L ỜI MỞ ĐẦ U
4.2BIẾN THIÊN TỐC ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT TRONG KHÔNG GIAN
BUỒNG SẤY
Tốc độ chuyển động của hạt ảnh hưởng rất lớn tới quá trình truyền nhiệt – truyền chất giữa hạt và tác nhân sấy nên trước hết chúng ta sẽ xem xét biến thiên tốc độ của hạt theo thời gian.
Giải hệ phương trình vi phân gồm 8 phương trình (hệ 3.51) với các điều kiên biên tương ứng với từng phương trình, trình bày cụ thểở chương 3 và điều kiện ban đầu: nhiệt độ tác nhân sấy 200oC, kích thước ban đầu bằng 2mm, tốc độ tác nhân sấy là 1 m/s với các tốc độ ban đầu của hạt: Uvo = 3, 5, 16.5, 30 và 50 m/s cho kết quả như trên hình 4.2.
Từ đồ thị có thể nhận thấy rằng khi tốc độ “hạt” lớn hơn rất nhiều so với tốc độ tác nhân sấy thì tốc độ hạt giảm theo thời gian và khi tốc độ ban đầu càng nhỏ thì gia tốc càng nhỏ. Ngược lại, khi tốc độ ban đầu của “hạt” không lớn thì hạt chuyển độngn nhanh dần theo thời gian. Đặc biệt, khi tốc độ ban đầu bằng 16 m/s thì hạt chuyển động với tốc độ gần như không thay đổi trong buồng sấy. Điều này có thể giải thích như sau: trong trường hợp tốc độ tương đối giữa hạt và tác nhân sấy lớn thì lực cản của tác nhân sấy lớn hơn lực trọng trường nên gia tốc của hạt có giá trị âm, tức là vận tốc của hạt giảm dần tới khi các lực tác dụng lên hạt cân bằng nhau thì tốc độ hạt không đổi nữa (ứng với trường hợp tốc độ hạt xấp xỉ 16 m/s). Ngược lại nếu tốc độ tương đối của “hạt” đủ nhỏ thì lực cản của tác nhân sấy nhỏ, không đủ thắng lực trọng trường nên hạt có gia tốc dương, tức là tốc độ hạt sẽ tăng dần. 4.3 NGHIÊN CỨU GIAI ĐOẠN SẤY CÓ TỐC ĐỘ SẤY KHÔNG ĐỔI
Như trên đã phân tích, quá trình truyền chất trong giai đoạn sấy có tốc độ không đổi gồm hai quá trình: quá trình dịch chuyển lỏng từ trong lòng hạt ra ngoài bề mặt làm thành phần thể tích chất rắn trong hạt tăng hay thành phần chất lỏng giảm; quá trình dịch chuyển ẩm từ bề mặt hạt vào môi trường sấy nóng – quá trình này giống như quá trình dịch chuyển ẩm của hạt nguyên chất. Quá trình sấy này sẽ
kết thúc khi phân thể tích chất rắn trên bề mặt hạt bằng 0,6 [1]. Dưới đây sẽ trình bày một số kết quả tính toán lý thuyết về ảnh hưởng của một số yếu tố trong giai đoạn sấy này bằng cách giải hệ 3.51 với các điều kiện biên tương ứng theo thuật toán đã trình bày ở trên với việc thay đổi lần lượt các yếu tố cần khảo sát. Nhưng ở đây cần lưu ý rằng do trong giai đoạn sấy với tốc độ không đổi phân áp suất của hơi ở trên bề mặt hạt bằng phân áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ bề mặt hạt nên trong mô hình toán học 3.51 không cần sử dụng 2 phương trình cuối là các phương trình xác định phân áp suất của hơi.
Hình 4.2: Biến thiên tốc độởđiều kiện Utns = 1 m/s, Rdo = 2mm
4.3.1 Ảnh hưởng của kích thước ban đầu của hạt
Kết quả biến thiên phân thể tích chất rắn theo thời gian sấy ở các vị trí khác nhau trong hạt đối với các hạt có bán kính 2 mm và 0,2 mm được trình bày trên hình 4.3 và 4.4. Nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu ở cả 2 trường hợp tính toán này bằng 200oC còn phân thể tích chất rắn ban đầu của hạt bằng 0,32.
