Nghiên cứu lý thuyết quá trình truyền nhiệt truyền chất trong thiết bị sấy phun

Quá trình nghiên cứu được tiến hành theo các bước: Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun; xác định các điều kiện đơn trị và

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHÙNG ANH XUÂN

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT

– TRUỀN CHẤT TRONG THIẾT BỊ SẤY PHUN

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGÀNH: MÁY VÀ THIẾT BỊ NHIỆT LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

ĐẶNG QUỐC PHÚ

HÀ NỘI – 2010

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

Phùng Anh Xuân

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

4 ξ - Hệ số tỉ lệ năng suất sấy

5 ρ Kg/m3 Khối lượng riêng

MỤC LỤC Trang

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

KÍ HIỆU CHÂN

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1: LÍ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ SẤY PHUN……… 3

1.1 Công nghệ sấy phun và ứng dụng……… 3

1.1.1 Đặc trưng……… 3

1.1.2 Cấu tạo hệ thống sấy phun……… 4

1.1.3 Nguyên lí hoạt động của hệ thống sấy phun……… 7

1.1.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống sấy phun…… 7

1.1.5 Một vài chu trình và sơ đồ máy sấy phun đặc trưng……… 10

1.2 Kết quả nghiên cứu truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun… 15 1.2.1 Hướng nghiên cứu lí thuyết……… 15

1.2.2 Hướng nghiên cứu thực nghiệm……… 19

1.2.3 Hướng nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm fluent……… 22

1.2.4 Hướng nghiên cứu sự thay đổi đường kính hạt trong quá trình sấy phun……… 24

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT – TRUYỀN CHẤT CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH SẤY PHUN……… 31

2.1 Lí thuyết quá trình sấy phun……… 31

2.2 Quá trình bay hơi của các hạt lỏng……… 33

2.2.1 Tiếp xúc giữa hạt lỏng và tác nhân sấy……… 33

2.2.2 Quá trình bay hơi của hạt nước nguyên chất……… 34

2.2.3 Quá trình bay hơi của giọt lỏng chứa chất rắn hòa tan……… 38

2.2.4 Quá trình bay hơi của giọt lỏng chứa chất rắn không hòa tan……… 39

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC NGHIÊN CỨU QUÁ

TRÌNH SẤY PHUN CÙNG CHIỀU……… 41

3.1 Hệ phương trình vi phân trao đổi nhiệt – trao đổi chất quá trình sấy phun……… 42

3.1.1 Phương trình cân bằng lực……… 42

3.1.2 Phương trình cân bằng chất……… 43

3.1.3 Phương trình cân bằng nhiệt……… 45

3.2 Các điều kiện đơn trị……… 48

3.3 Phương pháp giải……… 51

3.4 Kết quả tính toán và đánh giá……… 53

3.4.1 Biến thiên tốc độ “hạt” trong không gian buồng sấy……… 53

3.4.2 Biến thiên độ ẩm tuyệt đối của “hạt” trong không gian buồng sấy… 54 3.4.3 Biến thiên độ chứa hơi của không khí trong không gian buồng sấy 55

3.4.4 Biến thiên nhiệt độ trong không gian buồng sấy……… 56

3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đầu vào tới quá trình sấy phun……… 59

3.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí nóng tới quá trình sấy………… 59

3.5.2 Ảnh hưởng của lưu lượng dịch sấy……… 61

3.5.3 Ảnh hưởng của lưu lượng khí nén tới quá trình sấy……… 63

3.5.4 Ảnh hưởng của áp suất khí nén tới quá trình sấy……… 65

3.5.5 Ảnh hưởng của lưu lượng khí nóng tới quá trình sấy……… 67

3.5.6 Ảnh hưởng đường kính ban đầu của “hạt” tới quá trình sấy……… 69

CHƯƠNG 4: TÓM TẮT, KẾT LUẬN VÀ CÁC ĐỀ XUẤT MỞ RỘNG PHẠM VI NGHIÊN CỨU……… 72

4.1 Tóm tắt và kết luận……… 72

4.2 Đề xuất mở rộng phạm vi nghiên cứu……… 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

LỜI MỞ ĐẦU Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nông nghiệp Trong công nghiệp chế biến nông lâm, hải sản kỹ thuật sấy đóng vai trò đặc biệt quan trọng Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới có các loại sản phẩm nông sản đa dạng, phong phú và có số lượng rất lớn Vì vậy, nghiên cứu phát triển công nghệ sấy các loại nông sản thực thẩm có thể coi là nhiệm vụ chiến lược trong

sự nghiệp phát triển kinh tế Trước đây, nông sản, thực phẩm được phơi dưới ánh nắng mặt trời nên sản phẩm thu được thường có chất lượng thấp, thời gian phơi sấy lâu, và phụ thuộc vào thời tiết Công nghệ sấy phát triển cho phép tạo ra các sản phẩm có giá trị và chất lượng cao Một trong những công nghệ sấy đang được nhiều nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng quan tâm nghiên cứu là công nghệ sấy phun

Sấy phun là một trong những phương pháp sấy đối lưu, tác nhân sấy thường

là không khí hay là một khí khác như Nitơ Tác nhân sấy vừa làm nhiệm vụ gia nhiệt cho nguyên liệu sấy vừa làm nhiệm vụ thải ẩm vào môi trường Sấy phun có rất nhiều ưu điểm như: 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… có thể ứng dụng với cả sản phẩm chịu nhiệt và nhạy cảm với nhiệt Chất lượng sản phẩm giữ nguyên không đổi trong thời gian di chuyển trong máy sấy

Sấy phun có rất nhiều ưu điểm như vậy nhưng để có được chế độ sấy hiệu quả

về mặt công nghệ thì cần phải nghiên cứu bản chất của quá trình sấy Một trong những hướng được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước tiến hành nghiên cứu là ảnh hưởng của các thông số tới chế độ vận hành của máy sấy phun để tăng tính kinh

tế và khả năng ứng dụng cho nhiều loại nguyên liệu sấy khác nhau Mục tiêu là để nâng cao hiệu quả, chất lượng, giảm giá thành sản phẩm Cho tới ngày nay, những công trình này hoặc chỉ nghiên cứu cho một hệ thống máy sấy cụ thể hoặc một vài thông số riêng rẽ của chế độ sấy mà chưa nghiên cứu cho cả chế độ sấy

Quá trình truyền nhiệt – truyền chất quyết định năng suất, chất lượng, hiệu quả quá trình sấy phun Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết

bị sấy phun để nắm được bản chất quá trình sấy nhằm xây dựng, thiết kế, chế tạo, vận hành thiết bị sấy có hiệu quả

Mục đích của luận án "Nghiên cứu lý thuyết quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun" là thiết lập mô hình toán học gồm hệ phương trình vi phân phù hợp với thiết bị nghiên cứu, xác định các điều kiện đơn trị của bài toán, giải ra kết quả bài toán và đánh giá mức độ tin cậy của kết quả Mô hình toán học phải có độ tin cậy có thể ứng dụng được để tính toán được quá trình truyền nhiệt - truyền chất trong sấy phun

Quá trình nghiên cứu được tiến hành theo các bước: Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun; xác định các điều kiện đơn trị và giải bài toán; đánh giá độ tin cậy của lời giải; ứng dụng của mô hình để nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng

Trong quá trình hoàn thành luận án, tác giả đã rất cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo cùng các bạn đồng nghiệp để luận án được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ SẤY PHUN

1.1 CÔNG NGHỆ SẤY PHUN VÀ ỨNG DỤNG

1.1.1 Đặc trưng

Sấy là một quá trình công nghệ mà ẩm nhận được năng lượng dịch chuyển từ trong lòng ra bề mặt ngoài của vật và sau đó là từ bề mặt khuếch tán vào môi trường Quá trình các phân tử ẩm nhận được nhiệt lượng để di chuyển từ trong lòng vật ra bề mặt và từ bề mặt vật đi vào không gian tác nhân sấy bao quanh để thải vào môi trường là hai quá trình quan trọng và ảnh hưởng lẫn nhau trong công nghệ sấy

Sấy phun là một trong những phương pháp sấy đối lưu, tác nhân sấy thường

là không khí hay là một khí khác như Nitơ (thường dùng để sấy các vật liệu dễ cháy nổ) Tác nhân sấy vừa làm nhiệm vụ gia nhiệt cho nguyên liệu sấy vừa làm nhiệm

vụ thải ẩm vào môi trường

Công nghệ sấy phun là công nghệ duy nhất có thể biến đổi trực tiếp nguyên liệu sấy ở dạng lỏng thành sản phẩm khô dạng bột, bằng cách phun nguyên liệu vào môi trường không khí nóng Nguyên liệu sấy có thể ở dạng dung dịch hòa tan, huyền phù, bột nhão, chất sền sệt hay vữa 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 Chất lượng sản phẩm giữ nguyên không đổi trong thời gian di chuyển trong máy sấy

- Phạm vi ứng dụng rộng, có thể ứng dụng trong nhiều công nghệ chế biến,

từ khả năng chế biến thuốc vô trùng tới những sản phẩm bột dùng làm đồ gốm

- 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

- Mật độ sản phẩm có thể kiểm soát được

- Có thể thu được sản phẩm dưới dạng các hạt gần hình cầu

- 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 nhưng về nguyên tắc chúng bao gồm các bộ phận chính như sau (hình 1.1)

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 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

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 1.1: Sơ đồ khối cấu tạo hệ thống sấy phun

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

- 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

- 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 thiết kế theo ba dạng: buồng sấy cùng chiều, buồng sấy ngược chiều, buồng sấy hỗn hợp (xem các hình từ H1.2 đến H1.5)

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 phần 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

1.1.3 Nguyên lí hoạt động của hệ thống sấy phun

Quá trình hoạt động của hệ thống sấy phun là một quá trình liên tục từ khâu cấp liệu tới khâu thu hồi sản phẩm Ở khâu cấp liệu: nguyên liệu sấy sau khi sơ chế được chứa trong thùng chứa liệu, sau đó nguyên liệu qua thiết bị lọc, ở đây nguyên liệu được lọc tinh để loại bỏ các phần tử có kích thước chưa đạt yêu cầu tránh làm tắc thiết bị phun sương Nguyên liệu sau đó được bơm tới thiết bị phun sương, ở đây nguyên liệu được xé tơi thành các hạt nhỏ có kích thước từ vài chục tới vài trăm micromet Những hạt bụi vô cùng nhỏ này được phun trực tiếp vào buồng sấy

Ở khâu cấp không khí: không khí từ môi trường qua miệng hút tới thiết bị lọc để lọc sạch bụi bẩn (vì không khí tiếp xúc trực tiếp và hòa trộn với nguyên liệu sấy do đó nếu không được làm sạch sẽ ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm Quạt đưa không khí đã được làm sạch qua bộ gia nhiệt, không khí được gia nhiệt và đi vào buồng sấy

Trong buồng sấy: không khí nóng tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu sấy và xảy ra quá trình trao đổi nhiệt - trao đổi chất giữa nguyên liệu sấy và không khí nóng Nhiệt độ của các hạt nguyên liệu nhanh chóng tăng lên tới nhiệt độ nhiệt kế ướt, và ẩm trong hạt bắt đầu bay hơi, quá trình bay hơi bắt đầu từ bề mặt, sau đó ẩm

từ bên trong hạt khuếch tán ra bề mặt và bay hơi vào không khí Tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ, có thể điều chỉnh độ ẩm của sản phẩm ra khỏi buồng sấy

Thu hồi sản phẩm và thải khí: một phần sản phẩm khô sẽ rơi xuống đáy của buồng sấy, phần còn lại bay theo tác nhân sấy Phần sản phẩm bay theo tác nhân sấy tới xyclon được thu hồi lại còn không khí ẩm được thải vào môi trường Tuy nhiên, vẫn có một phần sản phẩm không thể thu hồi được do bám vào thành buồng sấy hoặc đi theo khí thải, đây cũng là một nhược điểm của sấy phun

1.1.4 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 Quá trình bay hơi quá nhanh có khả năng tạo thành các hạt khô rỗng và khối lượng riêng tổng sẽ nhỏ 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

1.1.5 Một vài chu trình và sơ đồ máy sấy phun đặc trưng

1 Máy sấy dòng cùng chiều

1 Không khí vào

2 Sản phẩm vào

3 Mũi phun

4 Sản phẩm ra

Hình 1.2: Máy sấy dòng cùng chiều

Trong một máy sấy dòng cùng chiều (hình 1.2 và hình 1.3) vật liệu phun được hướng vào không khí nóng bên trong máy sấy và chúng cùng đi qua máy sấy theo một chiều Máy sấy dòng cùng chiều thích hợp hơn với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt bởi vì không khí nóng nhất tiếp xúc với giọt có hàm lượng ẩm lớn nhất Sự sấy diễn ra rất nhanh, và nhiệt độ không khí sấy giảm nhanh do sự bay hơi của nước Sản phẩm không trải qua sự phá hủy nhiệt bởi vì nhiệt độ giọt thấp trong suốt hầu hết quá trình bay hơi Đôi khi hàm lượng ẩm đạt tới mức chỉ tiêu, nhiệt độ hạt không tăng nhiều bởi vì nhiệt độ môi trường không khí bây giờ mát hơn Sữa và những sản phẩm thức ăn nhạy cảm với nhiệt thường được sấy trong máy sấy cùng chiều

4 3

Hình 1.3: Sơ đồ chu trình hở dòng cùng chiều

2 Máy sấy dòng ngược chiều

Hình 1.4: Máy sấy dòng ngược chiều

Trong thiết kế này của máy sấy phun (hình 1.4) vật liệu phun và không khí được đưa vào ngược chiều nhau với sự bố trí mũi phun ở đỉnh và không khí vào ở đáy của máy sấy Máy sấy dòng ngược chiều có tốc độ bay hơi lớn hơn và hiệu suất năng lượng cao hơn máy sấy dòng cùng chiều Vì những hạt khô nhất tiếp xúc với không khí nóng nhất Sấy phun dòng ngược chiều không phù hợp với những sản phẩm sấy nhạy cảm với nhiệt Máy sấy dòng ngược chiều sử dụng kim phun sương bởi vì năng lượng phun có thể đập trực tiếp vào dòng không khí Xà phòng và chất tẩy rửa thông thường được sấy trong máy sấy dòng ngược chiều

Sản phẩm bột đem đóng gói

5

3 Máy sấy dòng hỗn hợp

Hình 1.5: Máy sấy dòng hỗn hợp

Máy sấy ở dạng này (hình 1.5) kết hợp

cả hai dạng dòng cùng chiều và dòng ngược chiều Trong máy sấy hỗn hợp, không khí đi vào ở đỉnh và mũi phun ở đáy của máy sấy Giống như thiết kế dòng ngược chiều, một máy sấy dòng hỗn hợp những hạt khô nhất tiếp xúc với dòng không khí nóng nhất, vì vậy thiết kế này không sử dụng sấy những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt

4 Chu trình hở của máy sấy

Trong một chu trình hở của máy sấy (hình 1.6), không khí sấy được đưa vào

từ khí quyển, gia nhiệt, vận chuyển qua buồng sấy và sau đó thải ra môi trường

5 Chu trình kín của máy sấy

Nhóm chu trình kín của máy sấy được chọn khi:

- Nguyên liệu cung cấp cho máy bao gồm rắn hỗn hợp với chất hữu cơ hòa tan

dễ cháy; đồng thời đòi hỏi thu hồi hoàn toàn dung môi

Không khí vào

Mũi phun Sản phẩm vào

6 Chu trình nửa kín của máy sấy

Chu trình này là kết hợp giữa chu trình kín và chu trình hở của máy sấy và không kín khí Có rất nhiều thay đổi trong chu trình này, hệ thống quan trọng nhất

là gia nhiệt trực tiếp (hình 1.7) Khí (sản phẩm chính của sự cháy) được tái tuần hoàn qua máy sấy Khí tái tuần hoàn này có hàm lượng oxy rất thấp, làm cho nó phù hợp với nhiên liệu mà không thể tiếp xúc với oxy, do sự nguy hiểm của cháy nổ hoặc thoái hóa sản phẩm

Hình 1.7: Sơ đồ chu trình nửa kín

1 Không khí đốt; 2 Chất lỏng làm nguội; 3 Nguyên liệu cấp; 4 Chất đốt; 5 Xả nước ngưng; 6 Sản phẩm khô; 7 Buồng sấy; 8 Xyclon; 9 Bộ gia nhiệt trực tiếp;

10 Thiết bị trao đổi nhiệt; 11 Thiết bị lọc khí; 12 Xyclon vận tải; 13 vận tải bằng khí

7 Máy sấy một tầng và hai tầng

Trong máy sấy một tầng, hàm lượng ẩm được khử tới giá trị cuối (điển hình 2% – 5% khối lượng) trong một lần qua máy sấy

Trong máy sấy hai tầng, hàm lượng ẩm của sản phẩm rời buồng sấy là cao hơn (điển hình là 5% - 10%) Sau khi rời buồng sấy, hàm lượng ẩm tiếp tục được khử trong tầng thứ hai Tầng sấy thứ hai có thể làm việc trong một thiết bị sấy tầng rung hoặc một thiết bị sấy tầng sôi (hình 1.8) Máy sấy hai tầng cho phép sử dụng những nhiệt độ thấp hơn trong thiết bị sấy, máy sấy hai tầng là một chọn lựa tốt cho những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt

Hình 1.8: Máy sấy hai tầng với thiết bị sấy tầng sôi

9 Máy sấy kiểu đứng và máy sấy kiểu nằm ngang

Hình 1.9 Máy sấy kiểu ngang

1 Không khí sấy

2 Nguyên liệu cung cấp cho máy

3 Băng tải chạy bằng khí nén

Buồng sấy của máy sấy kiểu ngang (hình 1.9) có dạng hộp chữ nhật có đáy dạng phẳng hoặc dạng chữ V Những mũi phun trong máy sấy kiểu hộp thường

phun theo phương ngang, những hạt đã được sấy khô rơi xuống sàn, từ đây chúng được đưa tới khu vực đóng gói nhờ băng tải quét hoặc băng tải quay

1.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 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 Tuy nhiên, sấy phun là một quá trình công nghệ phức tạp nên trong công nghệ sấy phun vẫn còn nhiều vấn đề cần được giải quyết, đặc biệt là việc xác định chế độ sấy tối ưu đối với từng loại nguyên liệu sấy khác nhau Do vậy các nghiên cứu về công nghệ sấy phun đã và đang tiếp tục được nghiên cứu hoàn thiện và phát triển

1.2.1 Hướng nghiên cứu lí 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 các kết quả nghiên cứu tiêu biểu như sau:

υ ρ

ρπ

α

π

αυ

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

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

N =K d −d (1.2) Các hạn chế trên đã được I.Zbicinski [22] khắc phục khi ông 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:

Trong đó:

ξ- hệ số tỉ lệ năng suất sấy

- Phương trình vi phân nhiệt độ của một hạt:

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:

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 đã đưa ra chế độ sấy tối

ưu đối với loại sản phẩm này: nhiệt độ không khí nóng 160 180 C÷ 0 , 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

1.2.2 Hướng nghiên cứu thực nghiệm

Song song với hướng nghiên cứu lí thuyết là hướng nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm là bước cuối cùng để đưa ra chế độ sấy tối ưu nhất cho mỗi loại sản phẩm, chuẩn bị để thiết kế và đưa vào sản xuất

1 Các nghiên cứu 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 [9] và nhóm tác giả F.Banat, R.Jumah, Asheh và Hammad [12]

Đối với hệ thống sấy phun tiêu chuẩn và hệ thống sấy phun có trang bị thêm

bộ khử ẩm không khí, khi tăng độ cô đặc của dịch cà chua nghiền thì trên cả hai hệ thống sấy cỡ hạt sản phẩm đều tăng nhưng 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 Đối với hệ thống sấy phun tiêu chuẩn, khi tăng độ cô đặc làm bám dính nhiều hơn, khả năng thu hồi sản phẩm thấp Với hệ thống sấy phun cải tiến thì ngược lại khả năng thu hồi sản phẩm cao hơn (M.Goula và G.Adamopoulos [9]) Từ đây có thể thấy việc cô đặc dịch cà chua nên ở mức độ nhất định tùy thuộc vào điều kiện công nghệ và thiết bị sấy Đối với hệ thống sấy phun cải tiến, mặc dù có thể đạt được hiệu suất thu hồi sản phẩm cao hơn tuy nhiên chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành lại lớn vì vậy cần tính toán kĩ trước khi ứng dụng

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 632 cm3/s đến 792 cm3/s 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 [14] 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

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 Ông 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 Ông 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 80 C0 , nhiệt

độ không khí ra là 61 C0 , 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, 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 1400C−1600C

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

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 Nhóm nghiên cứu 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 165 C0 , áp lực khí nén là 4,25 bar và tốc độ bơm nhập liệu là 22,5 ml/ phút Độ ẩm sản phẩm ra thấp hơn 5% 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

1.2.3 Hướng nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm 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 [16] 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) Nhóm nghiên cứu 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 [9] 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 [13] kết hợp nghiên cứu thực nghiệm trên sản phẩm sấy là maltodetrin với các hàm lượng là 10, 30, 50% qua đó 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 cất với 2 chế độ cấp nhiệt

là 80 C0 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 Ngoài ra còn

để tránh việc dòng phun đập vào tường buồng sấy cũng một phần là do kích thước buồng sấy quá nhỏ, điều này sẽ ảnh hưởng đối với các nguyên liệu không có tính bám dính nhưng đối với các nguyên liệu có tính bám dính thì đây là một trở ngại

- 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

1.2.4 Hướng nghiên cứu sự thay đổi đường kính hạt trong quá trình sấy phun

Philipp Seydel, Jan Blomer, and Jurgen Bertling [11] đã mô phỏng cấu trúc rắn vĩ

mô trong một giọt trong suốt giai đoạn sấy sử dụng mô hình đối xứng tâm của giọt để

mô phỏng quá trình truyền nhiệt và truyền chất Sự tạo thành rắn ở bất kì thời điểm nào ở bán kính cũng đạt được bởi phương pháp cân bằng tổng thể Theo cách này, sự phân bố mật độ hạt trong giọt phụ thuộc vào những thông số vĩ mô có thể dự đoán trước được Những phương trình mô phỏng được giải trong một hệ tọa độ chuẩn tắc, có thể miêu tả

sự co ngót của giọt

1 Mô hình vật lí

Các ông đã chia quá trình hình thành hạt thành hai giai đoạn: giai đoạn đầu của sự sấy, giọt lỏng nhỏ co ngót do sự bay hơi của dung môi (bước 1, hình 1.10) Khi nồng độ chất hòa tan đạt tới nồng độ bão hòa, sự kết tinh bắt đầu, sau đó rắn cô đặc ở biên của giọt đủ lớn, một lớp vỏ rắn được hình thành xung quanh giọt lỏng (bước 2, hình 1.10) Vì phân bố nồng độ chất hòa tan chẳng khác gì chuyển động hướng vào trong biên của giọt, hạt trong giọt tập trung ở biên Chỉ khi nào giọt co ngót chậm, không hình thành lớp vỏ

vì thời gian là đủ cho một cân bằng của nồng độ chất hòa tan Như thế, hạt cũng có thể

xuất hiện ở những phạm vi bên trong của giọt Ngoài ra, một khả năng tốc độ co ngót chậm tạo ra ở một ma trận hạt Trong cả hai trường hợp, một hạt được tạo ra

Giai đoạn thứ 2 của quá trình sấy bắt đầu khi bề mặt của giọt hoàn toàn được phủ bởi rắn Nhiệt độ trong giọt bây giờ có thể đạt tới nhiệt độ bầu ướt khi sự trao đổi chất của hơi từ bề mặt lỏng của giọt co khít lại thành lớp vỏ (bước 3, hình 1.10) Lực cản được tính toán từ hệ số dẫn nhiệt và trở kháng khuếch tán hơi trong các lỗ rỗng Khi nhiệt độ sôi tăng lên, dòng khối được tính toán từ độ chênh nhiệt độ giữa không khí sấy và bề mặt giọt Trong trường hợp một lớp vỏ rắn đã được hình thành, tạo ra một lỗ rỗng (bước 4, hình 1.10) Nếu dung dịch rời khỏi bề mặt bởi những lực mao dẫn, áp suất bên trong giọt giảm xuống bởi vậy một lỗ rỗng bao gồm dung dịch bay hơi hình thành Ngoài ra, không khí sấy có thể xuyên qua lớp vỏ là nguyên nhân cân bằng áp suất Nếu lớp vỏ không thấm nước, nó có thể bị phá vỡ hoặc co ngót khi lực áp suất bên trong giọt đạt tới giới hạn bền cơ học của lớp vỏ Những ảnh hưởng này gây ra rất nhiều hình thái khác nhau của những hạt sấy phun Hình 1.11 miêu tả hầu hết những hình thái hạt với những điều kiện sấy và đặc tính của chất lượng hạt đã được sấy Ngày nay mô hình toán học tập trung trên hai trường hợp đầu tiên, điều này kéo theo sự tạo thành một hạt với một lớp vỏ hay nói chung

là một hạt đầy đủ

Hình 1.10: Mô hình vật lý quá trình sấy

Hình 1.11: Những hình thái khác nhau của dung dịch đã sấy khô

Vỏ rỗng Hạt hoàn thành Hạt vỡ

Hạt teo lại giai đoạn sấy 1 giai đoạn sấy 2

2 Mô hình toán học

Hình 1.12: Minh họa mô hình toán học trong giai đoạn đầu (hình trên) và giai

đoạn thứ 2 (hình dưới) của sự sấy

Các ông tiến hành nghiên cứu mô hình toán học một chiều và đối xứng tâm (hình 1.12) Một phương pháp lưới tọa độ di động (hình 1.13) được sử dụng cho lời giải của những phương trình đưa vào phép tính sự co ngót của giọt

Mô hình toán học như sau:

Hệ thống tọa độ được chuẩn hóa bởi:

t t% = và ( )

r r t r

Phương trình bảo toàn khối lượng:

ax min

G L

D r

vapor s

L

m dr

wi- tỉ lệ khối lượng bên trong, kg/kg

nguyên nhân do sự tích tụ của hạt Trong hệ tọa độ bên ngoài, một cân bằng năng lượng được thêm vào để giả định ảnh hưởng của lớp vỏ cứng lên trao đổi nhiệt Sự phát triển của lớp vỏ là một hàm của dòng khối bay hơi và hạt tích tụ thành vỏ Để tính toán trao đổi chất, một trở kháng do lớp vỏ được khảo sát, trở kháng này kết nối thành chuỗi với trở kháng của pha khí

hệ tọa độ lỏng

.

ar ar

p ticle

p ticle

m m

m m

0 (1 )w (1 ) 1 w

s

G G

Trong suốt giai đoạn đầu của sấy phun, bán kính hạt co ngót theo quy luật d2

đã biết, ngược lại trong giai đoạn thứ hai của sấy bán kính ngoài không đổi vì lớp

vỏ rắn đã hình thành

Nhiệt độ trong giọt tăng cho tới nhiệt độ nhiệt kế ướt đạt tới sau 0,46 giây Sau đó nhiệt độ giữ không đổi cho tới khi lớp vỏ cứng hoàn chỉnh đã được tạo ra sau 0,88 giây Nhiệt độ được phân bố đồng đều trong giọt

Nguyên nhân ngăn cản trao đổi chất là do nhiệt độ tăng trở lại khi lớp vỏ rắn tạo ra

Ở nhiệt độ cao, các hạt chỉ có thể tồn tại được ở biên của giọt, ngược lại ở

nhiệt độ thấp hơn hạt cũng có thể phát triển ở bên trong giọt, vì thời gian lớn hơn là khả dụng cho một cân bằng ở trong tâm của dung dịch trong giọt ở những nhiệt độ khí sấy thấp hơn Khi sự quá bão hòa đạt được sớm hơn, giọt có thành phần khối ban đầu cao hơn, có bán kính lớn hơn

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, 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):

C

Hình 2.1: Đường cong tốc độ sấy

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 dịch chuyển ẩm từ tâm ra bề mặt và làm tốc độ sấy 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 tương 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 [15]

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

Lí 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 đổi

Về mặt truyền chất, tốc độ bay hơi được xác định [15]