Mô phỏng quá trình truyền nhiệt truyền chất trong thiết bị sấy phun

Nhiệt độ sấy cao sẽ cải thiện được hiệu suất nhiệt của quá trình sấy, tuy nhiên có ba yếu tố làm hạn chế nhiệt độ tác nhân sấy vào: - Sản phẩm có thể bị biến dạng do cháy xém, thay đổi

Bộ giáo dục Và đào tạo TrƯờng đại học bách khoa hà nội

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ long cảm ơn sâu sắc đối với GS.TSKH Đặng Quốc Phú –

người trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn Viện Khoa Học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Viện đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện và giúp

đỡ trong quá trình thực hiện luận văn

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới sự hỗ trợ của trung tâm Dasi – trường Đại học Bách Khoa trong công tác tìm hiểu ứng dụng phần mềm mô phỏng CFD, với sự giúp đỡ trực tiếp của kĩ sư Trần Minh Ngọc, vào lĩnh vực chuyên ngành của luận văn

Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, khuyến khích và tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tác giả

Lê Quang Tùng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là do tôi tự nghiên cứu và thực hiện dưới sự

hướng dẫn của thầy giáo GS.TSKH Đặng Quốc Phú

Để hoàn thành luận án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất cứ tài liệu nào khác

Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỉ luật theo qui định

Tác giả

Lê Quang Tùng

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

1 Cp kJ/kg.K Nhiệt dung riêng đẳng áp

Chữ Hy Lạp

1 α W/m2.K Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu

3 λ W/m.K Hệ số dẫn nhiệt

4 ξ - Hệ số tỉ lệ năng suất sấy

5 ρ Kg/m3 Khối lượng riêng

MỤC LỤC Trang

LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

KÍ HIỆU CHÂN

LỜI MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1: LÍ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ SẤY PHUN……… 2

1.1 Công nghệ sấy phun và ứng dụng……… 2

1.1.1 Đặc trưng……… 2

1.1.2 Cấu tạo hệ thống sấy phun……… 3

1.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống sấy phun…… 12

1.2 Các nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun……… 14

1.2.1 Hướng nghiên cứu ứng dụng……… 15

1.2.2 Hướng nghiên cứu lý thuyết……… 19

1.2.3 Hướng nghiên cứu bằng phần mềm fluent……… 24

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT – TRUYỀN CHẤT CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH SẤY PHUN……… 26

2.1 Lí thuyết quá trình sấy phun……… 26

2.2 Quá trình bay hơi của các hạt lỏng……… 28

2.2.1 Tiếp xúc giữa hạt lỏng và tác nhân sấy……… 28

2.2.2 Quá trình bay hơi của hạt nước nguyên chất……… 29

2.2.3 Quá trình bay hơi của giọt lỏng chứa chất rắn hòa tan……… 34

2.2.4 Quá trình bay hơi của giọt lỏng chứa chất rắn không hòa tan……… 35

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG FLUENT……… 36

3.1 Lịch sử ra đời và phát triển……… 36

3.2 Cấu trúc của bộ phần mềm Fluent……… 37

3.3 Khả năng của Fluent ……… ……… 37

3.4.1 Yêu cầu chọn mô hình lưới……… 39

3.4.2 Cách tạo lưới……… 40

CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU CHUNG CHUNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM SẤY PHUN CI40D……… 41

4.1 Sơ đồ cấu tạo……… 41

4.2 Nguyên lý hoạt động……… ……… 43

4.3 Thiết bị thí nghiệm CI40D cải tiến……… ……… 43

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SẤY PHUN……… 46

5.1 Cở sở lý thuyết……… 46

5.1.1 Mô hình rối trong tính toán dòng nhiều pha……… 46

5.1.2 Mô hình rối k-є thực tế ……… 47

5.1.3 Ứng dụng của bài toán truyền nhiệt – truyền chất bằng đối lưu trong mô hình rối ……… 50

5.1.4 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên ……… 51

5.1.5 Phương pháp số sử dụng trong phần mềm FLUENT ……… 53

5.2 Các bước giải bài toán……… 56

5.3 Ứng dụng phần mềm FLUENT để mô phỏng và tính toán……… 57

5.3.1 Phạm vi ứng dụng của phần mềm FLUENT ……… 57

5.3.2 Bài toán mô phỏng không gian buồng sấy phun ……… 58

5.4 Giải bài toán sấy phun trên FLUENT……… 60

5.5 Kết quả mô phỏng……… 65

5.5.1 Mô Phỏng ở chế độ nhiệt độ cao……… 66

5.5.2 Mô Phỏng ở chế độ nhiệt độ thấp……… 75

5.6 Kết luận……… 81

CHƯƠNG 6: TÓM TẮT, KẾT LUẬN VÀ CÁC ĐỀ XUẤT MỞ RỘNG PHẠM VI NGHIÊN CỨU……… 82

6.1 Tóm tắt và kết luận……… 82

6.1.1 Tóm tắt……… 82

6.1.1 Kết luận……… 83

6.2 Các đề xuất mở rộng phạm vi nghiên cứu……… 83

MỞ ĐẦU

Công nghệ sấy phun đã và đang được phát triển, ứng dụng rộng rãi trên thế giới, trong nhiều lĩnh vực khác nhau Sấy phun là phương pháp duy nhất có thể sấy các dung dịch hòa tan hoặc dung dịch dạng huyền phù cho sản phẩm dạng bột khô Trong công nghiệp hóa chất, công nghệ sấy phun đã được ứng dụng để sản xuất thuốc diệt nấm, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu… Sấy phun cũng đã được áp dụng trong ngành công nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản Đặc biệt là trong ngành công nghiệp thực phẩm thì vai trò của sấy phun là rất to lớn, hầu như không có giới hạn Sấy phun được ứng dụng trong sản xuất bột hương vị, bột cà chua, bột khoai tây… Các nghiên cứu về công nghệ sấy phun chủ yếu tập trung theo hai hướng: Hướng thứ nhất là nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống sấy phun, kết hợp với sự hỗ trợ đắc lực của các chương trình máy tính để xây dựng

mô hình mô phỏng cũng như tối ưu hóa hoạt động của hệ thống sấy phun Hướng thứ hai là nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ sấy phun trên nhiều lĩnh vực khác nhau

Ở Việt Nam, tuy công nghệ sấy phun còn chưa phổ biến nhưng trong tương lai gần khả năng ứng dụng công nghệ này trong sản xuất, chế biến các sản phẩm nông sản là rất lớn

Mục đích đồ án là đưa ra một phương pháp nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt

và trao đổi chất trong thiết bị sấy phun thông qua việc mô phỏng mô hình thiết bị sấy phun trên phầm mềm máy tính (Fluent), từ đó xác định được chế độ sấy tối ưu cho mỗi loại sản phẩm

Nội dung của đồ án gồm có: Phần thứ nhất là nghiên cứu về lý thuyết quá trình trao đổi nhiệt - trao đổi chất trong thiết bị sấy phun cùng chiều Phần thứ hai là tiến hành nghiên cứu xây dựng, tính toán mô phỏng mô hình sấy phun IC40D với sản phẩm là nước cất Từ đó, ta có được cái nhìn trực quan, sinh động về quá trình trao đổi nhiệt – trao đổi chất trong buồng sấy phun

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẤY PHUN

1.1 CÔNG NGHỆ SẤY PHUN VÀ ỨNG DỤNG

1.1.1 Đặc trưng

Sấy là quá trình cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái pha của lỏng trong vật liệu sấy thành hơi Hầu hết các vật liệu trong quá trình sản xuất đều chứa pha lỏng là nước và thường gọi là ẩm Như vậy, sấy là quá trình tách ẩm bằng phương pháp nhiệt

Do nhu cầu sấy ngày càng đa dạng, có nhiều phương pháp và thiết bị để sấy các loại sản phẩm khác nhau Ngoài ra đôi khi cùng một loại sản phẩm nhưng nếu yêu cầu về qui mô sấy khác nhau thì cũng đòi hỏi các thiết bị sấy khác nhau

Trong hệ thống sấy phun, quá trình sấy diễn ra trong một buồng sấy hình trụ Sấy phun là công nghệ duy nhất có khả năng tạo ra các sản phẩm ở dạng bột khô từ vật liệu đầu vào ở trạng thái lỏng nhờ việt phun nguyên liệu lỏng vào môi trường tác nhân sấy có nhiệt độ cao Nguyên liệu sấy có thể ở dạng dung dịch hòa tan, huyền phù, bột nhão Sản phẩm khô có thể ở dạng bột mịn, dạng hạt hay khối kết tụ tùy thuộc vào tính chất lí hóa của nguyên liệu và điều kiện vận hành Ngày nay, sấy phun được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhất là trong các ngành hóa chất, dược phẩm, thực phẩm…nhờ những ưu điểm nổi bật như:

- Dải công suất thiết bị rất rộng, phạm vi tốc độ cấp liệu lớn, từ vài kg/ giờ tới trên 100 tấn/ giờ, thời gian sấy ngắn

- Nguyên liệu sấy đa dạng có thể là các dung dịch, huyền phù, bột nhão, vữa… sản phẩm ra có thể ở dạng bột mịn, dạng hạt, khối kết tụ

- Kết cấu đa dạng, có thể dùng để thu được những đặc tính sản phẩm khác nhau

- Có thể ứng dụng với cả sản phẩm chịu nhiệt và nhạy cảm với nhiệt

- Quá trình diễn ra liên tục và có khả năng tự động hóa cao

- Nguy cơ ăn mòn thấp do nguyên liệu không tiếp xúc với bề mặt kim loại cho tới khi sấy khô

Bên cạnh đó sấy phun có một số nhược điểm như:

- Hiệu suất thu hồi sản phẩm thấp so với các phương pháp sấy khác

- Chi phí đầu tư ban đầu khá cao

- Sản phẩm có thể bị biến chất, mất hương vị, màu sắc khi chế độ sấy không phù hợp

- Phải thường xuyên vệ sinh, bảo dưỡng thiết bị

1.1.2 Cấu tạo hệ thống sấy phun

Hệ thống sấy phun thực tế được thiết kế với nhiều hình dạng khác nhau để đáp ứng cho từng ứng dụng cụ thể, hình 1.1 trình bày một sô đồ nguyên lí hệ thống sấy phun

1 Hệ thống cấp liệu

Hệ thống cấp liệu gồm: thùng chứa liệu, bộ phận lọc, bơm cấp liệu, vòi phun sương Trong quá trình hoạt động của hệ thống thì bơm cấp liệu và vòi phun sương giữ một vai trò rất quan trọng vì chúng là nhân tố quyết định đến sự phân bố và đường kính của hạt trong buồng sấy

- Thùng chứa liệu: dùng để chứa vật liệu sấy sau khi được xử lí, chế biến Để đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục ngay cả khi sự cấp liệu vào thùng bị gián đoạn thì dung tích của thùng phải đủ lớn Vật liệu chế tạo thùng cũng như các đường ống dẫn liệu phải được chọn tùy theo tính chất của các vật liệu sấy Khi tiến hành sấy các loại thực phẩm thì yêu cầu chọn các loại vật liệu không gỉ Trong khi đó, khi sấy các dung dịch hóa học thì yêu cầu ở đây lại là chọn các vật

liệu chống ăn mòn

- Bộ phận lọc: nhiệm vụ là lọc và loại bỏ các tạp chất, các hạt liệu có kích thước lớn có thể ảnh hưởng đến quá trình sấy, đến chất lượng của sản phẩm sấy

Bộ lọc Không khí

Quạt Gia nhiệt

Khí thải Sản phẩm khô

Buồng sấy xyclon

Vòi phun Bơm dịch

Bộ lọc

Bể chứa Vật liệu

Hình 1.2 Sơ đồ khối cấu tạo hệ thống sấy h

Các tạp chất này có thể làm tắc đường ống dẫn liệu hoặc vòi phun, làm gián đoạn quá trình sấy

- Bơm cấp liệu: có nhiệm vụ tiếp liệu vào buồng sấy thông qua vòi phun sương Các loại bơm được dùng cũng rất đa dạng tùy theo tính chất của các vật liệu sấy Với các vật liệu có dạng huyền phù, keo đặc thường dùng bơm bánh răng Bơm

li tâm thích hợp với cả dung dịch hòa tan và không hòa tan Bơm trục vít được dùng nhiều khi sấy các nguyên liệu như: dược phẩm, cà chua, sữa, chanh dây

- Vòi phun sương: đóng vai trò rất quan trọng với mục đích biến bụi, biến vật liệu lỏng thành các hạt nhỏ, mịn theo yêu cầu và phân bố đều chúng vào trong buồng sấy Nó giúp đảm bảo quá trình trao đổi nhiệt, trao đổi chất trong buồng sấy diễn ra tốt Có rất nhiều loại vòi phun: vòi phun khí động, vòi phun đĩa quay, vòi phun áp suất, vòi phun cốc quay, vòi phun siêu âm Các vòi phun được lựa chọn dựa vào tính chất của nguyên liệu cấp, sản phẩm ra, công suất của hệ thống Với năng suất cực lớn vòi phun đĩa quay chiếm ưu thế hơn mặc dầu các thiết kế vòi phun đều có dải năng suất thấp đến dải năng suất cao Với tốc độ cấp liệu thấp thì các vòi phun có thể tạo ra các hạt sương khá giống nhau Nhưng với tốc độ cấp liệu lớn thì vòi phun đĩa quay tạo ra các hạt đồng đều hơn Khi thay đổi năng suất, với vòi phun đĩa quay chỉ việc thay đổi tốc độ quay của đĩa, còn vòi phun áp suất phải thay đổi áp suất Thay đổi áp suất làm thay đổi phân bố kích thước hạt, nếu sự thay đổi nằm ngoài giới hạn thì phải lắp thêm vòi phun mới Trong hệ thống sấy phun thường sử dụng ba loại vòi phun: vòi phun khí động, vòi phun đĩa quay và vòi phun

áp suất

+ Vòi Phun khí động (hình 1.3): Vòi phun khí động hoạt động dựa theo nguyên tắc dòng khí có tốc độ lớn thổi vào dòng chất lỏng phá vỡ các liên kết giữa các phần tử lỏng tạo thành các hạt bụi sương Quá trình biến bụi chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi tính chất của dung dịch và khí như: sức căng bề mặt, độ nhớt của dung dịch, khối lượng riêng của dung dịch và khí, tốc độ khí Về mặt cấu tạo vòi phun khí động có

ba loại là hòa trộn trong, hòa trộn ngoài và hỗn hợp

Hình 1.3: Vòi phun khí động

Đã có nhiều tác giả nghiên cứu về sự hình thành hạt khi ra khỏi vòi phun khí động Marshall và Kim [10] đã đưa ra phương trình xác định kích thước hạt cho vòi phun khí động hai dòng hòa trộn ngoài:

0,17 0,41 0,32

d

G G

trong khoảng từ 0,1 đến 10 làm giảm đường kính hạt Nếu tỉ lệ nhỏ hơn 0,1 thì làm xấu đi đặc tính phun một cách nhanh chóng Nếu tỉ lệ lớn hơn 10 thì sẽ thừa năng lượng mà không làm giảm kích thước hạt Khi tăng độ nhớt đường kính hạt sẽ tăng Khi tăng tốc độ tương đối giữa hạt và không khí đường kính trung bình của hạt sẽ giảm Tăng khối lượng riêng của không khí làm tăng mật độ không khí, tăng ma sát giữa hạt và không khí dẫn đến làm giảm đường kính hạt

Vòi phun khí động có ưu điểm là có khả năng tạo ra các hạt nhỏ và đồng đều Điều này đạt được trong giới hạn hoạt động rộng với cả dung dịch có độ nhớt cao

và thấp mà không yêu cầu phải có bơm áp suất cao Vòi phun khí động tạo sự phun sương rất tốt cho dung dịch có độ nhớt thấp Nó cũng phun sương tốt cho dung dịch

có độ nhớt cao hơn Một số sản phẩm không phun được bằng vòi phun áp suất thì lại có thể phun tốt bằng vòi phun khí động, ví dụ như dung dịch huyền phù của nhựa PVC Một vài lĩnh vực ứng dụng vòi phun này là: sấy titan dioxit, canxi cacbonat, đất sét, bột ngũ cốc, các loại sản phẩm màu hữu cơ và vô cơ

Tuy nhiên, loại vòi phun này có nhược điểm là cần có máy nén khí, hơn nữa khí nén nếu không được gia nhiệt thì sẽ làm lạnh buồng sấy từ đó làm giảm hiệu suất sấy Mặt khác do tốn năng lượng cho máy nén khí nên năng lượng cần để tạo ra một đơn vị diện tích bề mặt sẽ lớn

+ Vòi phun áp suất (hình 1.4): Nguyên lí hoạt động của vòi phun áp suất dựa trên sự chuyển áp lực lỏng thành động năng chuyển động của các màng lỏng

Hình 1.4: Vòi phun áp suất

Dưới áp suất cao dòng chất lỏng bị đẩy qua những khe nhỏ nghiêng và xoắn ốc, theo quán tính những tia văng ra tạo thành những màng mỏng trong khoang tạo rối

rồi được đẩy ra ngoài qua miệng phun Các phân tử trong màng đang có chuyển động quay, vì vậy khi thoát ra khỏi miệng phun sẽ bị xé tơi ra theo phương tiếp tuyến Áp suất tăng sẽ làm giảm góc phun nhưng chỉ giảm nhẹ Độ nhớt của dung dịch cũng ảnh hưởng tới góc phun: độ nhớt tăng sẽ làm giảm góc phun, thậm chí nếu quá nhớt nó có thể bịt kín miệng phun Như vậy dung dịch quá nhớt sẽ không thể phun sương bằng vòi phun áp suất

+ Vòi phun đĩa quay (hình 1.5): Cơ chế của vòi phun đĩa quay dựa trên sự hình thành gia tốc li tâm khi lỏng được cấp vào đĩa quay tròn Lỏng sẽ trượt từ tâm đĩa quay đến cạnh đĩa và văng ra ngoài do lực li tâm Ngoài ra để thúc đẩy sự tạo thành sương thì người ta có thể bố trí thêm quạt cùng với đĩa quay để xé nhỏ dòng hạt thoát ra từ cạnh đĩa

Ưu điểm của vòi phun đĩa quay: giới hạn hoạt động rộng, khả năng cấp liệu lớn, ứng dụng cho nhiều loại vật liệu sấy khác nhau, tạo ra chùm hạt phun rộng với kích thước hạt nhỏ và khá đồng đều, dễ điều chỉnh tốc độ cấp liệu thông qua tốc độ quay của đĩa

Hình 1.5: Vòi phun đĩa quay

khi sấy các tác nhân không phải là không khí thì quá trình sấy phải tiến hành trong chu trình kín Vì lượng tác nhân sấy là có giới hạn và do đó cần thu hồi cho quá trình sấy tiếp theo Khi đó bộ lọc làm nhiệm vụ lọc tác nhân sấy thoát ra khỏi buồng sấy để tái tuần hoàn Ở các hệ thống sấy phun lớn thường sử dụng bộ lọc trục quay

- Bộ gia nhiệt: làm nhiệm vụ nung nóng không khí theo cách trực tiếp hoặc gián tiếp Nguồn cung cấp nhiệt có thể là hơi nóng, xăng, dầu, điện, khí đốt Việc lựa chọn nguồn nhiệt phụ thuộc vào loại sản phẩm sấy, giá thành cũng như khả năng sẵn có của nhiên liệu Dựa theo yêu về thiết bị cung cấp nhiệt mà các sản phẩm sấy được phân loại theo các nhóm sau:

+ Các loại sản phẩm chịu được nhiệt độ cao và tiếp xúc được với sản phẩm cháy thì dùng thiết bị đốt nóng không khí trực tiếp bằng dầu, khí đốt Các loại sản phẩm thích hợp là: đất sét, các loại quạng, sản phẩm vô cơ…

+ Các loại sản phẩm chịu được nhiệt độ cao nhưng không tiếp xúc được với sản phẩm cháy thì dùng thiết bị đốt nóng không khí gián tiếp Các loại sản phẩm thích hợp là: phân bón, muối vô cơ…

+ Các loại sản phẩm không chịu được nhiệt độ cao và tiếp xúc được với không khí nóng thì sử dụng thiết bị đốt nóng không khí trực tiếp kết hợp với một bộ phận báo động và khống chế nhiệt độ Các loại sản phẩm thích hợp là: các muối hữu

cơ và vô cơ…

+ Các loại sản phẩm không chịu được nhiệt độ cao và không tiếp xúc được với sản phẩm cháy thì sử dụng thiết bị đốt nóng gián tiếp, trường hợp với các thiết

bị cỡ nhỏ có thể sử dụng dây điện trở Các loại sản phẩm thích hợp là: các loại thực phẩm, hóa chất

- Quạt: làm nhiệm vụ đưa không khí sấy đi qua bộ gia nhiệt, bộ phận phân phối của không khí vào buồng sấy Loại quạt thường được sử dụng là quạt li tâm

3 Buồng sấy

Là bộ phận quan trọng, trung tâm của hệ thống sấy phun Nhiệm vụ của nó là cung cấp không gian và thời gian lưu trú của các hạt để sản phẩm sấy đạt được chất lượng cũng như độ ẩm yêu cầu, không bị biến chất và bám lên thành buồng sấy Buồng sấy cũng được thiết kế nhiều dạng khác nhau tùy theo đặc tính sấy cũng như tính chất lí hóa yêu cầu khác nhau của các loại sản phẩm

Theo chiều chuyển động của nguyên liệu sấy và tác nhân sấy, buồng sấy được thiế kế theo ba dạng: buồng sấy cùng chiều, buồng sấy ngược chiều, buồng sấy hỗn hợp

+ Buồng sấy cùng chiều (hình 1.6): hai dòng tác nhân sấy và nguyên liệu sấy chuyển động cùng chiều nhau Bộ phận phân phối không khí và vòi phun được đặt tại đỉnh, đáy hoặc cạnh buồng sấy Buồng sấy cùng chiều dùng cho các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ Không khí lúc đầu có nhiệt độ cao sẽ tiếp xúc với dòng nguyên liệu có độ ẩm lớn Nhiệt độ không khí giảm dần theo chiều chuyển động của dòng sản phẩm tương ứng có độ ẩm nhỏ dần

1 Không khí vào

2 Sản phẩm vào

3 Mũi phun

4 Sản phẩm ra

Hình 1.6: Buồng sấy cùng chiều

+ Buồng sấy ngược chiều (hình 1.7): hai dòng tác nhân sấy và nguyên liệu sấy chuyển động ngược chiều nhau Vòi phun và bộ phận phân phối không khí được bố trí ở hai đầu đối diện của buồng sấy Buồng sấy ngược chiều không dùng cho các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ vì sản phẩm khô tiếp xúc với dòng không khí nóng

dễ bị cháy, biến chất

4

3 2 1

Hình 1.7: Buồng sấy ngược chiều

+ Buồng sấy hỗn hợp (hình 1.8): hai dòng tác nhân sấy và nguyên liệu sấy vừa chuyển động cùng chiều vừa chuyển động ngược chiều trong buồng sấy

Hình 1.8: Máy sấy dòng hỗn hợp

4 Hệ thống thu hồi sản phẩm và thải khí

Quá trình sấy trong buồng sấy kết thúc, một phần sản phẩm khô sẽ rơi xuống đáy buồng sấy và được đưa ra ngoài còn phẩn lớn sản phẩm bị tác nhân sấy cuốn theo Để thu hồi sản phẩm với hiệu suất lớn nhất, đảm bảo năng suất của thiết bị sấy cũng như tránh ô nhiễm môi trường cần bố trí thiết bị thu hồi sản phẩm sấy Ứng dụng nhiều nhất trong sấy phun để thu hồi sản phẩm vẫn là xyclon Xyclon hoạt động ổn định, giá thành thấp, hiệu quả tách hạt khô của xyclon cũng rất cao Khi

yêu cầu thu hồi 100% sản phẩm thì phải dùng thêm túi lọc vải

4 4

5 1

Không khí ra Sản phẩm ra

Không khí vào

Mũi phun Sản phẩm vào

1.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống sấy phun

1 Ảnh hưởng của tốc độ cấp liệu

Tốc độ cấp liệu vào máy sấy được dùng để điều khiển nhiệt độ tác nhân sấy

ra và giữ nó ở một giá trị nhất định nhằm khống chế độ ẩm của sản phẩm Khi nhiệt

độ tác nhân sấy vào tăng cao, tốc độ cấp liệu cần tăng cao hơn để giảm nhiệt độ tác nhân ra Tăng tốc độ cấp liệu vào trong khi giữ nguyên điều kiện sấy và phun sương làm tăng cỡ hạt và tăng khối lượng riêng của sản phẩm khô ra

2 Ảnh hưởng của nhiệt dộ nguyên liệu

Tăng nhiệt độ nguyên liệu nhằm giảm độ nhớt sẽ có ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm khô Với chất lỏng có độ nhớt thấp ở điều kiện nhiệt độ phòng, ảnh hưởng của việc tăng nhiệt độ nguyên liệu có thể bỏ qua Tăng nhiệt độ nguyên liệu

sẽ làm giảm tổng lượng nhiệt yêu cầu cho quá trình bay hơi, tuy nhiên lượng nhiệt của nguyên liệu vẫn còn nhỏ so với lượng nhiệt yêu cầu

3 Ảnh hưởng của cỡ miệng phun

Chọn cỡ miệng phun phụ thuộc vào lưu lượng cấp dung dịch và cỡ hạt mong muốn Để nhận được các hạt cỡ mịn, với một lưu lượng nhất định thì phải cần một miệng phun nhỏ, đối với các hạt cỡ lớn hơn cần sử dụng cỡ miệng phun lớn hoặc tăng áp suất vòi phun để nhận được các hạt mịn hơn

4 Ảnh hưởng của độ nhớt

Khả năng tạo sương của một chất lỏng phụ thuộc rất lớn vào độ nhớt chất lỏng tại vòi phun Khi độ nhớt quá cao, chất lỏng phun ra có xu hướng hình thành các hạt có hình dạng sợi, dây Cách đơn giản nhất để giảm độ nhớt là thêm nước vào dung dịch, nhưng điều này làm giảm đột ngột năng suất của máy sấy Cách hiệu quả hơn để giảm độ nhớt là tăng nhiệt độ của dung dịch, điều này đồng thời làm tăng năng suất sấy do phải cung cấp ít nhiệt hơn để nâng nhiệt độ của hạt phun

5 Ảnh hưởng của sức căng bề mặt

Sức căng bề mặt ảnh hưởng đến hoạt động phun sương và sấy do đó ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm khô Những nguyên liệu có sức căng bề mặt thấp

sẽ tạo ra những hạt phun nhỏ hơn, dòng phun chứa tỉ lệ nhiều hạt mịn và độ phân tán cỡ hạt có xu hướng rộng hơn Sức căng bề mặt lớn sẽ tạo ra cỡ hạt lớn hơn và độ phân tán cỡ hạt có xu hướng hẹp hơn

6 Ảnh hưởng của áp lực vòi phun

Áp lực vòi phun có ảnh hưởng rất lớn đến cỡ hạt sản phẩm bột Nếu muốn sản phẩm bột có cỡ hạt lớn hơn cần sử dụng áp lực vòi phun thấp hơn, nếu muốn cỡ hạt mịn hơn thì cần áp lực vòi phun cao hơn

7 Ảnh hưởng của hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu

Tăng hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu sẽ làm tăng cỡ hạt của sản phẩm khô Ở điều kiện nhiệt độ sấy và tốc độ cấp liệu không đổi, nếu tăng hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu thì tải bay hơi sẽ giảm và kết quả là sản phẩm bột có hàm lượng ẩm thấp hơn

8 Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy khi vào thiết bị

Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy phụ thuộc vào đặc tính sấy của mỗi loại sản phẩm Đối với những hạt có xu hướng nở ra trong khi sấy, khi tăng nhiệt độ sấy khối lượng riêng sẽ giảm Tuy nhiên nếu nhiệt độ tăng quá mức, quá trình bay hơi nhanh làm các hạt bị phồng, nứt vỡ hoặc tan rã, kết quả là các mảnh vụn kết tụ thành bột có khối lượng riêng cao hơn Nhiệt độ tác nhân vào cũng ảnh hưởng đến

độ ẩm của bột do sự thay đổi độ ẩm của tác nhân sấy ra Nhiệt độ sấy cao sẽ cải thiện được hiệu suất nhiệt của quá trình sấy, tuy nhiên có ba yếu tố làm hạn chế nhiệt độ tác nhân sấy vào:

- Sản phẩm có thể bị biến dạng do cháy xém, thay đổi màu sắc và hương vị;

- Tính hút ẩm của bột: nhiệt độ sấy càng cao thì nước bay hơi càng nhiều làm

độ ẩm trong buồng sấy cao gây ra hiện tượng kết tụ trong buồng sấy;

- Nhiệt độ bắt lửa của bột: bột có thể bắt lửa và cháy khi tiếp xúc với nhiệt độ cao hơn hiệt độ bắt lửa của nó

9 Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy khi ra khỏi thiết bị

Nhiệt độ của tác nhân sấy ra có ảnh hưởng lớn đến độ ẩm trong bột, khi nhiệt

độ tác nhân ra thấp thì độ ẩm của bột tăng lên Nhiệt độ ra được điều khiển bằng cách điều chỉnh tốc độ cấp liệu tới vòi phun Khi nguyên liệu được phun nhiều hơn vào buồng sấy nó làm mát buồng sấy và nhiệt độ ra giảm xuống Nếu như nguyên liệu được cấp vào không tương xứng thì nhiệt độ không khí ra không thể giảm xuống

10 Ảnh hưởng của độ ẩm môi trường

Khi sấy phun loại bột có tính hút ẩm cao, sự thay đổi độ ẩm môi trường do thay đổi mùa, thậm chí qua cơn mưa có ảnh hưởng rất lớn đến hiện tượng bám dính trong buồng sấy Nếu độ ẩm môi trường thấp, buồng sấy thường sạch sẽ nhưng khi

độ ẩm cao có thể dẫn đến sự cô đọng và đóng thành tảng trong buồng sấy

11 Ảnh hưởng của vận tốc tiếp xúc giữa không khí và dòng phun

Tăng tốc độ tiếp xúc giữa không khí và dòng phun sẽ làm tăng quá trình hoà trộn và do đó làm tăng tốc độ trao đổi nhiệt và trao đổi chất Tuy nhiên với tốc độ sấy cao, các hạt có thể bị bóp méo hình dạng, nứt vỡ, phân hủy hoặc kết tụ lại khi

va chạm với các hạt khác trong dòng chuyển động hỗn loạn Khi tăng vận tốc thì thời gian sẽ ngắn hơn và các hạt sản phẩm khô có hình dạng không đồng đều Sự thay đổi khối lượng riêng rất khác nhau tùy theo mỗi sản phẩm và không có qui luật chung

1.2 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT – TRUYỀN CHẤT TRONG THIẾT BỊ SẤY PHUN

Hiện nay, trên thế giới công nghệ sấy phun đã được phát triển và ứng dụng rất rộng rãi, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp, do những ưu điểm vốn có của sấy phun Sấy phun là một quá trình công nghệ phức tạp và vẫn đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu với mục đích là ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng, cải tiến công nghệ để hoàn thiện và phát triển Dưới đây là một số nghiên cứu

1.2.1 Hướng nghiên cứu ứng dụng

1 Các nghiên cứu, ứng dụng trên thế giới

Cà chua là một loại thực phẩm giàu dinh dưỡng, đã có nhiều nghiên cứu khác nhau về công nghệ sấy bột cà chua, trong đó có hai nghiên cứu tiêu biểu của M.Goula và G.Adamopoulos [10] và nhóm tác giả F.Banat, R.Jumah, Asheh và Hammad [12]

- M.Goula và G.Adamopoulos [10] – đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của

độ cô đặc cà chua nghiền đến tính chất của bột cà chua sau khi sấy và hiệu suất của thiết bị trên một hệ thống sấy phun tiêu chuẩn và một hệ thống sấy phun cải tiến có trang bị bộ khử ẩm không khí sấy Kết quả hai ông thu được là:

