Từ nghiệm chính xác cĩ thể xác định được nhiệt độ trung bình từ thời điểm τ1 đến hết quá trình làm nguội τ1→∞
Từ nghiệm chính xác cĩ thể xác định được nhiệt độ trung bình tại thời điểm τ1 đến hết quá trình làm nguội (τ1 =∞). Rõ ràng tỷ số Q(0→τ1)/Qn(τ1→∞) = fq(Bi, F0) cũng là hàm của Bi và Fo. Tương tự như biểu đồ tính nhiệt độ tâm và nhiệt độ bề mặt người ta cũng xây dựng một biểu đồ xác định Q(0→τ1)/Qn(τ1→∞) theo thời gian khơng thứ nguyên F0 và tiêu chuẩn Bi.
2.5 Các phương pháp xác định thời gian sấy hiện cĩ 2.5.1 Cơ sở thành lập chếđộ sấy 2.5.1 Cơ sở thành lập chếđộ sấy
Quá trình sấy là quá trình rút ẩm từ trong gỗ ra sao cho gỗ cĩ được một trạng thái ẩm độ đồng đều trong gỗ, đạt yêu cầu về độ ẩm mong muốn trong sử dụng, bảo đảm chất lượng của gỗ sấy theo yêu cầu của từng hạng chất lượng gỗ sấy, rút ngắn được thời gian sấy đến mức thấp nhất và quá trình sấy kinh tế nhất là một việc làm rất phức tạp [2].
Trên cơ sở phân tích về ứng suất và biến dạng xảy ra trong các giai đoạn của quá trình sấy và tìm hiểu rõ về bản chất của các quá trình dẫn ẩm, thốt ẩm trong gỗ và yêu cầu về chất lượng của nguyên liệu sấy, cĩ thể đi đến những kết luận sau đây:
Chênh lệch độ ẩm ở các vùng khác nhau trong ván (sự phân bố độ ẩm khơng đồng đều trên tiết diện ngang của ván) trong quá trình sấy là khơng thể tránh khỏi.
Để giảm bớt ứng suất bên trong gỗ sấy, cần thiết phải hạn chế mức độ bay hơi trên bề mặt gỗ trong giai đoạn sấy đầu khi độ ẩm của lớp gỗ ngồi mặt bắt đầu hạ xuống dưới điểm bão hịa thớ gỗ, tức là cần thiết phải sử dụng mơi trường sấy cĩ độ ẩm cao trong giai đoạn đầu của quá trình sấy.
Để giảm bớt (hoặc thủ tiêu) ứng suất bên trong gỗ ở giai đoạn giữa và giai đoạn cuối của quá trình sấy, tùy theo mức độ yêu cầu cần thiết (chất lượng gỗ sấy) cần xử lý nguyên liệu sấy bằng khơng khí cĩ độ ẩm cao và nhiệt độ cao, để làm cho lớp gỗ bề mặt của ván dẻo hơn và qua đĩ sẽ tạo điều kiện dễ dàng làm cân bằng ứng suất bên trong gỗ sấy (xử lý giữa chừng và xử lý cuối).
Những kết luận sơ bộ trên đã đặt ra tiền đề cho việc điều tiết khống chế quá trình sấy, tức là tiền đề để dẫn đến việc thành lập chế độ sấy.
Chế độ sấy [12]: qui định những giá trị nhiệt độ và độ ẩm của mơi trường sấy và qui định tuần tự tiến hành điều tiết quá trình sấy. Hay nĩi cách khác, chế độ sấy là nhiệt độ và độ ẩm của mơi trường sấy cho các giai đoạn của quá trình sấy.
Chế độ sấy cĩ tốt hay khơng là ở chỗ cĩ thực hiện được nhiệm vụ sấy cơ bản sau đây hay khơng : Rút ẩm trong thời gian ngắn nhất mà khơng làm tổn thương đến gỗ, tức là bảo đảm yêu cầu về chất lượng của gỗ sấy và yêu cầu kinh tế trong khi sấy gỗ (rút ngắn thời gian sấy gỗ)[8].
