-1MỞ ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Sấy là một trong những biện pháp bảo quản và chế biến sản phẩm đã được sử dụng rất sớm
trong lịch sử loài người. Trong quá trình sấy, hiện tượng diễn ra phổ biến nhất chính là hiện tượng
truyền nhiệt truyền chất (TNTC) liên hợp. Khi nghiên cứu lý thuyết hiện tượng TNTC liên hợp, các
tác giả thường dựa vào việc giải hệ phương trình vi phân TNTC ứng với các điều kiện đơn trị khác
nhau. Mặc dù các công cụ nghiên cứu đã phát triển nhưng trong đó người ta vẫn bỏ qua một số ảnh
hưởng qua lại như ảnh hưởng của trường độ ẩm đến trường nhiệt độ trong vật liệu sấy, bỏ qua ảnh
hưởng của sự co ngót (CN) vật liệu trong quá trình sấy (QTS)… Bên cạnh đó, việc nghiên cứu ứng
dụng những hệ thống thiết bị sấy hiện đại vào điều kiện Việt Nam là một trong những đòi hỏi cấp
bách do nước ta có nền nông nghiệp phát triển, các sản phẩm nông sản sau thu hoạch do không
được bảo quản và xử lý kịp thời đã dẫn đến hao hụt và giảm chất lượng sản phẩm. Bơm nhiệt (BN)
là một trong những thiết bị có khả năng tiết kiệm năng lượng cao, ưu điểm của BN đã được chứng
minh bằng lý thuyết cũng như trong thực tế kỹ thuật. Khi sử dụng BN thay cho hệ thống sấy thông
thường, nó đã mang lại hiệu quả to lớn mà các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã tổng
kết. Tuy nhiên, bên cạnh những kết quả đã đạt được trong kỹ thuật sấy thì việc sử dụng BN trong hệ
thống sấy (HTS) vẫn còn có những vẫn đề tồn tại và phải giải quyết. HTS BN là hệ thống sấy ở
nhiệt độ vừa phải, vì vậy thời gian sấy (TGS) sẽ lớn hơn so với các HTS thông thường và do đó
việc tiêu hao năng lượng luôn là vấn đề cần quan tâm và cải thiện, nhất là trong bối cảnh năng
lượng đang ngày càng cạn kiệt trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Mặt khác, theo động học QTS,
lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu sấy (VLS) sẽ thay đổi theo thời gian và giảm dần ở cuối quá trình.
Tương ứng với nó, nhiệt năng cần cung cấp cho VLS cũng giảm dần trong khi hệ thống hoạt động liên
tục cũng là vấn đề làm cho lãng phí năng lượng. Vì vậy, việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng
và vận hành hợp lý HTS BN nhằm đảm bảo phù hợp với động học QTS là rất cần thiết.
Với những yêu cầu cấp bách đặt ra như vậy, việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu quá trình truyền
nhiệt truyền chất trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kiểu bậc thang” là thực sự cấp thiết và phù hợp
trong giai đoạn hiện nay ở Việt nam.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Mục đích của luận án là: Nghiên cứu hiện tượng TNTC trong kỹ thuật sấy, từ đó làm cơ sở nghiên
cứu động học QTS trong HTS BN khi xét đến ảnh hưởng của độ ẩm đến trưởng nhiệt độ và ảnh hưởng
của sự co ngót (CN) VLS. Nghiên cứu hiệu chỉnh phương pháp tương tự xác định thời gian sấy (TGS)
khi kể đến hiện tượng CN VLS để kết quả tính toán theo phương pháp này phù với thực tế hơn. Đánh
giá khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS BN kiểu bậc thang.
Để đạt được những mục đích đó, luận án tập trung vào những nội dung sau:
- Nghiên cứu quá trình dịch chuyển nhiệt ẩm đồng thời trong VLS khi kể đến hiện tượng CN VLS
trong QTS bằng BN.
- Nghiên cứu biện pháp hiệu chỉnh phương pháp tương tự xác định TGS có kể đến ảnh hưởng của
hiện tượng CN VLS
- Nghiên cứu đánh giá sự phù hợp của mô hình toán kể đến hiện tượng CN VLS (MHCN) và mô
hình toán không kể đến CN VLS (MHKCN) với thực nghiệm trên HTS BN.
- Đánh giá tiết kiệm năng lượng trên HTS BN kiểu bậc thang HTS GT-01.
-2- Đề xuất giải pháp tiết kiệm năng lượng thông qua chế độ vận hành HTS GT-01.
ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu (NC) trong luận án là quá trình TNTC với các điều kiện sấy trong HTS BN.
Vật liệu đại diện cho kết quả nghiên cứu là cà rốt trồng ở miền Bắc Việt nam.
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu (PPNC) trong luận án là phương pháp (PP) lý thuyết (LT) kết hợp thực
nghiệm (TN). Về PPNC LT, nội dung NC chính gồm hai phần. Thứ nhất là NC một số vấn đề về quá
trình dịch chuyển nhiệt ẩm trong lòng VLS, từ đó lựa chọn mô hình toán học để giải quyết vấn đề động
học và các yếu tố ảnh hưởng đến QTS. Thứ hai là hiệu chỉnh PP xác định TGS theo lý thuyết tương tự
khi kể đến hiện tượng CN VLS, áp dụng cho trường hợp sấy BN. Về mặt NC TN, nội dung chính là
xây dựng mô hình TN, thực nghiệm kiểm chứng các kết quả lý thuyết, các PP tiết kiệm năng lượng
(NL), ...
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Về mặt lý thuyết TNTC, luận án góp phần làm sáng tỏ cơ chế dịch chuyển nhiệt ẩm trong VLS.
Nghiên cứu động học QTS bằng mô hình toán học trên cơ sở xét đến ảnh hưởng của độ ẩm đến dòng
nhiệt và hiện tượng CN VLS. Bên cạnh đó, luận án đề xuất phương án hiệu chỉnh PP tương tự xác định
TGS áp dụng cho QTS bằng BN khi xét đến hiện tượng CN VLS thông qua việc xác định lại hệ số
khuếch tán ẩm hiệu quả. Về mặt thực tiễn, luận án bổ sung thêm phương án tiết kiệm NL đối với QTS
trên HTS BN kiểu bậc thang. Kết quả này đã đóng góp thêm về mặt công nghệ sấy, làm tiền đề cho
nghiên cứu mở rộng và áp dụng trong quy mô công nghiệp trong KTS các sản phẩm sau thu hoạch.
BỐ CỤC LUẬN ÁN: Luận án bao gồm thành 5 chương. Chương 1 nêu tổng quan các vấn đề cần
NC. Chương 2 giới thiệu về vật liệu và PP NC. Chương 3 tập trung vào NC lý thuyết TNTC, lựa chọn
mô hình TNTC và cách giải, biện pháp hiệu chỉnh phương pháp tương tự xác định TGS. Chương 4
trình bày nội dung của NC thực nghiệm và đánh giá tiết kiệm NL trên HTS GT-01. Chương 5 giới
thiệu và thảo luận các kết quả NC lý thuyết, kết quả NC thực nghiệm và đánh giá so sánh giữa kết quả
LT với TN. Cuối cùng là các kết luận, những đóng góp mới của luận án và kiến nghị hướng nghiên
cứu tiếp theo.
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ SẤY BƠM NHIỆT
VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT
1.1. MỘT SỐ VẦN ĐỀ CƠ BẢN VỀ SẤY
Trong mục này bao gồm nội dung về các loại KTS, nguyên lý hoạt động của HTS BN và sự tiết
kiệm năng lượng khi sử dụng HTS bằng BN.
1.2. TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HHTS BN
1.2.1. Tổng quan các kết quả nghiên cứu HTS BN trên thế giới
1.2.2. Tổng quan các kết quả nghiên cứu HTS BN ở Việt Nam
Qua các nghiên cứu tổng quan trên, luận án thấy được vẫn còn cần nghiên cứu thêm về chế độ vận
hành hợp lý cho HTS BN. Nói cách khác là có thể thải lượng nhiệt thừa ra khỏi hệ thống kín một
cách hợp lý nhằm đảm bảo được việc cấp nhiệt đáp ứng được tốt nhất cho VLS mà vẫn tránh được
-3sự lãng phí năng lượng. Để đáp ứng được điều này thì rất cần phải nghiên cứu động học QTS của
vật liệu nhằm tìm ra điều kiện phù hợp cho quá trình cấp cũng như thải nhiệt ra môi trường.
1.3. MỘT SÔ VẤN ĐỀ TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG VLS
1.3.1. Quy luật dịch chuyển nhiệt-ẩm trong lòng vật liệu
1.3.2. Mô hình toán học biểu diễn hiên tƣợng dịch chuyển trong VLS
Phần này trình bày một số mô hình thực nghiệm, mô hình TNTC và mô hình nghiên cứu hiện
tượng CN VLS.
1.3.3. Một số phƣơng pháp xác định TGS: Nội dung chủ yếu của mục này là giới thiệu một
số phương pháp xác định TGS như phương pháp của A.v.Luikov, Phylonhenko, phương pháp đồ thị
của Asahin Dincer... Phương pháp tương tự để xác định TGS được tóm lược như sau:
1. Xác định tính tương tự về mặt toán học của bài toán dẫn nhiệt với bài toán khuếch tán ẩm
tương ứng trong chế độ sấy cần xác định TGS
2. Tìm quan hệ Q(0,)/Q(0,) của bài toán đốt nóng hay làm nguội của bài toán dẫn nhiệt
tương tự được xác định trong bước 1. Với Q(0,), Q(0,) lần lượt là nhiệt lượng mà vật nhận được
hoặc mất đi trong khoảng thời gian (0, ) và (0,).
3. Đồng nhất quan hệ sau:
Q(0,)/Q(0,) M(0,)/M(0,)
Trong đó Q(0,)/Q(0,) xác định từ nghiệm của phương trình dẫn nhiệt tương ứng
4. Xác định FoM từ quan hệ trong bước ở trên và từ đó tìm được thời gian sấy .
Phương pháp trên chưa đề cập đến vấn đề CN VLS, một hiện tượng phổ biến xảy ra trong QTS
thực tế và luôn là vấn đề cần được xem xét giải quyết.
1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Từ những tổng quan trên, chúng tôi đề xuất các vấn đề cần giải quyết của luận án như sau:
2. Nghiên cứu mô hình toán học có kể đến ảnh hưởng của sự CN VLS đến động học
QTS hay nói cách khác là cần phải giải hệ phương trình TNTC khi kể đến ảnh
hưởng của độ ẩm đến trường nhiệt độ và sự CN VLS.
3. Nghiên cứu hiệu chỉnh cách tính TGS theo phương pháp tương tự khi kể đến ảnh
hưởng của sự CN VLS để giảm thiểu sai số do bỏ qua hiện tượng này.
4. Đánh giá khả tiết kiệm năng lượng của HTS BN kiểu bậc thang.
Chƣơng 2
VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
Vật liệu nghiên cứu được đề tài lựa chọn là cà rốt dạng thái lát mỏng. Lý do lựa chọn loại vật
liệu này ở chỗ đây là loại nông sản phổ biến ở Việt Nam cũng như có các hàm lượng chất dinh
dưỡng cao, các thông số nhiệt vật lý đã được nghiên cứu và công bố khá đầy đủ. Đây là thuận lợi
của việc lựa chọn vật liệu này, hơn nữa các tài liệu đã công bố liên quan đến vật liệu này được sử
dụng làm cơ sở để đối chiếu so sánh và đánh giá so với kết quả nghiên cứu của luận án. Ngoài ra,
với phạm vi thông số của sấy bơm nhiệt, cà rốt sấy có rất nhiều ưu điểm về chất lượng.
-42.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
Phương pháp nghiên cứu lựa chọn ở đây là PP NC LT kết hợp với PP NC TN.
2.2.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết
Lựa chọn hệ phương trình TNTC có kể đến CN VLS và tiến hành giải bằng PP sai phân hữu
hạn (SPHH) để xác định trường nhiệt độ và độ ẩm phân bố trong VLS theo thời gian và không gian.
Đề xuất về mặt LT cách tính TGS theo lý thuyết tương tự khi kể đến CN VLS. Các thông số nhiệt
vật lý của VLS như nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt hay hệ số khuếch tán hiệu quả…được tính
toán theo sự thay đối của nhiệt độ từ các kết quả đã công bố. Kết hợp với sơ chế cà rốt bằng phương
pháp chần, phạm vi tính toán QTS được lựa chọn dựa trên các tổng kết của các công trình nghiên
cứu trong nước bao gồm: nhiệt độ TNS ta: 30 ÷ 45 (oC); độ ẩm TNS a: 25 ÷ 45 (%); tốc độ TNS
a: 0,5÷2,5 (m/s). Với phạm vi này sẽ cho kết quả đảm bảo về mặt chất lượng, cảm quan và hàm
lượng β-carotene cao nhất.
2.2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm
Mô hình thí nghiệm được xây dựng trên cơ sở chu trình lạnh kiểu bậc thang, bao gồm 2 hệ
thống BN độc lập ghép nối tiếp nhau theo chiều chuyển động của TNS. TNS đi từ dàn bay hơi (BH)
có nhiệt độ bay hơi thấp sang dàn BH có nhiệt độ bay hơi cao hơn trước khi đi qua dàn ngưng tụ
(NT) có nhiệt độ ngưng thấp rồi đến dàn NT có nhiệt độ cao hơn và cuối cùng đi vào TBS thực hiện
việc trao đổi nhiệt ẩm với VLS. Để giải nhiệt thừa ra khỏi hệ thóng chúng tôi bố trí 2 dàn ngưng
phụ (NP) ứng với hai máy đặt bên ngoài. Các dàn NP này được đóng ngắt thông qua các van điện
từ. Quạt cho các dàn NP này cũng được đóng ngắt độc lập để tăng tính linh hoạt cho việc vận hành.
Các số liệu bao gồm nhiệt độ TNS, độ ẩm TNS và tốc độ TNS được xác định từ thiết bị thí nghiệm
thông qua việc tính toán giá trị trung bình theo tiết diện ứng với các vị trí đo. Tiến hành thí nghiệm
với các bước sau:
Sơ chế cà rốt: Gọt vỏ, cắt lát với kích thước 2 = 10mm, chọn những lát có đường kính xấp xỉ nhau,
khoảng 50mm., sau đó chần trong nước 80oC trong 3 phút.
Tiến hành thí nghiệm sấy:Tiến hành chạy thử, kiểm tra áp kế, nhiệt kế, quạt … đảm bảo tất cả các
thiết bị này hoạt động bình thường. Đưa HTS và TNS đến chế độ yêu cầu. Cân khối lượng cà rốt
trước khi đưa vào khay sấy, sắp xếp trên khay sấy các lát cà rốt sao cho chiều của TNS trong TBS
song song và tiếp xúc được với 2 mặt của lát cà rốt một cách đều nhất. Chạy máy, ghi lại các thông
số đầu tiên của hệ thống bao gồm chỉ số công tơ điện, nhiệt độ TNS, độ ẩm TNS, tốc độ TNS, khối
lượng của cà rốt sấy trên cân điện tử, áp suất đầu đẩy, đầu hút của các máy nén trong hệ thống…
Mỗi 5 phút bắt đầu ghi lại các số liệu này và tiến hành cho đến khi khối lượng của cà rốt không đổi
trong 5 lần đo liên tiếp. Chú ý mỗi 25 phút chạy cho máy ngừng hoạt động 5 phút để hệ thống xả
băng, tránh hiện tượng đóng băng trên dàn BH
2.2.3. Xử lý số liệu thực nghiệm
Để đánh giá các kết quả thí nghiệm, chúng tôi tiến hành mỗi thí nghiệm 3 lần, kết quả để đối chiếu
so sánh với lý thuyết là trung bình của 3 lần thí nghiệm nhằm loại bỏ sai số ngẫu nhiên. Các số liệu
TN sẽ được phân tích và xử lý nhằm loại đi các giá trị không phù hợp nếu mắc phải sai số quá lớn.
Kiểm chứng sự phù hợp của MHCN và TN được đánh giá thông qua sai số căn quân phươn RMSE
và sai số tuyệt đối trung bình MAE. Giá trị RMSE và MAE đối càng nhỏ thì số liệu càng gần đúng
với TN hơn.
2.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
-5Trong chương này, chúng tôi đã xác định VLS đại diện để nghiên cứu quá trình TNTC là cà rốt
dạng thái lát có kích thước chiều dày là 2 = 10mm. Xác định phạm vi nghiên cứu của các thông số
liên quan đến QTS cũng như sử dụng phương pháp SPHH để giải hệ phương trình TNTC khi xét
đến CN VLS. Lựa chọn HTS BN hoạt động theo kiểu bậc thang để làm thiết bị TN cũng như
phương pháp tiến hành và xử lý số liệu TN.
.
Chƣơng 3.
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT
TRONG VẬT LIỆU SẤY
3.1. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TNTC XÉT ĐẾN SỰ CN VLS
Mô hình vật lý trong trường hợp khảo
sát như sau:
TNS có nhiệt độ ta, tốc độ a và độ ẩm
tương đối a thực hiện quá trình trao đổi
nhiệt ẩm tại bề mặt VLS. VLS có chiều
dày 2 được đặt trong TBS sao cho sự trao
đổi nhiệt ẩm đồng đều ở cả 2 mặt. Hiện
tượng dẫn nhiệt được thực hiện khi VLS
hấp thụ nhiệt từ TNS qua bề mặt làm cho
nhiệt độ của VLS tăng dần lên, độ ẩm của
VLS bắt đầu giảm do sự dịch chuyển dần Hình 3.1. Mô hình vật lý và bước chia sai phân
một nửa bề dày tấm VLS
từ trong lòng ra bề mặt và được TNS mang
ra ngoài qua hệ số trao đổi ẩm trung bình Mô hình toán học của mô hình vật lý trên hình 3.2 là:
tại bề mặt M. Khi QTS bắt đầu thì sự dịch t x t 1 .(t ) r.s . M
x .C p
.C p
chuyển của bề mặt VLS dần vào phía tâm
(3.2)
M
M
cũng bắt đầu xảy ra. Chiều dày cuối QTS
x
D(T). 2 M
x
của VLS sẽ bằng chiều dày của VLS ở điều
kiện cân bằng e. Do quá trình này có tính chất đối xứng nên chỉ cần tính toán cho một nửa chiều
dày tấm và được biểu diễn trên hình 3.1. Với mô hình vật lý như trên và trong trường hợp tính đến
ảnh hưởng của khuếch tán ẩm đến dẫn nhiệt nhưng bỏ quả ảnh hưởng của dẫn nhiệt đến khuếch tán
ẩm việc xét đến ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS trong QTS là rất cần thiết, nên ở đây, chúng tôi
bổ sung ảnh hưởng này vào hệ phương trình TNTC và có dạng (3.2). Trong đó: toC, M kgâ/kgVLK,
kg/m3, Cp J/kgK, W/mK, D m2/s lần lượt là nhiệt độ, độ chứa ẩm, khối lượng riêng, nhiệt dung
riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả của VLS, - thời gian, s, r - nhiệt ẩn hóa hơi
của nước, kJ/kg. Các giả thiết của mô hình (3.2) bao gồm: Tính đến ảnh hưởng của khuếch tán ẩm
đến dẫn nhiệt nhưng bỏ qua ảnh hưởng của dẫn nhiệt đến khuếch tán ẩm; VLS là đồng chất, không
có phản ứng hóa học và không có nguồn sinh nhiệt bên trong; Các tính chất nhiệt vật lý của VLS
phụ thuộc vào nhiệt độ hoặc độ chứa ẩm hoặc phụ thuộc cả hai; Hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả D ít
phụ thuộc vào độ chứa ẩm nhưng phụ thuộc nhiệt độ của VLS; Nhiệt độ và độ chứa ẩm ban đầu của
VLS là đồng nhất; Dịch chuyển ẩm bên trong chủ yếu là dạng hơi và kể đến hiện tượng CN VLS
nhưng coi hình dáng của VLS không đổi
Điều kiện đơn trị của hệ (3.1) bao gồm:
-6- Điều kiện ban đầu: t(x, 0) = t0;
- Điều kiện đối xứng:
M(x, 0) = M0
t
0
x x 0
(3.3)
M
0
x x 0
(3.4)
-Điều kiện biên: ( t a t ) x x M s r (M M e ) x x
s
s
D.
M
x
t
x
x xs
C p x t x xs
x M x xs M (M M e ) x xs
(3.5)
(3.6)
xxs
Ở đây: ,W/m2K-hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình tại bề mặt VLS; M, m/s-hệ số trao đổi ẩm
đối lưu trung bình tại bề mặt VLS; x , m/s - tốc độ CN trung bình của VLS; s, ,kg/m3- khối lượng
riêng của VLK và VLÂ; t0 oC và M0, kgâ/kgVLK- lần lượt là nhiệt độ và độ chứa ẩm ban đầu của VLS.
3.2. PHƢƠNG PHÁP GIẢI MHCN
Luận án sử dụng PP SPHH để giải hệ phương trình (3.2) với các điều kiện đơn trị (3.3)-(3.6).
Các thông số được sử dụng để tính toán được xác định như sau:
3.2.1. Xác định tốc độ CN VLS
Giả sử sự co ngót là tuyến tính theo phương x, có nghĩa giả sử tốc độ co ngót trung bình trong
xtb 0
toàn bộ QTS tại một vị trí x bất k :
x
(3.7)
trong đó: 0, m/s - tốc độ CN tại bề mặt của VLS.
Tốc độ CN trung bình tb của VLS trong QTS bằng:
0 cb
tb
(3.8)
ở đây: 0, e, m - lần lượt là chiều dày VLS ở thời điểm ban đầu và thời điểm cuối của QTS, , s tổng TGS.
Chia đều một nửa chiều dày lát VLS thành 5 khoảng x như trên hình 3.1 thì tốc độ CN
trung bình trong QTS tại các vị trí từ bề mặt (s) đến vị trí tâm (c) như sau:
x s 0 x s e
x 1 0 x 1 e 4
x 2 0 x 2 e 3
stb
0 ; 1tb
0 ; 2tb
0
5
5
(3.9)
x 3 0 x 3 e 2
x 4 0 x 4 3 1
3
4
tb
0 ; tb
0
5
5
Từ (3.7), (3.8), (3.9) ta được:
x i 0 x i cb
4
4
i s
i s
4
itb 30
i s
(3.10)
Trong đó, là bước thời gian tính toán, giá trị tốc độ CN trung bình tb này có thể xác định
được thông qua việc đo chiều dày của VLS ở thời điểm đầu và cuối QTS.
3.2.2. Xác định các thông số nhiệt vật lý của TNS
Đã có nhiều công trình nghiên cứu và tính toán tương đối chính xác các thông số vật lý của
TNS hay của không khí ẩm theo nhiệt độ, vì thế trong luận án chúng tôi lựa chọn các biểu thức tính
toán các thông số của TNS thay đổi theo nhiệt độ trong phạm vị 0 ÷ 80oC. Chúng bao gồm: khối
lượng riêng a(t), kg/m3; hệ số nhớt động lực học a(t), kg/m.s; hệ số dẫn nhiệt a(t), w/mK; hệ số
khuếch tán của hơi ẩm vào không khí Dâ(t), m2/s; nhiệt dung riêng của không khí ẩm Cpa(t), kJ/kgK.
3.2.3. Xác định các thông số nhiệt ẩm của cà rốt
Các thông số nhiệt ẩm của cà rốt đã được nghiên cứu và tính toán chi tiết theo sự phụ thuộc vào
-7nhiệt độ của các thành phần khối lượng. Ở đây chúng tôi chọn các công thức này để tính toán.
Chúng bao gồm:
3.2.3.1.Nhiệt dung riêng của cà rốt Cp, J/kgK
Cp=xp(Cp)p+ xF(Cp)F +xCHO(Cp)CHO+ xFi(Cp)Fi+ xASH(Cp)ASH+ xw(Cp)w
(3.20)
3.2.3.2.Hệ số d n nhiệt của cà rốt , W/mK
λ(t) =x w λ w +x p λ p +x Fλ F +x Fi λ Fi +x CHOλ CHO +x ASH λ ASH
(3.21)
Trong đó xp, xF, xCHO, xFi, xASH, xw lần lượt là các thành phần khối lượng của các chất trong vật liệu
và Ci , i là nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt tương ứng.
3.2.3.3. Khối lƣợng riêng của cà rốt M, kg/m3
1 M
1 M
(3.22)
M
1 M
1
M
s w 1700 1020
Với s và w là khối lượng riêng của chất khô và nước trong cà rốt.
3.2.3.4. Xác đinh độ ẩm c n b ng của cà rốt Me, kgâ/kgVLK
( t 273 )1, 363
5203
1
0 , 775
M e
ln 1
t 273
5869 100
3.2.3.5. Xác đinh hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả của cà rốt D, m2/s
(3.23)
24,21
(3.29)
D 1,0355.10 5 exp
3
8,314.10 .T
3.2.4. Xác định hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi chất đối lƣu
3.2.4.1. Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lƣu trung bình , W/m2K
Ở chế độ chảy có Re < 5.105 hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình trên toàn bộ chiều dài tấm
ph ng được tính theo quan hệ sau đây: y L 0, 664 Re1/2 Pr1/3
kk
L
(3.34)
3.2.4.2 Xác định hệ số trao đổi chất đối lƣu M, m/s
Do hiện tượng trao đổi nhiệt và trao đổi chất ở điều kiện khảo sát có tính chất tương tự nhau
nên việc xác định hệ số trao đổi chất M cũng được xác định từ phương trình tiêu chuẩn truyền chất
D
và cuối cùng biêu thức này có dạng sau: M y L 0, 664 Re1/2 Sc1/3 a
(3.37)
L
3.2.5. Giải hệ phƣơng trình (3.2) b ng PP SPHH
Dựa vào cân bằng năng lượng và vật chất viết cho các phân tố từ (s) đến (c) như trên hình 3.1, thành
lập được 12 phương trình bậc nhất theo PPSPHH viết dưới dạng hàm ẩn (đảm bảo kết quả hội tụ
với mọi giá trị của bước thời gian ).
aM 1,0 ... aM 1, n 1 t c
at 1,0 ... at 1,n 1
1
1
a
...
a
a
...
a
...
t 2,0
t 2, n 1
M 2,0
M 2, n 1
...
(3.54)
* ... ...
...
...
...
...
...
...
at n 1,0 ... at n 1,n 1 aM n 1,0 ... aM n 1,n 1 M n 1 cn 1
Trong đó at, và aM là các giá trị hệ số có mặt trong phương trình tính nhiệt độ và độ ẩm, cn là các
hằng số và các giá trị tính ở thời điểm trước khi tính toán.
Giải hệ (3.54) bằng phương pháp ma trận nghịch đảo sẽ cho nghiệm là các giá trị nhiệt độ và độ
-8chứa ẩm ở từng thời điểm đối với mỗi một phân tố. Quá trình tính toán sẽ dừng lại khi độ chênh giá
trị độ chứa ẩm trung bình M m giữa 2 bước thời gian liên tiếp nhau đủ nhỏ ( M 105 ). Trong đó
độ chứa ẩm trung bình theo thể tích của ở thời điểm m
4
Mm
Vsm M sm Vinm M inm Vcm M cm
in 1
4
V Vin V
m
s
in 0
m
c
x
x
4
Ms
0 m (x xin (m )) M inm
Mc
2
2
in 1
x
x
4
0 m (x xin (m ))
2
2
in 1
(3.55)
Nhiệt độ trung bình theo thể tích của vật liệu ở thời điểm m sẽ được tính tương tự theo biểu thức:
n
tm
Vsmtsm Vi mtim Vcm tcm
i 0
4
V Vin Vcm
m
s
in 0
x m
x
4
tsm
0 m (x xin (m ))tinm
tc
2
2
in 1
x
x
4
0 m (x xin (m ))
2
2
in 1
Tổng lượng nhiệt VLS nhận được từ TNS sau toàn bộ QTS sẽ là:
q = q=(ta – ts), J/m2
(3.56)
(3.57)
3.3. HIỆU CHỈNH PHƢƠNG PHÁP TƢƠNG TỰ XÁC ĐỊNH TGS
Theo lý thuyết tương tự để xác định thời gian sấy đã trình bày trong 1.3.3, việc xác định các đại
lượng như độ ẩm đầu, độ ẩm cuối và độ ẩm cân bằng của VLS, hệ số trao đổi ẩm của VLS và đặc
biệt là hệ số khuếch tán ẩm của VLS rất quan trọng và có ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả tính TGS.