+ Trên cả hai hệ thống sấy, khi tăng độ cô đặc của nguyên liệu, chỉ có cỡ hạt của bột sản phẩm tăng lên trong khi các thông số khác như hiệu suất nhiệt, hiệu suất bay hơi, tổn thất ở xyclon, hàm lượng ẩm và khối lượng riêng của bột lại giảm đi + Ở hệ thống sấy phun tiêu chuẩn, khi tăng độ cô đặc của nguyên liệu sẽ làm chậm quá trình hình thành lớp vỏ hạt và kết quả là bám dính nhiều hơn, khả năng thu hồi sản phẩm thấp hơn

+ Trong khi đó ở hệ thống sấy phun cải tiến, do tác nhân sấy được hút ẩm nên độ cô đặc của nguyên liệu càng cao thì lớp bề mặt hạt rắn hình thành càng nhanh, khả năng bám dính giảm đi và hiệu suất thu hồi sản phẩm cao hơn

Trong khi đó nhóm tác giả F.Banat, R.Jumah, Asheh và Hammad [12] nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành như: nhiệt độ nguyên liệu, tốc độ cấp liệu, hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu, nhiệt độ và lưu lượng không khí cấp lên tính chất vật lí của bột cà chua, các ông đã chỉ ra rằng:

+ Khi nhiệt độ nguyên liệu tăng từ 25 C0 đến 55 C0 thì cỡ hạt sản phẩm tăng lên và khối lượng riêng giảm đi trong khi đó nó ảnh hưởng không đáng kể lên hàm lượng rắn và độ hòa tan của sản phẩm

+ Tăng hàm lượng rắn trong nguyên liệu từ 4,67% đến 13,36% thì hàm lượng rắn trong sản phẩm, khối lượng riêng và cỡ hạt tăng lên, trong khi đó độ hòa tan của sản phẩm lại giảm đi

+ Tăng tốc độ cấp liệu từ 8 ml/ phút đến 20 ml/ phút thì khối lượng riêng và

cỡ hạt của sản phẩm tăng lên còn hàm lượng rắn trong sản phẩm và độ hòa tan lại giảm

+ Lưu lượng không khí tăng trong khoảng từ 632cm s3 / đến 792cm s3 / thì có ảnh hưởng không đáng kể đến tính chất của sản phẩm

+ Nhiệt độ không khí vào tăng từ 130 C0 đến 160 C0 thì khối lượng riêng của sản phẩm giảm trong khi hàm lượng rắn, độ hòa tan và cỡ hạt của sản phẩm lại tăng lên

+ Việc chống bám dính trong sấy phun hiện nay đang được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Đây là một vấn đề quan trọng, ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm, khả năng thu hồi sản phẩm từ đó ảnh hưởng tới hiệu suất của hệ thống sấy Bám dính thường xảy ra với những thực phẩm giàu đường (thành phần chủ yếu là fructose, glucose, sucrose,…) Đã có nhiều đề xuất trong việc chống bám dính như làm mát thành buồng sấy, kĩ thuật sấy ba giai đoạn, hoặc sử dụng chất phụ gia…trong đó thì sử dụng chất phụ gia được ứng dụng nhiều hơn cả vì tính kinh tế

và hiệu quả

- Nhóm tác giả: J.A.Grabowski, C.R.Daubert và V.D.Truong [13] đã tiến hành nghiên cứu với nguyên liệu sấy là khoai lang, có sử dụng chất phụ gia là Maltodextrin với các tỉ lệ khác nhau, từ đó đưa ra kết luận là việc xử lí trước sấy và nhiệt độ có tác động rất lớn đến bột khoai lang, khi thay đổi các biến độc lập sẽ cho phép thay đổi các tính chất của bột

- R.Bhandari, Tony Howes và Vinh Truong [14] đã ứng dụng và phát triển

mô hình toán học của Negiz cho quá trình sấy phun cùng chiều vòi phun đĩa quay

để xác định nhiệt độ hóa dẻo khi sấy phun các nguyên liệu hỗi hợp maltrodetrin và sucrose Mô hình được sử dụng để tối thiểu hóa tính kết dính bằng việc lựa chọn các

biến đầu vào làm giảm độ chênh nhiệt độ giữa hạt và nhiệt độ hóa dẻo của nó tại đầu ra của thiết bị sấy Các tác giả đã thành công khi sử dụng mô hình toán để tìm

ra chế độ sấy tối ưu cho các thực phẩm giàu đường

- Markus Reinhold, Christian Horst, Ulrich Homann [19] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và lí thuyết trên thiết bị sấy phun với việc xảy ra đồng thời các phản ứng hóa học Theo đó các phản ứng bay hơi diễn ra ngay cả ở nhiệt độ thấp từ

- 400C đến 3000C, ở nhiệt độ 1000 – 35000C xảy ra phản ứng phân tán điện tử trái dấu Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng biến đổi lớn nhất chỉ xảy ra cho các phản ứng

đó là những phản ứng diễn ra nhanh hơn bước sấy liên tục, mặt khác mức độ biến đổi còn phụ thuộc vào quĩ đạo của hạt xuyên qua pha khí và sự phân bố kích cỡ hạt ban đầu Đối với các phản ứng diễn ra trong máy sấy phun với mũi phun khí động thời gian vào khoảng 10-3 đến 10-2 s

2 Các nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam công nghệ sấy phun tuy chưa phổ biến nhưng cũng đã được ứng dụng trong một số lĩnh vực đặc biệt trong nông nghiệp, dược phẩm Là đất nước nhiệt đới, sản phẩm nông nghiệp vẫn chiếm tỉ trọng lớn nên các sản phẩm từ nông nghiệp cũng rất phong phú

- Nguyễn Đức Quang [6] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và lí thuyết ảnh hưởng của các thông số vận hành và lưu lượng không khí vào, áp suất khí nén

và nhiệt độ vào của tác nhân sấy đến hệ số trao đổi nhiệt thể tích trong buồng sấy của thiết bị sấy phun, đồng thời nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sấy nhằm xác định chế độ sấy cho hiệu quả trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong buồng sấy là lớn nhất Các thí nghiệm tiến hành trên mô hình máy sấy phun IC40D với nguyên liệu sấy là sữa bò tươi Ba Vì

Nguyễn Tiến Quang [7] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành đến hiệu quả trao đổi nhiệt – trao đổi chất với nguyên liệu sấy là chanh dây Tác giả đã tiến hành 28 chế độ thí nghiệm trên hỗn hợp dung dịch sấy gồm dịch chanh dây và 15% hàm lượng Maltodetrin hòa trộn đã khắc phục hiện tượng

bám dính và kết dính của dung dịch sấy có chứa hàm lượng đường cao khi thực hiện bằng sấy phun Tác giả đã xây dựng phương trình hồi qui thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích và đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng chất khô, lưu lượng không khí vào, nhiệt độ không khí vào, áp suất không khí vào đến hệ số trao đổi nhiệt thể tích với giới hạn nghiên cứu là: hàm lượng chất khô: 9 – 10%; lưu lượng không khí vào buồng sấy: 16,8 – 25,2 kg/h; áp suất khí nén: 2 – 3 bar; nhiệt

độ không khí vào t = 160 – 180 0C Kết quả đã đưa ra kết luận:

- Hệ số trao đổi nhiệt thể tích tính cho chanh dây nhỏ hơn rất nhiều so với hệ

số trao đổi nhiệt thể tích của sữa;

- Với mô hình máy sấy phun IC40D và nguyên liệu sấy là dịch chanh dây thì chế độ sấy tối ưu xác định được là: hàm lượng chất khô: 9%; lưu lượng không khí: 21,44 kg/h; áp suất khí nén: 3 bar; nhiệt độ không khí cấp: 160 0C; hệ số trao đổi nhiệt thể tích đạt giá trị cực đại: 476,7 W/m3.K

Võ Xuân Minh, Nguyễn Trần Linh, Nguyễn Thị Minh Nguyệt [4] đã nghiên cứu chế tạo thử vi nang Metronidazol bằng phương pháp sấy phun Cụ thể tiến hành như sau: hòa tan ethylcellulose trong ethanol tuyệt đối Thêm hỗn hợp metronidazol

và aerosil đã được nghiền mịn, phân tán đều để tạo thành hỗn hợp Đem hỗn hợp này sấy phun bằng máy sấy phun SD – 05 với nhiệt độ không khí vào là 800C, nhiệt

độ không khí ra là 610C, đường kính vòi phun là 1 mm, tốc độ bơm dịch là 350 ml/ giờ, tốc độ thổi khí là 62 m3/ giờ Sản phẩm thu được có phần trăm metronidazol vi nang hóa cao nhưng giải phóng hoạt chất chậm

Trương Vĩnh [2] đã nghiên cứu sản xuất bột me bằng phương pháp sấy phun Sau khi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của chất phụ gia malrodextrin, ảnh hưởng của nhiệt độ sấy, tốc độ khi sấy và nồng độ nước me lên quá trình sấy và tính chất của bột sản phẩm, tác giả đã đưa ra kết luận: bột me có thể sản xuất bằng phương pháp sấy phun khi cho thêm phụ gia maltodextrin ít nhất là 20% Nhiệt độ là thông số ảnh hưởng lớn nhất đến độ ẩm của bột sản phẩm Trong khoảng nhiệt độ 140 – 1600C

chất lượng bột không thay đổi so với me tươi Hiệu suất cao nhất đạt được ở nhiệt

độ 1500C, vận tốc khí là 0,31 m/s và nồng độ nước me là 7%

Tôn Nữ Minh Nguyệt và Đào Văn Hiệp [5] đã nghiên cứu sản xuất bột chanh dây trên máy sấy phun Mobile Minror – NIRO của Đan Mạch Tác giả đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất khô dịch quả trước khi sấy, nhiệt độ không khí vào, áp lực khí nén và tốc độ bơm nhập liệu đến quá trình sấy và đi đến kết luận: để đạt hiệu suất thu hồi cao nhất 75 – 80% thì hàm lượng chất dịch quả là 8%, nhiệt độ không khí vào là 1650C, áp lực khí nén là 4,25bar và tốc độ bơm nhập liệu

là 22,5 ml/ phút Độ ẩm sản phẩm ra thấp hơn 8% và bột sau khi sấy được phối trộn với đường saccarose xay mịn với tỉ lệ đường bột là 7/4 Tuy nhiên vấn đền tồn tại là

độ hòa tan của sản phẩm bột chanh dây chưa tốt lắm Nguyên nhân mà tác giả đưa

ra là do dịch quả chứa nhiều pectin và hạt bột do đầu phun sương sử dụng trong nghiên cứu tạo thành khá mịn Tác giả cũng đưa ra đề xuất khắc phục là thay đổi kiểu đầu phun sương khác hoặc phải khảo

sát quá trình tạo hạt sau khi sấy

1.2.2 Hướng nghiên cứu lý thuyết

Hiện nay, các mô hình toán học mô phỏng các hệ thống sấy phun là tương đối hoàn chỉnh với các hệ thống sấy phun khác nhau Trong đó có thể kể ra một số nghiên cứu tiêu biểu như sau:

- Từ các phương trình cân bằng mômen, phương trình cân bằng nhiệt, phương trình cân bằng chất, M.Parti và Palancz [20] đã đưa ra hệ phương trình (1.1)

mô tả quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong các thiết bị sấy phun và đã hoàn công trong việc giải các hệ phương trình này cho cả trường hợp cùng chiều và ngược chiều với một nguyên liệu sấy giả định Tuy nhiên, hệ phương trình này còn một số hạn chế là: chưa tính đến các vận tốc hướng tâm, vận tốc tiếp tuyến của hạt (giả thiết hạt chỉ chuyển động theo phương thẳng đứng dọc theo trục buồng sấy) và không tính đến ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ sấy ở

các giai đoạn sấy khác nhau

( ) ( )

υ ρ

ρπ

α

π

αυ

Trong đó: dấu ± và m, trường hợp thứ nhất áp dụng cho hệ thống sấy

phun cùng chiều, trường hợp thứ hai áp dụng cho hệ thống sấy phun ngược chiều

N: tốc độ sấy tương đối

m bh

N =K d −d (1.2) Các hạn chế trên đã được I.Zbicinski [21] khắc phục khi tác giả thực hiện nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong thiết bị sấy phun cùng chiều

Quỹ đạo chuyển động của các hạt:

g

ρρ

d d

Trong đó:

ξ- hệ số tỉ lệ năng suất sấy

- Phương trình vi phân nhiệt độ của một hạt:

s

m - khối lượng chất rắn có trong hạt

- Phương trình cân bằng chất trung bình cho cả quá trình sấy:

- Không khí nóng và sữa được cấp liên tục vào buồng sấy từ trên đỉnh buồng sấy với một tốc độ đồng đều

- Không khí và hơi nước trong buồng sấy hòa trộn đều

- Các hạt có dạng hình cầu, đồng đều về kích thước và đồng nhất về hóa học Các hạt phân bố đều trong buồng sấy

- Dòng nhiệt truyền từ không khí nóng tới giọt lỏng hoặc hạt và biến thiên nhiệt độ bên trong hạt là không đáng kể

- Tốc độ sấy riêng đặc trưng bởi sự bay hơi nước từ một hạt đơn lẻ và không khí

- Tốc độ sấy toàn bộ là tổng của các tốc độ sấy riêng của tất cả các hạt trong buồng sấy

- Quá trình sấy được chia làm hai giai đoạn: giai đoạn đầu là giai đoạn bay hơi của giọt tự do cho tới khi trên bề mặt hạt xuất hiện lớp rắn, giai đoạn thứ hai là giai đoạn lớp rắn bề mặt tăng lên đồng thời lõi của hạt co lại Hệ phương trình có dạng:

.

2

w 2

2

Q- tổng lượng nhiệt trao đổi, W

- Nguyễn Tiến Quang [7] đã tiến hành nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong thiết bị sấy phun Cụ thể là xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất xảy ra trong buồng sấy phun cùng chiều đồng thời tiến hành giải hệ phương trình với nguyên liệu sấy là dịch chanh dây Kết hợp với các nghiên cứu thực nghiệm, tác giả đã đưa ra chế độ sấy tối ưu đối với loại sản phẩm này: nhiệt độ không khí nóng 160 180 ÷ 0C, nồng độ chất rắn trong dịch sấy là 9 10% ÷ , tỉ lệ chất phụ gia Maltodextrin so với lượng chất khô là 45/55 Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế: tác giả sử dụng phương pháp sai phân để giải hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong thiết bị sấy phun nên độ chính xác chưa cao, chưa đánh giá ảnh hưởng của các thông số đầu vào tới quá trình sấy phun trên mô hình lí thuyết

- Lại Duy Đại [8] đã xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong buồng sấy phun cùng chiều Tác giả đã lập được hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống sấy phun cùng chiều Và giải hệ phương trình này bằng phương pháp RUNGE – KUTTA bậc 4 Từ đó đánh giá được vai trò của một số yếu tố như: nhiệt độ không khí nóng, lưu lượng dịch sấy…tới sự biến thiên

độ ẩm tuyệt đối của hạt trong buồng sấy, đồng thời đánh giá được vai trò của hệ số

tỉ lệ năng suất sấy ξ trong hệ phương trình mô tả quá trình sấy phun cùng chiều, xác định được khoảng giá trị của hệ số ξ có thể ứng dụng cho nhiều loại nguyên liệu sấy khác nhau

1.2.3 Hướng nghiên cứu, ứng dụng bằng phần mềm mô phỏng Fluent

Fluent là một phần mềm nằm trong hệ thống của CFD (computational Fluid Dynamic) tương đối mạnh dung để mô phỏng và tính toán rất hiệu quả và chính xác được ứng dụng nhiều khi giải các bài toán thủ khi động lực Nó được xây dựng trên

cơ sở các phương trình liên tục (năng lượng, động lượng) và phương trình Navier – Stock về chuyển động của dòng lưu chất thực (phương trình Reynolds) Các phương trình này được giải bằng phương pháp khối hữu hạn Phần mềm có khả năng giải các bài toán trong thực tế một cách nhanh gọn, rút ngắn được thời gian thiết kế, giảm chi phí trong chế tạo thử nghiệm, đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy mà trước kia các phương pháp tính toán thông thường rất khó khăn, tốn kém mà không thu được kết quả cao Đặc biệt phần mềm có khả năng mô phỏng các thông số ảnh hưởng dưới dạng các biến đổi trong một không gian rộng như trường vận tốc, trường nhiệt độ, trường áp suất,… mà các phương pháp khác không thể làm được

1 Các nghiên cứu trên thế giới

Lixin Huang, Kurichi và Muiumdar [17] đã nghiên cứu các thông số của dòng khí và biểu diễn quá trình sấy trên mô hình CFD với hai trường hợp là không phun và có phun, nhưng với tốc độ phun rất bé (< 10 m/s) Tác giả đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số như áp suất làm việc, độ ẩm không khí vào

và tổn thất nhiệt từ tường trong quá trình sấy Theo đó thì vùng nhiệt độ có biến đổi

rõ rệt nhất là tại vùng gần mũi phun, tốc độ gây xoáy ở vùng đầu vào và mũi phun khiến tốc độ ở đây rất thấp Tuy nhiên, khi hệ số truyền nhiệt thấp thì các vùng nhiệt

độ gần như đẳng nhiệt Từ đó đã đề ra 3 thông số mới dùng để đánh giá quá trình làm việc của máy sấy phun là: cường độ tiêu thụ nhiệt thể tích qα, cường độ truyền chất thể tích q m và cường độ tiêu thụ nhiệt trên một đơn vị năng suất bay hơi q

Athanasia và Konstantinos [10] cũng đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện làm việc của máy sấy phun dựa trên mô hình CFD Đặc biệt đi sâu vào đánh giá ảnh hưởng của lưu lượng dòng không khí nóng vào và lưu lượng khí nén tới quĩ đạo chuyển động của hạt, sự phân bố và kích thước hạt

Ireneusz Zbicinski và Xuanyou Li [18] kết hợp nghiên cứu thực nghiệm trên sản phẩm sấy là maltodetrin với các hàm lượng là 10, 30, 50% qua đó tác giả đã tiến hành đo đạc thực nghiệm kết hợp với mô phỏng trên CFD để dự đoán ảnh hưởng của các thông số như sự phân bố kích thước hạt, hàm lượng ẩm của hạt, tốc độ hạt, nhiệt độ phun và các thông số của pha liên tục là nhiệt độ khí và độ ẩm

2 Các nghiên cứu trong nước

Hoàng Đức Liên [3] đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm Fluent trong tính toán và mô phỏng một cách rõ ràng về sự biến đổi các thông số vận tốc, áp suất, nhiệt độ,…của dòng chất lỏng Đồng thời có thể cho thấy vị trí ảnh hưởng của nhiệt

độ, vận tốc, áp suất hay cường độ rối của dòng hai pha là lớn nhất, tức tại vùng có tác nhân sấy tác động lên nguyên liệu sấy là lớn nhất

Nguyễn Tiến Quang [7] ứng dụng phần mềm Fluent 6.3 để mô phỏng quá trình sấy trong buồng sấy phun cho dung dịch sấy là nước với 2 chế độ cấp nhiệt là

0

80 C và 160 C0 Từ đó phân tích biến đổi của các trường nhiệt độ, tốc độ, áp

suất trong buồng sấy Tác giả đã đưa ra một số kết luận như sau:

- Ứng dụng phần mềm Fluent vào phân tích các trường nhiệt độ, tốc độ, áp suất trong không gian buồng sấy phun là hoàn toàn phù hợp với qui luật chung và là công cụ để nhận xét và đánh giá ảnh hưởng của dòng đối với các vị trí trong buồng sấy Trong đó dễ dàng nhận thấy rằng cơ cấu mũi phun cần được điều chỉnh sao cho dòng hỗn hợp phun tạo ra được một luồng phun có bề rộng lớn hơn

- Ứng dụng phần mềm Fluent để tiến hành mô phỏng các bài toán 2 pha nói chung và bài toán buồng sấy nói riêng là rất phù hợp và mở ra một hướng nghiên cứu cho bài toán thủy khí động lực học nói chung và bài toán truyền nhiệt – truyền chất của dòng 2 pha nói riêng Kết quả mô phỏng cho phép quan sát và phân tích các qui luật về biến đổi của dòng bên trong bao gồm: nhiệt độ, áp suất, tốc độ Qua đó có thể xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chuyển động, truyền nhiệt, khuếch tán của dòng và đề ra các biện pháp khắc phục

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT – TRUYỀN CHẤT

CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH SẤY PHUN

2.1 LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH SẤY PHUN

Sự bay hơi ẩm trong bồng sấy phun bao gồm đồng thời quá trình trao đổi nhiệt – trao đổi chất Với sự tiếp xúc giữa các hạt nguyên liệu lỏng và tác nhân sấy, nhiệt được trao đổi bằng đối lưu từ không khí vào hạt, làm tăng nhiệt độ hạt và chuyển thành nhiệt ẩn trong suốt quá trình bay hơi ẩm của hạt Hơi ẩm được truyền vào không khí bằng đối lưu giữa lớp biên và môi trường sấy xung quanh hạt

Tốc độ trao đổi nhiệt và trao đổi chất là hàm của nhiệt độ, độ ẩm và sự chuyển động của lớp không khí xung quanh mỗi hạt Nó cũng là một hàm của đường kính hạt và tốc độ tương đối giữa hạt và không khí

Trong quá trình hoạt động của thiết bị sấy phun, hạt lỏng bắt đầu bay hơi khi

có sự tiếp xúc trực tiếp với không khí nóng và, ẩm nhanh chóng được khuếch tán vào không khí làm cho nhiệt độ không khí giảm xuống Sự giảm nhiệt độ của không khí là nguyên nhân làm giảm sự trao đổi nhiệt, và tốc độ bay hơi có thể bắt đầu giảm xuống ngay cả khi bề mặt hạt vẫn là bề mặt bão hòa Tuy nhiên, nó thường được đưa vào giai đoạn đầu của quá trình sấy coi như là giai đoạn sấy không đổi Nếu nhiệt độ không khí cao tới mức cho phép sự bay hơi bắt đầu ở một tốc độ tại đó sự dịch chuyển ẩm không đủ để duy trì trạng thái bão hòa của bề mặt như ban đầu, hạt sẽ có giai đoạn sấy không đổi ngắn, trên bề mặt hạt nhanh chóng xuất hiện lớp chất rắn Sự có mặt của lớp khô này ngăn cản sự trao đổi ẩm, làm cho ẩm bên trong hạt bị giữ lại Như vậy, nhiệt độ của tác nhân sấy có thể dễ dàng ảnh hưởng tới tính chất của sản phẩm khô Sự tăng nhiệt độ không khí vào thường mang lại sự hình thành nhanh chóng lớp khô bên ngoài

Có thể khắc phục hiện tượng này bằng cách nâng cao nhiệt độ của hạt và giảm nhiệt độ của không khí vào, như vậy thời gian sấy sẽ kéo dài hơn

Thời gian sấy thực tế của hạt khi tiếp xúc với tác nhân sấy ở nhiệt độ ổn định phụ thuộc vào hình dạng, thành phần hóa học, cấu trúc vật lí và hàm lượng chất rắn của hạt Thời gian bay hơi của hạt là tổng thời gian của giai đoạn sấy không đổi và thời gian từ khi bắt đầu giai đoạn sấy giảm dần tới lúc hạt đạt được độ ẩm yêu cầu Quá trình sấy phun chia làm 3 giai đoạn (hình 2.1):

Giai đoạn sấy tăng dần (A – B): dịch sấy được thiết bị phun biến bụi thành những hạt vô cùng nhỏ và phun vào buồng sấy Các hạt lỏng này tiếp xúc với tác nhân sấy, tốc độ sấy được thiết lập (điểm A), do độ chênh nhiệt độ giữa các hạt lỏng

và tác nhân sấy lúc này là lớn nên quá trình trao đổi nhiệt diễn ra mãnh liệt Nhiệt

