Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và chuyển chất trong sấy với vật chuyển động ảnh hưởng của dòng khí và chuyển động của vật lên truyền nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ CHUYỂN
CHẤT TRONG SẤY VỚI VẬT CHUYỂN ĐỘNG: ẢNH
HƯỞNG CỦA DÒNG KHÍ VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA VẬT
LÊN TRUYỀN NHIỆT

NGÀNH : CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC
MÃ SỐ:23.04.3898

LÊ VĂN DINH

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. ĐỖ NGỌC CỬ

HÀ NỘI 2008


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................. 2
1.1 Chuyển động của hạt trong công nghệ hóa chất và thực phẩm. .............. 2
1.2 Cở sở quá trình truyền nhiệt .................................................................... 2
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................ 16
2.1 Nội dung. ............................................................................................... 16
2.2 Hệ thống thí nghiệm. ............................................................................. 16
2.2.1 Hệ thống thiết bị thí nghiệm............................................................ 16
2.2.3 Tiến hành thực nghiệm.................................................................... 20

2.3 Nguyên tắc tính toán khi xử lý thí nghiệm. ........................................... 21
2.3.1 Tính toán trao đổi nhiệt ................................................................... 21
2.3.2 Mô hình vật lý quá trình truyền nhiệt.............................................. 26
2.3.3 Phương pháp hồi quy thực nghiệm. ................................................ 34
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................. 37
3.1 Truyền nhiệt vật khô.............................................................................. 37
3.1.1 Truyền nhiệt vật khô ở trạng thái tĩnh............................................. 37
3.1.2 Truyền nhiệt vật khô ở trạng thái dao động .................................... 41
3.2 Truyền nhiệt vật ẩm ............................................................................... 54
3.2.1 Truyền nhiệt vào vật khô và vật ẩm ................................................ 55
3.2.2 Truyền nhiệt vào vật ẩm ở trạng thái tĩnh ....................................... 57
3.2.3 Truyền nhiệt vật ẩm ở trạng thái dao động ..................................... 63
3.2.3 So sánh truyền nhiệt của vật ẩm ở trạng thái tĩnh và trạng thái dao
động .......................................................................................................... 75
3.3 Ảnh hưởng của biên độ dao động lên quá trình cấp nhiệt vào vật khô. 77
3.4 Truyền nhiệt của ít hạt lơ lửng và lớp hạt sôi........................................ 80
3.4.1 Truyền nhiệt của số lượng ít hạt lơ lửng. ........................................ 80
3.4.2 Truyền nhiệt của lớp hạt sôi ............................................................ 81
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 83
KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 85
Tóm tắt luận văn.............................................................................................. 87


1

MỞ ðẦU

Trong công nghệ hoá chất và thực phẩm, chúng ta gặp rất nhiều quá trình
chuyển chất và truyền nhiệt của các hạt chuyển ñộng trong ñó hạt rắn dao

ñộng tự do, chuyển ñộng rung ñộng, chuyển ñộng cuốn theo dòng khí, chuyển
ñộng có sự tương tác của các hạt như trong sấy tầng sôi,…Chuyển ñộng của
hạt rắn có ý nghĩa ñáng kể với quá trình chuyển chất và truyền nhiệt. ðã có
nhiều nhà nghiên cứu ñã ñề cập ñến vấn ñề ảnh hưởng chuyển ñộng lên quá
trình công nghệ và ñã ñược áp dụng một cách hiệu quả trong phạm vi rộng
lớn. Ví như trong kỹ thuật sấy nông sản, hệ số cấp nhiệt giữa tác nhân sấy và
lớp hạt sôi rung lớn gấp từ 5-25 lần so với lớp hạt ñứng yên [4].
Trong luận văn này chúng tôi xin trình bày một số kết quả Nghiên cứu
quá trình truyền nhiệt của dòng khí vào vật chuyển ñộng, chủ yếu là dao ñộng
của các hạt lơ lửng.
Nội dung chủ yếu của luận văn bao gồm các phần: Tổng quan, phương
pháp nghiên cứu, Kết quả và thảo luận, và Kết luận.


2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Chuyển ñộng của hạt trong công nghệ hóa chất và thực phẩm.
Trong các quá trình công nghệ hóa chất và thực phẩm, vật liệu hạt có thể
ở trạng thái chuyển ñộng khác nhau. Xét về chuyển ñộng tương ñối của hạt
với môi trường chuyển ñộng lên truyền nhiệt và chuyển chất, sự chuyển ñộng
nói chung làm tăng cường ñộ quá trình.
Vấn ñề ảnh hưởng của dao ñộng lên ñộ xốp của lớp hạt cũng ñược một
giả người Trung Quốc nghiên cứu, tác giả cho rằng dao ñộng có thể giúp quá
trình lỏng hoá các hạt dễ dàng hơn. Phân bố ñộ xốp hướng trục và hướng kính
ñều hơn so với không có dao ñộng. Khi biên ñộ dao ñộng lớn thì dao ñộng
ảnh hưởng mãnh liệt lên ñộ xốp.
Trong kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm, ñới với máy sấy rung mà mặt
rung không gia nhiệt thì hệ số cấp giữa tác nhân sấy và lớp hạt sôi rung lớn từ
5-25 lần so với lớp hạt ñứng yên [4].

ðề cập ñến vấn ñề Ảnh hưởng của dao ñộng cơ học lên lên dòng nhiệt tới
hạn trong ống ñứng hình vành khăn, các tác giả Dae Hun Kim, Yong Ho Lee,
và Soon Heung Chang ñã cho rằng sự dao ñộng cơ học của thanh gia nhiệt
làm tăng dòng nhiệt 16,4%. ðồng thời các tác giả cũng chỉ ra rằng biên ñộ là
một thông số tác ñộng rất mạnh lên sự tăng dòng nhiệt tới hạn. Dao ñộng là
một phương pháp hiệu quả làm tăng cường quá trình truyền nhiệt nói chung
cũng như dòng nhiệt tơi hạn nói riêng.
1.2 Cở sở quá trình truyền nhiệt
Quá trình truyền nhiệt từ ñối tượng này sang ñối tượng khác ñược thực
hiện qua các phương thức dẫn nhiệt, truyền nhiệt ñối lưu và truyền nhiệt bức
xạ. Trong các quá trình truyền nhiệt, thường không chỉ xảy ra một phương
thức mà thường xảy ra ñồng thời hai hay ba phương thức nói trên.


3

Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt từ phần tử này ñến phần từ kia thông
qua tiếp xúc trực tiếp với nhau. ðể biểu thị lượng nhiệt truyền bằng phương
thức dẫn nhiệt ta có phương trình dẫn nhiệt Fourier như sau:
dQ = −λ .gradt.dF .dτ

(I-1)

Trong ñó:
λ: là ñộ dẫn nhiệt, W/m.oC;
Q: là lượng nhiệt, W;
dt
o
= gradt , C/m;
dn

F: là bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt, m2;
τ : là thời gian, s.

ðại lượng ñặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt là hệ số dẫn nhiệt λ. Quá
trình dẫn nhiệt thường chỉ xảy ra trong vật rắn, ñối với chất khí quá trình dẫn
nhiệt rất nhỏ (λkhông khí =0,023 W/m.oC).
Truyền nhiệt bức xạ là quá trình truyền nhiệt dưới dạng song ñiện từ.
Theo ñịnh luật Stefen – Boltzmann, năng suất bức xạ ñược tính như sau:
Eo = Ko.T4
Trong ñó Ko =5,7.10-8

(I-2)

W
, là hằng số bức xạ vật ñen tuyệt ñối.
m .( o K ) 4
2

ðối với vật xám phương trình có dạng:
4

 T 
 T 
E = εE o = ε .C o .
 = C.

 100 
 100 

4

(I-3)

Với C là hệ số bức xạ của vật xám.
Lượng nhiệt trao ñổi giữa hai vật rắn trong không gian ñược tính theo
công thức:
  T1  4  T2  4 
.ϕ .τ
Qbx = C1− 2 . 
−
 100  100   1− 2



ϕ1− 2 là hệ số góc trung bình;

(I-4)


4

C1-2 là hệ số bức xạ chung.
ðối với hai vật thể bao trùm nhau:
 T 4  T 4 
Qbx = C1− 2 .  1  −  2  .τ
 100  100  



Với hệ số C1−2 =

(I-5)

Co

1 F1  1

+
− 1
A1 F2  A2


Trong ñó:
F1: bề mặt của vật bị bao bọc, m2;
F2: bề mặt của vật bao ngoài, m2.
A1: là ñộ ñen của vật bị bao bọc;
A2: là ñộ ñen của vật bao bọc ngoài.
Truyền nhiệt bức xạ của khí (hai nguyên tử) thường rất nhỏ.
Cấp nhiệt là quá trình trao ñổi nhiệt giữa dòng lưu chất với bề mặt tiếp
xúc với dòng. Quá trình cấp nhiệt xuất hiện hầu hết trong các quá trình công
nghệ hóa chất và thực phẩm. Lượng nhiệt truyền do cấp nhiệt ñược tính như
sau:
Q = α .F .∆t tb .τ

(I-6)

Trong ñó:
Q: là lượng nhiệt cấp vào vật, j;
F: là diện tích bề mặt tham gia trao ñổi nhiệt, m2;

τ : là thời gian, s;
α : là hệ số cấp nhiệt,

W
m 2 .o C
o

∆t tb : là ñộng lực truyền nhiệt trung bình, C.

ðặc trưng cho quá trình cấp nhiệt là hệ số cấp nhiệt α [W/m2.oC], phản
ánh lượng nhiệt ñược cấp trong 1 giây qua 1m2 diện tích bề mặt và có hiệu số
nhiệt ñộ giữa môi trường và vật là 1oC.


5

Trong quá trình công nghệ nơi mà có sự tồn tại các quá trình truyền và
chuyển chất với sự góp mặt của hai pha rắn và khí (hoặc lỏng), quá trình cấp
nhiệt là quá trình phổ biến, ñóng vai trò quan trọng, tuy nhiên nó cũng rất
phức tạp.
Hệ số cấp nhiệt rất phức tạp, nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Cụ thể
nó phụ thuộc vào các yếu tố chủ yếu sau ñây:
Loại chất tải nhiệt (lưu chất ở dạng lỏng, hơi, hay khí),
Tính chất vật lý của chất tải nhiệt như ñộ nhớt, khối lượng riêng, ñộ
dẫn nhiệt, …Do các tích chất vật lý của chất tải nhiệt phụ thuộc vào
nhiệt ñộ vì vậy hệ số cấp nhiệt cũng ph ụ thuộc vào nhiệt ñộ của
chất tải nhiệt. Nếu ñộ nhớt giảm, ñộ dẫn nhiệt và khối lượng riêng
tăng thì hệ số cấp nhiệt tăng.
Kính thước, hình dạng, vị trí và tính chất của bề mặt trao ñổi nhiệt
bao gồm cả tính chất chuyển ñộng của bề mặt, …

Chế ñộ chảy của lưu chất (chế ñộ chảy dòng hay chảy xoáy): Khi
tốc ñộ của lưu chất tăng lên thì làm cho lớp lưu chất chảy dòng trên
bề mặt rắn mỏng ñi dẫn ñến trở nhiệt giảm nên hệ số cấp nhiệt sẽ
tăng.
Quan hệ giữa hệ số cấp nhiệt và các yếu tố trên rất phức tạp và không thể
thiết lập ñược quan hệ lý thuyết mà phải xây dựng quan hệ thực nghiệm trong
từng ñiều kiện cụ thể.
ðã có rất nhiều nghiên cứu và ñã tìm ra ñược nhiều công thức thực
nghiệm ñể tính hệ số cấp nhiệt α cho nhiều trường hợp cụ thể. Ví dụ như một
số trường hợp nêu ra ở dưới ñây:
ðối với không khí chuyên ñộng trong ống thẳng chuẩn số Nuy-xen ñược
tính như sau:
Nu = 0,008. Re 0,9 . Pr 0, 43

(I-7)


6

Khi lưu thể chuyển ñộng dọc theo tường phẳng ta có công thức:
Với Re>104
Nu = 0,037. Re

0 ,8

. Pr

0 , 43

d

. tn
 d nt





0 , 25

(I-8)

Khi lưu thể là không khí thì công thức ở dạng ñơn giản:
Nu = 0,032. Re 0, 2

(I-9)

Với Re<105 hệ số cấp nhiệt có thể tính theo công thức:
Nu = 0,76. Re

0,5

. Pr

0 , 63

d
. tn
 d nt






0 , 25

(I-10)

Khi lưu thể là không khí thì công thức ở dạng ñơn giản:
Nu = 0,66. Re 0,5

(I-11)

Có thể nói chế ñộ chảy của lưu chất (Re ñặc trưng cho chế ñộ chảy của
lưu chất) ảnh hưởng mạnh mẽ ñến quá trình cấp nhiệt. ðiều này thể hiện trong
tất cả các phương trình thực nghiệm ñều có sự góp mặt của chuẩn số Re và
với một hệ số mũ lớn.
ðối với quá trình cấp nhiệt với vât ẩm, quá trình cấp nhiệt liên quan mật
thiết với quá trình chuyển chất mà ñộng lực của nó là hiệu số áp suất hơi riêng
phần của ẩm trên bề mặt vật ẩm với áp suất hơi riêng phần trong lưu chất bên
ngoài. Vì vậy quá trình cấp nhiệt cũng chịu ảnh hưởng bởi hiệu số áp suất hơi
riêng phần nói trên. Trong một số quá trình, ví dụ như quá trình sấy ñẳng tốc,
áp suất hơi riêng phần của ẩm trên bề mặt vật liệu tỷ lệ với nhiệt ñộ bề mặt
vật liệu. ðể ñánh giá sự ảnh hưởng này người ta ñưa ra chuẩn số Gu:
Gu =

Tk − Tu
Tk

Trong ñó:
-

Gu: Chuẩn số Gukhman

-

Tk: nhiệt ñộ không khí nóng, K;

(I-12)


7

-

Tu: nhiệt ñộ bề mặt vật bay hơi, K.

Chuẩn số Gu là ñại lượng không thứ nguyên ñược sử dụng trong cấp
nhiệt có sự bay hơi, thường ñược sử dụng rộng dãi trong kỹ thuật sấy.
ðối với quá trình cấp nhiệt pha khí (không khí) thường trong biểu thức
tính toán thường không xuất hiện chuẩn số Pr vì chuẩn số này thay ñổi không
nhiều và xấp xỉ khoảng 0,72.
Truyền nhiệt trong quá trình sấy
Trong quá trình sấy ñối lưu, có quá trình cấp nhiệt từ môi trường khí vào
vật liệu. Nhiệt lượng vật nhận ñược một phần dùng ñể ñốt nóng vật liệu và
một phần ñể bay hơi ẩm:
Nhiệt ñốt nóng hạt:
Q dn = m.C vl .

