1.2.4.1 Vật liệu ẩm
Vật liệu ẩm là những vật có chứa một khối lƣợng nƣớc và hơi nƣớc. Trong quá trình sấy cần tách một lƣợng nƣớc nhất định ra khỏi vật. Có thể xem vật liệu ẩm gồm hai thành phần là chất rắn và chất lỏng thấp ƣớt (gọi là ẩm), phần chất rắn gọi là vật khô tuyệt đối. Trạng thái ẩm của vật liệu đƣợc biểu thị qua độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tƣơng đối (toàn phần), độ ẩm cân bằng, độ chứa ẩm và nồng độ ẩm. Sự liên kết giữa ẩm với vật khô phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, cấu trúc vật và môi trƣờng hình thành liên kết đó. [6] [7]
Độ ẩm của vật liệu
Các vật đem sấy đều là những vật ẩm có chứa một khối lƣợng ẩm đáng kể. Trong quá trình sấy, ẩm trong vật bay hơi, độ ẩm của vật sấy giảm. Trạng thái của vật liệu ẩm đƣợc xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó.
Độ ẩm tuyệt đối: là tỷ số giữa khối lƣợng ẩm chứa trong vật với khối lƣợng vật khô tuyệt đối. Kí hiệu: w0. [6], [7]
GVHD TS. Nguyễn Tấn Dũng Trang 21 Ta có:
.1 (1.10)
Trong đó:
+ Gn - khối lƣợng ẩm chứa trong vật liệu [kg] + Gk - khối lƣợng vật khô tuyệt đối [kg]
Độ ẩm toàn phần: là tỷ số giữa khối lƣợng ẩm chứa trong vật với khối lƣợng vật ẩm. Ký hiệu: ω. [6], [7].
Ta có:
. 1 (1.11)
Trong đó: G - khối lƣợng vật ẩm: G = Gn + Gk [kg] Quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm toàn phần:
. 1 . . 1 (1.12) Suy ra: . 1 (1.13)
Độ ẩm cân bằng: là độ ẩm của vật khi ở trạng thái cân bằng với môi trƣờng xung quanh vật đó. Khi đó độ chứa ẩm trong vật là đồng đều và phân áp suất hơi nƣớc trên bề mặt vật ẩm bằng phân áp suất hơi nƣớc có trong môi trƣờng tác nhân sấy, không có sự trao đổi ẩm giữa vật và môi trƣờng. [6], [7]
Trong kỹ thuật sấy, độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn, nó dùng để xác định giới hạn quá trình sấy và độ ẩm cuối cùng trong quá trình sấy của mỗi loại vật liệu trong những điều kiện môi trƣờng khác nhau.
GVHD TS. Nguyễn Tấn Dũng Trang 22
Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu
Quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy phụ thuộc rất lớn vào dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu. Liên kết càng vững càng khó tách và ngƣợc lại. Có nhiều dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu nên có nhiều cách phân loại khác nhau. Theo A. Rebinder có ba dạng liên kết: hóa học, hóa lý và cơ lý. [1]
Liên kết hoá học
Năng lƣợng liên kết rất lớn. Vì vậy với năng lƣợng nhiệt của quá trình sấy không đủ để tách loại ẩm này. Muốn tách đƣợc loiaj ẩm này ngƣời ta phải nung ở nhiệt độ cao hoặc bằng các phản ứng hóa học.
Liên kết hoá lý
Đƣợc chia thành 2 loại ẩm liên kết hấp phụ và ẩm liên kết thẩm thấu:
+ Liên kết hấp phụ: là loại ẩm đƣợc giữ lại trên bề mặt và trang các mao quản của vật liệu bằng các lực hấp phụ Van der Waals, lực mao quản.
+ Liên kết thẩm thấu: bị giữ lại trong mạng lƣới tinh thể hay các lƣới sàng thẩm thấu bằng các lực liên kết thẩm thấu. Năng lƣợng nhiệt của quá trình sấy có thể tách đƣợc ẩm liên kết hóa lý.
Liên kết cơ lý
Là loại ẩm đƣợc giữ lại trên bề mặt vật liệu trong các mao quản bằng các lực kết dính với năng lƣợng liên kết rất bé. Vì vậy năng lƣợng của các quá trình cơ học nhƣ: ly tâm, ép, vắt có thể tách đƣợc một phần ẩm này.