độ của các hạt lỏng nhanh chóng đạt tới nhiệt độ nhiệt kế ướt, trạng thái cân bằng được thiết lập Chính vì vậy khi tính toán cho hệ thống sấy phun người ta thường bỏ qua giai đoạn này và coi hạt vào buồng sấy có nhiệt độ nhiệt kế ướt

Giai đoạn sấy không đổi (B – D): lúc này hạt lỏng đã đạt tới nhiệt độ nhiệt kế ướt, nhiệt mà tác nhân sấy cấp cho hạt lúc này có tác dụng làm bay hơi ẩm của hạt,

do đó nhiệt độ hạt là không đổi Đây là giai đoạn mà quá trình bay hơi diễn ra mãnh liệt nhất, tốc độ sấy là lớn nhất trong suốt quá trình bay hơi của hạt lỏng Bề mặt hạt được duy trì ở trạng thái bão hòa do lượng ẩm dịch chuyển từ tâm hạt tới bề mặt so với lượng ẩm khuếch tán từ bề mặt hạt vào môi trường là cân bằng Giai đoạn này kết thúc khi bề mặt hạt bắt đầu xuất hiện pha rắn Rắn trên bề mặt hạt cản trở sự

chậm lại, bắt đầu giai đoạn sấy tốc độ giảm dần

Giai đoạn sấy giảm dần (D – C): trong giai đoạn này, ẩm bên trong hạt không còn đủ để duy trì trạng thái bão hòa của bề mặt, nhiệt độ hạt bắt đầu tăng do lượng

ẩm thoát ra giảm nên không thể mang hết lượng nhiệt mà tác nhân sấy cấp cho hạt

Độ ẩm của hạt dần đạt tới độ ẩm cân bằng Nhưng trên thực tế, trong hoạt động của

hệ thống sấy phun sản phẩm thường ra khỏi buồng sấy trước khi đạt độ ẩm cân bằng

Bản chất của sấy phun là sự bay hơi ẩm của các hạt vô cùng nhỏ Vì vậy nghiên cứu quá trình sấy trong thiết bị sấy phun là nghiên cứu về sự bay hơi ẩm của các hạt vô cùng nhỏ (hạt nước nguyên chất, hạt lỏng chứa chất rắn hòa tan, hạt lỏng chứa chất rắn không hòa tan)

2.2 QUÁ TRÌNH BAY HƠI CỦA CÁC HẠT LỎNG

2.2.1 Tiếp xúc giữa hạt lỏng và tác nhân sấy

Tốc độ bay hơi, thời gian lưu trú tối ưu của các hạt trong môi trường không khí nóng và mức độ bám dính trên thành buồng sấy chịu ảnh hưởng trực tiếp của cách thức tiếp xúc giữa các hạt lỏng phun ra và dòng không khí nóng Có rất nhiều loại vòi phun khác nhau nhưng ở bất kể loại nào thì các hạt lỏng phun ra đều có vận tốc lớn hơn rất nhiều tốc độ không khí trong buồng sấy Tuy vậy nhưng động năng của hạt lại giảm nhanh chóng do ma sát với dòng không khí nóng và chịu ảnh hưởng của dòng không khí xung quanh

Một số giả thiết khi nghiên cứu chuyển động của các hạt phun:

- Dòng phun gồm các hạt đồng nhất;

- Các hạt lỏng có dạng hình cầu;

- Trao đổi nhiệt giữa các hạt lỏng và tác nhân sấy thực hiện bằng đối lưu;

- Bỏ qua khả năng dính kết hoặc phá vỡ của các hạt;

- Vận tốc không khí không đổi theo hướng dọc trục mà thay đổi theo hướng tiếp tuyến đối với thiết bị có dòng không khí xoáy;

- không khí đi qua thiết bị sấy theo dòng chuyển động song song đối với thiết

bị có dòng không khí không xoáy

Khi các hạt lỏng chuyển động trương đối so với không khí, xuất hiện các lực cản do ma sát giữa không khí với bề mặt hạt và do hình dạng của hạt lỏng Các lực tác dụng lên một hạt đơn có thể mô tả bằng phương trình [16]

ρ ρ - khối lượng riêng của hạt và không khí;

F- diện tích của hạt lỏng chiếu lên bề mặt vuông góc với hướng chuyển động

2

4

F =π D đối với hạt hình cầu;

td

v - vận tốc tương đối giữa hạt lỏng và không khí

2.2.2 Quá trình bay hơi của hạt nước nguyên chất

Nghiên cứu quá trình bay hơi của một hạt nước nguyên chất có một ý nghĩa quan trọng vì các kết luận rút ra từ đó là cơ sở nghiên cứu cơ chế bay hơi trong quá trình sấy phun Đặc biệt trong trường hợp lí tưởng có thể lấy các kết quả nghiên cứu

về sự bay hơi của hạt nước nguyên chất áp dụng cho các dung dịch chứa chất rắn hòa tan và không hòa tan (huyền phù) thông qua các hệ số hiệu chỉnh Lượng ẩm bay hơi trong sấy phun phụ thuộc chủ yếu vào cơ chế bay hơi và thời gian lưu lại của hạt trong buồng sấy

Lý thuyết lớp biên phát biểu rằng: tốc độ bay hơi của hạt lỏng chuyển động với tốc độ tương đối bằng không hoàn toàn giống với bay hơi trong điều kiện không khí tĩnh Do vậy, cơ chế bay hơi trong không khí tĩnh dựa trên lí thuyết lớp biên hoàn toàn có thể áp dụng trong điều kiện sấy phun

1 Quá trình bay hơi của một hạt

a/ Bay hơi khi vận tốc tương đối giữa không khí và hạt lỏng không đáng kể

Khi vận tốc tương đối giữa hạt lỏng và không khí bằng không hệ số Reynolds cũng bằng không Theo lí thuyết truyền nhiệt – truyền chất [1] khi đó Nu = Sh = 0

Do đó tốc độ trao đổi nhiệt và trao đổi chất trên bề mặt là không

∆ - Chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và bề mặt hạt lỏng

Xác định thời gian bay hơi từ phương trình cân bằng nhiệt cho toàn bộ hạt lỏng

Số hạng 0 w

2

r T

ρ

∆ không thay đổi trong phần lớn thời gian hạt lưu lại trong buồng

sấy nên:

( )0

d d r

T

ρτ

0 1 0 1

ln

T

T T

∆ - Chênh lệch nhiệt độ giữa không khí ra và bề mặt hạt lỏng

b/ Bay hơi khi kể đến ảnh hưởng của vận tốc trương đối giữa không khí và hạt lỏng

khi tốc độ tương đối giữa hạt và không khí tăng lên thì khả năng trao đổi nhiệt, trao đổi chất giữa hạt lỏng và không khí tăng lên, làm tăng tốc độ bay hơi của hạt lỏng Khi kể đến tốc độ tương đối giữa hạt và không khí thì tốc độ truyền nhiệt, tốc

độ truyền chất của hạt lỏng được tính theo phương trình của Ranz – Marshall [16] Phương trình truyền nhiệt:

0,5 0,33

Phương trình trên được ứng dụng trong phạm vi:

- Tiêu chuẩn Reynolds, Re 2 200 = ÷ ;

- Cấu trúc bên trong hạt ổn định;

- Áp dụng hệ số trở kháng ở trạng thái ổn định;

- Các hạt ổn định trong dòng khí

Thời gian bay hơi của hạt nước nguyên chất khi kể tới vận tốc tương đối giữa hạt lỏng và không khí được tính theo phương trình Ranz – Marshall hoặc theo phương trình Ingebo dựa trên việc thừa nhận hai giả thiết:

- Diện tích truyền nhiệt và truyền chất đối với mỗi hạt lỏng là như nhau

- Toàn bộ lượng nhiệt truyền tới hạt lỏng chỉ dùng làm nhiệt ẩn hóa hơi

Thời gian bay hơi theo phương trình Ranz – Marshall [16]:

( )0

100

2,07 2

0 0

2 1,07 0

2

1

1 8

λρ

- vtd – vận tốc tương đối của hạt lỏng so với không khí;

- mM – khối lượng phân tử trung bình của khí và hơi;

p d

p

po p

p d

d d d r

d d

d T

ρ

βλ