a a' b b' b w=f(τ) t =f(v τ) Hình 2.1.đường cong sấy
đường cong sấy biểu diễn quan hệ giữa ựộ chứa ẩm và nhiệt ựộ sấy theo thời gian : w=f(τ) và tv= f(τ)
Ba giai ựoạn của quá trình sấy ựược biểu diễn trên ựồ thị tương ứng bằng các
ựoạn OA,AB và BC
Trong giai ựoạn sấy tốc ựộ không ựổi ựộ ẩm và nhiệt ựộ có quan hệ tuyến tắnh với thời gian. Còn trong giai ựoạn gia nhiệt và trong giai ựoạn sấy tốc ựộ giảm
quan hệ này có dạng ựường cong. đường cong thay ựổi nhiệt ựộ của vật trong giai
ựoạn làm nóng vật và giai ựoạn sấy tốc ựộ giảm không trùng nhau ựối với các lớp bên trong vật (aỖ,bỖ) và các lớp trên bề mặt(a,b)
2.1.2.đường cong tốc ựộ sấy o dw w w w 1 2 3 k n dτ o dw w w w 4 k n dτ 5 6 cb K1 wt cb K1 wt a. b. 1 1 Hình 2.2.đường cong tốc ựộ sấy
đường cong tốc ựộ sấy biểu thị quan hệ tốc ựộ sấy ∂w/∂τ và thời gian sấy τ
(hay ∂w/∂τ=f(w).đường cong này có thể nhận ựược bằng cách ựạo hàm hàm số
w=f(τ) . Tốc ựộ sấy tại mỗi thời ựiểm ựược biểu thị bằng ựộ dốc của ựường cong w=f(τ) tại thời ựiểm ựó
Trong quá trình sấy ựộ ẩm của vật liệu giảm dần nên chiều biến thiên của
ựường cong tốc ựộ sấy là từ phải sang trái. Trong giai ựoạn làm nóng vật tốc ựộ sấy tăng nhanh tăng từ 0 ựến N sau ựó giữ không ựổi trong suốt quá trình sấy ựầu cho
ựến khi ựộẩm giảm ựến ựến trị số wk1[5]
Trong giai ựoạn sấy tốc ựộ giảm ,tốc ựộ sấy sẽ giảm từ N tới 0 ứng với ựộẩm cân bằng wcb. Trong giai ựoạn này ựường cong sấy có dạng khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc ,kắch thước và bản chất của vật sấy
đường 1 gần như là ựường thẳng ựây là trường hợp sấy các vật liệu mỏng có cấu trúc sơi như giấy,caston mỏng. đường 2 ứng với trường hợp các dạng vật tấm như vải,da mỏng, bột. đường 3 ứng với các vật liệu gốm, ựường cong này có bề
mặt lõm ngược với ựường cong 2 chứng tỏ ở giai ựoạn cuối liên kết ẩm chặt chẽ.