∆T
∆τ

(I-13)

Trong ñó:
Qñn : nhiệt ñốt nóng hạt, w;
Cvl : Nhiệt dung riêng của hạt ẩm, j/kg.K;
∆T
: biến ñổi nhiệt ñộ hạt, K/s;
∆τ

τ là thời gian nung nóng, s;

m là khối lượng hạt, kg.
Nhiệt bốc hơi ẩm:


8

 dU 
Qbh = r. −
.M k
d
τ



(I-14)

Trong ñó:
Qbh : Nhiệt dùng ñể làm bay hơi ẩm trong hạt, W;

Mk : Khối lượng vật liệu khô, kg;
−

dU
: lượng ẩm giảm, kg ẩm/kg vật liệu khô.s;
dτ

r: nhiệt hóa hơi, j/kg.
Hệ số cấp nhiệt trong quá trình sấy ñược tính theo công thức sau:
Qbh + Qdn = α.σ.ML.∆T

(I-15)

trong ñó
α : hệ số cấp nhiệt, W/m2.K;
σ : bề mặt riêng, m2/kg
ML: khối lượng vật liệu, kg;
∆T : hiệu số nhiệt ñộ, K.
Suy ra:

α .σ =

Q bh + Q dn
M L ∆T

(I-16)


9

Truyền nhiệt ñối với hạt cầu ñơn lẻ, lớp cố ñịnh và lớp lỏng hoá
ðã có một số tác giả ñã ñưa ra công thức tính hệ số cấp nhiệt từ lưu chất
vào các hạt trong các trường hợp cụ thể như sau:
Hạt hình cầu ñơn lẻ: Hạt cầu ñơn lẻ chuyển ñộng tương ñối với dòng lưu
chất công thức tính hệ số cấp nhiệt ñược tính:
1

1

Nup = 2 + 0,6Pr 3 Rep2

(I-17)

Các lớp hạt cố ñịnh: ðối với chất lỏng hoặc chất khí cấp nhiệt cho lớp
hạt rắn cố ñịnh, tính hệ số cấp nhiệt như sau:
1

1

Nup = 2 +1,8Pr 3 Rep2

Rep >100

(I-18)

Với lớp tầng sôi.

Nu = 0 ,3 . Re 1, 3

(I-19)

Khi mặt cắt ngang của thiết bị là không ñổi, một số tác giả ñưa ra công
thức tổng quát sau:

Nu = 0 , 25 Re .

d
ho

(I-20)

Trong ñó : Nu = αd/λ’; Re = v.d/ν; α - hệ số cấp nhiệt, W/m2.ñộ; d ñường kính hạt, m; λ’ – hệ số dẫn nhiệt của khí, W/m.ñộ; v – tốc ñộ khí tính
cho toàn bộ mặt cắt thiết bị, m/s; ν - ñộ nhớt ñộ học của khí, m2/s; ho – chiều
cao của lớp hạt nằm yên, m.


10

Trong máy sấy sôi rung, khi bề mặt rung không phải là bề mặt cấp nhiệt
thì hệ số cấp nhiệt lớn hơn khoảng 5-25 lần so với lớp hạt ñứng yên và hệ số
cấp nhiệt ñược tính theo công thức:

 A.ω 2 

Nu = 0,142. Re .
g



0, 04

(I-21)

Trong ñó:
A: là biên ñộ dao ñộng, m;
ω: là tốc ñộ góc, rad/s;
A. ω2 là gia tốc rung, m/s2;
f: tần số rung, Hz;
g: gia tốc trọng trường, m/s2;
A.ω 2
là gia tốc rung tương ñối.
g

Chuyển chất trong quá trình sấy
Quá trình chuyển chất bao gồm hai quá trình xảy ra ñó là truyền ẩm từ
trong vật sấy ra ngoài bề mặt và thoát hơi ẩm từ bề mặt vào môi trường.
Khi lưu chất sấy chuyển ñộng bao bọc quanh vật sấy, trên bề mặt vật sấy
hình thành các lớp biên thủy ñộng và lớp biên nhiệt. ðồng thời quá trình thoát
ẩm từ bề mặt vật vào môi trường cũng hình thành trên bề mặt vật lớp biên ñộ
chứa ẩm. Trong các lớp biên này tồn tại sự thay ñổi tốc ñộ, nhiệt ñộ và nồng
ñộ ẩm (hay phần áp suất). Khi có sự chênh nhiệt ñộ giữa lưu chất và vật thể,
tồn tại một lớp lưu chất sát thành mà ở ñó có sự biến thiên rõ nhất giữa nhiệt


11

ñộ của thành rắn và nhiệt ñộ của dòng chảy ngoài. Lớp lưu chất ñó gọi là lớp
biên nhiệt. ðể tính toán ñược quá trình truyền nhiệt và truyền chất, ở ñây, cần
xác ñịnh các qui luật thay ñổi các thông số bên trong các lớp biên này.
Tốc ñộ sấy phụ thuộc vào tốc ñộ vận chuyển ẩm trong vật sấy và trên bề

mặt vật sấy. Quá trình trao ñổi chất giữa bề mặt vật sấy và môi chất sấy rất
phức tạp, có thể mô tả bằng hệ thống các phương trình vi phân và các ñiều
kiện ñơn trị của chúng.
Phương trình vi phân dẫn ẩm :

∂u
∂ 2u
∂ 2t
= am 2 + amδ 2
∂τ
∂x
∂x

(I-22)

Khi hiệu số nhiệt ñộ, hiệu số ñộ ẩm ở trong và ngoài vật càng lớn thì tốc
ñộ sấy càng lớn. Nếu ñộ ẩm và nhiệt ñộ ở lớp ngoài vật lớn hơn ở lớp bên
trong vật thì có thể gây nên sự kìm hãm sự thoát ẩm ở bề mặt vật hoặc thậm
chí có thể làm cho ẩm chuyển ngược lại vào trong vật.
Lượng nước bay hơi khỏi vật liệu ñược tính theo công thức
mnbh = β .F .∆xtbτ

