Quy luật truyền nhiệt truyền chất và chế độ sấy đối lưu một số vật liệu dạng trụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH QUY LUẬT TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT VÀ CHẾ ĐỘ SẤY ĐỐI LƯU MỘT SỐ VẬT L

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

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH : CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

QUY LUẬT TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT VÀ CHẾ

ĐỘ SẤY ĐỐI LƯU MỘT SỐ VẬT LIỆU DẠNG TRỤ

-

Luận văn thạc sĩ khoa học

Quy luật truyền nhiệt truyền chất và chế

độ sấy ĐốI LƯU một số vật liệu dạng TRụ

Qua công trình nghiên cứu này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới toàn thể các thầy, cô giáo trong Viện khoa học và công nghệ nhiệt - lạnh

đã giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường

Xin chân thành cảm ơn GS TSKH Trần Văn Phú đã tận tình chỉ bảo,

hướng dẫn để tôi hoàn thành luận văn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn Cao học này

Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2007

Tác giả

Vũ Văn Hải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu, tính toán và thiết kế của tôi dưới sự hướng dẫn của thầy giáo: GS TSKH Trần Văn Phú Các kết quả

nghiên cứu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưa công bố ở bất kỳ công trình nào khác

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Tác giả

Vũ Văn Hải

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT

TRUYỀN CHẤT TRONG VẬT LIỆU SẤY

9

1.1.1 Vai trò của kỹ thuật s ấy trong đời sống 9

1.1.2 Ý nghĩa của việc nghiên cứu kỹ thuật sấy 11

1.2 Lịch sử phát triển của công nghệ sấy gỗ, thực trạng và xu thế pt 11

1.3.2 Các dạng liên kết và năng lượng liên kết ẩm 19

1.3.3 Các đặc trưng nhiệt động của vật liệu ẩm 23

1.3.4 Các đặc trưng nhiệt vật lý của vật liệu ẩm 25

1.3.5 Quá trình truyền nhiệt truyền chất trong vật liệu sấy 29

1.3.5.1 Định luật Fourier về dẫn nhiệt 29

1.3.5.3 Phương trình dẫn nhiệt và khuếch tán 32

CHƯƠNG 2- CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THỜI GIAN SẤY 45

2.1 Các phương pháp xác định thời gian sấy hiện có 45

Trang

2.1.1 Phương pháp giải tích 45 2.1.2 Phương pháp nửa lý thuyết nửa thực nghiệm 54

2.2.3 Phương pháp mới về xác định thời gian sấy 60

CHƯƠNG 3- MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THU ĐƯỢC TỪ THÍ NGHIỆM

61

3.1 Giới thiệu về thiết bị sấy buồng và các bước tiến hành thí nghiệm 61

CHƯƠNG 4- SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VỚI

LÝ THUYẾT

70

4.1 Xác định thời gian sấy vật hình trụ bằng phương pháp đồng dạng 70 4.1.1 Xây dựng đồ thị Q(0,τ)/Q(0,∞)=f(Bi, Fo) 70 4.1.2 Xác định thời gian sấy vật hình trụ bằng phương pháp đồng

5.2 Kết luận và đề xuất nghiên cứu 76

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Độ ẩm của gỗ quy định trước khi đem gia công

Bảng 1.2 Ẩm dung riêng trung bình của một số vật liệu ẩm

Bảng 1.3 Nhiệt dung riêng của một số vật liệu ẩm

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 3.1: Cấu tạo của thiết bị sấy

Hình 3.2: Mặt trên của thiết bị

Hình 3.3 Phía sau của thiết bị

Hình 3.4 Đồ thị Q/Qn = fQ(Bi, F0)

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, nền kinh tế nước ta đã có những bước phát triển đáng kể, từng bước công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Trong đó ngành công nghiệp chế biến các sản phẩm sau thu hoạch và các nguyên liệu trước khi đưa và sản xuất cũng ngày càng phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là quá trình sấy

Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng trong rất nhiều 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 nóng ẩm với gần 70% dân số làm nghề nông nên các loại nông sản thực phẩm

đa dạng, phong phú và có sản lượng rất lớn Vì vậy, nghiên cứu phát triển công nghiệp sấy các loại nông sản thực phẩm có thể coi là nhiệm vụ chiến

lược trong sự 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, vẫn giữ được màu sắc, mùi vị của sản phẩm Một trong những công nghệ sấy đang được nhiều nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đó là công nghệ sấy đối lưu các vật liệu sấy dạng hình trụ Vì vậy tác giả chọn đề tài: Nghiên cứu truyền nhiệt truyền chất và vấn đề xác định thời gian sấy trong các hệ thống sấy buồng để sấy các vật liệu dạng hình trụ

Trong bản luận văn này tôi trình bày một phương pháp về xác định thời gian sấy các vật liệu dạng hình trụ bằng phương pháp đồng dạng, sau đó là

tiến hành thí nghiệm để xác định thời gián sấy và so sánh với kết quả thí nghiệm được với lý thuyết đã tính toán

Luận văn được trình bày thành 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về quá trình truyền nhiệt truyền chất trong vật liệu sấy

Chương 2: Các phương pháp xác định thời gian sấy

Chương 3: Mô hình thí nghiệm và các kết quả thu được từ thí nghiệm Chương 4: So sánh, đánh giá kết quả với lý thuyết

