GIÁO TRÌNH CÁC LOẠI THIẾT BỊ SẤY chuong 2

Ở trạng thái này độ chứa ẩm trong vật là đồng đều và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật ẩm bằng phân áp suất hơi nước trong không khí ẩm.. Trong quá trình sấy, lượng ẩm bốc hơi từ vật

CHÖÔNG II: CÔ SÔÛ THIEÂT KEÂ THIEÂT BÒ SAÂY

1 Ñònh nghóa vaø phađn loái caùc phöông phaùp laøm khođ vaôt lieôu:

a - Ñònh nghóa:

Quùa trình laây chaât loûng (hôi nöôùc) ra khoûi vaôt lieôu gói laø quùa trình saây

Bạn chaât saây laø quùa trình khuyeâch taùn : Bao goăm quùa trình khuyeẫch taùn aơm töø beđn trong ra lôùp beă maịt beđn ngoaøi cụa vaôt lieôu vaø quùa trình chuyeơn hôi nöôùc töø beă maịt ngoaøi vaôt lieôu ra mođi tröôøng xung quanh

Ngöôøi ta phađn bieôt:

- Saây töï nhieđn

- Saây nhađn táo

+ Saây töï nhieđn:

Saây baỉng khođng khí khođng ñöôïc ñoât noùng, phöông phaùp naøy thôøi gian saây daøi, khoù ñieău chưnh quaù trình vaø ñoô aơm cuoâi cụa vaôt lieôu coøn khaù lôùn nhaât laø

ôû nhöõng vuøng coù khí haôu nhieôt ñôùi nhö nöôùc ta

+ Saây nhađn táo:

Laø quùa trình saây coù söï cung caâp nhieôt löôïng töø beđn ngoaøi, nghóa laø phại duøng ñeân taùc nhađn saây ñöôïc gia nhieôt nhö khoùi noùng, khođng khí noùng hoaịc hôi… vaø caùc loái taùc nhađn naøy ñöôïc huùt ra khoûi thieât bò sau khi saây xong Saây nhađn táo nhanh vaø ñoô aơm vaôt lieôu sau khi saây nhoû hôn nhieău so vôùi saây töï nhieđn

b Phađn loái caùc phöông phaùp laøm khođ vaôt lieôu :

Tuyø theo tính chaât vaø ñoô aơm cụa vaôt lieôu, cuøng vôùi yeđu caău vaø möùc ñoô cụa vaôt lieôu sau khi saây ta coù theơ coù caùc phöông phaùp saây sau:

+ Phöông phaùp cô hóc:

Duøng maùy eùp, lóc, ly tađm…ñeơ taùch nöôùc ra khoûi vaôt lieôu Phöông phaùp naøy chư duøng ñeơ taùch sô boô nöôùc ra khoûi vaôt lieôu (ví dú: nhö ly tađm ñöôøng tröôùc khi saây …)

+ Phöông phaùp hoaù hóc:

Duøng hoaù chaât ñeơ huùt nöôùc trong vaôt lieôu, phöông phaùp naøy ñaĩt tieăn, khođng kinh teâ neđn ít duøng

+Phöông phaùp nhieôt:

Duøng nhieôt laøm boâc hôi nöôùc trong vaôt lieôu,

phương pháp này được sử dụng rộng rãi vì tách nước khá triệt để

2 Trạng thái ngậm nước trong vật liệu

Qúa trình sấy phụ thuộc vào rất nhiều đặc tính liên kết của nước ở trong vật liệu với vật liệu Nước hay chất lỏng khác nằm trong vật liệu liên kết với vật liệu theo ba dạng chủ yếu:

Liên kết

cơ lý

Liên kết mao dẫn

2.1 Liên kết cơ lý:

Đây là dạng liên kết giữa nước và vật liệu được tạo thành do sức căng bề mặt của nước trong các mao dẫn trên bề mặt ngoài của vật Liên kết cơ học bao gồm liên kết dính ướt và liên kết mao dẫn

a Liên kết dính ướt:

