Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình gia nhiệt phục vụ công nghệ sấy nông sản dạng hạt

Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình gia nhiệt phục vụ công nghệ sấy nông sản dạng hạt

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học nông nghiệp Hà Nội

Phạm Minh Thành

-

 -Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình Gia nhiệt phục vụ công nghệ

sấy nông sản dạng hạt

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Chuyên ngành : Điện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn Mã ngành : 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Văn Hoà

Hà Nội - 2008

Lời cam đoan

- Tôi xin cam đoan: Kết quả nghiên cứu và các số liệu trong luận văn này là trung thực và ch−a đ−ợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào

- Tôi xin cam đoan: mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đ5 đ−ợc chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả

Phạm Minh Thành

Lời cảm ơn

Trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ khoa học: “Nghiên cứu

hệ thống điều khiển quá trình sấy nông sản dạng hạt” Tôi đ5 nhận được

sự giúp đỡ nhiệt tình của các tập thể, đồng nghiệp và những người thân

Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ: Nguyễn Văn Hoà đ5 tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn: Bộ môn Điều khiển tự động - Khoa Điện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đ5 tạo điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện luận văn này

Tôi xin cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo Bộ môn cung cấp và sử dụng

điện, Bộ môn điện kĩ thuật – Khoa Cơ Điện – Trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội đ5 đóng góp những ý kiến quý báu để tôi hoàn thiện luận văn này

Tác giả

Phạm Minh Thành

Mục lục

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các bảng v

Danh mục các hình vi

Lời mở đầu 1

Chương 1- Đặc điểm quá trình và thiết bị sấy 4

1.1 Tổng quan về hệ thống sấy 4

1.1.1 Phương pháp sấy 5

1.1.2 Phân loại hệ thống sấy 6

1.1.3 Hệ thống sấy tháp và một số kiểu tháp sấy thông dụng 8

1.1.4 Chế độ sấy 11

1.2 Tính chất ẩm của vật liệu sấy và tác nhân sấy 12

1.2.1 Tác nhân sấy 12

1.2.2 Tính ẩm của vật liệu sấy 18

1.3 Các thông số cơ bản của quá trình sấy đối lưu 20

1.3.1 Tính chất nhịêt vật lý của nông sản .20

1.3.2 Tính lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm 21

1.3.3 Lượng nhiệt tiêu hao cho quá trình sấy lý thuyết 22

1.3.4 Công nghệ sấy nông sản dạng hạt 23

1.3.5 Nhiệt độ cho phép của hạt 24

Chương 2 - Xây dựng mô hình quá trình sấy 25

A - Xây dựng mô hình động học quá trình sấy 25

2.1 Các đặc trưng của quá trình sấy 25

2.2 Mô hình sấy tĩnh nông sản 29

2.2.1 Mô hình quá trình đốt nóng liệu 30

2.2.2 Xây dựng mô hình quá trình sấy 33

B - Xây dựng hệ thống thí nghiệm khảo sát quá trình sấy 38

2.1 Tổng quát chung về mô hình sấy 38

2.2 Nghiên cứu, khảo sát, hiệu chỉnh các phần tử 41

2.2.1 Giới thiệu về Triac 41

2.2.2 Giới thiệu về TCA785 .44

2.2.3 Bộ chuyển đổi R/U 50

2.2.4 Bộ khuếch đại tín hiệu cặp nhiệt 52

2.2.5 Giao diện với máy tính: Card A/D – D/A 53

Chương 3 - Tổng hợp hệ thống đIều khiển 56

3.1 Các phương pháp xác định đặc tính động học của đối tượng 56

3.1.1 Cơ sở lý thuyết 57

3.1.2 Xác định mô tả toán học của đối tượng 59

3.2 Các bước xác định thông số của bộ điều khiển 61

3.2.1 Xác định thông số bộ điều khiển theo đặc tính thời gian của đối tượng điều khiển 62

3.2.2 Tổng hợp theo Chien, Hrone và Reswich 64

3.2.3 Xác định thông số bộ điều khiển PI bằng thực nghiệm 66

3.3 Khảo sát thực nghiệm hệ thống điều khiển nhiệt độ gió 69

Chương 4 - Khảo sát thực nghiệm quá trình sấy 73

4.1 Khảo sát quá trình nung liệu khô 73

4.2 Khảo sát quá trình nung liệu ẩm 76

4.3 Khảo sát sự thay đổi độ ẩm theo thời gian sấy 81

Kết luận và kiến nghị 83

1.1 Kết luận 83

1.2 Kiến nghị 83

Tài liệu tham khảo 84

Danh mục các bảng

Bảng 1 Đặc tr−ng kỹ thuật của hệ thống sấy chớp 10

Bảng 2 Đặc tr−ng kỹ thuật của máy 11

Bảng 3 Độ ẩm bảo quản các hạt ngũ cốc 19

Bảng 4 Bảng độ ẩm giới hạn bảo quản và nhiệt độ giới hạn khi sấy 23

Bảng 3.1 Thông số bộ điều khiển theo công thức thực nghiệm 63

Bảng 3.2 Thông số bộ điều khiển theo công thức kinh nghiệm 63

Bảng 3.3 Công thức tính toán thông số bộ điều khiển theo

Chien, Hrone và Reswich 64

Bảng 3.4 Công thức tính toán thông số bộ điều khiển −u tiên thời gian quá độ ngắn theo Chien, Hrone và Reswich 64

Bảng 3.5 Thông số bộ điều khiển theo Chien, Hrone và Reswich 64

Bảng 3.6 Thông số bộ điều khiển −u tiên thời gian quá độ ngắn theo Chien, Hrone và Reswich 65

Bảng 4.1: Kết quả tính toán thông số nung 76

Bảng 4.2: Kết quả đo và tính toán hệ số truyền nhiệt α 80

Bảng 4.3 Kết quả khảo sát quá trình sấy ngô 81

Danh mục các hình

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị I-d của hệ thống sấy có

đốt nóng trung gian 11

Hình 1.2 Đồ thị I-d của quá trình sấy 16

Hình 2.1 Sự thay đổi độ chứa ẩm và nhiệt độ vật trong quá trình sấy 26

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc sấy tĩnh 29

Hình 2.3 Mô hình cân bằng nhiệt 30

Hình 2.4 Mô hình động học của lớp liệu 32

Hình 2.5 Mô hình nung 5 lớp 34

Hình 2.6 Mô hình quá trình sấy 37

Hình 2.7 Sơ đồ mô hình sấy 39

Hình 2.8 Triac BTA41 41

Hình2.9 Cấu trúc bán dẫn 42

Hình 2.10 Kí hiệu Triac 42

Hình 2.11 Đặc tính V-A 43

Hình 2.12 Điều khiển Triac bằng dòng điều khiển âm 43

Hình 2.13 Mô hình TCA785 44

Hình 2.14 Chức năng các chân của TCA785 45

Hình 2.15 Mô hình tạo xung của TCA785 46

Hình 2.16 Cấu tạo bên trong TCA785 47

Hình 2.17 Mạch khuyếch đại công suất 49

Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi R/U 50

Hình 2.19 Sơ đồ mạch khuyếch đại tín hiệu cặp nhiệt 52

Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý Card A/D - D/A 54

Hình 3.1 Đường qúa độ của đối tượng tự cân bằng 57

Hình 3.2 Đồ thị đường quá độ H1 (t) 58

Hình 3.3 Đường quá độ của đối tượng điều khiển 60

Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều chỉnh nhiệt độ gió 61

Hình 3.5 Hàm quá độ của đối tượng tự cân băng và cách xác định T và τ 62

Hình 3 6 Kết quả mô phỏng với K = 4,86 Ti = 139 63

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng với Km = 4,125 Ti = 69 65