Chương 5: Kết luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT

1.1 mục đích, ý nghĩa của kỹ thuật sấy

1.1.1 Vai trò của KTS trong đời sống

Sấy là một qúa trình công nghệ được sử dụng trong rất nhiều ngành công nông nghiệp Trong nông nghiệp sấy là một trong những công đoạn quan trọng của công nghiệp sau thu hoạch, trước đây sau thu hoạch người dân chỉ biết phơi sản phẩm của mình ngoài trời cho khô trước khi đưa vào bảo quản Như vậy quá trình hong phơi phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết, thậm chí vào các ngày mưa bão thì có khi cả tuần sản phẩm vẫn chưa được phơi xong, chưa kể còn bị ẩm mốc thậm chí còn thối rữa…Ngoài ra thời gian phơi khô sản phẩm kéo dài, tốn nhiều công để thực hiện quá trình đó Ngày nay nhờ có kỹ thuật sấy mà chúng ta đã gảm bớt được thời gian hong phơi, hoàn toàn chủ động công việc của mình mà không phụ thuộc vào thời tiết, hơn nữa chất lượng của sản phẩm cao hơn nhiều so với phơi thuần tuý

Trong công nghiệp như công nghiệp chế biến nông-hải sản, công nghiệp chế biến gỗ, công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng… thì kỹ thuật sấy đóng vai trò quan trọng

Ví dụ trong công nghệ chế biến gỗ Mục đích của sấy gỗ là để nâng cao

độ bền của công trình và sản phẩm từ gỗ Sấy gỗ để gỗ không bị mốc, mục, mọt, mối xâm hại; giữ được hình dạng, kích thước, giảm được cong vênh, nứt

nẻ lục gia công và sử dụng Sấy gỗ còn để giảm trọng lượng chi tiết, công trình gỗ; đảm bảo dược chất lượng dán keo và trang sức bề mặt

Tầm quan trọng của sấy gỗ: Gỗ phải được sấy trong bất kỳ một quá trình gia công, chế biến gỗ nào (sản xuất đồ mộc, sản xuất gỗ dán, ván nhân tạo, sản xuất kết cấu xây dựng từ gỗ, chế biến song mây tre, làm hàng thủ công mỹ nghệ…) Sử dụng gỗ tươi, hoặc gỗ sấy có độ ẩm chưa đạt yêu cầu sẽ dẫn đến giảm thời gian sử dụng sản phẩm

Liên xô trước đây đã quy định độ ẩm của gỗ đem gia công phải đảm bảo tiêu chuẩn sau:

Bảng 1.1 Độ ẩm của gỗ quy định trước khi đem gia công

8 Chi tiết gỗ trong ô tô 10-15 %

9 Chi tiết trong máy nông nghiệp 12 %

10 Vật liệu xây dựng 18 %

12 Thùng gỗ chứa dầu nhựa 12 %

13 Thùng gỗ chứa thực phẩm 15 %

14 Dăm đựng bao bì 15 %

Quá trình sấy không chỉ là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật liệu một cách đơn thuần mà là một quá trình công nghệ Nó đòi hỏi sau khi sấy vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp Trong quá trình sấy đối với từng vật liệu cụ thể thì ta phải chọn chế độ sấy thích hợp và tính toán được thời gian sấy

1.1.2 Ý nghĩa của việc nghiên cứu KTS

Quá trình sấy tối ưu là quá trình đảm bảo những yêu cầu về chất lượng sản phẩm như không nứt nẻ (với sấy thóc), không cong vênh (với sấy gỗ), giữ được các vi lượng…với chi phí vận hành thấp nhất và thời gian sấy ngắn nhất Như vậy thời gian sấy là một trong những thông số công nghệ quan trọng trong quá trình sấy

1.2 Lịch sử phát triển công nghệ sấy gỗ, thực trạng và xu thế phát triển 1.2.1 Các phương pháp sấy gỗ

1.2.1.1 Hong phơi

Hong phơi là một phương pháp sấy đơn giản nhất, ít tốn kém và được

sử dụng rộng rãi, kể cả trong sản xuất công nghiệp, hong phơi cũng được quan tâm đúng mức và được chú ý cân nhắc trong khi lựa chọn và áp dụng các phương pháp sấy hiện đại Ở hầu hết các nước sấy tự nhiên được sử dụng

và được coi là một phương pháp sấy trước ( sơ bộ), nhằm giảm độ ẩm của gỗ sấy trước khi đưa vào sấy công nghiệp

1.2.1.2 Sấy chân không

Sấy chân không đã từ lâu là một phương pháp sấy kỹ thuật được sử dụng để sấy các loại vật liệu khác nhau, kể cả trong lĩnh vực sấy gỗ Đối với

các loại "gỗ khô chậm và khó sấy", sấy chân không có một vị trí đáng kể nhằm rút ngắn được thời gian sấy và cải thiện được chất lượng sấy

Nguyên lý cơ bản của phương pháp sấy chân không là sự phụ thuộc điểm sôi của nước vào áp suất Nếu làm giảm (hạ thấp) áp suất trong một thiết

bị chân không xuống đến áp suất mà ở đó nước trong gỗ bắt đầu sôi và bốc hơi, sẽ tạo theo tiết điện ngang của ván sấy một chênh lệch áp suất và qua đó hình thành lên một dòng ẩm chuyển động trong gỗ theo hướng từ trong ra bề mặt gỗ

1.2.1 3 Sấy ngưng tụ ẩm

Sấy ngưng tụ ẩm bằng thiết bị lạnh đã được nhập vào nước ta (đặc biệt

ở TP Hồ Chí Minh) trong những năm gần đây Thiết bị sấy làm việc theo nguyên lý sấy ngưng tụ ẩm và là một phương pháp sấy đã được sử dụng từ lâu