Là liên kết do nước bám vào bề mặt vật ẩm, liên kết dính ướt dễ tách khỏi vật bằng phương pháp bay hơi Ngoài ra còn có thể tách ẩm liên kết

Liên kết dính ướt

Các dạng vật

liệu ẩm trong

vật liệu ẩm

Liên kết hấp thụ

Liên kết hoá lý

Liên kết thẩm thấu Liên kết

hoá học

dính öôùt baỉng caùc phöông phaùp cô hóc nhö: lau, thaâm, thoơi, vaĩt, ly tađm…

b Lieđn keât mao daên :

Do nhieău vaôt aơm coù caâu táo mao quạn, ví dú nhö goê, vại … Caùc vaôt naøy khi ñeơ trong khođng khí thì nöôùc seõ theo caùc mao quạn xađm nhaôp vaøo vaôt do söùc caíng beă maịt Muoân taùch nöôùc ra khoûi vaôt caăn laøm cho aơm bay hôi hoaịc ñaơy aơm ra baỉng aùp suaât lôùn hôn aùp suaât mao daên Phaăn lôùn vaôt sau khi taùch aơm lieđn keât mao daên vaên giöõ ñöôïc kích thöôùc, hình daùng vaø tính chaât hoaù lyù

2.2 Lieđn keât hoaù lyù:

Laø söï lieđn keât giöõa nöôùc vaø vaôt lieôu táo thaønh do söï cheđnh leôch aùp suaât hôi nöôùc Lieđn keât hoaù lyù bao goăm 2 lieđn keât haâp thú vaø lieđn keât thaơm thaâu a.Lieđn keât haâp thú:

Moôt soâ vaôt aơm ta gaịp trong töï nhieđn coù dáng nhö nhöõng vaôt keo Vaôt keo coù caâu táo dáng hát Nhöõng hát naøy coù baùn kính töông ñöông töø 0,001 ñeân 0,1

µm Do caâu táo dáng hát neđn vaôt keo coù beă maịt beđn trong raât lôùn Vì vaôy noù coù naíng löôïng beă maịt töï do ñaùng keơ, chính naíng löôïng naøy laøm cho vaôt lieôu coù söï cheđnh leôch aùp suaât cụa hôi nöôùc beđn trong vaôt so vôùi mođi tröôøng Khi tieẫp xuùc vôùi khođng khí aơm hay tröïc tieâp vôùi nöôùc, aơm seõ xađm nhaôp vaøo vaôt theo caùc beă maịt töï do naøy táo thaønh lieđn keât haâp thú giöõa nöôùc vaø beă maịt

b.Lieđn keât thaơm thaâu:

Laø söï lieđn keât hoaù lyù giöõa nöôùc vôùi vaôt raĩn khi coù söï cheđnh leôch noăng ñoô caùc chaât hoaø tan ôû trong vaø ngoaøi teâ baøo töùc laø coù söï cheđnh leôch aùp suaât hôi nöôùc Quaù trình thaơm thaâu khođng keøm theo hieôn töôïng toûa nhieôt vaø khođng laøm cho vaôt bieân dáng

2.3 Lieđn keât hoaù hóc:

Do caùc phaăn töû nöôùc ñaõ trôû thaønh moôt boô phaôn trong thaønh phaăn hoùa hóc cụa vaôt saây Quaù trình saây yeđu caău phại giöõ nguyeđn caùc tính chaât hoaù lyù

của vật nên không thể tách các phầøn tử nước ở dạng liên kết này ra khỏi vật khi sấy

3 Các đặc trưng trạng thái ẩm của vật liệu

Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó Độ ẩm của vật có thể biểu thị qua: độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm toàn phần, độ chứa hơi và nồng độ ẩm

a Độ ẩm tuyệt đối: là tỉ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối – ký hiệu ω0[%]

n 0 k

G 100 G

ω = [%]

[2-1]

ω0 có giá trị từ 0 → α (vật có ω0= 0 là vật khô tuyệt

đối, vật có ω = α là vật chứa toàn nước)

b Độ ẩm toàn phần: là tỉ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng của vật ẩm – ký hiệu ω[%]

+ [%]

[2-2]

