›
›

Giáo trình Kỹ thuật sấy 1

pdf 41 trang ngocly 810
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật sấy 1", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_ky_thuat_say_1.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật sấy 1

  1. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM THANH Giaú trỡnh KỸ THUẬT SẤY 1 Đà Nẵng 2007
  2. LờI NóI đầu Kỹ thuật sấy vật liệu được ứng dụng rộng rói trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống. Giỏo trỡnh " Kỹ thuật sấy 1 " là một trong những giỏo trỡnh chuyờn mụn của chuyờn ngành Kỹ thuật nhiệt-Mỏy lạnh tại trường Đại học Bỏch khoa Đà Nẵng. Nội dung giỏo trỡnh giới thiệu những kiến thức cơ bản về lý thuyết sấy như: cỏc tớnh chất của vật liệu ẩm, tỏc nhõn sấy, quỏ trỡnh truyền nhiệt- truyền chất trong vật liệu, động học quỏ trỡnh sấy và một số phương phỏp xỏc định thời gian sấy. Những kiến thức trờn tạo điều kiện cần thiết và thuận lợi cho việc nghiờn cứu tớnh toỏn, thiết kế cỏc thiết bị sấy phổ biến trong phần " Kỹ thuật sấy 2". Giỏo trỡnh khụng chỉ phục vụ cho sinh viờn chuyờn ngành"Kỹ thuật nhiệt-Mỏy lạnh", cỏc ngành cú liờn quan như " Cụng nghệ chế biến thực phẩm","Mỏy nụng nghiệp -thực phẩm" mà cũn cú thể giỳp ớch cho cỏc kỹ sư, những ai quan tõm đến cỏc kiến thức về thuyết sấy. Mọi ý kiến đúng gúp xin gửi về "Bộ mụn Sấy-Lạnh và Điều hũa khụng khớ" thuộc khoa Cụng nghệ Nhiệt điện lạnh trường Đại học Bach khoa Đà Nẵng. Xin chõn thành cỏm ơn TáC GIả 1
  3. Ch−ơng 1. VậT LIệU ẩM Vật liệu ẩm (VLA) là những vật có chứa một khối l−ợng n−ớc và hơi n−ớc. Trong quá trình sấy cần tách một l−ợng n−ớc nhất định ra khỏi vật. Có thể xem VLA gồm hai thành phần là chất rắn và chất lỏng thẩm −ớt ( gọi là ẩm ), phần chất rắn gọi là vật khô tuyệt đối ( VKTĐ ). Trạng thái ẩm của vật liệu đ−ợc biểu thị qua độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm t−ơng đối ( toàn phần ), độ ẩm cân bằng, độ chứa ẩm và nồng độ ẩm. Sự liên kết giữa ẩm với vật khô phụ thuộc vào tính chất của chát lỏng, cấu trúc vật và môi tr−ờng hình thành liên kết đó. 1.1. các đặc tr−ng trạng thái ẩm của vật liệu 1.1.1. Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tuyệt đối ( ωo )là tỷ số giữa khối l−ợng ẩm chứa trong vật với khối l−ợng VKTĐ. Nếu ký hiệu Ga là khối l−ợng ẩm chứa trong vật liệu, kg và G k là khối l−ợng VKTĐ, kg,ta có : Ga ωo = .100 (%) ( 1-1 ) Gk Độ ẩm tuyệt đối có giá trị từ 0 đến ∞ . Khi ωo = 0, đó là VKTĐ, ωo = ∞ , có thể coi nh− vật chứa toàn n−ớc. 1.1.2. Độ ẩm toàn phần Độ ẩm toàn phần còn gọi là độ ẩm t−ơng đối (ω ). Đây là tỷ số giữa khối l−ợng ẩm chứa trong vật với khối l−ợng của toàn bộ vật liêu ẩm. G ω = a .100 (%) ( 1-2 ) G Trong đó G - khối l−ợng vật liệu ẩm, G = G a + G k , kg Độ ẩm toàn phần có giá trị từ 0 đến 100 %. Vật có độ ẩm toàn phần 0 % là VKTĐ và 100 % là vật toàn n−ớc. Từ các biểu thức trên ta có quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối với độ ẩm toàn phần nh− sau : ω ω 0 ω 0 = 100 % hay ω = 100 % ( 1-3 ) 100 −ω 100 + ω 0 1.1.3. Độ chứa ẩm Đây là tỷ số giữa l−ợng ẩm chứa trong vật với l−ợng VKTĐ, ký hiệu là u. G u = a , kg/kg ( 1-4 ) Gk Đại l−ợng này dùng để biểu thị sự phân bố ẩm trong từng vùng khác nhau hay trong toàn bộ vật.Nếu ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thì giá trị độ chứa ẩm và độ 2
  4. ẩm tuyệt đối bằng nhau. Vì đơn vị đo khác nhau, mối quan hệ giữa hai đại l−ợng nh− sau: ω ω = 100 u , % hay u = 0 , kg/kg ( 1-5 ) o 100 1.1.4. Nồng độ ẩm Đây là khối l−ợng ẩm chứa trong 1 m 3 vật thể, ký hiệu là N. G N = a , kg/ m 3 ( 1-6 ) V ở đây V là thể tích của vật , m 3 1.1.5. Độ ẩm cân bằng Vật liệu có khả năng trao đổi ẩm với môi tr−ờng xung quanh (MTXQ) - hút ẩm hoặc nhả ẩm- để đạt tới trạng thái cân bằng ẩm. Khi ở trạng thái này độ chứa ẩm trong vật là đồng đều và phân áp suất hơi n−ớc (PASHN) trên bề mặt vật bằng PASHN của MTXQ (th−ờng là không khí ẩm). Không còn sự trao đổi ẩm giữa vật với MTXQ, độ ẩm của vật lúc này gọi là độ ẩm cân bằng (ω cb). Giá trị ω cb phụ thuộc vào tính chất của vật liệu,trạng thái MTXQ và có ý nghĩa lớn trong kỹ thuật sấy,trong việc bảo quản vật liệu. 1.2. phân loại vla và đặc tính xốp của nó Sự liên kểt giữa ẩm với vật phụ thuộc vào tính chất của ẩm và vật liệu.Dựa vào các tính chất vật lý của vật thể,theo A.V.L−côp, trong kỹ thuật th−ờng chia VLA thành ba nhóm : vật keo, vật xốp mao dẫn(VXMD) và vật keo xốp mao dẫn(VK-XMD). 1.2.1. Vật keo Vật keo là vật có tính dẻo với cấu trúc hạt. Phụ thuộc vào trạng thái ẩm ,vật sẽ có sự thay đổi về kích th−ớc và hình dạng, thí dụ nh− keo động vật,đất sét v.v Để đơn giản cho việc nghiên cứu và tính toán ,trong kỹ thuật sấy có thể xem vật keo nh− là vật xốp mao dẫn có cấu trúc mao quản nhỏ. Khi sấy khô vật bị co ngót nhiều nh−ng vẫn giữ đ−ợc tính dẻo. 1.2.2. Vật xốp mao dẫn ( VXMD) Vật xốp là vật thể bên trong có chứa các khoảng trống rỗng chứa khí. Khi các khoảng trống này thông với nhau, tạo thành các hang có đ−ờng kính t−ơng đ−ơng rất nhỏ phụ thuộc vào kích th−ớc của vật thì đ−ợc gọi là mao dẫn (mao quản) và đó là VXMD. Các vật này có khả năng hút mọi chất lỏng dính −ớt, không phụ thuộc vào thành phần hoá học của chất lỏng. Sau khi sấy khô vật trở nên giòn và có thể vỡ vụn thành bột, thí dụ nh− than củi, các vật liệu xây dựng . 1.2.3. Vật keo xốp mao dẫn (VK-XMD) Đây là những vật vừa có tính dẻo vừa có tính mao dẫn. Về cấu trúc các vật này thuộc loại VXMD nh−ng tính chất lại giống các vật keo, có nghĩa là thành mao quản 3
  5. của chúng có tính dẻo, khi hút ẩm các mao quản tr−ơng lên, khi sấy khô thì co lại. Phần lớn VLA thuộc loại này : gỗ, vải, các loại hạt . . . 1.2.4. Đặc tính xốp của VLA Xốp là đặc tính chung của VLA. Độ xốp là tỷ số giữa tổng tất cả thể tích các hang xốp và các mao quản với thể tích vật của VLA . Nếu ký hiệu độ xốp là ε V , ta có : Vx V −VK ρ ε V = = = 1 - ( 1-7 ) V V ρ K 3 ở đây: VX - thể tích của các lỗ xốp, mao quản , m ; 3 VK - thể tích của phần vật khô , m ; V - thể tích của VLA , m 3 ; 3 ρ, ρK- khối l−ợng riêng của vật xốp, vật khô, kg/m Trong VLA các hang xốp, mao quản sẽ chứa đầy n−ớc và hơi n−ớc. Tuỳ theo độ lớn, hình dạng và sự phân bố của các hang xốp mà sự liên kết ẩm, tính chất lan truyền ẩm trong vật sẽ khác nhau. Ngay cả trong các VXMD các đặc tính truyền nhiệt, truyền chất cũng khác nhau giữa các vật có cấu trúc mao dẫn lớn (bán kính mao dẫn lớn hơn 10 -7m ) và mao dẫn nhỏ (bán kính mao dẫn nhỏ hơn 10 -7m). Sự phân loại mao dẫn lớn, mao dẫn nhỏ ở đây dựa vào sự khác nhau của quá trình l−u thông các phân tử chất lỏng trong đó. Với điều kiện áp suất khí quyển, quãng đ−ờng tự do trung bình của chuyển động các phân tử là 10 -7m, do đó sự l−u thông ẩm sẽ khác nhau trong các mao quản có bán kính lớn hay nhỏ hơn giá trị này. 1.3. ẩm trong vật liệu 1.3.1. Đặc tr−ng vật lý cơ bản của n−ớc Trong VLA, phần chất lỏng (ẩm) chủ yếu là n−ớc. Phụ thuộc vào quá trình hình thành và môi tr−ờng xung quanh n−ớc có thể tồn tại ở ba dạng: rắn, lỏng và hơi. D−ới áp suất khí quyển (760 mm Hg) n−ớc chuyển từ pha rắn sang pha lỏng và ng−ợc lại ở 0OC với nhiệt ẩn nóng chảy là 332,3 kJ/ kg và sôi hay ng−ng tụ ở 100 0C với nhiệt ẩn hoá hơi là 2256,3 kJ/ kg. Với áp suất 760 mm Hg, khối l−ợng riêng của n−ớc ở 0 0C là 916 ữ 999 kg/ m 3, ở 4 0C là 1000 kg/ m3 và ở 100 0C là 958 kg/ m3. Trong quá trình sấy cần cung cấp năng l−ợng để đ−a ẩm từ trong lòng VLA ra ngoài bề mặt và bay hơi vào môi tr−ờng xung quanh. Năng l−ợng tiêu tốn phụ thuộc vào mối liên kết giữa ẩm với vật liệu. Bản chất liên kết này là hiện t−ợng hấp phụ và hiện t−ợng mao dẫn. 1.3.2. Quá trình hấp phụ Hấp phụ giữa n−ớc và vật liệu chia làm hai loại: hấp phụ hoá học và hấp phụ vật lý. Trong quá trình hấp phụ hoá học các phân tử chất lỏng và vật rắn có sự thay đổi thành phần hoặc bị phá huỷ với việc trao đổi điện tử vòng ngoài tức là sự liên kết giữa hai pha là do mối liên kết từng phân tử hay nguyên tử riêng biệt. Hấp phụ hoá học rất bền vững và thông th−ờng trong quá trình sấy liên kết này không bị phá vỡ. 4