để sấy các loại vật liệu khác nhau Hiệu quả của phương pháp sấy này trong lĩnh vực sấy gỗ còn tùy thuộc vào rất nhiều yếu tố và cần được cân nhắc lựa chọn tùy theo điều kiện cụ thể của từng cơ sở sản xuất

1.2.1.4 Sấy sao tần

Sấy gỗ trong từ trường điện xoay chiều có tần số cao được gọi là sấy cao tần Trong phương pháp sấy cao tần này, gỗ ướt là một chất điện môi nằm giữa hai tấm bản cực Các tấm bản cực đóng vai trò chuyển tải sóng điện từ cao tần Tần số ở đây nằm trong khoảng từ 3 đến 50 MHz Để hạn chế hiện tượng nhiều sóng, trong thực tế người ta giới hạn việc sử dụng trong công nghiệp ở các phạm vi tần số sau đây:

13,560 MHz ± 0,06 % 27,120 MHz ± 0,60%

40,580 MHz ± 0,05%

Và tần số được phổ biến nhất là 27,120 MHz

1.2.1.5 Sấy hơi nước quá nhiệt

Phương pháp sấy hơi nước quá nhiệt là phương hpáp sử dụng trực tiếp hơi nước nóng quá nhiệt làm môi trường sấy và được áp dụng ngày càng nhiều trong kỹ thuật sấy gỗ xẻ và được coi là một giải pháp làm tăng cường năng lực sấy và tăng hiệu quả kinh tế của quá trình sấy So với phương pháp sấy truyền thống trong môi trường không khí thì thông thường sấy trong môi trường hơi nước nóng quá nhiệt thời gian sấy sẽ ngắn hơn một cách đáng kể: ( Khoảng 6:1 so với phương pháp sấy truyền thống) Phương pháp sấy này rất phù hợp cho sấy gỗ lá kim và các loại gỗ tạp lá rộng, nhiệt độ sấy luôn luôn lớn hơn 1000 C ( thường sấy ở khoảng 1100 C)

1.2.1.6 Sấy quy chuẩn

(Sấy gián tiếp trong môi trường không khí: sấy truyền thống)

Sấy gián tiếp được phân biệt với sấy trực tiếp ở chỗ, đối với phương pháp sấy trực tiếp - gỗ được gia nhiệt trực tiếp từ nguồn nhiệt, còn sấy gián tiếp là phương pháp sấy mà gỗ được gia nhiệt thông qua môi trường sấy và gỗ nằm trong môi trường sấy ấy sẽ được môi trường sấy làm nóng lên thông qua hiện tượng truyền nhiệt và nhờ nguồn nhiệt được hấp thụ ấy sẽ thực hiện quá trình bay hơi và làm cho gỗ khô dần đi Môi trường sấy được sử dụng ở đây chủ yếu là không khí - một loại môi trường sẵn có trong thiên nhiên xung quanh ta Hầu hết các dạng thiết bị sấy sẽ được đề cập ở phần sau đều dựa trên nguyên lý của phương pháp sấy này

1.2.1 7 Sấy bằng năng lượng mặt trời

Sử dụng năng lượng mặt trời ở dạng ánh nắng bức xạ có thể bằng mấy cách sau đây: pin nhiệt điện, tấm hấp thụ bức xạ nhiệt hoặc sử dụng trực tiếp bức xạ mặt trời (hong phơi)

Sử dụng bức xạ mặt trời trực tiếp đã được áp dụng từ xa xưa trong lĩnh vực sấy gỗ và được gọi là hong phơi hoặc sấy tự nhiên Trong những năm gần

đây ngành sấy gỗ cũng đã bắt đầu nghiên cứu áp dụng dạng " Tấm hấp thụ bức xạ nhiệt"

Do đặc điểm này nên petrolatum thấm vào gỗ khó và tiêu hao để sấy gỗ chỉ khoảng 20 - 25 kg/m3 Cũng có thể rồi đây sẽ tìm ra chất lỏng khác để sấy

Đặc điểm của cơ chế sấy gỗ trong chất lỏng là quá trình sấy xuất hiện

sự giảm mạnh độ ẩm theo bề dày Hạn chế và tránh hiện tượng đó chỉ bằng cách tăng thời gian sấy và đưa độ ẩm trung bình cuối cùng đến đại lượng gần

độ ẩm thăng bằng của gỗ phụ thuộc vào nhiệt độ chất lỏng, thời gian sấy có thể ngắn hơn sấy bằng hơi nước từ 5 - 15 lần

Sấy gỗ trong petrolatum có một số nhược điểm sau đây

- Cần bổ sung thêm về petrolatum

Vì vậy sấy trong chất lỏng ít được sử dụng

1.2.2 Lịch sử phát triển công nghệ sấy gỗ, thực trạng và xu thế phát triển

Thời kỳ gia công gỗ bằng thủ công, người ta hong phơi gỗ xẻ để giảm

độ ẩm của gỗ trước lúc sản xuất đồ mộc Đến thế kỷ thứ XIX, một số xưởng

gỗ của đường sắt, xưởng làm nhạc cụ có khối lượng tương đối lớn, có yêu cầu cao về mặt chất lượng Lúc đó mới bắt đầu xây dựng lò sấy thủ công Từ đó mới có những đề tài nghiên cứu chế độ sấy Năm 1875 đã bắt đầu xây dựng lò sấy dùng môi trường sấy bằng không khí nóng, hơi quá nhiệt và khí đốt

Năm 1873, giáo sư Gađôlin viết quyển sách đầu tiên về nghiên cứu hiện tượng cong vênh của ván lúc sấy Các nhà khoa học Xô viết đã có những công trình nghiên cứu giải quyết những vấn đề quan trọng về kỹ thuật sấy gỗ Giáo sư KL Ramdin năm 1918 đã đề ra biểu đồ I-d để tính các thông số của không khí ẩm Các giáo sư V.E Grum Grưmailo, A.V.Lưkov, N.C.Xelugin

và các nhà khoa học Kretretov, Xôclov, Cegovxki… đã nghiên cứu những quy luật và kỹ thuật sấy gỗ

Công nghiệp gia công cơ giới gỗ phát triển mạnh mẽ, những lò sấy, phương pháp sấy thủ công cũ kỹ, năng suất thấp, chất lượng sấy kém đã không thể đáp ứng yêu cầu khối lượng gỗ sấy càng lớn của các nước công nghiệp phát triển Các lò sấy công suất lớn, công nghệ thiết bị tiên tiến được xây dựng ở các nhà máy chế biến tổng hợp gỗ

Các lò sấy ván bóc, ván lạng, sấy dăm, sấy tre… để làm ván nhân tạo xuất hiện ngày càng phong phú

Các công trình nghiên cứu lý luận về bản chất của quá trình sấy gỗ, các phương pháp, quy trình, chế độ sấy gỗ với nhiều loại môi trường, nguyên liệu sấy trong các kiểu lò sấy khác nhau ngày càng phát triển sâu rộng ở các nước trên thế giới

Xu hướng phát triển chủ yếu hiện nay là hoàn thiện kỹ thuật công nghiệp sấy để thời gian sấy ngắn, năng suất chất lượng cao, giá thành sấy rẻ

Tháng 4 năm 2003, ở Maskva Hội khoa học kỹ thuật năm 2003, ở Maskva, Hội khoa học kỹ thuật công nghiệp gỗ và giấy toàn liên bang Nga cùng các viện nghiên cứu, và các công ty sản xuất đã tổ chức Hội nghị khoa học: “Sấy gỗ, thực trạng và phương hướng giải quyết” Các đại biểu đã đề cập những vấn đề tổng hợp để bảo đảm hoàn thiện cho công nghệ, kỹ thuật sấy gỗ như:

- Thực trạng kỹ thuật, nguyên tắc, phương pháp sấy gỗ

- Những công nghệ và thiết bị mới

- Yêu cầu và chất lượng gỗ

- Trang bị, thiết bị của các phương pháp sấy và công trình sấy

- Tự động hoá và điều khiển quy trình sấy

- Chương trình hoá chế độ sấy bằng công nghệ thông tin hiện đại

Ở nước ta công nghiệp gia công chế biến gỗ, sản xuất hàng hoá tiêu dùng xuất khẩu chất lượng cao chưa phát triển, nên kỹ thuật và công nghệ sấy

gỗ cũng phát triển chậm và kém

Trước năm 1975, chỉ có một lò sấy chu kỳ tuần hoàn sấy bằng hơi đốt hay hơi nước ở miền Nam và các xí nghiệp sản xuất đồ gỗ, đồ mộc ở miền Bắc để sấy gỗ xẻ làm nhạc cụ, học cụ, đồ chơi, ván bóc, dăm cho ván dăm với những quy trình và chế độ sấy áp dụng cho lò sấy nhập nội được cải tiến

Công tác nghiên cứu khoa học về sấy gỗ chưa có được quan tâm đúng mức, mới có một vài đề tài nghiên cứu về phân loại gỗ sấy, kỹ thuật sấy, thiết

kế lò sấy

Năm 1974 Chính phủ yêu cầu trong một thời gian rất ngắn phải chế biến gỗ quỹ (nhóm thượng hạng) của đồng bào chiến sỹ ở miền Nam gửi ra xây dựng Lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh, nhưng công trình phải đảm bảo chất lượng, không được để nứt nẻ và lãng phí gỗ Được giao nhiệm vụ, Viện Công nghiệo rừng đề nghị phải sấy gỗ trong lo chu kỳ tuần hoàn bằng hơi với chế

độ rất mềm Quy trình sấy gỗ lịch sử đó được Hội đồng Khoa học kỹ thuật Nhà nước duyệt và thực hiện có kết quả

Những năm cuối thế kỷ XX đầu thế kỷ XXI, gỗ rừng tự nhiên đã bị kiệt quệ Công nghiệp chế biến gỗ mềm từ rừng tự nhiên và rừng trồng làm vật liệu xây dựng, làm đồ mộc dùng trong nước và nhất là làm hàng xuất khẩu phát triển với quy mô ngày càng lớn, yêu cầu chất lượng ngày càng cao thì công tác nghiên cứu xây dựng các lò sấy gỗ công nghiệp mới trở thành yêu cầu khách quan và cấp bách Thực trạng công tác nghiên cứu về sấy gỗ, các lò sấy gỗ, kỹ thuật và công nghệ sấy gỗ cũng như đội ngũ cán bộ nghiên cứu, giảng dạy, cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành sấy gỗ còn rất thiếu và yếu

Phải nhanh chóng nhận thức được ý nghĩa và tầm quan trọng của khâu sấy gỗ trong sản xuất đồ gỗ dùng trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nước ta,

trong hội nhập kinh tế quốc tế, cạnh trang gay gắt về chất lượng, giá cả hàng hoá Phải nhanh chóng tổ chức lại và đẩy mạnh nghiên cứu khoa học, đào tạo đội ngũ cán bộ, nghiên cứu, giảng dạy, công nhân sản xuất có trình độ đáp ứng yêu cầu của thời đại; đẩy mạnh khâu chế tạo thiết bị lò sấy, máy móc kiểm tra chế độ sấy và lò sấy