(I-23)

Trong ñó:
- β là hệ số cấp khối, kg/m2.s;
- F là diện tích bề mặt bat hơi, m2;
- τ Thời gian sấy, s;
- ∆xtb là lực chuyển ñộng trung bình của quá trình sấy, ñược tính theo
công thức:

∆xtb =

∆x1 − ∆x 2
với ∆x1 = xvl1 − xkk1 , ∆x2 = xvl 2 − xkk 2 ,
∆x1
ln(
)
∆x2

- xvl , xkk lần lượt là hàm ẩm của không khí tương ứng với áp suất hơi ở
sát bề mặt và ở không khí bên ngoài.


12

Hệ số cấp khối có thể tính theo công thức
N ' u = A Re n .(Pr )

0 , 33

.(Gu ) 0 ,135

(I-24)

Khi tính chuẩn sô Nu’ và Re, kích thước hình học ñặc trưng là chiều dài
của vật sấy theo chiều chuyển ñộng của tác nhân sây.
A và n là những hằng số phụ thuộc vào Re như trong bảng sau:

Re

A

n

1 – 200

0,9

0,5

200 – 6.000

0,87

0,54

6.000 – 70.000

0,347

0,65

Chuyển chất với hạt cầu ñơn lẻ, lớp cố ñịnh và lớp lỏng hoá
Quá trình chuyển chất giữa các hạt rắn và tác nhân sấy trong các trường
hợp với hạt cầu ñơn lẻ, lớp cố ñịnh, và lớp sôi ñã có những công thức thực
nghiệm ñể tính toán quá trình, các trường hợp cụ thể sau:
Hạt hình cầu ñơn lẻ: Với hạt cầu ñơn lẻ có ñường kính dp chuyển ñộng
với vận tốc tương ñối vo trong dòng lưu chất (lỏng hoặc khí), hệ số chuyển
khối kd tại bề mặt hạt ñược tính thông qua các chuẩn số:

Sh =

kd d p
D

1

1

= 2,0 + 0,6Sc 3 Re p2

(I-25)

Trong ñó:

Sc =

d p vo ρ
µ
Re
=
,
p
µ
ρD

Với D là hệ số khuếch tán, và Sh, Sc, Re là các chuẩn số Sherwood,
Schmidt và Reynolds.

13

Các hạt lớp cố ñịnh. Người ta ñưa ra các công thức:
1

1

Sh = 2,0 +1,8Sc 3 Re p2
d p uo ρ

với Re p =

µ

(I-26)

> 80

Trong ñó vo là vận tốc bề mặt của lưu chất, m/s.
Với lớp tầng sôi. Quá trình chuyển chất trong lớp sôi xảy ra rất mạnh,
nhiệt ñộ phân bố rất ñồng ñều trong toàn bộ lớp. Do sự khuấy trộn mãnh liệt
trong lớp mà gradient nhiệt ñộ theo hướng kính có thể bỏ qua. Người ta ñưa
ra công thức:

Sh = 2,0 + 1,5Sc

1
3

Với Re p =

[(1 − ε ) Re ]

1

p

d p vo ρ

µ

2

(I-27)

= 5 ÷ 120

Trong ñó vo là vận tốc bề mặt của lưu chất và ε ≤ 0.84
Từ các biểu thức tính chuẩn số Sh trên nhận thấy nhìn chung thì

kd,cầu < kd,lỏng hóa < kd,lớp cố ñịnh (Re>80)
Quan hệ giữa nhiệt và truyền ẩm
Quan hệ giữa nhiệt và truyền ẩm thể hiện qua các phương trình vi phân
sau:
Q1 = (C 0 m 0 + C n m n )

dt
dτ

(I-28)

14

Q2 = r

dm n
du
= r .m 0
dτ
dτ

(I-29)

Trong ñó:
C0,Cn – nhiệt dung riêng của chất khô và của ẩm (nước), kJ/kg.ñộ;
r – nhiệt hóa hơi của nước liên kết trong vật ẩm, kJ/kg;
m0,mn – khối lượng chất khô và nước trong vật ẩm, kg;
Q1,Q2 – nhiệt lượng nung nóng vật ẩm, nhiệt lượng ñể nước bay hơi.
u – ñộ chứa ẩm trung bình trong vật sấy;

dt
- biểu diễn sự gia tăng nhiệt ñộ trung bình của vật sấy
dτ
du
- sự thay ñổi ñộ ẩm trung bình của vật sấy, còn gọi là tốc ñộ sấy.
dτ

Nhiệt hóa hơi của nước liên kết trong vật ẩm bằng tổng nhiệt hóa hơi của
nước, nhiệt nung nóng hơi nước, nhiệt lượng thắng năng lượng liên kết của

nước với chất khô.
r = rn + Ch(t – tb) + ∆r

(I-30)

trong ñó:
rn – nhiệt hóa hơi của nước, J/kg;
Ch – nhiệt dung riêng của nước, J/kg.ñộ;
t – nhiệt ñộ của hơi bị ñốt nóng, oC;
tb – nhiệt ñộ bay hơi của nước, oC;
∆r – nhiệt lượng liên kết của nước, kJ/kg;
Cường ñộ truyền nhiệt từ tác nhân sấy ñến vật sấy ñược thể hiện ở công
thức :

q=

mn  dt
1
1
1 
du


(
)
=
+
=
+
.

qdF
Q
Q
C
C
m
+
r
m
 0 n  0

1
2
0
F (F∫)
F
F 
m0  dτ
dτ 

(I-31)


15

Trong ñó, F là diện tích bề mặt vật ẩm, m2.

Như vậy, trong các quá trình công nghệ hóa chất và thực phẩm, vật liệu
hạt có thể ở trạng thái chuyển ñộng khác nhau. Xét về chuyển ñộng tương ñối
của hạt với môi trường chuyển ñộng lên truyền nhiệt và chuyển chất, sử

chuyển ñộng nói chung làm tăng cường ñộ quá trình. Khi biên ñộ dao ñộng
lớn thì dao ñộng ảnh hưởng mãnh liệt lên hiệu quả của quá trình. Dao ñộng là
một phương pháp hiệu quả làm tăng cường quá trình truyền nhiệt.
ðể ñánh giá sự tác ñộng của chuyển ñộng vật lên quá trình truyền nhiệt,
chúng tôi nghiên cứu tấm phẳng (khô và ẩm) dao ñộng trong dòng khí nóng.
Trong các tài liệu cũng ñã có một số công thức tính toán hệ số cấp nhiệt từ
dòng khí vào tấm phẳng ñứng yên (tĩnh), các công thức này thường ñược ứng
dụng trong trường hợp cụ thể. Tuy nhiên, trong trường hợp chúng tôi nghiên
cứu, chúng tôi nghiên cứu lại một số kết quả ñể lấy ñó làm cơ sở ñể ñánh giá,
nhìn nhận trong trường hợp vật dao ñộng. Mặt khác, chúng tôi tiến hành
nghiên cứu ñối với vật khô và vật ẩm ñể ñánh giá hệ số cấp nhiệt trong hai
trường hợp này.


16

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nội dung.
Triển khai ñề tài nghiên cứu “Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và

chuyển chất trong sấy với vật chuyển ñộng. Ảnh hưởng của dòng khí và
chuyển ñộng của vật lên truyền nhiệt”, chúng tôi ñề cập ñến các vấn ñề sau:
a) Ảnh hướng tốc ñộ khí lên quá trình truyền nhiệt và chuyển chất ở
trạng thái tĩnh.
b) Ảnh hướng của dao ñộng cơ học của hạt lên quá trình truyền nhiệt của
vật khô và vật ẩm.

2.2 Hệ thống thí nghiệm.
ðể thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu, chúng tôi sử dụng hệ thống sấy tại bộ
môn Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hoá chất và Thực phẩm - trường ðH

Bách Khoa Hà Nội, ñồng thời chúng tôi sử dụng mẫu vật là thép CT3 và các
hệ thống phụ trợ khác như các dụng cụ ño nhiệt ñộ, tốc ñộ khí, cân phân tích,
máy ño ñộ ẩm,…

2.2.1 Hệ thống thiết bị thí nghiệm
Sơ ñồ thiết bị thí nghiệm ñược mô tả như hình vẽ:


17

Hình 2.1: Sơ ñồ hệ thống thiết bị thí nghiệm
Ghi chú:
1. Nguồn ñiện
2. Quạt gió
3. Caloriphe
4. Van ñiều chỉnh lưu lượng gió
5. Buồng sấy
6. Vật nghiên cứu
7. Giá ñỡ tay ñòn

8. ðồng hồ ño nhiệt ñộ
9. Hệ thống tay ñòn
10.Trục lệch tâm
11.ðộng cơ
12.Nhiệt kế bầu khô và bầu ướt
13.Bộ ñiều chỉnh tần số dao
ñộng

Hệ thống thí nghiệm trên hình 2.1 ñược làm việc theo nguyên tắc chung
như sau:

Nguồn ñiện (1) ñược cấp cho quạt gió (2), caloriphe (3) và bộ ñiều khiển
tần số (13). Không khí ñược quạt gió (2) ñẩy qua caloriphe (3), tại ñây không
khí ñược gia nhiệt ñến nhiệt ñộ yêu cầu. Khí nóng ñược ñẩy qua buồng sấy
(5), tại ñó, khí nóng cấp nhiệt cho vật cần nghiên cứu (6). Tốc ñộ khí nóng ñi
qua buồng sấy ñược ñiều chỉnh bởi van ñiều chỉnh (4), nhiệt ñộ khí nóng
trước khi ñi vào buồng sấy ñược ño và hiển thị trên ñồng hồ ño nhiệt ñộ (8).
ðể ño ñiều kiện không khí tại thời ñiểm thí nghiệm chúng ta sử dụng nhiệt ñộ
bầu khô và bầu ướt (12). Khi tiến hành thí nghiệm tĩnh thì chúng ta không sử
dụng hệ thống dao ñộng. Khi thí nghiệm vật dao ñộng, ñộng cơ (11) tao ra


18

chuyển ñộng tròn ñều của trục lệch tâm (10), thông qua trục lệch tâm này và
hệ thống tay ñòn (9) cùng giá ñỡ (7) biến chuyển ñộng tròn ñều thành dao
ñộng ñiều hoà của vật. Tần số dao ñộng ñược ñiều chỉnh nhờ bộ ñiều chỉnh
ñiện áp (13) cấp cho ñộng cơ (11). ðể thay ñổi biên ñộ của dao ñộng chúng
tôi thay ñổi vị trí của giá ñỡ (7).
Chúng tôi tiến hành chia vạch (nấc) trên bộ ñiều chỉnh tần số nhờ ñiều
chỉnh ñiện áp (13) và tiến hành thí nghiệm ño tốc ñộ quay của trục ñộng cơ,
số vòng quay trong một giây chính là tần số của dao ñộng. Số vòng quay của
ñộng cơ ñược ño bằng cách cho ñộng cơ chạy và cho dây cuốn vào trục ñộng
cơ (ñoạn dây cuốn ñược 120 vòng quanh trục ñộng cơ) và ño thời quay hết số
vòng nói trên, kết quả thí nghiệm như sau:

Bảng 2.1: Xác ñịnh tần số dao ñộng.
Trung bình

Tần số

Lần 1

Lần 2

Lần 3

Lần 4

Lần 5

F1

5

5

4.9

5.1

5

5

F2
F3

6.69
9.64

6.67
9.87

6.59
10

6.68
9.62

6.66
9.93

6.67
9.8

F4

10.64

10.43

10.16

10.65

10.31

10.44

F5

11.41

11.48

12.01

11.71

11.76

11.67

(Hz)

ðể thay ñổi biên ñộ của dao ñộng chúng tôi thay ñổi vị trí của giá ñỡ (7)
với số liệu thu ñược như sau:

Bảng 2.2: Biên ñộ dao ñộng

Vị trí
Biên ñộ A (cm)

1

2

3

1,25

2,5

3


19

Trong quá trình thí nghiệm, chúng tôi xác ñịnh tốc ñộ gió nhờ thiết bị tốc
ñộ gió như hình 2.2.

Hình 2.2: Thiết bị ño tốc ñộ gió.
Tốc ñộ gió ñược ñiều chỉnh bằng van ñiều chỉnh (4) với 05 nấc ñiều
chỉnh. Tại mỗi nấc, chúng tôi ño trực tiếp tốc ñộ gió tại vị trí vật thí nghiệm
và ñược kết quả như nêu trong bảng 2.3.

Bảng 2.3: Tốc ñộ gió

Nấc

1

2

3

4

5

Vận tốc (m/s)

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

ðể xem xét ảnh hưởng của nhiệt ñộ lên tốc ñộ dòng khí, chúng tôi tiến
hành ño tốc ñộ gió ở nhiều nhiệt ñộ khác nhau, kết qủa cho thấy, trong
khoảng nhiệt ñộ 30 – 70 oC, tốc ñộ gió không phụ thuộc vào nhiệt ñộ.
Khi thí nghiệm với vật ẩm, chúng tôi sử dụng cân phân tích ñể cân vật
khô, vật ẩm trước khi sấy và sau khi sấy ñể xác ñịnh ñộ ẩm của vật.

Hình 2.3: Cân phân tích


20

Khi tiến hành thí nghiệm chúng tôi sử dụng ñồng hồ ño nhiệt ñộ hồng
ngoại ñể ño nhiệt ñộ bề mặt vật thí nghiệm tại thời ñiểm bất kỳ.

Hình 2.4: ðồng hồ ño nhiệt ñộ bằng hồng ngoại.
Bảng 2.4: Mẫu vật thí nghiệm

Mẫu vật

Thông số

Vật khô

Vật ẩm

Hạt và lớp hạt

Là tấm thép của

Mô tả

Là tấm thép CT3

mẫu vật khô ñược

hình vuông

bọc lớp vải và

Hạt chè ñen ñược

và

ñược tẩm ẩm với

tẩm ẩm

Vật bọc vải

lượng ẩm biết
trước

Khối lượng

84,7 g

Kích thước

86x86x1,5mm

Khối lượng chưa

Khoảng 2 g và

tẩm ẩm: 91,865g

lớp hạt có chiều

98x98x4mm

Dày lớp hạt là 2
cm

2.2.3 Tiến hành thực nghiệm
ðối với tất cả các thí nghiệm ñều tiến hành ño nhiệt ñộ bầu khô, bầu ướt
của không khí tại ñiều kiện thí nghiệm.


21

Thí nghiệm với mẫu khô

Chúng tôi tiến hành thí nghiệm như sau: Trước tiên ñặt thiết bị ở chế ñộ
làm việc xác ñịnh như ñặt tốc ñộ gió, ñặt bộ ñiều khiển tần số dao ñộng (ñối
với thí nghiệm dao ñộng),…Bật công tắc nguồn tổng, bật quạt gió sau ñó bật
caloriphe. Chờ cho nhiệt ñộ khí ổn ñịnh tại nhiệt ñộ cần thiết. Treo vật cần thí
nghiệm vào vị trí (bật bộ ñiều khiển tần số dao ñộng nếu là thí nghiệm dao
ñộng) sau ñó dùng súng ño nhiệt ñộ bằng hồng ngoại ñể ño nhiệt ñộ bề mặt
theo thời gian.
Thí nghiệm với vật ẩm.

ðối với vật ẩm, thí nghiệm tương tự nhưng ñến thời ñiểm xác ñịnh bỏ vật
ra và mang ñi cân ñể xác ñịnh ñộ ẩm.
Thí nghiệm với hạt.

ðối với hạt và lớp hạt, ta tiến hành khởi ñộng hệ thống như trên, khi
nhiệt ñộ ổn ñịnh, ñổ hạt vào thiết bị sấy, sau khi sấy một thời gian xác ñịnh
lấy mẫu rồi ño nhiệt ñộ bề mặt. Sau ñó dùng mẫu ñó ñi phân tích ñộ ẩm bằng
cân phân tích ñộ ẩm. Tại mỗi thí nghiệm, chúng tôi tiến hành ño nhiệt ñộ của
lớp sôi, nhiệt ñộ khí trước và sau khi sấy.

2.3 Nguyên tắc tính toán khi xử lý thí nghiệm.
Khi tính toán, do vật có chiều dầy rất nhỏ so với các kích thước còn lại
nên nhiệt ñộ bề mặt có thể coi là nhiệt ñộ của toàn bộ vật.

2.3.1 Tính toán trao ñổi nhiệt
Hệ số cấp nhiệt rất phức tạp, nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như loại
chất tải nhiệt, chế ñộ chảy của lưu thể, tính chất vật lý của chất tải nhiệt, kính
thước, hình dạng và bề mặt trao ñổi nhiệt,…Vì vậy trong quá trình thí nghiệm

ñể hướng tới kết quả tính toán ñược hệ số cấp nhiệt của quá trình chúng tôi


22

xây dựng mô hình thí nghiệm như ñã trình bày ở trên. Trong quá trình thí
nghiệm chúng tôi cần ño và kiểm soát các thông số sau: Nhiệt ñộ của khí,
nhiệt ñộ bầu khô, nhiệt ñộ bầu ướt, khối lượng vật và kích thước hình học của
vật, nhiệt ñộ bề mặt vật. Các thông số này ñều ñược kiểm soát và ño lương
theo thời gian.

Thí nghiệm với vật khô
Trong ñiều kiện thí nghiệm, lượng nhiệt trao ñổi bằng phương thức dẫn
nhiệt từ khí vào vật là rất nhỏ và có thể bỏ qua. Như vậy, tông lượng nhiệt
Q tổng truyền vào vật sấy trong thiết bị bao gồm cấp nhiệt Qdl và truyền nhiệt

bức xạ từ thành thiết bị ñến vật Qbx :
Qtong = Qdl + Qbx

(II-1)

Qdl = α dl .F .∆t tb .τ

(II-2)

Nhiệt ñối lưu:

Trong ñó ∆t tb =

t bm 2 − t bm1

và α dl là hệ số cấp nhiệt ñối lưu, W/m2.ñộ.
T −t
ln( k bm1 )
Tk − t bm 2

Ghi chú: nhiệt ñộ ở ñây ñược tính theo oC và Tk là nhiệt ñộ của không khí
nóng, tbm là nhiệt ñộ của bề mặt vật, chỉ số 2 là trạng thái cuối, chỉ số 1 là
trạng thái ñầu.

Nhiệt bức xạ:
Lượng nhiệt trao ñổi do bức xạ của tường với vật ñược tính theo công
thức của hai vật bao nhau:
 Tbm  4  TT  4 
Qbx = 5,7.ε bm −T .F .
 −
 .τ
 100   100  

(II-3)

Trong ñó:
Tbm là nhiệt ñộ trung bình cộng của bề mặt tại hai thời ñiểm, oK.


23

ε T −bm là ñộ ñen biểu kiến của giữa tường và vật và ñược tính theo công

thức:
ε bm−T =

1

1 FV  1

+
− 1
ε V FT  ε T


(II-4)

Thiết bị làm bằng vật liệu PVC có ñường kính trong 192mm và chiều cao
là 275 mm nên diện tích bề mặt của thiết bị FT = 0,1658 m2, Fv=0,0153
m2; ε T = 0,875; ε v =0.736.
ε bm −T =

1
= 0,683
1
0,0153  1

+
− 1

0,736 0.1658  0,875 

 Tt 4  Tbm 4 
 Tt 4  Tbm 4 
=> Qbx = 5,7.0,683.0,0153.

 −
 .τ = 0,05956.
 −
 .τ (II-5)
 100   100  
 100   100  

Theo cân bằng nhiệt thì lượng nhiệt Q ở trên bằng với lượng nhiệt làm
tăng nhiệt ñộ của vật liệu. Vậy, lượng nhiệt vật nhận ñược cho vật làm tăng
nhiệt ñộ của vật và ñược tính theo công thức:
Qtong = C P .m.(t bm 2 − t bm1 )

(II-6)

Với Cp là nhiệt ñộ rung riêng của vật thí nghiệm, với thép CT3 thì
Cp=500J/kg.ñộ.
Từ ñó suy ra:
Qdl = Q − Qbx

Ta tính ñược Q và Qbx vì vậy ta có thể tính ñược Qdl , và dụa vào phương
trình (II-2) ta có tính ñược α dl
α dl =

Qdl
FV .(t k − t tb ).τ

(II-7)

Từ ñây ta có thể tính ñược chuẩn số Nu của quá trình cấp nhiệt.