  6. Khác với hấp phụ hoá học, hấp phụ vật lý là hiện t−ợng liên kết giữa các phân tử của n−ớc với các phân tử của vật hấp phụ không có sự trao đổi ion mà chỉ do sức căng mặt ngoài là lực mao dẫn gây ra. Liên kết hấp phụ vật lý xảy ra không đồng đều theo chiều dày lớp n−ớc. Lực liên kết của lớp chất lỏng càng xa bề mặt vật rắn càng yếu dần, ở sát bề mặt vật rắn tốc độ hấp phụ của lớp phân tử đầu tiên rất lớn. Trên 1 cm2 bề mặt vật có thể hấp thụ tới 1015 phân tử n−ớc. Ban đầu qua trình hấp phụ, lớp chất lỏng bị hấp phụ tập trung tại những vùng hấp phụ mạnh, sau đó lan ra các vùng khác. Bản chất của hấp phụ vật lý và mao dẫn đ−ợc mô tả nh− sau: Giả sử có một giọt dịch thể bám trên bề mặt vật rắn đặt trong pha khí nh− hình 1.1. Nếu xem hệ gồm pha khí 1, giọt dịch thể 2 và bề mặt vật rắn 3 thì theo nguyên lý 2 nhiệt động học, để đạt đ−ợc trạng thái cân bằng, thế năng của hệ phải đạt tới trị số nhỏ nhất. Nói cách khác là chất lỏng có xu thế co lại sao cho diện tích tiếp xúc với môi tr−ờng là nhỏ nhất. Hình 1.1. Sức căng bề mặt và góc dính −ớt Góc θ trong hình 1.1 gọi là góc dính −ớt. Lực tác dụng qua lại giữa ba pha: rắn, lỏng và khí gọi là sức căng bề mặt σ. Đây chính là thế năng tự do của một đơn vị lớp bề mặt khối lỏng và có trị số bằng lực tác dụng lên một đơn vị độ dài của đ−ờng viền bề mặt phân pha. Khi nhiệt độ tăng sức căng bề mặt σ giảm theo quan hệ bậc nhất. Ví dụ đối với n−ớc ta có: σ = 0,0757(1- 0,002 t ) , N/m ( 1 - 8 ) Nếu gọi σ1-3, σ2-3 ,σ1-2 t−ơng ứng là sức căng bề mặt giữa pha khí với pha rắn, pha lỏng với pha rắn và pha khí với pha lỏng. ở trạng thái cân bằng, khi hình dạng giọt lỏng giữ cố định, ta có: σ1-3 = σ2-3 + σ1-2 cosθ ( 1 -9 ) σ −σ hay cosθ = 1−3 2−3 ( 1 - 10 ) σ 1−2 ở đây có thể xảy ra 4 tr−ờng hợp: 1) 0< cosθ < 1 hay 0 < θ < 900. Trong tr−ờng hợp này giọt lỏng có xu h−ớng trải rộng trên bề mặt vật rắn (H1.1 a). Chất lỏng dạng này gọi là chất lỏng dính −ớt. 2) -1< cosθ < 0 hay 900 < θ < 1800. Khi đó giọt lỏng có xu h−ớng co lại (H1.1b). Chất lỏng dạng này gọi là chất lỏng dính −ớt yếu. 3) cosθ = 1 hay θ = 00. Chất lỏng dạng này gọi là chất lỏng dính −ớt hoàn toàn 5
  7. 4) cosθ = -1 hay θ = 1800. Đây là chất lỏng hoàn toàn không dính −ớt. 1.3.3. Sự hấp phụ trên bề mặt mao dẫn ống mao dẫn hay còn gọi là mao quản là những ống có đ−ờng kính t−ơng đ−ơng rất nhỏ, hở hai đầu. Nếu nhúng một đầu ống mao dẫn vào trong chát lỏng dính −ớt thì chất lỏng sẽ dâng lên trong ống mao dẫn và bề mặt cột lỏng trong ống sẽ lõm xuống. Nếu chất lỏng thuộc lại không dính −ớt thì bề mặt chất lỏng trong ống mao dẫn sẽ thấp hơn bên ngoài và bề mặt cột lỏng sẽ lồi lên. Hình 1.2. Chiều cao cột lỏng mao dẫn. Tính dính −ớt là động lực tạo ra áp suất mao dẫn pσ hay chiều cao cột chất lỏng trong ống mao dẫn(H1.2). Gọi pc là áp suất chất lỏng trên bề mặt cong và po là áp suất trên bề mặt phẳng của chất lỏng ta có: pσ = pc - po (1-11) áp suất mao dẫn phụ thuộc vào lực liên kết phân tử trong chất lỏng, thể hiện qua sức căng bề mặt và bán kính cong của bề mặt cột lỏng mao dẫn.Ta có : 1 pσ = 2σ (1-12) 2-3 r với r là bán kính cong của bề mặt chất lỏng trong ống mao dẫn, hoặc pσ = ρ .g.h (1-13) với g là gia tốc trọng tr−ờng, ρ là khối l−ợng riêng của chất lỏng và h là chiều cao cột lỏng. Từ (1-11)và (1-12) ta suy ra: 1 P = p + 2σ (1-14) c o 2-3 r 1 1 Nh− vậy khi mặt cong là lồi thì > 0 và P > p và khi mặt cong lõm < 0 và P r c o r c < po. Có nghĩa là áp suất mao dẫn của mặt lồi có giá trị d−ơng, của mặt cong lõm có giá trị âm còn của mặt phẳng bằng không. 6
  8. Trong hình 1.2, h là chiều cao cột lỏng trong ống mao dẫn, r0 là bán kính mao dẫn, r là bán kính cong của bề mặt cột lỏng mao dẫn. Khi cân bằng lực thì trọng l−ợng cột lỏng sẽ cân bằng với sức căng bề mặt tác dụng theo chu vi mao dẫn với bán kính r0. Ta có biểu thức: 2 πr0 h ρ g = 2πr0σ coθ (1-15) Từ đây ta tính đ−ợc chiều cao cột lỏng: 2σ cosθ h= (1-16) r0 ρg Trong hình vẽ ta có thể thấy, bán kính cong của bề mặt cột lỏng r bằng: r r = o (1-17) cosθ 2σ Kết hợp hai biểu thức trên ta có : h = (1-18) rρg 1.4. CáC DạNG LIÊN KếT Và NĂNG LƯợng liên kết ẩm 1.4.1. Liên kết hoá học Liên kết hoá học giữa ẩm và vật khô rất bền vững trong đó các phân tử n−ớc đã trở thành một bộ phận trong thành phần hoá học của phân tử vật ẩm. Năng l−ợng liên kết ẩm hoá học hình thành nhờ lực tác dụng của các ion hydroxin hoặc nhờ mối liên kết tinh thể ngậm n−ớc và có giá trị lớn nhất so với các dạng liên kết ẩm khác. ẩm liên kết hoá học chỉ có thể tách ra khi có phản ứng hoá học và th−ờng phải nung nóng vật đến nhiệt độ cao, dẫn đến sự thay đổi tính chất hoá lý của vật. Có thể xác định năng l−ợng tự do của n−ớc liên kết hoá học và nhiệt l−ợng cần thiết để phá vỡ mối liên kêt đó dựa vào áp suất thuỷ phân theo nhiệt độ,ví dụ,đối với tinh thể sunfat đồng ngậm 0 2 n−ớc CuSO4.H2O ở nhiệt độ 25 C ứng với pb = 3200 N/m , áp suất của hơi n−ớc liên 2 3 kết là pu = 110 N/ m ,năng l−ợng liên kết ẩm hoá học là l =8,4.10 J/mol. Trong quá trình sấy ẩm liên kết hoá học không bị tách ra. 1.4.2. Liên kết hấp phụ(LKHP) LKHP đ−ợc xem là liên kết của một lớp cỡ phân tử trên bề mặt các hang xốp của vật liệu. Ng−ời ta xem n−ớc hoặc hơi n−ớc liên kết với vật liệu nh− một hệ liên kết cơ- lý đẳng nhiệt. Gọi pb là phân áp suất bão hoà của hơi n−ớc tự do ứng với nhiệt độ T và pu là phân áp suất cân bằng của hơi n−ớc trên bề mặt vật liệu có độ chứa ẩm u thì năng l−ợng LKHP(năng l−ợng cần thiết để phá vỡ liên kết đó của n−ớc) có thể xem bằng công tham gia trong quá trình đẳng nhiệt để đ−a hơi n−ớc từ áp suất pu đến áp suất pb. Nếu cho rằng hơi n−ớc là khí lý t−ởng thì công đó sẽ là: p l = RT ln b = - RT ln ϕ (1-19) pu p trong đó: R là hằng số khí của hơi n−ớc = 462 J / kg.K và ϕ = u . pb 7
  9. Năng l−ợng liên kết ẩm cũng có thể đ−ợc biểu diễn qua hiệu ứng nhiệt liên kết, tức là hiệu số giữa nhiệt l−ợng cần thiết để làm bay hơi ẩm lỏng liên kết và ẩm lỏng tự do. Nếu ký hiệu ru là nhiệt ẩn hoá hơi của n−ớc liên kết trong vật có độ chứa ẩm u và rb là nhiệt ẩn hoá hơi của n−ớc tự do thì nhiệt l−ợng cần thiết để tách ẩm LKHP bằng: q = ∆ r = ru - rb (1-20) Với hệ đẳng nhiệt ta có: p Q = l = RT ln b (1-21) pu 1.4.3. Liên kết mao dẫn (LKMD) LKMD là liên kết chủ yếu trong vật VLA. Lực liên kết ở đây là lực mao dẫn do sức căng bề mặt của chất lỏng dính −ớt, thể hiện qua công thức(1-12). Tr−ờng hợp ẩm LKMD thì năng l−ợng liên kết ẩm l đ−ợc tính phụ thuộc vào bán kính của mặt cong cột lỏng trong mao dẫn r và tính chất của chất lỏng. 2σ l = v (1-22) r ở đây v là thể tích riêng của chất lỏng. 1.4.4. Liên kết thẩm thấu (LKTT) LKTT điển hình là liên kết của n−ớc trong các dung dịch. Nếu pu là phân áp suất hơi n−ớc trên bề mặt dung dịch và pb là phân áp suất bão hoà của hơi n−ớc trên bề mặt n−ớc tự do thì năng l−ợng LKTT có thể đ−ợc tính : p l = - RT ln u = - RT ln ϕ (1-23) pb Không kể liên kết hoá học, khi so sánh 3 loại liên kết ẩm: LKHP, LKMD và LKTT thì năng l−ợng LKMD là lớn nhất và bé nhất là năng l−ợng LKTT. Vì vậy, trong quá trình sấy các vật có LKMD cần tiêu tốn năng l−ợng nhiều hơn. Ph−ơng pháp th−ờng dùng để xác định năng l−ợng liên kết ẩm là ph−ơng pháp thực nghiệm. Đơn giản nhất là dùng nguồn điện để cung cấp nhiệt cho vật sau khi giữ nhiệt độ của vật không đổi và bằng với môi tr−ờng xung quanh. Dựa vào công suất điện tiêu thụ ta sẽ xác định l−ợng nhiệt dùng để làm bay hơi ẩm chính là năng l−ợng có giá trị bằng năng l−ợng liên kết ẩm. Để xác định chính xác năng l−ợng liên kết ẩm và tính chất các loại liên kết ẩm trong quá trình sấy cần kết hợp ph−ơng pháp thực nghiệm với việc phân tích đặc tính trao đổi nhiệt ẩm của vật với môi tr−ờng xung quanh. 1.5. các đặc tr−ng nhiệt động của vla 1.5.1.Thế truyền ẩm (TTA) Trong nhiều công trình nghiên cứu ng−ời ta xem quá trình truyền nhiệt và truyền chất(cụ thể là truyền ẩm) đồng dạng nhau. Khái niệm TTA dựa trên cơ sở sự t−ơng tự nhiệt động của hai quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm. Khái niệm “ẩm”,”khô” trong truyền ẩm t−ơng tự nh− khái niệm “nóng”, “lạnh” trong truyền nhiệt. Để đo độ 8
  10. “ẩm”,”khô” của vật, ng−ời ta chọn một đại l−ợng t−ơng tự về mặt nhiệt động nh− nhiệt độ và gọi là thế truyền ẩm, ký hiệu là θ . Trong tr−ờng hợp dẫn ẩm đẳng nhiệt có thể xem TTA θ là một hàm của độ chứa ẩm u: θ = f( u ). Để tính toán quá trình truyền ẩm trong vật liệu Viện sĩ A.C. L−-côv chọn một vật mẫu làm chuẩn (giấy lọc), sau đó cho vật liệu ẩm tiếp xúc với nó cho đến khi đạt trạng thái cân bằng ẩm giữa hai vật rồi xác định hàm ẩm và tính thế truyền ẩm. 1 Đối với vật mẫu L−-côv lấy giá trị độ chứa ẩm cực đại u và gọi là một độ 100 max truyền chất, ký hiệu 0M. Nh− vậy TTA của vật mẫu đ−ợc tính: u θ = .100 , 0M (1-24) umax Khi giấy lọc khô tuyệt đối, TTA = 0 0M, còn khi giấy lọc có độ chứa ẩm hấp phụ 0 0 cực đại uhpcđ = 0,277 kg/kg ở nhiệt độ 25 C thì TTA = 100 M. Nếu giấy lọc có độ chứa ẩm u = 0,5 kg/kg thì TTA t−ơng ứng sẽ là: 0,5 θ = .100 = 180 0M 0.277 Và khi vật liệu ẩm tiếp xúc với giấy lọc, đạt trạng thái cân bằng ẩm t−ơng ứng thì TTA của nó cũng là 180 0M Giá trị TTA của vật liệu còn phụ thuộc vào độ ẩm môi tr−ờng xung quanh. Các thực nghiệm đã có công thức xác định TTA trong vật liệu ở môi tr−ờng khi: 23,9ϕ - ϕ = 0 ữ 0,19 thì θ = (1-25) 0,1465 + ϕ 1 - 0,19 ≤ ϕ ≤ 1,0 thì = 0,013 − 0,0362lnϕ (1-26) θ 1.5.2. ẩm dung riêng T−ơng tự nh− khái niệm nhiệt dung riêng ở truyền nhiệt, trong truyền ẩm ng−ời ta có đại l−ợng gọi là ẩm dung riêng Ca và đ−ợc tính nh−: ⎛ ∂u ⎞ Ca = ⎜ ⎟ (1-27) ⎝ ∂θ ⎠T trong đó: ∂ u - l−ợng ẩm trao đổi trong quá trình truyền ẩm ∂ θ - sự thay đổi khả năng trao đổi ẩm của vật khi đó độ chứa ẩm có thể tính: θ C dθ u = ∫ a (1-28) 0 T−ơng tự nh− nhiệt dung riêng, khi xem ẩm dung riêng không phụ thuộc TTA ta có : u = Caθ (1-29) 9
  11. Để đo nhiệt độ theo thang bách phân,ng−ời ta lấy n−ớc làm vật mẫu với nhiệt độ n−ớc đá đang tan là 00C và nhiệt độ n−ớc đang sôi là 1000C ở cùng áp suất 760 mmHg. T−ơng tự, để xây dựng thang đo TTA ng−ời ta lấy xuenluilo (giấy lọc) làm vật mẫu. Khi xuenluilo khô tuyệt đối, TDA = 0 0M, còn khi xuenluilo có độ chứa ẩm hấp phụ 0 0 cực đại uhpcđ = 0,277 kg/kg ở nhiệt độ 25 C thì TDA = 100 M. Nh− vậy ẩm dung riêng của nó sẽ là: u 0,277 C = hpcđ = = 0,00277 kg/kg 0M (1-30) a 100 100 Cũng nh− nhiệt dung riêng, ẩm dung riêng đ−ợc xác định bằng thực nghiệm.Giá trị ẩm dung riêng của một số VLA nh− sau: Bảng 1.1. ẩm dung riêng trung bình của một số VLA 0 0 2 0 VLA t C θ M ω 0 , % Ca.10 ,kg/kg M 1.Cát thạch anh 25 100 ữ300 0,8 ữ 2,0 0,007 2.Gỗ thông 40 ữ 65 200 ữ700 130 ữ 230 0,21 3.Cao lanh 25 ữ 70 80 ữ 250 35 ữ 50 0,10 4.Keo động vật 25 70 ữ 100 40 ữ 60 0,70 5.Lúa 25 12,5 ữ 100 7 ữ 30 0,365 1.5.3. Hệ số gradien nhiệt độ Hệ số gradien nhiệt độ của VLA là tỷ số của l−ợng chênh lệch độ chứa ẩm với l−ợng chênh lệch nhiệt độ khi không có sự truyền ẩm ( j= 0 ), đ−ợc ký hiệu δ : ⎛ ∆u ⎞ δ =⎜ ⎟ , 1/ 0K (1-31) ⎝ ∆T ⎠ J =0 Hệ số gradien nhiệt độ δ cho biết sự thay đổi độ chứa ẩm của vật liệu khi có sự thay đổi nhiệt độ của nó. 1.5.4. Hệ số dẫn thế truyền ẩm Nh− đã biết, trong truyền nhiệt ta coi nhiệt độ t là thế truyền nhiệt, còn hệ số dẫn nhiệt độ a là hệ số dẫn thế truyền nhiệt. T−ơng tự, trong truyền ẩm (truyền chất) ta có độ chứa ẩm u là thế truyền và am gọi là hệ số dẫn thế truyền ẩm. Đại l−ợng này đặc tr−ng cho tốc độ biến đổi thế truyền ẩm của vật liệu và bằng thực nghiệm, có thể xác định nh− sau: 2 π ⎡ m ⎤ 2 am = ⎢ ⎥ , m / s (1-32) τ ⎣2()u0 − uú ρ0 ⎦ với : m - l−ợng ẩm truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc giữa VLA và vật liệu chuẩn τ - thời gian tiếp xúc u0 - độ chứa ẩm ban đầu của VLA 10
  12. us - độ chứa ẩm của vật mẫu ρ0 - khối l−ợng riêng của vật liệu khô tuyệt đối 1.5.5. Hệ số dẫn ẩm Cũng nh− quá trình truyền nhiệt, trong quá trình truyền ẩm ta có hệ số dẫn ẩm λa nh− sau: 0 λa =am.Ca. ρ0 , kg / m.h. M (1-33) với : am - hệ số dẫn thế truyền ẩm Ca - ẩm dung riêng ρ0 - khối l−ợng riêng của vật liệu khô tuyệt đối 1.6.các đặc tr−ng nhiệt vật lý của vla 1.6.1. Nhiệt dung riêng (NDR) Nhiệt dung riêng của VLA đ−ợc xác định từ NDR của vật khô tuyệt đối và của ẩm chứa trong vật. C G + C G C G + C G C = K K a a = K K a a (1-34) GK + Ga G C (100 −ω) + C ω hay C = K a (1-35) 100 C − C hoặc C =C + a K ω (1-36) K 100 Trong các công thức trên CK,Ca-NDR của vật khô và ẩm; GK, Ga - khối l−ơng của vật khô và ẩm; ω - độ ẩm t−ơng đối của VLA. Nếu tính NDRcủa VLA theo khối l−ợng vật khô tuyệt đối ta có đại l−ợng nhiệt dung riêng dẫn xuất Cdx(còn gọi là NDR qui dẫn) đ−ợc tính theo NDR vật khô, độ ẩm truyệt đối ω 0 hay độ chứa ẩm u: ω C =C + C 0 = C + C u (1-37) dx K a 100 K a Trong các công thức trên ta thấy NDR của VLA phụ thuộc tuyến tính với độ ẩm. Nh−ng theo kết quả nghiên cứu cho thấy nó không tuân thủ quy luật này và còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Nguyên nhân là do khi độ ẩm và nhiệt độ thay đổi, tính chất hoá lý của vật khô có thay đổi, đồng thời tỷ lệ giữa ẩm lỏng,hơi ẩm và không khí trong các hang xốp cũng thay đổi. 1.6.2. Hệ số dẫn nhiệt (HSDN) Trong VLA quá trình truyền nhiệt đ−ợc thực hiện d−ới các dạng sau: - Sự dẫn nhiệt của bản thân vật liệu khô; - Sự dẫn nhiệt và đối l−u của ẩm lỏng, hơi ẩm với không khí trong các hang xốp; - Sự bức xạ giữa các bề mặt cuả các hang xốp; - Sự luân chuyển của l−ợng ẩm trong lòng vật. 11
  13. Vì thế HSDN của VLA phải xét tới tất cả các yếu tố trên và đ−ợc xác định theo công thức sau: λ = λ k + λ a + λ KK + λ bx + λ u (1-38) trong đó: λ k -HSDN của vật liệu khô tuyệt đối; λ a , λ KK - HSDN t−ơng đ−ơng do truyền nhiệt đối l−u của ẩm và không khí; λ bx - HSDN t−ơng đ−ơng xét đến ảnh h−ởng của trao đổi nhiệt bức xạ giữa các bề mặt hang xốp; λ u - HSDN t−ơng đ−ơng xét đến quá trình truyền ẩm trong vật. Qua phân tích trên cùng với kết quả nhiều công trình nghiên cứu cho thấy HSDN của VLA phụ thuộc độ xốp, độ ẩm và tính chất các quá trình làm nóng hoặc làm nguội vật liệu. 1.6.3. Hệ số dẫn nhiệt độ( HSD NĐ) HSD NĐ là một trong những đại l−ợng quan trọng đặc tr−ng cho quán tính nhiệt của vật thể. Khi biết hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và khối l−ợng riêng của vật liệu thì HSD NĐ đ−ợc xác định theo công thức sau: λ a = (1-39) Cρ Vật có giá trị a càng lớn thì quá trình gia nhiệt hoặc làm nguội vật càng nhanh. Tích số C. ρ là nhiệt dung riêng thể tích của vật thể, cho biết khả năng tích nhiệt của vật. Từ (1-34) cho thấy khi cùng λ nếu C. ρ càng lớn thì a càng nhỏ, có nghĩa là vật có khả năng trữ nhiệt càng lớn thì quá trình gia nhiệt và làm nguội càng chậm. 12
  14. Ch−ơng 2. TáC NHÂN SấY Tác nhân sấy (TNS) là những chất dùng để đ−a l−ợng ẩm tách ra từ vật sấy ra khỏi thiết bị sấy(TBS). Trong quá trình sấy, môi tr−ờng bao quanh vật sấy luôn đ−ợc bổ sung ẩm thoát ra từ vật sấy. Điều này sẽ làm cản trở sự bay hơi ẩm từ vật sấy. Trong nhiều tr−ờng hợp TNS còn đóng vai trò cung cấp nhiệt cho vật sấy để hoá hơi ẩm lỏng. Trong các TBS tiếp xúc, bức xạ TNS chỉ đóng vai trò vận chuyển ẩm, còn nguồn nhiệt có thể là bề mặt đốt nóng, nguồn bức xạ . ở các TBS đối l−u thì TNS vừa làm nhiệm vụ cung cấp nhiệt cho vật sấy vừa làm nhiệm vụ tải ẩm. TNS th−ờnglà các chất khí nh−: không khí, khói, hơi quá nhiệt. Chất lỏng cũng đ−ợc sử dụng làm TNS nh− các loại dầu, một số loại muối nóng chảy v.v . Trong ch−ơng này chúng ta chỉ xem xét hai loại TNS thông dụng là không khí và khói. 2.1. không khí ẩm (KKA) 2.1.1. Khái niệm chung Không khí là loại TNS có sẵn trong tự nhiên, không độc hại và không làm bẩn sản phẩm sấy. Không khí có chứa hơi n−ớc gọi là không khí ẩm và đ−ợc coi là hỗn hợp khí lý t−ởng của hai thành phần: không khí khô (KKK) và hơi n−ớc. Vì vậy KKA cũng tuân theo các định luật của hỗn hợp khí lý t−ởng: - Khối l−ợng của KKA (G) bằng tổng khối l−ợng của KKK (GK) và hơi n−ớc (Gh) G = GK + Gh (2-1) - KKK và hơi n−ớc cũng phân bố đều trong toàn bộ thể tích: V = VK = Vh (2-2) - Nhiệt độ của KKK và hơi n−ớc bằng nhau và chính là nhiệt độ của KKA : t = t K = th (2-3) - áp suất của KKA bằng tổng phân áp suất của KKK và phân áp suất của hơi n−ớc: p = pK + ph (2-4) Tuỳ theo trạng thái của hơi n−ớc trong KKA ta có 3 loại: 1.KKA ch−a bão hoà.Đây là loại KKA mà l−ợng hơi n−ớc chứa trong đó ch−a đạt mức tối đa và nó còn có thể nhận thêm hơi n−ớc. Trạng thái của hơi n−ớc trong KKA ch−a bão hoà là hơi quá nhiệt. Phân áp suất hơi n−ớc trong KKA ch−a bão hoà nhỏ hơn áp suất bão hoà của hơi n−ớc ứng với nhiệt độ của KKA, ph < phs. 2.KKA bão hoà. Đây là loại KKA mà l−ợng hơi n−ớc chứa trong đó ở mức tối đa Gh = Ghmax. Trạng thái của hơi n−ớc là hơi bão hoà khô và phân áp suất của hơi n−ớc bằng áp suất bão hoà của hơi n−ớc ứng với nhiệt độ KKA, ph = phs. 13
  15. 3.KKA quá bão hoà. Đây là loại KKA mà l−ợng hơi n−ớc chứa trong đó ở mức tối đa và còn chứa thêm cả n−ớc ng−ng tụ. Trạng thái của hơi n−ớc ở đây là hơi bão hoà ẩm. 2.1.2. Các thông số đặc tr−ng của KKA 2.1.2.1.Độ ẩm tuyệt đối 3 Độ ẩm tuyệt đối ρ h của KKA là khối l−ợng của hơi n−ớc có trong 1 m KKA,(kg/m3 KKA). 2.1.2.2.Độ ẩm t−ơng đối Độ ẩm t−ơng đối ϕ của KKA là tỷ số giữa l−ợng hơi n−ớc chứa trong KKA với l−ợng hơi n−ớc lớn nhất có thể chứa trong KKA đó ở cùng một nhiệt độ và đo bằng %. Nh− vậy: G ϕ = h 100 , % (2-5) Gh max Từ các ph−ơng trình trạng thái ta có thể tính đ−ợc Gh, Ghmax và tính: p V / R T p ϕ = h h 100 = h 100 , % (2-6) phsV / RhT phs Khi ϕ =0 ta có không khí khô. Khi ϕ tăng lên thì phân áp suất hơi n−ớc trong KKA cũng tăng và khi ϕ = 100 % thì không khí ẩm trở nên bão hoà. Lúc đó phân áp suất hơi n−ớc bằng áp suất bão hoà của hơi n−ớc ứng vơi nhiệt độ KKA. 2.1.2.3.Độ chứa ẩm Độ chứa ẩm của KKA là khối l−ợng hơi n−ớc chứa trong 1 kg không khí khô: d = Gh / GK , kg/kg KKK (2-7) Từ ph−ơng trình trạng thái ta có thể tính Gh, GK và xác định : p R d = h K (2-8) pK Rh với Rh = 8314/18 [J/kgK] và RK =8314/29 [J/kgK] ta có: p p d = 0,622 h = 0,622 h . (2-9) pK p − ph Khi thay Ph = ϕ phs ta có : ϕp d = 0,622 hs . (2-10) p −ϕphs Trong tr−ờng hợp KKA có nhiệt độ t > 100 0C thì phân áp suất cực đại của hơi n−ớc sẽ không đổi và bằng áp suất của KKA. Lúc đó phs = p và cho rằng áp suất của KKA bằng áp suất khí quyển là 1 bar, ta có: ϕ d = 0,622 (2-11) 1−ϕ Từ đây ta thấy rằng khi d= const thì ϕ = const. 14
  16. Độ chứa ẩm của KKA sẽ có giá trị cực đại khi không khí ở trạng thái bão hoà,ϕ = 100 %: phs d max = 0,622 (2-12) p − phs áp suất bão hoà của hơi n−ớc có thể xác định theo nhiệt độ hoặc từ công thức trên ta có: pd max phs = (2-13) 0,622 + d max Phân áp suất hơi n−ớc cũng đ−ợc xác định t−ơng tự khi biết đ−ợc độ chứa ẩm: pd p = (2-14) h 0,622 + d 2.1.2.4.Nhiệt dung riêng Đ−ợc coi nh− hỗn hợp khí lý t−ởng nên với KKA nhiệt dung riêng có thể tính nh− sau: C + dC C = K h , kJ/kgK (2-15) 1+ d với CK ≈ 1 kJ/kgK-là nhiệt dung riêng của không khí khô, Ch ≈ 1,84 kJ/kgK là nhiệt dung riêng của hơi n−ớc, d-là độ chứa ẩm,kg. 2.1.2.5.Entanpi Entanpi của KKA bằng tổng entanpi của KKK và entanpi của hơi n−ớc: I = CK t + d ( r + Ch t ) , kJ/kg KKK (2-16) Với CK ,Ch nh− trên và r = 2500 kJ/kg là nhiệt ẩn hoá hơi của hơi n−ớc ta có: I = t + d ( 2500 + 1,84 t ) , kJ/kg KKK (2-17) 2.1.2.6.Nhiệt độ đọng s−ơng tđs Nhiệt độ đọng s−ơng chính là nhiệt độ bão hoà ứng với phân áp suất hơi n−ớc trong KKA. Khi phân áp suất hơi n−ớc càng cao (độ chứa ẩm d càng lớn) thì nhiệt độ đọng s−ơng của KKA càng lớn. Đại l−ợng này đ−ợc xác định bằng hyđrômét. 2.1.2.7.Nhiệt độ nhiệt kế −ớt t− Đây là nhiệt độ của n−ớc bay hơi vào không khí hay còn gọi là nhiệt độ bão hoà đoạn nhiệt. Nếu ta xét quá trình bay hơi của n−ớc vào không khí trong điều kiện đoạn nhiệt thì nhiệt l−ợng cần thiết để n−ớc bay hơi lấy ngay từ không khí. Vì vậy lớp không khí ở bề mặt bay hơi mất đi một l−ợng nhiệt chính bằng l−ợng nhiệt để n−ớc bay hơi, nên nhiệt độ của nó sẽ giảm và nhỏ hơn so với nhiệt độ của không khí ở xa bề măt bay hơi. Nhiệt độ lớp không khí sát ngay bề mặt bay hơi gọi là nhiệt độ nhiệt kế −ớt t−. Nhiệt độ này đ−ợc xác định bằng nhiệt kế có bầu thuỷ ngân hoặc bầu r−ợu có bọc một lớp bông luôn thấm n−ớc. Hiệu số giữa nhiệt độ của không khí với nhiệt độ nhiệt kế −ớt đặc tr−ng cho khả năng hút ẩm của không khí còn đ−ợc gọi là thế sấy (động lực của quá trình bay hơi) 15
  17. ∆ t = t - t− (2-18) Khi ∆ t = 0, không khí ở trạng thái bão hoà ẩm, ϕ = 100 % thì n−ớc không thể bay hơi vào không khí (Tr−ờng hợp đặc biệt nếu nhiệt độ của n−ớc lớn hơn nhiệt độ không khí thì n−ớc bay hơi vào không khí và ở dạng s−ơng mù, không khí trở nên quá bão hoà). Khi ∆ t càng lớn thì độ ẩm t−ơng đối ϕ của nó càng nhỏ, không khí càng khô nên khả năng nhận thêm hơi n−ớc càng nhiều. 2.1.3. Đồ thị I-d của KKA 2.1.3.1.Đặc điểm Các thông số của KKA, ngoài ph−ơng pháp giải tích nh− trên còn có thể xác định theo ph−ơng pháp đồ thị. Trong thực tế thuận tiện nhất là dùng đồ thị I-d, trên đó biểu diễn các quá trình thay đổi trạng thái của không khí ẩm rất đơn giản và rõ ràng. Trong kỹ thuật sấy, đồ thị I-d rất quan trọng, nó đ−ợc sử dụng để tính toán quá trình sấy:xác định các tiêu hao không khí, tiêu hao nhiệt, các thông số của KKA và biểu diễn quá trình sấy lý thuyết, quá trình sấy thực tế . . . Hình 2.1. Hệ trục toạ độ của đồ thị I-d Đồ thị I-d lần đầu tiên đ−ợc Ramzyn- nhà khoa học ng−ời Nga- trình bày vào năm 1918. Sau đó một nhà khoa học ng−ời Đức là Molier cũng công bố đồ thị t−ơng tự vào năm 1923. Đồ thị I-d đ−ợc thành lập với hai trục toạ độ I và d hợp với nhau một góc 1350 (hình 2.1). Để tiện quan sát ng−ời ta vẽ trục d vuông góc với trục I. Các đ−ờng d = const là những đ−ờng thẳng đứng còn các đ−ờng I = const là những đ−ờng thẳng hợp với trục tung ( trục I) một góc 1350 . Đồ thị I-d đ−ợc vẽ với một áp suất nhất định của KKA. Trong các tài liệu của Nga thì áp suất khí trời p =745 mmHg, còn trong các tài liệu của Anh-Mỹ thì p = 760 mmHg. Chúng ta có thể sử dụng các đồ thị này cho các áp suất khí trời khác nhau, khi yêu cầu chính xác thì cần phải làm phép qui đổi. 16
  18. 2.1.3.2.Cách thành lập đồ thị I-d Hình 2.2. Cách xây dựng đồ thị I-d Trên đồ thị I-d giá trị entanpi đ−ợc tính bằng kJ/kg KKK hay kcalo/kg KKK, còn độ chứa ẩm d tính bằng kg/kg KKK hoặc g/kg KKK; phân áp suất hơi n−ớc ph tính bằng mmHg. a)Xây dựng đ−ờng ph = f (d). Các giá trị ph đ−ợc tính dựa trên cơ sở ph−ơng trình: d p = p h 0,622 + d Trên đồ thị các giá trị ph đ−ợc đặt ở góc phải phía d−ới.Đ−ờng ph = f (d) gần nh− là đ−ờng thẳng. b)Xây dựng các đ−ờng t =const Từ ph−ơng trình I = t + d (2500 + 1,84 t) ,khi thay t = const vào ta đ−ợc quan hệ I = f (d) có dạng các đ−ờng thẳng. Vì vậy, với một nhiệt độ đã cho ta chỉ cần xác định entanpi ở hai điểm t−ơng ứng d0 = 0 và d1 nào đó ta sẽ thu đ−ợc đ−ờng t = const. Các đ−ờng này có độ dốc d−ơng, khi t càng lớn thì độ dốc càng tăng. c)Xây dựng các đ−ờng ϕ = const Các đ−ờng ϕ = const đ−ợc xây dựng từng điểm một dựa vào đ−ờng ph = f (d) và các đ−ờng t = const. Đầu tiên ta dựng đ−ờng ϕ = 100 % nh− sau: Với nhiệt độ t1 ta dùng bảng hơi n−ớc xác định đ−ợc giá trị phs1. Trên đồ thị, từ giá trị này kẻ đ−ờng song song với trục hoành cắt đ−ờng ph = f (d) tại điểm 1’.Từ đây kẻ đ−ờng song song với trục tung, cắt đ−ờng t1 = const tại điểm 1. Ta đ−ợc một giá trị của đ−ờng ϕ = 100 %. Làm t−ơng tự với nhiều giá trị nhiệt độ ta sẽ đ−ợc đ−ờng cong ϕ = const. 17
  19. Xây dựng đ−ờng ϕ = const với các giá trị khác (ví dụ ϕ 1 = 50 % ) nh− sau: Với nhiệt độ t1 ta dùng bảng hơi n−ớc xác định đ−ợc giá trị phs1. Sau đó xác định ph1 = ϕ 1 .phs1 =0,5phs1. Từ trị số ph1 kẻ đ−ờng song song với trục hoành cắt đ−ờng ph = f (d) tại điểm 2’. Từ đây kẻ đ−ờng song song với trục tung, cắt đ−ờng t1 = const tại điểm 2. Điểm 2 là một điểm của đ−ờng cong ϕ 1 = 50 %. Cho nhiều giá trị nhiệt độ khác nhau ta sẽ đ−ợc nhiều giá trị của đ−ờng cong ϕ 1 = 50 %. Các đ−ờng ϕ = const ở vùng nhiệt độ t > 100 0C sẽ trở nên thẳng đứng vì nh− đã trình bày ở phần trên, khi nhiệt độ KKA lớn hơn 100 0C thì khi ϕ = const sẽ kéo theo d = const. 2.1.3.3.Biểu diễn các quá trình cơ bản của KKA trên đồ thị I-d a) Xác định các thông số KKA Mỗi điểm trên đồ thị mô tả một trạng thái của không khí ẩm, đ−ợc xác định bởi hai thông số vật lý độc lập. Tuỳ thuộc trạng thái ta có thể tìm đ−ợc giá trị t, tđs, t−,I,,ϕ ,d,ph và phs của KKA ngay trên đồ thị. Trong các tr−ờng hợp khác thì phải kết hợp với ph−ơng pháp giải tích. b) Quá trình làm nóng và làm lạnh KKA Trong thực tế quá trình làm nóng và làm lạnh KKA th−ờng xảy ra trong điều kiện độ chứa ẩm không đổi(hình 2.3). Quá trình làm nóng là đ−ờng 1-2, nhiệt độ tăng lên còn độ ẩm t−ơng đối giảm đi và độ chứa ẩm d = const. Nhiệt l−ợng cần cung cấp cho quá trình nàylà q = I2 - I1. Hình 2.3. Quá trình làm lạnh và làm nóng không khí ẩm 18