1.3 Quá trình truy ền nhiệt truyền chất trong vật liệu sấy

Sấy là quá trình tách ẩm (hơi nước và nước) ra khỏi VLS, trong đó VLS nhận năng lượng để ẩm từ trong lòng VLS dịch chuyển ra bề mặt và đi vào môi trường tác nhân sấy (TNS) Quá trình sấy là quá trình truyền nhiệt truyền chất xảy ra đồng thời Trong lòng VLS là quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm hỗn hợp Trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt VLS với TNS là quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm đối lưu liên hợp Quá trình bên trong VLS chủ yếu chịu ảnh hưởng của dạng liên kết ẩm với cốt khô của vật liệu, quá trình ở bề mặt VLS chủ yếu chịu ảnh hưởng của cơ cấu trao đổi nhiệt ẩm và các thông số của TNS cũng như VLS

Sấy cũng là quá trình công nghệ, trong đó các tính chất công nghệ luôn luôn thay đổi Tính chất công nghệ của vật liệu gồm: tính chất hoá lý, tính chất cơ kết cấu, tính chất sinh hoá…

Quá trình sấy nhằm tăng cường một số đặc tính công nghệ để phục vụ nhiều mục đích khác nhau Khi sấy sản phẩm gốm thì nhằm mục đích làm độ bền của nó tăng lên để tiếp tục gia công; sấy hạt giống thì phải làm tỷ lệ và khả năng nảy mầm cao lên; sấy NSTP thì giữ được hương vị, màu sắc, nguyên tố vi lượng mà tăng được thời gian bảo quản, giảm được giá thành vận chuyển, giảm được thể tích kho bảo quản

Để nghiên cứu về công nghệ sấy, trước hết cần nghiên cứu về các loại vật liệu ẩm, các dạng liên kết và năng lượng liên kết ẩm, các đặc trưng nhiệt

động của vật liệu ẩm, các đặc trưng nhiệt vật lý của vật liệu ẩm, các quá trình truyền nhiệt truyền chất trong vật liệu sấy

1.3.1 Các loại vật liệu ẩm

Vật liệu ẩm là những vật có khẳ năng hấp phụ nước, do đó vật liệu ẩm là những vật có cấu trúc xốp, mao dẫn Tuỳ cấu trúc hang xốp và tính chất của các thành ống mao dẫn người ta chia vật liệu ẩm làm 3 nhóm chính: vật keo, vật xốp mao dẫn và vật keo xốp mao dẫn

Vật keo là vật xốp nhưng đặc tính cơ bản của nó là khi hút ẩm hoặc khử

ẩm kích thước các hang xốp của vật thay đổi, thông thường khi nhận thêm ẩm thì kích thước các hang keo giãn ra và ngược lại khi bị khử ẩm các hang keo

co lại Nói tóm lại vật keo là vật có tính đàn hồi

Vật xốp mao dẫn là vật mà kích thước các hang xốp của nó không thay đổi hay nói chính xác hơn là thay đổi rất ít khi hút ẩm hoặc khử ẩm Than gỗ

là một trong những vật xốp mao dẫn đặc trưng

Vật keo xốp mao dẫn là vật liệu vừa có tính keo vừa có tính mao dẫn Đại bộ phận các vật liệu ẩm thuộc loại này: gỗ, vải, giấy, các nông sản…

1.3.2 Các dạng liên kết và năng lượng liên kết ẩm

Như trên chúng ta đã biết rõ, ẩm có mặt trong vật liệu dưới hai dạng lớn: liên kết hoá-lý và liên kết cơ-lý Trong đó, ẩm liên kết hoá-lý không thể khử được bằng các quá trình sấy mà chỉ có ẩm ở dạng liên kết cơ-lý là có thể tách ẩm nhờ quá trình sấy Vì vậy, ở đây chúng ta không đề cập đến liên kết hoá-lý mà chỉ thảo luận đến các dạng liên kết cơ-lý

1.3.2.1 Liên kết hấp phụ

Liên kết hấp phụ được xem là liên kết của một lớp cỡ phân tử trên các

bề mặt các hang xốp của bề mặt Người ta xem nước hoặc hơi nước liên kết với vật liệu như một hệ liên kết cơ-lý đẳng nhiệt Giả sử pb là phân áp suất

bão hoà của hơi nước tự do ứng với nhiệt độ T và pu là phân áp suất cân bằng của hơi nước trên bề mặt vật liệu có độ chứa ẩm u thì năng lượng liên kết hấp phụ có thể xem bằng công tham gia trong quá trình đẳng nhiệt để dưa hơi nước từ áp suất pu đến áp suất pb Nếu xem hơi nước là khí lý tưởng thì công tham gia của 1 kg hơi nước trong quá trình đẳng nhiệt từ áp suất pu đến pb là:

Mặt khác, phương trình năng lượng Gipse-Hemlhols của hệ viết cho 1

kg hơi nước trong trường hợp này có dạng

∂ ∆

−

∂ là nhiệt lượng tham gia quá trình tách ẩm đẳng nhiệt Tiến hành đạo hàm ∆f theo nhiệt độ T trong điều kiện đằng nhiệt từ (1.2) rồi thay vào (1.3) ta được:

u

p ln

Dễ dàng thấy rằng, ru là nhiệt ẩn hoá hơi của nước liên kết tương ứng với độ chứa ẩm u và rb là nhiệt ẩn hoá hơi của nước tự do Như vậy nhiệt lượng cần thiết để tách ẩm liên kết hấp phụ bằng:

Gần đúng có thể xem trong một khoảng hẹp của nhiệt độ, nhiệt lượng cần thiết để tách ẩm liên kết hấp phụ q không phụ thuộc nhiệt độ, với hệ đẳng nhiệt ta có:

Công thức gần đúng (1.9) cho phép chúng ta tính áp suất cân bằng pu khi biết

áp suất bão hoà pbvà nhiệt lượng cần thiết để tách ẩm hấp phụ q

1.3.2.2 Liên kết mao dẫn

Liên kết mao dẫn là liên kết chủ yếu trong vật liệu ẩm, lực liên kết ở đây là lực mao dẫn xuất phát từ sức căng bề mặt của dịch thể dính ướt Áp suất mao dẫn pmd là hiệu số giữa áp suất trên mặt thoáng p0 và áp suất trên bề mặt các mao quản pr Do đó nếu xem quá trình khử ẩm mao dẫn là quá trình đẳng tích-đẳng nhiệt thì năng lượng liên kết mao dẫn bằng năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết đó và bằng công kỹ thuật nhưng ngược dấu

mặt vật liệu không thay đổi Nói khác đi xem quá trình khử ẩm là quá trình đẳng tích chỉ là gần đúng

Năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết mao dẫn l biểu diễn bởi (1.11) cũng có thể thu được từ (1.2) với giả thiết quá trình khử ẩm mao dẫn là đẳng nhiệt và bỏ qua năng lượng liên kết ẩm lỏng với vách các mao dẫn Khi đó ta có:

Người ta cũng chứng minh được rằng, nếu pu là phân áp suất hơi nước trên bề mặt dung dịch và pb là phân áp suất bão hoà của hơi nước trên bề mặt nước tự do thì đối với dung dịch lý tưởng ta luôn có:

u 00 b

p n p

Khi đó năng lượng liên kết ẩm thẩm thấu có thể tính như là công của hệ khi thực hiện quá trình đẳng nhiệt từ pu đến pb:

u 00

1.3.3 Các đặc trưng nhiệt động của vật liệu ẩm

1.3.3.1 Thế dẫn ẩm

Nghiên cứu thực nghiệm quá trình dẫn nhiệt người ta thấy rằng, dòng nhiệt chỉ có thể truyền từ một vật hay một phần của vật "nóng" hơn sang một vật khác trực tiếp tiếp xúc với nhau hay một phần của vật "lạnh" hơn Từ đó, nhiệt độ được xem là thế dẫn nhiệt Hiện tượng dẫn nhiệt chỉ xảy ra khi và chỉ khi có độ chênh nhiệt độ hay chênh lệch của thế Trên cơ sở khái niệm nhiệt

độ và năng lượng người ta đưa ra khái niệm nhiệt dung riêng Có rất nhiều loại nhiệt dung riêng trong đó nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp được định nghĩa là năng lượng cần thiết dq để đốt nóng hoặc làm nguội 1 kg vật chất nóng lên hoặc lạnh đi dt độ trong điều kiện đẳng áp

p

dq C dt

t

p 0

ẩm chỉ có thể truyền từ vật hay một phần của vật trực tiếp tiếp xúc với nhau

"ẩm" hơn sang một hay một phần khác của vật "khô" hơn Khái niệm "ẩm",

"khô" trong dẫn ẩm tương tự như khái niệm "nóng", "lạnh" trong dẫn nhiệt Nếu nhiệt độ là đại lượng để đo độ "nóng", "lạnh" thì chúng ta có quyền chọn một đại lượng tương tự về mặt nhiệt động như nhiệt độ để đo độ "ẩm", "khô" của vật A.V.Luikov gọi đại lượng này là thế dẫn ẩm và ký hiệu là θ Trong

trường hợp dẫn ẩm đẳng nhiệt, ta có thể xem thế dẫn ẩm θ là một hàm của độ chứa ẩm u hay θ = θ(u) Nếu trong dẫn nhiệt, từ khái niệm nhiệt độ và năng lượng người ta đưa ra khái niệm nhiệt dung riêng thì trong dẫn ẩm chúng ta

có quyền đưa ra khái niệm ẩm dung riêng Cm:

θ

m

du C d

Để đo nhiệt độ theo thang bách phân, người ta chọn nước làm vật mẫu

và nhiệt độ nước đá đang tan là 0 0C và nhiệt độ nước đang sôi là 100 0C ở áp suất 760 mmHg Khi đó nếu nhiệt lượng đo bằng kcal thì nhiệt dung riêng của nước bằng 1 kcal/kg.K, còn khi đo bằng kJ/kg.K thì nhiệt dung riêng của nước bằng 4,186 kJ/kg.K Tương tự, để xây dựng thang đo thế dẫn ẩm A.V.Luikov đề nghị lấy xuenluilôz làm vật mẫu Khi xuenluilôz khô tuyệt đối thế dẫn ẩm bằng 0 0M và khi xuenluilôz có độ chứa ẩm hấp phụ cực đại uhpcđ

ở nhiệt độ t = 25 0C thì thế dẫn ẩm bằng 100 0M Như vậy ẩm dung riêng của xuenluilôz Cmbằng:

hpc m

u C 100

(1.23) Người ta xác định được ở 25 0C xuenluilôz có uhpcđ = 0,277 kg/kg Do

đó ẩm dung riêng của xuenluilôz bằng

0 m

0, 277

100

Như vậy, nếu xem xuenluilôz có độ chứa ẩm u = 0,5 kg/kg thì theo (1.22) thế dẫn ẩm θ của nó bằng:

180 M 0,00277

Cũng như nhiệt dung riêng, ẩm dung riêng cũng được xác định bằng thực nghiệm Bảng 1.2 liệt kê giá trị trung bình của ẩm dung riêng của một số vật liệu ẩm