Xuất phát từ việc phân tích quá trình dẫn ẩm, thốt ẩm trong gỗ và phân tích hiện tượng ứng suất bên trong gỗ trong quá trình sấy và bảo đảm yêu cầu về chất lượng của gỗ sấy, ta đi đến những nhận xét sau đây làm cơ sở cho việc thành lập chế độ sấy. Thường gỗ trước khi sấy đều được làm nĩng lên đến nhiệt độ bằng hoặc cao hơn nhiệt độ khi bắt đầu sấy một ít, nhằm mục đích tạo điều kiện cho ẩm ở bên trong gỗ di chuyển từ bên trong ra ngồi mặt gỗ và bay hơi nhanh hơn.
Trong giai đoạn đầu của quá trình sấy, khơng cho phép làm giảm độ ẩm của lớp bề mặt gỗ một cách quá nhanh và đột ngột, bởi vì mức độ chênh lệch độ ẩm của gỗ ∆ω = ωtrong – ωmặt mà quá lớn gỗ sẽ rất dễ bị nứt bề mặt, điều này rất dễ xảy ra khi độ ẩm của gỗ lớn hơn điểm bão hịa thớ gỗ.
Nhiệt độ của mơi trường sấy cĩ thể tăng dần từ khi bắt đầu sấy cho đến lúc kết thúc sấy. Điều ấy là phù hợp và cần thiết để tăng tốc độ sấy ở các giai đoạn sấy về sau, vì khi độ ẩm của gỗ xuống dưới điểm bão hịa thớ gỗ, thì tốc độ sấy sẽ giảm dần.
2.5.2 Các yếu tốảnh hưởng đến thời gian sấy
Thời gian sấy phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, việc xác định một cách chính xác thời gian sấy là một việc làm khĩ khăn và cần được xem xét đánh giá một cách tỷ mỷ và chính xác các tác động của các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy.
Ảnh hưởng của loại gỗ: Như ở mơn học "khoa học gỗ" đã cĩ dịp đề
cập, các loại gỗ khác nhau thường cĩ cấu tạo và tính chất rất khác nhau, do đĩ cĩ ảnh hưởng rất đáng kể đến thời gian sấy. Qua kinh nghiệm thực tế cho phép ta điều tiết thời gian sấy thơng qua các hệ số điều chỉnh thời gian sấy theo loại gỗ sau đây:
Ảnh hưởng của khối lượng riêng: Thơng thường, gỗ cĩ khối lượng riêng càng lớn thì tốc độ thốt ẩm càng chậm, càng dễ sản sinh khuyết tật sấy và do vậy thời gian sấy càng kéo dài. Khối lượng riêng của gỗ là một chỉ tiêu đặc trưng cho từng loại gỗ và trong kỹ thuật sấy, khối lượng riêng của gỗ cũng là một chỉ tiêu quan trọng làm cơ sở cho việc phân nhĩm gỗ sấy, và do đĩ cĩ ảnh hưởng đáng kể đến thời gian sấy.
Ảnh hưởng của qui cách gỗ sấy: Qui cách ván được xem xét theo 3 chiều: bề dày, bề rộng và chiều dài, trong đĩ bề dày của ván cĩ ảnh hưởng rất lớn đến thời gian sấy. Gỗ càng dày sấy càng lâu khơ và nguy cơ sản sinh các khuyết tật sấy càng lớn và do đĩ phải sấy với chế độ sấy càng mềm và càng kéo dài thời gian sấy.
Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ càng cao sẽ làm tăng tốc độ dẫn ẩm và bay hơi của nước và do đĩ gỗ càng nhanh khơ. Tuy nhiên, để cĩ được chất lượng sấy tốt, tùy theo từng loại gỗ, cần cân nhắc lựa chọn một nhiệt độ sấy thích hợp để vừa đảm bảo khơ nhanh mà khơng ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng sấy.
Ảnh hưởng của tốc độ tuần hồn của mơi trường sấy: Về cơ bản, tốc độ tuần hồn của mơi trường sấy càng tăng sẽ cĩ tác dụng rút ngắn thời gian sấy. Tuy nhiên ở đây cũng cần cân nhắc thêm về mặt kinh tế sao cho cĩ lợi nhất.
Trên cơ sở phân tích kết quả nghiên cứu nên việc chọn lựa tốc độ tuần hồn 2 ÷ 4 m/s là hợp lý để sử dụng trong tính tốn thiết kế lị sấy.
Ảnh hưởng của độẩm: Vật liệu sấy càng ướt (độ ẩm ban đầu ωa càng cao) và mức độ giảm ẩm yêu cầu càng thấp (độ ẩm cuối cùng ωc càng thấp thì thời gian sấy càng dài. Tức là thời gian sấy phụ thuộc vào độ ẩm của gỗ.
Tuy nhiên trong thực tế sản xuất hiện nay, phần lớn gỗ sấy phục vụ cho sản xuất đồ mộc và nội thất, thường yêu cầu sấy khơ xuống độ ẩm ωe = 8 ÷ 13% Do vậy, yếu tố độ ẩm ảnh hưởng đến thời gian sấy ở đây là độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy. Độ ẩm ban đầu của gỗ sấy trong thực tế phụ thuộc vào nguồn gỗ, gỗ nội địa hoặc gỗ nhập khẩu. Thơng thường lượng gỗ nhập về ở dạng gỗ xẻ, cĩ khi đã qua hong phơi.
Do tình hình biến động khá lớn về độ ẩm ban đầu như vậy cho nên gỗ trước khi đưa vào sấy cần phải tiến hành xác định độ ẩm ban đầu của gỗ để làm cơ sở cho việc tính tốn xác định thời gian sấy và quyết định chọn lựa qui trình sấy phù hợp.
2.5.3 Phương pháp giải tích xác định thời gian sấy
Điển hình cho phương pháp giải tích là phương pháp Luikov A.V. Nội dung của phương pháp là chia thời gian sấy ra hai giai đoạn: giai đoạn tốc độ sấy khơng đổi và giai đoạn tốc độ sấy giảm dần và sau đĩ căn cứ vào đặc trưng nhiệt độ trong giai đoạn tốc độ sấy khơng đổi là khơng đổi để tìm ra thời gian sấy của giai đoạn này là τ1 tiếp theo ơng căn cứ vào nghiêm của phương trình (2.28) với điều kiện biên loại ba khi F0 đủ lớn để tìm ra thời gian sấy của giai đoạn tốc độ sấy giảm dần τ2 khi đĩ thời gian sấy τ= τ1+ τ2
A.V. Luikov là một trong những nhà khoa học Xơ Viết lỗi lạc trước đây người sáng lạp và lãnh đạo viện “truyền nhiệt truyền chất” các cơng trình của ơng nghiên cứu trong lĩnh vực truyền nhiệt truyền chất nĩi chung và truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy nĩi riêng được các nhà khoa học Mỹ ứng dụng rất rộng rãi.
Phương pháp xác định thời gian sấy là do ơng đề xuất là phương pháp xác định chặt chẽ giữa lý thuyết và động học quá trình sấy trên cơ sở thời gian sấy chia làm hai giai đoạn: giai đoạn sấy khơng đổi và giai đoạn sấy giảm dần. Do đĩ nếu bỏ qua giai đoạn đốt nĩng thì thời gian sấy là tổng thời gian của hai giai đoạn này. Thời gian sấy giai đoạn tốc độ khơng đổi τ1 và thời gian sấy tốc độ giảm dẫn τ2. Phương pháp của ơng bỏ qua giai đoạn đốt nĩng nên chỉ áp dụng cho những vật liệu cĩ giai đoạn đốt nĩng khơng đáng kể so với thời gian của tồn bộ quá trình.
Xác định thời gian sấy giai đoạn tốc độ khơng đổi τ1 [5]
Nếu ký hiệu thời gian sấy trong giai đoạn tốc độ khơng đổi τ1 là N%h ta cĩ:
osst
d
N c dt
ω = = (2.52)
Gọi độ ẩm trung bình khi bắt đầu là ω và độ ẩm trung bình khi kết thúc giai đoạn tốc độ sấy khơng đổi là ωk1 và thời gian kéo dài của giai đoạn là τ1 khi đĩ tích phân phương trình (2.52) ta được.
1 1
1 k
N
ω ω
τ = − (2.53)
Trong giai đoạn này muốn xác định thời gian tốc độ sấy khơng đổi phải biết độ ẩm ban đâu. Việc xác định độ ẩm ban đầu rất rễ ràng và biết độ ẩm kết thúc giai đoạn sấy khơng đổi ωk1 và tốc độ sấy N ngồi ra chúng ta phải biết mật độ dịng nhiệt
1b 2b
J = J r (2.54)
Trong đĩ J1b- là mật độ dịng nhiệt mà vật liệu sấy nhận được trên bề mặt J2b- là mật độ dịng ẩm trên bề mặt hay cường độ bay hơi trên bề mặt
r- nhiệt ẩm hố hơi Trong đĩ
J1b=α1(tm-tb) (2.55)
Tiêu chuẩn Nussen về trao đổi nhiệt và trao đổi chất được xác định thì mật độ dịng nhiệt và cường độ bay hơi hồn tồn được xác định nhờ cơng thức:
( ) m m b 1b 1 t t J Nu l λ − = (2.57) ( ab am) 1b 2 D P P J Nu l − = (2.58) Trong đĩ
λm- là hệ số dẫn của tác nhân sấy
D- hệ số khuếch tán ẩm trong tác nhân sấy
l- kích thước xác định trong truyền nhiệt truyền chất giữa tác nhân sấy và vật liệu ẩm.
Như vậy để xác định J1b và J2b chúng ta cần biết nhiệt độ tác nhân sấy tm nhiệt độ bề mặt tb và áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu Pab. Nhưng trong giai đoạn tốc độ sấy khơng đổi nhiệt độ bề mặt bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt. Do đĩ phân áp suất trên bề mặt Pab chính là áp suất bão hồ ứng với nhiệt độ bề mặt tb. Vì thế muốn biết nhiệt độ tb dùng bảng nước và hơi bão hồ tra theo áp suất hoặc dùng cơng thức thức Áp suất bão hịa của hơi nước cĩ thể tính theo cơng thức Antion [14]
Pab = exp[ 12.03- 235 42 . 4026 + s t ] p [bar], t [0C] (2.59) Tương tự phân áp suất của hơi nước trong tác nhân sấy Pam bằng
Pam=ϕm.Pbm= ϕm .exp[ 12.03- 235 42 . 4026 + s t ] (2.60) Trong đĩ
ϕm- độ ẩm tương đối của tác nhân sấy
Pbm- phân áp suất bão hồ của hơi nước tương ứng với nhiệt độ của tác nhân sấy tm
Trong bài tốn này cịn lại ẩn N tốc độ sấy và độ ẩm ωk1. A.V Luikov và IU Mykhailov đã giải bài tốn truyền nhiệt truyền chất hỗn hợp với điều kiện biên loại hai. Do trong giai đoạn tốc độ sấy khơng đổi, nhiệt độ trung bình tích phân qua vật
Bài tốn cịn lại ẩn xác định độ ẩm kết thúc giai đoạn tốc độ sấy khơng đổi. Độ ẩm này cĩ giá trị xác định đối với mỗi loại vật liệu nhất định cĩ thể cho trước. Tuy nhiên, nĩ cũng cĩ thể tính theo độ ẩm thấm ướt, mỗi đặc trưng khác nhau của A.V. Luikov [4]. Khi kết thúc quá trình tốc độ sấy khơng đổi độ ẩm trung bình tích phân ω = ωk1.
Vậy muốn xác định độ ẩm kết thúc giai đoạn sấy tốc độ khơng đổi ta phải biết độ ẩm uk1 trên bề mặt tại điểm k. Với các vật liệu keo người ta tìm thấy uk1 bằng độ chứa ẩm thấm ướt ωtư hay 100uk1-100utư = ωtư là một trong những đặc trưng của vật liệu ẩm.
2 k1 tu 2 N 100 3a δ ω = ω + (2.61)
Từ phương trình (2.61) ta thấy độ ẩm ωk1 khơng phục thuộc vào độ ẩm thấm ướt, chế độ sấy phục thuộc vào tốc độ sấy và kích thước xác định R của vật liệu sấy.
Xác định thời gian sấy giai đoạn tốc độ giảm dẫn τ2 [5]
Nếu trong giai đoạn tốc độ sấy khơng đổi theo quy luật d N cosst
dt
ω = = của hầu hết các vật liệu ẩm là như nhau thì trong giai đoạn tốc độ sấy giảm dần quan hệ đĩ rất khác nhau tuỳ từng loại vật liệu A.V. Luikov trong giai đoạn tốc độ sấy giảm dần đặc trưng d = f( )
dt
ω ω của các loại vật liệu ẩm khác nhau là khác nhau. Nếu tuyến tính hố quan hệ này chúng ta sẽ tìm thấy điểm dẫn xuất Kdx là điểm kết thúc giai đoạn sấy tốc độ khơng đổi hay bắt đầu giai đoạn sấy tốc độ giảm dần. Độ ẩm tương ứng với điểm Kdx ta ký hiệu là ωkdx. Như vậy cĩ thể cĩ ba trường hợp.
ωk1 > ωkdx ωk1 < ωkdx ωk1 = ωkdx Sau khi tuyến tính hố ta được
( )
= − cb
d K
dt
ω ω ω (2.62)
Trong đĩ K- hệ số tỷ lề và cũng coi là hệ số sấy và ω = ωcb thì tốc độ sấy phải bằng tốc độ sấy ở giai đoạn tốc độ khơng đổi N. Do đĩ
= = − kdx cb N K χN ω ω (2.63) Trong đĩ = − kdx cb N χ ω ω (2.64)
Việc xử lý số liệu của nhiều nhà khoa học A.V.Luikov, N.S. Mykhaiev rút ra cơng thức gần đúng xác định hệ số χ. 0 1.8 = χ ω (2.65)
Khi đĩ kết hợp với phương trình (2.63), (2.64) và phương trình (2.65) chúng ta cĩ thể xác định ωkdx theo cơng thức: 0 kdx cb cb 1 1.8 ω ω = ω + = ω + χ (2.66)
Tìm cơng thức biểu diễn độ ẩm theo thời gian sấy giai đoạn tốc độ sấy giảm dần từ phương trình (2.63) ta được cb d Kd d ω = − τ = −χ τ ω − ω (2.67)
Tích phân phương trình ta được 2 cb o dω = −τ Kdτ ω − ω ∫ ∫ Hay cb ( ) ( ) kdx exp -K exp N ω − ω = τ = −χ τ ω − ω (2.68)
Nếu biến ẩn số quá trình sấy ω2 thì từ phương trình (2.68) ta tìm được thời gian sấy τ2 kdx cb 2 2 cb 1 ln N ⎛ω − ω ⎞ τ = − ⎜ ⎟ χ ⎝ ω − ω ⎠ (2.69)
Kết hợp phương trình (2.66) và phương trình (2.69) ta được
( ) ( ) 2 2 cb 1 ln N τ = − χ ω − ω χ (2.70)
( ) ( ) 1 k1 1 2 2 cb 1 ln N N ω − ω τ = τ + τ = − χ ω − ω χ (2.71) Để khử ωkdx bằng cách đặt ( ) ( ) 1 kdx 1 k1 kdx cb 1 cb 2 cb 1 ln N N N N N ω − ω ω − ω ω − ω ω − ω = − = − χ ω − ω χ
Khi đĩ phương trình (2.71) cĩ thể viết lại dưới dạng
( ) { } 1 cb 2 cb 1 1 ln N N ω − ω ⎡ ⎤ τ = − ⎣ + χ ω − ω ⎦ χ (2.72)
Như vậy trong giai đoạn đốt nĩng độ ẩm của vật giảm khơng đáng kể. Do đĩ cĩ thể coi độ ẩm bắt đầu quá trình sấy tốc độ khơng đổi bằng độ ẩm ban đầu khi đĩ