên tục của quá trình đợc thể
hiện rõ hơn rất nhiều.

21


Khi vẽ các đờng nói trên, có thể xử lý theo đờng thẳng hoặc vẽ đờng
cong thực nghiệm. Để thành lập một đờng cong và từ đó đa ra phơng trình
liên hệ giữa các biến số ta cần ít nhất 5 điểm. Trong các phần mềm máy tính
hiện có nh bảng tính điện tử Excel của Microsoft đã có các tính năng vẽ tự
động các kiểu đồ thị và từ đó đa ra các hàm số thích hợp với độ lệch quân

phơng tốt nhất có thể(R2 1).

Tính toán xử lý số liệu cho các thí nghiệm chuyển chất.
Thí nghiệm chuyển chất khi mẫu vật ở trạng thái tĩnh:
Trong hiện tợng chuyển chất, ta quan tâm đến chuẩn số Nu. Phơng trình
tổng quát nh đã biết trong trờng hợp cấp nhiệt cỡng bức đối lu đợc cho
nh sau :

Nu' = A'.Re n '
Vấn đề đặt ra là trong điều kiện thí nghiệm nh trên, với các số liệu đo đạc và
tính toán, làm sao đa ra đợc phơng trình liên hệ cụ thể giữa Nu và Re.
Nh đã biết: Nu ' =

.l
D

- H cp khi c tớnh theo cụng thc:

=

mnuocbayhoi

[II.1]

F .xtb .

Trong ú:
mncbayhi: lng bay hi khi vt m, kg;
F l b mt tham gia quỏ trỡnh bay hi m, m2;
l thi gian sy, s;

xvl , x kk ln lt l m ca b mt vt liu v ca khụng khớ

sy, ch s 1 l trng thỏi trc khi sy, ch s 2 l trng thỏi sau khi
sy, kg m/kg kkk.

22


xtb l ng lc chuyn chất trung bỡnh ca quỏ trỡnh sy. Trong

iu kin thớ nghim khi nghiên cứu tại vùng thoát ẩm tự do thỡ
xvl 2 xvl1 v xkk 2 xkk1 , nờn xtb c tớnh theo cụng thc: xtb = xvl1 xkk1 ,

Da vo nhit khớ núng, nhit b mt v nhit bu t ta xỏc
nh xvl v xkk bng cỏch tra t th I-x.
- Hệ số khuếch tán D hệ (nớc - không khí) có thể đợc tính theo công
thức:
T
D2 = D1 2
T1

1, 5

P1
.
P2

[II.2]

Trong đó D1 là hệ số khuếch tán động của hệ (nớc - không khí) tại T1
= 0oC, và P1 = 1at. D2 là hệ số khuếch tán động tại điều kiện nhiệt độ không
khí là T2; áp suất không khí là P2 = 1at. Nh vậy tỉ số (P1/P2) = 1. Tra trong sổ
tay Hóa Công II ta thu đợc biểu thức cụ thể sau:

D2 = 0.22*104 *((273,2 +Tk ) / 273.2) *

((273,2 +Tk ) / 273,2)

[II.3]

- Đặc trng hình học l(m) của mẫu vật sấy là cạnh của mẫu vật hình
vuông, với mẫu vật đem nghiên cứu l = 0.098 m.
Chuẩn số Re tính theo vận tốc tác nhân sấy. Từ các số liệu tính toán
đợc cho Nu và Re ta có thể đa ra đợc phơng trình nêu lên mối quan hệ
giữa Nu và Re.
Trong điều kiện vật ở trạng thái tĩnh, không gian bao quanh vật sấy là
tơng đối ổn định. Khi thay đổi tốc độ gió, không gian đó sẽ có sự thay đổi
khác nhau. Từ đó ta sẽ quan sát đợc sự thay đổi của đờng cong sấy đối với
sự thay đổi tốc độ gió nh vậy.
Thí nghiệm chuyển chất khi mẫu vật ở trạng thái dao động :

23