Trong luận án này, chúng tôi đề xuất phương án hiệu chỉnh cách tính TGS theo lý thuyết tương tự
như sau:
Có thể nói trong các đại lượng có tác động đến TGS khi tính toán theo lý thuyết tương tự thì
việc xác định hệ số khuếch tán ẩm của VLS có tác động rất lớn đến kết quả tính toán. Đặc biệt trong
trường hợp tính đến ảnh hưởng của sự CN VLS thì kích thước VLS sau QTS có thay đổi khá lớn.
Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán và kích thước của LVS khi tính đến hiện tượng CN thể hiện trong
FoM, đại lượng tìm được nhờ phương pháp tương tự:
D.
(3.59)
Fo M 2
Như vậy, cần phải xác định kích thước cuối end ứng với giá trị độ ẩm cuối QTS Mend, ở giá trị này
thì cần phải xác định được hệ số khuếch tán Dend. Từ đó mới có thể tìm được giá trị FoM chính xác ở
cuối QTS. Tuy nhiên để đảm bảo độ chính xác của việc xác định TGS cần thiết phải có các giá trị D
từ thực nghiệm ứng với quá trình tính toán. Trong trường hợp đã có số liệu từ TN thì giá trị thu
được ứng với một kích thước không đổi nào đó của VLS cũng chưa phản ánh hết được thực tế trong
khi có sự CV. Ở đây, dựa vào thí nghiệm, chúng tôi đề xuất các tính toán các giá trị end, Dend theo
Mend như sau: Xác định kích thước đầu 0 và kích thước kết thúc QTS e (ứng với trạng thái cân
bằng của VLS với TNS). Các giá trị này cũng tương ứng với độ chứa ẩm ban đầu M0 và độ chứa ẩm
cân bằng Me của VLS. Tại các thời điểm lấy mẫu M (Me < M < M0) sẽ có tương ứng một kích thước
(e < < 0), giả thiết hiện tượng CN xảy ra theo thời gian thông qua quan hệ (3.60), có n số
lần lấy mẫu nên kích thước i ở thời điểm thứ i là:
e
(3.60)
i 0 i. 0
n
Từ đây sẽ có được n giá trị của tương ứng với n giá trị của M. Xây dựng quan hệ giữa
và M:
-9 = f(M)
(3.61)
Việc tiếp theo là cần xác định giá trị của D theo số liệu thực nghiệm QTS, Nghiệm của quá
trình trao đổi ẩm đối với tấm ph ng trong trường hợp không CN và D không đổi có dạng:
ln
M
8
D. 2
ln( 2 )
M0
4. 2
(3.62)
Dựa vào số liệu TN, quan hệ giữa ln(M/M0) và thời gian sẽ có dạng đường th ng và độ dốc k
của đường th ng này chính là (D.2/2). Từ đây sẽ tính được giá trị D theo TN:
D. 2
(3.63)
k
4. 2
Từ (3.63) cho thấy, với trường hợp = const hay không có CN ta sẽ xác định được giá trị D
theo k. Tuy nhiên, nếu trong trường hợp CN xảy ra thì giá trị này lại giảm dần theo và sẽ đạt nhỏ
nhất ở e. Vì vậy, để giải quyết vấn đề này có thể tính Di ở thời điểm i theo biểu thức sau:
D De
D De
(3.64)
Di 0
( i e ) D e D 0 0
( 0 i )
0 e
0 e
Trong đó: D0 và De , m2/s là giá trị của hệ số khuếch tán tính theo (3.62) nhưng ở 0 và cb. Như
vậy, với cách lập luận như trên, hệ số khuếch tán ẩm D, kích thước ở bất k thời điểm nào trong
QTS thì sẽ tính được hay nói cách khác là ở độ ẩm cuối Mend của QTS có thể tính được và thời gian
sấy cũng sẽ xác định được theo FoM. Đây chính là cách giải quyết, hiệu chỉnh cách tính TGS của
VLS theo lý thuyết tương tự khi có kể đến CN VLS.
3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3.
Qua nghiên cứu TNTC trong VLS chúng tôi đi đến 5 kết luận sau đây:
1. Chọn mô hình toán học biểu diễn quá trình TNTC có kể đến ảnh hưởng của CN VLS
2. Trên cơ sở giả thiết sự CN là tuyến tính theo chiều dày của VLS, chúng tôi đưa hệ số tốc độ
CN vào mô hình toán học để tính toán.
3. Phân tích và lựa chọn các biểu thức tính toán xác định các thông số nhiệt vật lý của TNS
cũng như của cà rốt sấy.
4. Thiết lập hệ phương trình SPHH để giải bài toán TNTC khi tính đến ảnh hưởng của CN
VLS. Xây dựng thuật toán để giải hệ phương trình SPHH đó.
5. Đề xuất cách hiệu chỉnh phương pháp xác định TGS theo lý thuyết tương tự.
Chƣơng 4
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIẸM.
4.1.1. Khái niệm về các loại độ ẩm của vật liệu.
4.1.2. Xác định các đại lƣợng trong điều kiện nghiên cứu thực nghiệm.
Nội dung của phần này là giới thiệu cách xác định giá trị độ ẩm ban đầu, khối lượng vật liệu khô
(VLK), độ ẩm cuối của VLS theo TN.
- 10 4.2. MÔ HÌNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM HTS BN KIỂU BẬC THANG
4.2.1. HTS BN kiểu bậc thang
Nội dung của phần này trình bày khả năng tiết kiệm của HTS BN kiểu bậc thang khi so với chu
trình không hoạt động theo kiểu bậc thang và cũng là lý do để chúng tôi xây dựng mô hình TN.
HTS BN này được chúng tôi đặt tên là HTS GT-01.
4.2.2. Mô hình thiết bị thí nghiệm HTS GT-01
4.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý HTS BN kiểu bậc thang
Vòng tuần hoàn TNS trong HTS GT-01
Cũng như HTS BN chỉ có một dàn BH, ở đây TNS là không khí trước tiên đi qua dàn BH được
khử ẩm do tiếp xúc với bề mặt dàn BH có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đọng sương và giảm nhiệt độ.
Sau đó TNS đi qua dàn NT để thực hiện quá trình đốt nóng đ ng dung ẩm. Điều khác biệt là ở đây
sử dụng 2 chu trình lạnh độc lập, không khí lần lượt đi qua dàn BH2 và BH1. Dàn BH2 có nhiệm
vụ làm lạnh một phần TNS xuống nhiệt độ điểm sương, nhờ vậy dàn BH1 dành nhiều bề mặt trao
đổi nhiệt của nó để thu hồi nhiệt ẩn
4.2.2.2. Lý do sử dụng HTS BN kiểu bậc thang.
HTS BN kiểu bậc thang có thể tiết kiệm năng
lượng tới gần 25% so với chu trình lạnh thông
thường khi dùng 1 bậc thang theo 4.2.1.. Ngoài ra,
khi TNS đi qua lần lượt 2 dàn BH, khả năng thu hồi
nhiệt và tách ẩm của HTS tăng lên rõ rệt. Theo kết
quả nghiên cứu động học sấy và lượng nhiệt VLS
hấp thụ trong QTS cho thấy HTS BN kiểu bậc
thang cũng là một hướng đi để có thể tiết kiệm năng
lượng thông qua việc điều chỉnh năng suất nhiệt của
HTS.
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lýHTS GT-01
4.2.2.3. Mô hình thiết bị thí nghiệm HTS GT-01
Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý HTS GT-01 kiểu bậc thang
1. Máy nén 2;
4. Dàn bay hơi 2;
7. Máy nén 1;
10. Dàn bay hơi 1;
13. Quạt sơ cấp 1;
16. Quạt bypass;
2. Dàn ngưng chính 2;
5. Van điện từ 2;
8. Dàn ngưng chính 1;
11. Van điện từ 1;
14. Thiết bị sấy;
17. Cân điện tử;
3. Van tiết lưu 2 ;
6. Dàn ngưng phụ 2;
9. Van tiết lưu 1;
12. Dàn ngưng phụ B;
15. Quạt thứ cấp 2;
18.Bình chứa nước ngưng;
- 11 -
Hình 4.11b. Mô hình thí nghiệm HTS GT-01
Đối với HTS BN việc dừng xả băng là một điều không tránh khỏi, theo [5] quá trình
tiến hành liên tục trong 25 phút sau đó dừng nghỉ xả băng 5 phút là hợp lý. Ở đây chúng tôi
cũng tiến hành tương tự, cứ 5 phút lấy số liệu một lần và 25 phút hoạt động thì hệ thống sẽ
dừng 5 phút. Sau khi máy nén dừng hoạt động số liệu được ghi lại và sau đó thống kê và xử
lý trên máy tính bằng chương trình Excel 2010.
4.2.2.4. Bố trí thiết bị đo và lấy số liệu:
Phần này trình bày cách bố trí thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ TNS cũng như đo khối
lượng VSL.
4.2.2.5. Khả năng thay đổi chế độ hoạt động của HTS GT-01
Khả năng thay đổi các chế độ hoạt động của HTS GT-01 được thực hiện thông qua các chế
độ bật tắt các MN, dàn NT, dàn NP của các BN 1 và BN 2 cho trong bảng 4.3
Bảng 4.3. Các chế độ vận hành HTS GT-01
Hoạt động của các dàn trao đổi nhiệt
TT Tên chế độ
NT2
NP2
NT1
NP1
BH2 BH1
1
A
ON
OFF
ON
OFF
ON ON
2
B
ON
OFF
ON ON_KQ ON ON
3
C
ON
OFF
ON ON_CQ ON ON
4
D
ON ON_KQ ON ON_KQ ON ON
5
E
ON ON_KQ ON ON_CQ ON ON
6
F
ON ON_CQ ON ON_CQ ON ON
7
G
ON
OFF
OFF
OFF
ON OFF
8
H
ON ON_KQ OFF
OFF
ON OFF
9
I
ON ON_CQ OFF
OFF
ON OFF
Ghi chú: NT1 – dàn ngưng chính 1; NT2 - dàn ngưng chính 2 ; NP1 - dàn ngưng phụ 1; NP2 - dàn ngưng
phụ 2 ; BH1 - dàn bay hơi 1 ; BH2 - dàn bay hơi 2; ON_KQ - bật không dùng quạt; ON_CQ - bật dùng với
quạt; ON - Bật; OFF - tắt.
4.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 4
Thông qua nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi rút ra 03 kết luận sau:
1. Xây dựng phương pháp thí nghiệm xác định độ ẩm ban đầu của VLS
2. Xây dựng mô hình thiết bị thí nghiệm HTS BN kiểu bậc thang ký hiệu HTS GT-01 phục vụ
nghiên cứu thực nghiệm do luận án đề ra
3. Xây dựng các chế độ vận hành khác nhau theo hướng đảm bảo động học QTS để khảo sát
khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS GT-01
- 12 Chƣơng 5
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
5.1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LT TNTC KHI KỂ ĐẾN HIỆN TƢỢNG CN VLS
Kết quả giải hệ phương trình TNTC (3.1) được trình bày trong các phụ lục từ 1đến 5, với phạm vi
của TNS đã trình bày trong chương 2 bao gồm: độ ẩm tương đối a = 25 ÷ 45%, nhiệt độ ta = 30 ÷
45oC, tốc độ a = 0,5 ÷ 2,5 m/s, độ ẩm tương đối ban đầu của cà rốt w0 = 80 ÷ 90% hay độ chứa ẩm
M0 = 4 ÷ 9 kgâ/kgVLK. Từ TN với chiều dày cà rốt 2 =10 mm, nhiệt độ ban đầu t0 = 28oC đã xác
định được hệ số tốc độ CN trung bình tb = 9,091.10-8 m/s và độ chứa ẩm ban đầu của cà rốt M0 =
6,331 kgâ/kgVLK (hay độ ẩm tương đối ban đầu w0 = 86,36%). Từ kết quả giải hệ (3.1) với các số
liệu tương ứng với thực nghiệm, chúng tôi tiến hành nghiên cứu các ảnh hưởng sau đây đến độ chứa
ẩm và thời gian sấy cà rốt.
5.1.1 Ảnh hƣởng của thông số TNS đến độ chứa ẩm và TGS
Qua đồ thị 5.1 cho thấy, ở tốc độ 0,5 m/s các
điểm tính toán có xu hướng nằm phía trêncác điểm
có tốc độ TNS cao hơn trong khoảng 400 phút đầu.
Qua tính toán TGS dài nhất ở 0,5 m/s và ở 2,5 m/s
là ngắn nhất. Để đạt tới độ chứa ẩm cuối Mend =
0,105 kgâ/kgVLK ở tốc độ 0,5; 1,5 và 2,5 m/s lần
lượt mất 975; 902,5 và 862,5 phút. Khi tăng từ 0,5
m/s lên 1,5 m/s TGS giảm 7,4% nhưng tiếp tục
tăng thêm từ 1,5 m/s lên 2,5 m/s thì TGS giảm đi
còn 4,4%. Như vậy, cần căn cứ vào sự ảnh hưởng
đến khả năng làm việc của các thiết bị trong HTS
để xác định giá trị tốc độ TNS phù hợp bởi vì sẽ có
giá trị tốc độ TNS mà ở đó nếu tăng thêm cũng Hình 5.1. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ
a = 35%; ta = 35oC; a = 0,5÷2,5 m/s
không làm thay đổi TGS đáng kể nữa.
Tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ TNS đến độ chứa ẩm và TGS, chúng tôi cho nhiệt độ
TNS thay đổi trong phạm vi từ 30 ÷ 45oC trong khi các điều kiện khác không đổi, kết quả như đồ
thị hình 5.2
Sau khoảng 100 phút đầu tiên thì đường cong
sấy ở các nhiệt độ khác nhau đã tách ra thành 4
đường riêng biệt. Đường cong biểu diễn sự thay đổi
độ ẩm chậm nhất chính là đường nằm trên cùng ứng
với nhiệt độ TNS thấp nhất là 30oC, tiếp đến là
đường cong biểu diễn QTS ở nhiệt độ 35oC, 40oC và
đường dưới cùng ứng với 45oC. Càng về cuối quá
trình, các đường cong càng có xu hướng gần vào
nhau, rõ rệt nhất là từ phút thứ 600 trở đi. Kết quả
tính toán cho thấy, TGS để VLS đạt độ ẩm TB cuối
QTS Mend = 0,105 kgâ/kgVLK (độ ẩm tương đối
Hình 5.2. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a
wend = 9,5%) mất lần lượt 716,5 phút; 805 phút;
= 35%; ta = 30÷45oC; a = 1,5 m/s
o
902,5 phút và 1019 phút tương ứng ở nhiệt độ TNS 45 C; 40oC; 35oC và 30oC. Như vậy, có thể
thấy nhiệt độ TNS có ảnh hưởng rất lớn đến QTS. Sai lệch TGS lớn nhất là 42,2%. Trong khi đó, độ
chứa ẩm cần bằng Me tính theo (3.22) ở 30oC và 45oC là 0,095 kgâ/kgVLK và 0,082 kgâ/kgVLK.
- 13 Như vậy, sự thay đổi độ chứa ẩm cân bằng từ 30oC lên 45oC bằng (0,095-0,082)/0,095 = 13,7%.
Qua tính toán, nếu độ chứa ẩm cân bằng giảm xuống 13,7% thì TGS giảm đi 42,2%. Từ đây có thể
nhận xét rằng nhiệt độ của TNS có ảnh hưởng rất lớn đến QTS và nhiệt độ TNS có thể chọn càng
cao càng tốt trong khoảng từ 30oC đến 45oC. Tất nhiên việc lựa chọn nhiệt độ TNS phải lưu ý đến
các tính chất hóa lý của VLS, sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng và thành phần hóa học của
VLS cũng như khả năng làm việc của BN…
Độ ẩm tương đối của TNS có ảnh hưởng đến TGS và độ chứa ẩm của VLS cũng được chúng
tôi nghiên cứu trong phạm vi từ 25 ÷ 45% khi các điều kiện khác không thay đổi. Kết quả thể hiện
trên đồ thị hình 5.3. Đồ thị hình 5.3 thể hiện rằng tuy độ ẩm tương đối của TNS khác nhau nhưng sự
thay đổi độ chứa ẩm trong toàn bộ QTS đều có chung một dạng đường cong mà không có tách biệt
rõ ràng như đối với trường hợp nhiệt độ của TNS thay đổi.
Khi độ ẩm tương đối của TNS càng thấp thì TGS
càng ngắn, điều này luôn đúng và kết quả tính toán
cũng thể hiện được điều này. Theo số liệu tính toán
và như hình 5.4, để độ ẩm cuối đạt đến giá trị Mc =
0,105 (kg/kgVLK) mất 836 phút ở = 25(%),
902,5 phút ở = 35 (%) và mất 1192 phút với =
25(%). Kết quả này đã làm rõ được ảnh hưởng của
độ ẩm TNS đến TGS trong khi nếu sử dụng
MHKCN, điều này còn chưa được chứng minh một
Hình 5.4. Đường cong sấy của cà rốt ở chế
độ a = 25÷35%; ta = 35oC; a = 1,5 m/s
cách rõ ràng.
5.1.2. Ảnh hƣởng của điều kiện ban đầu VLS đến độ chứa ẩm và TGS
Cho thay đổi nhiệt độ ban đầu của VLS trong
khoảng 24 ÷ 32oC, hay độ chứa ẩm trong khoảng
4,09 ÷ 9,35 kgâ/kgVLK. Các thông số của TNS giữ
nguyên không đổi bao gồm ta = 35oC, a = 35%, a
= 1,5 m/s. Để tiện theo dõi và nhận xét, chung tôi
cũng biểu diễn lần lượt trên hình 5.5 sự thay đổi độ
ẩm TB VLS theo thời gian ở các nhiệt độ ban đầu
VLS khác nhau và hình 5.6 là thay đổi độ ẩm TB
VLS theo thời gian ở các độ ẩm ban đầu khác nhau. Hình 5.5. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ
a=35(%); ta=35(oC); a =1,5(m/s) và
Hình 5.5 thể hiện các đường cong sấy gần như trùng
t0 = 28÷32(oC);
nhau, sự khác nhau chỉ thể hiện thông qua số liệu
tính toán cụ thể, ở 24oC, 28oC và 32oC mất tổng
TGS lần lượt là 903 phút; 902,5 phút và 901,5 phút
để đạt đến cùng độ ẩm cuối Mend = 0,105
kgâ/kgVLK. Như vậy, trong khoảng nhiệt độ của cà
rốt trước khi vào sấy từ 24 ÷ 32oC không làm ảnh
hưởng đến QTS. Từ hình 5.6 có thể thấy được rằng
nếu sấy cà rốt có các độ ẩm ban đầu khác nhau ở
trong cùng một điều kiện của TNS thì diễn biến của
QTS không có sự khác nhau. Để đạt tới độ ẩm cuối Hình 5.6. Đường cong osấy của cà rốt ở chế độ
a=35%; ta=35 C; a =1,5 m/s và
QTSlà Mend = 0,105 kgâ/kgVLK với độ ẩm ban đầu
w = 80,34÷90,34%
0
- 14 80,34% mất tổng thời gian sấy là 860 phút trong khi ở 86,34% và 90,34% mất lần lượt là 902,5 và
938 phút. Như vậy, sự chênh lệch về TGS ứng với các giá trị độ ẩm ban đầu của cà rốt sấy là không
quá lớn, cụ thể như sự chênh lệch lớn nhất về TGS là 78 phút bằng 9,1%.
5.1.3.
Lƣợng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS
Sau khi giải hệ phương trình TNTC (3.1), lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS được chúng tôi tính
theo biểu thức (3.56) và tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ theo (3.57) như trong chương 3. Kết quả
tổng hợp được trình bày trong bảng 5.1 đối với tất cả các trường hợp khác nhau của thông số TNS
(ta, a, a) cũng như điều kiện ban đầu (t0, w0) khác nhau củaVLS.
Bảng 5.1. Tổng hợp lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS
Nhiệt độ TNS
ta
Lượng nhiệt VLS hấp thụ
o
C
30
35
40
45
q
kJ/m2
271,3
383,5
492,3
602,9
TGS
phút
1019
902,5
805
716,5
Độ ẩm tương đối TNS
a
%
25
35
45
-
Lượng nhiệt VLS hấp thụ
q
kJ/m2
383,8
383,5
383,1
-
TGS
phút
836
902,5
1192
-
Tốc độ TNS
a
m/s
0,5
1,5
2,5
-
Lượng nhiệt VLS hấp thụ
q
kJ/m2
471,2
383,5
295,7
-
TGS
phút
975
902,5
862,5
-
Nhiệt độ ban đầu VLS
tTB
C
24
28
32
-
Lượng nhiệt VLS hấp thụ
q
kJ/m2
493,8
383,5
296,1
-
TGS
phút
903
902,5
901,5
-
Độ ẩm tương đối TB VLS
w
%
80,34
86,34
90,34
-
o
Lượng nhiệt VLS hấp thụ
q
kJ/m
1171,2
1505,1
1947,2
-
TGS
phút
860
902,5
938
-
2
Từ bảng 5.1 cho thấy rằng khi độ ẩm của TNS thay đổi, lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS thay
đổi rất ít. Và tương tự như khi nhận xét ảnh hưởng của nhiệt độ TNS đến TGS ở trên, khi ta cho
nhiệt độ TNS tăng lên, lượng nhiệt VLS hấp thụ cũng tăng theo và TGS sẽ giảm xuống. Do đó nên
lựa chọn nhiệt độ TNS càng cao càng tốt trong phạm vi 30÷45oC, độ ẩm tương đối cũng như tốc độ
của TNS cần dựa trên các điều kiện phù hợp với phạm vi làm việc của HTS. Điều đó cũng đảm bảo
cung cấp nhiệt cho VLS nhanh nhất theo tính toán lượng nhiệt VLS hấp thụ. Mặt khác khi xem xét
lượng nhiệt VLS hấp thụ ở các điều kiện ban đầu khác nhau của VLS chúng tôi thấy sự khác nhau
rõ ràng. Nếu nhiệt độ ban đầu của VLS tăng lên thì lượng nhiệt VLS hấp thụ sẽ giảm đi và ngược
lại khi độ ẩm ban đầu của VLS tăng lên thì lượng nhiệt do VLS hấp thụ cũng sẽ tăng lên theo. Điều
đó phản ánh đúng thực tế do sự chênh lệch nhiệt độ giữa VLS và TNS càng lớn thì lượng nhiệt cung
cấp cho VLS càng nhiều để tiệm cận nhiệt độ của VLS. Bên cạnh đó nếu độ ẩm ban đầu của VLS
tăng lên thì lượng nhiệt cung cấp cho VLS cần nhiều hơn.
Như vậy, dựa trên kết quả NC sự ảnh hưởng của các thông số TNS và điều kiện ban đầu của
VLS đến TGS và QTS, chúng tôi lựa chọn các thông số để nghiên cứu động học QTS như sau: TNS
có a = 35%, ta = 35oC, a = 1,5 m/s, VLS có t0 = 28oC, w0 = 86,4% hay độ chứa ẩm ban đầu M0 =
6,33 kgâ/kgVLK. Kết quả nghiên cứu động học QTS sẽ được trình bày trong mục tiếp theo
- 15 5.1.4. Động học QTS
5.1.4.1. Đƣờng cong sấy
Từ đồ thị hình 5.7 thấy rằng không tồn tại giai
đoạn tốc độ sấy không đổi đối với cà rốt trong
điều kiện nghiên cứu. Toàn bộ QTS nằm trong
giai đoạn tốc độ sấy giảm dần, điều này cũng
phù hợp với nhận xét của một số công trình trong
và ngoài nước. Đối với mô hình toán học (3.1) đã
trình bày ở chương 3, kết quả tính toán đã phản
ánh được diễn biến QTS theo lý thuyết cơ sở của
kỹ thuật sấy chứng tỏ MHCN đã đáp ứng được
yêu cầu để nghiên cứu LT.
5.1.4.2 Đƣờng cong nhiệt độ sấy
Đặc trưng cho tính chất keo xốp mao dẫn và
đặc biệt là ở giai đoạn tốc độ sấy giảm dần, nhiệt
độ tại tâm tc có xu hướng tiến đến gần nhiệt độ tại
bề mặt, điều này cũng tương tự như nhận xét trong
một số tài liệu đã công bố. Mặt khác, trên đồ thị
hình 5.8 xuất hiện khoảng thời gian đầu tiên có sự
giảm nhiệt độ ở cả tâm và bề mặt của VLS nhưng
thời gian này rất ngắn và sau đó cả bề mặt và tâm
VLS đều tăng nhiệt độ. Theo phân tích sự thay đổi
nhiệt độ trong QTS, việc tăng nhiệt độ ở cả tâm và
bề mặt VLS chứng tỏ sự bắt đầu của giai đoạn tốc
độ sấy giảm dần. Để xác định rõ thời điểm bắt đầu
giai đoạn tốc độ sấy giảm dần, chúng tôi biểu diễn
sự thay đổi nhiệt độ tại tâm tc và thay đổi nhiệt độ
tại bề mặt tb của VLS theo thời gian ở 5 phút đầu
tiên của QTS như trên hình 5.9. Trên hình 5.9 đã
thể hiện giai đoạn tốc độ sấy giảm dần bắt đầu ở
phút thứ 2,5 trở đi (khi nhiệt độ ở tâm tc và nhiệt
độ bề mặt tb cùng tăng). Để nghiên cứu toàn bộ sự
thay đổi nhiệt độ của VLS theo thời gian, chúng
tôi biểu diễn đường thay đổi nhiệt độ tại tâm tc, tại
bề mặt tb và nhiệt độ TB VLS trên cùng một đồ thị
hình 5.10. Từ kết quả tính toán và hình 5.10 cho
thấy, trong khoảng 50 phút đầu, nhiệt độ của VLS
tăng nhanh và sau đó tăng chậm dần, nhiệt độ tại
bề mặt lúc này là 33,85(oC) trong khi tại tâm là
33,78(oC), nhiệt độ TB VLS là 33,8(oC). Nếu tổng
TGS là 902,5 phút để độ ẩm đạt đến giá trị Mend =
0,105 kgâ/kgVLK (hay wend = 9,5% thì chỉ mất có
50 phút để nhiệt độ của VLS tăng lên 5,85oC
nhưng còn lại 855,5 phút (chiếm 94,47% tổng
TGS) để nhiệt độ VLS tăng lên thêm khoảng
Hình 5.7. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ
a=35%; ta=35oC; a =1,5 m/s
ts
ttc
Hình 5.8. Đường cong nhiệt độ sấy của
cà rốt ở chế độ 35oC;1,5 m/s;35%
ts
Hình 5.9. Đường cong nhiệt độ sấy của cà rốt
ở chế độ 35oC;1,5 m/s;35% trong 5 phút đầu .
ttb
ts
tc
Hình 5.10. Thay đổi nhiệt độ tại tâm tc, bề
mặt ts và nhiệt độ TB của cà rốt ttb theo
thời gian ở chế độ 35oC;1,5m/s;35%
- 16 .
1,21oC. Như vậy, lượng nhiệt từ TNS truyền vào VLS chỉ để làm biến lỏng trong VLS thành hơi mà
hầu như không làm thay đổi nhiệt độ của VLS. Hình dạng đường thay đổi nhiệt độ ở đây đã phản
ánh giống như đường biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ trong QTS như trong các tài liệu về KTS.
5.1.4.3 Đƣờng cong tốc độ sấy
Hình 5.11 thể hiện rõ rằng đường cong tốc độ
sấy cũng chỉ xác định một chế độ tốc độ sấy
giảm dần mà không tồn tại giai đoạn tốc độ sấy
không đổi và giai đoạn đốt nóng. Trên đồ thị có
tồn tại một điểm uốn, đây chính là điểm tới hạn
thứ 2 theo cách gọi của Trần Văn Phú. Đường
cong này cũng có cùng với đặc tính của đường
cong đặc trưng cho vật liệu ẩm có cấu trúc dạng
Hình 5.11. Đường cong tốc độ sấy của cà rốt
keo xốp mao dẫn phổ biến như các loại nông sản
ở chế độ a=35%; ta=35oC; a =1,5 m/s
5.1.4.4. Lƣợng nhiệt VLS hấp thụ
Nghiên cứu lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS có thể giúp chúng tôi hiểu được quá trình trao
đổi nhiệt giữa TNS và VLS cũng như cung cấp thêm thông tin để đưa ra giải pháp trong quá trình
vận hành HTS sao cho có lợi nhất về mặt năng lượng. Chúng tôi biểu diễn kết quả tính toán lượng
nhiệt VLS hấp thụ theo biểu thức (3.56), (3.57) trên đồ thị hình 5.12, hình 5.13
Hình 5.12. Lượng nhiệt VLS hấp thụ theo thơi gian ở chế độ ta =
35oC; a = 1,5 m/s;a = 35%.
Hình 5.13. Tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ theo thơi gian ở chế độ ta
= 35oC; a = 1,5 m/s;a = 35%.
Từ hình 5.12 cho thấy trong thời gian đầu QTS, khoảng 50 phút đầu tiên lượng nhiệt VLS hấp
thụ ứng với từng bước thời gian tăng rất nhanh. Ví dụ như trong khoảng từ phút thứ 1 đến
phút thứ 1,5 lượng nhiệt VLS nhận được là 3,056 kJ/m2. Sau đó lượng nhiệt VLS hấp thụ trong các
bước tiếp theo có xu hướng giảm dần, như ở phút 12 đến 12,5 VLS chỉ còn nhận được 2,737
kJ/m2 hay ở phút thứ 24,5 đến 25 là 1,657 kJ/m2. Ta thấy, nếu TGS càng tăng thì lượng nhiệt VLS
hấp thụ trong bước càng giảm. Ở cuối QTS, do lúc này sự chênh lệch nhiệt độ giữa VLS và TNS
còn rất nhỏ nên lượng nhiệt VLS nhận được cũng giảm đi và tiến dần đến 0. Như vậy, trong khoảng
100 phút đầu của QTS, lượng nhiệt VLS hấp thụ trong mỗi bước có sự thay đổi đáng kể. Tuy
nhiên, trên hình 5.13 thể hiện rằng tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ đến phút 100 là 228,1 kJ/m2 trong
khi toàn bộ QTS cần 383,5 kJ/m2, như vậy sau 100 phút giá trị này đã đạt 59,5%. Mặt khác, tổng
TGS theo tính toán là 902,5 phút để độ chứa ẩm TB VLS giảm từ M0 = 6,331 kgâ/kgVLK xuống
còn Me = 0,1 kgâ/kgVLK nhưng sau 100 phút độ chứa ẩm mới giảm xuống 3,546 kgâ/kgVLK
chiếm 56,9% trên tổng lượng ẩm cần giảm xuống. Ở đây có sự tương đồng về tổng lượng nhiệt
VLS hấp thụ so với sự giảm độ chứa ẩm TB VLS. Trong khí đó, TGS mới chỉ mất 100 phút chiếm
11,1% trong tổng số 902,5 phút để hoàn thành QTS. Điều đó có nghĩa là mất gần 90% tổng TGS để
tách đi hơn 40% độ ẩm còn lại trong VLS.
- 17 Qua nghiên cứu về lượng nhiệt VLS hấp thụ chúng tôi thấy tồn tại vấn đề cần giải quyết đó là
do lượng nhiệt VLS hấp thụ giảm dần theo thời gian nhưng rất cần tập trung ở giai đoạn đầu QTS.
Vì vậy, cần có biện pháp tăng cường cấp nhiệt cho VLS trong giai đoạn này. Bên cạnh đó cũng phải
có biện pháp giảm dần sự cấp nhiệt cho VLS ở giai đoạn sau, nhất là ở cuối QTS. Đối với HTS BN
vấn đề này rất quan trọng khi sử dụng sấy mẻ tuần hoàn kín và ở nhiệt độ TNS cao hơn nhiệt độ
môi trường. Do đó, chúng tôi thông qua nhận xét này đề xuất một phương án vận hành HTS BN
kiểu bậc thang để giải lượng nhiệt thừa ra khỏi hệ thống một cách có lợi về mặt năng lượng
5.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
5.2.1 Xác định các thông số của VLS và TNS để tính lý thuyết theo giá trị thực nghiệm
Qua 9 thí nghiệm từ A đến I, chúng tôi lựa chọn thí nghiệm hoạt động theo chế độ C để làm các
thông số cơ sở cho tính toán lý thuyết. Hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất (3.1) ở các trường
hợp có kể đến CN VLS và không xét đến CN VLS sẽ được tính với các giá trị theo thí nghiệm ở chế
độ C như sau:
1. Vật liệu sấy: Chiều dày 20 = 10 mm; đường kính L = 50 mm; Độ chứa ẩm ban đầu TB VLS M0
= 6,33 kgâ/kgVLK hay w0 = 86,4%; Độ chứa ẩm cuối TB VLS Mend =0,136 kgâ/kgVLK ứng với
wend = 12% (theo [97], [98] giá trị độ ẩm bảo quản của cà rốt sấy là 12% nên ở đây chúng tôi chọn
giá trị cuối của QTS là 12%); Độ chứa ẩm cân bằng VLS Me = 0,1 kgâ/kgVLK tương đương we=
9,1% ; Nhiệt độ ban đầu của VLS t0 = 28oC; chiều dày kết thúc QTS (trạng thái cân bằng) 2e = 4
mm; tốc độ CN VLS tb=9,091.10-8 m/s. Tổng thời gian sấy là 550 phút để đạt đến trạng thái cân
bằng (we= 9,1%) và mất 535 phút để độ ẩm cà rốt sấy đạt wend = 12%.
2. Tác nhân sấy: nhiệt độ ta = 43,9oC; tốc độ a = 1,5 m/s và độ ẩm a = 46,5%
Dựa vào các thông số trên, chúng tôi giải hệ phương trinh TNTC (3.2) bằng phương pháp
SPHH, tiến hành tính toán với MHKCN khi tốc độ CN tb = 0 và MHCN khi tb=9,091.10-8 , m/s.
5.2.2. Đánh giá độ chính xác của MHCN so với thí nghiệm
5.2.2.1. Đánh giá theo sự thay đổi độ ẩm tƣơng đối VLS
Kết quả giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất (3.1) với các điều kiện đơn trị tương ứng
với MHCN và MHKCN được chúng tôi sử dụng để đánh giá mức độ phù hợp với số liệu từ nghiên
cứu thực nghiệm. Số liệu tính toán lý thuyết và số liệu thực nghiệm biểu diễn sự thay đổi độ ẩm
tương đối TB của VLS trong QTS được trình bày trong bảng 5.2.
Bảng 5.2. Kết quả thí nghiệm và tính toán lý thuyết độ ẩm tương đối TB VLS
TGS MHCN
, phút w, %
0
86,4
25
83,2
50
80,7
75
78,1
100
75,3
125
72,2
150
68,9
175
65,2
200
61,3
225
57,1
250
52,7
275
48,2
MHKCN
w, %
86,4
83,2
80,7
78,2
75,6
72,8
69,9
66,8
63,6
60,3
57,0
53,6
TN
w, %
86,4
85,0
83,5
81,5
79,3
76,8
74,2
71,1
68,5
65,7
62,1
57,9
TGS
, phút
300
325
350
375
400
425
450
475
500
525
530
535
MHCN MHKCN
w, %
w, %
43,8
50,2
39,3
46,8
35,1
43,6
31,1
40,4
27,4
37,4
24,1
34,5
21,2
31,9
18,7
29,4
16,6
27,1
14,8
25,0
14,5
24,7
14,3
24,3
TN
w, %
53,4
48,3
42,7
37,4
32,5
27,8
22,9
18,8
15,3
13,3
12,5
12,2
TGS
, phút
540
545
550
575
600
625
650
675
700
725
750
775
MHCN
w, %
14,0
13,7
13,4
12,0
-
MHKCN
w, %
23,9
23,5
23,2
21,5
19,9
18,6
17,4
16,3
15,3
14,5
13,3
12,0
TN
w, %
10,8
9,9
9,1
-
Sự thay đổi độ ẩm tương đối TB VLS theo thời gian từ thí nghiệm, từ kết quả tính toán MHCN
và MHKCN cũng được chúng tôi biểu diễn trên đồ thị hình 5.14. Từ bảng 5.2 và đồ thị hình 5.14
cho thấy kết quả tính toán giữa mô hình lý thuyết MHCN và thí nghiệm đã tương đối gần nhau ở
- 18 điểm cuối trong khi mô hình MHKCN có điểm cuối
rất xa trên trục thời gian.Như vậy có thể thấy rằng
MHCN đã thể hiện được quá trình biến đổi độ ẩm
trong VLS khá phù hợp. Sự phù hợp này còn được
đánh giá qua hệ số MAE = 10,5% và sai lệch trung
bình RMSE = 0,06 ở MHCN trong khi hệ số MAE =
18,2% và RMSE = 0,06 ở MHKCN. Khi so sánh về
TGS ta thấy kết quả thí nghiệm biểu thị VLS có độ
ẩm tương đối TB là 12% ở phút 535 trong khi tính
toán MHCN cho giá trị 12% ở phút 575 và MHKCN
cho giá trị 12% sau 775 phút. Sai lệch về TGS dựa
Hình 5.14. So sánh kết quả thí nghiệm
trên kết quả thí nghiệm và tính toán lý thuyết lần
và tính toán lý thuyết với MHCN và MHKCN
lượt là 7,5% ở MHCN và 44,9% ở MHKCN.
ở chế độ 43,90C; 46,5%; 1,5 m/s
Qua đó, có thể rút ra nhận xét rằng nếu dựa vào giá trị độ ẩm wend = 12% ở các trường hợp tính toán
với MHCN và MHKCN theo thực nghiệm thì chưa kết quả chưa thể hiện sự khác biệt rõ ràng về
ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS. Trong khi TGS sẽ tăng thêm 240 phút có nghĩa là tăng thêm
44,9% nếu bỏ qua hiện tượng CN VLS. Tóm lại, đối với VLS là cà rốt dạng lát mỏng, nếu sử dụng
MHKCN là không phù hợp và cần phải sử dụng MHCN trong nghiên cứu TNTC như QTS ở đây.
5.2.2.2. Đánh giá theo sự thay đổi khối lƣợng VLS
Từ đồ thị hình 5.15 cho thấy, sự sai lệch về
TGS ở MHCN và TN là không lớn, tương tự như
kết luận khi nghiên cứu sự thay đổi độ ẩm tương
đối TB VLS theo TGS. Sai lệch về TGS để khối
lượng VLS đạt đến giá trị 0,15 kgVLÂ thì mất lần
lượt là 575 phút, 775 phút và 535 phút ứng với
MHCN, MHKCN và TN.
Qua đánh giá về sự thay đổi khối lượng và độ
ẩm tương đối của VLS theo thời gian ở MHCN và Hình 5.15. Đường cong thay đổi khối lượng VLS giữa
thí nghiệm và lý thuyết ở chế độ 43,90C; 46,5%; 1,5m/s
MHKCN với TN có thể nhận xét rằng trong
trường hợp nghiên cứu TNTC của VLS dạng tấm ph ng như cà rốt dạng thái lát, nếu bỏ qua ảnh
hưởng của sự CN VLS sẽ gặp sai số tương đối lớn về TGS. Để giảm sai số về tính toán TGS, cần
thiết phải xét đến hiện tượng CN VLS.
5.2.2.3. Đánh giá theo tốc độ sấy
Tốc độ sấy là đại lượng biểu thị quan hệ giữa
sự giảm ẩm theo thời gian và độ chứa ẩm của VLS.
Sự phù hợp của MHCN và MHKCN với TN cũng
cần phải được đánh giá thông qua tốc độ sấy. Kết
quả được biểu diễn trên đồ thị hình 5.16.Đường
cong tốc độ sấy trên hình 5.14 cho thấy các giá trị
của MHCN đã tiến đến gấn hơn với giá trị cuả TN,
từ độ chứa ẩm 4,4 kgâ/kgVLK xuống độ chứa ẩm
cân bằng. Đó là khoảng thời gian rất quan trọng
Hình 5.16. So sánh kết quả TN và tính toán LT với
trong toàn bộ QTS vì nó chiếm đến hơn 85% tổng MHCN và MHKCN ở chế độ 43,90C; 46,5%; 1,5 m/s
TGS. Các giá trị của MHCN đã nằm giữa tốc độ
- 19 sấy của MHKCN và TN không tồn tại giai đoạn đốt nóng và giai đoạn tốc độ sấy không đổi. Như
vậy có thể thấy sự chính xác so với kết quả TN đã được tăng lên khi sử dụng MHCN. Trên hình
5.13 cũng cho thấy rằng có tồn tại điểm tới hạn thứ hai, giá trị độ chứa ẩm ở trạng thái giới hạn này
là 1,92 kgâ/kgVLK. Qua tính toán và so sánh kết quả giải hệ phương trình (3.1) cho chúng tôi thấy
rằng nếu sử dụng MHCN, độ chính xác so với TN đã tăng lên so với MHKCN. Về mặt TGS,
MHCN đã cho kết quả tương đối gần với TGS từ TN, sai số chỉ ở 7,5% trong khi ở MHKCN sai số
này lên tới 44,9%. Mặt khác, ở nghiên cứu sự thay đổi khối lượng VLS hay tốc độ sấy trong QTS
đều chứng minh MHCN có độ chính xác tốt hơn so với MHKCN. Những điều đó đã thể hiện được
sự phù hợp của việc xét đến hiện tượng CN VLS trong giải hệ phương trình TNTC (3.2)
5.2.3. Đánh giá sự hiệu chỉnh phƣơng pháp xác định TGS theo LT tƣơng tự khi kể đến
CN VLS
5.2.3.1. Xác định hệ số khuếch tán ẩm theo sự CN VLS
Quan hệ giữa chiều dày và độ chứa ẩm của cà rốt theo thí nghiệm được xác định theo
mục 3.3 và kết quả thu được có dang (5.1): = 0,0033.M0,2212
(5.1)
Từ thực nghiệm cũng rút ra được quan hệ giữa thời gian sấy và độ chứa ẩm không thứ
nguyên theo biểu thức (5.2): ln(
M
) ln MR 1,2232.10 4. 0.21
M0
(5.2)
Từ đó rút ra độ dốc k trong trường hợp này là 0,00012232 1/s. Thay k và 0, e vào (3.61)
thu được D0 và De lần lượt là:
k.4. 2 1,2232.104.4.0,0052
D0
1,23936.10-9 m2/s
(5.3)
2
2
3,1415
k.4. 2 1,2232.104.4.0,0022
De
1,98298.1010 m2/s
(5.4)
2
2
3,1415
Như vậy, chúng ta đã xác định được các giá trị của hệ số khuếch tán ở trạng thái đầu D0, trạng
thái cân bằng De theo thực nghiệm cũng như quan hệ của kích thước cà rốt sấy theo độ chứa ẩm
(5.1). Từ lập luận đã nêu và sử dụng biểu thức (3.63), giá trị hệ số Dend ở độ chứa ẩm cuối của cà rốt
Mend = 0,139 kgâ/kgVLK hay độ ẩm tương đối wend = 12,2 % là:
Dend
1,23936.109 1,98298.1010
2,178.103 0,002 1,98298.1010
0,005 0,002
(5.5)
Dend 2,60698.10 , m / s
10
2
Trong đó chiều dày ở trạng thái cuối end được tính từ (5.1), ở đây coi như trong khoảng thời gian
cuối của QTS từ phút thứ 525 đến phút thứ 535 sự thay đổi kích thước của chiều dày là không
đáng kể và bằng: end = 0,0033.(0,153)0,2212 = 0,002178, m
Sau khi có các giá trị hệ số khuếch tán D từ thực nghiệm, thay vào các biểu thức tính toán TGS theo
phương pháp tương tự ta sẽ thu được giá trị cần tìm.
5.2.3.2 Xác định thời gian sấy
Về mặt toán học, hiện tượng trao đổi ẩm xảy ra đối với lát cà rốt trong TBS tương tự như
trường hợp dẫn nhiệt qua tấm ph ng với điều kiện biên loại 3 đối xứng. Theo lý thuyết tương tự,
nghiệm của trường hợp dẫn ẩm ở điều kiện biên loại 3 đối xứng có hình dạng tương tự như nghiệm
của trường hợp dẫn nhiệt qua tấm ph ng điều kiện biên loại 3 đối xứng. Tỷ số giữa nhiệt lượng
Q(0,) tỏa ra từ thời điểm 0 và nhiệt lượng Q(0,) tỏa ra từ thời điểm đầu đến vô cùng 0 có
dạng:
2
exp( μ Fo)
0, τ 1 θ* 1 2Bi 2
n
T
2
2
Q
n 1 μ n [μ n Bi(Bi 1)]
0,
Q
(5.6)
- 20 Theo lý thuyết tương tự đã trình bày trong mục 1.3.3.3 ta có:
M M
exp( μ 2 Fo )
2
e
n M
1 MR 1
1 2Bi
M
2
2
Q
M M
n 1 μ [μ Bi (Bi 1)]
0, M(0, )
0
e
n n
M M
Q
0, τ
M
(0, )
(5.7)
Trong đó MR là độ chứa ẩm không thứ nguyên :
M M
exp( μ 2 Fo )
2
e
n M
MR
2Bi
M
2
2
M M
n 1 μ [μ Bi (Bi 1)]
0
e
n n
M M
(5.8)
M .L
, nbgbmmhệ số trao đổi chất trung bình M, m/s được tính theo (3.36), giống như
D
xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình , W/m2K đã trình bày trong chương 3. Kết quả tính
toán các đại lượng cho trong bảng 5.6
và Bi M
Bảng 5.6. Kết quả tính toán các đại lượng
TT
1
2
3
4
Đại lượng
Hệ số nhớt động lực
TNS
Khối lượng riêng
TNS
Hệ số nhớt động học
TNS
Hệ số khuếch tán ẩm
trong không khí
Ký hiệu
, kg/m.s
, kg/m3
Biểu thức tính
1,767676.10-13.t3-5,5411255.10-11.t2 +
4,983297.10-8.t+17,196428.10-6
-3,510101.10-8.t3+1,583983.10-5.t2 4,699520.10-3.t+1,292136
, m2/s
Kết quả
1,88.10-5
1,15
1,64.10-5
Dâ, m2/s
Dâ 1,87.10 10.273 t
2, 072
2,66.10-5
5
Tiêu chuẩn Reynold
Re
Re
.L
4573,17
6
Tiêu chuẩn Schmidt
Sc
Sc
Dâ
0,6165
7
Hệ số trao đổi chất
M
M 0,664 Re 0,5 Sc 0,33
8
Tiêu chuẩn Bio
truyền chất
BiM
Bi M
M .L
D0
Dâ
L
0,0204
821559,14
khi tiêu chuẩn Bi (Bi > 100) thì (5.8) trở thành:
2n 1 2
M M
8
2
e
(5.9)
MR
exp
Fo
2
2
M
M M
2
n
1
(
2
n
1
)
0
e
Như vậy thì với trường hợp BiM rất lớn, việc xác định FoM trở nên khá đơn giản. Với những dữ liệu
đã biết, TGS sẽ xác định được khi tìm được FoM, ở đây để đảm bảo chính xác cho tính toán khi tính
FoM, lấy 3 giá trị đầu tiên của (5.9) tương ứng n =1, 2, 3. Ta có độ chứa ẩm không thứ nguyên MR
bằng:
M M
e 0,139 0,1 0,00626
MR
M M
6,330 0,1
0
e
(5.10)
Thay MR vào (5.9) và giải ta được FoM = 1,97113. Từ giá trị FoM vừa tìm được sẽ xác định được
TGS. Để có cơ sở để đối chiếu và kh ng định sự phù hợp của kết quả xác định TGS theo phương
pháp tương tự với TN, chúng tôi tiến hành so với phương pháp giải hệ phương trình TNTC (3.1)
như đã trình bày trong phần trước và bảng 5.2. Kết quả so sánh được tổng hợp trong bảng 5.8.
- Xem thêm -
.PDF 
24 
313 
63 
