Các quy luật thay đổi các đặc tính cơ bản của quá trình sấy là những quy luật nhận đƣợc qua nghiên cứu thực nghiệm. Trong đó quan trọng nhất là các quy luật thay đổi của độ ẩm theo thời gian sấy, quy luật thay đổi của nhiệt độ vật sấy theo thời gian sấy và quy luật thay đổi của tốc độ sấy. Các quy luật này biểu thị dƣới dạng đồ thị tƣơng ứng là các đƣờng cong sấy, đƣờng cong tốc độ sấy và đƣờng cong nhiệt độ vật sấy.
a. Đƣờng cong sấy
Đƣờng cong sấy biểu diễn quan hệ giữa độ ẩm trung bình của vật liệu sấy và thời gian sấy. Đƣờng cong sấy có thể chia làm 3 phần tƣơng ứng với 3 giai đoạn của diễn biến quá trình sấy. Hình 2.4 cho thấy, giai đoạn đầu của quá trình, độ ẩm vật liệu giảm theo đƣờng cong, nhiệt độ của vật tăng rất nhanh để nhiệt độ bề mặt vật đạt đến nhiệt độ nhiệt kế ƣớt. Giai đoạn này gọi là giai đoạn đốt nóng và đƣợc biểu diễn bởi đƣờng cong AB. Sau giai đoạn đốt nóng hầu nhƣ nhiệt độ của vật không đổi nhƣng độ ẩm trung bình của vật giảm rất nhanh với quan hệ gần nhƣ tuyến tính với thời gian sấy, tốc độ sấy trong giai đoạn này không đổi. Vì vậy, ngƣời ta gọi giai đoạn này của quá trình sấy là giai đoạn tốc độ sấy không đổi và biển diễn bởi đƣờng thẳng BC trên đồ thị.
Hình 2.4. Đường cong sấy
Sau giai đoạn BC, tốc độ sấy giảm dần, nhiệt độ vật liệu sấy bắt đầu tiếp tục tăng. Khi kết thúc quá trình sấy, đƣờng cong sấy tiệm cận với đƣờng thẳng biểu diễn giá trị của độ ẩm cân bằng. Khi sấy đến độ ẩm cân bằng, quá trình sấy kết thúc, tốc độ sấy bằng không [7].
b. Đƣờng cong tốc độ sấy
Hình 2.5. Đường cong tốc độ sấy
1 – Vật liệu ẩm xốp mao dẫn có bề mặt bay hơi riêng lớn (vải, da mỏng). 2 – Vật liệu ẩm xốp mao dẫn có bề mặt bay hơi riêng lớn hơn (giấy, carton). 3 – Vật liệu ẩm xốp mao dẫn có bề mặt bay hơi bé (gốm, sành, sứ).
Ở hình 2.5 biễu diễn đƣờng cong tốc độ sấy đối với các vật liệu ẩm khác nhau. Trong giai đoạn đốt nóng, tốc độ sấy tăng rất nhanh từ 0 đến giá trị cực đại N. Tốc độ này giữ nguyên trong suốt quá trình tốc độ sấy không đổi. Sau đó (từ điểm K1) tốc độ sấy bắt đầu giảm. Trong thời kỳ tốc độ sấy giảm dần, các vật có cấu trúc và liên kết ẩm khác nhau sẽ có những hình dáng khác nhau.
Điểm K1 là điểm kết thúc giai đoạn tốc độ sấy không đổi để chuyển sang giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Điểm K1 có thể gọi là điểm tới hạn thứ nhất. Đối với một số vật liệu có cấu trúc keo xốp mao dẫn nhƣ các loại hạt nông sản đƣờng cong tốc độ sấy trong giai đoạn tốc độ sấy giảm dần tồn tại một điểm uốn K2. Ngƣời ta gọi điểm này là điểm tới hạn thứ hai [7].
c. Đƣờng cong nhiệt độ sấy
Hình 2.6. Đường cong nhiệt độ sấy
Hình 2.6 biểu diễn dạng đƣờng cong nhiệt độ tâm vật liệu sấy và nhiệt độ bề mặt vật liệu sấy. Trong giai đoạn đốt nóng, nhiệt độ của tâm và của bề mặt vật liệu sấy tăng rất nhanh. Tuy nhiên, phần lớn các vật liệu ẩm nhiệt độ của tâm tăng chậm hơn nhiệt độ bề mặt. Khi nhiệt độ bề mặt đạt nhiệt độ nhiệt kế bầu ƣớt tu thì ẩm bắt đầu bay hơi mạnh từ bề mặt vào môi trƣờng. Do nhiệt lƣợng mà bề mặt vật liệu sấy nhận đƣợc dùng để chuyển hóa hơi nên nhiệt độ của bề mặt vật không tăng. Khi nhiệt độ bề mặt đạt giá trị nhiệt kế bầu ƣớt tu, thì kết thúc giai đoạn đốt nóng và bắt đầu giai đoạn tốc độ sấy không đổi.
Ở giai đoạn tốc độ sấy không đổi, nhiệt độ ở tâm vật liệu ẩm cũng không đổi. Khi ẩm không còn bay hơi mạnh nữa, thì nhiệt ở trên bề mặt cũng nhƣ ở tâm vật bắt đầu tăng lên và giai đoạn tốc độ sấy không đổi kết thúc và bắt đầu tốc độ sấy giảm dần. Khi độ ẩm của vật đạt độ ẩm cân bằng, nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ không khí tk (tác nhân sấy).
Nhƣ vậy ở giai đoạn làm nóng vật liệu, nhiệt độ trong buồng sấy đƣợc mô tả nhƣ sau: o b u k t t t t Trong đó: k
t – nhiệt độ tác nhân sấy.
u
t – nhiệt độ nhiệt kế ƣớt.
b
t – nhiệt độ bề mặt vật liệu.
o
t – nhiệt độ tâm vật liệu.
Kết thúc quá trình đốt nóng hay bắt đầu giai đoạn tốc độ sấy không đổi nhiệt độ bề mặt tb bằng nhiệt độ nhiệt kế ƣớt tu: o b u k t t t t
Trong quá trình tốc độ sấy giảm dần, nhiệt độ của cả bề mặt và của cả tâm bắt đầu tăng : o b u k t t t t
Khi quá trình sấy kết thúc, nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ tâm bằng nhau và gần bằng nhiệt độ tác nhân sấy [2]:
k o b t t t 2.2. Các phƣơng pháp sấy Phƣơng pháp sấy nóng 2.2.1.
Trong phƣơng pháp sấy nóng tác nhân sấy và vật liệu sấy đƣợc đốt nóng. Do tác nhân sấy đƣợc đốt nóng nên độ ẩm tƣơng đối RH giảm dẫn đến phân áp suất hơi nƣớc pẩm trong tác nhân sấy giảm. Mặt khác, do nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên nên mật độ hơi trong các mao quản tăng, vì thế phân áp suất hơi nƣớc trên bề mặt vật liệu cũng tăng. Nhƣ vậy có hai cách để tạo ra độ chênh lệch phân áp suất hơi nƣớc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy: các thứ nhất là giảm phân áp suất của tác nhân sấy bằng cách đốt nóng nó và cách thứ hai là tăng phân áp suất hơi nƣớc trong vật liệu sấy. Trong các hệ thống sấy đối lƣu ngƣời ta sử dụng cả hai cách này. Trái lại, trong các hệ thống sấy bức xạ, hệ thống sấy tiếp xúc và các hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần chỉ sử dụng cách đốt nóng vật [7].
Hình 2.7. Máy sấy vĩ ngang
2.2.1.1. Phƣơng pháp sấy chân không vi sóng
Phƣơng pháp sấy chân không vi sóng đƣợc áp dụng để sấy những vật liệu khô chậm, khó sấy, có yêu cầu chất lƣợng sản phẩm sấy cao. Bởi động lực chính trong suốt quá trình sấy chính là độ chênh lệch áp suất hơi nƣớc. Nó tạo bởi bơm chân không và năng lƣợng vi sóng phát ra tạo nên độ chênh lệch áp suất lớn giữa áp suất hơi bão hòa trên bề mặt vật và phân áp suất hơi nƣớc trong môi trƣờng đặt vật sấy. Ở điều kiện chân không lớn, nhiệt độ hóa hơi của nƣớc sẽ thấp, làm tăng cƣờng quá trình thoát ẩm trong vật. Do vậy phƣơng pháp sấy chân không vi sóng có thể tiến hành sấy ở nhiệt độ thấp hơn. Đồng thời, năng lƣợng vi sóng tạo nên sự phân cực trong các phân tử nƣớc làm chúng chuyển động bên trong sản phẩm. Các phân tử nƣớc chuyển động sinh nhiệt và bốc hơi ra bên ngoài. Vì thế quá trình sấy chân không kết hợp vi sóng rút ngắn đƣợc rất nhiều thời gian sấy, sản phẩm sấy không bị tác động nhiều bởi nhiệt độ cao, luôn giữ đƣợc gần nhƣ đầy đủ các tính chất đặc trƣng ban đầu.
2.2.1.2. Hệ thống sấy tiếp xúc
Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng. Bề mặt tiếp xúc với vật sấy có thể là bề mặt vật rắn hay vật lỏng. Nhờ đó ngƣời ta làm tăng sự chênh lệch phân áp suất hơi nƣớc trên bề mặt vật liệu sấy. Phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng rộng rãi để sấy các loại vật liệu dạng rời, các loại dung dịch [7].
2.2.1.3. Hệ thống sấy bức xạ
Hệ thống sấy bức xạ sử dụng nhiệt từ các nguồn bức xạ để làm nóng vật sấy đến nhiệt độ bốc hơi ẩm của nó. Nguồn bức xạ thƣờng dùng là đèn hồng ngoại, dây hay thanh điện trở. Sấy bức xạ có thể tiến hành trong điều kiện tự nhiên hay trong buồng kín. Máy sấy bức xạ có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng, ít tổn thất nhiệt. Tuy nhiên, máy có một nhƣợc điểm là tiêu tốn nhiều năng lƣợng, vật liệu sấy đốt nóng không đều [13].
Phƣơng pháp sấy lạnh 2.2.2.
2.2.2.1. Hệ thống sấy thăng hoa
Hình 2.9. Máy sấy thăng hoa
Phƣơng pháp sấy thăng hoa hay còn gọi là phƣơng pháp sấy lạnh đông là quá trình tách ẩm ra khỏi vật sấy bằng sự thăng hoa của nƣớc. Quá trình thăng hoa là quá trình chuyển trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi mà không qua trạng thái lỏng.
Quá trình sấy thăng hoa trải qua ba giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên là giai đoạn đông lạnh vật liệu sấy, vật liệu sấy đƣợc làm lạnh ở nhiệt độ khoảng (4010oC),
trong giai đoạn này trong bình thăng hoa đƣợc hút chân không làm áp suất trong bình giảm xuống. Giai đoạn hai là giai đoạn thăng hoa, ở giai đoạn này tốc độ sấy đƣợc xem nhƣ là không đổi, độ ẩm của vật liệu sấy giảm nhanh, nƣớc trong vật liệu sấy bắt đầu thăng hoa nhanh. Giai đoạn sau cùng là giai đoạn bay hơi ẩm còn lại, nhiệt độ của vật tăng lên, ẩm trong vật là ẩm liên kết và ở trạng thái lỏng, áp suất trong bình thăng hoa vẫn duy trì ở mức nhỏ hơn áp suất khí trời nhờ bơm chân không và vật liệu sấy vẫn tiếp tục đƣợc gia nhiệt. Nhƣ vậy giai đoạn này cũng giống nhƣ giai đoạn sấy chân không thông thƣờng [13].
2.2.2.2. Hệ thống sấy chân không
Hình 2.10. Tủ sấy chân không
Hệ thống sấy chân không gồm có buồng sấy, thiết bị ngƣng tụ và bơm chân không. Vật sấy đƣợc cho vào trong một buồng kín, sau đó buồng này đƣợc hút chân không (ở áp suất lớn hơn 4,56 mmHg). Lƣợng ẩm trong vật đƣợc tách ra khỏi vật và đƣợc hút ra ngoài. Nhiệt độ trong buồng sấy dao động xung quanh nhiệt độ ngoài trời. Phƣơng pháp này phức tạp bởi khả năng giữ buồng chân không, thể tích luôn giới hạn đến mức độ nào đó. Chính vì vậy phƣơng pháp này không đƣợc sử dụng phổ biến nhƣ các phƣơng pháp khác mà chỉ đƣợc sử dụng để sấy các vật liệu, dƣợc liệu quý hiếm, có giá trị dinh dƣỡng và giá trị kinh tế cao [13].
Phân loại hệ thống sấy 2.2.3.
2.2.3.1. Hệ thống sấy tiếp xúc
a. Hệ thống sấy lô
Đây là hệ thống sấy chuyên dùng để sấy hoặc là các vật liệu sấy dạng tấm nhƣ vải, giấy, carton. Trong hệ thống sấy này thiết bị sấy là những hình trụ tròn mà quen gọi là các lô sấy đƣợc đốt nóng thƣờng là bằng hơi nƣớc bão hòa. Vải hoặc giấy ƣớt đƣợc cuộn tròn từ lô này đến lô kia và nhận nhiệt bằng dẫn nhiệt từ bề mặt các lô và thải ẩm vào môi trƣờng [7].
b. Hệ thống sấy tang
Hệ thống sấy này cũng là hệ thống sấy chuyên dùng để sấy các vật liệu dạng bột nhão. Thiết bị sấy trong hệ thống sấy này cũng là một hình trụ tròn, có thể là dạng trống, đƣợc đốt nóng. Bột nhão bám vào tang của hình trụ và nhận nhiệt bằng dẫn nhiệt để thải ẩm ra môi trƣờng. Bột đã sấy khô đƣợc một thiết bị tách ra khỏi tang [7].
2.2.3.2. Hệ thống sấy bức xạ
Hệ thống sấy bức xạ thƣờng dùng để sấy các vật liệu dạng tấm mỏng nhƣ vải, lớp sơn trên các chi tiết kim loại. Ngoài ra nó cũng dùng để sấy sách sau khi đóng bìa hoặc phim ảnh với mục đích vừa sấy vừa diệt các nấm mốc.
Có thể phân hệ thống sấy bức xạ theo nguồn năng lƣợng đốt nóng bề mặt bức xạ hoặc tính chất của bề mặt bức xạ. Theo tính chất bề mặt bức xạ ta có:
Hệ thống sấy bức xạ dùng đèn hồng ngoại.
Hệ thống sấy dùng bề mặt bức xạ. Bề mặt bức xạ có thể là các điện trở bức xạ khi chúng ta dùng điện để đốt nóng hoặc các bề mặt bức xạ khác (gạch chịu lửa chẳng hạn) đƣợc đốt nóng bằng khí đốt [7].
2.2.3.3. Hệ thống sấy đối lƣu
Hệ thống sấy đối lƣu đƣợc phân ra chủ yếu dựa theo cấu tạo của thiết bị sấy. Trong nhóm hệ thống sấy đối lƣu có thể gặp các hệ thống sấy nhƣ hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy tháp, hệ thống sấy thùng quay, hệ thống sấy khí động và một số hệ thống sấy khác.
a. Hệ thống sấy buồng
Cấu tạo chủ yếu của hệ thống sấy buồng là buồng sấy. Trong buồng sấy bố trí các thiết bị đỡ vật liệu sấy mà gọi chung là thiết bị chuyền tải. Nếu dung lƣợng của buồng sấy bé và thiết bị chuyền tải là các khay sấy thì ngƣời ta thƣờng gọi hệ thống sấy buồng này là tủ sấy. Nếu dung lƣợng của buồng sấy lớn và thiết bị chuyền tải là các xe goòng thì ngƣời ta gọi là hệ thống sấy buồng kiểu xe goòng. Nói chung, thiết bị chuyền tải trong hệ thống sấy rất đa dạng. Đặc điểm, cấu tạo của hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy chu kỳ từng mẻ. Do đó, năng suất sấy không lớn. Tuy nhiên, nó có thể sấy nhiều dạng vật liệu sấy khác nhau từ vật liệu dạng cục, hạt đến các vật dạng thanh, tấm [7].
b. Hệ thống sấy hầm
Khác với hệ thống sấy buồng, trong hệ thống sấy hầm thiết bị sấy là một hầm sấy dài, vật liệu sấy vào đầu này và ra đầu kia của hầm. Thiết bị chuyền tải trong hệ thống sấy hầm thƣờng là xe goòng hoặc băng tải. Đặc điểm của hệ thống sấy hầm là bán liên tục hoặc liên tục và cũng nhƣ hệ thống sấy buồng nó có thể sấy đƣợc nhiều dạng vật liệu sấy. Tuy nhiên, do cấu tạo, năng suất của nó lớn hơn năng suất của hệ thống sấy buồng [7].
c. Hệ thống sấy tháp
Trong hệ thống sấy này thiết bị sấy là một tháp sấy, trong đó ngƣời ta đặc một loại kênh dẫn và kênh thải tác nhân sấy xen kẽ nhau. Vật liệu sấy trong hệ thống sấy tháp là dạng hạt tự chảy từ trên xuống dƣới. Tác nhân sấy từ các kênh dẫn xuyên qua lớp hạt chuyển động đi vào các kênh thải để thải ra ngoài. Nhƣ vậy, hệ thống sấy tháp là hệ thống sấy chuyên dùng để sấy hạt. Cùng dạng với hệ thống sấy tháp chúng ta cũng gặp những hệ thống sấy tƣơng tự, ở đó hạt chuyển động từ trên xuống còn tác nhân sấy đi ngang qua lớp hạt thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm. Hệ thống sấy tháp là hệ thống sấy liên tục [7].
d. Hệ thống sấy thùng quay
Thiết bị sấy trong hệ thống sấy thùng quay nhƣ tên gọi là một thùng sấy hình trụ tròn đặt nghiêng một góc nào đó. Trong thùng sấy ngƣời ta bố trí các cánh xáo trộn. Khi thùng quay, vật liệu sấy vừa chuyển động từ đầu này đến đầu kia của thùng sấy vừa bị xáo trộn từ trên xuống dƣới. Tác nhân sấy cũng vào đầu này và ra
đầu kia của thùng sấy. Nhƣ vậy, hệ thống sấy thùng quay cũng là hệ thống sấy chuyên dùng để sấy hạt hoặc cục nhỏ và có thể làm việc liên tục [7].
e. Hệ thống sấy khí động
Có rất nhiều hệ thống sấy khí động. Thiết bị sấy trong hệ thồng sấy này có thể là một ống tròn hoặc hình phễu, trong đó tác nhân sấy có tốc độ cao vừa làm nhiệm vụ sấy vừa làm nhiệm vụ vận chuyển vật liệu sấy từ đầu này đến đầu kia của thiết bị sấy. Tốc độ sấy của tác nhân có thể đạt (40 ÷ 50) m/s. Vật liệu sấy trong các hệ thống sấy này phải là những hạt, mảnh nhỏ và độ ẩm cần lấy đi trong quá trình sấy thƣờng là độ ẩm bề mặt [7].
2.3. Cơ sở tính toán thiết kế máy sấy
Trong tính toán quá trình sấy có thể áp dụng hai phƣơng pháp: phƣơng pháp giải tích và phƣơng pháp dùng đồ thị I – d của L. K. Ramzin. Do phƣơng pháp đồ thị I – d đơn giản hơn nên thƣờng dùng đồ thị I – d để tính toán trong quá trình sấy.