ω có giá trị từ 0 đến 100% (vật có ω = 0 là vật khô

tuyệt đối, vật có ω = 1 là vật chứa toàn nước)

Từ các biểu thức [2-1] và [2-2] ta có được quan hệ giữa ω và ω0:

n

0

n

0

G

.100 100

G

G

1

100

ω

−

100

ω

⇒ ω =

− ω [%]

[2-3]

c Độ chứa ẩm: là tỉ số giữa lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối – ký hiệu u [Kg ẩm/Kg vật khô]

n k

G

u

G

= [Kg ẩm/Kg vật khô]

[2-4]

Độ chứa ẩm không những đặc trưng cho toàn bộ vật mà còn có thể đặc trưng cho từng cùng vật thể Nếu độ chứa ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thể thì ta có quan hệ sau:

0 100.u

ω = [%]

[2-5]

d Nồng độ ẩm: là khối lượng ẩm chứa trong 1m3 vật thể

Ký hiệu N [Kg/m3]

n

G N V

= [Kg/m3] [2-6]

Trong đó V : thể tích vật

Nếu gọi ρk là khối lượng riêng của vật khô

tuyệt đối k

k

G

V

Thì: n n k

k k

Nếu giả thiết thể tích của vật ẩm không thay đổi trong quá trình sấy (thường giảm đi do vật thể co ngót) tức là V = Vk (Vk: thể tích vật khô tuyệt đối) ta sẽ có:

0

N u.= ρ

Trong đó k

0 k

G V

ρ = là khối lượng riêng của vật khô

tuyệt đối

e Độ ẩm cân bằng: là độ ẩm của vật khi ở trạng thái cân bằng với môi trường xung quanh vật Ở trạng thái này độ chứa ẩm trong vật là đồng đều và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật ẩm bằng phân áp suất hơi nước trong không khí ẩm

Độ ẩm cân bằng phụ thuộc trạng thái của môi trường bao quanh vật, nó xác định giới hạn quá trình sấy và dùng để xác định độ ẩm bảo quản của mỗi loại vật liệu trong những điều kiện môi trường khác nhau

3 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy

1 Khái niệm về tốc độ sấy:

ĐN: Tốc độ sấy là lượng ẩm (kg) bay hơi trên một

mét vuông bề mặt vật liệu sấy trong một đơn vị thời gian

dW U F.d

=

τ [kg/m2.h]

Trong đó: W – là lượng ẩm bay hơi trong thời gian sấy [kg]

F - là bề mặt chung của vật liệu sấy [m2]

F = f.G Với f – bề mặt riêng của vật liệu sấy

G – khối lượng vật liệu sấy

Ví dụ: bắp có f = 0,65 m2/kg

lúa có f = 1,31 m2/kg đay có f = 2,78 m2/kg

τ - thời gian sấy [h]

Khi biết tốc độ sấy, ta có thể tính thời gian sấy theo công thức:

U.F

ω − ω

Trong đó: G - lượng vật liệu khô tuyệt đối [kg/h]k

ω1, ω2 - độ ẩm ban đầu và cuối của vật liệu

sấy

Thực nghiệm chứng tỏ rằng tốc độ sấy thay đổi theo quá trình, nó giảm dần cùng với sự giảm hàm ẩm của vật liệu Có đến 90% lượng ẩm tự do bay hơi trong một nữa thời gian đầu, còn 10% bay hơi trong nữa thời gian sau

2 Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy Định nghĩa: Đường biểu diễn mối quan hệ giữa độ

ẩm vật liệu với thời gian sấy gọi là đường cong sấy

+ Đường biểu diễn quan hệ giữa độ ẩm vật liệu với tốc độ sấy gọi là đường cong tốc độ sấy

Trong quá trình sấy, lượng ẩm bốc hơi từ vật sấy giảm dần theo thời gian có nghĩa là tốc độ sấy cũng giảm dần theo thời gian Với mỗi loại vật liệu cụ thể, người ta tiến hành thực nghiệm để tìm mối liên hệ giữa độ ẩm vật liệu với thời gian sấy và sự thay đổi của độ ẩm vật liệu với tốc độ sấy, tất cả các liên hệ trên được thể hiện dưới dạng các biểu đồ về quá trình sấy

