Xây dựng mô hình thí nghiệm sấy chân không

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM SẤY CHÂN KHÔNG 3.1. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA MÔ HÌNH 3.1.1. Mục đích Mô hình thí nghiệm là một mô phỏng của thiết bị sấy trong thực tế sản xuất, giúp chúng ta có thể nghiên cứu một lĩnh vực hay một công nghệ trong quá trình sản xuất. Mô hình được xây dựng gồm thiết bị sấy chân không dạng tủ sấy, một thiết bị ngưng tụ hơi sang lỏng, đầu lỏng ra có phin lọc ẩm lọc bụi và một bơm chân không hút chân không cho hệ thống. Thang đo nhiệt độ từ 30 đến 250o C cho phép điều chỉnh nhiều chế độ sấy khác nhau. - Dựa vào mô hình này, ta tiến hành sấy thí nghiệm cho ba loại vật liệu ẩm khác nhau: cà rốt, thìa là và gỗ thông, ở chế độ sấy (nhiệt độ và áp suất) khác nhau và các điều kiện khác (như kích thước, hình dạng, điều kiện xử lý ban đầu). Từ đấy xác định thời gian sấy cho từng loại vật liệu cũng như các chỉ tiêu chất lượng của từng loại sản phẩm sấy và so sánh kết quả với một số phương pháp sấy không khí nóng và sấy lạnh khác. 3.1.2. Yêu cầu - Mục đích đầu tiên của mô hình là phục vụ cho công tác học tập, thí nghiệm và nghiên cứu của các bạn sinh viên nên mô hình phải mang tính khoa học, đa dạng, có thể tiến hành thí nghiệm với nhiều chế độ sấy khác nhau, cho một số vật liệu quí hiếm khác nhau. - Có khả năng điều chỉnh các thông số của chế độ sấy được dễ dàng, tùy thuộc mục đích sử dụng và loại vật liệu sấy. - Các dụng cụ đo phải đảm bảo được độ chính xác yêu cầu và đồng thời phải được bố trí khoa học nhằm hạn chế sai số gây ra do ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài tác động. 3.2. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO CỦA MÔ HÌNH 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý Mô hình thí nghiệm bao gồm thiết bị sấy chân không (dạng tủ), thiết bị ngưng tụ, và bơm chân không, được bố trí theo sơ đồ sau Hình 3.1 : Sơ đồ nguyên lý cấu tạo mô hình thí nghiệm thiết bị sấy chân không Chú thích: 1. Thiết bị sấy chân không 2. Thiết bị ngưng tụ ẩm. Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động mô hình thí nghiệm thiết bị sấy chân không. 3. Bơm chân không. 4. Phin lọc ẩm, lọc bụi. 5. Ống xoắn ruột gà, bằng đồng, d = 12mm. 6. Chốt cửa tủ sấy 7. Khay sấy 8. Đồng hồ rơ le nhiệt độ 9. Van xả khí phá chân không 10. Van hút chân không 11. Áp kế chân không 12. Nhiệt kế thủy ngân. 13. Khóa chân không. Nguyên lý làm việc, chế tạo thiết bị của mô hình thí nghiệm sấy chân không + Thiết bị sấy chân không Là một thiết bị sấy đơn giản dạng tủ sấy dùng trong phòng thí nghiệm. Tủ sấy dạng hình hộp chữ nhật có kích thướt dàirộngcao = 64.55664.5 cm. Buồng đốt được gia nhiệt bởi các sợi đốt điện trở ở hai bên hông và đáy tủ sấy, cấp nhiệt làm nóng khung nhôm và truyền nhiệt cho vật liệu ẩm theo phương thức bức xạ nhiệt. Áp suất chân không trong buồng sấy được tạo ra và duy trì bởi hệ thống bơm chân không, thiết bị ngưng tụ ẩm và tách lỏng, các khóa và van chân không,( van hút và van xả). Trong buồng sấy, áp suất và nhiệt độ sẽ được duy trì và điều chỉnh nhờ đồng hồ áp kế và đồng hồ rơ le nhiệt độ gắn trên tủ sấy. Việc đưa liệu vào và lấy liệu ra được thao tác bằng tay, đóng mở cửa bằng chốt tủ 6. Trong quá trình làm việc tủ được đóng kín và nối với hệ thống tạo chân không. + Bơm chân không Hình 3.3: Thiết bị ngưng tụ ẩm. Vỏ thiết bị. Lớp cách nhiệt (xốp). Nước đá. Khóa chân không. Ống xoắn bằng đồng, d = 12 Là loại bơm chân không dầu, nhờ điều kiện bịt kín rất tốt của dầu nên có khả năng tạo độ chân không sâu. Độ chân không đạt được của hệ thống là -0,98 kN/cm2 (tương đương với 15mmHg). Để tạo được và duy trì độ chân không sâu cho hệ thống, còn có thêm thiết bị ngưng tụ ẩm và phin lọc ẩm và bụi nhằm giảm tiêu hao năng lượng cơ học và tránh hỏng hóc cho bơm (nếu như ta cho bơm hút trực tiếp phải dòng hơi lẫn ẩm). + Thiết bị ngưng tụ ẩm và tách lỏng Trong hệ thống chân không này, hỗn hợp khí cần được giải phóng để tạo chân không chủ yếu là hơi nước và một phần khí không ngưng. Để hệ thống làm việc hiệu quả nhất cần có một thiết bị ngưng tụ hơi nước tổ hợp với bơm chân không. Khi đó, thiết bị ngưng tụ có tác dụng chủ yếu làm ngưng tụ hầu hết hơi nước nhằm giải phóng một lượng thể tích hơi nước rất lớn cho bơm chân không, làm giảm tiêu hao năng lượng cơ học và tránh hỏng hóc cho bơm. Thiết bị ngưng tụ này được bố trí ngay sau đầu hút chân không của thiết bị sấy, là thiết bị ngưng tụ ẩm kiểu bề mặt.. Hơi ẩm từ buồng sấy được hút qua ống đồng và ngưng tụ trong ống nhờ nước đá làm lạnh bên ngoài ống, sau đấy chảy xuống phin lọc và được giữ lại ở đấy. Khi quan sát thấy nước trong phin đã đầy, tiến hành khóa van chân không ở đầu vào thiết bị và tháo phin lọc để xả nước đọng Đường hơi ẩm và khí hút về. b. Đường lỏng ngưng và khí ra. 3.2.2. Sơ đồ mạch điện tủ sấy Hình 3.4: Sơ đồ mạch điện tủ sấy. D : đèn báo K1: Cuộn hút và tiếp điểm thường mở. K2: Cuộn hút và công tắc tơ thường mở. S : Công tắc đóng mở bằng tay. E : Điện trở sấy. Khi bật công tắc S, cuộn hút K1 có điện và đèn sáng, đóng tiếp điểm thường hở K1, cuộn hút K2 có điện đóng các tiếp điểm thường hở K2 lại và trở sấy được đốt nóng. Khi nhiệt độ trong buồng sấy đạt nhiệt độ đã đặt, rơ le nhiệt độ tủ sấy tự động mở cắt nguồn trở sấy. Và khi nhiệt độ trong buồng sấy xuống thấp hơn nhiệt độ đặt thì rơ le tự động trở về thường đóng cấp nhiệt trở lại cho trở sấy. Hình 3.5 : Cấu tạo khung kim loại bức xạ nhiệt 3.2.3. Cấu tạo một số bộ phận và thiết bị phụ khác a. Khung kim loại bức xạ nhiệt Hình 3.6 : Van phá chân không dạng kim Van kim. Ống dẫn khí xả vào Ống nối với hệ thống chân không Khung được làm bằng nhôm có dạng hình hộp, kích thước (48 x 40 x 50), có chiều dày 6mm. Khung nhận nhiệt từ bộ phận gia nhiệt (sợi đốt điện trở) và nóng lên, sau đó bức xạ cho vật liệu sấy xếp trên khay sấy đặt trên khung sấy bên trong nó. b. Van xả khí phá chân không Để mở cửa thao tác thiết bị chân không, khi trong thiết bị còn chân không cần tiến hành xả khí phá chân không qua van xả khí. Khí xả để phá chân không thường là không khí.(nhưng đối với các sản phẩm dễ bị ôxy hóa hay có tác dụng với không khí thì khí xả có thể là các loại khí trơ, nitơ hoặc một số khí khác không tác dụng hóa học với sản phẩm. c. Chân không kế (Áp kế) Hình3.7 : Chân không kế lò xo Kim chỉ Ống lò xo Kim chỉ Bộ phận nhạy cảm thường là ống đàn hồi hay hộp có màng đàn hồi, khoảng đo từ 0 đến 10.000 kG/cm2 và đo chân không từ 0,01 đến 760 mmHg. Đặc điểm của loại này là kết cấu đơn giản, có thể chuyển tín hiệu bằng cơ khí. Do đó được sử dụng trong phòng thí nghiệm hay trong công nghiệp, sử dụng thuận tiện và rẻ tiền. Nguyên lý làm việc: Chân không kế gồm một ống rỗng 2 hình cung tròn, một đầu bịt kín còn đầu kia nối với hệ chân không cần đo. Đầu nối với hệ chân không được cố định với hộp chân không kế, còn đầu kia của ống được nối với một hệ truyền động 3 đến kim quay 1. Khi áp suất trong ống rỗng bằng áp suất khí quyển thì kim quay chỉ số không. Khi áp suất trong ống nhỏ hơn thì ống bị biến dạng. Chuyển dịch do biến dạng qua hệ truyền động được chuyển đến kim quay làm cho kim quay quay một góc nào đó. Giá trị góc quay thể hiện độ chân không trong hệ cần đo trên thang chia. d. Phin lọc ẩm lọc bụi Trong quá trình vận hành thiết bị sấy chân không sẽ có rất nhiều cặn bẩn gây tắt nghẽn hệ thống, ảnh hưởng đến quá trình vận hành, điều chỉnh thông số làm việc. Do đó để đảm bảo cho hệ thông làm việc an toàn, có độ tin cậy cao, tạo được độ chân không sâu cho hệ thống cần có phin lọc cặn bẩn và tách ẩm về từ thiết bị ngưng tụ. Phin lọc sẽ giữ lại tất cả lỏng ngưng và bụi bẩn trong hệ thống chảy sang. e. Các thông số của mô hình - Hình ảnh thực của mô hình: Xem phụ lục. - Thiết bị sấy chân không + Công suất: p = 1,2 KW + DxRxC = 64.55664.5 cm + Giới hạn áp kế: 0 đến -1 kG/cm2 + Giới hạn nhiệt độ đặt: 30 đến 250oC. + Cường độ dòng điện hiệu dụng Io= 4,5A + Hiệu điện thế U= 220V - Thiết bị ngưng tụ ẩm và tách lỏng + Kích thướt chế tạo: dài 36cm, rộng 25cm. + Ống đồng d = 12mm. Gồm 6 vòng xoắn. + Làm lạnh bằng nước đá + Cách nhiệt giữ lạnh: Xốp. - Bơm chân không Là bơm chân không dầu loại HBG3 có + Kích thước tổng thể dài x rộng x cao = 250 x 210 x 220mm. + Vận tốc hút khí trung bình 0,065 l/s + Công suất động cơ: 0,3 kW. + Phương tiện làm lạnh: không khí + Lượng dầu chứa trong bơm: 0,08 lít. 3.3. VẬN HÀNH VÀ ĐIỀU CHỈNH MÔ HÌNH 3.3.1. Vận hành mô hình Sau đây là một số điểm cần lưu ý khi vận hành mô hình thiết bị sấy chân không: + Nắm vững lý thuyết về sấy chân không và các lý thuyết liên quan đến sấy và vật liệu sấy. + Tắt công tắc điện điều khiển bằng tay ở tủ sấy, kiểm tra các khóa, chỗ nối đường ống, van chân không đảm bảo kín cho hệ thống. + Kiểm tra thay dầu cho bơm, nước đá cho thiết bị ngưng tụ. + Khi tiến hành các thao tác phá chân không hay hút chân không thì chú ý tắt công tắc điện để đảm bảo an toàn. Khi vận hành mô hình, thao tác theo thứ tự sau: + Cho mẫu vào buồng sấy, khóa chặt chốt tủ, bật công tắt đóng điện cho tủ và đặt nhiệt độ. + Khóa chặt van xả khí phá chân không, đồng thời mở van hút, bật công tắc cho bơm chân không đi vào hoạt động hút chân không cho hệ thống. + Theo dõi các thông số (áp suất và nhiệt độ) cho đến khi hệ thống hoạt động ổn định. + Trong thời gian sấy, theo dõi và ghi thông số (khối lượng, độ ẩm), khi quan sát thấy mẫu gần như đạt yêu cầu thì lấy mẫu để tiến hành sấy kiệt và tính toán xác định các thông số để lập bảng theo dõi cho quá trình sấy cung như lấy số liệu vẽ đồ thị các đường cong sấy. + Khi muốn ngừng hệ thống để đo đạt hay lấy mẫu ra, ta tiến hành khóa van hút khí, đồng thời mở van xả khí phá chân không cho tủ. + Khi cho tủ sấy tiếp tục hoạt động thì tiến hành các thao tác ngược lại: Đóng chốt cửa, khóa van xả khí, đóng chặt van hút chân không, và theo dõi các thông số. + Thao tác xả lỏng ngưng cho phin lọc: Khi quan sát thấy nước ngưng đã đầy, ta tiến hành khóa khóa chân không ở đầu hơi vào thiết bị ngưng tụ, sau đó tháo phin lọc và xả bỏ lỏng ngưng, rửa sạch và sấy khô phin trước khi lắp vào hệ thống trở lại. * Lưu ý + Trong quá trình sấy vẫn cho bơm chân không hoạt động bình thường nhằm đảm bảo duy trì được độ chân không cho thiết bị. + Để tạo được độ chân không sâu, cần thường xuyên theo dõi quá trình làm việc của bơm chân không, chú ý đảm bảo độ kín cho bơm và các thiết bị khác cũng như chỗ nối trong hệ thống. Đặc biệt cần chú ý thay nhớt cho bơm, không cho nhớt quá nhiều ảnh hưởng đến khoảng không cân bằng áp suất nhưng cũng không cho quá thấp. Đặc biệt cần chú ý theo dõi và xả nước ngưng tại phin lọc kịp thời tránh sự cố xảy ra. + Trước khi tiến hành mở van xả khí phá chân không, nếu ta đang sấy ở nhiệt độ sấy thấp hơn nhiệt độ môi trường cần gia nhiệt cho nhiệt độ trong buồng sấy tăng lên hơn nhiệt độ của chế độ đang sấy nhằm tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy. Sau đấy khóa van hút chân không hệ thông đồng thời mở van xả khí phá chân không, khi kim áp kế chỉ về 0 thì chốt cửa sẽ mở ra. 3.3.1. Điều chỉnh các thông số Do độ chân không sâu nhất hệ thống đạt được là -0,98kG/cm2 (tương đương 15mmHg) nên ở đây ta sẽ không thay đổi thông số áp suất chân không, mà chỉ thay đổi nhiệt độ sấy theo loại vật liệu ẩm, kích thước, hình dạng và điều kiện xử lý ban đầu, cụ thể: + Khi sấy vật liệu là rau quả (cà rốt và rau thìa là), nhiệt độ sấy tối ưu là 30¸40oC, tốt nhất là 40oC, vì với nhiệt độ này thì không cao nên không gây biến tính (bởi nhiệt độ cao) hay mất mát vitamin mà rau quả sấy khô vẫn giữ nguyên màu sắc và hương vị ban đầu. + Tùy thuộc nhu cầu sử dụng của sản phẩm rau quả sấy khô mà ta chuẩn bị kích thước, hình dạng mẫu cho hợp lý. Ví dụ như cà rốt sấy khô dùng cho các loại xúp (canh) khác nhau: xúp hỗn hợp, nước canh có thể dùng ở dạng hạt, dạng quân cờ, dạng sợi, nhưng nếu dùng làm gia vị thường dùng dạng bột. Hay khi sấy thìa là, sản phẩm chứa nhiều tinh dầu, và các bộ phận lá, gốc của cây sẽ khô không đều nhau, do đó ta cần sấy riêng hai loại để có chất lượng sấy cao và có chế độ sấy hợp lý (ví dụ sấy lá, ta có thể sấy ở 30 đến 40oC, con sấy gốc thì có thể sấy nhiệt độ cao hơn một tí cho chóng khô hơn,...) + Riêng trường hợp sấy gỗ, thường dùng thiết bị sấy chân không để sấy những loại gỗ quí, khó sấy, thời gian sấy dài ( như gỗ sồi: 20 ngày, gỗ dẻ: 30 ngày), có yêu cầu chất lượng sấy cao. Ta có thể linh hoạt trong việc điều chỉnh nhiệt độ sấy sao cho không quá cao, có thể dao động trong khoảng 30 đến 55, 60oC. Ta sẽ tăng dần nhiệt độ sấy từ thấp đến cao, từ chế độ sấy nhẹ đến nặng hơn, đặc biệt chú ý xử lý ban đầu (luộc gỗ) để tránh nứt nẻ trong quá trình sấy.