Kĩ thuật sấy nông sản

Kĩ thuật sấy nông sản

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học nông nghiệp i - hà nội

lời nói đầu

Giáo trình “Kỹ thuật sấy nông sản” đề cập tới nguyên lý làm việc, lý thuyết tính toán các quá trình kỹ thuật sấy, làm cơ sở cho việc thiết kế các thiết bị sấy Mặt khác sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng rộng r7i trong các ngành của sản xuất nông nghiệp Sấy là công

đoạn quan trọng của công nghệ sau thu hoạch trước khi thực hiện bảo quản sản phẩm Đối tượng sử dụng là sinh viên năm cuối của ngành cơ khí bảo quản chế biến của trường đại học Nông Nghiệp Đồng thời cũng có thể sử dụng cho sinh viên cơ khí nông nghiệp, công thôn, v.v và các kỹ sư làm việc liên quan tới lĩnh vực này

Sinh viên trong quá trình học cần nắm vững quá trình sấy là một quá trình công nghệ, không đơn thuần là tách nước ra khỏi vật liệu Yêu cầu sau khi sấy vật liệu phải đạt chất lượng cao, chi phí năng lượng sấy thấp

Giáo trình được trình bày trong 6 chương

- Chương 1 Cơ sở lý thuyết quá trình sấy Trong chương này trình bày các khái niệm và

lý thuyết chung của quá trình sấy

- Chương 2: Thiết bị sấy đối lưu

- Chương 3: Thiết bị sấy tiếp xúc

- Chương 4: Thiết bị sấy bức xạ

- Chương 5: Thiết bị sấy thăng hoa

- Chương 6: Các thiết bị phụ trợ hệ thống sấy

Trong từng chương đ7 đề cập tới một số vấn đề mới cập nhật trong thời gian gần đây,

hệ thống hoá các kiến thức cơ bản giúp sinh viên nắm bắt dễ dàng Sau mỗi chương có câu hỏi

ôn tập và một số bài tập ứng dụng

Trong quá trình biên soạn tác giả đ7 được đồng nghiệp góp ý Tác giả chân thành cảm

ơn Bộ môn Máy nông nghiệp và khoa Cơ Điện trường Đại học Nông Nghiệp I - Hà Nội

Cuốn sách chắc chắn không tránh khỏi những thiếu xót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của bạn đọc Các ý kiến xin gửi về Phòng đào tạo, khoa Cơ Điện trường đại học Nông Nghiệp I

Chủ biên

GS.TS Phạm Xuân Vượng

Chương 1 Cơ sở lý thuyết của quá trình sấy

Sấy là quá trình loại bỏ bất kỳ chất lỏng nào ra khỏi vật liệu, kết quả là tăng tỷ lệ hàm lượng chất khô Thực tế sấy đối với lương thực và thực phẩm là loại bỏ nước ra khỏi sản phẩm Sấy vật liệu nhằm mục đích: giảm khối lượng, tăng độ bền (gỗ) tăng nhiệt cháy (nhiên liệu), tăng ổn định khi bảo quản (nông sản)

Sấy là quá trình công nghệ phức tạp Về nguyên tắc, có nhiều phương pháp sấy vật liệu khác nhau Theo dấu hiệu về năng lượng ta có hai nguyên tắc chính:

- Loại bỏ ẩm (nước) ra khỏi vật liệu, không làm thay đổi trạng thái liên kết: Vẫn ở dạng lỏng

- Loại bỏ ẩm khi thay đổi trạng thái liên kết: Lỏng biến thành hơi

Loại đầu có thể thực hiện bằng phương pháp cơ học (ép, ly tâm, lọc)

Loại thứ hai liên quan tới chi phí nhiệt để hâm nóng vật liệu ẩm, bốc hơi nước ở bề mặt vật liệu

và làm sôi lỏng bên trong vật liệu và dần thoát ra ngoài

1.1 Vật liệu ẩm

Đa số nông sản là vật liệu ẩm, chứa một lượng nước đáng kể Nước là thành phần của

tổ chức động vật và thực vật Động vật lại là nguồn thức ăn cho con người Tuy nhiên thừa nước có thể dẫn đến hư hại sản phẩm do tác động của vi sinh vật trong môi trường nước Do đó phần lớn các sản phẩm cần phải giữ khô

Trạng thái vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó Tính chất của vật liệu ẩm được đặc trưng bởi tính chất nhiệt – vật lý và các thông số vật lý: nhiệt dung riêng, hệ

⋅

=

K

a K

g

g W

Công thức chuyển đổi

%100

100 ⋅+

=

K

K

W W W

Từ bảng phụ lục cho ta các giá trị khi chuyển đổi từ W ra WK

Do khối lượng của ẩm ga chứa trong vật liệu có thể lớn hơn khối lượng vật liệu khô gK, nên khác với độ ẩm tương đối, độ ẩm tuyệt đối WK có thể lớn hơn 100%

Trường hợp tỷ số giữa khối lượng ẩm của vật liệu ẩm với khối lượng chất khô tính bằng kg/kg vật liệu khô, ta có khối lượng ẩm riêng (độ chứa ẩm)

Khối lượng ẩm riêng có thể đặc trưng độ ẩm không chỉ cho toàn thể tích của vật liệu

mà còn là độ ẩm ở lớp hoặc ở điểm nào đó Nếu ẩm phân bố đều theo tiết diện thì

a) Tính chất lý hoá của nước: Nước trong vật liệu ẩm có thể tồn tại dưới 3 dạng: rắn, lỏng, khí

ở áp suất khí quyển nước chuyển từ pha nóng sang pha lỏng, ngược lại ở 00C nước chuyển từ pha rắn sang pha lỏng Đối với nước thông thường, ở nhiệt độ 3,980C có mật độ lớn nhất 1 g/cm3 Khi tăng nhiệt độ lên mật độ của nước bắt đầu giảm vì chuyển động của các phân tử mạnh lên Phân tử chất lỏng cũng như vật rắn liên tục chuyển động dao động phức tạp Ngoài

ra đối với vật thể nhiều nguyên tử, còn có chuyển động dao động của nguyên tử này đối với nguyên tử khác

Trong bất kỳ thời điểm nào, năng lượng chuyển

động dao động được xác định bằng tổng thế năng và

động năng của phân tử Khi phân tử ở vị trí trung gian, thế năng của nó nhỏ nhất còn động năng đạt giá trị cực đại Ngược lại ở các vị trí tận cùng của phân

tử, động năng bằng không, còn thế năng đạt giá trị cực đại

Phần tử nước có 3 nguyên tử tạo thành cấu trúc tam giác, 2prôtôn ở đáy và nguyên tử ôxy ở đỉnh ở vị trí không kích động, nhân nguyên tử ở hơi nước có

đặc tính sau:

Hình 1.1 Sơ đồ xây dựng phân tử nước

Khoảng cách OH – 0,9584 A, HH – 1,5150 A góc HOH – 104027’ Tương ứng với mức dao động dưới; khoảng cách OH – 0,4568 A0 HH – 1,5400 A0 và góc HOA – 105003’

Nước là dịch thể dính ướt Sức căng mặt ngoài ở 200C bằng 0,0727 Pa Các đặc trưng vật lý trên đây, cũng như các đặc trưng khác của nước đá, nước và hơi nước đều phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

b) Hiện tượng hấp phụ

Nghiên cứu hiện tượng phát triển trên bề mặt phân chia pha (lỏng – rắn) đối với vật liệu

ẩm có một ý nghĩa quan trọng Quá trình sấy cung cấp năng lượng cho nước thắng các lực liên kết giữa nước và vật liệu sấy, để dịch chuyển nước từ trong lòng vật sấy ra bề mặt và đi vào tác nhân sấy để thải vào môi trường Bản chất các liên kết giữa nước và vật liệu là hiện tượng hấp phụ

Thường người ta khảo sát hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học Hấp phụ hoá học là sự liên kết giữa phân tử nước và các phân tử của vật hấp phụ thông qua trao đổi điện tử vòng ngoài (tính ngậm nước) Vì thế hấp phụ hoá học rất bền vững, rất khó dùng nhiệt để tách nước khỏi hấp phụ hoá học Hấp phụ vật lý là liên kết giữa các phân tử nước với các phân tử vật hấp phụ không có trao đổi iôn mà chỉ do sức căng mặt ngoài hấp phụ vật lý xảy ra không đồng đều theo chiều dày lớp nước và rất dễ tách khỏi vật liệu khi sấy Nước có trong vật liệu sấy chủ yếu

là nước hấp phụ vật lý

Như đ7 biết, ứng với định luật thứ 2 của nhiệt động học, khi hệ tiến dần đến trạng thái cân bằng thế năng của hệ tiến dần tới cực tiểu, có nghĩa là bề mặt chất lỏng cần tác động lực tiến tới giảm diện tích của nó, đó là lực căng bề mặt σ (sức căng bề mặt) đối với một đơn vị dài tiếp tuyến với bề mặt (đin/cm hoặc N/m)

Sức căng bề mặt tính bằng năng lượng tự do của lớp bề mặt trên một đơn vị diện tích (đin – cm/cm2 nghĩa là erg/cm2 hoặc Nm/m2) Nói cách khác, σ bằng mật độ năng lượng tự do của mang mỏng bề mặt

Đối với nước ở 00C, σ ≈ 75,7 đin/cm ≈ 75,7erg/cm2 ≈0,0757N/m Khảo sát sự tác động tương hỗ của chất lỏng với bề mặt vật cứng Trong trường hợp này phân tử bề mặt vật cứng sẽ tác dụng với lực xác định Fc lên phân tử lớp biên chất lỏng về phía chất cũng tác dụng lực Fe

Có thể trình bày sơ đồ tác động tương hỗ chất lỏng với vật cứng, thường trong đó có pha thứ 3 là pha khí

Khí không có tác động của ngoại lực, giọt chất lỏng có dạng hình cầu Trên bề mặt vật cứng trong môi trường không khí có dạng phân chia 1,2,3 như (hình 1.2) Dạng giọt nước phụ thuộc vào sự tương ứng giữa σ và góc θ Góc côn là sự

đo độ ướt bề mặt cứng; có thể có 3 trường hợp sau

Trường hợp 1: σ1 -3 > σ2 – 3 + σ1 – 2 cosθ

Hình 1.2 Dạng giọt chất lỏng giới

hạn phân chia 3 pha

1, 2, 3 – pha khí, lỏng và rắn

ở đây σ1 -3,σ2 -3 và σ1 -2 là sức căng bề mặt giới hạn giữa pha khí – vật cứng, Lỏng – vật cứng và khí lỏng

θ - Góc tạo thành từ tiếp tuyến với đường viền giọt nước

Trong trường hợp này giọt chất lỏng bị dẹt trên mặt vật cứng

Trường hợp 2:

σ1 -3 < σ2 – 3 + σ1 – 2 cosθ Giọt chất lỏng bị ép và có dạng elipxô - it

Trường hợp 3:

σ1 -3 = σ2 – 3 + σ1 – 2 cosθ Khi đó:

1-3 2 3

1 2cos σ σθ

Nếu hiệu số σ1 – 3 - σ2 – 3 = σ1- 2 thì phù hợp với công thứ (1 – 1),

cosθ = 1 và θ = 0, nghĩa là bề mặt vật rắn bị dính ướt hoàn toàn, góc θ không tạo thành, sức căng bề mặt đặc trưng bởi sự thừa năng lượng tự do của lớp bề mặt Phụ thuộc vào nhiệt độ t, sức căng bề mặt của nước có thể xác định theo công thức (erg/cm2)

σt = 75,7⋅(1 – 0,002⋅t)

Trong trường hợp thứ hai (- 1) < cosθ < 0, 900 < θ

<1800 (hình 1 – 3), bề mặt không bị ướt, gọi là dịch thể không dính ướt (σ1 -3 < σ2 -3)

Tính dính ướt là động lực tạo ra áp suất mao dẫn hay chiều cao cột dịch thể trong các ống mao dẫn (Hình 1.4) Trong một thời gian nhất định dịch thể trong ống mao dẫn dâng lên độ cao h so với mặt thoáng của dịch thể

Nếu chất lỏng không ướt thành ống, nước trong ống mao sẽ hạ xuống Cột chất lỏng có mật độ ρl, ở độ cao h, cân bằng với tổng lực tác dụng lên chu vi ống mao bán kính r0

r

cosθ

Hình 1.3 Dạng giọt chất lỏng ở biên

giới giữa 3 pha khi 900 < θ <1800

Khi t = 200C, σ ≈ 73 erg/cm2 và

0

0,15

h r

áp lực của ống mao gây ra giảm áp suất hơi b7o hoà phía trên bề mặt cong, nâng cao áp suất của nó trên mặt lồi so với áp suất phía trên

h r

l

p

σ ρϕ

Bảng 1.1 Sự phụ thuộc giữa độ co d6n tương đối của hơi nước khi ướt hoàn toàn

của ϕ và r0 của ống mao

Như đ7 thấy ở phần trên, hiện tượng bề mặt được phát triển khi tác động tương hỗ của chất lỏng (nước) với vật cứng, về cơ bản liên kết không chỉ với tương tác vật lý mà cả tương tác

Hình 1.4 Chiều cao dịch thể dính ướt

trong ống mao dẫn

hoá học Khảo sát hiện tượng phức tạp trên là một khó khăn rất lớn; mà phải áp dụng phương pháp hiện đại của cơ học lượng tử

1.1.2 Phân loại dạng liên kết ẩm trong vật liệu

Nông sản là một hệ trong đó ẩm có dạng liên kết khác nhau với vật rắn Nhiều công trình nghiên cứu cho phép đơn giản hoá việc phân loại các dạng liên kết nước, nhưng hiện nay

ta chia làm hai loại: nước nước tự do và nước liên kết

Các dạng liên kết ẩm được chia thành ba nhóm chính: liên kết hoá học, liên kết vật lý

và liên kết cơ vật lý

Trong đó ẩm liên kết hoá - lý không có thể khử được bằng quá trình sấy Mặt khác liên kết hoá học của nước với vật liệu chỉ được loại bỏ nhờ tác động hoá học hoặc gia công nhiệt

đặc biệt mạnh Khi sấy loại liên kết này khó loại bỏ

a) Năng lượng liên kết ẩm với vật liệu

Π A Rêbinđer sử dụng quan hệ nhiệt động học cơ bản, cho đặc tính số lượng năng lượng liên kết ẩm với vật liệu tiếp nhận năng lượng tự do đẳng nhiệt Vì liên kết nước với vật liệu làm giảm áp suất hơi nước trên bề mặt của nó, chính vì thế năng lượng tự do tương ưng sẽ giảm

Giảm năng lượng tự do ∆F ở nhiệt độ T không đổi hoặc năng lượng liên kết biểu diễn bởi công L cần chi phí để tách rời 1 mol nước khỏi vật liệu (không thay đổi thanh phần), có thể xác định theo công thức (erg/mol)

ở đây: Ph - áp suât hơi b7o hoà của nước tự do

Pu - áp suất hơi nước cân bằng trên vật liệu với hàm lượng ẩm u trong môi trường không khí bất kỳ

h

P P

ϕ=

Liên kết giữa nước với vật liệu càng chắc, càng làm giảm độ lớn Pu và ngược lại, đối với nước tự do Pu đạt được giá trị Ph, ϕ = 1 và năng lượng liên kết L = 0