Trong trường hợp bán kính ban đầu của hạt bằng 2 mm, thành phần thể tích chất rắn trong hạt và trên bề mặt hạt tăng với tốc độ gần bằng nhau. Khi phân thể tích chất rắn trên bề mặt hạt đạt tới giá trị tới hạn 0,6 (kết thúc giai đoạn 1) thì tâm của hạt đạt giá trị 0,52. Trong khi đó, ở các hạt có kích thước hạt ban đầu là 0,2 mm thì thành phần chất rắn tăng nhanh hơn ở phía bề mặt hạt. Ở thời điểm cuối của giai đoạn sấy I này, trong khi phân thể tích chất rắn đạt 0,6 và vỏ khô sẽ bắt đầu được hình thành thì thành phần chất rắn của hạt ở tâm chỉđạt 0,35. Ở cỡ hạ này thì thời gian để xảy giai đoạn sấy I là rất ngắn (khoảng vài phần trăm giây). Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết [5].
Hình 4.3: Phân bố phân thể tích chất rắn bên trong hạt có cùng kích thước ban đầu là 2 mm ở các thời điểm khác nhau
Hình 4.4: Phân bố phân thể tích chất rắn bên trong hạt có cùng kích thước ban đầu là 0,2 mm ở các thời điểm khác nhau
4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của tác nhân sấy
Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu tác nhân sấy được xác định thông qua việc tính toán sự thay đổi cường độ bay hơi trên bề mặt các hạt vật liệu sấy. Cường độ bay hơi là lượng hơi thoát ra từ 1 đơn vị diện tích bề mặt hạt trong 1 đơn vị thời gian. Vì vậy nó là đại lượng thể hiện rõ nhất hiệu quả trao đổi nhiệt – trao đổi chất trong quá trình sấy. Trên hình 4.5 trình bày kết quả tính toán về ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của tác nhân sấy tới cường độ bay hơi, xét với 2 trường hợp kích thước ban đầu của hạt là 2mm và 0,2mm.
Từ hình 4.5, nhận thấy rằng khi nhiệt độ ban đầu của tác nhân sấy tăng còn các điều kiện khác không đổi thì cường độ bay hơi của “hạt” tăng. Điều này là do khi nhiệt độ tăng thì hệ số khuếch tán ẩm từ bề mặt “hạt” tới môi trường tăng. Mặt khác, phù hợp với lý thuyết chung: khi kích thước của các hạt giảm xuống thì cường độ của quá trình truyền nhiệt – truyền chất tăng lên nên cường độ bay hơi của các hạt bé (0,2mm) lớn hơn rất nhiều (khoảng 10 lần) so với cường đô bay hơi của các
hạt lớn (2mm). Điều này cho thấy ý nghĩa của việc làm “biến bụi” dịch vật liệu sấy trong thiết bị sấy phun.
Hình 4.5: Cường độ bay hơi của hạt
4.3.3 Ảnh hưởng của thành phần thể tích chất rắn ban đầu
Đối với mỗi loại vật liệu sấy khác nhau mà có thành phần chất rắn ban đầu tối ưu có nghĩa là ở thành phần thể tích này thì hiệu quả của quá trình truyền nhiệt – truyền chất là tốt nhất. Dưới đây sẽ tiến hành đánh giá ảnh hưởng của nhân tố này tới quá trình biến đổi phân thể tích chất rắn tại các điểm khác nhau trong hạt. Quá trình tính toán được thực hiện với 2 thành phần thể tích ban đầu khác nhau
0, 25 & 0,15
o o
ϕ = ϕ = . Kết quả trình bày trên hình 4.5 và 4.6 cho thấy: ở cùng điều kiện, nếu thành phần thể tích chất rắn ban đầu càng lớn thì sự khác biệt về thành phần này giữa bề mặt hạt và phía bên trong hạt sẽ càng nhỏ. Mặt khác, khi tăng thành phần thể tích chất rắn ban đầu nghĩa là giảm thành phần thể tích ẩm sẽ dẫn đến làm giảm khả năng thẩm thấu ẩm của vỏ xốp.
Hình 4.6: Phân thể tích chất rắn ở bên trong hạt tại các thời điểm khác nhau với ϕo=0,15
Hình 4.7: Phân thể tích chất rắn ở bên trong hạt tại các thời điểm khác nhau
4.4 NGHIÊN CỨU GIAI ĐOẠN SẤY CÓ TỐC ĐỘ GIẢM DẦN VÀ TOÀN BỘQUÁ TRÌNH SẤY QUÁ TRÌNH SẤY
Về mặt lý thuyết thì giai đoạn sấy II bắt đầu khi phân áp suất của hơi trên bề mặt hạt nhỏ hơn phân áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ bề mặt hạt. Điều này tương ứng với thành phần thể tích chất rắn trên bề mặt hạt bằng 0,6 [1] nên sự khác biệt trong việc giải mô hình toán học giữa giai đoạn sấy I và giai đoạn sấy II ở chỗ phải xác định thêm thành phần thể tích hơi trên bề mặt hạt, tức là phải sử dụng tất cả các phương trình của hệ 3.51 để giải.