Hình 3.8 Kết quả mô phỏng với Km = 4.125 Ti = 198 65

Hình 3.9 Kết quả khảo sát với Km = 2,8 Ti = 0 67

Hình 3 10Kết quả mô phỏng với Km = 2,8 Ti = 201 68

Hình 3.11 Kết quả khảo sát với Ti = 201 và Km = 3.2 Km = 4 Km = 4,5 68

Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc thiết bị điều chỉnh trong Real Time Toolbox 69

Hình 3.13 Kết quả khảo sát thực nghiệm đường 70

Hình 3.14 Kết quả khảo sát với Km = 5 71

Hình 3.15 Kết quả khảo sát với Km = 5 và Ti = 148 71

Hình 3.16 Xác định thông số bộ điều khiển bằng thực nghiệm 72

Hình 4.1 Đồ thị thay đổi nhiệt độ khi nung liệu khô 74

Hình 4.2 Kết quả thí nghiệm khảo sát quá trình sấy 77

lời mở đầu

Hiện nay Việt Nam là nước có khoảng 80% dân số làm nông nghiệp Như vậy vấn đề bảo quản thực phẩm và nông sản là một vấn đề rất được quan tâm, chú trọng nhất là đối với nước có khí hậu nhiệt đới như nước ta Với đặc điểm nắng nóng, mưa nhiều không khí luôn có độ ẩm lớn gây nhiều khó khăn cho việc bảo quản nông sản Đr không ít những vụ mùa nông dân phải chịu những thiệt hại nghiêm trọng do nông sản thu hoạch được bị hỏng, ẩm mốc chỉ vì không kịp xử lý đúng cách Có rất nhiều phương pháp để bảo quản tuỳ theo từng loại nông sản, một trong những phương pháp được sử dụng phổ biến nhất

là sấy khô Đây là phương pháp truyền thống, được sử dụng từ rất xa xưa và cho đến nay nó vẫn là phương pháp chủ yếu để bảo quản nông sản Do vậy, việc nghiên cứu nhằm tìm kiếm các giải pháp công nghệ sấy khô nông sản sau thu hoạch là một vấn đề rất cần thiết Các giải pháp này cần phù hợp với đặc

điểm sản xuất hộ gia đình của nước ta, đặc điểm thời tiết trong vụ thu hoạch, tập quán sản xuất và điều kiện kinh tế vùng nông thôn

Ta chia sấy làm hai phương pháp là sấy tự nhiên và sấy nhân tạo:

- Không thể làm khô sản phẩm thu hoạch trong mùa mưa ẩm

- Năng suất không cao do thực hiện thủ công và chỉ thực hiện được khi điều kiện thời tiết thuận lợi

- Chất lượng của sản phẩm không được đảm bảo, không có độ khô đồng

đều trong sản phẩm sấy Chất lượng phụ thuộc vào tình trạng thời tiết Những

ngày nắng to sản phẩm dễ bị làm khô quá mức, những ngày thời xấu tốc độ làm khô chậm dễ gây ra ẩm mốc nhất là trong những ngày mưa

+ Phương pháp sấy nhân tạo:

Đây là phương pháp mang tính tích cực chủ động, đảm bảo được năng suất

và chất lượng như ý muốn trong mọi điều kiện thời tiết và tuỳ vào mục đích của ta là bảo quản nông sản để làm giống hay làm lương thực mà ta sẽ áp dụng các công nghệ sấy khác nhau Hiện nay trên thế giới đr có rất nhiều thiết

bị sấy hiện đại nhưng khó để áp dụng được ở Việt Nam vì những lý do sau:

- Giá thành của thiết bị qúa cao

- Quy mô các thiết bị sấy là quá lớn không đảm bảo tính kinh tế khi áp dụng với điều kiện sản xuất nhỏ theo nông hộ ở nước ta

- Giá thành của sản phẩm sấy đắt do chi phí quá lớn trong quá trình thực hiện sấy

Tuy nước ta đr có các công trình nghiên cứu về việc bảo quản các nông sản nhưng việc áp dụng các công trình này vào thực tế còn gặp nhiều vấn

đề, nhất là việc tìm ra được một hệ thống thực sự thích hợp có thể được áp dụng rộng rri trong sản xuất Nguyên nhân là do kết quả khảo sát của các công trình nghiên cứu này còn chưa được thử nghiệm đủ nhiều để đảm bảo rằng kết quả thu được là hoàn toàn thích hợp với đặc điểm của các sản phẩm nông nghiệp, đặc điểm của thời tiết, khí hậu, điều kiện tự nhiên cũng như tình hình kinh tế của nước ta hiện nay Mặt khác một số các hệ thống sấy đang được dùng trong nông nghiệp thường là các sản phẩm được chế tạo dựa trên kinh nghiệm đúc kết được từ thực tế sản xuất, như vậy thì chúng chỉ có thể được dùng trong một điều kiện nhất định nào đấy, cho một sản phẩm nông nghiệp nhất định nên không có tính linh hoạt và cũng không

đảm bảo được chất lượng của nông sản được sấy khi các điều kiện thay đổi Nhưng điều đó cũng cho ta thấy rằng việc nghiên cứu, xây dựng các hệ thống sấy thực nghiệm trong nhiều trường hợp khác nhau là rất cần thiết để

có thể từ đó đưa ra các kết luận tổng quát và vững chắc trong quá trình nghiên cứu, xây dựng các hệ thống sấy sau này

Xuất phát từ những thực tiễn đặt ra, được sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Hoà tác giả đr chọn đề tài: "Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình gia nhiệt phục vụ công nghệ sấy nông sản dạng hạt"

Chương 1

đặc đIểm quá trình và thiết bị sấy 1.1 Tổng quan về hệ thống sấy

Thiết bị sấy là thiết bị nhằm thực hiện quá trình làm khô các vật liệu, chi

tiết, hoặc sản phẩm nhất định làm cho chúng đạt đến độ ẩm thích hợp theo yêu

cầu Chất lỏng chứa trong vật liệu sấy hoặc sản phẩm thường là nước Trong

kỹ thuật sấy thường gặp các quá trình tách các chất lỏng hữu cơ khỏi các chi

tiết sản phẩm

Do yêu cầu công nghệ mà vật liệu sấy có thể có các dạng sau đây: dạng

cục, dạng hạt, dạng tấm phẳng, dạng thể tích…Dạng vật liệu sấy là một trong

những nhân tố hàng đầu quyết định dạng thiết bị sấy đối lưu hay bức xạ Dạng

vật liệu sấy là tấm phẳng như vải, giấy,… thì thường dùng thiết bị sấy tiếp

xúc Vật liệu cần sấy là dịch thể thì thường dùng thiết bị sấy phun

Thiết bị sấy thường được chia ra mấy nhóm sau, tùy theo phương pháp cấp

nhiệt cho vật liệu sấy:

- Sấy đối lưu: Nguồn cấp nhiệt cho quá trình sấy thường là không khí

hoặc khói lò, trao đổi nhiệt đối lưu từ môi trường sấy Trong hệ thống sấy đối

lưu có các loại sau: hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy thùng

quay, hệ thống sấy tháp, hệ thống sấy khí động, hệ thống sấy tầng sôi

- Sấy bức xạ: Nguồn nhiệt cung cấp bằng cách truyền nhiệt bức xạ từ

nguồn nhiệt tới vật sấy, để ẩm dịch chuyển từ trong vật liệu sấy ra bề mặt

khuyếch tán vào môi trường

- Sấy tiếp xúc: Cung cấp nhiệt bằng cách tiếp xúc trực tiếp giữa vật sấy

với bề mặt gia nhiệt Như vậy hệ thống sấy tiếp xúc tạo ra độ chênh lệch áp

suất nhờ tăng áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy

- Các hệ thống sấy khác: Ngoài ba hệ thống sấy trên, trong các hệ

thống sấy còn có hệ thống sấy dùng năng lượng điện từ trường để đốt nóng

vật Trong các hệ thống sấy loại này, khi vật liệu sấy đặt trong môi trường

điện từ thì trong vật xuất hiện các dòng điện và chính dòng điện này đốt nóng vật Hệ thống sấy loại này tạo ra độ chênh lệch áp suất giữa vật liệu sấy và môi trường đốt nóng vật

độ hơi tăng lên trong các mao quản, theo công thức:

Trong đó: pr là áp suất hơi bề mặt mao dẫn, p0 là áp suất trên bề mặt thoáng

Hệ thống sấy có hai cách để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường:

- Cách thứ nhất là giảm áp suất của tác nhân sấy bằng cách đốt nóng

nó

- Cách thứ hai là tăng áp suất hơi nước trong vật liệu sấy

Trong hệ thống sấy đối lưu sử dụng cả hai phương pháp này, hệ thống sấy bức xạ, hệ thống sấy tiếp xúc và hệ thống sấy dùng dòng cao tần thì sử dụng cách đốt nóng vật

1.1.1.2 Phương pháp sấy lạnh

Phương pháp sấy lạnh là sự tạo chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy chỉ bằng cách giảm áp suất hơi nước trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa hơi ẩm d Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra

bề mặt và từ mặt vào môi trường có thể lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt độ môI

trường hoặc nhỏ hơn 00C Phương pháp sấy lạnh phân làm ba loại hệ thống sấy:

bề mặt

Đặc điểm chung của hệ thống sấy:

- Vật liệu sấy nhận nhiệt bằng dẫn nhiệt từ một bề mặt hay một dịch thể

được đốt nóng và thải ẩm vào không gian xung quanh Vì vậy, để tăng cường qúa trình thải ẩm người ta có thể kết hợp với phương án trao đổi nhiệt ẩm đối lưu cưỡng bức trên bề mặt kia của vật liẹu sấy Về mặt trao đổi nhiệt ẩm, có thể xem đây là bài toán đốt nóng với điều kiện biên loại một và loại ba kết hợp: phía bề mặt đốt nóng là loại một và phía bề mặt tự do là loại ba

- Được sử dụng nhiều trong công nghiệp như giấy, vải, mỳ ăn liền, và vật liệu làm keo dính…

- Ưu điểm: có tính chất ngâm tẩm, cường độ sấy cao và thời gian sấy ngắn

Có thể phân loại hệ thống sấy bức xạ theo nguồn năng lượng đốt nóng

bề mặt bức xạ

- Hệ thống sấy bức xạ dùng đèn hồng ngoại

- Hệ thống sấy dùng bề mặt bức xạ

Nhược điểm: Nhiệt độ đốt cao, tiêu hao nhiệt lượng lớn

ưu điểm: Vừa sấy vừa diệt nấm mốc, sấy ở nhiệt độ cao

1.1.2.3 Hệ thống sấy đối lưu

Trong hệ thống sấy đối lưu có các dạng sau:

Trong hệ thống sấy đối lưu, hệ thống sấy buồng được sử dụng rộng rri nhất

Bộ phận chính của hệ thống sấy này là buồng sấy Trong buồng sấy bố trí các thiết bị đỡ vật liệu sấy hay còn gọi là thiết bị chuyền tải

Phân loại hệ thống sấy buồng:

- Nếu dung lượng buồng sấy bé và thiết bị chuyền tải là các khay sấy thì người ta gọi là hệ thống sấy buồng này là tủ sấy

- Nếu dung lượng buồng sấy lớn và thiết bị chuyền tải là các xe goòng thì người ta gọi là hệ thống sấy buồng kiểu xe goòng

Nhược điểm: hệ thống sấy buồng do cấu tạo của nó, là hệ thống sấy theo từng chu kỳ mẻ một nên năng suất không lớn và không liên tục

ưu điểm: do hình dạng cấu tạo của nó nên có thể sấy nhiều dạng vật

1.1.2.5 Hệ thống sấy hầm

Khác với hệ thống sấy buồng, trong hệ thống sấy hầm là một hầm sấy dài, vật liệu sấy đi vào đầu này và ra đầu kia của hầm Thiết bị chuyển tải trong hệ thống sấy hầm là xe goòng hoặc băng tải Tác nhân sấy và vật liệu sấy đi ng−ợc chiều nhau tạo khả năng trao đổi nhiệt ẩm cao

Đặc điểm chủ yếu của hệ thống sấy hầm là bán liên tục hoặc liên tục, do cấu tạo của nó có thể sấy đ−ợc nhiều dạng vật liệu sấy khác nhau nh− dạng cục, dạng hạt… do cấu tạo có khả năng cơ giới hóa nên nó có năng suất của nó lớn hơn hệ thống sấy buồng Là thiết bị sấy dùng rộng rri trong công nghiệp

1.1.2.6 Hệ thống sấy thùng quay

Cấu tạo hệ thống sấy thùng quay: là hệ thống sấy chuyên dùng để sấy hạt, cục nhỏ Nó đ−ợc dùng rộng rri trong công nghệ sau thu hoạch để sấy các hạt ngũ cốc Cấu tạo chính của hệ thống sấy thùng là một thùng sấy hình trụ tròn Thùng sấy đ−ợc đặt nghiêng với mặt phẳng nằm ngang theo tỷ lệ 1/15 ữ 1/50

Nguyên lý hoạt động: Thùng sấy quay với tốc độ 1,5 ữ 8 vòng/phút nhờ một

động cơ điện thông qua một hộp giảm tốc Vật liệu sấy từ phễu chứa đi vào thùng sấy cùng với tác nhân sấy Thùng sấy quay tròn, vật liệu sấy vừa bị xáo trộn vừa đi dần dần từ đầu cao xuống đầu thấp Trong quá trình này, tác nhân sấy và vật liệu sấy trao đổi nhiệt ẩm cho nhau Vật liệu đi hết chiều dài thùng sấy đ−ợc lấy ra và đ−ợc vận chuyển vào kho nhờ băng tải

1.1.3 Hệ thống sấy tháp và một số kiểu tháp sấy thông dụng

A Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Có nhiều hệ thống sấy với kiểu dáng cấu trúc khác nhau Hệ thống sấy tháp

là một trong những hệ thống trên, nó chuyên dùng sấy vật liệu nh− thóc, ngô, lúa mỳ…

Cấu tạo của hệ thống sấy tháp gồm có tháp sấy trong đó đặt các kênh dẫn

và kênh thải tác nhân sấy (khí nóng) Tháp sấy là cả khối hình hộp hoặc là khối hình hộp đ−ợc chia nhỏ thành những khối con Vật liệu sấy đ−ợc gầu

múc hoặc băng tải đổ từ đỉnh tháp di chuyển xuống dưới Tác nhân sấy từ các kênh dẫn xuyên qua lớp vật liệu sấy vào kênh thải rồi thải ra môi trường

Như vậy tác nhân sấy và vật liệu sấy thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, hơi ẩm cho nhau theo phương thức đối lưu Hệ thống sấy tháp có thể hoạt

động liên tục hoặc gián đoạn tùy vật liệu sấy và độ ẩm ban đầu của nó

Sấy là một quá trình công nghệ phức tạp, nó có thể được thực hiện trên các thiết bị sấy khác nhau ứng với mỗi loại vật liệu sấy mà người ta chọn chế

độ sấy thích hợp nhằm năng suất đạt cao nhất, chất lượng sản phẩm sau sấy tốt nhất và tiết kiệm năng lượng

Có ba hình thức di chuyển vật liệu sấy trong tháp:

- Vật liệu sấy rơi tự do trong tháp sấy liên tục nhờ trọng lực, đây là hệ thống sấy làm việc liên tục Nó được điều chỉnh bởi vít nở

- Vật liệu sấy được đưa vào tháp theo từng phần của tháp, tốc độ dịch chuyển của hạt và lượng hạt được khống chế nhờ định kỳ và số lượng hạt lấy

ra đưa vào Như vậy, hệ thống sấy tháp kiểu này là bán liên tục

- Vật liệu di chuyển từ trên xuống, tốc độ của nó được điều chỉnh bởi cơ cấu cơ khí chuyên dùng Nhờ cơ cấu này mà tháp sấy có thể hoạt động liên tục hoặc bán liên tục

B Kết cấu chung của tháp sấy

Hệ thống sấy tháp có nhiều kết cấu khác nhau nhưng về nguyên tắc người ta tổ chức cho hai dòng vật liệu sấy và tác nhân sấy đi xuyên qua nhau để tăng cường quá trình nhiệt ẩm Có thể bố trí các kênh dẫn và kênh thải xen kẽ nhau Các kênh dẫn nối với ống góp cung cấp tác nhân sấy Ngược lại, kênh thải nối với ống góp

để thải khí tác nhân sấy Tác nhân sấy từ các kênh dẫn xuyên qua lớp hạt, thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm với vật liệu sấy và đi vào kênh thải ra ngoài

1.1.3.1 Hệ thống sấy tháp dạng thùng

Tháp sấy dạng thùng có dạng hình hộp chữ nhật được ngăn bởi nhiều tấm thép có đục lỗ tạo thành các kênh dẫn tác nhân sấy và vật liệu sấy xen kẽ

nhau Lớp hạt nằm giữa các tấm thép cách nhau 110mm Tháp có tất cả 10 thùng con với diện tích bề mặt các tấm thép khoảng 9 ữ 10 m2

Nhược điểm của hệ thống sấy tháp dạng thùng là các lỗ trên các tấm thép

dễ bị mắc kẹt

1.1.3.2 Hệ thống sấy tháp dạng chớp

Để khắc phục nhược điểm của hệ thống tháp dạng thùng, người ta đr chế tạo hệ thống sấy tháp dạng chớp Có rất nhiều kiểu chớp khác nhau, hình thẳng hoặc cong và quay được Chớp bố trí theo chiều thẳng cách nhau một lớp vật liệu sấy dày từ 100 – 150 mm

- Tác nhân sấy được đưa vào hai phía khác của lớp vật liệu sấy và tăng dần từ dưới lên trên nên có khả năng tăng cường tốc độ sấy

- Hệ thống sấy có hai vùng: vùng sấy và vùng làm mát, buồng đốt có thể dùng than, củi hoặc vật liệu khác

- Hệ thống sấy được chia thành 4 tháp con có hệ thống sấy phân phối và thải tác nhân sấy cũng như không khí làm mát

- Hệ thống sấy dùng quạt thấp áp

Đặc trưng kỹ thuật của hệ thống sấy chớp cho bảng 1

Bảng 1 Đặc trưng kỹ thuật của hệ thống sấy chớp

Nhờ cơ cấu quay mà không những có thể điều chỉnh tác nhân sấy đi qua các lớp hạt mà vật liệu sấy cũng được xáo trộn

Đặc tr−ng kỹ thuật của máy cho trong bảng 2

Bảng 2 Đặc tr−ng kỹ thuật của máy

Đặc tr−ng kỹ thuật Model (I) Model (II)

Chế độ sấy đ−ợc hiểu là quy trình tổ chức quá trình sấy mà chủ yếu là cách

tổ chức quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy với

các thông số của nó để đảm bảo năng suất hệ thống sấy nh− yêu cầu, chất

l−ợng sản phẩm tốt, chi phí vận hành và năng l−ợng ít

1.1.4.1 Chế độ sấy đốt nóng trung gian

Chế độ sấy có đốt nóng trung gian đ−ợc thực hiện khi vật liệu sấy không

chịu đ−ợc nhiệt độ cao

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị I-d của hệ thống sấy có

đốt nóng trung gian

Chế độ sấy đốt nóng trung gian bảo đảm được nhiệt độ tối đa mà vật liệu sấy phải chịu và làm cho ẩm thoát ra khỏi vật liệu sấy một cách từ từ Sơ

đồ nguyên lý và đồ thị I – d của hệ thống sấy có đốt nóng trung gian

Trong hệ thống sấy không có đốt nóng trung gian ABC, thì nhiệt lượng để bốc hơi 1kg ẩm q0:

0 2 0

d d

I I

1 2 0 1 1

C

B B C

A B TG

d d

I I d d

I I q

ư

ư +

1.1.4.2 Chế độ sấy hồi lưu một phần

Để giảm tổn thất do tác nhân sấy mang đi người ta sử dụng chế độ sấy hồi lưu một phần Có thể thực hiện hồi lưu trước calorifer và hồi lưu sau calorifer

Ưu điểm: tiết kiệm năng lượng, tạo chế độ sấy dịu làm cho sản phẩm ít cong vênh, giòn dễ vỡ

Nhược điểm: vốn đầu tư lớn, năng lượng tiêu tốn khi vận hành

1.2 Tính chất ẩm của vật liệu sấy và tác nhân sấy

Diễn biến của quá trình sấy phụ thuộc vào tính chất ẩm của vật liệu sấy và không khí sấy (tác nhân sấy) Đây là những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt, truyền chất trong quá trình sấy Việc nghiên cứu quá trình sấy phải được bắt đầu từ việc nghiên cứu các tính chất này

1.2.1 Tác nhân sấy

Tác nhân sấy là lượng không khí dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật sấy Trong quá trình sấy không khí sấy luôn bị bổ xung một lượng ẩm tách

ra từ vật sấy dẫn ra môi trường Nếu lượng ẩm này không được thải đi thì quá

trình bốc hơi ẩm từ vật sấy không tiếp tục được nữa do cân bằng áp suất hơI sấy Do đó cùng với việc cấp nhiệt cho vật sấy ta phải tìm cách đưa lượng không khí ẩm thoát ra từ vật sấy ra môi trường

Có hai loại tác nhân sấy được dùng là không khí nóng và không khí:

- Loại tác nhân sấy thứ nhất: vừa dùng gia nhiệt cho vật vừa dùng làm môI trường chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật sấy, nó thải vào môi trường lượng không khí nóng, khói nóng, hơi nước…

- Loại tác nhân thứ hai: chỉ dùng chuyên chở ẩm tách ra từ vật liệu sấy

và làm mát vật liệu sấy dần dần cho bằng nhiệt độ môi trường, tránh làm nguội đột ngột ảnh hưởng đến bề mặt vật và chất lượng của vật liệu sấy

Tác nhân sấy lấy lượng không khí từ môi trường nên nó có lượng hơi nước nhất định, trong quá trình sấy độ ẩm của nó tăng lên vì vậy ảnh hưởng

đến quá trình sấy Yêu cầu nhà thiết kế phải nắm được đặc tính của lượng không khí ẩm để thiết kế hệ thống được tối ưu

1.2.1.1 Khái niệm cơ bản về không khí ẩm

Không khí ẩm được sử dụng rất rộng rri nó là hỗn hợp của hơi nước và một

số chất khác, chủ yếu là oxy(O2) chiếm 20,95%, Nitơ (N2) chiếm 78,09% thành phần thể tích không khí hoặc 23,3% (O2) và 76,7% (N2) theo thành phần khối lượng không khí Nếu tách lượng hơi nước ta được không khí khô - không khí ẩm là hỗn hợp không khí khô và hơi nước Vì phần áp suất hơi nước trong không khí ẩm nhỏ hơn hơi nước ở đây có thể xem như là khí lý tưởng 1.2.1.2 Các loại không khí ẩm

Tùy theo lượng hơi nước chứa trong lượng không khí ẩm, có thể chia thành

ba loại: không khí ẩm bro hòa, không khí ẩm chưa bro hòa và khí ẩm quá bro hòa

- Không khí ẩm chưa bro hòa: là không khí ẩm trong đó còn có thể nhận thêm một lượng hơi nước nhất định nữa từ các vật khác bay hơi vào Hơi nước

ở đây là hơi nước quá nhiệt

- Không khí ẩm bro hòa: là không khí ẩm trong đó không thể nhận thêm một lượng hơi nước nào nữa từ các vật khác bay hơi vào, hơi nước ở đây là hơi nước bro hòa khô

- Không khí ẩm quá bro hòa: là không khí ẩm bro hòa và còn chứa thêm một lượng hơi nước nhất định, ví dụ là sương mù

+ Đối với hơi nước: PhV = GhRhT, với Rh = 462 J/Kg 0K

1.2.1.4 Các đại lượng của không khí ẩm

- Độ ẩm tuyệt đối: Nếu trong V (m3) không khí ẩm có chứa Gh(kg) hơi nước, theo công thức:

) /

V

G h

= ρ

- Độ ẩm tương đối ϕ:

Độ ẩm tương đối ϕ: là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm chưa bro hòa ρhvà của không khí ẩm bro hòa ρmaxở cùng nhiệt độ:

max

h

h p

p

Trong đó:

ph - phần áp suất hơi nước trong không khí ẩm chưa bro hòa

phmax - phần áp suất hơi nước trong không khí ẩm bro hòa

Giá trị: phmax tra từ bảng hơi nước và hơi bro hòa (theo t0) với nhiệt độ th = t

h

p p

p G

h

h p p

p d

đổi, ph = const Từ tra bảng nước và hơi nước bro hòa, khi biết ph ta tìm được nhiệt độ ts

- trục hoành là độ chứa hơi d đơn vị g hơi/kg không khí khô

Hình 1.2 Đồ thị I-d của quá trình sấy

- Ta thường dùng loại đồ thị có p = 750mmHg, I tạo với d một góc

1350:

+ t = const là đường thẳng chếch phía trên, đơn vị 0C

+ d = const là đường thẳng đứng, đơn vị g hơi/kg không khí khô

+ I = const là đường nghiêng 1350, đơn vị KJ/kg hoặc Kcal/kg

+ ϕ = const là đường cong đi lên khi gặp đường nhiệt độ t = 1000C sẽ là

đường đứng

Ph = const là đường phân áp suất của hơi nước, đơn vị mmHg

b) ứng dụng đồ thị I – d

Xác định thông số của không khí ẩm

Nếu cho biết hai thông số của không khí ẩm, thí dụ t1 và ϕ1 thì giao

đIểm 1 của hai đường t1 = const và ϕ1 = const trên đồ thị sẽ biểu thị trạng thái đó và từ đó xác định được I1, d1, ph1, ts1, phmax, dmax

Vì quá trình đó d không đổi, nên là đường song song với trục I, nếu đốt nóng, I và t tăng, đường biểu diễn đi từ dưới lên Quá trình làm nóng và làm lạnh không khí đơn giản nhất là trong trường hợp không khí với một bề mặt khô có nhiệt độ cao hơn (khi làm nóng) hoặc nhiệt độ thấp hơn khi cần làm lạnh Nếu không khí không thay đổi Do đó quá trình làm nóng hay làm lạnh không khí trên đồ thị I – d xảy ra theo hướng độ ẩm không thay đổi có nghĩa

là theo hướng thẳng đứng

d) Quá trình sấy

Quá trình sấy là quá trình làm khô vật cần sấy Môi chất dùng để sấy thường là không khí Có thể chia quá trình sấy làm hai giai đoạn:

Giai đoạn đốt nóng không khí để độ ẩm tương đối giảm từ ϕ1 đến ϕ2 (nhiệt

độ tăng từ t1 đến t2), nên đồ thị đoạn 1-2 đi từ dưới lên trên và song song với trục I (hay đường d = const)

Giai đoạn sấy khô vật ẩm, độ ẩm của không khí tăng từ ϕ2 đến ϕ3 (nhiệt độ giảm từ t2 xuống t3), trên đồ thị đoạn từ 2-3 song song với trục d và theo chiều

d tăng Khi ϕ3 tăng đến 100% thì không khí hết khả năng sấy khô, mặc dầu nhiệt độ hry còn tương đối cao Thường tính:

Lượng không khí khô cần thiết để làm bốc hơi 1kg ẩm trong vật muốn sấy:

kgkhkhikho d

d

G k

2 3

- Nhiệt lượng cần thiết để làm bốc hơI 1kg ẩm ở vật sấy:

Q = Gk (I2 – I1) =

kgam

kJ d d

I I

1 3

1 2

G

(1.3)

Trong đó: Gn – lượng nước chứa trong vật

Gk – khối lượng vật khô tuyệt đối

ẩm ϕ của không khí Do đó, nếu sản phẩm sau khi sấy được bảo quản hoặc để lâu mới gia công tiếp thì chúng ta chỉ sấy tối đa đến độ ẩm cân bằng, độ ẩm cân bằng của một số nông sản cho ở bảng 3

Bảng 3 Độ ẩm bảo quản các hạt ngũ cốc Vật liệu ϖmin, % ϖtb, % ϖmax, % Lúa, mì

G

(kg/kg) (1.5)

Trong đó: Gn – lượng nước chứa trong vật (kg)

Gk – khối lượng của vật khô tuyệt đối (kg)

Độ chứa ẩm không những có htể đặc trưng cho độ ẩm của toàn bộ vật mà còn có thể đặc trưng cho độ ẩm cục bộ ở từng vùng nhỏ hay một lớp vật nhất

định trong vật ẩm Nếu phân bố không đều trong toàn bộ vật thì ta dễ thấy:

1.2.2.5 Dạng liên kết ẩm trong vật liệu

Dạng tồn tại và hình thức liên kết của vật liệu với vật khô là điểm quan trọng khi nghiên cứu quá trình sấy Vật ẩm thường là tập hợp của ba pha: rắn, lỏng và hơi Các vật rắn đem sấy phần lớn là những xốp mao dẫn hoặc keo

hơi ẩm Thể tích chiếm chỗ của hỗn hợp có thể là rất lớn (thể tích xốp) nhưng

tỷ lệ khối lượng của nó so với phần rắn và phần lỏng có thể bỏ qua Vì vậy,

trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm hai phần rắn khô và ẩm lỏng

1.3 Các thông số cơ bản của quá trình sấy đối lưu

1.3.1 Tính chất nhịêt vật lý của nông sản

- Trong các tính chất nhịêt lý của nông sản thường dùng khi tính toán

nhiệt quá trình sấy là nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt

cv =

100

) 100

Trong đó: ck - Nhiệt dung riêng của vật liệu khô ,

Các vật liệu khô trong các sản phẩm nông sản có nhiệt dung riêng Ck = 1,2 ữ1,7 kJ/kg.K

ca – Nhiệt dung riêng của ẩm Nếu là nước thì Ca = Cn = 4,1816 kJ/kg.K Nếu là hơi nước thì Ca = Ch = 1,842 kJ/kg.K

ϖ - Độ ẩm của vật liệu

a k

a G G

G

+

=

ϖ là độ ẩm tương đối

- Hệ số dẫn nhiệt λ chủ yếu phụ thuộc vào chính bản chất và cấu trúc

của một hạt, mật độ hạt, nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu Do đó hệ số dẫn nhiệt

của vật ẩm cũng được xác định dựa trên cơ sở định luật Fourier

q = - λgradt Về nguyên tắc, để xác định hệ số dẫn nhiệt, phương

pháp nào cũng phảI tìm cách xác định mật độ dòng nhiệt q và trường nhiệt độ

để tìm gradien của nó

- Nếu biết hệ số dẫn nhiệt của vật liệu khô λk và của nước hoặc hơI

nước trong các hang xốp λa thì hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm có thể tính:

k k a k

V

V

) 1 ( 1

) 1

( 1

ư Ψ +

Chúng ta thấy rằng trong thiết bị sấy lý tưởng không khí vào ra calorifer và vào ra thiết bị sấy là không đổi và giả sử bằng L0 kg/h Như vậy ẩm mang vào

hệ thống gồm ẩm chứa trong không khí ở trạng thái A và ẩm chứa trong vật liệu sấy đi vào Như vậy ẩm đi ra khỏi hệ thống bằng tổng lượng ẩm chứa trong tác nhân và lượng ẩm còn lại trong vật liệu sấy khi ra khỏi thiết bị sấy Theo nguyên lý bảo toàn vật chất ta có:

L0d0 + G1w1 = L0d2 + G2w2

⇔ L0(d2 – d0) = G1w1 – G2w2 = W

⇔

0 2 0

d d

W L

0 0

d d

l W

L l

w: độ ẩm tương đối được viết theo giá trị thực

1.3.3 Lượng nhiệt tiêu hao cho quá trình sấy lý thuyết

Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy lý tưởng:

a) Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi

Tác nhân sấy khi đi vào thiết bị sấy có nhiệt độ t1 và khi đi ra khỏi thiết

bị sấy nhiệt độ t2 do đó vật liệu sấy mang lượng nhiệt:

Qv = GCv(t1 – t2) (1.10) Trong đó:

G: lưu lượng tác nhân suất sấy

Cv: nhiệt dung riêng của tác nhân sấy

b) Tổn thất nhiệt ra môi trường

t F K

Q mt = ∆ (1.11) Trong đó: K – hệ số truyền nhiệt, F – diện tích bề mặt, ∆t - độ chênh nhiệt

độ của một bề mặt bao tre nào đó

Giả thiết tường bao che thiết bị sấy có dạng tường phẳng nhiều lớp như hình sau:

Khi đó hệ số truyền nhiệt K bằng:

1

δ (1.12)

Trong đó: α1, α2 tương ứng là các hệ số trao đổi nhiệt với bề mặt bao che với không khí trong máy δn, λn : tương ứng là chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp thứ n tường bao che

1.3.4 Công nghệ sấy nông sản dạng hạt

Muốn bảo quản và chế biến nông sản có chất lượng cao thì các loại hạt cần

được sấy khô xuống độ ẩm bảo quản hoặc chế biến

Bảng 4 cho ta thông số độ ẩm bảo quản một số loại hạt và nhiệt độ giới hạn sấy hạt:

Bảng 4 Bảng độ ẩm giới hạn bảo quản và nhiệt độ giới hạn khi sấy Vật liệu sấy Độ ẩm giới hạn ϖtb, % Nhiệt độ giới hạn khi sấy (0C) Lúa, mì

Nhiệt độ sấy hạt cho phép phụ thuộc vào các loại hạt, mục đích sử dụng, độ

ẩm trước khi sấy và tính chất lý hóa của vật liệu sấy mà đặt nhiệt độ sấy cho phù hợp

Các loại hạt sấy làm thực phẩm thì nhiệt độ cao hơn được, nhưng hạt giống thì quan trọng nhất là khả năng sống nảy mầm của hạt nên khả năng nhiệt độ sấy thấp hơn

Khi sấy nếu vật liệu sấy có độ ẩm cao thì ta sấy làm nhiều lần và sau mỗi lần ta đem ủ theo sơ đồ sau: Sấy → ủ → sấy → ủ …→ làm nguội Mục đích

ủ là vận chuyển ẩm từ trung tâm hạt ra bề mặt

1.3.5 Nhiệt độ cho phép của hạt

Ta biết, nhiệt độ đốt nóng hạt càng lớn thì tốc độ sấy càng lớn, nhưng để

đảm bảo chất lượng của hạt sau khi sấy, nhiệt độ hạt không cho phép vượt quá một giá trị nào đó Nhiệt độ hạt phụ thuộc vào độ ẩm và thời gian sấy Độ ẩm càng lớn nên thời gian sấy càng lâu thì nhiệt độ cho phép càng bé

Công thức thực nghiệm về xác định nhiệt độ cho phép đốt nóng hạt:

tb tb h

t

ϖ ϖ

τ

+

ư +

ư

=

) 100 ( 37 , 0

2350 lg

10

Trong đó:

τ: thời gian sấy (phút)

ϖtb: độ ẩm trung bình của vật liệu trước và sau quá trình sấy (%)

ϖtb = 0,5(ϖ1 + ϖ2)

Nếu độ ẩm ϖ tính bằng số thập phân, τ- thời gian sấy tính bằng giờ (h), và

lg chuyển sang ln thì nhiệt độ sấy hạt có công thức sau:

tb h

t

ϖ

τ

63 , 0 37 , 0

5 , 23 ln

343 , 4 218 , 2

+ +

ư

=

Dựa vào công thức này chúng ta có thể xác định được nhiệt độ vật sấy từ

đấy có thể xác định được nhiệt độ tác nhân sấy

* Tóm lại, có rất nhiều phương pháp sấy và thiết bị sấy khác nhau Tuy nhiên phương pháp sấy tĩnh đối lưu vẫn là phương pháp được sử dụng rộng rri hơn cả do các đặc điểm nổi trội của nó như đr nêu trên đây Do đó chúng tôi tiến hành nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình sấy tĩnh đối lưu nông sản dạng hạt với tác nhân sấy là không khí nóng

Chương 2 Xây dựng mô hình quá trình sấy

A - Xây dựng mô hình động học quá trình sấy

2.1 Các đặc trưng của quá trình sấy

Sấy là một quá trình hết sức phức tạp Nó là sự kết hợp của hai quá trình

truyền nhiệt và truyền ẩm Hai quá trình này xảy ra trên bề mặt vật sấy, do sự

liên kết với tác nhân sấy và trong lòng vật sấy Đặc trưng của quá trình sấy là

sự thay đổi độ chứa ẩm trung bình và nhiệt độ trung bình của vật sấy theo thời

gian Những qui luật này của quá trình sấy cho phép tính toán lượng ẩm bốc ra

từ vật liệu sấy và lượng nhiệt tiêu thụ cho quá trình sấy

Độ đồng đều của quá trình sấy được đánh giá thông qua sự thay đổi tốc độ

chứa ẩm cục bộ u và nhiệt độ t trong lòng vật sấy Những sự thay đổi này phụ

thuộc vào mối tương quan của quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong lòng

vật sấy, đồng thời phụ thuộc vào quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất của

bề mặt vật sấy với tác nhân sấy

Việc xác định trường chứa ẩm u(x,y,z,τ) và trường nhiệt độ t(x,y,z,τ) trong

lòng vật sấy là hết sức phức tạp Nó đòi hỏi phải giải các hệ phương trình vi

phân các qúa trình truyền nhiệt, truyền chất với các điều kiện biên thích hợp,

tương ứng với phương pháp và chế độ sấy Đây là hệ các phương trình vi phân

phi tuyến chỉ có thể giải được bằng phương pháp tuyến tính hoá gần đúng

Để mô tả quá trình trao đổi nhịêt và chất của vật ẩm với môi trường xung

quanh cần phải nắm vững các qui luật cơ bản của quá trình sấy vật ẩm Trước

hết hry phân tích quá trình sấy vật ẩm đơn giản nhất bằng không khí nóng với

các thông số cố định (nhiệt độ không khí tk, độ ẩm tương đối ϕ và tốc độ của

nó v) Vật sấy ở đây là vật mỏng có bề mặt trao đổi lớn và hiệu độ chứa ẩm

trong lòng vật nhỏ Đặc trưng cơ bản của quá trình sấy vật ẩm thể hiện rõ tính

thay đổi độ chứa ẩm và nhiệt độ cục bộ theo thời gian Các qui luật này phải

được khảo sát đồng thời trong các mối quan hệ với nhau

Nếu nhiệt độ và tốc độ không khí không lớn, độ ẩm của vật sấy cao thì quá trình sấy xảy ra tương đối “mềm” và có thể chia thành ba giai đoạn được mô tả trong hình vẽ 2.1

Hình 2.1 Sự thay đổi độ chứa ẩm và nhiệt độ vật trong quá trình sấy

OA - giai đoạn một; AB - giai đoạn hai; BC - giai đoạn cuối

Giai đoạn một kể từ thời điểm bắt đầu quá trình sấy, vật sấy có nhiệt độ bề mặt và tâm bằng nhau và bằng to với độ ẩm wo Nhiệt độ của vật sấy tăng lên, trong đó nhiệt độ bề mặt tm tăng nhanh hơn nhiệt độ ti chút ít Giai đoạn một kết thúc khi nhiệt độ của vật sấy đạt đến nhiệt độ của nhiệt kế ướt Giai đoạn này được gọi là giai đoạn làm nóng vật sấy, thời gian của giai đoạn này ngắn

so với thời gian của toàn bộ quá trình sấy Độ ẩm của vật sấy trong giai đoạn này xảy ra không đáng kể

Giai đoạn hai được gọi là giai đoạn tốc độ sấy không đổi, bắt đầu từ thời

điểm nhiệt độ vật sấy đạt đến nhiệt độ của nhiệt kế ướt Trong giai đoạn này nhiệt lượng cung cấp chủ yếu để bốc hơi ẩm, nhiệt độ của vật sấy không tăng

ẩm trên bề mặt vật sấy bốc hơi vào không khí, trong lòng vật ẩm tồn tại quá trình truyền ẩm từ trong lòng vật ẩm ra bề mặt của nó Do nhiệt độ không khí nóng tc không đổi và nhiệt độ vật sấy không đổi, nghĩa là chênh lệch nhiệt độ

của không khí nóng và vật sấy không đổi Như vậy tốc độ bốc hơi ẩm từ bề mặt sấy vào môi trường sấy không đổi Đồ thị độ chứa ẩm trong vật có độ dốc không đổi Giai đoạn này là giai đoạn bốc ẩm tự do Khi độ ẩm của vật đạt

đến trị số độ ẩm cân bằng thì giai đoạn tốc độ sấy không đổi kết thúc và bắt

đầu giai đoạn cuối cùng của quá trình sấy

Giai đoạn thứ ba của quá trình sấy bắt đầu từ thời điểm ẩm tự do đr bốc hơi hết và chuyển sang bốc hơi ẩm liên kết Để tách ẩm liên kết ra khỏi vật sấy

đòi hỏi phải có năng lượng lớn hơn nên nhiệt độ của vật sấy tăng lên (nhiệt độ

ẩm tăng lên), năng lượng liên kết truyền từ không khí nóng sang vật giảm xuống nên tốc độ bốc hơi ẩm giảm xuống vì vậy giai đoạn này được gọi là giai

đoạn tốc độ sấy giảm dần Độ chứa ẩm của vật càng giảm thì mối liên kết của

ẩm với vật càng tăng, năng lượng để tách ẩm càng tăng, nhiệt độ của vật càng tăng, hiệu nhiệt độ giữa không khí nóng sang vật giảm và tốc độ bốc hơi ẩm giảm Khi độ ẩm của vật giảm đến độ ẩm cân bằng wc thì kết thúc quá trình trao đổi ẩm giữa vật sấy và không khí nóng, nhiệt độ của vật bằng nhiệt độ của không khí nóng, quá trình truyền nhiệt cũng chấm dứt, kết thúc quá trình sấy Trong quá trình tăng nhiệt độ, nhiệt độ của tâm vật sấy tăng chậm hơn nhiệt độ bề mặt, nhiệt được truyền từ bề mặt vào tâm vật Giai đoạn cuối quá trình sấy kéo dài do tốc độ bốc hơi ẩm nhỏ Trong thực tế quá trình sấy kết thúc ở độ ẩm của vật lớn hơn độ chứa ẩm cân bằng, phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ và nhiệt độ của không khí nóng

Trong thực tế giai đoạn một thường xảy ra rất nhanh so với giai đoạn thứ hai nên hai giai này thường được kết hợp lại và được gọi là giai đoạn tốc độ sấy không đổi Quá trình sấy được phân ra thành hai giai đoạn: giai đoạn sấy với tốc độ không đổi (nhiệt độ vật sấy không đổi) và giai đoạn sấy với tốc độ sấy giảm dần (nhiệt độ vật tăng dần ) Để phân tích quá trình sấy chúng ta sử dụng phương trình cân bằng nhiệt cho từng giai đoạn

* Giai đoạn sấy tốc độ không đổi

- Dòng nhiệt truyền từ không khí nóng sang vật là dòng đối lưu được xác định theo công thức

r: nhiệt hoá hơi của nước (J/kg)

Cph: nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi nước (J/kg.0C)

th: nhiệt độ hơi nước thoát ra khỏi vật (0C)

) (

) (

v h ph

v n n l l v c n

t t C r

d

dt G C G C t t F d

dG

ư +

Trong giai đoạn sấy nhiệt độ không đổi, nhiệt độ của vật bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt (ta) và hơi ẩm bốc ra là hơi bro hoà, như vậy tốc độ bốc hơi ẩm

được xác định theo công thức

r

t t F d

dG n (c ư v)

τ

* Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần:

Tốc độ sấy được xác định theo bề mặt bốc hơi lùi dần vào trong lòng vật sấy, nhiệt độ vật sấy cao hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt Tốc độ bốc hơi ẩm giảm, thời gian kéo dài

2.2 Mô hình sấy tĩnh nông sản

Sơ đồ cấu trúc sấy tĩnh được mô tả trong hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc sấy tĩnh 1- Thùng sấy 2 - ghi 3 - hạt sấy ưu điểm của phương pháp sấy tĩnh là cấu tạo thiết bị đơn giản, thích hợp với đIều kiện sản xuất theo nông hộ hiện nay ở nước ta Tác nhân sấy ở đây là không khí nóng được thổi qua lớp hạt cố định Sơ đồ được mô tả trong hình

vẽ Lớp hạt sấy 3 được rải trên ghi 2 của thùng sấy1 Không khí nóng được thổi từ dưới lên qua ghi 2 và luồn lách qua lớp hạt vật sấy Qúa trình trao đổi nhiệt giữa không khí nóng và hạt sấy là đối lưu Đây là một đối tượng hết sức phức tạp Tác nhân là không khí nóng khi đi qua lớp hạt sấy sẽ thay đổi tính

chất, nhiệt độ của nó giảm xuống còn độ ẩm tăng lên, khả năng bốc hơi nước của vật sấy vào môi trường không khí giảm xuống Như vậy tốc độ sấy của lớp dưới cùng sẽ nhanh hơn nhiều so với lớp trên cùng Để xây dựng mô hình phải mô tả được quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong từng lớp liệu

2.2.1 Mô hình quá trình đốt nóng liệu

Trước hết chúng ta xây dựng mô hình truyền nhiệt trong từng lớp liệu Giả

sử vật liệu sấy đr ở trạng thái cân bằng về độ ẩm nghĩa là khi cho dòng không khí nóng đi qua thì chỉ tồn tại quá trình đốt nóng liệu mà không tồn tại quá trình bốc hơi nước Mô hình cân bằng nhiệt của lớp liệu được mô tả trong

Hình 2.3 Mô hình cân bằng nhiệt

QT – dòng nhiệt do không khí nóng mang tới

Qm – dòng nhiệt truyền ra môi trường xung quanh

Nhiệt độ trung bình của lớp liệu là tv, thì dòng nhiệt tích luỹ trong lớp liệu

l l

αm – hệ số truyền nhiệt ra môi trường xung quanh (J/m2 0C )

tv – nhiệt độ vỏ thùng sấy ( lấy bằng nhiệt độ liệu ) (0C)

t0 – nhiệt độ môi trường xung quanh (0C)

S – diện tích vỏ thùng sấy lớp liệu (m2)

Phương trình cân bằng nhiệt của lớp liệu

d

dt G C Gt C Gt

l l T k r

τQuá trình truyền nhiệt giữa không khí và liệu là quá trình đối lưu Dòng nhiệt đối lưu mà lớp liệu hấp thụ được sẽ nung nóng liệu

Phương trình cân bằng truyền nhiệt ở đầu vào lớp liệu

τ ρ α

d

dt R C t

v l l l T

m( ư ) =

Trong đó:

Tl – nhiệt độ lớp liệu đầu vào (0C)

αm – hệ số truyền nhiệt đối lưu (W/m2 0C)

ρl – khối lượng riêng của liệu (kg/m2)

C

=

1 τ α

ρ

Tương tự như vậy để cho đầu ra

l l v t t r

d

dt R

C

=

2 τ α