đường cong 4 là ựường ứng với vật liệu keo nhưựất sét. đường cong 5 ứng với vật liệu keo xốp mao dẫn. đường cong 6 ứng với vật liệu có ựộ rắn cao
2.1. 3.Phân tắch quá trình sấy
2.1.3.1.Giai ựoạn sấy tốc ựộ không ựổi
Nhiệt lượng cung cấp trong giai ựoạn này dùng ựể nâng cao nhiệt của vật tới nhiệt ựộ hóa hơi của nước làm hóa hơi ẩm lỏng. Phương trình cân bằng nhiệt trong giai ựoạn này có dạng:
dQ=(CkGk + CnGn)dtv + [(r + Cph)(th - tbh)] dGn (2-1) Trong ựó :
dQ- Nhiệt cấp cho vật trong thời gia dτ
Ck ,Cn- Nhiệt dung riêng của vật khô và nước Gk , Gn Ờ Khối lượng của vật khô và nước trong vật r- Nhiệt hóa hơi của nước
Cph- Nhiệt dung riêng ựẳng áp của hơi nước th- Nhiệt ựộ hơi nước thoát ra khỏi vật
dGn- Nhiệt ẩm bay ra khỏi vật trong thời gian dτ
Nhiệt ựộ cung cấp cho vật sẽ lấy từ môi chất sang trong thời gian dτ thông qua quá trình truyền nhiệt ,vậy ta có :
dQ = αF(tf - tbh) dτ (2-2) Trong ựó :
α - Hệ số trao ựổi nhiệt ựối lưu từ môi chất sấy ựến bề mặt vật sấy F Ờ Diện tắch bề mặt tiếp xúc giữa vật sấy và môi chất
tf Ờ Nhiệt ựộ của môi chất sấy tbh Ờ Nhiệt ựộ bão hòa
ι ϕ = dGnd 1 = ) ( ) ( ) ( t t C d t G C G C t t bh h ph v n n k k bh f r d F − + + − − ι α (2-3) Từ (2-3) ta có nhận xét :
Tùy thuộc vào sự khác nhau giữa nhiệt ựộ của hơi ẩm thoát ra và nhiệt ựộ
bão hòa mà trị số tốc ựộ sấy cũng không thay ựổi.Trong giai ựoạn làm nóng vật nhiệt ựộ ban ựầu t0 cũng có thể lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt ựộ bão hòa tbh .
- Nếu t0 < tbh thì vật sẽ bị làm nóng và ta có phương trình cân bằng nhiệt trong giai ựoạn làm nóng vật là: (tf tbh)d CkGk CnGn tv t d t F bh ∫ ∫ − = + 0 0α τ ( ) (2-4)
- Nếu t0> tbh thì không cần ựến quá trình làm nóng mà ngay từ ban ựầu ẩm trong vật sẽ hóa hơi và nhiệt ựộ trong vật sẽ giảm tới nhiệt ựộ bão hòa Trong giai ựoạn sấy tốc ựộ không ựổi, ẩm bốc hơi chủ yếu từ bề mặt ,vật hơi
ẩm thoát ra là hơi bão hòa có nhiệt ựộ là tbh. Như vậy trong giai ựoạn này biểu thức xác ựịnh tốc ựộ sấy là : r F d t t d Gn ( f bh) 1 − = = α τ ϕ (2-5)
Qua biểu thức trên ta nhận thấy rằng ϕ1 = const
Thực nghiệm chứng tỏ rằng trong ựiều kiện chếựộ sấy như nhau thì nhiệt ựộ
bay hơi ẩm ở giai ựoạn sấy tốc ựộ không ựổi bằng nhiệt ựộ bề mặt vật sấy và bằng nhiệt ựộ nhiệt kế ướt (tv = tbh = tư). Trong trường hợp do bức xạ nhiệt từ
vách buồng sấy , nhiệt ựộ của vật lớn hơn nhiệt ựộ lớn hơn nhiệt ựộ nhiệt kếướt thì cường ựộ bay hơi ẩm của giai ựoạn sấy tốc ựộ không ựổi lớn hơn khoảng 20% so với cường ựộ bay hơi của nước tự do
Nếu tác nhân sấy có nhiệt ựộ cao, tốc ựộ sấy giai ựoạn ựầu vẫn không ựổi nhưng nhiệt ựộ vật sấy tăng liên tục và lớn hơn nhiều so với nhiệt ựộ nhiệt kế ướt
Trong giai ựoạn sấy tốc ựộ giảm bề mặt bay hơi lùi dần vào trong lòng vật sấy, nhiệt ựộ vật sấy cũng tăng cao hơn trị số nhiệt ựộ nhiệt kếướt (tư) và sẽ tiến tới gần bằng nhiệt ựộ môi chất sấy(tf). Trong giai ựoạn này cường ựộ trao ựổi nhiệt giảm dần ,do ựó nhiệt ựộ môi chất sấy cung cấp cho vật cũng giảm. đồng thời hơi ẩm thoát ra khỏi vật liệu là hơi quá nhiệt chứ không phải hơi bão hòa như giai ựoạn 1[3]. Nhiệt lượng môi chất cung cấp cho vật giai ựoạn này không
ựể chỉ làm bay hơi ẩm như giai ựoạn 1 mà còn làm quá nhiệt cho hơi ẩm bay ra và gia nhiệt cho vật sấy cho nhiệt ựộ vật sấy tăng lên.Vì vậy tốc ựộ sấy ở giai
ựoạn này nhỏ hơn giai ựoạn ựầu và tốc ựộ sấy cũng giảm liên tục do nhiệt truyền từ môi chất sấy sang vật sấy giảm liên tục (tv tăng liên tục), khi ẩm liên kết càng chặt chẽ càng cần năng lượng hóa hơi cao, do ựó phải chi phắ nhiệt nhiều hơn ựể
quá nhiệt hơi ẩm thoát ra với nhiệt ựộ ngày càng cao và do chi phắ nhiệt ựể gia nhiệt cho vật sấy càng tăng lên. Quá trình sẽ dừng lại ựến khi vật và môi chất sấy ựạt ựến trạng thái cân bằng nhiệt và ẩm, lúc này nhiệt truyền từ môi chất tới vật bằng không và tốc ựộ sấy cũng bằng không
2.1.4.Các yếu tốảnh hưởng ựến chếựộ và cường ựộ sấy
Như chúng ta ựã biết thường trong quá trình sấy do tác nhân sấy có nhiệt ựộ
tt cao hơn nhiệt ựộ tv của vật sấy nên vật sấy nóng lên ựến nhiệt ựộ tbh bay hơi của ẩm (nước). Mặt khác do ựộ ẩm tương ựối w1 của tác nhân nhỏ nên hơi nước từ vật sấy truyền mạnh vào tác nhân sấy. Tốc ựộ ϕ1 của tác nhân sấy cũng ảnh hưởng lớn ựến cường ựộ [4]
để quá trình sấy xảy ra như nhau cho mọi vật sấy ựặt trong buồng sấy thì các thông số của tác nhân sấy gồm tt , ϕt và wt phải không ựược thay ựổi ựối với bề
mặt tiếp xúc của vật sấy .Trong quá trình sấy, thực tế thì nhiệt ựộ tt giảm dần còn wt tăng dần ,tốc ựộϕt phụ thuộc vào diện tắch tự do không bị vật sấy chiếm chỗ
(tùy hình dạng, kắch thước và cách sắp xếp của vật sấy, cấu tạo của buồng sấy). Vì vậy trong thực tế chế ựộ sấy bao giờ cũng thay ựổi bởi sự thay ựổi của tt , ϕt
và wt
o o dw w w dτ c wd τ w t't t''t t'''t wc b 1 b 2 b 3 t't t''t t'''t
Hình 2.3.Ảnh hưởng của nhiệt ựộ tác nhân sấy ựến ựộng học quá trình sấy (ttỖ<ttỖỖ<ttỖỖỖ)
a.đường cong sấy b.đường cong tốc ựộ sấy
để xét sựảnh hưởng của nhiệt ựộ tác nhân sấy ựến ựộng học quá trình sấy thì tác nhân sấy phải có các thông số như sau: tt thay ựổi (wt = const , ϕt = const)[4] Trên hình 2.3 ta nhận thấy , nhiệt ựộ tác nhân sấy càng cao thì thời gian sấy càng giảm và tốc ựộ sấy càng tăng, ẩm lúc kết thúc giai ựoạn thứ nhất càng cao. đó là chênh lệch nhiệt ựộ giữa tác nhân sấy và nhiệt ựộ bề mặt vật sấy tăng thúc ựẩy quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm cả trong vật sấy và bề mặt vật sấy sang tác nhân sấy 2.1.4.2.Ảnh hưởng của ựộẩm tác nhân sấy o o dw w w dτ c wd τ w ϕ1 wc b3 b2 b 1 ϕ3 ϕ2 ϕ1 ϕ3 ϕ2 b' wB'