4.4.1 Biến thiên nhiệt độ bề mặt hạt và tâm hạt theo thời gian
Với giai đoạn sấy II, do có sự hình thành vỏ khô ở bên ngoài hạt, vỏ khô này đóng vai trò như một lớp cản trở sự truyền nhiệt và truyền chất giữa tác nhân sấy và nhân ướt nên không thể bỏ qua sự sai khác về nhiệt độ giữa các điểm tại cùng thời điểm.
Nhiệt độ bề mặt và tâm hạt là hai đối tượng đáng quan tâm nhất. Kết quả tính toán 2 giá trị nhiệt độ này đối với 2 loại hạt có kích thước khác nhau (2mm và 0,2 mm) ở nhiệt độ ban đầu của tác nhân sấy khác nhau (150 và 200oC) được trình bày trên hình 4.8.
Từ đồ thị thấy rằng, ở chế độ nhiệt độ sấy ban đầu bằng 150oC độ chênh lệch nhiệt độ bề mặt hạt và tâm hạt tăng dần theo thời gian. Trong khi ở 200oC thì sự chênh nhiệt độ tăng rất nhanh trong khoảng thời gian ngắn ban đầu, sau đó mức chênh lệch gần như không đổi. Chênh lệch lớn nhất giữa nhiệt độ tâm và bề mặt của các chế độ tính toán này khoảng 7oC. Điều này là do trong giai đoạn sấy 2, chiều dày vỏ khô tăng theo thời gian làm tăng nhiệt trở nên độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt vỏ và nhân tăng lên. Mặt khác kết quả tính toán cũng cho thấy khi tăng nhiệt độ tác nhân sấy trong khi các điều kiện khác không thay đổi thì nhiệt độ hạt tăng lên. Nhiệt độ tác nhân sấy tăng từ 150oC lên 200oC làm nhiệt độ tâm hạt tăng lên 8oC và nhiệt độ bề mặt tăng 6oC sau 5 giây.
Hình 4.8: Biến thiên nhiệt độ bề mặt và tâm hạt (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.4.2 Phân khối lượng hơi trong vỏ xốp
Trong quá trình sấy, đến một thời điểm nào đó thì vỏ khô được hình thành bên ngoài hạt và chiều dày lớp vỏ này tăng dần chia hạt thành 2 phần: phần lõi bên trong là nhân ướt, phần vỏ bên ngoài là vỏ xốp. Trong các lỗ rỗng chứa hỗn hợp của không khí khô và hơi nước. Hơi nước từ mặt phân chia giữa vỏ và nhân khuếch tán ra bên ngoài trong khí đó không khí khô thì khuếch tán theo chiều ngược lại (từ mặt ngoài cùng vào trong). Gradient thành phần khối lượng của hơi ở trong lớp vỏ xốp là đại lượng đặc trưng cho cường độ của quá trình trao đổi chất giữa nhân ướt và tác nhân sấy. Hình 4.9 thể hiện sự thay đổi phân khối lượng của hơi trong vỏ xốp tại thời điểm độ ẩm tương đối của hạt là 60% và xét trong 2 trường hơp nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu bằng 200oC và 300oC với kích thước hạt ban đầu bằng 2mm. Trong quá trình tính toán thì ở bất cứ thời điểm nào cũng phải xác định gradient phân khối lượng hơi ở trong lớp vỏ nhưng ởđây chỉ đưa một trường hợp minh họa
phân chia giữa lớp vỏ xốp và nhân (hình 3.3); Ld là chiều dày của lớp vỏ xốp. Tại bề mặt ngoài cùng của vỏ xốp thì tọa độ không thứ nguyên xét trên Ld bằng 1.
Hình 4.9: Thành phần khối lượng của hơi trong vỏ xốp khi độẩm của hạt X = 0,6, bán kính hạt ban đầu Rdo = 2(mm)
Hình 4.9 cho thấy thành phần khối lượng của hơi trong hỗn hợp không khí khô – hơi nước trong vỏ xốp giảm dần từ bề mặt phân chia giữa nhân ướt và vỏ khô tới bề mặt ngoài của hạt. Tuy nhiên, gradient phân khối lượng của hơi phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ tác nhân sấy, nhiệt độ càng cao thì gradient càng lớn: Nếu nhưở nhiệt độ 200oC thì chênh lệch phân khối lượng giữa trong và ngoài của vỏ là
0,353 0,345 0,008− = thì ở nhiệt độ300oC độ chênh này là 0,62 0,345 0, 275− = . Điều này có thể giải thích qua việc tăng phân áp suất bão hòa của hơi nước tại bề mặt trong của lớp vỏ xốp theo nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì cường độ bay hơi càng lớn, kết quả là làm tăng hàm lượng hơi và gradient phân áp suât hơi trong hang xốp. Điều này cho thấy ảnh hưởng rất lớn của nhiệt độ tác nhân sấy đối với hiệu quả của
4.4.3 Tốc độ bay hơi của hạt
Để có thể thấy rõ hơn cường độ của quá trình bay hơi (hay trao đổi chất) và ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy, đã tiến hành tính toán dòng hơi thoát ra từ 1 hạt có kích thước ban đầu Rdo = 2mm ở các thời điểm khác nhau khi nhiệt độ tác nhân sấy bằng 200oC và 400oC.
