1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.2.2. Quá trình sấy
1.2.2.1. Định nghĩa quá trình sấy
Sấy là quá trình tách một phần hay phần lớn lượng ẩm có trong vật ẩm. Quá trình sấy rất phức tạp và không ổn định, trong đó đồng thời xảy ra nhiều quá trình như quá trình truyền nhiệt từ tác nhân sấy cho vật liệu sấy, dẫn nhiệt trong vật liệu sấy, bay hơi của ẩm, dẫn ẩm từ trong ra bề mặt của vật sấy, truyền ẩm từ bề mặt vậy sấy vào
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 14 môi trường sấy (tác nhân sấy). Các quá trình trên đều tuân theo quá trình truyền nhiệt và ẩm.
1.2.2.2. Động lực của quá trình sấy
Quá trình sấy là quá trình tách ẩm (chủ yếu là nước và hơi nước) khỏi vật liệu sấy để thải ra môi trường. Ẩm có mặt trong vật liệu nhận được năng lượng theo một phương thức nào đó tách khỏi vật liệu sấy và dịch chuyển từ trong lòng vật liệu ra bề mặt, từ bề mặt vào môi trường xung quanh. Nếu gọi pv và pbm tương ứng là phân áp suất của hơi nước trong lòng vật liệu và trên bề mặt thì động lực quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng ra bề mặt vật L1 tỷ lệ thuận với hiệu số (pv – pbm):
L1 ~ (pv – pbm) (1.7)
Nếu phân áp suất hơi nước trong không gian xung quanh vật ph nhỏ hơn pbm thì ẩm tiếp tục dịch chuyển từ bề mặt vào môi trường xung quanh với động lực L2. Động lực L2 cũng tỷ lệ thuận với độ chênh (pbm – ph):
L2 ~ (pbm – ph) (1.8)
Như vậy quá trình sấy được đặc trưng bởi quá trình dịch chuyển ẩm trong lòng vật với động lực dịch chuyển L1 ~ (pv – pbm) và quá trình dịch chuyển ẩm từ bề mặt vào môi trường xung quanh với động lực dịch chuyển L2 ~ (pbm – ph). Do đó, nếu gọi L là động lực quá trình sấy thì động lực này cũng tỷ lệ với độ chênh (pv – ph):
L ~ (pv – ph) (1.9)
Khi vật liệu được đốt nóng thì phân áp suất của hơi nước trong vật pv tăng lên. Nếu phân áp suất của môi trường xung quanh ph không đổi thì độ chênh lệch (pv – ph) tăng lên, do đó quá trình sấy được tăng cường. Đây là cơ sở của các thiết bị sấy bức xạ, thiết bị sấy bằng dòng điện cao tầng,… Trong thiết bị sấy loại này, không khí xung quanh chỉ làm nhiệm vụ mang ẩm thải vào môi trường. Trong các thiết bị sấy đối lưu như thiết bị sấy buồng, thiết bị sấy hầm,… do môi trường xung quanh cũng được đốt nóng và từ đó vật liệu sấy cũng được đốt nóng, tức là chúng ta đã đồng thời tăng pv và giảm ph nên quá trình sấy càng được tăng cường.
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 15 Nếu vật liệu sấy không được đốt nóng, do đó pv không đổi nhưng chúng ta tìm cách nhưng chúng ta tìm cách giảm phân áp suất hơi nước ph của môi trường xung quanh thì quá trình sấy vẫn xảy ra với động lực (pv - ph). Đây là cơ sở của phương pháp sấy đẳng nhiệt, sấy chân không hoặc sấy thăng hoa.
1.2.2.3. Động học quá trình sấy
Sự thay đổi độ ẩm và nhiệt độ đốt nóng vật liệu ẩm theo thời gian sấy được gọi là động học của quá trình sấy.
