GIÁO TRÌNH CÁC LOẠI THIẾT BỊ SẤY chuong 2

CHƯƠNG II: CƠ SỞ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY Đònh nghóa phân loại phương pháp làm khô vật liệu: a - Đònh nghóa: Qúa trình lấy chất lỏng (hơi nước) khỏi vật liệu gọi qúa trình sấy Bản chất sấy qúa trình khuyếch tán : Bao gồm qúa trình khuyếùch tán ẩm từ bên lớp bề mặt bên vật liệu qúa trình chuyển nước từ bề mặt vật liệu môi trường xung quanh Người ta phân biệt: - Sấy tự nhiên - Sấy nhân tạo + Sấy tự nhiên: Sấy không khí không đốt nóng, phương pháp thời gian sấy dài, khó điều chỉnh trình độ ẩm cuối vật liệu lớn vùng có khí hậu nhiệt đới nước ta + Sấy nhân tạo: Là qúa trình sấy có cung cấp nhiệt lượng từ bên ngoài, nghóa phải dùng đến tác nhân sấy gia nhiệt khói nóng, không khí nóng hơi… loại tác nhân hút khỏi thiết bò sau sấy xong Sấy nhân tạo nhanh độ ẩm vật liệu sau sấy nhỏ nhiều so với sấy tự nhiên b Phân loại phương pháp làm khô vật liệu : Tuỳ theo tính chất độ ẩm vật liệu, với yêu cầu mức độ vật liệu sau sấy ta có phương pháp sấy sau: + Phương pháp học: Dùng máy ép, lọc, ly tâm…để tách nước khỏi vật liệu Phương pháp dùng để tách sơ nước khỏi vật liệu (ví dụ: ly tâm đường trước sấy …) + Phương pháp hoá học: Dùng hoá chất để hút nước vật liệu, phương pháp đắt tiền, không kinh tế nên dùng +Phương pháp nhiệt: Dùng nhiệt làm bốc nước vật liệu, phương pháp sử dụng rộng rãi tách nước triệt để Trạng thái ngậm nước vật liệu Qúa trình sấy phụ thuộc vào nhiều đặc tính liên kết nước vật liệu với vật liệu Nước hay chất lỏng khác nằm vật liệu liên kết với vật liệu theo ba dạng chủ yếu: Liên kết dính ướt Liên kết lý Liên kết hoá học Các dạng vật liệu ẩm vật liệu ẩm Liên kết mao dẫn Liên kết hoá lý Liên kết thẩm thấu Liên kết hấp thụ 2.1 Liên kết lý: Đây dạng liên kết nước vật liệu tạo thành sức căng bề mặt nước mao dẫn bề mặt vật Liên kết học bao gồm liên kết dính ướt liên kết mao dẫn a Liên kết dính ướt: Là liên kết nước bám vào bề mặt vật ẩm, liên kết dính ướt dễ tách khỏi vật phương pháp bay Ngoài tách ẩm liên kết dính ướt phương pháp học như: lau, thấm, thổi, vắt, ly tâm… b Liên kết mao dẫn : Do nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản, ví dụ gỗ, vải … Các vật để không khí nước theo mao quản xâm nhập vào vật sức căng bề mặt Muốn tách nước khỏi vật cần làm cho ẩm bay đẩy ẩm áp suất lớn áp suất mao dẫn Phần lớn vật sau tách ẩm liên kết mao dẫn giữ kích thước, hình dáng tính chất hoá lý 2.2 Liên kết hoá lý: Là liên kết nước vật liệu tạo thành chênh lệch áp suất nước Liên kết hoá lý bao gồm liên kết hấp thụ liên kết thẩm thấu a.Liên kết hấp thụ: Một số vật ẩm ta gặp tự nhiên có dạng vật keo Vật keo có cấu tạo dạng hạt Những hạt có bán kính tương đương từ 0,001 đến 0,1 µm Do cấu tạo dạng hạt nên vật keo có bề mặt bên lớn Vì có lượng bề mặt tự đáng kể, lượng làm cho vật liệu có chênh lệch áp suất nước bên vật so với môi trường Khi tiếùp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với nước, ẩm xâm nhập vào vật theo bề mặt tự tạo thành liên kết hấp thụ nước bề mặt b.Liên kết thẩm thấu: Là liên kết hoá lý nước với vật rắn có chênh lệch nồng độ chất hoà tan tế bào tức có chênh lệch áp suất nước Quá trình thẩm thấu không kèm theo tượng tỏa nhiệt không làm cho vật biến dạng 2.3 Liên kết hoá học: Do phần tử nước trở thành phận thành phần hóa học vật sấy Quá trình sấy yêu cầu phải giữ nguyên tính chất hoá lý vật nên tách phầøn tử nước dạng liên kết khỏi vật sấy Các đặc trưng trạng thái ẩm vật liệu Trạng thái vật liệu ẩm xác đònh độ ẩm nhiệt độ Độ ẩm vật biểu thò qua: độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm toàn phần, độ chứa nồng độ ẩm a Độ ẩm tuyệt đối: tỉ số khối lượng ẩm chứa vật với khối lượng vật khô tuyệt đối – ký hiệu ω0[%] ω0 = Gn 100 Gk [%] [2-1] ω0 có giá trò từ → α (vật có ω0 = vật khô tuyệt đối, vật có ω = α vật chứa toàn nước) b Độ ẩm toàn phần: tỉ số khối lượng ẩm chứa vật với khối lượng vật ẩm – ký hiệu ω[%] ω= Gn Gn 100 = 100 G Gn + G k [%] [2-2] ω có giá trò từ đến 100% (vật có ω = vật khô tuyệt đối, vật có ω = vật chứa toàn nước) Từ biểu thức [2-1] [2-2] ta có quan hệ ω ω0 : G G ω.G ω ω0 = n 100 = 100 100 = = Gk G − Gn G − Gn 1− Gn G ω ω0 = ω 1− 100 ω ⇒ ω0 = ω 100 100 − ω [%] [2-3] c Độ chứa ẩm: tỉ số lượng ẩm chứa vật với khối lượng vật khô tuyệt đối – ký hiệu u [Kg ẩm/Kg vật khô] u= Gn Gk [Kg ẩm/Kg vật khô] [2-4] Độ chứa ẩm đặc trưng cho toàn vật mà đặc trưng cho vật thể Nếu độ chứa ẩm phân bố toàn vật thể ta có quan hệ sau: ω0 = 100.u [%] [2-5] d Nồng độ ẩm: khối lượng ẩm chứa 1m3 vật thể Ký hiệu N [Kg/m3] N= Gn V [Kg/m3] [2-6] Trong V : thể tích vật Nếu gọi ρ k khối lượng riêng vật khô tuyệt đối (ρk = Gk ) V Thì: N= Gn Gn Gk = = u.ρk V Gk V Nếu giả thiết thể tích vật ẩm không thay đổi trình sấy (thường giảm vật thể co ngót) tức V = Vk (Vk: thể tích vật khô tuyệt đối) ta có: N = u.ρ0 Trong ρ0 = Gk khối lượng riêng vật khô Vk tuyệt đối e Độ ẩm cân bằng: độ ẩm vật trạng thái cân với môi trường xung quanh vật Ở trạng thái độ chứa ẩm vật đồng phân áp suất nước bề mặt vật ẩm phân áp suất nước không khí ẩm Độ ẩm cân phụ thuộc trạng thái môi trường bao quanh vật, xác đònh giới hạn trình sấy dùng để xác đònh độ ẩm bảo quản loại vật liệu điều kiện môi trường khác Đường cong sấy đường cong tốc độ sấy Khái niệm tốc độ sấy: ĐN: Tốc độ sấy lượng ẩm (kg) bay mét vuông bề mặt vật liệu sấy đơn vò thời gian U= dW F.dτ [kg/m2.h] Trong đó: W – lượng ẩm bay thời gian sấy [kg] F - bề mặt chung vật liệu sấy [m 2] F = f.G Với f – bề mặt riêng vật liệu sấy G – khối lượng vật liệu sấy Ví dụ: bắp có f = 0,65 m2/kg lúa có f = 1,31 m2/kg đay có f = 2,78 m2/kg τ - thời gian sấy [h] Khi biết tốc độ sấy, ta tính thời gian sấy theo công thức: Gk (ω1 − ω2 ) [h] U.F Trong đó: Gk - lượng vật liệu khô tuyệt đối [kg/h] ω1 , ω2 - độ ẩm ban đầu cuối vật liệu τ= sấy Thực nghiệm chứng tỏ tốc độ sấy thay đổi theo trình, giảm dần với giảm hàm ẩm vật liệu Có đến 90% lượng ẩm tự bay thời gian đầu, 10% bay thời gian sau Đường cong sấy đường cong tốc độ sấy Đònh nghóa: Đường biểu diễn mối quan hệ độ ẩm vật liệu với thời gian sấy gọi đường cong sấy + Đường biểu diễn quan hệ độ ẩm vật liệu với tốc độ sấy gọi đường cong tốc độ sấy Trong trình sấy, lượng ẩm bốc từ vật sấy giảm dần theo thời gian có nghóa tốc độ sấy giảm dần theo thời gian Với loại vật liệu cụ thể, người ta tiến hành thực nghiệm để tìm mối liên hệ độ ẩm vật liệu với thời gian sấy thay đổi độ ẩm vật liệu với tốc độ sấy, tất liên hệ thể dạng biểu đồ trình sấy t, % A U =d F.d B K Umax tk B tư t1 cb K M C N C A cb % Nhận xét: * Đoạn AB: + Giai đoạn đốt nóng vật liệu, nhiệt độ vật liệu tăng lên đến nhiệt độ nhiệt kế ướt tư (nhiệt độ bão hòa ẩm bề mặt vật liệu) tương ứng với trang thái không khí lúc sấy + Độ ẩm vật liệu ω thay đổi không đáng kể + Tốc độ sấy U tăng nhanh đến cực đại * Đoạn BK: + Nhiệt độ vật liệu không thay đổi nhiệt độ nhiệt kế ướt + Độ ẩm vật liệu giảm nhanh, đặn theo đường thẳng + Tốc độ sấy không thay đổi (đẳng tốc) * Đoạn KC: + Vật liệu khô dần, nhiệt độ vật liệu tăng lên đến xấp xỉ nhiệt độ không khí sấy + Độ ẩm giảm dần đến trạng thái cân giai đoạn sau giảm chậm giai đoạn trước, điểm K gọi điểm tới hạn, đường KMC đường lý thuyết, đường KNC đường thực tế + Tốc độ sấy giảm dần đến gần Qua nhận xét kết luận trình sấy vật liệu ướt đến trạïng thái độ ẩm cân gồm có giai đoạn sau: + Giai đoạn đẳng tốc U = const: Lúc vật liệu nhiều nước, tốc độ khuyếch tán nước bên vật liệu lớn tốc độ bay nước bề mặt vật liệu Vì tốc độ sấy giai đoạn phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ bay nước bề mặt vật liệu Lượng nước khuyếch tán từ vật liệu bề mặt vật liệu đủ kòp thời để bốc nên lượng ẩm bay đặn U=const Do giai đoạn tốc độ sấy U không phụ thuộc vào yếu tố bên vật liệu chiều dài vật liệu, độ ẩm ban đầu vật liệu…mà phụ thuộc yếu tố bên nhiệt độ, tốc độ độ ẩm tác nhân sấy…Do giai đoạn muốn tang tốc độ sấy U thay đổi yếu tố bên + Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần: Lúc vật liệu tương đối khô, lượng nước vật liệu nên tốc độ khuyếch tán nước vật liệu giảm xuống nhỏ tốc độ bay nước bề mặt vật liệu Do tốc độ sấy U giai đoạn chủ yếu phụ thuộc tốc độ khuyếch tán nước bên vật liệu Lượng ẩm khuyếch tán giảm dần nên lượng ẩm bay giảm Do giai đoạn tốc độ sấy U không phụ thuộc yếu tố bên mà chủ yếu phụ thuộc yếu tố bên vật liệu Tốc độ sấy giai đoạn khó thay đổi theo ý muốn người thiết kế yếu tố bên vật liệu khó thay đổi nên thời gian sấy dài Trong giai đoạn vật liệu tương đối khô nên nhiệt độ vật liệu tăng dần lên xấp xỉ nhiệt độ không khí sấy Vì giai đoạn ta phải giữ nhiệt độ không khí sấy nhỏ nhiệt độ cho phép vật liệu Thời gian sấy Thời gian sấy thông số đặc biệt quan trọng sử dụng tính toán thiết kế vận hành thiết bò sấy (TBS) Thời gian sấy (TGS) phụ thuộc nhiều yếu tố loại vật liệu sấy, hình dáng, kích thước hình học vật liệu, độ ẩm đầu độ ẩm sau sấy vật liệu, loại TBS, phương pháp cung cấp nhiệt, chế độ sấy (nhiệt độ, độ ẩm tương đối tốc độ tác nhân sấy) số yếu tố khác Do việc xác đònh thời gian sấy phương pháp tính toán (giải tích) gặp nhiều khó khăn Cho nên tính toán thực tế TBS ta thường xác đònh TGS theo thực nghiệm, kinh nghiệm vận hành Phương pháp xác đònh TGS theo thực nghiệm cách đơn giản xây dựng mô hình thí nghiệm cho TBS cụ thể cần thiết kế, sau tiến hành sấy thử nghiệm xác đònh TGS Nguồn lượng, tác nhân sấy lựa chọn - Đặc trưng qúa trình sấy trình cấp nhiệt để bay nước từ vật sấy Nhiệt lượng cung cấp cho vật sấy bao gồm nhiều nguồn khác nhau, từ lượng nhiên liệu cháy xăng, dầu, gaz, gỗ, trấu, than đá điện năng, hóa năng, lượng sóng điện từ, lượng dòng điện cao tầng lượng mặt trời Việc sử dụng nguồn lượng hợp lý trình sấy yếu tố khách quan tính hiệu kinh tế, nguồn lượng có nhiều tận dụng nơi đặt thiết bò… phụ thuộc vào tính chất vật liệu sau sấy Ví dụ : Khi sấy bột giặt sử dụng nguồn lượng than đá đốt tạo thành khói nóng làm tác nhân sấy trực tiếp sản phẩm sau sấy bò đen không trắng sử dụng nguồn lượng gaz… - Ngoài có nguồn lượng có trữ lượng lớn lượng mặt trời nhiệt độ không cao nên việc sử dụng hạn chế - Hiện nay, phần lớn máy sấy sử dụng hai loại tác nhân sấy phổ biến không khí khói nóng (khói lò) Sấy khói lò có ưu điểm lượng cao (do không dùng gia nhiệt) kinh tế sấy không khí Ngoài khói lò có nhiệt độ cao nên sấy nhanh (đối với vật liệu chòu nhiệt độ cao) điều chỉnh thời gian sấy dễ dàng - Tuy nhiên, nhiều trường hợp dùng khói lò làm tác nhân sấy có nhiều bụi bẩn Ngoài nhiên liệu cháy không hết nên lãng phí - Tóm lại, việc lựa chọn nguồn lượng tác nhân sấy cho vật liệu sấy cụ thể trình phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố Tuy nhiên, tiêu hàng đầu đặt cho việc lựa chọn tính kinh tế chất lượng vật liệu sau sấy 6.Các yếu tố ảnh hưởng đến trình sấy: * Vật liệu sấy: + Bản chất vật liệu sấy: cấu trúc, thành phần hoá học, đặc tính liên kết ẩm + Hình dạng vật liệu: kích thước, chiều dày, bề mặt vật liệu… + Độ ẩm đầu, độ ẩm cuối độ ẩm tới hạn vật liệu + Trạng thái vật liệu sấy : tỉnh, động , tầng sôi * Tác nhân sấy: + Loại tác nhân sấy : không khí, khói lò + Độ ẩm, nhiệt độ, vận tốc tác nhân sấy + Điều kiện tiếp xúc (gián tiếp, trực tiếp) tác nhân sấy vật liệu sấy + Sự chênh lệch nhiệt độ ban đầu cuối tác nhân sấy * Cấu tạo máy sấy * Phương thức sấy * Chế độ sấy ... ω[%] ω= Gn Gn 100 = 100 G Gn + G k [%] [2- 2] ω có giá trò từ đến 100% (vật có ω = vật khô tuyệt đối, vật có ω = vật chứa toàn nước) Từ biểu thức [2- 1] [2- 2] ta có quan hệ ω ω0 : G G ω.G ω ω0 =... 1,31 m2/kg đay có f = 2, 78 m2/kg τ - thời gian sấy [h] Khi biết tốc độ sấy, ta tính thời gian sấy theo công thức: Gk (ω1 − 2 ) [h] U.F Trong đó: Gk - lượng vật liệu khô tuyệt đối [kg/h] ω1 , 2. .. [kg/m2.h] Trong đó: W – lượng ẩm bay thời gian sấy [kg] F - bề mặt chung vật liệu sấy [m 2] F = f.G Với f – bề mặt riêng vật liệu sấy G – khối lượng vật liệu sấy Ví dụ: bắp có f = 0,65 m2/kg