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

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].


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 


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;

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




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:
-


(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;

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)


(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

∆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


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.




[(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)

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


(
)
=
+
=
+
.

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

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


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


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


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



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

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 =

 −
 .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.