F.d d

U =

% A

B K

N M

C

max

cb

U

C K

B A

1 t ư t k t

Nhận xét:

* Đoạn AB:

+ Giai đoạn đốt nóng vật liệu, nhiệt độ vật liệu tăng lên đến nhiệt độ nhiệt kế ướt tư (nhiệt độ bão hòa ẩm trên bề mặt vật liệu) tương ứng với trang thái không khí lúc sấy

+ Độ ẩm vật liệuω thay đổi không đáng kể

+ Tốc độ sấy U tăng nhanh đến cực đại

* Đoạn BK:

+ Nhiệt độ vật liệu không thay đổi và vẫn bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt

+ Độ ẩm vật liệu giảm nhanh, và đều đặn theo một đường thẳng

+ Tốc độ sấy không thay đổi (đẳng tốc)

* Đoạn KC:

+ Vật liệu khô dần, nhiệt độ vật liệu tăng lên đến xấp xỉ nhiệt độ không khí sấy

+ Độ ẩm giảm dần đến trạng thái cân bằng

nhưng giai đoạn sau giảm chậm hơn giai đoạn trước, điểm K gọi là điểm tới hạn, đường KMC là đường lý thuyết, còn đường KNC là đường thực tế

+ Tốc độ sấy giảm dần đến gần bằng 0

Qua các nhận xét trên có thể kết luận là quá trình sấy vật liệu ướt đến trạïng thái độ ẩm cân bằng gồm có 2 giai đoạn chính sau:

+ Giai đoạn đẳng tốc U = const:

Lúc này vật liệu còn nhiều nước, do đó tốc độ khuyếch tán của nước bên trong vật liệu lớn hơn tốc độ bay hơi của nước trên bề mặt vật liệu Vì thế tốc độ sấy trong giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ bay hơi của nước trên bề mặt vật liệu Lượng nước khuyếch tán từ trong vật liệu ra bề mặt vật liệu đủ và kịp thời để bốc hơi nên lượng ẩm bay hơi đều đặn và U=const Do vậy trong giai đoạn này tốc độ sấy U không phụ thuộc vào các yếu tố bên trong vật liệu như chiều dài vật liệu, độ ẩm ban đầu của vật liệu…mà chỉ phụ thuộc các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, tốc độ và độ ẩm của tác nhân sấy…Do đó trong giai đoạn này nếu muốn tang tốc độ sấy U thì thay đổi các yếu tố bên ngoài

+ Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần:

Lúc này vật liệu tương đối khô, lượng nước trong vật liệu còn ít nên tốc độ khuyếch tán nước trong vật liệu giảm xuống nhỏ hơn tốc độ bay hơi của nước trên bề mặt vật liệu Do đó tốc độ sấy U trong giai đoạn này chủ yếu phụ thuộc tốc độ khuyếch tán của nước bên trong vật liệu Lượng ẩm khuyếch tán giảm dần nên lượng ẩm bay hơi cũng giảm Do đó trong giai đoạn này tốc độ sấy U không phụ thuộc các yếu tố bên ngoài mà chủ yếu phụ thuộc các yếu tố bên trong vật liệu Tốc độ sấy trong giai đoạn này khó thay đổi theo ý muốn của người thiết kế vì các yếu tố bên trong vật liệu rất khó thay đổi nên thời gian sấy rất dài Trong giai đoạn này do vật liệu tương đối khô nên nhiệt độ của vật liệu tăng dần lên xấp xỉ bằng nhiệt độ không khí sấy Vì thế trong giai đoạn này ta phải giữ nhiệt độ không khí sấy nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ cho phép của vật liệu

4 Thời gian sấy

Thời gian sấy là một thông số đặc biệt quan trọng được sử dụng trong tính toán thiết kế và vận hành thiết bị sấy (TBS) Thời gian sấy (TGS) phụ thuộc nhiều yếu tố như loại vật liệu sấy, hình dáng, kích thước hình học của vật liệu, độ ẩm đầu và độ ẩm sau khi sấy của vật liệu, loại TBS, phương pháp cung cấp nhiệt, chế độ sấy (nhiệt độ, độ ẩm tương đối và

tốc độ của tác nhân sấy) và một số yếu tố khác.

Do đó việc xác định thời gian sấy bằng phương pháp tính toán (giải tích) gặp rất nhiều khó khăn Cho nên trong tính toán thực tế các TBS ta thường xác định TGS theo thực nghiệm, đôi khi cả kinh nghiệm vận hành Phương pháp xác định TGS theo thực nghiệm 1 cách đơn giản nhất là xây dựng mô hình thí nghiệm cho TBS cụ thể cần thiết kế, sau đó tiến hành sấy thử nghiệm và xác định TGS

5 Nguồn năng lượng, tác nhân sấy và sự lựa

chọn

- Đặc trưng cơ bản của qúa trình sấy là quá trình cấp nhiệt để bay hơi nước từ vật sấy Nhiệt lượng được cung cấp cho vật sấy bao gồm nhiều nguồn khác nhau, từ năng lượng của các nhiên liệu cháy được như xăng, dầu, gaz, gỗ, trấu, than đá cho đến điện năng, hóa năng, năng lượng sóng điện từ, năng lượng của dòng điện cao tầng và cả năng lượng mặt trời Việc sử dụng nguồn năng lượng hợp lý trong quá trình sấy ngoài các yếu tố khách quan như tính hiệu quả kinh tế, nguồn năng lượng này có nhiều hoặc được tận dụng tại nơi đặt thiết bị… thì nó còn phụ thuộc vào các tính chất của vật liệu sau khi sấy

Ví dụ : Khi sấy bột giặt nếu sử dụng nguồn năng lượng

là than đá đốt tạo thành khói nóng làm tác nhân sấy trực tiếp thì sản phẩm sau khi sấy sẽ bị đen không trắng bằng sử dụng nguồn năng lượng là gaz…

- Ngoài ra có những nguồn năng lượng có trữ lượng rất lớn như năng lượng mặt trời nhưng nhiệt độ không cao nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế

- Hiện nay, phần lớn các máy sấy sử dụng hai loại tác nhân sấy phổ biến là không khí và khói nóng (khói lò) Sấy bằng khói lò có ưu điểm là năng lượng cao (do không dùng bộ gia nhiệt) và kinh tế hơn sấy bằng không khí Ngoài ra do khói lò có nhiệt độ cao nên có thể sấy nhanh (đối với những vật liệu chịu được nhiệt độ cao) và điều chỉnh thời gian sấy dễ dàng

- Tuy nhiên, trong rất nhiều trường hợp không thể dùng khói lò làm tác nhân sấy vì nó có nhiều bụi bẩn Ngoài ra nhiên liệu cháy không hết nên lãng phí

- Tóm lại, việc lựa chọn nguồn năng lượng và tác nhân sấy cho một vật liệu sấy cụ thể là một quá trình

phức tạp, do nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Tuy nhiên, chỉ tiêu hàng đầu đặt ra cho việc lựa chọn vẫn là tính kinh tế và chất lượng của vật liệu sau khi sấy

6.Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình sấy:

* Vật liệu sấy:

+ Bản chất vật liệu sấy: cấu trúc, thành phần hoá học, đặc tính liên kết ẩm

+ Hình dạng vật liệu: kích thước, chiều dày, bề mặt vật liệu…

+ Độ ẩm đầu, độ ẩm cuối và độ ẩm tới hạn của vật liệu

+ Trạng thái của vật liệu khi sấy : tỉnh, động , tầng sôi

* Tác nhân sấy:

+ Loại tác nhân sấy : không khí, khói lò

+ Độ ẩm, nhiệt độ, vận tốc tác nhân sấy

+ Điều kiện tiếp xúc (gián tiếp, trực tiếp) giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy

+ Sự chênh lệch nhiệt độ ban đầu và cuối của tác nhân sấy

* Cấu tạo máy sấy

* Phương thức sấy

* Chế độ sấy