Ngoài ra còn có cách phân loại ẩm trong vật liệu gồm: ẩm tự do, ẩm liên kết. [1]
Quá trình bay hơi ẩm
Quá trình bay hơi ẩm từ vật liệu gồm hai giai đoạn xảy ra đồng thời:
Khuếch tán ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trƣờng gọi là khuếch tán ngoài. Động lực của quá trình khuếch tán này là sự chênh lệch nồng độ hay áp suất hơi riêng phần trên
GVHD TS. Nguyễn Tấn Dũng Trang 23 bề mặt vật liệu và trong môi trƣờng không khí chung quanh. Tốc độ của giai đoạn này phụ thuộc vào pvl, ph, nhiệt độ và tốc độ chuyển động của môi trƣờng. [4], [6]
Khi độ ẩm trên bề mặt vật liệu nhỏ hon độ ẩm bên trong vật liệu, Nƣớc sẽ khuếch tán từ trong lòng vật liệu lên bề mặt vật liệu gọi là khuếch tán trong. Tốc độ của giai đoạn này phụ thuộc vào nhiệt độ, tính chất của vật liệu và dạng liên kết ẩm với vật liệu. [4]
Vậy quá trình bay hơi ẩm trong cả hai giai đoạn vừa phụ thuộc vào gradient độ ẩm vừa phụ thuộc vào gradient nhiệt độ, mà hai đại lƣợng này lại trái ngƣợc nhau, nghĩa là trong lòng vật liệu có độ ẩm cao và nhiệt độ thấp, còn ở trên bề mặt vật liệu có độ ẩm thấp và nhiệt độ cao. Nếu xét về gradient độ ẩm thì ẩm sẽ đi từ độ ẩm cao đến nơi có độ ẩm thấp, ẩm từ trong ra ngoài). Nếu xét về gradient nhiệt độ thì ẩm sẽ di chuyển từ nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp (ẩm từ ngoài vào trong). Hai quá trình này sẽ cản trở quá trình khuếch tán ẩm lên trên bề mặt vật liệu. Kết quả chung của hai quá trình phụ thuộc vào sự tƣơng quan giữa hai hiện tƣợng khuếch tán này. [6]
1.2.4.3 Vận tốc sấy và các giai đoạn sấy vật liệu ẩm
Tốc độ sấy đƣợc biểu diễn bằng lƣợng ẩm (kg) bay hơi trên 1 m2 bề mặt vật liệu sấy trong một đơn vị thời gian (h). [4]
N =
(kg ẩm/m2.h) [4] (1.14)
Với:
W là lƣợng ẩm bay hơi trong quá trình sấy, kg. S là diện tích bề mặt vật liệu sấy, m2.
là thời gian sấy, h.
Khi biết tốc độ sấy, có thể tìm thời gian sấy theo công thức: =
. (h) [4]
GVHD TS. Nguyễn Tấn Dũng Trang 24 Quá trình sấy xảy ra với vận tốc phụ thuộc vào dạng liên kết ẩm với vật liệu và cơ chế của quá trình di chuyển ẩm trong vật liệu. Động học của quá trình sấy đƣợc đặc trƣng bởi sự thay đổi theo thời gian của độ ẩm trung bình trong vật liệu đối với một lƣợng vật liệu khô tuyệt đối. Quan hệ giữa độ ẩm của vật liệu W và thời gian sấy τ, đƣợc biểu diễn bằng đƣờng cong sấy, đƣợc xây dựng bằng thực nghiệm. [1]
Hình 1.11 Đƣờng cong sấy Hình 1.12 Đƣờng cong tốc độ sấy Có thể rút ra kết luận nhƣ sau:
Đoạn AB, đun nóng vật liệu sấy và làm bay hơi nƣớc bề mặt. Độ ẩm của vật liệu giảm không đáng kể, tốc độ sấy tăng nhanh đến tốc độ cực đại. Giai đoạn này xảy ra rất nhanh và có thể bỏ qua khi tính tốc độ sấy. [4]
Đoạn BC: đây là giai đoạn tốc độ sấy không đổi (đẳng tốc), độ ẩm vật liệu giảm nhanh và đề đặn theo đƣờng thẳng (đoạn BC). [4]
Đoạn CE: giai đoạn sấy giảm tốc, lúc này vật liệu tƣơng đối khô, lƣợng nƣớc trong vật liệu còn ít, nên tốc độ khuếch tán nƣớc trong vật liệu giảm xuống nhỏ hơn tốc độ bay hơi ẩm trên bề mặt vật liệu. Quan hệ giữa độ ẩm theo thời gian trong giai đoạn này là quan hệ phi tuyến. Nó có thể là bậc 2 hoặc cao hơn tùy loại vật liệu xốp, keo hoặc keo xốp thì đƣờng cong tốc độ sấy của chúng có dạng (1) với vật liệu ẩm xốp, (2) với vật liệu ẩm keo hoặc (3) với vật liệu ẩm dạng keo xốp. [6]
Việc xác định các giai đoạn sấy có ý nghĩa rất quan trọng, vì từ đó có thể thiết lập các chế độ sấy khác nhau thích ứng với đặc điểm của từng giai đoạn để vừa đảm bảo chất lƣợng sản phẩm, vừa tiết kiệm năng lƣợng và rút ngắn thời gian sấy. Thƣờng dạng đƣờng
GVHD TS. Nguyễn Tấn Dũng Trang 25 cong sấy trong giai đoạn giảm tốc rất phức tạp. Trong thực tế, thƣờng gặp các loại vật liệu sấy chỉ cho giai đoạn sấy đẳng tốc hoặc chỉ cho giai đoạn sấy giảm tốc. [6]