Đường cong sấy
Đường cong sấy là đường biểu diễn mối quan hệ giữa tích phân của độ ẩm trung bình và thời gian sấy. [4]
Hình 1.8. Đường cong sấy W = f(τ)
Đường cong sấy có thể chia làm 3 phần tương ứng với 3 giai đoạn sấy:
Giai đoạn đốt nóng A – B: là giai đoạn bắt đầu quá trình sấy. Ở đây nhiệt độ vật liệu sấy tăng rất nhanh nhưng độ ẩm trung bình của vật giảm không đáng kể. Giai đoạn này dường cong sấy ở dạng phi tuyến.
Giai đoạn sấy đẳng tốc B – C: Trong giai đoạn này nhiệt độ vật nói chung, nhiệt độ ở tâm và ở bề mặt vật nói riêng đạt đến một giá trị nhất định xấp xỉ nhiệt độ nhiệt
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 16 kế ướt. Ẩm bay hơi mạnh. Do đó bao nhiêu nhiệt lượng vật liệu ẩm nhận được chỉ để bay hơi nên nhiệt độ vật liệu sấy hầu như không đổi và W = f(τ) gần như tuyến tính.
Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần C – D: là giai đoạn cuối của quá trình sấy. Khi đó, ẩm mao dẫn đã bay hơi gần hết và trong vật liệu sấy chỉ còn lại chủ yếu là ẩm dưới dạng hơi liên kết hấp phụ với vật liệu khô. Ẩm này cần nhiều năng lượng hơn để thoát khỏi vật nên độ ẩm trung bình thay đổi chậm hơn.
Đường cong tốc độ sấy
Đường cong tốc độ sấy biểu diễn mối quan hệ dω/dτ = f2(τ). Đường cong tốc độ sấy thu được từ việc đạo hàm đường cong sấy theo thời gian. Trong quá trình sấy do hàm ẩm u giảm dần nên đường cong tốc độ sấy bắt đầu từ bên phải chạy sang trái. Từ lúc bắt đầu sấy, tốc độ sấy tăng mạnh và rất nhanh đạt đến giá trị ổn định. Trong giai đoạn sấy đăng tốc, tốc độ sấy là không đổi nên đường cong tốc độ sấy chạy song song với trục hoành từ B – C. Từ sau điểm C thì tốc độ sấy giảm dần cho đến khi bằng 0, ứng với độ ẩm cân bằng của vật sấy. Đường cong tốc độ sấy trong giai đoạn này rất phức tạp. Nó phụ thuộc vào cấu trúc vật sấy, và dạng liên kết giữa ẩm với vật chất khô trong vật sấy.
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 17
1.2.2.4. Tĩnh học quá trình sấy
Tĩnh học quá trình sấy sẽ xác định đuợc mối quan hệ giữa các thông số đầu và thông số cuối của vật liệu sấy và tác nhân sấy dựa trên phương trình cân bằng vật chất – năng luợng, từ đó xác định được thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy và lượng nhiệt cần thiết [3], [4].
Trong quá trình sấy, nếu chúng ta dùng chất tải nhiệt (hay còn gọi là tác nhân sấy) là không khí thì gọi là sấy bằng không khí. Khi sấy, không khí nóng có hàm ẩm thấp tiếp xúc với bề mặt vật liệu ẩm và cung cấp năng lượng để làm bốc hơi lượng ẩm trong vật liệu sấy sau đó tạo thành hỗn hợp không khí có hàm ẩm tăng và đi ra ngoài [1], [17], [19]
Hình 1.10. Sơ đồ sấy bằng không khí
Đưa vật liệu sấy ban đầu vào thiết bị sấy, lúc nào độ ẩm của vật liệu sấy cao. Không khí bên ngoài được đưa qua bộ phận đốt nóng để gia nhiệt lên đến nhiệt độ sấy cần thiết, sau đó vào buồng sấy để tiếp xúc với bề mặt vật liệu, cấp nhiệt vật liệu để làm bốc hơi ẩm (có thể thêm bộ phận đốt nóng bổ sung trong buồng sấy nếu cần thiết). Ngoài ra còn có thể dùng tác nhân sấy là khói lò. Khi đó sẽ không cần bộ phận đốt nóng mà chỉ có lò đốt nhiên liệu và buồng trộn khói lò với không khí để tạo thành
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 18 môi chất sấy có nhiệt độ thích hợp. Sau đó môi chất sấy được đưa vào buồng sấy để thực hiện quá trình sấy rồi thải ra ngoài [1], [17], [19].
a) Quá trình sấy lý thuyết
Trong quá trình sấy lý thuyết hay nhiệt bổ sung bằng nhiệt tổn thất.
qc l ); (1.1)
-Trong đó:
: tổng đại số của tổn thất nhiệt và gia nhiệt bổ sung (kJ/kg ẩm)
L: tiêu hao lượng không khí khô tuyệt đối cần thiết cho quá trình sấy (kg/s)
l = : tiêu hao riêng không khí trong quá trình sấy lý thuyết (kg kkk/kg ẩm)
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 19 Trường hợp khi qua bộ phận đốt nóng không khí được gia nhiệt từ nhiệt độ t1 đến t2 do đó enthalpy của không khí cũng tăng từ h1 lên h2 nên qc có thể tính theo phương trình cân bằng nhiệt lượng cho bộ phận đốt nóng như sau: [1],[17],[19].
(1.2)
Từ đó, suy ra được: h2 = h3. Vậy enthalpy của không khí không thay đổi trong suốt quá trình trong suốt quá trình sấy lý thuyết (h = const).
Hay có thể nói, một phần nhiệt lượng của không khí có bị mất đi cũng chỉ để làm bốc hơi nước vật liệu mà không tổn thất ra bên ngoài (hơi nước mang nhiệt lượng đó nhập lại vào dòng khí) [1],[17],[19].
Hình 1.6. là hình mô tả sự biến đổi trạng thái của không khí. Điểm A (t1, , h1, d1) biểu diễn trạng thái ban đầu của không khí, điểm B(t2, , h2, d2) biểu diễn không khí khi ra khỏi bộ phận đốt nóng và sau khi sấy biểu diễn bởi điểm C (t3, , h3, d3). Chúng ta chỉ cần biết hai trong bốn thông số trạng thái của không khí là có thể xác định được các điểm A, B, C. Tóm lại, đường ABC biểu diễn quá trình sấy lý thuyết với AB là giai đoạn đốt nóng dòng khí và BC là giai đoạn sấy lý thuyết [1], [17], [19].
b) Quá trình sấy thực tế
Quá trình sấy thực tế sẽ có lượng nhiệt bổ sung chung khác với lượng nhiệt tổn thất chung, do đó .
Từ đó, rút ra được:
h3 h2 = (1.3)
Thực tế có thể xảy ra theo một trong ba trường hợp tùy theo giá trị của .
- Nhiệt lượng bổ sung chung đủ để bù nhiệt lượng tổn thất chung nên , đây là
trường hợp sấy lý thuyết h2 [1], [17], [19].
- Nhiệt lượng bổ sung chung lớn hơn nhiệt lượng tổn thất chung nên . Vì l luôn là số dương nên theo [1], [17], [19].
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 20 - Nhiệt lượng bổ sung chung không đủ để bù nhiệt lượng tổn thất chung nên , cũng theo [1], [17], [19].
Hình 1.12. Mô tả quá trình sấy thực tế.
Các phương thức sấy
a) Sấy có bổ sung nhiệt trong phòng sấy
Lượng nhiệt dung cấp cho toàn bộ quá trình sấy không những được cung cấp ở caloriphe chính mà còn được cung cấp ở caloriphe bổ sung ngay trong buồng sấy.
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 21 Hình 1.14. Đồ thị sấy có bổ sung nhiệt trong phòng sấy.
Không khí ban đầu có trạng thái A (hA=h0, , d0, t0) đi qua caloriphe 1 được gia nhiệt trong điều kiện x0 = x1 = const đến nhiệt độ t1 rồi đi vào buồng sấy 2, nó được cung cấp thêm nhiệt lượng bằng caloriphe bổ sung 3. Các trường hợp cho quá trình sấy lý thuyết có bổ sung nhiệt:
Trường hợp 1: Quá trình sấy (1) – (3), QK = 0 (không đốt nóng), gia nhiệt trực tiếp cho sản phẩm trong quá trình sấy.
Q = Qbs Qs = L ( ) (1.4)
Trường hợp 2: (1) - (A) - (3), tA < t3: calorife đốt nóng không khí, nhỏ hơn nhiệt độ của không khí sau khi sấy. Vì vậy, phải cấp nhiệt bổ sung lớn. Trường hợp này thích hợp sấy cho các sản phẩm có nhiệt độ thấp.
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 22
QK = L (1.5)
Qbs = L (1.6)
W = L (1.7)
Trường hợp 3: (1) - (B) - (3), tB = t3: không khí sau khi đốt nóng tại calorife có nhiệt độ bằng nhiệt độ không khí sau khi ra khỏi phòng sấy. Trường hợp này áp dụng cho các loại sản phẩm chịu nhiệt độ thấp.
QK = L (1.8)
Qbs Qs = L (1.9)
W = L (1.10)
Trường hợp 4: Quá trình sấy (1) – (C) – (3), t3 < tC < t2: không khí được đốt nóng tại calorife có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ không khí đầu ra. Trường hợp này thích hợp cho sấy các loại sản phẩm chịu nhiệt độ từ nhiệt độ trung bình đến nhiệt độ cao mà chất lượng ít thay đổi.
QK = L (1.11)
Qbs Qs = L (1.12)
W = L (1.13)
Trường hợp 5: Quá trình sấy (1) – (2) – (3): trường hợp này sấy chịu được nhiệt độ cao, hoàn toàn tương tự quá trình sấy lý thuyết và quá trình sấy thực.
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 23 b) Sấy có gia nhiệt giữa chừng
Hình 1.15. Sơ đồ sấy có gia nhiệt giữa chừng.
Hình 1.16. Đồ thị sấy có gia nhiệt giữa chừng
Thiết bị sấy theo sơ đồ này gồm nhiều buồng sấy, trước mỗi buồng sấy người ta đặt các caloriphe bổ sung K1, K2, … Phương pháp sấy này không những giữ không giảm nhanh nhiệt độ phòng sấy mà còn giúp chế độ sấy điều hòa hơn.
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 24 Để giảm nhiệt độ không khí sấy, có thể chia phòng sấy ra làm nhiều khu vực sấy và trước mỗi khu vực có đặt một bộ phận đốt nóng. Không khí ban đầu ở trạng thái (0) (ho, to, do, ), đi qua bộ phận đốt nóng 1 được gia nhiệt lên đến nhiệt độ t1, rồi đi vào khu vực sấy 1.
Sau khi sấy xong nhiệt độ không khí hạ xuống đến t2. Không khí lại tiếp tục qua bộ phận đốt nóng 2 để được gia nhiệt lên đến t’1, rồi vào khu vực sấy 2,…Quá trình tiếp tục cho đến trạng thái (2’’). Đường gấp khúc (0)-(1)-(2)-(1’)-(2’)-(1’’)-(2’’) biểu diễn quá trình sấy có gia nhiệt giữa chừng. Nếu trạng thái đầu (điểm 0) và trạng thái cuối (điểm (2’’)) đã xác định trước thì khi sấy bằng phương pháp đốt nóng dòng khí một lần ban đầu thì nhiệt độ dòng khí lên rất cao (điểm A là giao điểm của trạng thái (0)-(1) và trạng thái (1’’)-(2’’) kéo dài), nhưng khi sấy có đốt nóng dòng khí giữa chừng nhiệt độ tối đa có thể nhỏ hơn rất nhiều tùy thuộc vào số giai đoạn đốt nóng giữa chừng.