Hình 4.10: Dòng hơi từ 1 hạt ứng ở các thời điểm khác nhau của hạt có cùng kích thước ban đầu Rdo = 2mm
Từ kết quả tính toán trình bày trên hình 4.10 có thể thấy rằng: không chỉ biến thiên của dòng hơi thoát ra từ 1 hạt theo thời gian mà còn ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy chỉ có ý nghĩa trong một khoảng thời gian rất ngắn ban đầu; sau khoảng 0,06s thì dòng hơi thoát ra từ 1 hạt gần như không thay đổi theo thời gian và không phụ thuộc vào nhiệt độ (bằng khoảng 2,2.10-10 kg/s, trong khi đó ở giai đoạn đầu dòng hơi từ 1 hạt ở 200oC là 10.10-10 và ở 400oC là 12.10-10). Điều này cũng cho thấy sấy phun là công nghệ sấy xảy ra rất nhanh do các hạt vật liệu có đường kính rất bé.
4.4.4 Biến thiên khối lượng, độẩm hạt
Theo sự phát triển của quá trình sấy, do sự bay hơi của hơi nước vào tác nhân sấy, độ ẩm của hạt và qua đó là khối lượng hạt giảm dần theo thời gian (xem kết quả tính toán được trình bày trên hình 4.11 và 4.12). Tuy nhiên các đường cong biểu diễn sự thay đổi khối lượng và độẩm của hạt có dạng các đường bão hòa tức là tốc độ thay đổi khối lượng và độẩm của hạt giảm rất mạnh theo thời gian.
4.4.5 Biến thiên nhiệt độ và độ chứa hơi của tác nhân sấy
Kết quả tính toán biến thiên nhiệt độ và độ chứa hơi của tác nhân sấy có nhiệt độđầu vào ttnso = 200oC được trình bày trên hình 4.13 và 4.14. Phù hợp với quy luật biến thiên khối lượng và độẩm của hạt, nhiệt độ của tác nhân sấy giảm rất nhanh và độ chứa hơi tăng nhanh trong khoảng thời gian ban đầu. Sau khoảng 5s thì độ biến thiên của độẩm và độ chứa hơi rất bé. Điều này môt lần nữa thể hiện cường độ trao đổi nhiệt – trao đổi chất rất lớn của các hạt bé khi tiếp xúc với dòng tác nhân sấy ở nhiệt độ cao.
Hình 4.11: Biến thiên khối lượng hạt trong quá trình sấy
Hình 4.12: Biến thiên độẩm tương đối của hạt trong quá trình sấy
(ở chếđộ Rdo = 2mm, ttnso = 200o C)
CHƯƠNG V
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1 KẾT LUẬN
Xuất phát từ nhu cầu thực tế là phải có một mô hình tính toán bằng lý thuyết một cách tổng quát cho quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun và cũng góp phần vào việc hoàn thiện những nghiên cứu quá trình sấy phun các sản phẩm nông nghiệp ở Việt Nam, đã tiến hành nghiên cứu cả về mặt thực nghiệm và lý thuyết. Về mặt thực nghiệm, đã tiến hành nghiên cứu 28 chế độ thí nghiệm với đối tượng là nước ép cà chua. Từ đó thiết lập được phương trình hồi quy thực nghiệm để xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích dựa trên 4 biến đầu vào là: hàm lượng chất phụ gia, lưu lượng vật liệu sấy, áp suất khí nén, nhiệt độ khi vào buồng sấy của tác nhân sấy; về mặt lý thuyết, đã tiến hành thiết lập mô hình toán học mô tả quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun theo hai giai đoạn: giai đoạn sấy có tốc độ không đổi và giai đoạn sấy có tốc độ giảm dần. Phần mềm Matlab được sử dụng làm công cụ cho những tính toán nhằm đánh giá khả năng sử dụng của mô hình toán và minh họa một cách rõ ràng hơn những biến đối trong quá trình sấy phun.
Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm có thể rút ra những kết luận sau đây:
1. Phương trình hồi quy thực nghiệm xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích: