d. Các vitamin:
2.7Cơ sở lí thuyết của quá trình sấy
2.7.1 ðộng học của quá trình sấy
ðộng học quá trình sấy khảo sát sự thay ñổi các thông sốñặc trưng của vật sấy trong quá trình sấy. Các thông sốñược nghiên cứu là ñộ chứa ẩm u, ñộ ẩm
W, nhiệt ñộ sấy tb, tốc ñộ sấy τ ∂ ∂u hay ( τ ∂
∂W). Trong quá trình sấy thông số này thay ñổi theo thời gian sấy. Các quy luật nghiên cứu ñược ở ñộng học quá trình sấy cho phép tính toán lượng ẩm bay hơi, nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình sấy, từñó xác ñịnh ñược thời gian sấy cũng như các chếñộ sấy phù hợp cho các loại sản phẩm khác nhau.
a. Các giai ñoạn của quá trình sấy:
Nếu chế ñộ sấy tương ñối dịu, tức là nhiệt ñộ và tốc ñộ chuyển ñộng của không khí không lớn, ñồng thời vật có ñộ ẩm tương ñối cao thì quá trình
sấy sẽ xảy ra theo 3 giai ñoạn: giai ñoạn làm nóng vật, giai ñoạn tốc ñộ sấy không ñổi và giai ñoạn tốc ñộ sấy giảm dần [11].
- Giai ñoạn làm nóng vật: Giai ñoạn này bắt ñầu từ khi ñưa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho ñến khi nhiệt ñộ của vật ñạt ñến bằng nhiệt ñộ của nhiệt kếướt (tư). Trong quá trình này toàn bộ vật ñược gia nhiệt ẩm lỏng, trong vật cũng ñược gia nhiệt cho ñến khi ñạt nhiệt ñộ sôi ứng với phân áp suất hơi nước trong môi trường không khí trong buồng sấy (tư). Vật ñược làm nóng nên ñộ ẩm của vật có giảm ñi chút ít do bay hơi ẩm còn nhiệt ñộ của vật thì tăng dần từ nhiệt ñộ ban ñầu cho ñến khi bằng nhiệt ñộ nhiệt kế ướt. Vật tăng nhiệt ñộ trong quá trình xảy ra không ñồng ñều ở phần ngoài và phần trong vật. Vùng trong vật ñạt tới tư chậm hơn. ðối với những vật dễ sấy thì giai ñoạn làm nóng vật xảy ra rất nhanh [11].
- Giai ñoạn tốc ñộ sấy không ñổi: Kết thúc giai ñoạn làm nóng vật, nhiệt ñộ vật bằng nhiệt ñộ nhiệt kếướt. Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sấy sẽ hoá hơi còn nhiệt ñộ của vật giữ không ñổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉñể làm hoá hơi nước. Ẩm sẽ hoá hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật ñể hoá hơi. Do nhiệt ñộ không khí nóng không ñổi, nhiệt ñộ vật cũng không ñổi. Do vậy tốc ñộ bay hơi ẩm của vật cũng không ñổi. ðiều này làm cho tốc ñộ giảm của ñộ chứa ẩm của vật theo thời gian
τ ∂
∂u không ñổi, có nghĩa là tốc ñộ sấy không ñổi: u =const
τ ∂ ∂
. Trong giai ñoạn sấy tốc ñộ không ñổi, biến thiên của chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính. Ẩm ñược thoát ra trong giai ñoạn này là ẩm tự do. Khi ñộ ẩm của vật ñạt tới trị số giới hạn uk =ucbmax. Thì giai ñoạn sấy tốc ñộ không ñổi chấm dứt. ðồng thời cũng là chấm dứt giai ñoạn thoát ẩm tự do chuyển sang giai ñoạn sấy tốc ñộ giảm [11].
ñổi, ẩm tự do ñã bay hơi hết còn lại trong vật là ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự do và càng tăng lên khi ñộ ẩm của vật càng nhỏ (ẩm liên kết càng chặt). Do vậy tốc ñộ bay hơi ẩm trong giai ñoạn này nhỏ hơn giai ñoạn sấy tốc ñộ không ñổi có nghĩa là tốc ñộ sấy trong giai ñoạn này nhỏ hơn và càng giảm ñi theo thời gian sấy. Quá trình càng tiếp diễn, ñộ ẩm của vật càng giảm, tốc ñộ sấy cũng giảm cho ñến khi ñộẩm của vật giảm ñến bằng ñộẩm cân bằng ứng với ñiều kiện môi trường không khí ẩm trong buồng sấy (ucb,ωcb) thì quá trình thoát ẩm của vật ngừng lại có nghĩa là tốc ñộ sấy bằng 0 ( u 0
=τ τ ∂
∂ ). Trong giai ñoạn sấy tốc ñộ giảm nhiệt ñộ sấy tăng lên lớn hơn nhiệt ñộ nhiệt kếướt. Nhiệt ñộ ở các lớp bên ngoài bề mặt tăng nhanh hơn còn càng sâu vào bên trong vật nhiệt ñộ tăng chậm do ñó hình thành Gradient nhiệt ñộ trong vật sấy. Khi ñộ ẩm vật ñạt ñến ñộ ẩm cân bằng thì lúc này giữa vật sấy và môi trường có sự cân bằng nhiệt ẩm. Có nghĩa là không có sự trao ñổi nhiệt và chất giữa vật và môi trường (nhiệt ñộ vật bằng nhiệt ñộ môi trường, còn ñộ ẩm của vật là ñộẩm cân bằng).Ở cuối quá trình sấy do tốc ñộ nhỏ nên thời gian sấy kéo dài. Về lý thuyết ñể cho ñộ ẩm giảm ñến ñộ ẩm cân bằng thì thời gian sấy
∞ →
τ tức là ñường cong u=f( )τ tiệm cận với ñường thẳng ωcb =const.Tuy vậy trong thực tế người ta sấy ñến ñộ ẩm cuối u2( )ω2 lớn hơn ñộ ẩm cân bằng. ðộ ẩm cân bằng phụ thuộc vào ñộẩm tương ñối và nhiệt ñộ không khí trong buồng sấy mà ñộẩm cuối của sản phẩm sấy có thểñạt ñến sẽ khác nhau. Cần chú ý tới ñiều kiện trên khi chọn nhiệt ñộ và ñộ ẩm của không khí tiếp xúc với vật liệu sấy ở giai ñoạn cuối quá trình sấy [13].
b. Một số quy luật cơ bản của quá trình sấy
Các quy luật thay ñổi các ñặc tính cơ bản của quá trình sấy là những quy luật nhận ñược qua nghiên cứu thực nghiệm. Trong ñó quan trọng nhất là các quy luật thay ñổi của ñộẩm theo thời gian sấy, quy luật thay ñổi của nhiệt
ñộ vật sấy và quy luật thay ñổi của tốc ñộ sấy. Các quy luật này biểu thị dưới dạng ñồ thị tương ứng là các ñường cong sấy, ñường cong tốc ñộ sấy và ñường cong nhiệt ñộ sấy.
- ðường cong sấy: ðường cong sấy biểu diễn quan hệ giữa ñộ chứa ẩm và nhiệt ñộ vật sấy theo thời gian: u=f(τ), tv=f(τ). Ba giai ñoạn của quá trình sấy biểu diễn trên ñồ thị tương ứng bằng các ñoạn OA, AB và BC (hình 2.9).
Trong giai ñoạn sấy tốc ñộ không ñổi ñộ ẩm và nhiệt ñộ có quan hệ tuyến tính với thời gian. Còn trong giai ñoạn gia nhiệt và giai ñoạn sấy tốc ñộ giảm quan hệ này có dạng ñường cong. ðường cong thay ñổi nhiệt ñộ của vật trong giai ñoạn làm nóng vật và giai ñoạn sấy tốc ñộ giảm không trùng nhau ñối với các lớp bên trong vật (a', b') và các lớp trên bề mặt vật (a, b) [2].
Hình 2.9. ðường cong sấy
- ðường cong tốc ñộ sấy: ðường cong tốc ñộ sấy biểu thị quan hệ giữa tốc ñộ sấy
τ ∂
∂u và thời gian sấy τ (hình 2.10). ðường cong sấy có thể nhận ñược bằng cách ñạo hàm hàm số u=f(τ). Tốc ñộ sấy tại mỗi thời ñiểm ñược biểu thị bằng ñộ dốc của ñường cong u=f(τ) tại thời ñiểm ñó. Trong quá trình sấy ñộ ẩm của vật giảm dần nên chiều diễn biến của ñường cong tốc ñộ sấy là từ phải sang trái. Trong giai ñoạn làm nóng vật tốc ñộ sấy tăng nhanh từ
ñộ ẩm giảm ñến trị số ωK1. Trong giai ñoạn sấy tốc ñộ giảm, tốc ñộ sấy sẽ giảm từ trị số N tới 0 ứng với ñộ ẩm cân bằng của vật ωcb. Trong giai ñoạn này, ñường cong tốc ñộ sấy có dạng khác nhau tuỳ thuộc vào cấu trúc, kích thước và bản chất vật sấy [2].
Hình 2.10. ðường cong tốc ñộ sấy
- ðường cong nhiệt ñộ sấy: ðường cong nhiệt ñộ sấy tv = f(u) nói chung có dạng như hình 2.11. Trong quá trình sấy ñộ chứa ẩm của vật giảm dần nên quá trình sấy trên ñồ thị này diễn biến theo chiều u giảm (từ phải sang trái).
Vật ở trạng thái ñầu u0, t0ñược gia nhiệt tăng nhiệt ñộ cho ñến tư. Trong giai ñoạn sấy tốc ñộ không ñổi nhiệt ñộ vật bằng tư. Trong giai ñoạn sấy tốc ñộ giảm nhiệt ñộ vật (tv) tăng dần và khi ñạt ñến trạng thái cân bằng giữa vật sấy và môi trường (trong buồng sấy) thì tv = tf (tf là nhiệt ñộ của môi chất sấy); còn ñộ chứa ẩm của vật là ucb. Trong giai ñoạn làm nóng vật nhiệt ñộ tâm vật và bề mặt vật khác nhau, nhiệt ñộ bề mặt vật thay ñổi nhanh hơn còn ở tâm vật thay ñổi chậm hơn nhưng cuối cùng khi ñã ñạt ñến trạng thái cân bằng nhiệt thì chúng ñều bằng nhau và bằng với nhiệt ñộ môi chất sấy tf [2].
Hình 2.11. ðường cong nhiệt ñộ sấy
c. Phân tích quá trình sấy
- Giai ñoạn tốc ñộ sấy không ñổi: Nhiệt lượng cung cấp trong quá trình này dùng ñể nâng cao nhiệt ñộ của vật tới nhiệt ñộ hoá hơi của nước và làm hoá hơi ẩm lỏng. Phương trình cân bằng nhiệt trong giai ñoạn này có dạng:
dQ = (CkGk + CnGn)dtv + [(r + Cph).(th - tbh)]dGn (2.1) Với: dQ - nhiệt cấp cho vật trong khoảng thời gian τ
Ck, Cn - nhiệt dung riêng của vật khô và của nước Gk, Gn - khối lượng riêng của vật khô và nước trong vật
dtv - biến thiên nhiệt ñộ trung bình của vật trong thời gian dτ. r - nhiệt hoá hơi của nước ở áp suất xảy ra quá trình
Cph - nhiệt dung riêng ñẳng áp của hơi nước th - nhiệt ñộ của hơi nước thoát ra khỏi vật
dGn - lượng ẩm bay ra khỏi vật trong thời gian dτ.
Nhiệt lượng cung cấp cho vật sẽ lấy từ môi chất sấy trong khoảng thời gian dτ thông qua quá trình truyền nhiệt, vậy ta có:
τ − α = F(t t )d dQ f bh (2.2) Với: α - hệ số TðN ñối lưu từ môi chất sấy ñến bề mặt vật (W/m2K). F - diện tích bề mặt tiếp xúc giữa vật sấy và môi chất sấy (m2). t - nhi t c a môi ch t s y (0C).
Từ 2 phương trình trên, ta có thể xác ñịnh ñược tốc ñộ sấy ) ( ) ( ) ( 1 bh h ph v n n k k bh f n T t C r dt dt G C G C t t F d dG Z − + + − − = = α τ (2.3)
Từ phương trình trên, có nhận xét: tuỳ thuộc vào sự khác nhau giữa nhiệt ñộ của hơi ẩm thoát ra và nhiệt ñộ bão hoà mà trị số tốc ñộ sấy cũng có sự thay ñổi. Trong giai ñoạn làm nóng vật nhiệt ñộ ban ñầu t0 cũng có thể lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt ñộ bão hòa tbh.
Nếu t0 < tbh thì vật sẽ bị làm nóng và ta có phương trình cân bằng nhiệt trong giai ñoạn làm nóng vật là: ∫ ∫ − = + bh t v n n k k bh f t d C G C G dt t F 0 0 ) ( ) ( τ τ α (2.4)
Nếu t0 > tbh thì không cần quá trình làm nóng và ngay từ ban ñầu ẩm trong vật ñã hoá hơi và nhiệt ñộ vật sẽ giảm tới nhiệt ñộ bão hoà t0 → tbh .
Trong thời kỳ sấy tốc ñộ không ñổi ẩm bốc hơi chủ yếu từ bề mặt vật, hơi ẩm thoát ra là hơi bão hòa có nhiệt ñộ là tbh (hay tư). Như vậy trong giai ñoạn này, biểu thức xác ñịnh tốc ñộ sấy là: τ α τ ) ( 1 bh f n F t t d dG Z − = = (2.5) Dễ dàng nhận thấy rằng Z1 = const.
Thực nghiệm chứng tỏ, trong ñiều kiện chếñộ sấy như nhau cường ñộ bay hơi ẩm ở giai ñoạn sấy tốc ñộ không ñổi và cường ñộ bề mặt vật sấy bằng nhiệt ñộ nhiệt kếướt (tv = tbh - tư). Trong trường hợp do bức xạ nhiệt từ vách buồng sấy, nhiệt ñộ của vật lớn hơn nhiệt ñộ nhiệt kếướt thì cường ñộ bay hơi của giai ñoạn sấy tốc ñộ không ñổi lớn hơn khoảng 20% so với nước tự do. Nếu tác nhân sấy có nhiệt ñộ cao, tốc ñộ sấy trong giai ñoạn ñầu vẫn không ñổi nhưng nhiệt ñộ vật sấy tăng liên tục và lớn hơn nhiều so với nhiệt ñộ nhiệt kếướt [4].
bay hơi lùi dần vào trong lòng vật sấy, nhiệt ñộ bề mặt vật sấy tăng cao hơn trị số nhiệt ñộ nhiệt kế ướt (tư) và sẽ tiến tới bằng nhiệt ñộ môi chất sấy (tf). Trong giai ñoạn này cường ñộ trao ñổi nhiệt giảm dần do ñó nhiệt ñộ môi chất sấy cung cấp cho vật cũng giảm dần. ðồng thời hơi ẩm thoát ra khỏi vật là hơi quá nhiệt chứ không phải hơi bão hoà như ở giai ñoạn 1. Nhiệt lượng môi chất sấy cung cấp cho vật trong giai ñoạn này không chỉ ñể làm bay hơi ẩm như giai ñoạn 1 mà còn dùng ñể quá nhiệt cho hơi ẩm bay ra, dùng ñể gia nhiệt cho vật sấy ñể cho nhiệt ñộ sấy tăng lên. Vì vậy tốc ñộ sấy trong giai ñoạn này nhỏ hơn giai ñoạn ñầu và tốc ñộ sấy cũng giảm liên tục do nhiệt truyền từ môi chất sấy ñến vật giảm liên tục (tv tăng liên tục); do ẩm liên kết càng chặt chẽ càng cần năng lượng hoá hơi cao; do phải chi phí nhiệt nhiều hơn ñể quá nhiệt hơi ẩm thoát ra với nhiệt ñộ ngày càng cao và do chi phí nhiệt ñể gia nhiệt cho vật sấy càng tăng lên. Quá trình sẽñứng lại khi vật và môi chất sấy ñạt ñến trạng thái cân bằng nhiệt và ẩm, lúc này nhiệt truyền từ môi chất tới vật bằng 0 và tốc ñộ sấy cũng bằng 0.
2.7.2 Các yếu tốảnh hưởng ñến thời gian sấy
Thời gian sấy là một ñại lượng ñặc trưng tổng hợp của quá trình sấy, nó có ý nghĩa ñặc biệt quan trọng trong quá trình thiết kế và vận hành thiết bị sấy. Thời gian sấy phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhưng có thể phân thành hai nhóm chính:
Nhóm ñặc trưng cho vật liệu sấy: hình dáng, kích thước, ñộẩm ban ñầu và ñộẩm sản phẩm sau khi sấy,...
Nhóm ñặc trưng cho thiết bị sấy: phương pháp sấy, chếñộ sấy, cách bố trí vật liệu trong thiết bị sấy,....
Việc xác ñịnh một cách chính xác thời gian sấy là một việc làm rất khó khăn và cần ñược xem xét ñánh giá một cách tỉ mỉ và chính xác các tác ñộng
sấy bằng giải tích gặp nhiều khó khăn nên trong tính toán thực tế ta thường xác ñịnh thời gian sấy bằng các công thức thực nghiệm hoặc theo kinh nghiệm vận hành. Dưới ñây giới thiệu một số yếu tố có ảnh hưởng nhiều ñến thời gian sấy:
- Ảnh hưởng của khối lượng riêng: Thông thường, vật liệu có khối lượng riêng càng lớn thì tốc ñộ thoát ẩm càng chậm, do vậy thời gian sấy càng kéo dài. Khối lượng riêng của vật liệu là một chỉ tiêu ñặc trưng cho từng loại vật liệu và trong kỹ thuật sấy, khối lượng riêng của vật liệu cũng là một chỉ tiêu quan trọng làm cơ sở cho việc phân nhóm vật liệu sấy, và do ñó có ảnh