  20. Quá trình làm lạnh thì ng−ợc lại, là đ−ờng 2-1. Quá trình làm lạnh KKA sẽ kết thúc khi KKA trở nên bão hoà (điểm 3). Nếu tiếp tục làm lạnh thì KKA trở nên quá bão hoà và ở dạng s−ơng mù với hơi bão hoà ẩm (điểm 4). Khi tách hoàn toàn các giọt n−ớc ng−ng ở đây thì ta đ−ợc KKA bão hoà (điểm 4’) có độ chứa ẩm d4’ < d3 . Bằng cách này ta đã làm giảm độ chứa ẩm của không khí. Đây là nguyên lý làm việc của máy hút ẩm. a) Quá trình hỗn hợp của hai dòng KKA Trong kỹ thuật ta th−ờng gặp các tr−ờng hợp hoà trộn hai dòng không khí với các trạng thái khác nhau. Nếu có G1 kg KKA ở trạng thái A (d1, I1) hoà trộn với G2 kg KKA ở trạng thái B (d2, I2), (hình 2.4) thì ph−ơng trình cân bằng năng l−ợng sẽ là: I1G1 + I2G2 = ( G1 + G2 ) Ih (2-19) G2 Chia ph−ơng trình trên cho G1 và đặt n = -gọi là tỷ lệ hỗn hợp,ta có: G1 I + nI Entanpi của hỗn hợp: I = 1 2 (2-20) h 1+ n d + nd T−ơng tự, độ chứa ẩm của hỗn hợp: d = 1 2 (2-21) h 1+ n Từ các ph−ơng trình trên ta thấy: khi biết trạng thái của hai dòng KKA và trạng thái của dòng hỗn hợp ta có thể xác định đ−ợc tỷ lệ hỗn hợp: I + I d + d n = h 1 = h 1 (2-22) I 2 + I h d 2 + d h Đây là ph−ơng trình đ−ờng thẳng đi qua ba điểm A, B và C. Trạng thái của không khí sau khi hỗn hợp (điểm C) nằm trên đ−ờng thẳng nối hai điểm A và B với tỷ lệ: AC AD n = = (2-23) CB DE 19
  21. Hình 2.4. Quá trình hỗn hợp 2 dòng không khí có trạng thái khác nhau. 2.1.4. T−ơng tác giữa KKA và vật ẩm Một vật ở trong môi tr−ờng KKA sẽ có sự trao đổi nhiệt, ẩm giữa vật với môi tr−ờng. Các quá trình này phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ, phân áp suất hơi n−ớc trên bề mặt vật (phv) và phân áp suất hơi n−ớc trong KKA (ph). Trong tr−ờng hợp phv > ph thì xảy ra hiện t−ợng bay hơi n−ớc từ vật vào môi tr−ờng đ−ợc gọi là quá trình tách ẩm. Ng−ợc lại, khi phv < ph thì vật sẽ hấp thụ ẩm của môi tr−ờng và gọi là quá trình hút ẩm. Trong cả hai tr−ờng hợp trên dẫn đến khi phv = ph thì kết thúc và độ ẩm của vật lúc này gọi là độ ẩm cân bằng ω cb . Độ ẩm cân bằng của vật phụ thuộc vào phân áp suất hơi n−ớc trong KKA ph (hay độ ẩm t−ơng đối ϕ và t) th−ờng đ−ợc biểu diễn ω cb = f (ϕ ) và bản chất của vật ẩm. Trong các thí nghiệm ở điều kiện nhiệt độ không đổi, khi độ ẩm cân bằng của vật đạt đ−ợc nhờ quá trình hút ẩm từ môi tr−ờng thì đ−ờng cong ω cb = f ( ϕ ) gọi là đ−ờng hấp thụ đẳng nhiệt. Ng−ợc lại, nếu trạng thái cân bằng đạt đ−ợc nhờ quá trình bay hơi ẩm từ vật thì đ−ờng cong ω cb = f (ϕ ) gọi là đ−ờng thải ẩm đẳng nhiệt. Kết quả cho thấy các đ−ờng hấp thụ đẳng nhiệt và đ−ờng thải ẩm đẳng nhiệt không trùng nhau và đ−ờng hấp thụ đẳng nhiệt nằm cao hơn đ−ờng thải ẩm đẳng nhiệt do đó tạo nên vùng trễ cân bằng ẩm nh− trong hình 2.5. 20
  22. Hình 2.5. Đ−ờng cong hấp thụ và nhả ẩm đẳng nhiệt Độ ẩm cân bằng của vật ẩm ứng với độ ẩm t−ơng đối ϕ = 100% của môi tr−ờng, gọi là độ ẩm cân bằng giới hạn ω cb max (còn gọi là độ ẩm hút n−ớc) - giới hạn của độ ẩm liên kết. Vật khô tuyệt đối ở trong môi tr−ờng ϕ = 0% sẽ có ω cb = 0%. Khi tăng độ ẩm của môi tr−ờng thì vật sẽ hút ẩm và ω cb cũng tăng theo. Khi vật đạt tới ω cb max , muốn tăng độ ẩm của vật phải nhúng vật vào n−ớc hay có n−ớc ng−ng tụ trên bề mặt vật. ẩm thâm nhập vào vật lúc này gọi là ẩm tự do. Khi sấy, ẩm sẽ thoát ra theo trình tự sau: tr−ớc hết là ẩm tự do, sau đó là ẩm liên kết thẩm thấu, ẩm liên kết mao dẫn và cuối cùng là ẩm liên kết hấp phụ. Năng l−ợng cần để bay hơi ẩm tự do bằng năng l−ợng để hoá hơi n−ớc tự do. Còn năng l−ợng để hoá hơi ẩm liên kết sẽ lớn hơn và tăng dần theo trình tự thoát ẩm nh− phân tích ở trên. Hình 2-6 cho thấy : với không khí có ϕ = 100 % thì chỉ có thể làm bay hơi ẩm tự do của vật. Muốn cho vật khô hơn phải giảm độ ẩm t−ơng đối của không khí. Ví dụ: nếu không khí có ϕ = 40 % thì phần ẩm có thể tách đ−ợc là ∆ω = ω A −ω cbA ; phần ẩm còn lại trong vật là ω cbA . 21
  23. Hình 2.6. Trạng thái t−ơng tác giữa ẩm và môi tr−ờng 2.2. KhóI Lò 2.2.1. Nguyên lý hệ thống sầy bằng khói Ngoài KKA, khói lò cũng là TNS phổ biến. Khói lò đ−ợc lấy từ việc đốt các loại nhiên liệu, chủ yếu là than đá, các loại củi và dầu. Khói lò th−ờng sử dụng với t− cách là nguồn cung cấp nhiệt cho TNS nh−ng trong nhiều tr−ờng hợp cho phép sử dụng khói trực tiếp để sấy. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bằng khói lò đ−ợc mô tả ở hình 2-7. Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bằng khói Sử dụng khói lò làm TNS có các −u, nh−ợc điểm sau: a) Ưu điểm 22
  24. - có thể điều chỉnh nhiệt độ của TNS trong phạm vi lớn, từ 40-500C đến 900- 10000C - cấu trúc hệ thống sấy đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt - vốn đầu t− thấp, ít tiêu hao điện năng - hiệu quả sử dụng nhiệt cao b) Nh−ợc điểm - gây bụi bẩn cho sản phẩm và thiết bị - có thể gây hoả hoạn hoặc xảy ra các phản ứng hoá học ảnh h−ởng xấu đến chất l−ợng sản phẩm Ph−ơng pháp sấy dùng khói lò chỉ nên sử dụng đối với các sản phẩm cho phép và th−ờng dùng để sấy các sản phẩm của gỗ nh− bút chì, que diêm, các vật liệu xây dựng, đồ gốm sứ và một số hạt nông lâm sản. 2.2.2. Tính toán Việc tính toán quá trình cháy trong hệ thống sấy dùng khói lò bao gồm: a) Xác định tiêu hao không khí lý thuyết cho quá trình sấy L0 [kg KKK/ kg nl] Có thể xác định L0 bằng hai cách: + Theo thành phần nhiên liệu: Với nhiên liệu khí : n m + L = 1,38 {0,0179 CO + 0,248 H + 4 C H } (2-24) 0 2 ∑12m + n m n Trong đó CO, H2, CmHn là thành phần nhiên liệu theo khối l−ợng. Với nhiên liệu rắn : 1 L = (2,67 C + 8 H - S - O ) (2-25) 0 23 LV LV LV LV Trong đó CLV, HLV, SLV, OLV là thành phần của nhiên liệu theo khối l−ợng làm việc C + Theo nhiệt trị cao của nhiên liệu Q LV [Kcalo/kg] 1,293Q C L = 1,1 LV (2-26) 0 1000 b) Xác định hệ số không khí thừa α Hệ số α ở đây đ−ợc tính chung cho cả buồng đốt và hoà trộn là: Q C η + C t − (9H + A)i − (1− 9H − A − Tr)C t α = LV bd nl nl a pk (2-27) L0 {}d 0 ()()ia − iao + C pk t − t0 với: ηbd - hiệu suất buồng đốt Cnl, Cpk - t−ơng ứng là nhiệt dung riêng của nhiên liệu và khói khô 23
  25. ia và iao - entanpi của hơi n−ớc chứa trong khói sau buồng hoà trộn và không khí ngoài trời, đ−ợc tính theo công thức i = 2500 + 1,84 t , kJ/ kg d0 - độ chứa ẩm của không khí ứng với nhiệt độ t0 tnl, t - nhiệt độ ban đầu của nhiên liệu và nhiệt độ của khói sau buồng hoà trộn H, A, Tr- các thành phần của nhiên liệu c) Xác định khối l−ợng khói khô Khối l−ợng khói khô sau buồng hoà trộn (hay tr−ớc khi vào buồng sấy) đ−ợc tính: LKh = ( α L0 + 1 ) - ( Tr + 9 H + A ) (2-28) d) Xác định độ chứa ẩm của khói khô Độ chứa ẩm cuả khói khô sau buồng hoà trộn sẽ là: ()9H + A +αL0 d 0 dKh = (2-29) αL0 + ()1− Tr − 9H − A e) Xác định entanpi của khói Entanpi của khói sau buồng hoà trộn: C QLVηbd + Cnl tnl +αL0 I 0 Ikh = (2-30) LKh Sau khi đã xác định các thông số trên có thể xem khói nh− không khí ẩm và sử dụng đồ thị I-d để biểu diễn, tính toán quá trình sấy. 24