Bảng 1.2 Ẩm dung riêng trung bình của một số vật liệu ẩm

1.3.4 Các đặc trưng nhiệt vật lý của vật liệu ẩm

1.3.4.1 Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm

Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm được xác định bằng thực nghiệm, có nhiều phương pháp xác định nhiệt dung riêng Tuy nhiên, theo (1.17) để xác định nhiệt dung riêng chúng ta phải xác định năng lượng mà 1 kg vật liệu

nhận được (hoặc nất đi) để nhiệt độ của nó tăng lên (hoặc giảm đi) một lượng

∆t Như vậy, để xác định nhiệt dung riêng chúng ta phải đo được năng lượng

q và độ chênh nhiệt độ ∆t Trong kỹ thuật, nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm được xác định theo nguyên lý trung bình cộng giữa nhiệt dung riêng của vật liệu khô Ck và nhiệt dung riêng của ẩm Ca

Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm là nhiệt dung riêng mà đơn vị vật chất

là 1 kg vật liệu ẩm Ngoài ra người ta còn tính nhiệt dung riêng trên cơ sở 1

kg vật liệu khô Thường gọi là nhiệt dung riêng dẫn xuất Cdx Dễ dàng thấy rằng Cdx được tính theo nhiệt dung riêng vật liệu khô Ck, độ ẩm tuyệt đối ωk

dung riêng nhiều vật liệu ẩm không tuân thủ quy luật này Hơn nữa nó còn phụ thuộc cả vào nhiệt độ Bảng 1.3 cho biết nhiệt dung riêng của một số vật liệu ẩm

Bảng 1.3 Nhiệt dung riêng của một số vật liệu ẩm

3 Khoai tây và các loại củ tương tự C = 1,381 + 0,0281ω

4 Bắp cải và các loại rau tương tự C = 1,387 + 0,028ω

5 Củ cải, cà rốt và các loại củ tương tự C = 1,387 + 0,028ω

1.3.4.2 Hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm nói chung phụ thuộc không những vào bản chất vật khô, độ ẩm của nó mà còn phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc các hang xốp, đường kính các mao quản Hơn nữa, hiện tượng dẫn ẩm từ trong lòng vật liệu và thải vào môi trường cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình dẫn nhiệt mà đặc trưng của nó là hệ số dẫn nhiệt Tuy nhiên, để tính toán trong kỹ thuật chúng ta chỉ quan tâm hệ số dẫn nhiệt tương đương khi đã tính đến cả các ảnh hưởng nói trên cho một vật liệu ẩm cụ thể Vì vậy hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm cũng được xác định trên cơ sở định luật Fourier q = -λgradt

Nếu hệ số dẫn nhiệt của vật liệu khô λk và của nước hoặc hơi nước trong các hang xốp λa đã biết thì hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm có thể tính:

( )

λ λ

λ λ

a k k k

+

Khi chúng ta sử dụng các công thức này để xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu xốp ngoài λk, λa chúng ta còn phải biết cấu trúc của nó (Vk, Va, ψ) Vì vậy, các công thức trên cũng rất khó sử dụng trong thực tế, Hơn nữa , đối với mỗi một vật liệu ẩm cụ thể thì hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào

độ ẩm và nhiệt độ Do đó trong kỹ thuật, khi tính đến ảnh hưởng này chúng ta

có thể sử dụng công thức thực nghiệm sau: Ví dụ như lúa mỳ và các hạt ngũ cốc

λ = 0,070 + 0,0233ωk W/m.K (1.33)

Hệ số dẫn nhiệt cũng như các thông số vật lý khác phụ thuộc vào nhiệt

độ và độ ẩm

1.3.4.3 Hệ số dẫn nhiệt độ

Hệ số dẫn nhiệt độ a có thể xác định theo 2 phương pháp Nếu biết hệ

số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và mật độ của vật liệu thì hệ số dẫn nhiệt độ a được xác định theo công thức định nghĩa:

λ ρ

a C

1.3.5 Quá trình truy ền nhiệt truyền chất trong vật liệu sấy

Quá trình sấy là quá trình vật liệu nhận năng lượng mà chủ yếu là nhiệt năng từ một nguồn nhiệt nằo đó để ẩm từ trong lòng vật dịch chuyển ra bề mặt và đi vào tác nhân sấy hay môi trường Như vậy, quá trình sấy là quá trình truyền nhiệt và truyền chất xảy ra đồng thời Trong lòng vật, quá trình

đó là quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm hỗn hợp trao đổi nhiệt-ẩm giữa bề mặt với môi trường hay tác nhân sấy là quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm đối lưu liên hợp Như vậy, có thể thấy bài toán truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy gồm bài toán truyền nhiệt truyền chất bên trong và bài toán truyền nhiệt truyền chất bên ngoài vật liệu sấy

1.3.5.1 §Þnh luËt fourier vÒ dÉn nhiÖt

Năm 1882 Fourier đưa ra một định luật thực nghiệm mang tên ông liên hệ giữa dòng nhiệt J1,

w

2 và Gradient nhiệt độ Năm 1931, khi nghiên cứu các hiện tượng dịch chuyển, Onsager đã đưa ra một quan hệ tổng quát hơn liên hệ giữa dòng (dòng nhiệt, dòng vật chất, v.v…) với tất cả các lực nhiệt động có mặt trong hiện tượng dịch chuyển liên hợp đó Liên hệ giữa định luật Fourier và quan hệ tuyến tính Onsager ta đã thảo luận trong phần trước

Định luật Fourier dạng (1.35) đã quen thuộc trong các giáo trình cơ sở

về truyền nhiệt Ở đây ta sẽ giới thiệu định luật Fourier cho những vật không đẳng hướng

Như trong [15] đã chỉ rõ, đối với vật không đẳng hướng, tại một điểm của một bề mặt đẳng nhiệt có gradient nhiệt độ thì do không đẳng hướng nên tồn tại một dòng nhiệt cực đại và cực tiểu Tổng các vecter của hai dòng nhiệt này, trong trường hợp tổng quát cũng không đồng phương với gradient nhiệt

độ Do đó định luật Fourier trong trường hợp không đẳng hướng được viết dưới dạng

t x

Trong (1.36) Jli, (i = 1,3) tương ứng là dòng nhiệt theo ba chiều x, y, z λ j(i, j

= 1, 3) là các thành phần của tenxơ dẫn nhiệt Rõ ràng quan hệ (1.36) có thể xem như là ảnh của các dòng lên trục toạ độ có tính đến hiệu ứng chéo Hiệu ứng chéo là ảnh hưởng chẳng hạn của dòng nhiệt theo trục x của vật không đẳng hướng gây nên sự thay đổi nhiệt độ theo chiều y, z và ngược lại Với quan điểm này có thể xem λ j(i ≠ 0, j=1,3) thoả mãn quan hệ đối xứng Onsager và như vậy:

Như vậy, tenxơ dẫn nhiệt có thể xem là tenxơ đối xứng

Nếu ký hiệu J1, ∇t và λ bởi các ma trận tương ứng

J J

t x

1.3.5.2 §Þnh luËt fich vÒ khuÕch t¸n

Tương ứng như dẫn nhiệt dòng khuếch tán trong môi trường đẳng

hướng có dạng

J21 = - (D11

z

C D y

C D x

C

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

13

J22 = - (D21

z

C D y

C D x

C

∂

∂ +

∂

∂ +

C D x

C

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

33

Trong (1.42) J2i (i = 1, 3) tương ứng là dòng khuếch tán theo ba chiều

x, y, z Dij (ij = 1, 3) là các thành phần của tenxơ khuếch tán, C là nồng độ của vật chất khuếch tán Cũng như dẫn nhiệt, nếu xem tenxơ khuếch tán thoả mãn quan hệ tương hỗ Onsager thì các hệ số chéo từng đôi một bằng nhau nghĩa là:

Dij = Dji, (i,j = 1,3, i≠ j) (1.43) Hơn nữa, nếu bỏ qua các ảnh hưởng chéo thì (1.42) sẽ lấy dạng

Ở đây ta sử dụng ký hiệu x1 = x, x2 = y, x3 = z

Nếu bỏ qua các ảnh hướng chéo, nghĩa là λ j= 0 khi i ≠ j(i, j = 1, 3) thì

phương trình (1.46) có dạng:

τ ρ λ

y

t y

Rõ ràng, đối với việc dẫn đẳng hướng λ 11 = λ 22 = λ 33 = λ , từ phương trình (1.47) ta được

τ ρ λ

t y x

t

Cuối cùng, nếu hộ số dẫn nhiệt λ không phụ thuộc vào x, y, z Thì phương trình (1.48) trở thành phương trình dẫn nhiệt tuyến tính quen thuộc trong các giáo trình truyền nhiệt cơ sở

t y

t x

2 2 2

2 2

Với vật dạng hình trụ một chiều thì (1.49) có dạng:

2

1 2

Đương nhiên, khi không có nguồn nhiệt phương trình (1.49) trở thành

phương trình đơn giản sau:

Nếu trường nhiệt độ là ổn định, nghĩa là ∂ /t ∂ τ = 0 thì phương trình dẫn nhiệt (1.51) trở thành phương trình Laplace

= +

j

x

t x

t x y t x z

∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ và ∂ / 2t ∂y∂z để đưa biểu thức (1.54) về dạng div λ ∂∂ = ∂∂ξ λ ∂∂ξ + ∂∂η λ ∂∂η+ ∂∂ς λ ∂∂ς 

t t

t x

ς

Tương ứng với (1.55) và (1.56) phương trình dẫn nhiệt của vật không đẳng

hướng (1.46) có dạng phi tuyến

cρ ∂∂τt = ∂∂ξ λ11∂∂ξt +∂∂η λ22 ∂∂ηt + ∂∂ς λ33∂∂ςt +q1 (1.57)

và tuyến tính

c 2 1

2 33 2 2 22 2 2

để đưa phương trình (1.46) v ề dạng (1.57) Tuy nhiên, nếu bỏ qua các ảnh

hưởng chéo, nghĩa là xem λ j(i≠j, i,j=1,3) trong (1.1) bằng không thì toạ độ mới (ξ,ς,η) khi đó phải đồng nhất với toạ độ ban đầu (x, y, z)

Và phương trình (1.57) lấy trở lại dạng (1.58) Đồng thời với điều kiện λ j

(i≠j) = 0 và λ j (i = j) là hằng số thì phương trình tuyến tính của vật dẫn không đẳng hướng (1.12) lấy lại dạng bình thường trong toạ độ (x, y, z), nghĩa

là

1 2 2 33 2 2 22 2 2

z

t y

t x

t t

q Z

t Y

t X

t c

λ τ

2 2 2 2

1 2

phương trình (1.49) chỉ là hàm số của thời gian, nghĩa là:

) ( τ λ

Khi đó, ta đặt biến số thời gian τ 'xác định bởi:

' ( )

d c

( ∇ + 1 =

Nếu λ = λ (x, y, z) thì khi đặt

Ta dễ dàng đưa phương trình (1.67) về dạng

0 )

Thực hiện các phép biến đổi cần thiết dễ dàng đưa (1.70) về dạng tuyến tính đối với thế Khiêckhốp

G a