L = R⋅T⋅ln1 = 0 Chỉ lớp nước một phần tử, nghĩa là lớp nước có chiều dầy một phân tử (đường kính phân tử nước bằng 3⋅10-8cm) là liên kết hấp thụ với năng lượng của liên kết phân tử thấy rõ Liên kết của lớp nước xảy ra giảm đột ngột với việc tăng khoảng cách đối với bề mặt hấp thụ tương ứng với quy luật của lực phân tử Vì vậy lượng nước liên kết hấp thụ trong vật liệu phụ thuộc vào tổng bề mặt bên trong của phần tử và có thể thường (theo thể tích) chiếm 1 ữ 5% đối với thể tích chung của vật Khi đường kính phân tử 10-6cm nước hấp thụ có thể chiếm 18% và lớn hơn nếu đường kính phân tử càng nhỏ

Hiệu quả nhiệt liên kết của nước:

u h

Q=Q ưQ hoặc ∆ =r r uưr

ở đây: Qu - nhiệt bốc hơi của nước liên kết với vật liệu ta xác định độ ẩm (ru)

Qh - Nhiệt bốc hơi của nước tự do

Theo phương trìnhGips-Hemlhols, sự thay đổi năng lượng bên trong hoặc entanpi trong quá trình đẳng nhiệt, đẳng tích và: I F T F

Bất đẳng thức này minh hoạ bởi đường cong (Hình 1.5) biểu diễn sự phụ thuộc giữa P

và T Từ hình ta thấy, đường cong lnPu = f(T), tang góc nghiêng của tiếp tuyến lớn hơn so với lnPh = f(T) Đối với khoảng nhiệt độ không lớn:

Từ những giả thiết nhiệt động đặc trưng cho độ lớn năng lượng liên kết Π.A Rêbinđe

đ7 tính những dạng liên kết nước với vật liệu khuếch tán (ДUCПEPCHЫЙ) khi sấy

+ Nước liên kết hoá học

Đối với nước này, năng lượng liên kết L đạt giá trị lớn nhất Thí dụ đối với sự kết tinh của sunphát đồng CuSO4 ở 250C Pu = 0,11, Ph = 3,2 KPa và L = 8,4.10-3J/mol

+ Nước liên kết hấp phụ

Đối với nước liên kết hấp phụ áp lực hơi phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu được gọi là hấp phụ đẳng nhiệt Dạng liên kết ẩm này đặc trưng chỉ đối với vật liệu có độ ẩm nhỏ, nghĩa là giá

h

P P

ϕ= không đáng kể; tương ứng với năng lượng liên kết lớn

Thí dụ khi ϕ = 0,25, L = 3,47.103J/mol

+ Liên kết mao dẫn

Năng lượng liên kết đối với nước loại này gây

ra liên kết hấp phụ của lớp đa phân tử trên thành ống mao và giảm áp suất hơi trên mặt cong trong ống mao so với áp suất hơi trên bề mặt phẳng của nước tự do Nước còn lại ở bên trong ống mao không khác với nước tự do

Hình 1.5 Sơ đồ sự phụ thuộc giữa P và T

trong bảng bán logarit

Năng lượng liên kết ẩm của ống mao to không lớn và gần với năng lượng của ẩm tự do Nếu áp suất hơi trên mặt cong của nước có thể xác định gần đúng theo định luật của Klu-vin:

Với: V0 - là thể tích riêng của hơi nước trên mặt thoáng

Khi đường kính ống mao không lớn, L đạt giá trị lớn nhất Thí dụ khi 2r = 10-6cm, L = 5,3.102J/mol b/ Liên kết thẩm thấu

Liên kết thẩm thấu điển hình là liên kết của nước trong các dung dịch, ở đây khối lượng chính liên kết của nó yếu - thẩm thấu, nghĩa là ăngtrôpi Bản chất của liên kết này được biểu diễn trong đó áp suất của hơi Pu trên dung dịch nhỏ hơn áp suất hơi Ph trên nước Từ phương trình Gips-Hemlhols

ư∆ = ư∆ + ∆F I T S (1.7)

ở đây: ∆I - Độ giảm năng lượng bên trong (hoặc entalpi trong quá trình đẳng áp và

đẳng tích) Xem liên kết nước khi có tương tác phân tử

∆S - độ tăng ăngtrôpi trong quá trình đẳng nhiệt

Liên kết thẩm thấu trở lên rõ rệt khi không có những liên kết vững chắc hơn nghĩa là khi ∆I → 0

Khi đó ư∆ = ∆ = ưF T S RTlnn0

ở đây: n0 - là phần mol của nước trong dung dịch, 0 u

h

P n

/

1100

mt c Cmax

Như vậy, tương tự thế chuyển nhiệt-nhiệt độ, hàm lượng ẩm riêng cực đại của vật tiêu chuẩn, tương ứng với thế chuyển θm trong 100 độ (0M) trao đổi khối

Kcal/Kg

Kcal/Kg

Kg/Kg

kg kg

Trong đó: ut/c - hàm l−ợng ẩm tiêu chuẩn, khi ut/c = uCmax, θmt/nghiệm = 1000M

Trong thí dụ tiếp xúc giữa than bùn và giấy lọc, hàm l−ợng ẩm các vật liệu đó ở trạng thái cân bằng nhiệt động ut/c = 0,5Kg/Kg, thế chuyển khối (uCmax)T = 0,277Kg/Kg

0 /

Hình 1.6 Phân bố ẩm, entanpi và thế chuyển trong hệ vật

Vật tiêu chuẩn và than bùn (a), chì và sắt (b), chuyển ẩm và nhiệt khi hiện diện thế (c, d)

Kcal kg

Kcal kg

Đơn vị đo được gọi là thế dẫn ẩm và ký hiệu là θ Trong dẫn ẩm đẳng nhiệt, ta có thể xem thế dẫn ẩm θ là một hàm của độ chứa ẩm u hay θ = f(u) Nếu trong dẫn nhiệt, từ khái niệm nhiệt độ và nhiệt lượng, người ta đưa ra khái niệm nhiệt dung riêng: C p dq

dt

Với:

dq - nhiệt lượng cần để hâm nóng hoặc làm nguội 1Kg vật chất nóng lên hoặc lạnh đi

dt - biến thiên nhiệt độ trong quá trình đẳng áp

Trong dẫn ẩm ta cũng đưa ra khái niệm ẩm dung riêng trung bình và cục bộ ẩm dung riêng trung bình đặc trưng cho sự thay đổi hàm lượng khối của vật ∆U tương ứng với sự thay

đổi thế chuyển khối trên một đơn vị đo của thế này, nghĩa là:

m m

u C

m

m

u C

Đo nhiệt độ theo thang bách phân, người ta chọn nước làm vật mẫu và nhiệt độ nước đá

đang tan là 00C và nhiệt độ nước đang sôi là 1000C ở cùng áp suất 760mmHg Nếu nhiệt lượng

đo bằng Kcal thì nhiệt dung riêng của nước bằng 1Kcal/Kg.K

Tương tự thế dẫn nhiệt - là nhiệt độ; hàm lượng ẩm riêng cực đại của vật tiêu chuẩn tương ứng với thế chuyển θm trong 100 độ trao đổi khối (0M)

ut/c - hàm lượng ẩm tiêu chuẩn, khi ut/c = uCmax, θmt/c = 1000M

Khi khảo sát ví dụ tiếp xúc của than bùn và giấy lọc, hàm lượng ẩm trong trạng thái cân bằng nhiệt động ut/c = 0,5Kg/Kg, thế chuyển khối khi (uCmax) = 0,277Kg/Kg

0 /

1.1.4 Các thông số nhiệt - vật lý của vật liệu ẩm

a/ Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm

Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm (J/Kg.0K) thường được tính như là trung bình cộng độ lớn nhiệt dung riêng của chất khô của vật liệu CK và nhiệt dung riêng của nước Cn bằng 4,19 (KJ/Kg.0K)