  26. Ch−ơng 3. TRUYềN NHIệT - TRUYềN CHấT TRONG QUá TRìNH SấY Sấy là quá trình làm khô vật liệu ẩm khi đ−ợc cung cấp năng l−ợng với các trình tự sau: - gia nhiệt để đ−a nhiệt độ của VLA đến nhiệt độ bão hoà ứng với phân áp suất hơi n−ớc trên bề mặt vật ( tƯ ) - cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm trong VLA; ẩm dịch chuyển từ trong lòng vật ra ngoài bề mặt và bay hơi - đ−a hơi ẩm thoát khỏi vật ra môi tr−ờng ngoài. Nh− vậy quá trình sấy bao gồm cả truyền nhiệt và truyền chất, tiến hành đồng thời và có ảnh h−ởng với nhau. 3.1. quá trình truyền ẩm trong vật liệu Trong nhiều công trình nghiên cứu thì quá trình truyền nhiệt và truyền chất đ−ợc coi là đồng dạng với nhau. Vì thế có thể mô tả quá trình truyền chất với các ph−ơng trình nh− ở quá trình truyền nhiệt. T−ơng tự nh− ph−ơng trình Furier về dẫn nhiệt ta có ph−ơng trình mô tả sự dẫn ẩm trong vật nh− sau: j = - λa∇u = - am ρ0 ∇u (3-1) với: j -dòng ẩm đ−ợc truyền λa - hệ số dẫn chất ( t−ơng tự nh− hệ số dẫn nhiệt ), xác định khả năng truyền ẩm của vật liệu am- hệ số dẫn thế ẩm ( t−ơng tự nh− hệ số dẫn nhiệt độ ), đặc tr−ng cho tốc độ biến đổi thế truyền ẩm trong vật ρ0 - khối l−ợng riêng của vật khô tuyệt đối ∇u - gradien độ chứa ẩm ∂u ∂u ∂u ∇ = + + u ∂x ∂y ∂x Cũng nh− dẫn nhiệt ta có ph−ơng trình vi phân dẫn chất là: ∂u 2 = am ∇ u (3-2) ∂τ Theo A.V. L−côp thì gradien nhiệt độ cũng gây nên sự khuếch tán ẩm trong vật thể. D−ới tác động của dòng nhiệt thì cũng có một l−ợng ẩm dịch chuyển cùng chiều với nó. Khi kể đến yếu tố này thì dòng ẩm tổng hợp sẽ là: j = - am ρ0 ∇u + am ρ0 δ∆t = ja + jt (3-3) trong đó: δ - hệ số gradien nhiệt độ, cho biết sự chênh lệch hàm ẩm khi có sự chênh lệch nhiệt độ 25
  27. ∆t - độ chênh lệch nhiệt độ ja - dòng ẩm do dẫn ẩm jt - dòng ẩm do khuếch tán nhiệt Ph−ơng trình vi phân dẫn ẩm có dạng: ∂u ∂ 2u ∂ 2t = a + a δ ∂τ m ∂x 2 m ∂x 2 Công thức (3-3) chỉ đúng với tr−ờng hợp khi nhiệt độ trong tâm vật liệu sấy lớn hơn nhiệt độ bề mặt vật (trong tr−ờng sấy bằng tia hồng ngoại, sấy bằng dòng điện cao tần). Còn khi sấy đối l−u, quá trình truyền nhiệt thực hiện từ bề mặt vào trong vật sấy thì nhiệt độ bề mặt vật lại lớn hơn nhiệt độ trong lòng vật. Điều này gây nên sự ng−ợc chiều giữa dòng ẩm do khuếch tán nhiệt với dòng ẩm do dẫn ẩm. Vì vậy dòng ẩm từ trong vật sấy truyền ra ngoài khi sấy đối l−u sẽ là: j = ja - jt (3-4) Với các tr−ờng hợp sấy tiếp xúc khi sự gia nhiệt thực hiện ở một phía của vật thì gradien độ ẩm có chiều từ bề mặt tiếp xúc h−ớng ra phía ngoài còn gradien nhiệt độ có chiều ng−ợc lại. Khi đó dòng ẩm thoát ra khỏi vật là: j = jt - ja (3-5) Qua các phân tích trên cho thấy khi hiệu số nhiệt độ, hiệu số độ ẩm ở trong tâm và bề ngoài mặt vật càng lớn thì tốc độ sấy càng cao. Ng−ợc lại, khi nhiệt độ và độ ẩm ở bề mặt vật lớn hơn bên trong vật thì sẽ gây nên cản trở sự thoát ẩm, thậm chí có thể làm cho ẩm chuyển ng−ợc từ ngoài vào trong lòng vật. 3.2. quá trình trao đổi nhiệt-trao đổi chất giữa bề mặt vật với môi tr−ờng Sấy là một quá trình phức tạp bao gồm cả sự trao đổi nhiệt và trao đổi chất giữa vật liệu với môi tr−ờng. Nhận nhiệt từ môi tr−ờng, vật liệu tăng nhiệt độ đồng thời nhả ẩm vào môi tr−ờng. Dòng hơi ẩm thoát ra từ vật có thể phân tích bao gồm ba thành phần: dòng ẩm khuếch tán do chênh lệch nồng độ ẩm giữa bề mặt vật với môi tr−ờng ja; dòng ẩm khuếch tán nhiệt do chênh lệch nhiệt độ jt và dòng ẩm khuếch tán phân tử do chênh lệch phân áp suất hơi ở bề mặt vật với môi tr−ờng jP : j = ja + jt + jP (3-6) Thông th−ờng dòng ẩm khuếch tán ja và dòng khuếch tán phân tử jP đóng vai trò chủ yếu, còn dòng khuếch tán nhiệt rất nhỏ, có thể bỏ qua trong nhiều tr−ờng hợp. Khi nhiệt độ tăng thì l−ợng ẩm thoát ra bằng dòng phân tử tăng theo. Với áp suất khí quyển, ở nhiệt độ 100 0C thì dòng phân tử là chủ yếu. Quá trình truyền nhiệt từ môi tr−ờng tới vật liệu sấy và quá trình truyền ẩm, ng−ợc lại, từ vật liệu ra môi tr−ờng có ảnh h−ởng lẫn nhau. 26
  28. Trong nhiều công trình nghiên cứu đã coi quá trình truyền nhiệt và truyền chất là t−ơng tự và có thể mô tả bằng những ph−ơng trình tiêu chuẩn giống nhau. Đối với quá trình truyền nhiệt nh− đã biết, ta có: n m K Nu = A1(GrPr) hoặc Nu = A2Re Pr (3-7) Thì đối với quá trình truyền chất ta cũng có : n m K Num = A3(GrmPrm) hoặc Num = A4 Re m Prm (3-8) cùng với các tiêu chuẩn đồng dạng: 3 vl α ml βgl ∆t γ Rem = ; Num = ; Grm = 2 ; Prm = (3-9) γ λa γ am Với : α m - hệ số trao đổi chất đối l−u λa - hệ số dẫn chất am - hệ số dẫn thế truyền ẩm còn các đại l−ợng khác cũng nh− trong truyền nhiệt. Hệ số dẫn thế truyền ẩm am đã trình bày ở (1-32), hệ số dẫn chất (dẫn ẩm ) λa ở (1-33 ), còn hệ số trao đổi chất (trao đổi ẩm) đối l−u α m cũng giống nh− hệ số trao đổi nhiệt α đ−ợc xác định bằng thực nghiệm cho nhiều tr−ờng hợp cụ thể khác nhau từ các ph−ơng trình tiêu chuẩn mô tả quá trình trao đổi nhiệt-trao đổi chất giữa bề mặt VLA với môi tr−ờng xung quanh. T−ơng tự định luật Newton về trao đổi nhiệt đối l−u, dòng ẩm truyền từ bề mặt vật vào môi tr−ờng cũng đ−ợc mô tả bằng định luật Đanton : 2 j = α m ( phv - phm ) , kg/m h (3-10) với : α m - hệ số trao đổi chất đối l−u phv - áp suất hơi ẩm trên bề mặt vật phm- phân áp suất hơi n−ớc trong môi tr−ờng Nếu sự bay hơi n−ớc này do nguồn nhiệt cấp từ môi tr−ờng không khí xung quanh bằng quá trình trao đổi nhiệt đối l−u theo định luật Newton là : 2 q = α ( tf - thv ) , kj/ m h (3-11) thì ta có thể tính đ−ợc : q j = (3-12) r với r - nhiệt hoá hơi của n−ớc. Phân tích trên dựa trên cơ sở cho rằng c−ờng độ sấy vật liệu trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi bằng c−ờng độ bay hơi của n−ớc từ bề mặt n−ớc tự do trong những điều kiện xác định nh− nhau qua nhiều thực nghiệm. 27
  29. Ch−ơng 4. động học quá trình sấy Động học quá trình sấy khảo sát sự thay đổi các thông số đặc tr−ng của VLS trong quá trình sấy. Các thông số đó th−ờng là độ chứa ẩm u, độ ẩm ω , nhiệt độ vật ∂u ∂ω sấy t , tốc độ sấy ( hay ). Các thông số này thay đổi theo thời gian và phụ thuộc v ∂τ ∂τ vào quá trình TĐN-TĐC giữa VLS với môi tr−ờng xung quanh. Để xác định u = f (x,y,z,τ ) và t = f (x,y,z,τ ) bằng giải tích, cần phải giải các hệ ph−ơng trình vi phân phi tuyến rất phức tạp. Vì thế khi nghiên cứu động học quá trình sấy th−ờng dùng ph−ơng pháp thực nghiệm để xác định các thông số đó, đồng thời có thể mô tả chính xác các đặc điểm diễn biến của quá trình sấy. Để tiện khảo sát ng−ời ta xét quá trình sấy đối l−u với tác nhân sấy là không khí nóng có độ ẩm t−ơng đối ϕ , nhiệt độ tK và tốc độ v ổn định (không thay đổi ); vật sấy mỏng, có bề mặt bay hơi t−ơng đối lớn, quá trình sấy chậm sao cho độ ẩm và nhiệt độ ở mọi chỗ là nh− nhau. 4.1. ĐặC ĐIểM DIễN BIếN CủA QUá TRìNH SấY Theo sự thay đổi nhiệt độ của VLS thì quá trình sấy có ba thời kỳ: -thời kỳ làm nóng vật.VLS đ−ợc gia nhiệt để đạt đ−ợc nhiệt độ nhiệt kế −ớt tƯ -thời kỳ tốc độ sấy không đổi.VLS có nhiệt độ không đổi và bằng t Ư -thời kỳ tốc độ sấy giảm dần. VLS có nhiệt độ lớn hơn t Ư và tăng dần đến nhiệt độ môi tr−ờng sấy. Trong ba thời kỳ trên thì thời kỳ thứ nhất th−ờng xảy ra rất nhanh so với hai thời kỳ sau. Khi phân tích quá trình sấy ng−ời ta kết hợp hai thời kỳ đầu làm một và chia quá trình sấy thành hai giai đoạn: giai đoạn tốc độ sấy không đổi và giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. 4.1.1.Giai đoạn tốc độ sấy không đổi Giai đoạn này bắt đầu từ khi đ−a vật vào buồng sấy cho đến khi thoát hết ẩm tự do. Ban đầu toàn bộ vật đ−ợc gia nhiệt, nhiệt độ của nó tăng dần cho tới khi bằng nhiệt độ nhiệt kế −ớt (tƯ ). Sự tăng nhiệt độ ngoài bề mặt vật diễn ra nhanh hơn so với trong tâm. Độ ẩm của vật có giảm nh−ng không đáng kể. Khi toàn bộ vật đã đạt đ−ợc nhiệt độ nhiệt kế −ớt thì l−ợng nhiệt tiếp tục cung cấp chỉ để hoá hơi ẩm chứ không làm tăng nhiệt độ của vật (tV = tƯ = const) nên độ chênh nhiệt độ giữa vật với môi tr−ờng là không đổi (cho rằng nhiệt độ của không khí nóng giữ nguyên). Nếu gọi sự giảm độ chứa ẩm (độ ẩm) của vật liệu trong một đơn vị thời ∂u ∂u gian là tốc độ sấy ( ) thì trong giai đoạn này =const, nên đ−ợc gọi là giai đoạn ∂τ ∂τ tốc độ sấy không đổi. ẩm thoát ra trong giai đoạn này là ẩm tự do, biến thiên của độ chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính. Khi đã bay hơi hết ẩm tự do, độ ẩm của vật đạt 28
  30. đến giá trị ω K nào đó (gọi là độ ẩm tới hạn) thì giai đoạn tốc độ sấy không đổi kết thúc. 4.1.2. Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần Nh− đã biết, năng l−ợng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự do và tăng lên khi độ ẩm của vật càng giảm. Vì vậy tốc độ bay hơi ẩm lúc này nhỏ hơn so với tr−ớc và càng giảm dần theo thời gian. Trong khi đó nhiệt độ của vật lại tăng dần, lớn hơn nhiệt độ nhiệt kế −ớt, tiến tới nhiệt độ của môi tr−ờng. Khi độ ẩm của vật giảm xuống bằng độ ẩm cân bằng (ucb, ω cb) ứng với điều kiện môi tr−ờng xung quanh, nhiệt độ của vật bằng nhiệt độ môi tr−ờng, vật với môi tr−ờng cân bằng nhiệt và ẩm thì quá ∂u trình bay hơi ẩm chấm dứt, có nghĩa tốc độ sấy bằng không =0. Tốc độ sấy nhỏ ∂τ càng giảm thì thời gian sấy càng dài, phần lớn các VLS thời gian ở giai đoạn này lớn hơn rất nhiều so với giai đoạn tốc độ sấy không đổi. Để cho độ ẩm của vật đạt đ−ợc độ ẩm cân bằng thì thời gian sấy τ → ∞ vì thế trong thực tế cuối quá trình sấy vật th−ờng có độ ẩm cuối cùng ω 2 lớn hơn độ ẩm cân bằng. Do độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào môi tr−ờng (tK, ϕ ) cho nên cần chọn các thông số của tác nhân sấy (không khí nóng) ở cuối quá trình sấy phù hợp với độ ẩm yêu cầu của vật liệu sấy. 4.2. những quy luật cơ bản CủA QUá TRìNH SấY Khi nghiên cứu quá trình sấy, các quy luật thay đổi những đặc tính cơ bản của quá trình thu đ−ợc bằng thực nghiệm và biểu diễn ở dạng đồ thị. Đó là các quy luật thay đổi độ ẩm, nhiệt độ của vật theo thời gian sấy và quy luật thay đổi tốc độ sấy theo độ ẩm của vật liệu. 4.2.1. Đ−ờng cong sấy Đ−ờng cong sấy biểu diễn quan hệ giữa độ chứa ẩm và nhiệt độ của VLS theo thời gian: u = f ( τ ) và tV = f ( τ ) Đ−ờng cong sấy có thể chia làm 3 phần t−ơng ứng với 3 thời kỳ của quá trình sấy bằng các đoạn OA, AB và BC trên hình 4-1. 29
  31. Hình 4.1. Đ−ờng cong sấy Trên hình vẽ ta thấy ở thời kỳ tốc độ sấy không đổi thì nhiệt độ của vật không đổi (tV=tƯ=const ), độ chứa ẩm có quan hệ tuyến tính với thời gian. Trong thời kỳ làm nóng vật (gia nhiệt) và thời kỳ tốc độ sấy giảm dần các hệ độ chứa ẩm, nhiệt độ của VLA với thời gian có dạng đ−ờng cong. Sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt vật (thể hiện bằng đ−ờng a, b) và trong tâm của vật liệu (thể hiện bằng đ−ờng a’, b’) có khác nhau. 4.2.2. Đ−ờng cong tốc độ sấy ∂u Theo định nghĩa thì tốc độ sấy là tg của góc nghiêng tiếp tuyến với đ−ờng ∂τ cong sấy u= f (τ ). Bằng ph−ơng pháp vi phân đồ thị ta dựng đ−ợc đồ thị biểu diễn quan hệ giữa tốc độ sấy với độ ẩm của vật liệu (hình 4-2). Trong quá trình sấy độ ẩm của vật liệu giảm dần nên chiều diễn biến của đ−ờng cong tốc độ sấy là từ phải sang trái. ∂u Trong thời gian làm nóng vật tốc độ sấy tăng nhanh từ 0 đến giá trị N = = const sau ∂τ đó giữ nguyên không đổi (đ−ờng biểu diễn nằm ngang) cho tới khi độ ẩm giảm xuống đến giá trị ω K1 (K1-điểm tới hạn thứ nhất). 30
  32. Hình 4.2. Đ−ờng cong tốc độ sấy Từ điểm K1 quá trình sấy chuyển qua giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Khi đó tốc độ sấy giảm dần từ giá trị N xuống bằng 0 ứng với độ ẩm cân bằng của vật liệu ω cb (đ−ợc xác định bởi giao điểm của đ−ờng cong tốc độ sấy với trục hoành). Trong giai đoạn này đ−ờng cong tốc độ sấy có nhiều dạng khác nhau tuỳ thuộc vào tính chất và dạng vật liệu. Dựa vào đ−ờng cong tốc độ sấy có thể phân VLS thành 6 nhóm điển hình t−ơng ứng với 6 đ−ờng: - Đ−ờng 1 gần nh− thẳng ứng với các vật liệu mỏng có cấu trúc sợi nh− giấy, các tông mỏng. . . - Đ−ờng 2 cong lồi về phía trục tung ứng với các vật nh− vải, da mỏng, bột nhào - Đ−ờng 3 cong lồi về phía trục hoành ứng với các vật nh− gốm, sứ. . . Các vật liệu có cấu trúc phức tạp thì đ−ờng cong tốc độ sấy cũng có dạng phức tạp hơn và th−ờng xuất hiện điểm uốn- điểm tới hạn thứ hai K2 với độ ẩm ω K2. Đ−ờng 4,5,6 ứng với các vật keo xốp mao dẫn có cấu trúc phức tạp nh− đất sét, vụn bánh mỳ, các loại hạt thực phẩm. . . 4.2.3. Đ−ờng cong nhiệt độ sấy Đ−ờng cong nhiệt độ sấy (hình 4-3) biểu diễn quan hệ giứa nhiệt độ với độ chứa ẩm của vật liệu tV = f (u) . Cũng nh− đ−ờng cong tốc độ sấy, chiều diễn biến của đ−ờng cong nhiệt độ sấy là từ phải sang trái. Ban đầu vật liệu có các thông số u0, t0, đ−ợc gia nhiệt cho tới nhiệt độ tƯ. Khi tốc độ sấy không đổi nhiệt độ của vật cũng không đổi (tV=tƯ=const ). Qua giai đoạn tốc độ sấy giảm thì nhiệt độ của vật tăng dần tới nhiệt độ của môi tr−ờng sấy. Khi vật đạt đ−ợc trạng thái cân bằng ẩm, cân bằng nhiệt với môi tr−ờng thì sẽ kết thúc quá trình bay hơi ẩm và có các thông số ω cb, tV= tf ( tf là nhiệt độ của tác nhân sấy ). Nh− đã trình bày ở trên thì sự thay đổi nhiệt độ trên bề mặt và trong tâm của vật có khác nhau. 31
  33. Hình 4.3-4. Đ−ờng cong nhiệt độ của vật sấy Riêng đối với vật xốp mao dẫn thì đ−ờng cong nhiệt độ sấy có dạng khác đôi chút (hình 4-4). Trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi, do cấu trúc của vật liệu nên vẫn tồn tại gradien nhiệt độ, nhiệt độ trên bề mặt và trong tâm vật có giá trị khác nhau. Có thể xảy ra hai tr−ờng hợp : - nếu ban đầu các mao dẫn đều chứa n−ớc thì nhiệt độ bề mặt vật sẽ bằng tƯ, còn nhiệt độ trong tâm sẽ nhỏ hơn. - nếu các mao dẫn không chứa ẩm hoặc có bề mặt không thoát ẩm (bề mặt vật tiếp xúc với khay đựng, bề mặt cấp nhiệt ) thì nhiệt độ bề mặt vật sẽ lớn hơn tƯ Đ−ờng cong nhiệt độ sấy có ý nghĩa rất lớn trong nghiên cứu quá trình sấy. Dựa vào đ−ờng cong nhiệt độ sấy có thể xác định các hình thức liên kết ẩm trong vật liệu chính xác hơn dựa vào đ−ờng cong tốc độ sấy. Trong quá trình sấy khi nhiệt độ của vật không thay đổi theo thời gian t−ơng ứng với quá trình tách ẩm tự do. Khi nhiệt độ của vật thay đổi tuyến tính với thời gian thì t−ơng ứng với quá trình tách ẩm mao dẫn và ẩm hấp thụ đa phân tử, nếu nhiệt độ thay đổi theo luật thoái hoá thì t−ơng ứng với quá trình tách ẩm hấp thụ đơn phân tử. Nh− đã biết, chất l−ợng của VLS phần nhiều phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian tác động của nó. Điều này có liên quan đến việc chọn chế độ sấy thích hợp. Độ ẩm cân bằng ω cb của vật phụ thuộc vào môi tr−ờng xung quanh (ϕ , tf), do đó cần chọn các thông số của tác nhân sấy với thời gian ở cuối quá trình sấy sao cho vật liệu có thể đạt đ−ợc độ ẩm yêu cầu công nghệ , tính kinh tế kỹ thuật. 32
  34. 4.3. phân tích QUá TRìNH SấY Quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu khi sấy diễn biến theo các quá trình chủ yếu sau: cung cấp nhiệt cho vật sấy, sự di chuyển ẩm từ trong tâm ra ngoài bề mặt vật và sự bay hơi ẩm vào môi tr−ờng xung quanh. Khi phân tích quá trình sấy cần trình bày đ−ợc quan hệ giữa l−ợng nhiệt cung cấp của tác nhân sấy với sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu, ph−ơng pháp xác định tốc độ sấy để làm cơ sở tính thời gian sấy. Phân tích quá trình sấy cũng theo hai giai đoạn: giai đoạn tốc độ sấy không đổi và giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. 4.3.1. Giai đoạn tốc độ sấy không đổi Trong giai đoạn này nhiệt l−ợng do tác nhân sấy cung cấp dùng để nâng nhiệt độ của vật lên tới nhiệt độ nhiệt kế −ớt tƯ và làm bay hơi ẩm. Khi đó ph−ơng trình cân bằng nhiệt có dạng : dQ = ( CpkGk + CnGn )dtV + [ r + Cph ( th - tƯ ) ] dGn (4-1) ở đây : dQ - l−ợng nhiệt cấp cho vật liệu trong khoảng thời gian dτ Cpk , Cn - nhiệt dung riêng của vật liệu khô và n−ớc ( ẩm ) Gk , Gn - khối l−ợng của vật liệu khô và n−ớc trong vật dtV - sự thay đổi nhiệt độ của vật trong khoảng thời gian dτ r - nhiệt hoá hơi của n−ớc Cph - nhiệt dung riêng của hơi n−ớc thoát ra khỏi vật th - nhiệt độ của hơi n−ớc thoát ra khỏi vật t− - nhiệt độ nhiệt kế −ớt dGn - l−ợng n−ớc bay ra khỏi vật trong khoảng thời gian dτ Mặt khác, ta biết rằng l−ợng nhiệt cấp cho vật liệu trong khoảng thời gian dτ đ−ợc lấy từ tác nhân sấy trong quá trình trao đổi nhiệt đối l−u, nên có: dQ = αF( tf - tƯ ) dτ (4-2) với : α - hệ số trao đổi nhiệt đối l−u F - diện tích bêb mặt vủa vật liệu tiếp xúc với môi tr−ờng sấy tf - nhiệt độ tác nhân sấy Từ hai ph−ơng trình trên thì tốc độ sấy đ−ợc xác định nh− sau: dtV αF(t f − tu ) − (C pk Gk + CnGn ) dGn dτ Z1 = = (4-3) dτ r + C ph (th − tu ) Trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi thì dtV = 0 và hơi ẩm thoát ra từ bề măt vật là hơi bão hoà có nhiệt độ th = tƯ. Vì thế (4-3) có thể viết là : dG αF(t − t ) Z = n = f u (4-4) 1 dτ r 33