Phương án sấy có gia nhiệt giữa chừng dùng để giảm nhiệt độ tác nhân sấy trước khi đưa vào sấy nhằm giữ được chất lượng sản phẩm.Nhiệt độ không khí ẩm sau khi đốt qua mỗi calorife đều bằng nhau. Nhiệt độ không khí ẩm sau khi ra khỏi mỗi buồng sấy đều bằng nhau. Vậy phương thức sấy này thích hợp để sấy các vật liệu không chịu được nhiệt độ cao.
c) Sấy có không khí hoàn lưu
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 25 Hình 1.18. Đồ thị sấy có không khí hoàn lưu.
Khi sấy theo phương thức này, một phần không khí thải được quay về trộn lẫn với không khí ban đầu trước khi vào caloriphe.
Ban đầu khi chưa có không khí hoàn lưu thì không khí ngoài trời ở trạng thái 0. Sau khi qua calorife thì nhiệt độ của không khí đốt nóng từ trạng thái 1 lên trạng thái 2’ và đi vào buồng sấy, nhiệt độ không khí giảm xuống t3 làm độ ẩm không khí tăng.
Sau đó, quá trình phối trộn hai dòng không khí nóng và lạnh sẽ xảy ra khi có không khí hoàn lưu ở trạng thái 3. Trạng thái 3 phối trộn với trạng thái 1 tạo thành trạng thái K. Vì trạng thái 3 và trạng thái 1 xác định nên trạng thái K hoàn toàn được xác định bởi hệ phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng.
Sau phối trộn dùng nhiệt lượng calorife để đốt nóng không khí lên trạng thái 2. Tiếp theo, chuyển vào buồng sấy và thành trạng thái 3.
Quá trình sấy đi theo chu vi tam giác K23 nên được gọi là tam giác sấy. Quá trình tính tương tự như việc tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng cho quá trình sấy đối lưu bởi một calorife. Với 1 kg không khí khô ban đầu được trộn lẫn với
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 26 n (kg) không khí khô tuần hoàn thì enthalpy của hỗn hợp tại K được tính theo biểu thức sau được rút ra từ cân bằng nhiệt lượng:
hK = , kJ/kg kkk (1.14)
-Hàm ẩm dK suy ra từ phương trình cân bằng ẩm:
dK = , kg ẩm/kg kkk (1.15)
-Từ đó rút ra:
n = = (1.16)
Từ đó xác định được điểm K trên đoạn (1)-(3)
Cân bằng vật chất và nhiệt lượng cho dòng không khí sẽ xác định được. -Tiêu hao riêng không khí (tương ứng trạng thái 1):
l1 = , kg kkk/kg ẩm; (1.17)
-Tiêu hao riêng không khí trong quá trình sấy hồi lưu:
lK = , kg kkk/kg ẩm; (1.18)
Hay: lK = l1 (1.19)
-Lượng nhiệt cung cấp ở bộ phận đốt nóng là:
QK = lK = , kJ/kg ẩm (1. 20)
Do vậy, quá trình sấy có không khí hoàn lưu có tác dụng hạ thấp nhiệt độ môi chất vào buồng sấy đồng thời tăng lượng không khí cần thiết cho quá trình sấy. Tiêu hao nhiệt ở calorife sẽ giảm đi do sử dụng một phần nhiệt của khí thoát có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường. Vì thế, sấy hồi lưu thường được sử dụng để sấy các vật liệu dễ bị biến dạng khi tốc độ sấy lớn như sấy gỗ, đồ sứ, …. sử có thể điều chỉnh
GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng 27 được độ ẩm của không khí nên thường ứng dụng để sấy các vật liệu không chịu được điều kiện độ ẩm không khí nhỏ, nhiệt độ cao. Đồng thời, tốc độ không khí đi qua phòng sấy lớn.