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

- 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 LÊ VĂN DINH Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS.
- 2 1.1 Chuyển động của hạt trong công nghệ hóa chất và thực phẩm.
- 2 1.2 Cở sở quá trình truyền nhiệt.
- 21 2.3.1 Tính toán trao đổi nhiệt Mô hình vật lý quá trình truyền nhiệt.
- 37 3.1 Truyền nhiệt vật khô 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 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 KẾT LUẬN.
- 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.
- 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%.
- 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.
- (I-1) Trong ñó: λ: là ñộ dẫn nhiệt, W/m.oC.
- F: là bề mặt vuông góc với phương dẫn nhiệt, m2.
- 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 (I-2) Trong ñó Ko mWKo, là hằng số bức xạ vật ñen tuyệt ñối.
- ðối với vật xám phương trình có dạng TCTCEEooεε (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: τϕ TTCQbx (I-4) 21−ϕ là hệ số góc trung bình.
- 4 C1-2 là hệ số bức xạ chung.
- ðối với hai vật thể bao trùm nhau: τ TTCQbx (I-5) Với hệ số AFFACCo 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: τα...tbtFQ.
- (I-6) Trong ñó: Q: là lượng nhiệt cấp vào vật, j.
- F: là diện tích bề mặt tham gia trao ñổi nhiệt, m2.
- α: là hệ số cấp nhiệt, Co.mW2 tbt∆: là ñộng lực truyền nhiệt trung bình, oC.
- 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.
- 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: 43,09,0Pr.Re.008,0=Nu (I-7) 6 Khi lưu thể chuyển ñộng dọc theo tường phẳng ta có công thức: Với Re Pr.Re nttnddNu (I-8) Khi lưu thể là không khí thì công thức ở dạng ñơn giản: 2,0Re.032,0=Nu (I-9) Với Re100 (I-18) Với lớp tầng sôi.
- 3,1Re.3,0=Nu (I-19) Khi mặt cắt ngang của thiết bị là không ñổi, một số tác giả ñưa ra công thức tổng quát sau: ohdNu .Re25,0= (I-20) Trong ñó : Nu = αd/λ’.
- α - hệ số cấp nhiệt, W/m2.ñộ.
- hệ số dẫn nhiệt của khí, W/m.ñộ.
- 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: 04,02A..Re gNuω (I-21) Trong ñó: A: là biên ñộ dao ñộng, m.
- gA2.ω là gia tốc rung tương ñối.
- 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.
- 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 τβtbnbhxFm.
- (I-23) Trong ñó.
- β là hệ số cấp khối, kg/m2.s.
- F là diện tích bề mặt bat hơi, m2.
- tbx∆ là lực chuyển ñộng trung bình của quá trình sấy, ñược tính theo công thức: )ln(2121xxxxxtb.
- vlx, kkx 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 Pr.Re GuAuNn= (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 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: 2131Re6,00,2DppdScdkSh.
- (I-25) Trong ñó: DScρµ=, µρoppvd=Re Với D là hệ số khuếch tán, và Sh, Sc, Re là các chuẩn số Sherwood, Schmidt và Reynolds.
- Người ta ñưa ra các công thức: 2131Re8,10,2pScSh.
- (I-26) với 80Re >=µρoppud Trong ñó vo là vận tốc bề mặt của lưu chất, m/s.
- 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.
- (I-27) Với 1205Re ÷==µρoppvd 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.
- (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.
- Q1,Q2 – nhiệt lượng nung nóng vật ẩm, nhiệt lượng ñể nước bay hơi.
- u – ñộ chứa ẩm trung bình trong vật sấy.
- τddt - biểu diễn sự gia tăng nhiệt ñộ trung bình của vật sấy τddu- sự thay ñổi ñộ ẩm trung bình của vật sấy, còn gọi là tốc ñộ sấy.
- ∆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.
- Cường ñộ truyền nhiệt từ tác nhân sấy ñến vật sấy ñược thể hiện ở công thức

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt