Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
187
CHƯƠNG 7: QUÁ TRÌNH SẤY
I. Khái niệm chung:
1. Các phương pháp làm khô vật liệu:
Để tách ẩm ra khỏi vật liệu rắn hay d...
188
* Sấy tự nhiên: tiến hành bay hơi bằng năng lượng tự nhiên như năng
lượng mặt trời, năng lượng gió, ...(gọi là quá trì...
189
trình là sự chênh lệch độ ẩm ở trong lòng vật liệu và bên trên bề mặt vật liệu.
Quá trình khuyếch tán chuyển pha này c...
190
Độ ẩm tuyệt đối của không khí là lượng hơi nước chứa trong 1m3
không khí ẩm, về trị số thì bằng khối lượng riêng của h...
191
và
RT
MP hh
h =ρ ;
RT
MP bhbh
bh =ρ
với Mh = Mbh = 18kg/kmol (khối lượng mol của hơi nước)
suy ra:
bh
h
bh
h
P
P
==
ρ
...
192
mà bhh
bh
h
PP
P
P
ϕϕ =⇒= ; thay các giá trị vào phương trình (7.4) ta có:
bh
bh
PP
P
x
ϕ
ϕ
−
= 622,0 (7.5)
4. Nhiệt l...
193
Nếu tiếp tục giảm nhiệt độ của khí thì trong hỗn hợp khí bắt đầu xuất hiện
những giọt sương mù do hơi nước trong hỗn h...
194
Còn x và P trong phương trình trên tai sao vẫn là giá trị của hỗn hợp
không khí ẩm ở trngj thái ban đầu mà ta đang xét...
195
Muốn đo nhiệt độ bầu ướt ta dùng ẩm kế. Ta cũng có thể dùng một
nhiệt kế thường có bọc vải ướt, một đầu của vải ướt đư...
196
P0, P: áp suất chung của hỗn hợp không khí ẩm tương ứng với T0, T
T0, T:nhiệt độ của không khí ở điều kiện chuẩn và đi...
197
Ứng với mỗi giá trị nhất định của nhiệt độ (t = const), ta cho vài giá
trị x, ta tính được các giá trị I tương ứng. Kh...
198
745mmHg) thì các đường ϕ = const gần như song song với đường x = const
vì ở nhiệt độ này thì Pbh = Pch = 745mmHg (vì k...
199
Trạng thái không khí ẩm được đặc trưng bằng bốn thông số trạng thái
cơ bản là t0
, ϕ, x, I. Nếu dùng đồ thị I-x ta chỉ...
200
Ví dụ:
Xác định trạng thái của không khí ẩm khi biết t = 500
C, và hàm ẩm
x=0,05kg/kg kkk tại điểm A (hình 7.2), từ đó...
201
chính là nhiệt độ điểm sương ts của trạng thái không khí ẩm A, hay tổng quát
là mọi trạng thái của không khí ẩm có x =...
202
là nhiệt độ bầu ướt tư của A (xA,IA), hay tổng quát là nhiệt độ bầu ướt của
mọi trạng thái không khí có nhiệt hàm IA =...
203
%100×=
k
am
td
G
G
W (7.13)
Lượng vật liệu khô tuyệt đối coi như không bị mất mát trong quá trình
sấy. Bởi vậy, người ...
204
2
1
12
100
100
W
W
GG
−
−
= (7.19)
Thường thì mục đích của việc thành lập phương trình cân bằng vật
liệu để xác định l...
205
12x
1
W x
L
l
−
== (kg kkk/kg ẩm bay hơi) (7.25)
Khi qua calorife sưởi không khí chỉ thay đổi nhiệt độ mà không thay
đ...
206
(J/kg.0
C), nhiệt độ lúc đầu và lúc cuối của quá trình sấy bộ phận vận chuyển
là tvc1 và tvc2 (0
C).
Nhiệt lượng tiêu ...
207
Đặt: Qvl = G2Cvl(tvl2 - tvl1): nhiệt lượng đun nóng vật liệu sấy.
Qvc = GvcCvc(tvc2 - tvc1): nhiệt lượng đun nóng bộ p...
208
Vậy: vl1n02 tC-q)I-(Iq ∑+=+= lqq bss (7.31)
Suy ra nhiệt lượng tiêu hao chung ở calorifer chính:
bss qlq −+= ∑ vl1n02 ...
209
từ I0 đến I1. Vậy, nhiệt lượng tiêu tốn chung ở calorifer chính qs có thể tính
theo phương trình sau:
)I-(I 01lqs = (7...
210
sấy, nhiệt độ này là nhiệt độ cho phép của vật liệu sấy và cũng biết trước).
Vậy điểm B (t1,x1=x0) là đặc trưng cho tr...
211
Đường gấp khúc ABC là đường biểu diễn quá trình sấy lí thuyết gồm
hai giai đoạn là sưởi nóng không khí trong calorifer...
212
Điều này có nghĩa là lượng nhiệt do không khí cung cấp cho vật liệu
để làm cho ẩm bay hơi là nhỏ hơn lượng nhiệt do lư...
213
Với:
____
ef : khoảng cách đoạn thẳng nằm ngang từ điểm e đến dường thẳng
AB (x0=x1=const)
xm
m
M 1
= : tỷ lệ xích của...
214
Công thức (7.45)
M
efeE
∆
=
________
còn được chứng minh như sau:
Trên (hình 7.7) ta thấy:
Be
BK
eE
KC
KBCBEe =⇒∆≈∆ 1
...
215
và từ phương trình (7.38): )I-(I 01lqs =
Suy ra:
12
12 0)I-(I
II
l
<⇒
<=∆
(vì l > 0)
Điều này có nghĩa là lượng nhiệt ...
216
2.3. Lượng nhiệt bổ sung chung bằng lượng nhiệt tổn thất chung:
Trường hợp máy sấy thực lý thuyết thõa mãn điều kiện n...
217
Trong phương này ta bỏ qua lượng nhiệt nvl Ct .q 1−∑ tức là coi như
nhiệt lượng do nước trong vật liệu mang vào ( nvl ...
218
sấy, tác nhân sấy được tiếp tục đun nóng để đảm bảo trạng thái cuối cùng
của tác nhân sấy là C. Đường AB’
C biểu diễn ...
219
4/ Ứng với điểm A thì đường AC biểu diễn quá trình sấy không có
calorifer sưởi (qs = 0). Toàn bộ nhiệt lượng cần thiết...
220
Đối với mọi vật liệu ẩm đều có khả năng hút ẩm từ môi trường xung
quanh hoặc ngược lại có thể thoát ẩm từ vật liệu ra ...
221
vật liệu giảm từ Wh đến Wcb thì trong vật liệu chứa ẩm liên kết (pvl < pbh) và
vật liệu ở trạng thái có khả năng hút ẩ...
222
- Liên kết hóa học thì năng lượng liên kết rất lớn. Bởi vậy với năng
lượng nhiệt của quá trình sấy không đủ để tách lo...
223
- Ẩm liên kết thì ngược lại có pvl < pbh. Năng lượng liên kết loại ẩm
này với vật liệu tương đối lớn, với năng lượng n...
224
- Khuyếch tán ẩm từ trong lòng vật liệu lên bề mặt vật liệu gọi là
khuyếch tán trong. Tốc độ của giai đoạn này phụ thu...
225
gian cuối. Do vậy ta không thể dùng trực tiếp công thức trên để tính tốc độ
sấy chung được.
Quan hệ giữa độ ẩm của vật...
226
Trường hợp chung, đường cong sấy bao gồm một số đoạn tương ứng
với các giai đoạn khác nhau của quá trình sấy.
Trên hìn...
227
ngoài như nhiệt độ, tốc độ và độ ẩm của khhong khí sấy. Do vậy muốn tăng
tốc độ sấy cho giai đoạn này thì ta phải thay...
228
Trong giai đoạn này tốc độ sấy là không đổi, lượng ẩm chủ yếu bốc
hơi từ bề mặt tự do của vật liệu sấy. Lượng ẩm bay h...
229
t - θ : chênh lệch nhiệt độ của không khí sấy với nhiệt độ bề
mặt vật liệu
pbh - ph: chênh lệch áp suất hơi bão hòa vớ...
230
Ka: hệ số dẫn ẩm (tương tự như hệ số cấp nhiệt α) phụ thuộc vào dạng
liên kết ẩm, hầm ẩm, nhiệt độ sấy, ... và được xá...
231
W -Wcb: biểu diễn động lực lúc cuối của giai đoạn I, và tại điểm C có
một giá trị tới hạn xác định bằng Wth1.
Vậy ta t...
232
∫∫ −
−=
2
1
2
0
W
W cb
td
c
k
th
WW
dW
FK
G
d
τ
τ (7.65)
Giải phương trình (7.64) ta được:
cb
th
c
k
WW
WW
FK
G
−
−
=
...
233
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Chuong7

57,760 views

Published on

  • Login to see the comments

Chuong7

  1. 1. 187 CHƯƠNG 7: QUÁ TRÌNH SẤY I. Khái niệm chung: 1. Các phương pháp làm khô vật liệu: Để tách ẩm ra khỏi vật liệu rắn hay dung dịch là một quá trình kỹ thuật rất phổ biến trong và rất quan trọng trong niều ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành công nghiệp hóa chất và thực phẩm. Trong công nghiệp người ta sử dụng các phương pháp sau: - Phương pháp cơ học: dùng các máy ép, máy lọc, máy li tâm,... để tách nước. Phương pháp được dùng khi không cần tách nước triệt để mà chỉ cần làm khô sơ bộ, khi lượng nước trong vật liệu rất lớn. - Phương pháp hóa lí: là dùng hóa chất có tính hút nước cao để tách ẩm ra khỏi vật liệu. Phương pháp này tách khá triệt để lượng nước có trong vật liệu, nhưng đắt tiền và phức tạp. Do vậy, phương pháp này được dùng chủ yếu để tách ẩm trong hỗn hợp khí để bảo quản máy móc, thiết bị. Các hóa chất được dùng như CaCl2 khan, H2SO4 đậm đặc, silicagen, ... - Phương pháp nhiệt: dùng nhiệt năng để làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp và trong đời sống. Vì vậy, trong chương này chỉ đề cập đến phương pháp tách ẩm theo phương pháp sấy. 2. Định nghĩa: Sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi nước ra khỏi vật liệu rắn hay lỏng. Với mục đích giảm bớt khối lượng vật liệu (giảm công chuyên chở chẳng hạn), tăng độ bền vật liệu (như vật liệu gốm, sứ, gỗ, ...), bảo quản tốt trong một thời gian dài, nhất là đối với lương thực, thực phẩm. 3. Phân loại: Quá trình sấy bao gồm hai phương thức
  2. 2. 188 * Sấy tự nhiên: tiến hành bay hơi bằng năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, ...(gọi là quá trình phơi hay sấy tự nhiên). Phương pháp này đỡ tốn nhiệt năng, nhưng không chủ động điều chỉnh được vận tốc của quá trình theo yêu cầu kỹ thuật, năng suất thấp, ... * Sấy nhân tạo: thường được tiến hành trong các loại thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho các vật liệu ẩm. Sấy nhân tạo có nhiều dạng, tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà trong kỹ thuật sấy có thể chia ra nhiều dạng: 1/ Sấy đối lưu: là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với tác nhân sấy là không khí nóng, khói lò, ... 2/ Sấy tiếp xúc: là phương pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một vách ngăn. 3/ Sấy bằng tia hồng ngoại: là phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vật liệu sấy. 4/ Sấy bằng dòng điện cao tần: là phương pháp sấy dùng năng lượng điện trường có tần số cao để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu 5/ Sấy thăng hoa: là phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không rất cao, nhiệt độ rất thấp, nên ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ trạng thái rắn thành hơi không qua trạng thái lỏng. Ba phương pháp sấy cuối ít được sử dụng trong công nghiệp, nên gọi chung là phương pháp sấy đặc biệt. 4. Nguyên lí của quá trình sấy: Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn rất phức tạp vì nó bao gồm cả quá trình khuyếch tán bên trong và cả bên ngoài vật liệu rắn đồng thời với quá trình truyền nhiệt. Đây là một quá trình nối tiếp, nghĩa là quá trình chuyển lượng nước trong vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi, sau đó tách pha hơi ra khỏi vật liệu ban đầu. Động lực của quá
  3. 3. 189 trình là sự chênh lệch độ ẩm ở trong lòng vật liệu và bên trên bề mặt vật liệu. Quá trình khuyếch tán chuyển pha này chỉ xảy ra khi áp suất hơi trên bề mặt vật liệu lớn hơn áp suất suất riêng phần của hơi nước trong môi trường không khí chung quanh. Vận tốc của toàn bộ quá trình được qui định bởi giai đoạn nào chậm nhất. Ngoài ra tùy theo phương pháp sấy mà nhiệt độ là yếu tố thúc đẩy hoặc cản trở quá trình di chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt vật liệu sấy. Trong các quá trình sấy thì môi trường không khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng rất lớn và trực tiếp đến vận tốc sấy. Do vậy cần nghiên cứu tính chất và các thông số cơ bản của không khí ẩm. Tóm lại nghiên cứu quá trình sấy thì phải nghiên cứu hai mặt của quá trình sấy: • Mặt tĩnh lực học: tức dựa vào cân bằng vật liệu và cân nhiệt lượng ta sẽ tìm được mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy và của tác nhân sấy để từ đó xác định được thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy và lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy. • Mặt động lực học: tức là nghiên cứu mối quan hệ giữa sự biến thiên của độ ẩm vật liệu với thời gian sấy và các thông số của quá trình như: tính chất, cấu trúc, kích thước của vật liệu sấy và các điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy để từ đo xác định được chế độ sấy, tốc độ sấy và thời gian sấy thích hợp. II. Các thông số cơ bản của không khí ẩm: Một hỗn hợp gồm không khí và hơi nước được gọi là hỗn hợp không khí ẩm , được đặc trưng bởi các thông số cơ bản sau. 1. Độ ẩm tuyệt đối của không khí (ρh):
  4. 4. 190 Độ ẩm tuyệt đối của không khí là lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí ẩm, về trị số thì bằng khối lượng riêng của hơi nước ở trong hỗn hợp không khí ẩm, kí hiệu là ρh có thứ nguyên là kg/m3 . Chú ý: - Về ý nghĩa vật lí thì độ ẩm tuyệt đối khác với khối lượng riêng. Độ ẩm chỉ mức độ ẩm ướt của không khí, còn khối lượng riêng là khối lượng của 1m3 không khí ẩm. - Trong tính toán kỹ thuật có thể coi hỗn hợp không khí ẩm tuân theo các định luật của khí lí tưởng. 2. Độ ẩm tương đối của không khí (ϕ): Độ ẩm tương đối của không khí hay còn gọi là mức độ bão hòa hơi nước là tỷ số giữa lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí ẩm với lượng hơi nước trong 1m3 không khí ẩm đó đã bão hòa hơi nước ở cùng một nhiệt độ và áp suất, kí hiệu là ϕ. bh h ρ ρ ϕ = (7.1) ρh: khối lượng hơi nước trong 1m3 không khí ẩm (kg/m3 ) ρbh: khối lượng hơi nước trong 1m3 không khí bão hòa hơi nước (kg/m3 ) ph: áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp không khí ẩm ở điều kiện đang xét (N/m2 ) pbh: áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp không khí ẩm đã bão hòa hơi nước (N/m2 ) Nếu coi hỗn hợp kihông khí tuân theo định luật khí lí tưởng nên: RT PM V m RT M m PV ==⇒= ρ
  5. 5. 191 và RT MP hh h =ρ ; RT MP bhbh bh =ρ với Mh = Mbh = 18kg/kmol (khối lượng mol của hơi nước) suy ra: bh h bh h P P == ρ ρ ϕ (7.2) Vậy độ ẩm tương đối của không khí ẩm là tỷ số giữa áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp không khí ẩm với áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp không khí ẩm đã bão hòa hơi nước ở cùng một nhiệt độ. Nếu lượng hơi trong hỗn hợp không khí ẩm tăng lên đến khi bão hòa, khi đó ta có: ph = pbh hay max1 ϕϕ == 3. Hàm ẩm của không khí ẩm (x): Trong quá trình sấy lượng không khí khô tuyệt đối là không thay đổi. Để đánh giá chính xác sự thay đổi độ ẩm của không khí, người ta đưa ra khái niệm hàm ẩm x. Đó chính là lượng hơi nước chứa trong 1kg không khí khô (kkk) tuyệt đối. kkk h x ρ ρ = (kg hơi nước/kg kkk) (7.3) vì RT MP hh h =ρ ; RT MP kkkkkk kkk =ρ trong đó: Mh = 18kg/kmol; Mbh =29kg/kmol 622,0 29 18 ==⇒ kkk h M M Pkkk: áp suất riêng phần của không khí khô tuyệt đối Suy ra: kkk h P P x 622,0= (7.4) Mặt khác hỗn hợp không khí ẩm gồm hơi nước và lượng không khí khô tuyệt đối, nên theo định luật Dalton ta có: hkkkkkkhchung PPPPPP −=⇒+=
  6. 6. 192 mà bhh bh h PP P P ϕϕ =⇒= ; thay các giá trị vào phương trình (7.4) ta có: bh bh PP P x ϕ ϕ − = 622,0 (7.5) 4. Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm: (entalpi của không khí ẩm) Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm là tổng nhiệt lượng của không khí khô và của hơi nước trong hỗn hợp ở một nhiệt độ đã cho nào đó: I = Ckkk.t + x.ih (J/kgkkk) (7.6) Trong đó: I: nhiệt lượng riêng của không khí ẩm có hàm ẩm x; Ckkk: nhiệt dung riêng của không khí khô (J/kg.độ); trong quá trình sấy để đơn giản, người ta cháp nhận Ckkk = 1000 (J/kg.độ) t: nhiệt độ của không khí ẩm (0 C); ih: nhiệt lượng riêng của hơi nước ở nhiệt độ t (J/kg); ih được xác định theo công thức thực nghiệm: 3 0 10)..97,12493(. ttCri hh +=+= (J/kg) với r0: nhiệt lượng riêng của hơi nước ở 00 C, r0 = 2493.103 (J/kg); Ch: nhiệt dung riêng của hơi nước, Ch = 1,97.103 (J/kg.độ); Thay tất cả các giá trị vào (7.6) ta có: I =1000.t +( 2493 +1,97.t).103 .x (J/kgkkk) (7.7) I =(1000 +1,97.103 .x).t + 2493.103 .x (J/kgkkk) Đại lượng (1000 +1,97.103 .x)= Ckkk + Ch là nhiệt dung riêng của không khí ẩm khi hàm ẩm là x. 5. Điểm sương (ts): Giả sử có hỗn hợp không khí ẩm chưa bão hòa hơi nước. Làm lạnh hỗn hợp này trong điều kiện x = const (tức lượng hơi nước trong hỗn hợp không khí không tăng, không giảm) thì nhiệt độ của khối khí giảm dần, độ ẩm tương đối của không khí tăng dần đến trạng thái bão hòa hơi nước (ϕ=1).
  7. 7. 193 Nếu tiếp tục giảm nhiệt độ của khí thì trong hỗn hợp khí bắt đầu xuất hiện những giọt sương mù do hơi nước trong hỗn hợp khí ngưng tụ lại. Như vậy lượng hơi nước có trong hỗn hợp bị giảm tức là hàm ẩm x của hỗn hợp khí bắt đầu giảm. Ta gọi nhiệt độ của hỗn hợp khí tương ứng với trạng thái bão hòa hơi nước gọi là nhiệt độ điểm sương, kí hiệu ts. Vậy điểm sương là giới hạn của quá trình làm lạnh không khí ẩm trong điều kiện hàm ẩm x = const. Nếu ta có một hỗn hợp không khí ẩm ở một trạng thái bất kì nào đó được đặc trưng bằng giá trị của hàm ẩm x và áp suất P chung của hỗn hợp ở trạng thái đó, thì ta có thể xác định được điểm sương của hỗn hợp bằng cách tính toán dựa vào phương trình: bh bh PP P x ϕ ϕ − = 622,0 và ở ts ta có ϕ = 1 ⇒ bh bh PP P x − = 622,0 Từ đó rút ra: x Px Pbh + = 622,0 . Biết được giá trị của áp suất hơi bão hòa Pbh (tương ứng với áp suất ở trạng thái điểm sương) tra bảng “áp suất hơi bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ” sẽ tìm được nhiệt độ của nước, nhiệt độ này chính là nhiệt độ của điểm sương. Ngoài ra trong tính toán kỹ thuật người ta thường xác định nhiệt độ điểm sương bằng đồ thị I-x sẽ được trình bày sau. Giải thích hiện tượng trên: ta có bh h P P =ϕ , khi nhiệt độ giảm thì Pbh giảm, còn do x = const nên Ph = const. Pbh giảm đến Pbh = Ph và ϕ = 1. Tiếp tục làm lạnh thì Pbh < Ph và để giữ cho ϕ = 1thì Ph cũng phải giảm theo làm cho hơi nước ngưng tụ lại, tức là làm cho x giảm.
  8. 8. 194 Còn x và P trong phương trình trên tai sao vẫn là giá trị của hỗn hợp không khí ẩm ở trngj thái ban đầu mà ta đang xét ở ts? Giải thích: theo định nghĩa điểm sương ta có x = const, còn P = Pkkk + Ph Qua quá trình làm lạnh vì x = const nên lượng hơi nước cũng không giảm cũng không tăng nên Ph = const và Pkkk thì không đổi. Do vậy P chung từ đầu đến cuối vẫn không thay đổi. Vậy hai giá trị x và P của hỗn hợp không khí ẩm ban đầu vẫn được giữ nguyên giá trị cho đến lúc hốn hợp đạt đến trạng thái điểm sương. 6. Nhiệt độ bầu ướt (tư): Nếu ta cho nước (gọi là lưu thể thư nhất, có nhiệt độ thấp) bay hơi trong khối không khí chưa bão hòa hơi nước (gọi là lưu thể thứ hai, có nhiệt độ cao hơn) trong điều kiện đoạn nhiệt (I = const), nghĩa là quá trình bay hơi nước chỉ xảy ra do nhiệt của không khí cung cấp, ta không cấp thêm nhiệt cũng không lấy bớt nhiệt đi. Do có sự bay hơi nước vào không khí nên hàm ẩm x của không khí tăng dần lên và nhiệt độ của không khí giảm dần và nhiệt độ của nước cũng tăng dần. Quá trình bay hơi nước vào không khí như vậy cứ tiếp diễn cho đến khi không khí bão hòa hơi nước thì nước sẽ ngừng bay hơi, nhiệt độ của không khí cũng không giảm xuống nữa và bằng nhiệt độ của nước bay hơi. Nhiệt độ này gọi là nhiệt độ bầu ướt, kí hiệu tư. Vậy nhiệt độ bầu ướt là một thông số đặc trưng cho khả năng cấp nhiệt của không khí để làm bay hơi nước cho đến khi không khí bão hòa hơi nước trong điều kiện đoạn nhiệt I = const. Nhiệt độ đọc được ở nhiệt kế thường gọi là nhiệt độ bầu khô. Hiệu số giữa nhiệt độ bầu khô và nhiệt độ bầu ướt là đặc trung cho khả năng hút ẩm của không, người ta gọi là thế sấy ε: ε = t -tư t: nhiệt độ của không khí (nhiệt độ bầu khô)
  9. 9. 195 Muốn đo nhiệt độ bầu ướt ta dùng ẩm kế. Ta cũng có thể dùng một nhiệt kế thường có bọc vải ướt, một đầu của vải ướt được nhúng trong nước để tạo ra môi trường không khí chung quanh bầu thủy ngân có ϕ = 100%. Chú ý: cần phân biệt khả năng cấp nhiệt của không khí để làm bay hơi nước và khả năng hút ẩm của không khí. Hai khái niệm này khác nhau. + Khả năng cấp nhiệt chỉ được biểu thị qua một giá trị tư mà thôi, còn khả năng hút ẩm luôn luôn được biểu thị qua giá trị ε = t -tư + Khả năng cấp nhiệt không biểu thị lượng ẩm mà không khí sẽ hút được trong cuối quá trình vì không xác định được hàm ẩm ban đầu của hỗn hợp khí. Trong quá trình sấy khả năng cấp nhiệt cũng không thể hiện một điều gì quan trọng đặc biệt cho lắm. Do đó trong một số giáo trình khả năng cấp nhiệt không đề cập đến. Còn khả năng hút ẩm biểu thị qua thế sấy ε lại thể hiện một giá trị quan trọng vì qua đó ta sẽ biết được lượng ẩm mà không khí hút được của vật liệu là bao nhiêu. 7. Thể tích không khí ẩm (V): Thể tích không khí ẩm tính theo 1kg không khí khô được xác định theo công thức: bhPP RT V .ϕ− = (m3 /kgkkk) (7.8) R: hằng số khí, với không khí R= 287 J/kg.0 K; hay R= 8,314 J/mol.0 K 8. Khối lượng riêng của hỗn hợp không khí ẩm (ρ): Khối lượng riêng của hỗn hợp không khí ẩm bằng tổng khối lượng riêng của không khí khô và khối lượng riêng của hơi nước ở cùng một nhiệt độ: hkkk ρρρ += (kg/m3 ) Hay ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= P P TP PT bhϕ ρρ 378,0 1 0 10 0 (7.9) ρ0: khối lượng riêng của không khí ở điều kiện chuẩn.
  10. 10. 196 P0, P: áp suất chung của hỗn hợp không khí ẩm tương ứng với T0, T T0, T:nhiệt độ của không khí ở điều kiện chuẩn và điều kiện làm việc. III. Đồ thị I-x của không khí ẩm: Trong tính toán quá trình sấy người ta có thể dùng hai phương pháp: phương pháp giải tích (phúc tạp) và phương pháp đồ thị I-x (đơn giản hơn nhiều). Do vậy sử dụng dụng I-x của L. K. Ramzin (1918) (một số tài liệu nói là là biểu đồ Mollier) xây dựng nên để tính toán quá trình sấy, tức là xác định trạng thái của không khí ẩm ở một thời điểm nào đó của quá trình sấy. 1. Nguyên tắc thành lập đồ thị I-x: Đồ thị được thành lập ở áp suất khí quyển bằng 745mmHg,. Hai trục chính của đồ thị là trục hoành biểu diễn hàm ẩm x, trục tung biểu diễn nhiệt hàm I (nhiệt lượng riêng), góc giữa hai trục chính của đồ thị là 1350 . Cấu tạo như vậy để dễ sử dụng mà thôi. Các đường đẳng x là các đường thẳng đứng song song với trục tung (chú ý rằng trên đồ thị chỉ vẽ trục phụ vuông góc với trục tung, hàm ẩm x biểu diễn trên trục phụ chứ không phải trên trục chính. Trục chính x thường không vẽ), còn các đường đẳng I là các đường xiên song song với trục hoành chính. Ngoài hai trục chính kể trên, trên đồ thị còn có các đường đẳng nhiệt độ (t0 = const), đường độ ẩm tương đối không đổi (ϕ = const) và đường áp suất hơi riêng phần. 1.1. Đường đẳng nhiệt độ (t= const): Biểu diễn sự phụ thuộc của I vào x khi t = const, nghĩa là I = f(x) khi t= const. Đường đẳng nhiệt độ (t = const) được vẽ từ phương trình: I =1000.t + (2493 +1,97.t).103 .x bằng cách cho các giá trị nhiệt độ t= const.
  11. 11. 197 Ứng với mỗi giá trị nhất định của nhiệt độ (t = const), ta cho vài giá trị x, ta tính được các giá trị I tương ứng. Khi t = const thì phương trình trên có dạng đường thẳng: I = ax + b với a = tgα = ( 2493 +1,97.t).103 và b = 1000.t Độ dốc của đường đẳng nhiệt độ tgα = ( 2493 +1,97.t).103 tăng khi nhiệt độ tăng. Chú ý: hệ số góc a = tgα là đối với trục phụ x chứ không phải trục chính. Nếu trục chính I và x tạo với nhau một góc 900 , thì khi đó các đường đường đẳng I // ox và các đường đẳng nhiệt độ cũng gần // ox sẽ có sự trùng lặp, khó phân biệt hai đường đẳng I và đẳng t. Điều này sẽ không thuận lợi. 1.2. Đường đẳng ϕ : Biểu diễn sự phụ thuộc của x là một hàm của áp suất hơi bão hòa Pbh ở điều kiện ϕ = const: x = f(Pbh) Đường đẳng ϕ = const được vẽ từ phương trình: bh bh PP P x ϕ ϕ − = 622,0 bằng cách cứ ứng với mỗi giá trị của ϕ ta lấy vài giá trị nhiệt độ t, rồi tra bảng các số liệu về hơi nước ta sẽ được các giá trị tương ứng với áp suất hơi bão hòa Pbh ở các nhiệt độ đó và theo phương trình trên ta tính được giá trị x. Vậy với vài giá trị của t ta sẽ được vài giá trị của x khi ϕ = const, nối các giao điểm cắt nhau gữa các đường t = const và đường x = const ta sẽ được đường cong ϕ = const. Các đường cong ϕ = const đều xuất phát từ một điểm nằm trên trục tung (x = 0 và t = -2730 C) vì ở nhiệt độ t = -2730 C thì Pbh = 0, với mọi giá trị ϕ thì x vẫn bằng không. Do đó các đường ϕ = const đều cắt tại điểm đó. Khi nhiệt độ đạt đến 99,40 C (là nhiệt độ của hơi nước bão hòa ở áp suất
  12. 12. 198 745mmHg) thì các đường ϕ = const gần như song song với đường x = const vì ở nhiệt độ này thì Pbh = Pch = 745mmHg (vì khi t=99,40 C ứng với P = 745mmHg thì coi hỗn hợp không khí ẩm gồm toàn hơi nước tức Pkkk = 0 và Pch = Ph = Pbh) nên phương trình (7.5) có dạng: ϕ ϕ ϕ ϕ − = − = 1 622,0622,0 bh bh PP P x Rút ra: x x + = 622,0 ϕ (7.10) Nghĩa là trên 99,40 C thì ϕ không phụ thuộc vào nhiệt độ mà chỉ phụ thuộc vào áp suất hơi Ph hay độ ẩm x, do đó đường đẳng ϕ sẽ song song với đường x = const. Đường ϕ =1 ứng với độ ẩm lớn nhất của không khí chia mặt phẳng của đồ thị thành hai miền: miền phía trên là miền không khí chưa bão hòa hơi nước, còn miền phía dưới là miền không khí quá bão hòa hơi nước, ở đây có một phần hơi ẩm ngưng tụ thành những giọt sương mù. Do vậy quá trình sấy bằng không khí chỉ thực hiện ở miền trên. 1.3. Đường áp suất hơi riêng phần Ph: Áp suất hơi riêng phần Ph chỉ phụ thuộc vào x, nó cũng được xây dựng từ công thức: x Px P PP P x h h h + =⇒ − = 622,0 . 622,0 Hay )(xfPP bhh == ϕ Khi x nhỏ thì x ở mẫu có thể bỏ qua thì: axx P Ph == 622,0 có dạng gần như đường thẳng. Trị số của Ph ghi ở trục bên phải của đồ thị I – x Đồ thị I-x của không khí ẩm được mô tả ở hình 7.1 dưới đây: 2. Cách sử dụng đồ thị I-x: 2.1. Xác định trạng thái không khí ẩm:
  13. 13. 199 Trạng thái không khí ẩm được đặc trưng bằng bốn thông số trạng thái cơ bản là t0 , ϕ, x, I. Nếu dùng đồ thị I-x ta chỉ cần hai trong bốn thông số cơ bản của không khí ẩm, vì mỗi điểm trong mặt phẳng đồ thị I-x là giao điểm của boons đường: đẳng t0 , đẳng ϕ, đẳng x, và đẳng I.
  14. 14. 200 Ví dụ: Xác định trạng thái của không khí ẩm khi biết t = 500 C, và hàm ẩm x=0,05kg/kg kkk tại điểm A (hình 7.2), từ đó xác định được các thông số còn lại của không khí ẩm là I = 600kJ/kg kkk và ϕ = 60%. I ϕ = 0,6 tA = 500C A IA = 600kJ/kg kkk ϕ = 1 xA=0,05 x Hình 7.2. Đồ thị xác định trạng thái không khí ẩm 2.2. Xác định nhiệt độ điểm sương: Khi tính toán quá trình sấy cần biết nhiệt độ điểm sương vì điểm sương là giới hạn của quá trình làm lạnh không khí ẩm trong điều kiện hàm ẩm x = const. Biết được nhiệt độ điểm sương để chọn nhiệt độ cuối của quá trình sấy phải lớn hơn nhiệt độ điểm sương để tránh ngưng tụ ẩm trên bề mặt vật liệu sấy. Giả sử có một hỗn hợp không khí ẩm được biểu diễn ở điểm A (xA,IA). Để xác định nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp không khí ẩm này, theo định nghĩa của nhiệt độ điểm sương là giới hạn của quá trình làm lạnh hỗn hợp không khí ẩm chưa bão hòa hơi nước trong điều kiện x = const. Nên kéo dài đường xA = const cắt đường ϕ = 1 tại B. Đường nhiệt độ t = const đi qua B
  15. 15. 201 chính là nhiệt độ điểm sương ts của trạng thái không khí ẩm A, hay tổng quát là mọi trạng thái của không khí ẩm có x = xA. I xA = const A IA = const C ϕ = 1 tư ts B xA x Hình 7.3. Đồ thị xác định ts và tư của không khí ẩm 2.3. Xác định nhiệt độ bầu ướt: Trong quá trình sấy cần biết nhiệt độ bầu ướt tư để chọn nhiệt độ sấy thích hợp (vì thế sấy ε = t – tư, từ đó xác định lượng ẩm hút được. Nếu lượng ẩm quá ít thì ta cần đun nóng không khí lên đến t’ nào đó, tức là chọn được nhiệt độ sấy thích hợp). Có thể sử dụng đồ thị I-x để xác định tư của trạng thái không khí nào đó, ví dụ trạng thái không khí ẩm được biểu diễn ở điểm A (xA,IA). Theo định nghĩa, nhiệt độ bầu ướt là khi cho ẩm tự bay hơi vào không khí chưa bão hòa hơi nước, ẩm sẽ thu nhiệt của khối khí và tự mang nhiệt lượng ấy vào khối khí nên nhiệt hàm I của không khí ẩm không đổi (IA = const), nhiệt độ của không khí giảm dần, độ ẩm của khối khí tăng dần đến độ ẩm bão hòa (ϕ = 1) thì quá trình tự bay hơi này đạt trạng thái cân bằng động, nhiệt độ của không khí ứng với trạng thái này là nhiệt độ bầu ướt tư. Bởi vậy cách xác định tư của không khí ở A(xA,IA) là theo đường IA=const cắt đường ϕ = 1 tại C, đường nhiệt độ t = const qua điểm C chính
  16. 16. 202 là nhiệt độ bầu ướt tư của A (xA,IA), hay tổng quát là nhiệt độ bầu ướt của mọi trạng thái không khí có nhiệt hàm IA = const. IV. Cân bằng vật liệu và nhiệt lượng trong máy sấy: 1. Sơ đồ nguyên lí làm việc của máy sấy bằng không khí: Trong quá trình sấy nếu dùng chất tải nhiệt ( được gọi là tác nhân sấy) là không khí thì gọi là sấy bằng không khí. Khí sấy, không khí nóng tiếp xúc với bề mặt vật liệu ẩm làm bốc hơi nước trong vật liệu ẩm tạo thành hỗn hợp không khí ẩm thoát ra ngoài. Vật liệu đầu Hơi đốt không khí Buồng sấy kk thải calorife sưởi quạt hút Sản phẩm Hình 7.4. Sơ đồ nguyên tắc máy sấy bằng không khí. 2. Độ ẩm của vật liệu: Trong tính toán quá trình sấy thường có hai cách biểu diễn độ ẩm của vật liệu: độ ẩm tuyệt đối (tính theo vật liệu ướt) và độ ẩm tương đối (tính theo vật liệu khô tuyệt đối). Lượng vật liệu ẩm (G) đưa vào sấy bằng lượng vật liệu khô tuyệt đối (Gk) cộng với lượng ẩm có trong vật liệu (Gẩm): G = Gk + Gẩm (7.11) • Độ ẩm tuyệt đối (tính theo vật liệu ướt): %100×= G G W am (7.12) • Độ ẩm tương đối (tính theo vật liệu khô tuyệt đối):
  17. 17. 203 %100×= k am td G G W (7.13) Lượng vật liệu khô tuyệt đối coi như không bị mất mát trong quá trình sấy. Bởi vậy, người ta thường dùng độ ẩm tương đối trong tính toán. Giữa độ ẩm tuyệt đối (W) và độ ẩm tương đối (Wtđ) có mối quan hệ: %100 100 × − = W W Wtd (7.14) %100 100 × + = td td W W W (7.15) 3. Cân bằng vật liệu: Cân bằng vật liệu được thành lập dưới đây là chung cho tất cả các máy sấy đối lưu, sấy tiếp xúc và các loại máy sấy khác. Nếu gọi: G1, G2: lượng vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi máy sấy (kg/h); W1, W2: độ ẩm ban đầu, ban cuối của vật liệu (tính theo khối lượng chung, %); W: lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy (kg/h); Phương trình cân bằng vật liệu chung: G1 = G2 + W (7.16) Lượng vật liệu khô tuyệt đối: 100 100 100 100 2 2 1 1 W G W GGk − = − = (7.17) Từ phương trình (7.17) rút ra: Lượng vật liệu ẩm trước khi vào máy sấy: 1 2 21 100 100 W W GG − − = (7.18) Lượng vật liệu ra khỏi máy sấy:
  18. 18. 204 2 1 12 100 100 W W GG − − = (7.19) Thường thì mục đích của việc thành lập phương trình cân bằng vật liệu để xác định lượng ẩm W bay hơi trong quá trình sấy: W = G1 – G2 (7.20) Thay G2 từ (7.19) vào (7.20) ta có: 2 21 1 2 1 11 100W-100 100 W WW G W GGW − − = − −= (7.21) hay: 1 21 2 100 W WW GW − − = (7.22) 4. Cân bằng theo lượng ẩm (cân bằng vật liệu cho không khí sấy): Khi tính toán máy sấy đối lưu bên cạnh tính cân bằng vật liệu sấy, còn phải tính cân bằng theo lượng ẩm để từ đó tìm được lượng không khí tiêu tốn trong quá trình sấy L (kg/h). Coi lượng không khí tiêu tốn không bị mất mát trong quá trình sấy. Khi quá trình làm việc ổn định, lượng không khí khô L đi vào máy sấy mang theo lượng ẩm là (L.x1). Kết thúc quá trình sấy, từ vật liệu ẩm bốc ra một lượng ẩm là (W), dẫn đến lượng ẩm chứa trong không khí khô sau quá trình sấy là (L.x2). Trên cơ sở đó ta có phương trình cân bằng vật liệu theo lượng ẩm: L.x1 + W = L.x2 (7.23) Từ phương trình cân bằng ẩm trên, ta xác định được lượng không khí khô tiêu tốn (L) để làm bốc hơi W kg ẩm trong vật liệu: 12x W x L − = (kg kkk/h) (7.24) Vậy nếu tính lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm khỏi vật liệu gọi là lượng không khí khô tiêu tốn riêng (l):
  19. 19. 205 12x 1 W x L l − == (kg kkk/kg ẩm bay hơi) (7.25) Khi qua calorife sưởi không khí chỉ thay đổi nhiệt độ mà không thay đổi hàm ẩm, nghĩa là x1 = x0. Do vậy ta có: 0212 1 x 1 xxx l − = − = (kg kkk/kg ẩm bay hơi) (7.26) V. Cân bằng nhiệt lượng: Gvc.Cvc.tvc1 Qs Qbs (G1.Cvl.tvl1) L.I0 W.Cn.tvl1 L.I2 Gvc.Cvc.tvc2 (G2.Cvl.tvl2) Hình 7.5. Sơ đồ nguyên tắc máy sấy bằng không khí làm việc liên tục Ta lập cân bằng nhiệt lượng cho máy sấy đối lưu theo sơ đồ trên. Giả sử khối lượng vật liệu trước khi sấy là G1 (kg/s) có nhiệt độ tvl1 (0 C). Khi qua máy sấy bốc hơi mất một lượng ẩm là W (kg/s), nên lượng vật liệu ra khỏi máy sấy là G2 (kg/s) có nhiệt độ tvl2 (0 C). Nhiệt dung riêng của vật liệu Cvl (J/kg.0 C) coi như không đổi; nhiệt dung riêng của ẩm (hơi nước) Cn (J/kg.0 C) Trong máy sấy thường có phận vận chuyển vật liệu sấy (băng tải, gòng, khay, ...) cũng tham gia vào quá trình trao đổi nhiệt, nên cũng phải tính đến lượng nhiệt này. Giả sử bộ phận vận chuyển có khối lượng Gvc (kg/s), nhiệt dung riêng của bộ phận vận chuyển sẽ không thay đổi Cvc
  20. 20. 206 (J/kg.0 C), nhiệt độ lúc đầu và lúc cuối của quá trình sấy bộ phận vận chuyển là tvc1 và tvc2 (0 C). Nhiệt lượng tiêu hao ở calorifer sưởi (calorifer chính) là Qs. Nhiệt lượng tiêu hao ở calorifer bổ sung là Qbs. Trong quá trình sấy tác nhân sấy chỉ đi qua máy sấy một lần. Dựa vào sơ đồ trên ta có: • Nhiệt lượng mang vào máy sấy: - Nhiệt do calorifer sưởi: Qs (W) - Nhiệt do calorifer bổ sung: Qbs (W) - Nhiệt do không khí ẩm mang vào: L.I0 (J/s) trong đó: I0: nhiệt hàm của không khí trước khi vào calorifer sưởi (J/kg kkk) - Nhiệt do vật liệu ẩm mang vào: G1.Cvl.tvl1 = G2.Cvl.tvl1 + W.Cn.tvl1 (coi nhiệt lượng của vật liệu ẩm mang vào được tạo thành bởi nhiệt lượng do vật liệu khô khi ra G2 mang vào và nhiệt lượng do lượng ẩm có trong vật liệu mang vào) - Nhiệt do bộ phận vận chuyển: Gvc.Cvc.tvc1 • Nhiệt lượng mang ra khỏi máy sấy: - Do không khí thải mang ra: L.I2 (J/s) trong đó: I2: nhiệt hàm của không khí sau khi ra khỏi phòng sấy(J/kg kkk) - Do vật liệu sấy mang ra: G2.Cvl.tvl2 - Do bộ phận vận chuyển mang ra: Gvc.Cvc.tvc2 - Do mất mát ra môi trường chung quanh: Qm Từ đó ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng của máy sấy là: LI0+G2Cvltvl1+WCntvl1+GvcCvctvc1+Qs+Qbs=LI2+G2Cvltvl2+ GvcCvctvc2+Qm Từ đây ta rút ra nhiệt lượng tiêu hao chung cho quá trình sấy Q: Q= Qs+Qbs=L(I2-I0)+ G2Cvl(tvl2 - tvl1)+ GvcCvc(tvc2 - tvc1)+Qm- WCntvl1
  21. 21. 207 Đặt: Qvl = G2Cvl(tvl2 - tvl1): nhiệt lượng đun nóng vật liệu sấy. Qvc = GvcCvc(tvc2 - tvc1): nhiệt lượng đun nóng bộ phận vận chuyển. Chia hai vế cho phương trình trên cho W ta sẽ được biểu thức tính lượng nhiệt tiêu hao riêng để bay hơi 1kg ẩm của vật liệu. Kí hiệu: q: nhiệt lượng tiêu hao riêng cho máy sấy (J/kg ẩm) qs: nhiệt lượng tiêu hao riêng ở calorifer sưởi (J/kg ẩm) qbs: nhiệt lượng tiêu hao riêng ở calorifer bổ sung (J/kg ẩm) vl1n mvc1vc2vcvcvl1vl2vl2 02 tC- Q W )t-(tCG W )t-(tCG )I-(I LQ q WWW +++== (7.29) vl1nvl02 tC-qq)I-(Iq mvcbss qlqq +++=+= (7.30) trong đó: l(I2-I0): nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi 1kg ẩm W )t-(tCG q vl1vl2vl2 vl = : nhiệt lượng tiêu tốn riêng để đốt nóng vật liệu sấy từ tvl1 đến tvl2 W )t-(tCG q vc1vc2vcvc vc = : nhiệt lượng tiêu tốn riêng để đốt nóng bộ phận vận chuyển từ tvc1 đến tvc2 W Q q m m = : nhiệt lượng mất mát riêng ra môi trường chung quanh vl1n tC : nhiệt lượng riêng của 1kg ẩm trên vật liệu mang vào máy sấy (nhiệt lượng riêng do nước mang vào) Ta đặt: ∑=++ qqqq mvcvl là tổng nhiệt lượng tổn thất chung chung vì nó không làm bốc hơi nước trong vật liệu sấy mà chỉ dùng để đun nóng vật liệu sấy, đun nóng bộ phận vận chuyển và bù vào mất mát ra môi trường chung quanh.
  22. 22. 208 Vậy: vl1n02 tC-q)I-(Iq ∑+=+= lqq bss (7.31) Suy ra nhiệt lượng tiêu hao chung ở calorifer chính: bss qlq −+= ∑ vl1n02 tC-q)I-(I (7.32) Nếu đặt: ∑−+=∆ q1 nvlbs Ctq (7.33) thì: ∆= -)I-(I 02lqs (7.34) hay ∆+= sql )I-(I 02 (7.35) Tìm hiểu ý nghĩa của đại lượng ∆, ta nhận thấy: nvlbs Ctq 1+ : là nhiệt lượng bổ sung chung do nhiệt lượng bổ sung ở calorifer bổ sung (qbs) và nhiệt lượng do hơi nước trong vật liệu mang vào (tvl1Cn). Vậy đại lượng ∆ chính là tổng nhiệt lượng bổ sung chung trừ đi tổng nhiệt lượng tổn thất chung. Do đó, người ta gọi ∆ là lượng nhiệt bổ sung thực tế. VI. Quá trình sấy lí thuyết và sấy thực tế: 1. Sấy lý thuyết: Để đơn giản việc phân tích và tính toán các quá trình sấy, người ta đưa ra khái niệm sấy lí thuyết. Theo Tudose sấy lí thuyết chỉ cần điều kiện là nhiệt lượng nhiệt tổn thất chung được bù lại hoàn toàn bằng nhiệt lượng của nước trong vật liệu ẩm mang vào và nhiệt lượng do calorifer bổ sung cung cấp. Tức là: ∑=+ q1 nvlbs Ctq (7.36) Suy ra: 0=∆ Khi đó phương trình: )(-)I-(I 0202 IIllqs −=∆= (7.37) Mặc khác khi qua calorifer sưởi (calorifer chính) không khí được đun nóng từ nhiệt độ t0 đến t1. Do đó nhiệt lượng riêng của không khí cũng tăng
  23. 23. 209 từ I0 đến I1. Vậy, nhiệt lượng tiêu tốn chung ở calorifer chính qs có thể tính theo phương trình sau: )I-(I 01lqs = (7.38) trong đó: I0: nhiệt hàm của không khí trước vào calorifer chính (J/kg kkk) I1: nhiệt hàm của không khí sau khi ra khỏi calorifer chính trước khi vào phòng sấy (J/kg kkk) I2: nhiệt hàm của không khí sau khi ra phòng sấy (J/kg kkk) t0: nhiệt độ của không khí trước vào calorifer chính (0 C) t1: nhiệt độ của không khí sau khi ra khỏi calorifer chính (0 C) Từ phương trình (7.37) và (7.38) ta có: )()I-(I 0102 IIll −= (7.39) suy ra: 12 II = (7.40) Vậy khi sấy lí thuyết thì nhiệt lượng riêng của không khí không thay đổi trong suốt quá trình sấy (I = const: đẳng I). Hay nói cách khác trong quá trình sấy lí thuyết, một phần nhiệt lượng của không khí có bị mất đi cũng chỉ để làm bốc hơi nước trong vật liệu (lượng nhiệt do không khí truyền cho vật liệu sấy thì hoàn toàn được quay trở về không khí cùng với ẩm bay hơi từ vật liệu sấy), do đó I không đổi. Nếu như trạng thái đầu của hỗn hợp không khí được mô tả bằng điểm A (t0,ϕ0) (giá trị t0, ϕ0 thường biết trước theo các số liệu cho trong các tài liệu tham khảo của địa phương nơi ta đặt máy sấy), các thông số còn lại (x0,I0) ta có thể xác định được bằng đồ thị Ramzin I-x (hình 7.6). Từ A, kẻ đường thẳng đứng x0=x1 (vì hàm ẩm của không khí trước và sau khi qua calorifer sưởi là không đổi) sẽ cắt đường t1 = const tại B (t1 là nhiệt độ của không khí sau khi qua calorifer sưởi và trước khi vào phòng
  24. 24. 210 sấy, nhiệt độ này là nhiệt độ cho phép của vật liệu sấy và cũng biết trước). Vậy điểm B (t1,x1=x0) là đặc trưng cho trạng thái không khí nóng trước khi vào phòng sấy đã được xác định. Đoạn AB là đặc trưng cho quá trình biến đổi trạng thái của không khí (đó là quá trình sưởi nóng không khí) trong calorifer sưởi với hàm ẩm x1=x0. Từ B (t1,x1=x0, I1,ϕ1) theo đường đẳng I1 = const, cắt đường t2 = const (hoặc ϕ2 = const) tại điểm C (t2, và ϕ2 là nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí sau khi ra khỏi phòng sấy, là các đại lượng cho trước theo yêu cầu kỹ thuật). Do đó điểm C (t2,x2,I2,ϕ2) đăc trưng cho trạng thái của không khí ra khỏi phòng sấy hoàn toàn đã được xác định. Đoạn BC (song song với trục hoành chính có I1 = I2 = const) là biểu diễn quá trình biến đổi trạng thái của không khí ở trong phòng sấy (đó là quá trình làm nguội khí đoạn nhiệt). I t1 •B I1 = I2 = const ϕ2 D C t2 ϕ1 A t1 ϕ=1 x0=x1 x2 x Hình 7.6. Biểu diễn quá trình sấy trong máy sấy lý thuyết
  25. 25. 211 Đường gấp khúc ABC là đường biểu diễn quá trình sấy lí thuyết gồm hai giai đoạn là sưởi nóng không khí trong calorifer sưởi AB và giai đoạn sấy BC. Từ đồ thị ta xác định được: - Lượng không khí khô tiêu tốn riêng: ____ 0212 . 11 x 1 xmCD xxx l = − = − = (kg kkk/kg ẩm bay hơi) (7.41) - Lượng nhiệt tiêu tốn riêng ở calorifer sưởi: 12 01 02 02 x xx II x II qs − − = − − = (J/kg ẩm bay hơi) (7.42) ____ ____ ____ ____ 1 CD AB M CD AB m m q x s == (J/kg ẩm bay hơi) (7.43) Với: m1, mx, xm m M 1 = : là tỷ lệ xích theo trục OI, tỷ lệ xích theo trục Ox, và tỷ lệ xích chung của đồ thị. Mỗi loại đồ thị ta dùng để biểu diễn tính toán quá trình sấy đều có tỷ lệ xích tương ứng. 2. Sấy thực tế: Trong sấy thực tế, lượng nhiệt bổ sung chung ( nvlbs Ctq 1+ ) và lượng nhiệt tổn thất chung (∑q ) là không bằng nhau, nghĩa là ∆≠0. Trong thực tế có 3 trường hợp xảy ra: 2.1. Lượng nhiệt bổ sung chung lớn hơn lượng nhiệt tổn thất chung: ∑ >∆⇒>+ 0q1 nvlbs Ctq Từ phương trình (7.34): ∆= -)I-(I 02lqs và từ phương trình (7.38): )I-(I 01lqs = Suy ra: 12 12 0)I-(I II l >⇒ >=∆ (vì l > 0)
  26. 26. 212 Điều này có nghĩa là lượng nhiệt do không khí cung cấp cho vật liệu để làm cho ẩm bay hơi là nhỏ hơn lượng nhiệt do lượng ẩm bay hơi mang vào không khí. Do đó quá trình sấy sẽ tiến hành với việc tăng enthanpi của không khí trong bản thân phòng sấy. Điểm A và điểm B xác định trạng thái không khí trước và sau calorifer sưởi như trong máy sấy lý thuyết. Vì I2 > I1 nên đường I2 nằm trên đường I1, do đó đường BC1 nằm trên đường BC (sấy thực tế nằm trên sấy lí thuyết). Vậy đường ABC1 là đường biểu diễn quá trình sấy thực tế khi ∆>0. I2 lớn hơn I1 một đại lượng là: l II ∆ =− 12 (7.44) Tìm hiểu cách vẽ đường BC1 (xác định điểm C1): Trên đường I1 = const, ta lấy một điểm e bất kì và vẽ lên phía trên một đoạn ____ eE (khi ∆>0) và vẽ xuống phía dưới một đoạn ____ eE (khi ∆<0) với giá trị: M efeE ∆ = _______ (7.45)
  27. 27. 213 Với: ____ ef : khoảng cách đoạn thẳng nằm ngang từ điểm e đến dường thẳng AB (x0=x1=const) xm m M 1 = : tỷ lệ xích của đồ thị I-x. Nếu vẽ như vậy điểm cuối của đoạn ____ eE (điểm E) sẽ nằm trên hoặc nằm dưới đường sấy lí thuyết BC. Vì rằng, khi nối điểm B và E kéo dài cắt đường t2 = const (hay ϕ = const) của trạng thái không khí thải là giá trị cho trước theo yêu cầu của kỹ thuật. Do đó, ta tìm được điểm C1 hay điểm C2 biểu diễn trạng thái không khí ra khỏi phòng sấy (hình 7.7). Từ điểm C1 và C2 vẽ các đoạn thẳng vuông góc với AB, và cắt AB tại điểm D1 và D2 được các đoạn thẳng _______ 11DC , _______ 22 DC là đặc trưng cho sự tăng (hay giảm) hàm ẩm của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực tế. Chú ý: Cách vẽ này là đúng cho mọi trường hợp sấy thực tế, vì từ công thức tổng quát M efeE ∆ = _______ đã được chứng minh như sau: Từ ∆= − − 12 12 x x II , thay tọa độ điểm cuối (I2,x2) bằng tọa độ của điểm E(I,x) bất kì nằm trên đường sấy của sấy thực tế, và khi ∆>0 ta có: ∆= − − 1 1 x x II Theo (hình 7.7) ta có: 1 ____ 1 .meEII =− Và xmefxx . ____ 1 =− Vậy: ∆=⇒∆= − − xmef meE x II . . x ____ 1 ____ 1 1 Hay: M efeE ∆ = ________
  28. 28. 214 Công thức (7.45) M efeE ∆ = ________ còn được chứng minh như sau: Trên (hình 7.7) ta thấy: Be BK eE KC KBCBEe =⇒∆≈∆ 1 1 và: Be BK ef KK BKKBef =⇒∆≈∆ ' ' suy ra: ' 1 ' 1 KK KC ef eE ef KK eE KC =⇒= với: 12 12 _____ ' ______ 11 . . xx II KKm KCm x − − = 1 1 _____ ______ 1 . . xx II efm eEm x − − = ta biết: ∆=⇒∆= − − ____ ____ 12 12 ef eE M xx II hay: M efeE ∆ = ________ Từ đây ta rút ra cách dựng đường BC1 khi biết ∆>0. Lấy điểm e bất kì trên BC, dựng ef song song với trục hoành Ox, đo đoạn ____ ef . Sử dụng công thức (7.45) ta tính được đoạn ____ eE . Nối BE rồi kéo dài gặp một trong các đường t2 = const (hay ϕ = const) của trạng thái không khí thải là giá trị cho trước theo yêu cầu của kỹ thuật. Do đó, ta tìm được điểm C1 (hay điểm C2) biểu diễn trạng thái không khí ra khỏi phòng sấy. 2.2. Lượng nhiệt bổ sung chung nhỏ hơn lượng nhiệt tổn thất chung: ∑ <∆⇒<+ 0q1 nvlbs Ctq Từ phương trình (7.34): ∆= -)I-(I 02lqs
  29. 29. 215 và từ phương trình (7.38): )I-(I 01lqs = Suy ra: 12 12 0)I-(I II l <⇒ <=∆ (vì l > 0) Điều này có nghĩa là lượng nhiệt do không khí cung cấp cho vật liệu để làm cho ẩm bay hơi là lớn hơn lượng nhiệt do lượng ẩm bay hơi mang vào không khí. Do đó quá trình sấy sẽ tiến hành với việc giảm enthanpi của không khí trong bản thân phòng sấy. Đối với các loại máy sấy bằng không khí thường xảy ra trường hợp I2<I1, và đường BC2 nằm dưới đường sấy lí thuyết BC (cách tím tương tự như trên). Trong cả hai trường hợp sấy thực tế ∆>0 và ∆<0, sau khi tìm được điểm C1 và C2 tức là xác định được các thông số trạng thái của không khí sau khi ra khỏi phòng sấy (t2,x2,I2,ϕ2). Từ đó thì ta dễ dàng xác định các đại lượng sau: • Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm: 02 1 xx l − = (kg kkk/kg ẩm) • Lượng nhiệt tiêu hao riêng ở calorifer sưởi: 02 01 01 )( xx II IIlqs − − =−= (J /kg ẩm) • Lượng nhiệt tiêu hao riêng ở calorifer bổ sung: nbs nvlbs Cq xx II q IIlCtq 1 02 12 121 )(q θ∑ ∑ −+ − − =⇒ −=∆=−+ • Lượng nhiệt tiêu tốn riêng cho toàn bộ máy sấy: nbss Cq xx II qqq 1 02 02 θ∑ −+ − − =+=
  30. 30. 216 2.3. Lượng nhiệt bổ sung chung bằng lượng nhiệt tổn thất chung: Trường hợp máy sấy thực lý thuyết thõa mãn điều kiện này (đã được xét phần trước). VII. Các phương thức sấy: Ở các phần trước chúng ta mới trình bày phương thức sấy đơn giản, cơ bản và thông thường nhất, dó là không khí nóng chỉ đi qua máy sấy một lần. Nhưng trong thực tế sản xuất, do tính chất của nguyên liệu, do yêu cầu về chất lượng của sản phẩm, người ta còn tiến hành nhiều phương thức sấy khác nhau. Đó là các phương thức sấy có: - Không khí sấy có thể cho đi qua một lần hoặc nhiều lần bằng cách có bổ sung nhiệt trong phòng sấy. - Có đốt nóng không khí giữa chừng. - Sấy có tuần hoàn khí thải. - Sấy bằng khói lò (không có calorifer sưởi) 1. Phương thức sấy có bổ sung nhiệt trong phòng sấy: Lượng nhiệt tiêu tốn cho toàn bộ quá trình sấy không những được cung cấp ở calorifer sưởi mà còn được cung cấp ở calorifer bổ sung ngay tại phòng sấy. 2 1 Không khí A qs B’ qbs C khí thải • • • (t0,x0,I0,ϕ0) (t’ 1,x’ 1,I’ 1,ϕ’ 1) (t2,x2,I2,ϕ2) Hình 7.8. Sơ đồ hệ thống thiết bị sấy có bổ sung nhiệt trong phòng sấy 1- Calorifer sưởi; 2. phòng sấy
  31. 31. 217 Trong phương này ta bỏ qua lượng nhiệt nvl Ct .q 1−∑ tức là coi như nhiệt lượng do nước trong vật liệu mang vào ( nvl Ct .1 ) bằng lượng nhiệt tổn thất chung (∑q ). Do vậy toàn bộ lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy: q = qs + qbs = l(I2 – I0) = const Không khí ban đầu có trạng thái A (t0,x0,I0,ϕ0) là trạng thái không khí nơi ta đặt máy sấy (cho sẵn trong các tài liệu tham khảo) đi qua colorifer sưởi 1 được đốt nóng trong điều kiện x0 = x1 = const đến nhiệt độ t’ 1 là nhiệt độ của vật liệu sấy cho phép, rồi đi vào phòng sấy 2, nơi được cung cấp nhiệt thêm bằng calorifer bổ sung với một lượng nhiệt qbs lớn hay bé phụ thuộc vào lượng nhiệt cung cấp ở calorifer sưởi qs. I t1 •B I1=I2 t’ 1 •B’ D I’ 1 C t2 B” t0 ϕ = 1 •A x0=x1 x2 x Hình 7.9. Đồ thị I-x biểu diễn quá trình sấycó bổ sung nhiệt trong phòng sấy Từ đồ thị I-x (hình 7.9) ta thấy không khí được đốt nóng ở calorifer ngoài đến nhiệt độ t’ 1 (với điều kiện x0 = x1 = const) là nhiệt độ cho phép của vật liệu sấy. Vì nếu nhiệt độ của tác nhân sấy cao hơn nhiệt độ t’ 1 thì vật liệu sấy bị biến chất. Sau đó tác nhân sấy được dẫn vào phòng sấy, trong phòng
  32. 32. 218 sấy, tác nhân sấy được tiếp tục đun nóng để đảm bảo trạng thái cuối cùng của tác nhân sấy là C. Đường AB’ C biểu diễn quá trình sấy có bổ sung nhiệt trong phòng sấy. Ta tính được nhiệt lượng tiêu tốn chung: 02 02 02 ' 12 02 0 ' 1 xx II xx II xx II qqq bss − − = − − + − − =+= (7.46) _____ _____ _____ _____ ' _____ _____ ' DC AB M DC BB M DC AB Mq =+= (7.47) xm m M 1 = : tỷ lệ xích của đồ thị I-x. Khi tỷ lệ giữa lượng nhiệt cung cấp ở calorifer chính qs và calorifer bổ sung qbs thay đổi thì vị trí của B’ thay đổi trong giới hạn AB. 1/ Ứng với điểm B thì qbs = 0 tức đường ABC biểu diễn quá trình sấy không có bổ sung nhiệt trong phòng sấy (quá trình sấy xảy ra tự nhiên bằng việc làm nguội không khí trong điều kiện đoạn nhiệt). Lúc đó ta có: ____ ____ 02 01 (max) DC AB M xx II qq s = − − == (7.48) Toàn bộ nhiệt lượng cần thiết của quá trình sấy được cung cấp ở calorifer chính. Nhiệt độ của tác nhân sấy (t1) trước khi vào phòng sấy là cao nhất. 2/ Ứng với điểm B’ thì đường AB’ C biểu diễn quá trình sấy có bổ sung nhiệt trong phòng sấy (như đã xét). Nhiệt độ sấy ở đây t’ 1 và cũng là nhiệt độ cao nhất của không khí tác nhân sấy (so với trường hợp 1 thì t’ 1<t1) 3/ Ứng với điểm B” thì đường AB” C biểu diễn quá trình sấy có bổ sung nhiệt khác trong phòng sấy. Đặc điểm của trường hợp này là nhiệt độ sấy bằng nhiệt độ cuối của tác nhân sấy (t” 1= t2), hay nói cách khác là nhiệt độ sấy không đổi trong suốt quá trình sấy.
  33. 33. 219 4/ Ứng với điểm A thì đường AC biểu diễn quá trình sấy không có calorifer sưởi (qs = 0). Toàn bộ nhiệt lượng cần thiết đều được cung cấp ngay tại phòng sấy (qbs → max). Do đó cả nhiệt độ t và hàm ẩm x của không khí sấy đều tăng trong suốt quá trình sấy và nhiệt độ của tác nhân trước khi vào phòng sấy là thấp nhất, và nhiệt độ cao nhất của không khí trong quá trình sấy là nhiệt độ cuối t2. Ta có: ____ ____ 02 02 (max)0 DC AB M xx II qqq bss = − − ==⇒= (7.48) Nhận xét: Qua bốn trường hợp trên ta nhận thấy: trong phương thức sấy có bổ sung nhiệt thì khi trạng thái đầu và trạng thái cuối của không khí sấy đã được xác định (điểm A và điểm C cố định) thì lượng nhiệt tiêu tốn chung cho quá trình là một đại lượng không đổi cho dù ta dùng bất cứ trường hợp nào trong bốn trường hợp. Do đó nếu như nhiệt độ sấy giảm thì nhiệt lượng cung cấp ở calorifer sưởi giảm nhưng nhiệt lượng bổ sung trong phòng sấy lại tăng và ngược lại. Nhiệt độ sấy cao nhất khi không có bổ sung nhiệt trong phòng sấy, và nhiệt độ sấy thấp nhất khi không có calorifer sưởi. Trường hợp 2/ và 3/ được sử dụng trong trường hợp vật liệu sấy không chịu được nhiệt độ cao và khi yêu cầu độ ẩm lúc cuối của vật liệu không qúa thấp. 2. Phương thức sấy có đốt nóng giữa các buồng sấy: (đọc tài liệu) 3. Phương thức sấy có tuần hoàn một phần khí thải: (đọc tài liệu) 4. Phương thức sấy bằng khói lò trực tiếp: (đọc tài liệu) VIII. Động lực học của quá trình sấy: 1. Các dạng liên kết ẩm với vật liệu:
  34. 34. 220 Đối với mọi vật liệu ẩm đều có khả năng hút ẩm từ môi trường xung quanh hoặc ngược lại có thể thoát ẩm từ vật liệu ra môi trường chung quanh. Điều đó phụ thuộc vào trạng thái của môi trường và tính chất của vật liệu. * Môi trường xung quanh của vật liệu là hỗn hợp của không khí ẩm. Lượng hơi nước trong hỗn hợp không khí ẩm được đặc trưng bởi độ ẩm tương đối (ϕ) hay áp suất riêng phần của hơi nước (ph). * Trên bề mặt vật liệu ẩm do có một lượng nước ở một nhiệt độ nhất định nên sẽ gây nên một giá trị áp suất riêng phần của hơi nước ngay sát trên bề mặt vật liệu là pvl. pvl phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu, nhiệt độ và dạng liên kết ẩm với vật liệu. pvl tăng khi độ ẩm của vật liệu tăng, nhiệt độ tăng và lực liên kết ẩm với vật liệu giảm. pvl < ph: vật liệu sẽ hút ẩm từ môi trường. pvl > ph: vật liệu sẽ nhã ẩm ra môi trường (quá trình sấy). Trong quá trình sấy thì áp suất hơi trên bề mặt vật liệu giảm dần cho đến khi pvl = ph. Khi đó vật liệu sẽ không hút cũng không nhã ẩm, gọi là trạng thái cân bằng động giữa môi trường và vật liệu. Độ ẩm của vật liệu ở điều kiện này gọi là độ ẩm cân bằng Wcb. Wcb phụ thuộc vào áp suất riêng phần của không khí xung quanh tức phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của không khí ϕ, nghìa là Wcb = f(ϕ). Đường cong Wcb = f(ϕ) được xác định ở nhiệt độ không đổi (t = const) nên gọi là đường đẳng nhiệt hay còn gọi là đường cong cân bằng của quá trình sấy (đường cong OABC), được biểu diễn trên hình 7.10. Sự thay đổi trạng thái của vật liệu như sau: Khi sấy thì độ ẩm của vật liệu từ độ ẩm đầu Wđ đến Wh tương ứng với vật liệu chứa ẩm tự do (pvl = pbh) và nằm trong trạng thái ẩm. Khi độ ẩm của
  35. 35. 221 vật liệu giảm từ Wh đến Wcb thì trong vật liệu chứa ẩm liên kết (pvl < pbh) và vật liệu ở trạng thái có khả năng hút ẩm. C gọi là điểm hút ẩm tương ứng với nó thì có Wh, tại đây độ ẩm tương đối của không khí ϕ = 100%, pvl = pbh; Wh nằm trên giới hạn giữa độ ẩm tự do và ẩm liên kết. Ẩm liên kết sẽ được tách ra khỏi vật liệu ở độ ẩm tương đối của môi trường không khí chung quanh có ϕ < 100%. Độ ẩm của không khí (ϕ%) ϕ = 100% pvl = ph = pbh •C III II I •B Trạng thái hút ẩm của vật liệu Trạng thái ẩm của v.liệu Khu vực sấy •A O Wcb Wh Wđ Độ ẩm của vật liệu (Wtd) Hình 7.10. Sự thay đổi độ ẩm của vật liệu trong quá trình sấy. I. Khu vực tách ẩm tự do; II. Khu vực tách ẩm liên kết; III. Khu vực hút ẩm Quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy phụ thuộc rất lớn vào dạng liên kết giữa ẩm với vật liệu (có liên quan đến động học của quá trình sấy). Liên kết càng vững vàng càng khó tách và ngược lại. Có nhiều dạng liên kết giữa ẩm với vật liệu bởi vậy có nhiều cách phân loại khác nhau. Ví dụ theo A. Rebinder có ba dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu: liên kết hóa học, liên kết hóa lí, và liên kết cơ lí (liên kết dính).
  36. 36. 222 - Liên kết hóa học thì năng lượng liên kết rất lớn. Bởi vậy với năng lượng nhiệt của quá trình sấy không đủ để tách loại ẩm này. Muốn tách được loại ẩm này người ta phải nung ở nhiệt độ cao hoặc bằng các phản ứng hóa học. - Liên kết hóa lí được phân ra ẩm liên kết hấp phụ và ẩm liên kết thẩm thấu: * Ẩm liên kết hấp phụ là loại ẩm được giữ lại trên bề mặt và trong các mao quản của vật liệu bằng các lực hấp phụ Van der Waals, lực mao quản. * Ẩm liên kết thẩm thấu (còn gọi là ẩm trương) bị giữ lại trong mạng lưới tinh thể hay các lưới sàng thẩm thấu bằng các lực liên kết thẩm thấu. Khi tách ẩm liên kết hấp phụ thì tiêu tốn năng lượng lớn hơn khi tách ẩm liên kết thẩm thấu. Nói chung với năng lượng nhiệt của quá trình sấy có thể tách được ẩm liên kết hóa lí này. - Ẩm liên kết cơ lí là loại ẩm được giữ lại trên bề mặt vật liệu trong các mao quản bằng các lực kết dính với năng lượng liên kết rất bé. Bởi vậy với năng lượng của quá trình tách bằng cơ học như: li tâm, ép, vắt, có thể tách được một phần ẩm này. Còn với năng lượng nhiệt của các quá trình sấy có thể tách được hoàn toàn. Ngoài ra người ta còn phân ra ẩm trong vật liệu sấy gồm có ẩm tự do và ẩm liên kết: - Ẩm tự do là do ẩm có tốc độ bay hơi bằng tốc độ bay hơi nước từ bề mặt tự do. Do đó khi trong vật liệu có ẩm liên kết tự do thì áp suất riêng phần trên bề mặt vật liệu (pvl) bằng áp suất hơi bão hòa (pbh) trên bề mặt tự do.
  37. 37. 223 - Ẩm liên kết thì ngược lại có pvl < pbh. Năng lượng liên kết loại ẩm này với vật liệu tương đối lớn, với năng lượng nhiệt của quá trình sấy chỉ tách được một phần lượng ẩm này. Một số tác giả mà đại diện là Ghingbua lại phân ẩm liên kết với vật liệu có bốn dạng: - Liên kết hấp phụ đơn phân tử: lớp đơn phân tử hơi ẩm bị hấp phụ vào bề mặt và các lỗ mao quản của vật liệu. Lực liên kết này rất lớn, lượng ẩm này nhỏ nhưng rất khó tách, biểu thị bằng đoạn OA trên đồ thị hình 7.10. - Liên kết hấp phụ đa phân tử (còn gọi hấp phụ hóa lí): hấp phụ nhiều lớp trên bề mặt vật liệu. Lực liên kết của phần ẩm này cũng khá lớn, biểu thị bằng đoạn AB. Khi sấy thường chỉ tách được một phần ẩm này. - Liên kết mao quản: phần ẩm này do lực mao quản của mao quản nhỏ (bán kính mao quản r < 10-5 cm) thể hiện bằng đoạn BC. Lực liên kết của phần ẩm này không lớn lắm nên khi sấy có thể tách hết. - Liên kết dính: phần ẩm này là do nước bám vào bề mặt vật liệu hoặc trong các mao quản lớn. Ẩm này được tạo thành khi nhúng ướt vật liệu. Lực liên kết không đáng kể nên rất dễ tách. 2. Quá trình bay hơi ẩm: Qua trình bay hơi ẩm từ vật liệu gồm hai giai đoạn xảy ra đồng thời: - Khuyếch tán ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường gọi là khuyếch tán ngoài. Khuyếch tán ngoài có thể di chuyển được 90% lượng ẩm. Động lực của quá trình khuyếch tán này là sự chênh lệch nồng độ hay áp suất hơi riêng phần trên bề mặt vật liệu và trong môi trường không khí chung quanh. Tốc độ của giai đoạn khuyếch tán này phụ thuộc vào pvl, ph, nhiệt độ và tốc độ chuyển động của môi trường.
  38. 38. 224 - Khuyếch tán ẩm từ trong lòng vật liệu lên bề mặt vật liệu gọi là khuyếch tán trong. Tốc độ của giai đoạn này phụ thuộc vào nhiệt độ, tính chất của vật liệu và dạng liên kết ẩm với vật liệu. Vậy quá trình bay hơi ẩm trong cả hai giai đoạn vừa phụ thuộc vào gradient độ ẩm vừa phụ thuộc vào gradient nhiệt độ, mà hai đại lượng này lại trái ngược nhau, nghĩa là ở trong lòng vật liệu có độ ẩm cao và nhiệt độ thấp, còn ở bên trên bề mặt vật liệu có độ ẩm thấp và nhiệt độ cao. Nếu xét về gradient độ ẩm thì ẩm sẽ đi từ độ ẩm cao đến nơi có độ ẩm thấp (ẩm từ trong ra ngoài). Nếu xét về gradient nhiệt độ thì ẩm sẽ di chuyển từ nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp (ẩm từ ngoài vào trong). Hai quá trình sẽ cản trở quá trình khuyếch tán ẩm lên trên bề mặt vật liệu. Kết quả chung của quá trình sẽ phụ thuộc vào sự tương quan giữa hai hiện tượng khuyếch tán này. 3. Vận tốc sấy và các giai đoạn sấy: Quá trình sấy xảy ra với vận tốc phụ thuộc vào dạng liên kết ẩm với vật liệu và cơ chế của quá trình di chuyển ẩm trong vật liệu. Động học của của quá trình sấy được đặc trưng bởi sự thay đổi theo thời gian của độ ẩm trung bình trong vật liệu đối với một lượng vật liệu khô tuyệt đối. Tốc độ sấy được định nghĩa là độ giảm lượng ẩm của vật liệu sấy dW sau một khoảng thời gian vô cùng bé dτ : τd dW V = (7.49) Tuy nhiên, tốc độ sấy V không phải là một hằng số mà nó biến đổi theo thời gian, và sẽ giảm dần theo mức độ giảm hàm ẩm trong vật liệu sấy. Khi sấy thường có khoảng 90% lượng ẩm trong vật liệu bốc hơi trong một nữa thời gian đầu của quá trình, còn lại 10% sẽ bốc hơi trong một nữa thời
  39. 39. 225 gian cuối. Do vậy ta không thể dùng trực tiếp công thức trên để tính tốc độ sấy chung được. Quan hệ giữa độ ẩm của vật liệu W và thời gian sấy τ, được biểu diễn bằng đường cong sấy, được xây dựng bằng thực nghiệm. W(%) gđ I gđ II dW/dτ A B C B gđ II gđ I •C D •D E Wth1 Wth2 Wcb E A O τ Wcb Wth2 Wth1 WAW% Hình 7.11. Đường cong sấy Hình 7.12. Đường cong vận tốc sấy θ(0 C) E θ = tk (nhiệt độ tác nhân sấy) D C θ = tư D A O Wcb Wth2 Wth1 WA W(%) Hình7.13. Đường cong nhiệt độ vật liệu sấy Đường liền: cho loại v.liệu sấy dạng lớp mỏng; Đường đứt: v.l lớp dày
  40. 40. 226 Trường hợp chung, đường cong sấy bao gồm một số đoạn tương ứng với các giai đoạn khác nhau của quá trình sấy. Trên hình 7.11, 7.12 và 7.13 đã chỉ ra: sau một khoảng thời gian đốt nóng rất ngắn (giai đoạn đốt nóng vật liệu), độ ẩm của vật liệu giảm không đáng kể theo đường AB, nhiệt độ của vật liệu sấy tăng đến tư tương ứng với trạng thái của không khí lúc sấy và tốc độ sấy tăng nhanh đến tốc độ cực đại. Sau đó, bắt đầu giai đoạn sấy với vận tốc sấy không đổi (giai đoạn sấy đẳng tốc, giai đoạn I), ở giai đoạn này độ ẩm của vật liệu giảm rất nhanh theo qui luật đường thẳng (đoạn BC), cho đến khi đạt độ ẩm tới hạn thứ nhất (Wth1), nhiệt độ của vật liệu vẫn không đổi và bằng nhiệt độ bay hơi nước ở bề mặt tự do (tư). Sau đó, bắt đầu giai đoạn sấy giảm tốc (giai đoạn II) thời gian sấy khá lớn, trong giai đoạn này sự giảm độ ẩm của vật liệu đến độ ẩm Wcb, và nhiệt độ của vật liệu sấy tăng dần cho đến khi bằng nhiệt độ của tác nhân sấy (tk) (được biểu diễn bằng đường cong CE). Trong trường hợp tổng quát giai đoạn này bao gồm hai giai đoạn khác nhau CD và DE (thời diểm này bắt đầu bay hơi ẩm liên kết). Điểm gãy D là điểm tới hạn thứ hai ứng với Wth2 (lúc này trên bề mặt vật liệu sấy đạt độ ẩm cân bằng còn trong lòng vật liệu thì độ ẩm vẫn lớn hơn độ ẩm cân bằng). Cuối giai đoạn II độ ẩm của vật liệu xấp xỉ độ ẩm cân bằng (Wcb), nghĩa là quá trình bay hơi đạt đến trạng thái cân bằng động. Qua các nhận xét ở trên, ta rút ra kết luận sau: Không kể giai đoạn AB vì thời gian xảy ra rất ngắn, ta chia quá trình sấy ra làm hai giai đoạn: - Giai đoạn I: giai đoạn sấy đẳng tốc, lúc này vật liệu còn nhiều nước, tốc độ khuyếch tán của nước bên trong vật liệu lớn hơn tốc độ bay hơi ở trên bề mặt vật liệu. Vì thế trong giai đoạn này, tốc độ sấy phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ bay hơi ẩm trên bề mặt vật liệu, nghĩa là phụ thuộc vào các yếu tố bên
  41. 41. 227 ngoài như nhiệt độ, tốc độ và độ ẩm của khhong khí sấy. Do vậy muốn tăng tốc độ sấy cho giai đoạn này thì ta phải thay đổi các yếu tố bên ngoài. Còn khi các yếu tố bên ngoài không đổi thì tốc độ sấy cũng không đổi. - Giai đoạn II: giai đoạn sấy giảm tốc, 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 ẩm trên bề mặt vật liệu. Do vậy tốc độ sấy trong giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu tốc độ khuyếch tán của nước trong vật liệu, nghĩa là tốc độ sấy không còn phụ thuộc vào các yếu tố bên nngoài nữa mà chỉ phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố bên trong. Muốn tăng tốc độ sấy của giai đoạn này ta phải khắc phục trở lực bên trong vật liệu như chiều dày và liên kết ẩm ban dầu của vật liệu. Vào cuối giai đoạn này, nhiệt độ của vật liệu sấy tăng dần cho đến khi bằng nhiệt độ của tác nhân sấy (khi đạt đến trạng thái cân bằng động). Vì vậy, ta phải cần khống chế nhiệt độ của tác nhân sấy không vượt quá nhiệt độ cho phép của vật liệu sấy. Việc xác định hai giai đoạn sấy có ý nghĩa quan trọng, vì từ đó ta có thể thiết lập hai chế độ sấy khác nhau thích ứng với đặc điểm của từng giai đoạn để vừa đảm bảo chất lượng sản phẩm, vừa tiết kiệm năng lượng và rút ngắn thời gian sấy. Thường dạng đường cong sấy trong giai đoạn giảm tốc rất phức tạp. Trong thực tế thường gặp các loại vật liệu sấy hoặc chỉ cho giai đoạn sấy đẳng tốc, hoặc chỉ cho giai đoạn sấy giảm tốc. 4. Tính tốc độ sấy: Vì tốc độ sấy trong mỗi giai đoạn biến đổi khác nhau, do đó phải tính tốc độ sấy cho từng giai đoạn. 4.1. Giai đoạn sấy đẳng tốc:
  42. 42. 228 Trong giai đoạn này tốc độ sấy là không đổi, lượng ẩm chủ yếu bốc hơi từ bề mặt tự do của vật liệu sấy. Lượng ẩm bay hơi dW tỷ lệ với lượng nhiệt dQ cần thiết cho quá trình sấy và được tính theo phương trình: bdQdW = (kg) (7.50) trong đó: b là hệ số tỷ lệ (kg/J) Mặt khác theo định luật cấp nhiệt, lượng nhiệt dQ do không khí cấp cho vật liệu sấy được xác định theo phương trình cấp nhiệt: τθα dtdQ )( −= (J) (7.51) trong đó: α - hệ số cấp nhiệt (W/m2 .độ) t, θ - nhiệt độ của không khí sấy và nhiệt độ trên bề mặt vật liệu sấy (0 C) τ - thời gian sấy (h) Thay phương trình (7.51) vào phương trình (7.50) ta có: τθα dtbdW )( −= (kg) (7.52) Đặt: αbKt = Suy ra: τθ dtKdW t )( −= (kg) (7.53) Đây là phương trình cấp khối biểu diễn lượng vật chất di chuyển được khi động lực của quá trình được thể hiện qua sự chênh lệch nhiệt độ (t - θ). Kt - hệ số cấp khối khi động lực của quá trình là sự chênh lệch nhiệt độ. Từ đây rút ra được phương trình tính tốc độ sấy trong giai đoạn này: )( θ τ −== tK d dW N t (7.54) Để biểu diễn động lực của quá trình cấp khối, người ta có thể dùng một trong các sự chênh lệch các thông số sau: W – Wcb: chênh lệch độ ẩm của vật liệu với độ ẩm cân bằng.
  43. 43. 229 t - θ : chênh lệch nhiệt độ của không khí sấy với nhiệt độ bề mặt vật liệu pbh - ph: chênh lệch áp suất hơi bão hòa với áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí. xbh - xh: chênh lệch hàm ẩm trên bề mặt vật liệu (ứng với trạng thái bão hòa) với hàm ẩm của không khí sấy. 4.2. Giai đoạn sấy giảm tốc: Quá trình sấy trong giai đoạn này khá phức tạp: thời gian lâu, lượng ẩm bay hơi ít. Để đơn giản vấn đề và với một mức độ gần đúng, chấp nhận tốc độ sấy giảm theo qui luật đường thẳng. Khi đó ta có thể xem như tốc độ sấy giảm tỷ lệ với độ ẩm tự do của vật liệu sấy và động lực của quá trình là hiệu số giữa độ ẩm tự do và độ ẩm cân bằng. Ta có phương trình tương tự như giai đoạn trên: )( 1 cbthc WWK d dW N −== τ (7.54) với cK : hệ số vận tốc sấy (hệ số cấp khối của vật liệu). Qua thực nghiệm và dựa vào phương trình đồng dạng, với từng trường hợp cụ thể ta tìm được các phương trình tính hệ số cấp khối Kc, Kt, Kx, ... Chú ý: Tốc độ sấy được xác định với mục đích là tính thời gian sấy. 5. Thời gian sấy: 5.1. Giai đoạn sấy đẳng tốc: Trong giai đoạn này độ ẩm của vật liệu coi như phân bố đồng đều trong toàn bộ tiết diện hạt vật liệu. Nghĩa là khi τ = 0 thì Wtd = const. Ngoài ra trong giai đoạn này hệ số dẫn ẩm (Ka) và cường độ bay hơi ẩm từ bề mặt vật liệu (m) cũng là hằng số. Cường độ bay hơi ẩm: n C K F W m a ∂ ∂ −== τ (7.55)
  44. 44. 230 Ka: hệ số dẫn ẩm (tương tự như hệ số cấp nhiệt α) phụ thuộc vào dạng liên kết ẩm, hầm ẩm, nhiệt độ sấy, ... và được xác định bằng thực nghiệm. n C ∂ ∂ : gradient nồng độ hay gradient độ ẩm, dấu “ – “ chỉ chiều của dòng ẩm ngược chiều với gradient độ ẩm n C ∂ ∂ . Nồng độ ẩm C bằng tích của độ ẩm theo vật liệu khô tuyệ đối với khối lượng riêng của vật liệu khô tuyệt đối (ρc). ctdWC ρ= (7.56) Thay C vào phương trình (7.55), ta có: n W Km td ca ∂ ∂ −= ρ (7.57) Mặt khác người ta tính được vận tốc trong giai đoạn đẳng tốc: 1 11.100 ττ th k td WW F G m d W N − == ∂ −= (7.58) W1: độ ẩm ban đầu của vật liệu. τ1: thời gian sấy giai đoạn I khi độ ẩm vật liệu thay đổi từ W1 đến Wth1. Vậy thời gian sấy giai đoạn I: N WW th11 1 _ =τ (7.59) Với: )( 1 cbthc WWK d dW N −== τ Chứng minh cách khác: Cường độ bốc hơi ẩm trong khoảng thời gian dτ : )( cbc tdk WWK Fd dWG Fd dW m −=−== ττ (7.60) suy ra: )( cbc tdk WWFK dWG d − −=τ (7.61)
  45. 45. 231 W -Wcb: biểu diễn động lực lúc cuối của giai đoạn I, và tại điểm C có một giá trị tới hạn xác định bằng Wth1. Vậy ta thay W = Wth1 là độ ẩm tới hạn kết thúc giai đoạn I, và thế vào phương trình (7.61): )( 1 cbthc tdk WWFK dWG d − −=τ (7.62) Khi τ = 0 đến τ1 thì độ ẩm sẽ biến thiên từ W1 đến Wth1 tức kết thúc giai đoạn I. Lấy tích phân phương trình (7.62) theo giới hạn trên, ta có: ∫∫ − −= 1 1 )( 1 1 0 thW W td cbthc k dW WWFK G d τ τ (7.63) Giải phương trình (7.62) ta được: cbth th c k WW WW FK G − − = 1 11 1τ (7.64) 5.2. Giai đoạn sấy giảm tốc: Đối với giai đoạn sấy giảm tốc việc xác định thời gian sấy rất khó khăn do hệ số đường cong vận tốc sấy rất phức tạp và rất khác nhau (có đoạn thẳng rồi đến đoạn cong, xem hình 7.12). Do vậy để đơn giản, và tính gần đúng ta xem đoạn CE là thẳng. Từ phương trình (7.61): )( cbc tdk WWFK dWG d − −=τ Vì W – Wcb: là động lực cuối của giai đoạn này, trong thực tế độ cuối của vật liệu sấy W2 không bao giờ đạt đến giá trị độ ẩm cân bằng Wcb, nghĩa là W2 > Wcb, và giá trị là chưa xác định được, do vậy không thể thay W=W2=const được mà W là một biến số ở mẫu số. Ta lấy tích phân từ τ = 0 (τ = 0 bắt đầu giai đoạn II chứ không phải bắt đầu quá trình sấy) đến τ =τ2 và độ ẩm sẽ biến thiên từ Wth1 đến W2.
  46. 46. 232 ∫∫ − −= 2 1 2 0 W W cb td c k th WW dW FK G d τ τ (7.65) Giải phương trình (7.64) ta được: cb th c k WW WW FK G − − = 2 21 2 lnτ (7.66) Thời gian sấy của cả hai giai đoạn là: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − + − − =+= cb th cbth th c k WW WW WW WW FK G 2 21 1 11 21 lnτττ (7.67) Hay: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − − −+−=+= cb th cbthth WW WW WWWW N 2 21 11121 ln)()( 1 τττ (7.68) Phương pháp tính toán thời gian sấy với việc sử dụng hệ số vận tốc sấy Kc của A.B Lucov là phương pháp phổ biến nhất, vì đơn giản, cho kết quả gần thực tế. IX. Cấu tạo máy sấy: (đọc tài liệu)
  47. 47. 233

×