Hình 2.4.Ảnh hưởng của ựộẩm tương ựối của tác nhân sấy ựến ựông học quá trình sấy (ϕ1<ϕ2<ϕ3)
a.đường cong sấy b.đường cong tốc ựộ sấy
Trên hình 2.4a ta thấy ựộ ẩm tương ựối của tác nhân sấy càng cao thì thời gian sấy tăng, hàm ẩm vật sấy lúc kết thúc giai ựoạn thứ nhất giảm (wb3<wb2<wb1).Giai ựoạn sấy thứ hai (tốc ựộ sấy giảm dần) có ựiểm chung là BỖ
2.1.4.3.Ảnh hưởng của tốc ựộ tác nhân sấy
Tốc ựộ tác nhân sấy càng lớn thì thời gian sấy càng giảm, cường ựộ sấy ở
giai ựoạn thứ nhất tăng, hàm ẩm của vật sấy lúc kết thúc giai ựoạn thứ nhất lớn hơn (Hình 2.4b). Tốc ựộ sấy ắt ảnh hưởng cường ựộ sấy trong giai ựoạn sấy thứ
2. Trong giai ựoạn này quá trình sấy phụ thuộc vào cấu trúc của vật sấy, sự liên kết của ẩm với vật sấy 2.1.4.4.Ảnh hưởng của các thông số chế ựộ sấy ựến hàm ẩm của vật liệu sấy giữa hai giai ựoạn o o dw w w dτ c wd τ w wc b 1 b 2 b 3 w't ϕ1 ϕ3 ϕ2 wB1 w''t w'''t wB3 wB2
Hình 2.5.Ảnh hưởng của tốc ựộ tác nhân sấy (wỖt , wỖỖt , wỖỖỖt) ựến quá trình sấy a.đường cong sấy b.đường cong tốc ựộ sấy
Hàm ẩm của vật sấy lúc kết thúc giai ựoạn tốc ựộ sấy không ựổi , wB là hàm của các thông số sấy (tt , ϕt , wt) :
wB = f1(tt) ; wB = f2(ϕt) , wB = f3(wt)
Trên hình 2.5 ta thấy hàm wB = f1(tt) có cực ựại. Có như vậy bởi vì với sự
ẩm, kết quả là tỷ số giữa cường ựộ sấy trên hệ số khuyếch tán ẩm lúc ựầu tăng, sau ựó giảm dần
Tóm lại ựể có sản phẩm sấy chất lương cao, tùy theo vật liệu sấy, mục ựắch sử dụng sau khi sấy mà lựa chọn chếựộ sấy (tt , ϕt , wt) cho phù hợp.
2.2.Cơ sở lý thuyết tắnh toán thiết bị sấy bơm nhiệt 2.2.1. Cơ sở lý thuyết
* Sơựồ nguyên lý chung
để có cơ sở tắnh toán xây dựng thiết bị sấy bơm nhiệt, cần phân tắch sơ ựồ
nguyên lý hoạt ựộng tổng quát của thiết bị với hai chu trình hoạt ựộng của hai tác nhân tuần hoàn kắn.
Hình 2.6 Sơựồ nguyên lý của thiết bị sấy bơm nhiệt MN: Máy nén; NT: Ngưng tụ; TL: Van tiết lưu; BH: Thiết bị bay hơi L: Công tiêu tốn cho máy nén
qo: Lượng nhiệt lấy từ nguồn lạnh (bay hơi lỏng tác nhân lạnh)
* Chu trình tác nhân lạnh:
Từ sơựồ nguyên lý (hình 2.6)[8]. Chu trình hoạt ựộng của tác nhân lạnh là chu trình ngược ựược biểu diễn trên ựồ thị Lgp-i (hình 2.7).
1-2: Quá trình nén ựoạn nhiệt hơi tác nhân lạnh, từ áp suất thấp, nhiệt ựộ thấp lên áp suất cao nhiệt ựộ cao nhờ máy nén hơi
2-3: Quá trình ngưng tụựẳng nhiệt hơi tác nhân lạnh, tỏa ra môi trường xung quanh một lượng nhiệt qk.