Hình 1.7 Sự phụ thuộc của nhiệt dung riêng hạt lúa tiểu mạch vào độ ẩm của nó

1 - Theo BHИИ; 2 - Theo công thức hỗn hợp; 3 - Theo số liệu của Đisnhêa; 4 - Theo số liệu

của Г.A ÊgôRôVa; 5 - Theo số liệu của B.C ИKôlôva

Phù hợp với công thức (1.9, 1.10) thường dùng để tính toán thiết bị sấy, sự phụ thuộc giữa nhiệt dung riêng của vật liệu và độ ẩm có đặc tính tuyến tính Qua thực nghiệm cho thấy

đối với nhiều loại vật liệu và sản phẩm, hàm CM = f(W) không phải là đơn điệu và đồ thị của nó thì có những điểm gẫy khúc

Trên hình 1.7 cho thấy sự phụ thuộc nhiệt dung riêng của hạt lúa mạch vào độ ẩm của

nó Sự phụ thuộc này nhận được theo số liệu của nhiều tác giả Theo công thức (1.9) thì

CK = 1548J/Kg0K = 0,37Kcal/Kg0C

b/ Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm

Truyền nhiệt trong vật liệu ẩm khác với truyền nhiệt trong vật liệu khô Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm phụ thuộc vào bản chất vật khô, độ ẩm của nó, cấu trúc các hang xốp, đường kính các mao quản,

Hệ số dẫn nhiệt λ (W/m.0K) là hệ số tỉ lệ trong phương trình Fua-riê

q= ư ⋅∇λ θ

ở đây: q - mật độ dòng nhiệt trong vật (W/m2)

∇θ - Gradien nhiệt độ 0K/m

Nếu hệ số dẫn nhiệt của vật liệu khô λK và của nước hoặc hơi nước trong các hang xốp λn

đ7 biết thì hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm có thể tính:

2

1 1

λ1, V1; λ2, V2 tương ứng là hệ số dẫn nhiệt và thể tích của vật cứng và pha hơi

ψ - hệ số hình dáng của phân tử tạo nên vật liệu ẩm

- Phân tử hình cầu:

1

32

λψ

=+

- Đối với hạt dạng tấm mỏng:

2

23

λ = 0,070 + 0,0233.ωK (W/m0K)

ở đây:

ωK - Độ ẩm tuyệt đối

=

⋅ (1.11)

ở đây:

λ - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu

C - nhiệt dung riêng

ρ - mật độ (hoặc khối lượng thể tích)

Hình 1.8 Sự phụ thuộc hệ số dẫn nhiệt a vào hàm lượng ẩm u

I - đối với cát; II - đối với đất sét; III - đối với than bùn

Tích C.ρ - là nhiệt dung đơn vị của thể tích vật liệu, nó đặc trưng cho khả năng trữ nhiệt: C ρ càng lớn, cũng như giá trị của λ hệ số a sẽ càng nhỏ, nghĩa là vật liệu có khả năng trữ nhiệt càng lớn sẽ bị hâm nóng và làm lạnh chậm

Phương trình vi phân truyền nhiệt bên trong có dạng:

2

a

θ

θτ

∂

= ⋅ ∇

∂ (1.12) Trên hình 1.8 theo số liệu của A.B.Lưkốp trình bày đường cong đặc trưng phụ thuộc của hệ số a vào hàm lượng ẩm u đối với cát, đất sét và than bùn Các đường cong có điểm cực trị

1.2 Tác nhân sấy

Quá trình sấy nhiệt bao gồm chuyển ẩm có trong lòng vật liệu dưới dạng hơi và loại bỏ hơi ẩm đó vào môi trường bên ngoài Quá trình phân tử ẩm nhận được nhiệt lượng từ hỗn hợp không khí ẩm trộn lẫn với sản phẩm cháy của nhiên liệu (tác nhân sấy) để dịch chuyển từ trong

vật thể ra bề mặt và từ bề mặt vào không gian tác nhân sấy bao quanh để thải vào môi trường Như vậy không khí cùng một lúc làm nhiệm vụ truyền nhiệt và truyền ẩm

Thiết bị sấy gồm hai phần tử chính: calorife 1 và buồng sấy 2 Trong calorife không khí

được hâm nóng khi không thay đổi hàm lượng ẩm Trong buồng vật liệu nhận nhiệt, không khí

bị nguội đi, đồng thời tiếp nhận ẩm thoát ra từ vật liệu ẩm Khi hàm lượng ẩm của không khí tăng lên, khả năng sấy sẽ giảm Do đó tác nhân sấy cần được cải thiện, đưa vào khí đ7 được hâm nóng mới, khô hơn Để làm nhiệm vụ này ta dùng quạt 3

Trong quá trình sấy, trạng thái của tác nhân sấy liên tục thay đổi Không khí ẩm là hỗn hợp của không khí khô với hơi nước Gần đúng có thể coi không khí khô như là khí thuần nhất với khối lượng phân tử hiệu dụng àK ≈ 29

Không khí khô là hỗn hợp của ôxy và nitơ và một số chất khí khác như CO2, SO2 , các khí này có thành phần không đáng kể có thể bỏ qua Thành phần ôxy và nitơ trong không khí khô tương ứng bằng 21% và 79% theo thể tích hoặc 23,3% và 76,7% theo khối lượng

Phù hợp với định luật Đan-Tông, áp suất của hỗn hợp khí, với thể tích xác định bằng

tổng áp suất hơi của tất cả các thành phần

B= p +p + p + + p

Trong đó: B - áp suất chung của hỗn hợp khí

p1, p2, pn - áp suất hơi của các khí thành phần

Tương ứng với áp suất phong vũ biểu của không khí ẩm: B= p KK + p h

ở đây: pKK - áp suất riêng phần của không khí khô

ph - áp suất riêng phần của hơi nước chứa trong không khí

Bảng 1.3 Sự phụ thuộc của áp suất hơi b6o hoà ph và nhiệt độ của nó

-10 1,946 260,0 16 13,63 1,82 42 61,50 8,2 68 214,2 28,31 94 610,9 82,5 -9 2,125 285,1 17 14,53 1,94 43 64,80 8,64 69 223,7 29,8 95 633,9 84,5 -8 2,321 311,2 18 15,48 2,06 44 68,26 9,1 70 233,7 31,1 96 657,6 87,7 -7 2,532 338,0 19 16,48 2,19 45 71,88 9,57 71 243,9 32,45 97 682,1 91,0 -6 2,761 369,0 20 17,54 2,34 46 75,65 10,1 72 254,6 34,1 98 707,3 94,3 -5 3,008 400,0 21 18,65 2,49 47 79,60 10,62 73 265,7 35,45 99 733,2 97,7 -4 3,276 437,0 22 19,33 2,64 48 83,71 11,15 74 277,2 37,0 100 760,0 101,3 -3 3,566 476,2 23 21,07 2,82 49 88,02 11,75 75 289,1 38,45

Bảng trên cho ta áp suất hơi b7o hoà phụ thuộc vào nhiệt độ

Theo định luật Đan-Tôn thấy rằng áp suất riêng phần của hơi trong không khí ẩm phnhỏ hơn áp suất chung của hỗn hợp B Tuy nhiên vì nhiệt độ hơi bằng nhiệt độ hỗn hợp, rõ ràng hơi ở trong không khí ẩm không b7o hoà, có nhiệt độ vượt quá nhiệt độ sôi của nước trong khi áp suất riêng phần của nó đ7 cho, nghĩa là nó ở trạng thái quá mức

áp suất phong vũ biểu và áp suất riêng phần của hơi là những thông số đặc trưng trạng thái không khí ẩm Ngoài những thông số này, trạng thái của không khí ẩm được đặc trưng bởi hàng loạt các thông số khác: độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối, hàm lượng ẩm, mật độ, thể tích riêng, nhiệt độ và entanpi Khi biết ba thông số của không khí ẩm, có thể tìm được các giá trị thông số còn lại của nó khi sử dụng các quan hệ sau:

- Độ ẩm tuyệt đối của không khí ρa là khối lượng của hơi nước chứa trong 1m3 không khí ẩm (g/m3), đồng thời ρa cũng là mật độ của hơi nước chứa trong hỗn hợp

- Độ ẩm tương đối của không khí là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối với khối lượng hơi nước cực đại có thể (ρmax) chứa trong 1m3 không khí ẩm có cùng một điều kiện (nhiệt độ và áp suất)

a max

ρϕρ

max

ρϕρ

Độ ẩm tương đối là thông số quan trọng của không khí ẩm Độ lớn của nó đặc trưng cho khả năng không khí được b7o hoà bởi ẩm Giá trị ϕ càng nhỏ trong điều kiện đơn giản bằng nhau, khả năng sấy của không khí càng lớn

Đặc tính phụ thuộc của ϕ vào nhiệt độ, khác nhau:

• Nếu nhiệt độ của không khí ẩm t, thấp hơn nhiệt độ sôi của nước tK ở áp suất phong

vũ biểu đ7 cho, nghĩa là khi t < tK (khi B = 760mmHg, tK = 1000C, khi B = 745mmHg,

tK = 99,40C), ρmax là mật độ hơi b7o hoà ρh ở nhiệt độ đ7 cho, nghĩa là ρma x = ρa

khi đó:

a h

ρϕρ

=

Giá trị của ρa trình bày trong bảng hơi nước Đối với tính toán kỹ thuật có thể dùng công thức thực nghiệm của Г.K.Philônhencô:

lg 0, 686 6,9

230

h

t t

ở đây: àa - phân tử lượng của hơi nước, àa = 18

pa - áp suất hơi b7o hoà ở nhiệt độ đ7 cho (Bảng 1.5)

R - hằng số của chất khí, R = 8314,3J/Kmol.0K

Giá trị bằng số của độ lớn R bằng công d7n 1Kg - phân tử (Kmol) khí ở áp suất không

ρϕρ

= = (1.15)

Độ lớn ph phụ thuộc vào nhiệt độ t, nâng cao nhiệt độ, áp suất hơi b7o hoà tăng (Bảng1.5), chính vì thế khi hàm lượng ẩm không đổi của khí tương ứng với giảm giá trị của ϕ Khi hâm nóng không khí trong calorife khả năng sấy của nó tăng lên, ngược lại khi làm lạnh không khí ph sẽ giảm xuống; độ ẩm tương đối khi hàm lượng ẩm không đổi sẽ nâng cao,

đạt được ph = pa (100%) Không khí trở thành b7o hoà và bắt đầu có ngưng tụ hơi nước

Trong khoảng nhiệt độ t = 00C ữ 1000C, ph (mmHg) có thể tính theo công thức thực nghiệm của Philônhencô:

G d G

= Kg ẩm/Kg kk

hoÆc 1000 a

K

G d

1, 293 273

1 0,378 ( / )273

sấy, ρhh sẽ giảm bởi vì hơi bị thay thế bởi không khí khô Tuy nhiên sự giảm nhiệt độ của không khí kéo theo quá trình sấy đối lưu, dẫn tới tăng ρhh

1.2.4 Nhiệt dung riêng trung bình của không khí ẩm

Nhiệt dung riêng trung bình của không khí ẩm khi áp suất không đổi ứng với 1Kg khí

ẩm, nghĩa là 1kg hỗn hợp, coi như độ lớn trung bình giữa nhiệt dung khí khô và hơi (KJ/Kg ẩm 0K)

G d

x

G

CK - nhiệt dung riêng trung bình của không khí khô; khi t ≤ 2000C

ta có CK≈ 0,24 Kcal/Kg0C ≈ 1,004KJ/Kg.0K Khi t > 2000C cần tính CK phụ thuộc vào nhiệt độ

Ca - Nhiệt dung riêng của hơi nước Ca≈ 0,44 Kcal/Kg0C ≈ 1,842 KJ/Kg0K

Đặc tính nhiệt - vật lý của trạng thái khí ẩm trong kỹ thuật sấy thường sử dụng entanpi Thông thường entanpi riêng của không khí ẩm đối với 1Kg không khí khô được xác định như

là tổng entanpi riêng 1kg không khí khô (Ik) và d gam hơi ẩm Do đó entanpi của không khí ẩm là:

I =I + ⋅I =C ⋅ +t ⋅I (1.20)

ở đây: t - nhiệt độ của hỗn hợp

Ia - Entanpi riêng của hơi ẩm trong hỗn hợp ở nhiệt độ và áp suất riêng phần đ7 cho Trong buồng sấy không khí không ở trạng thái b7o hoà Hơi nước được hâm nóng trong hỗn hợp cùng với không khí Entanpi của nó phụ thuộc vào entanpi của nước lỏng, nhiệt hoá hơi và nhiệt độ hâm nóng

Entanpi của nước ở nhiệt độ t

l l

I =C t⋅

ở đây: Cl - nhiệt dung riêng của nước lỏng (KJ/Kg.0K)

Nếu entanpi của nước lỏng ở t = 00C bằng không, thì entanpi của hơi quá nhiệt xác định theo công thức:

I =C t⋅ + +r C tưt (1.21)

ở đây: tK - Nhiệt độ sôi của nước lỏng phụ thuộc vào áp suất

r - nhiệt riêng hoá hơi cũng phụ thuộc vào áp suất

Ca - nhiệt dung của hơi quá nhiệt ở áp suất không đổi

Bởi vì trong không gian thiết bị sấy áp suất riêng phần của hơi ít thay đổi, do đó entanpi của hơi thực tế chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ t, không phụ thuộc vào áp suất Rõ ràng điều này có thể khi Cl = const, Ca = const

Khi Cl.tK + r - Ca.tK = const =r0 (r0 - là nhiệt hoá hơi ở tK = 00C)

Nhiệt riêng hoá hơi:

( )

r=r ư C ưC ⋅t (1.22) Nếu r0 = 597, Cl≈ 1, Ca≈ 0,44, ta nhận được công thức gần đúng sự phụ thuộc của r vào t:

597 0, 56

r= ư t Kcal/Kg = 4,186(597 - 0,56t) KJ/Kg

Độ lớn r phụ thuộc vào t cho trong bảng

Thay r vào biểu thức tính Ia, ta có công thức gần đúng để tính entanpi của hơi quá nhiệt:

Trong lý thuyết quá trình sấy một trong những thông số đặc trưng cho trạng thái của không khí ẩm, là nhiệt độ của nhiệt kế ướt Sự bay hơi của nước vào không khí trong điều kiện

đoạn nhiệt nên nhiệt lượng cần để bay hơi lấy ngay từ không khí Lớp không khí sát bề mặt bay hơi mất đi một nhiệt lượng đúng bằng nhiệt lượng bay hơi của nước, do đó nhiệt độ lớp không khí sát bề mặt bốc hơi giảm so với không khí ở xa bề mặt bay hơi Người ta gọi nhiệt độ lớp không khí sát bề mặt bay hơi là nhiệt độ nhiệt kế ướt tư và xa bề mặt bay hơi là nhiệt độ nhiệt kế khô Để đo nhiệt độ không khí ta dùng nhiệt kế thông thường (thuỷ ngân hoặc rượu)

Đo nhiệt độ nhiệt kế ướt ta vẫn dùng các loại nhiệt kế trên, nhưng bọc bầu thuỷ ngân hoặc rượu bằng bông luôn thấm nước nhờ mao dẫn từ một cốc nước

Như vậy, nhiệt độ của nhiệt kế ướt là thông số nhiệt động, đặc trưng cho khả năng không khí nhường nhiệt để bốc hơi nước tới khi không khí b7o hoà hoàn toàn

Sự sai khác giữa nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt kế ướt đặc trưng cho khả năng nhận ẩm của không khí, trong kỹ thuật sấy ta gọi là thế sấy ε

t t

Trong đó: t - nhiệt độ không khí, hoặc nhiệt độ của nhiệt kế khô thông thường

tư - nhiệt độ của nhiệt kế ướt (không khí b7o hoà đoạn nhiệt)

Khi không khí b7o hoà hoàn toàn (ϕ = 100%), tư = t và ε = 0

1.2.6 Xác định độ ẩm tương đối của không khí

Khi biết hiệu số (t - tư) có thể xác định độ ẩm không khí Giả sử q1 là nhiệt lượng mà không khí cung cấp cho bầu thuỷ ngân của nhiệt kế ướt và q2 là nhiệt lượng mà nước quanh bầu thuỷ ngân tiêu thụ để bay hơi Rõ ràng ta có:

q1 = q2 Theo phương trình truyền nhiệt ta có:

q1 = α(t - tư)

Đưa vào khái niệm bay hơi qm (lượng ẩm tích ra từ 1 đơn vị diện tích trong 1 đơn vị thời gian (Kg/m2.s) ta có:

q2 = qm.r

Trong đó: r - nhiệt ẩm hoá hơi (J/Kg)

Thay giá trị q1, q2 vào công thức ta có:

α - hệ số bốc hơi (hoặc hệ số trao đổi ẩm)

B - áp suất phong vũ biểu

∆p - hiệu áp suất riêng phần của hơi trên bề mặt nước và không khí bao quanh

r

αα

p p

ϕ=

ph - áp suất hơi b7o hoà khi nhiệt độ không khí đo bằng nhiệt kế khô

Sau khi biến đổi ta có:

pư - áp suất hơi b7o hoà ở tư

Khi v ≥ 0,5m/s hệ số A xác định theo công thức thực nghiệm:

Trong kỹ thuật sấy, không khí ẩm được đặc trưng bởi ba thông số sau:

- Nhiệt độ của nhiệt kế khô t

- Độ ẩm tương đối ϕ (%)

- áp suất khí trời B (áp suất phong vũ biểu)

Người ta thường đưa vào thế sấy ε Các thông số còn lại của không khí ẩm có thể tính theo các công thức ở trên

a/ Nguyên tắc xây dựng đồ thị I - d

Đồ thị được xây dựng đối với áp suất khí trời xác định (B = 745mmHg = 99,3 KPa ≈ 1Bar)

• Trên trục tung đặt entanpi (Kcal/Kgkk hoặc KJ/Kgkk) theo tỉ lệ xác định

• Trục hoành nghiêng một góc 1350 so với trục tung Như vậy đường I = const song song với trục hoành và tạo với trục tung một góc 1350 Đường d = const song song với trục tung Để thuận tiện tính toán hàm lượng ẩm, ta xây dựng đường nằm ngang - trục phụ d

• Đường có nhiệt độ không đổi (đường đẳng nhiệt) là sự phụ thuộc I vào d khi t = const, đó

là những đường gần song song (ở vùng có nhiệt độ thấp) trong hệ toạ độ I - d, độ nghiêng càng lớn khi nhiệt độ càng cao

Từ phương trình ta thấy I là tổng của ba đại lượng, có thể trình bày trên đồ thị dạng ba

đoạn tương ứng Để dễ quan sát, xây dựng hai đường đặc tính đẳng nhiệt

- Đẳng nhiệt t = 0

Khi t = 0 và d = 0 thì I0 = 0 (đồ thị bắt đầu từ điểm 0)

Khi t = 0 và d = d1, 1

11000

d t

⋅

Đường đẳng nhiệt t1 = const đi qua điểm e và f

Từ phương trình cơ bản thấy rằng, khi tăng t, góc nghiêng của đường đẳng nhiệt tăng lên, do tăng đoạn cf 1

1

0, 441000

d t

  Tuy nhiên độ lớn đoạn cf tăng không đáng kể so với các

thành phần khác của phương trình Giá trị của I (KJ/Kg kk) trên trục tung, theo giá trị bằng số bằng đoạn t tương ứng; thực tế khi d = 0 thì I0 = CK.t1 = 1,004t1

• Đường có độ ẩm tương đối ϕ = const

Hình 1.9 Xây dựng các đường chính trên đồ thị I-d

Đường này được xây dựng theo công thức:

⋅

ư ư ⋅ (1.26) Khi ϕ = const, khi tăng d cần tăng ph, nghĩa là t Do đó đường ϕ = const, là liên kết các

điểm giao cắt giữa d và t liên tiếp Đường ϕ = const tồn tại khi không khí có nhiệt độ và áp suất hơi bằng áp suất phong vũ biểu (tK = 99,40C khi áp suất bằng 745mmHg hoặc 99,3KPa) Khi nhiệt độ vượt quá tK = 99,40C, đường ϕ = const trở thành đường thẳng (song song với trục tung), nghĩa là d = const

Thực tế từ phương trình: a a

p p

ρϕρ

= = cho thấy, tới nhiệt độ 99,40C, khi tăng t với d = const,

nghĩa là pa và ϕ giảm do tăng ph Khi t > 99,40C, hỗn hợp ở trạng thái hơi và p a

B

ϕ= Bởi vì đồ thị I-d xây dựng với B = const, thì khi thay đổi t (pa = const) không ảnh hưởng tới ϕ, do đó khi xác

định d (nghĩa là pa), ϕ≈ const

• Đường ϕ = 100%

Đường này chia diện tích đồ thị làm hai phần

- Phần trên đối với không khí ẩm là hỗn hợp không khí khô và hơi nước không b7o hoà

- Phần dưới hơi nước b7o hoà có phần ngưng tụ thành nước Điểm sương trên đồ thị,

đường t = const đi qua điểm cắt, đường tương ứng d = const với đường ϕ = 100% Tiếp tục làm lạnh không khí b7o hoà xảy ra ngưng tụ từng phần hơi nước, kết quả là hàm lượng ẩm của không khí giảm và quá trình diễn ra theo đường ϕ = 100%

• Đường áp suất riêng phần của hơi nước

Đường này xây dựng theo phương trình:

.622

b/ Sự thay đổi trạng thái của không khí ẩm trên đồ thị I - d, xây dựng đường t = const

Sau khi đ7 khảo sát nguyên tắc xây dựng các đường trên đồ thị I - d, ta nghiên cứu sự thay đổi trạng thái không khí ẩm trên đồ thị I - d

Từ đồ thị ta thấy, khi tăng nhiệt độ không khí ẩm, giữ nguyên hàm lượng ẩm, độ ẩm tương đối của không khí giảm, nghĩa là tăng khả năng sấy của không khí Quá trình này trên

đồ thị d = const, gọi là đường hâm nóng Thực tế quá trình này ta gặp khi đốt nóng không khí trong calorifer (trước khi sấy) hoặc hâm nóng trung gian không khí trong buồng sấy

Bốc hơi nước đoạn nhiệt trong không gian khép kín, nhiệt độ không khí sẽ giảm Bởi vì việc tạo thành hơi đưa vào cũng vẫn chính thể tích đó, nên entanpi I của hỗn hợp trên 1Kg không khí khô sẽ không thay đổi Quá trình này xảy ra ở máy sấy không có tổn thất (sấy lý thuyết) Biểu diễn trên đồ thị I - d, đường I = const, gọi là đường bốc hơi

Cần lưu ý, entanpi của không khí không thay đổi trong quá trình bốc hơi đoạn nhiệt chỉ trong trường hợp, nếu nhiệt độ nước bốc hơi bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt (tư) và bằng 0 Trường hợp ngược lại, entanpi của không khí tăng lên một chút Thực tế, sau bốc hơi U kg nước thì entanpi của không khí ẩm I2 sẽ bằng entanpi của không khí trước bốc hơi I1 cộng với entanpi chất lỏng bốc hơi:

Cn - nhiệt dung riêng của nước

Từ phương trình trên cho thấy nếu tư > 0 thì I2 > I1

Trong quá trình bốc hơi hàm lượng ẩm của không khí d sẽ tăng và khi b7o hoà hoàn toàn (ϕ = 100%), hàm lượng ẩm của không khí ứng với tư là dư Tuy nhiên, việc tăng thêm hàm lượng ẩm của không khí sẽ tương ứng với lượng nước bốc hơi:

Hình 1.10 Xây dựng đường tư = const và ε = const trên đồ thị I - d

Tại điểm B bất kỳ trên đường ϕ = 100%, xác định tư bằng cách vẽ đường I2 = const Cắt trục tung, nghĩa là với đường d = 0 (điểm C) Từ C hạ xuống một đoạn

1000 n

d

CD= ư ⋅C t⋅

ư

Điểm D có thể xác định I1 Đường nối D và B là đường cần tìm tư = const Bởi vì khi ϕ = 100%,

tư = t (nhiệt độ không khí ở môi trường), rõ ràng giá trị của tư ứng với giá trị đẳng nhiệt t = const đi qua điểm B

Trên đồ thị đường tư = const là đường chấm chấm Khi biết t và tư có thể tìm trên đồ thị giá trị ϕ tương ứng trên đường ϕ = const, đi qua giao điểm của đường t = const, và tư = const Thí dụ trên hình khi t = 400C và tư = 300C thì ϕ≈ 50%

Khi dùng đường t và tư trên đồ thị I - d, nó cũng đưa vào đường thế sấy ε = t = tư = const Trên đồ thị đường ε = 100C (điểm A, A1, A2) và ε = 500C (điểm C1C2) Đường ε = 0 là

đường ϕ = 100% Thế sấy đặc trưng cho khả năng sấy của không khí, vì nó xác định tốc độ bốc hơi của nước phụ thuộc nhiệt độ và hàm lượng ẩm của không khí

• Sử dụng đồ thị I - d khi áp suất khí trời khác nhau

Đồ thị I - d xây dựng với áp suất khí trời B = 745mmHg = 99,3KPa; ta có thể tính lượng ẩm b7o hoà trong 1Kg không khí ở cùng nhiệt độ, nhưng áp suất khí trời khác nhau

h

p d

  nghĩa là với 1Kg không khí khô ở áp suất khác nhau,

sẽ có khối lượng hơi ẩm khác nhau Từ đó cho thấy, độ ẩm tương đối của không khí ẩm phụ thuộc vào áp suất khí trời

Như vậy khi có sai lệch đáng kể đối với B = 745mmHg, cần phải có hiệu chỉnh đường

ϕ = const trên đồ thị I - d Hình dưới cho ta đường không khí b7o hoà ϕ = 100% với các áp suất khí trời khác nhau Xây dựng đường ϕ = const trên đồ thị I - d có thể trình bày dưới dạng:

6221

h

d B p

dụ trên đồ thị I - d, đối với đường không khí b7o hoà ϕ745 = 100%

745

7, 45100

Trong đó: B - áp suất khí trời đ7 cho (mmHg hoặc KPa)

ϕ745, ϕ99,3 - giá trị đường ϕ trên đồ thị tính toán xây dựng với áp suất 745mmHg hoặc 99,3KPa

Hình 1.11 Vị trí đường không khí b6o hoà trên đồ thị I - d với áp suất khí trời khác nhau 1.2.8 Khói lò

Khói lò là tác nhân sấy phổ biến, vừa trực tiếp cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy, vừa mang ẩm thải ra môi trường (sấy trực tiếp) hoặc là nguồn cung cấp nhiệt gián tiếp để hâm nóng tác nhân sấy (trong calorifer khí - khói) Như vậy nếu biết entanpi, lượng chứa ẩm d, độ ẩm tương đối ϕ và nhiệt độ t của nó ta có thể coi khói lò là một dạng không khí ẩm tương đương

và có thể sử dụng đồ thị I - d đ7 nói ở trên

Sấy trực tiếp, không khí trộn với khói lò, thiết bị sấy đơn giản, giảm được chi phí điện năng vì giảm được sức cản của không khí Tuy nhiên sử dụng trực tiếp sản phẩm cháy của nhiên liệu làm tác nhân sấy, phải lọc toàn bộ bụi, tro, vì chúng làm giảm chất lượng sản phẩm sấy

Khi nhiên liệu cháy, trong khói lò chứa một lượng đáng kể lưu huỳnh và hợp chất của lưu huỳnh có tính độc hại Do đó không được sấy trực tiếp đối với các sản phẩm có tính hấp phụ cao

Tính toán nhiệt quá trình cháy, cần xác định khối lượng sản phẩm cháy, hàm lượng ẩm

và entanpi Xác định chất lượng nhiên liệu cháy trong lò và điều kiện cháy của nó Chất lượng nhiên liệu rắn và lỏng đặc trưng bởi thành phần của chúng trong nhiên liệu

C + H + O + N + S + W + A ≈ 100%

ở đây: C (cacbon), H (hydrô), O (ôxy), N (Nitơ), S (sunfua), W (nước), A (tro)

Nhiệt trị cao của nhiên liệu xác định theo công thức của D-И Mendêlêep

QC = 81C + 300H - 26 (O - S) Kcal/Kg

hoặc QC = 419.10-5[81C + 300H - 26(O - S)] MJ/Kg (1.29)

mmHG mmHG

mmHG

Khối l−ợng không khí lý thuyết cần để cháy 1Kg nhiên liệu, tính theo:

Để tránh tổn thất do cháy không hoàn toàn trong lò, cần phải đ−a thừa không khí vào

lò Do đó khối l−ợng không khí thực tế đ−a vào lò cho 1Kg nhiên liệu cháy là gt, cần lớn hơn g0

lý thuyết Tỷ số gt/g0 = α gọi là hệ số thừa không khí Khi khối l−ợng sản phẩm khí tạo thành, khi đốt cháy 1Kg nhiên liệu

91

αα

⋅

++ − −

hoặc

0 0 0

Để tính toán thiết bị sấy dùng khí nóng cần phải biết hai hệ số thừa không khí: một ở trong lò αl, bảo đảm nhiệt độ cho phép của nó và một hệ số ở buồng sấy α Những hệ số này

có giá trị thế nào để nhiệt độ hỗn hợp đ−a vào buồng sấy đạt đ−ợc giá trị chính xác đối với chế

độ nhiệt độ yêu cầu t

Nhiệt độ trong lò:

h l l

Q t

ηα

⋅

=

⋅ + ⋅ (1.33)

ở đây: ηl - hiệu suất của lò, tính tới tổn thất cơ và hoá cháy không hoàn toàn, cũng như tổn thất qua thành lò vào môi trường ηl = 0,85 ữ 0,95

Cpc - nhiệt dung trung bình đẳng áp của sản phẩm cháy

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu:

ở dây: CT - nhiệt dung của nhiên liệu bằng 2,09KJ/Kg 0K (0,5Kcal/Kg 0C)

Ihr = 2500 + 1,842tK (KJ/Kg) = 597 + 0,44t (Kcal/Kg) Entanpi của hơi ở nhiệt độ hỗn hợp đưa vào buồng sấy

CKr - nhiệt dung của hỗn hợp khí khô, tương tự nhiệt dung của không khí: Nếu nhiệt độ của hỗn hợp này không quá 2000C, thì nhiệt dung của nó có thể lấy bằng 1,004KJ/Kg 0K (0,24 Kcal/Kg 0C)

Ih0 - entanpi của hơi chứa trong không khí ngoài trời, nhiệt độ t0

Sau khi xác định α, dễ dàng tính được hàm lượng ẩm của hỗn hợp đưa vào buồng drtheo công thức trên

Entanpi của hỗn hợp khí, đưa vào buồng Ir xác định theo công thức (Kcal/Kg kk) hoặc KJ/Kg kk)

0 0

C l T r r

Khối lượng các thành phần riêng của sản phẩm cháy 1Kg nhiên liệu xác định theo:

S

⋅ 0, 23(αư1 g) 0 0, 77 gα 0

Sự thay đổi trạng thái của hỗn hợp khí trong quá trình sấy dễ dàng xác định trên đồ thị I - d tương tự như đối với không khí

1.3 Truyền nhiệt và truyền ẩm trong quá trình sấy

1.3.1 Truyền ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường

Quá trình sấy là quá trình vật liệu nhận nhiệt năng từ một nguồn nhiệt để chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu ra mặt vật liệu, sau đó đi vào môi trường thông qua tác nhân sây Như vậy quá trình truyền nhiệt và truyền chất xảy ra đồng thời

Đầu tiên, khảo sát truyền ẩm bên ngoài, nghĩa là trao đổi ẩm giữa bề mặt vật liệu và môi trường của buồng sấy Tác nhân sấy nhất thiết phải chuyển động tương đối so với bề mặt của vật liệu, và tạo thành lớp biên, có ảnh hưởng lớn tới quá trình sấy Trong trường hợp này tất cả các thông số cơ bản của khí chuyển động trong lớp biên, khác với các thông số trạng thái tương ứng của khí trong buồng sấy Điều này làm xuất hiện sức cản phụ của quá trình truyền nhiệt và ẩm Nghĩa là lớp giới hạn là yếu tố cản trở quá trình sấy Nghiên cứu quá trình này có nhiều khó khăn, khi cần xác định nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ khí Những nghiên cứu gần đây cho thấy, trường nhiệt độ của lớp biên cũng giống như trường ẩm độ và trường áp suất riêng phần Hình dưới cho sơ đồ phân bố nhiệt độ và áp suất riêng phần trong lớp biên khi sấy vật liệu ẩm (nỉ ướt) theo số liệu thực nghiệm của H.Φ.Đôcutraép

Hình 1.12 Sơ đồ phân bố nhiệt độ (đường cong 1) và áp suất riêng phần (đường cong 2) trong

lớp biên trên bề mặt vật liệu ẩm quá trình sấy đối lưu

Trên (Hình 1.13) (Số liệu của Б.M.Smôlski) đường cong phân bố nhiệt độ trong lớp biên đối với tấm khô (không bốc hơi) và tấm ướt (trao đổi nhiệt gây khó cho trao đổi ẩm) Từ những đường cong này cho thấy trao đổi khối mạnh hơn trao đổi nhiệt, do đó nhiệt độ tấm ướt tăng mạnh hơn Tăng hàm lượng ẩm của khí trong lớp biên sẽ nâng cao sự dẫn nhiệt của nó, do

đó làm tăng mật độ dòng nhiệt

Hình 1.13 Phân bố nhiệt độ trong lớp biên trên bề mặt tấm khô và tấm ướt, khi tốc độ dòng không khí v = 2m/s

Ngoài ra, dòng nhiệt tới bề mặt tăng làm xuất hiện dòng không khí khô cũng hướng tới

bề mặt, kết quả gây ra sự sai khác áp suất riêng phần của hơi ở bề mặt vật liệu và trong khí, thuận lợi cho tốc độ sấy tăng П.D.Lêbêđép nghiên cứu trao đổi nhiệt bên ngoài trong quá trình

đối lưu - hướng kính đ7 thu được các tỉ số tính toán quan trọng khi sấy các vật liệu khác nhau

0,5Re

n p

  - Chuẩn thông số, tỉ số giữa nhiệt độ phát Tp với nhiệt độ trung bình trong buồng

sấy T, nghĩa là ảnh hưởng của nguồn bức xạ đến trao đổi nhiệt đối lưu

Giá trị hệ số A, n phụ thuộc vào loại vật liệu

m

m u m

λ

= ⋅ (1.40) Trong đó:

Khi Re = 22.000 ữ 315.000 thì A = 0,025 , n = 0,90

1.3.2 Truyền nhiệt và truyền khối bên trong vật liệu ẩm

Qui luật cơ bản truyền chất (ẩm) có dạng:

q = −λ ⋅∇θ (1.42) Trong đó:

qm - mật độ dòng ẩm (l−ợng ẩm G truyền trong 1 đơn vị thời gian, qua một đơn vị bề mặt đẳng thế ∆s

m

dG q

  - đạo hàm riêng của thế truyền theo hàm l−ợng ẩm riêng ở nhiệt độ không đổi

Nếu sử dụng dung tích ẩm thì:

m

m

u C

Nghĩa là khi nhiệt độ không đổi và dung tích ẩm của vật liệu không đổi, thế truyền ẩm

là một hàm tuyến tính của hàm l−ợng ẩm Thực tế dung tích ẩm là đại l−ợng thay đổi Nếu đ−a khái niệm dung tích ẩm trung bình của vật liệu C m thì:

u C

θ

∇ = ⋅∇ (1.44)

Biểu thức quy luật truyền có dạng:

0

m

m m

m

a C

λρ

=

Hệ số khuếch tán ẩm phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ của vật liệu

Đối với hạt lúa mì, hàm l−ợng ẩm và nhiệt độ của nó có dạng (theo L−-Kốp)

9 2

1

.10293

K

h t m

T a

θ =− ⋅ ⋅∇ − ⋅ ⋅ ⋅∇+

là thông số nhiệt động học là tỷ số giữa truyền hàm lượng ẩm ∆u với truyền nhiệt độ ∆θ

I - entanpi ẩm dịch chuyển bên trong vật liệu (J/Kg)

Trong phương trình này không tính tới sự thay đổi entanpi ẩm theo toạ độ vật liệu

1.3.3 Phương trình vi phân truyền nhiệt

Trên cơ sở định luật bảo toàn năng lượng, sự thay đổi phân tử entanpi thể tích vật trong

Thành phần đầu phần phải của phương trình trên tính truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt, thành phần thứ hai truyền nhiệt bởi dòng chất lỏng

l l

Truyền nhiệt bằng dòng nhiệt (không biến đổi pha), tính tương tự truyền lỏng nghĩa là

a

q

ρ

=a

chuẩn biến đổi pha

Chuẩn này đặc trưng sự thay đổi dòng ẩm hoặc hàm lượng ẩm của vật liệu do biến đổi pha (bốc hơi bên trong hoặc ngưng tụ) đối với sự thay đổi dòng ẩm chung bên trong vật hoặc

sự thay đổi hàm lượng ẩm của vật

Chuẩn ε thay đổi từ 0 (không biến đổi pha) đến 1 (dòng ẩm gây biến đổi pha và truyền hơi) Trường hợp chung ε = f(u,θ)

Hình 1.14 Sự phụ thuộc của chuẩn biến đổi pha ε vào độ ẩm của vật liệu

Chuẩn ε phụ thuộc toạ độ vật, nghĩa là độ lớn của nó khác nhau đối với các lớp vật liệu

nghĩa là ẩm được di chuyển trong vật liệu ở dạng lỏng Như vậy truyền nhiệt trong vật liệu ẩm bị cản trở bởi truyền khối bên trong Phương trình chung có dạng:

Trường hợp sấy đối lưu, trong vật liệu gradien nhiệt độ không đáng kể, tốc độ truyền

ẩm nhỏ (Re < 10), thường bỏ qua truyền nhiệt bởi dòng chất lỏng và hơi Khi đó phương trình

Tương tự phương trình truyền nhiệt, phương trình vi phân truyền ẩm có dạng:

Nếu bỏ qua sự truyền mol của chất lỏng, còn tính truyền mol của hơi, ta có phương trình truyền ẩm tương tự phương trình vi phân truyền nhiệt

phương trình trên trở thành phương trình vi phân tuyến tính

Trường hợp sấy đối lưu, không khí được đốt nóng (nhiệt độ không cao và tốc độ không lớn) trong tính toán không cần tính quá trình dẫn nhiệt - ẩm Giai đoạn sấy đầu gradien nhiệt độ không