  35. Với các thông số có giá trị không đổi nh− trên ta có thể nhận thấy- nh− tên gọi của quá trình- Z1 = const. 4.3.2. Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần Trong giai đoạn tốc độ sấy giảm dần ta thấy đ−ờng cong tốc độ sấy phức tạp và có nhiều dạng khác nhau. Nhiệt độ của vật liệu tăng dần đến nhiệt độ tác nhân sấy, độ chênh nhiệt độ giữa môi tr−ờng và VLS luôn thay đổi, dẫn đến sự không ổn định của quá trình trao đổi nhiệt. L−ợng nhiệt cấp cho vật liệu không chỉ để làm bay hơi ẩm mà còn làm quá nhiệt hơi đó đồng thời làm tăng nhiệt độ của vật sấy. L−ợng ẩm trong vật tuy giảm nh−ng ẩm liên kết càng chặt chẽ nên càng cần nhiều năng l−ợng để hoá hơi. Mặt khác sự hoá hơi ẩm đã dịch chuyển dần vào trong lòng vật và khi nhiệt độ của vật liệu tăng lên thì hơi ẩm thoát ra khỏi vật sẽ là hơi quá nhiệt. Mối quan hệ giữa sự thay đổi độ ẩm của vật liệu với thời gian là phi tuyến tính. . . Quá trình sấy sẽ kết thúc khi vật liệu và tác nhân sấy đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt và ẩm cùng với tốc độ sấy bằng không. Qua những phân tích trên ta thấy việc đ−a ra và giải các ph−ơng trình biểu diễn quan hệ giữa các đại l−ợng cần quan tâm của quá trình sấy ở giai đoạn này là khó khăn và không chính xác. Các kết quả thu đ−ợc khi nghiên cứu ở giai đoạn này chủ yếu là bằng thực nghiệm và đ−ợc biểu diễn phân tích ở dạng đồ thị kết hợp với ph−ơng pháp giải tích. Điều này sẽ đ−ợc trình bày rõ hơn ở trong ch−ơng tiếp theo. 34
  36. Ch−ơng 5. ph−ơng pháp xác định thời gian sấy Cùng với các thông số của chế độ sấy để đảm bảo chất l−ợng sản phẩm và giảm chi phí năng l−ợng thì thời gian sấy là một thông số quan trọng, đ−ợc sử dụng trong tính toán thiết kế và vận hành thiết bị sấy. Thời gian sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố (tính chất của vật sấy, ph−ơng pháp và thiết bị sấy, các thông số của chế độ sấy) và đ−ợc xác định theo nhiều ph−ơng pháp (giải tích, thực nghiệm, kết hợp giải tích với thực nghiệm). D−ới đây sẽ trình bày một số ph−ơng pháp tính toán thời gian sấy đ−ợc sử dụng rộng rãi với kết quả tính toán t−ơng đối phù hợp theo thực tế. 5.1. ph−ơng pháp a.v. l−cốp Đây là ph−ơng pháp kết hợp những nghiên cứu lý thuyết với phân tích động học quá trình sấy trên cơ sở tính thời gian sấy theo hai giai đoạn và tuyến tính hoá đ−ờng cong tốc độ sấy trong giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Ta thay đ−ờng cong tốc độ sấy ở giai đoạn tốc độ sấy giảm dần bằng một đ−ờng thẳng sao cho phần diện tích nằm d−ới đ−ờng cong tốc độ sấy là không đổi nh− hình 5.1. Khi đó độ ẩm của vật liệu ở cuối giai đoạn tốc độ sấy không đổi sẽ là ω Kn2 nh− trên hình vẽ. Hình 5.1. Tuyến tính hoá các dạng đ−ờng cong tốc độ sấy ở giai đoạn tốc độ sấy giảm. ∂ω Trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi ta có tốc độ sấy N = = const, nếu độ ẩm ∂τ ban đầu của vật là ω 1 (Tr−ớc khi sấy, vật liệu có độ ẩm là ω 0 , trong thời gian làm nóng vật l−ợng ẩm thay đổi rất ít nên có thể coi ω 0 = ω 1), thì thời gian sấy ở giai đoạn này sẽ là: 35
  37. ω −ω τ = 1 Kn2 (5-1) 1 N Trong giai đoạn tốc độ sấy giảm dần khi độ ẩm của vật tại thời điểm nào đó (th−ờng là độ ẩm cuối giai đoạn sấy ) là ω 2 , còn độ ẩm cân bằng là ω cb thì thời gian sấy ở giai đoạn này sẽ là: 1 ω Kn2 −ω cb τ 2 = ln (5-2) K ω 2 −ω cb ở đây K là hệ số sấy, phụ thuộc vào chế độ sấy và tính chất của vật liệu. Trên hình vẽ có thể thấy K là hệ số góc của đ−ờng thẳng, tức là: N K = (5-3) ω Kn2 −ω cb 1 Đại l−ợng: X = (5-4) ω Kn2 −ω cb đ−ợc gọi là hệ số sấy t−ơng đối, phụ thuộc vào tính chất của vật liệu, khi đó ta có: K = XN (5-5) Trong nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy: 1,8 X = (5-6) ω 0 với ω 0 là độ ẩm ban đầu của vật xem nh− bằng độ ẩm bắt đầu quá trình tốc độ sấy không đổi ω1 Vậy thời gian của cả quá trình sấy sẽ là: ω1 −ω Kn2 1 ω Kn2 −ω cb τ = τ 1 +τ 2 = + ln N K ω 2 − ω cb 1 ⎡ 1 ω Kn2 −ω cb ⎤ hay τ = ⎢()ω1 −ω Kn2 + ln ⎥ (5-7) N ⎣ X ω 2 −ω cb ⎦ Kết hợp với (5-3),(5-4),(5-6) và biến đổi cuối cùng ta có: ω − ω 1 τ = 0 cb − { 1+ ln [ X (ω −ω )]} (5-8) N XN 2 cb Nh− vậy, theo (5-8) để xác định thời gian sấy chúng ta cần biết độ ẩm ban đầu ω 0 (hay là ω1 ), độ ẩm cuối cùng ω 2 (theo yêu cầu), độ ẩm cân bằng ω cb và tốc độ sấy trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi N. Nh− đã biết, đ−ờng cong tốc độ sấy ở giai đoạn tốc độ sấy giảm dần có nhiều dạng khác nhau. Việc tuyến tính hoá trong giai đoạn này bởi một đoạn thẳng sẽ dẫn đến sai số đáng kể khi tính toán thời gian sấy. Để có kết quả chính xác hơn thì nên thực hiện tuyến tính hoá từng phần ở giai đoạn này. 36
  38. 5.2. cáC ph−ơng pháp khác 5.2.1. Ph−ơng pháp G.K.Philônhenkô Trong ph−ơng pháp này thì biểu diễn chung cho cả quá trình sấy ta có ph−ơng trình sau: m ⎛ 1 dω ⎞ ()ω −ω cb _⎜ ⎟ = m (5-9) ⎝ N dτ ⎠ A + B()ω −ω cb Tích phân (5-9) từ ω1 đến ω 2 ta có : 1 ⎧ A 1−m ⎫ τ = ⎨ ()()ω −ω cb + B ω1 −ω 2 ⎬ (5-10) N ⎩1− m ⎭ Khi m=1 thì : 1 ⎧ ω1 −ω cb ⎫ τ = ⎨Aln + B()ω1 −ω 2 ⎬ (5-11) N ⎩ ω 2 −ω cb ⎭ Các giá trị A, B và m đ−ợc xác định bằng thực nghiệm. Trong đó A và B phụ thuộc vào chiều dày của vật liệu, còn m phụ thuộc vào đặc tr−ng liên kết ẩm (khi liên kết mao dẫn thì m=1). Với một số vật liệu ta có bảng sau: Bảng 5.1. Giá trị A, B, m trong công thức (5-9) Vật liệu A B m Vải 28,5 0,73 1 Khoai tây 1200 -3 1 Củ cải 1000 -2 1 Cà rốt 1550 -2 1 Hành 1600 -3 1 5.2.2. Ph−ơng pháp N.P. Đacuchaep Trong ph−ơng pháp này tác giả đ−a ra quan hệ giữa độ ẩm và thời gian sấy nh− sau: τ ω = ω − (5-12) 1 A + Bτ τ hay = A + Bτ (5-13) ω1 −ω trong đó A, B là các hệ số phụ thuộc vào vật liệu và chế độ sấy. Chúng ta thấy (5-13) là quan hệ tuyến tính. Vậy ta có thể dễ dàng xây dựng đồ thị τ τ với trục tung là , còn trục hoành là τ và xác định đ−ờng thẳng = f (τ ) ω1 −ω ω1 −ω qua hai điểm. Điều này cho phép giảm đi nhiều khối l−ợng thí nghiệm so với các ph−ơng pháp khác. Thời gian sấy khi đó sẽ là: A()ω −ω τ = 1 (5-14) 1− B(ω1 −ω) 37
  39. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Trần Văn Phỳ. Tớnh toỏn và thiết kế hệ thống sấy. Nhà xuất bản Giỏo dục.2001. 2. Hoàng Văn Chước. Kỹ thuật Sấy. NXB Khoa học & Kỹ thuật.2003 3. Nguyễn Văn May. Giỏo trỡnh Kỹ thuật sấy nụng sản thực phẩm. NXB Khoa học & Kỹ thuật.2002 38
  40. MỤC LỤC Trang Lời núi đầu 1 Chương 1 VẬT LIỆU ẨM 2 1.1.CÁC ĐẶC TRƯNG TRẠNG THÁI ẨM CỦA VẬT LIỆU 2 1.1.1.Độ ẩm tuyệt đối 1.1.2.Độ ẩm toàn phần 1.1.3.Độ chứa ẩm 1.1.4.Nồng độ ẩm 1.1.5.Độ ẩm cõn bằng 1.2.PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ẨM VÀ ĐẶC TÍNH XỐP CỦA Nể 3 1.2.1.Vật keo 1.2.2.Vật xốp mao dẫn 1.2.3.Vật keo xốp mao dẫn 1.2.4.Đặc tớnh xốp của vật liệu ẩm 1.3.ẨM TRONG VẬT LIỆU 4 1.3.1.Đặc trưng cơ bản của nước 1.3.2.Qỳa trỡnh hấp phụ 1.3.3.Sự hấp phụ trờn bề mặt mao dẫn 1.4.CÁC DẠNG VÀ NĂNG LƯỢNG LIấN KẾT ẨM 7 1.4.1.Liờn kết húa học 1.4.2.Liờn kết hấp phụ 1.4.3.Liờn kết mao dẫn 1.4.4.Liờn kết thẩm thấu 1.5.CÁC ĐẶC TRƯNG NHIỆT ĐỘNG CỦA VẬT LIỆU ẨM 8 1.5.1.Thế truyền ẩm 1.5.2.Ẩm dung riờng 1.5.3.Hệ số gradien nhiệt độ 1.5.4.Hệ số dẫn thế truyền ẩm 1.5.5.Hệ số dẫn ẩm 1.6.CÁC ĐẶC TRƯNG NHIỆT VẬT Lí CỦA VẬT LIỆU ẨM 11 1.6.1.Nhiệt dung riờng 1.6.2.Hệ số dẫn nhiệt 1.6.3.Hệ số dẫn nhiệt độ 39
  41. Chương 2 TÁC NHÂN SẤY 13 2.1.KHễNG KHÍ ẨM 13 2.1.1.Khỏi niệm chung 2.1.2.Cỏc thụng số đặc trưng 2.1.3.Đồ thị I-d 2.2.KHểI Lề 22 2.2.1.Nguyờn lý hệ thống sấy bằng khúi 2.2.2.Phương phỏp tớnh toỏn Chương 3. TRYỀN NHIỆT-TRUYỀN CHẤT TRONG QUÁ TRèNH SẤY 25 3.1.Quỏ trỡnh truyền ẩm trong vật liệu 25 3.2.Quỏ trỡnh TĐN-TĐC giữa bề mặt vật liệu với mụi trường 26 Chương 4.ĐỘNG HỌC QUÁ TRèNH SẤY 28 4.1.ĐẶC ĐIỂM DIỄN BIẾN CỦA QUÁ TRèNH SẤY 28 4.1.1.Giai đoạn tốc độ sấy khụng đổi 4.1.2.Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần 4.2.NHỮNG QUY LUẬT CƠ BẢN CỦA QUÁ TRèNH SẤY 29 4.2.1.Đường cong sấy 4.2.2.Đường cong tốc độ sấy 4.2.3.Đường cong nhiệt độ sấy 4.3.PHÂN TÍCH QUÁ TRèNH SẤY 33 4.3.1. Giai đoạn tốc độ sấy khụng đổi 4.3.2.Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần Chương 5. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THỜI GIAN SẤY 35 5.1.PHƯƠNG PHÁP A.V.LƯKOP 35 5.2.CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC 37 5.2.1.Phương phỏp G.K.Philanhenco 5.2.2.Phương phỏp N.P. Đacuchaep TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 40