3-4: Quá trình tiết lưu ựẳng entanpi (I3=I4) của tác nhân lạnh lỏng qua van tiết lưu từ
áp suất cao xuống áp suất thấp.
4-1: Quá trình bay hơi ựẳng áp ở nhiệt ựộ thấp và áp suất thấp thu nhiệt qo.
Như vậy chu trình tuần hoàn kắn 1-2-3-4 của tác nhân lạnh thực hiện hai quá trình chuyển pha và ựồng thời xảy ra hai quá trình trao ựổi nhiệt:
1 2 4 3 qo l po, to pk, tk lgp i pk po x = 0 x = 1 K 3Ỗ 1Ỗ
Quá trình sôi bay hơi thu nhiệt của tác nhân lạnh tại dàn bay hơi (nhiệt thu vào qo) Quá trình ngưng tụ thải nhiệt của tác nhân lạnh tại dàn ngưng tụ (nhiệt thải ra qk) Từựồ thị Lgp Ờ i có thể tắnh ựược:
Năng suất lạnh: qo = i1 Ời4 Năng suất thải nhiệt: qk = i2 Ờ i3 Công nén ựoạn nhiệt: l = i2 Ờ i1
Nhiệt thu qua thiết bi hoàn nhiệt: ∆iql = i3 Ờ i4
Nhiệt thải ở thiết bị làm mát trước tiết lưu: ∆iqn = , 1
1 i
i −
Các thông số có thể tra trên ựồ thị lgp Ờ i[9] *Chu trình của tác nhân sấy:
Hình 2.8. đồ thị I-d biểu diễn chu trình của tác nhân sấy trong thiết bị sấy dùng bơm nhiệt
φ2
φ3
1-2: Quá trình sấy (i2 = i3) trong buồng sấy
2-3-4: Quá trình không khắ ựi qua dàn bốc hơi của máy lạnh. Ở ựây không khắ giảm từ nhiệt ựộ t2 tới nhiệt ựộ ựọng sương t3 sau ựó một phần hơi nước trong không khắ
ngưng tụ lại ∆d = d3 Ờ d4, trạng thái 4 sau khi qua dàn bay hơi.
4-1: Quá trình ựốt nóng không khắ ựi qua dàn ngưng tụ. Như vậy dàn ngưng ựóng vai trò calorife ựể ựốt nóng tác nhân sấy từ trạng thái 4 lên trạng thái 1. Nhưng trong thực tế sau mỗi chu kỳ tuần hoàn của tác nhân sấy ựi qua dàn ngưng tụựiểm 1 có xu hướng dịch chuyển ựiểm 1 ựến ựiểm 1, có nhiệt ựộ cao hơn (do chắnh máy nén, do ma sát, dòng fuco của cuộn dâyẦ)
2.2.2. Cơ sở lý luận ựể xây dựng sơựồ nguyên lý thiết bị sấy bơm nhiệt
để ứng dụng bơm nhiệt máy lạnh sử dụng cả hai chiều nóng lạnh cho công nghệ sấy với tác nhân sấy là không khắ tuần hoàn kắn, mỗi chu kỳ tuần hoàn của tác nhân sấy thực hiện hai quá trình: Thải nhiệt khi ựi qua dàn bay hơi ựể hạ nhiệt ựộ
không khắ xuống ựiểm ựọng sương nhằm tách ẩm và thu nhiệt khi ựi qua dàn ngưng tụ nhằm nâng nhiệt ựộ lên làm giảm ựộ ẩm tương ựối của tác nhân sấy trước khi ựi vào buồng sấy ựể thực hiện quá trình trao ựổi ẩm. Như vậy tác nhân lạnh và tác nhân sấy trao ựổi nhiệt với nhau bên thu nhiệt ứng với bên thải nhiệt.
Áp suất ngưng tụ pk càng cao thì nhiệt ựộ ngưng tụ tk càng cao dẫn ựến nhiệt
ựộ của tác nhân sấy cao và ựộ ẩm tương ựối thấp tăng ựộng lực cho quá trình sấy,