Truyền nhiệt và truyền ẩm trong quá trình sấy

L ỜI CẢM ƠN

2. MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

3.1.4. Truyền nhiệt và truyền ẩm trong quá trình sấy

Sấy là quá trình làm khô các vật thể bằng phương pháp bay hơi. Muốn sấy khô

một vật cần phải tiến hành các biện pháp kỹ thuật sau:

- Gia nhiệt cho vật để đưa nhiệt độ của nó lên đến nhiệt độ bão hoà ứng với

phân áp suất của hơi nước trên bề mặt vật.

- Cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm trong vật thể.

Quá trình truyền ẩm trong vật thể sấy

Quá trình sấy bao gồm hai quá trình xảy ra liên tiếp là truyền ẩm từ trong vật

sấy ra ngoài bề mặt và thoát hơi ẩm từ bề mặt vào môi trường. Tốc độ sấy phụ thuộc

vào tốc độ biến đổi ẩm trong vật sấy và trên bề mặt vật sấy.

Trong nhiều nghiên cứu, người ta xem quá trình truyền nhiệt và truyền chất đồng dạng nhau. Vì vậy, tương tự như phương trình Fourier về dẫn nhiệt ta có phương

trình dẫn chất mô tả sự dẫn ẩm trong vật thể: qm = -m u  = - am0 u  (3.22) u  - gradient độ chứa ẩm, u u u u x y z           m - hệ số dẫn chất kg/m h am - hệ số dẫn thế 0

 - trọng lượng riêng của vật liệu khô Phương trình vi phân dẫn chất có dạng: 2 u m u a      (3.23)

Năm 1934, A.V. Lukov đã phát hiện ra hiện tượng khuyếch tán nhiệt của vật ẩm xảy ra dưới tác dụng của gradient nhiệt độ. Hiện tượng này ảnh hưởng với mức độ khác nhau đến quá trình dẫn ẩm trong vật thể. Trường hợp sấy tốc độ cao ảnh hưởng

của hiện tượng này càng lớn.

Như vậy, nếu kể đến ảnh hưởng của hiện tượng khuyếch tán nhiệt thì phương

trình dẫn ẩm có dạng: 0 0 m m u m t ma mt q  a   a   q q (3.24)  - hệ số gradient nhiệt độ(1/độ) qma- dòng ẩm do dẫn ẩm qmt- dòng ẩm do khuếch tán nhiệt

Phương trình vi phân dẫn ẩm có dạng (trường đơn nguyên): 2 2 2 2 1 u m m x x t a a           (3.25 )

Hiện tượng khuếch tán nhiệt trên cũng ảnh hưởng ngược lại đến quá trình truyền nhiệt, do đó phương trình vi phân dẫn nhiệt trong trường hợp này có dạng:

2 2 t u x t t r a C          

- hệ số bay hơi bên trong ( = 0 khi ẩm chỉ truyền dưới dạng lỏng,

=1 khi ẩm chỉ truyền dưới dạng hơi).

r - nhiệt biến đổi pha

C- nhiệt dung riêng của vật, C = C0+ Cn

0

C - nhiệt dung riêng của vật khô

n

C - nhiệt dung riêng của nước

a - hệ số dẫn nhiệt độ

Hệ số am và chỉ phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ.

Khi hiệu số nhiệt độ, hiệu sốđộẩm ở trong và ngoài vật càng lớn thì tốc độ sấy

càng lớn. Nếu độ ẩm và nhiệt độ ở lớp bề mặt vật lớn hơn lớp bên trong vật thì có thể

gây nên sự kìm hãm thoát ẩm ở bề mặt hoặc thậm chí có thể làm cho ẩm chuyển ngược

lại từ ngoài vào vật.

Khi sấy đối lưu, vật ẩm đặt trong dòng không khí hay khói nóng, quá trình truyền nhiệt thực hiện từ bề mặt vào trong vật, nhiệt độ bề mặt lớn hơn nhiệt độ bên trong vật. Sự chênh lệch nhiệt độ này ảnh hưởng xấu đến quá trình dẫn ẩm từ trong vật ẩm ra ngoài, gây nên do gradient độ ẩm, còn gradient nhiệt độ ngược lại làm chậm sự

dẫn ẩm.

Dòng ẩm từ trong vật sấy truyền ra ngoài trong sấy đối lưu là:

qm = qma - qmt (3.27) Sự bay hơi ẩm trên bề mặt tạo nên dòng ẩm trong vật, nhiều trường hợp dòng

ẩm này gây nên sự co ngót của vật, làm cho vật ẩm bị kéo ở các lớp ngoài và bị nén ở

trong vật càng nhiều, do đó càng làm tăng ứng suất dư trong vật và có thể dẫn đến bị

nứt, vỡ. Vì vậy, sức bền kéo chính là giới hạn tốc độ sấy của vật ẩm.

Ở một số vật ẩm, sức bền kéo nhỏ, đồng thời ứng suất dư tăng nhanh khi tăng độ chênh ẩm và do vậy khi sấy đối lưu phải chọn tốc độ sấy nhỏ, nên thời gian

sấy dài.

 Quá trình trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt vật ẩm và môi trường

Trong quá trình sấy, môi chất sấy chuyển động bao bọc lấy bề mặt vật ẩm. Ở

đây, xảy ra quá trình trao đổi nhiệt và chất giữa bề mặt vật ẩm và môi chất sấy. Quá

trình này rất phức tạp và có thể mô tả bằng hệ thống các phương trình vi phân và các

điều kiện đơn trị của chúng. Khi sấy xảy ra quá trình bay hơi ẩm từ vật vào môi trường (thông thường quá trình này xảy ra trong điều kiện không đẳng nhiệt) dòng hơi ẩm

thoát ra từ vật vào môi trường bao gồm ba thành phần là dòng ẩm khuếch tán, dòng ẩm

khuếch tán nhiệt và dòng ẩm do khuếch tán phân tử, tức là:

qm = qmk + qmt+ qmp (3.28) Dòng khuếch tán qmk gây nên bởi chênh lệch nồng độ hơi ẩm giữa bề mặt và

môi trường. Dòng khuếch tán nhiệt qmt gây nên do chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và môi trường. Dòng khuếch tán phân tử qmp gây nên do chênh lệch áp suất hơi ở

bề mặt và môi trường. Thông thường dòng khuếch tán và dòng khuếch tán phân tử đóng vai trò chủ yếu, còn dòng khuếch tán nhiệt rất nhỏ, trong nhiều trường họp có

thể bỏ qua.

Khi nhiệt độ tăng, việc thoát ẩm bằng dòng phân tử tăng lên và khi nhiệt độ tới

100°C thì ở áp suất khí quyển, dòng khuếch tán phân tử trở nên là chủ yếu (100%). Sự

truyền nhiệt từ môi chất sấy đến vật ẩm là nguyên nhân dẫn đến sự thoát ẩm vào môi

trường; đồng thời, dòng ẩm thoát ra từ vật sấy vào môi trường cũng ảnh hưởng đến

quá trình truyền nhiệt. Hai quá trình này có ảnh hưởng tương hỗ với nhau. Khi môi

chất chuyển động bao bọc quanh bề mặt vật sấy, trên bề mặt vật sấy hình thành các lớp

biên thuỷ động và lớp biên nhiệt. Đồng thời, quá trình thoát ẩm từ bề mặt vật vào môi

trường cũng hình thành trên bề mặt vật lớp biên chứa độ ẩm. Trong các lớp biên này tồn tại sự thay đổi tốc độ, nhiệt độ và nồng độ ẩm (hay phân áp suất hơi).

Đểtính được quá trình truyền nhiệt, truyền chất ở đây cần xác định các quy luật thay đổi các thông số bên trong các lớp biên này. Việc này có thể thực hiện được bằng

giải tích hay bằng các phương pháp thực nghiệm hoặc là kết hợp các kết quả nghiên cứu giải tích và thực nghiệm.

Hình 3.2. Sự mô tả ảnh hưởng của trao đổi chất đến trao đổi nhiệt

* Trường hợp không trao đổi chất

Mật độ dòng nhiệt: ' . . .k t q  t  v C t        v- vận tốc dòng khí chuyển động trên bề mặt vật (m/s).

 - chiều dày lớp biên (m). Ta có: ' . . . . . k v t C t         Hay: Nu= . . . v v t a t     Nu = n m m1 r e AP R  (3.29) Khi dòng khí chuyển động với tốc độ đủ lớn:

Nu ARme (3.30)

* Trường hợp có trao đổi chất

Dòng ẩm thoát ra từ bề mặt vật có hướng vuông góc với bề mặt vật sấy và hoà vào dòng môi chất. Giả thiết cường độ bay hơi ẩm trên bề mặt vật sấy là m (kg/m2h). Tốc độ chuyển động của hơi ẩm là:

h h m v   (m/h)

Dòng hơi này mang nhiệt từ vật vào môi trường. Dòng nhiệt do hơi mang từ vật

vào là: qm = vh.h.C.t = . . .h t h m C    Dòng nhiệt tổng là: q = .t = t   + . . .h t h m C   

Từ phương trình trên, sau khi thực hiện các bước biến đổi ta nhận được phương

trình tiêu chuẩn sau:

Nu= f(Re -1+K) (3.31)

và Nu = A m

e

R (1+K)m (3.32)

Trong đó :

K = m L /h là tiêu chuẩn xét đến ảnh hưởng của trao đổi chất.

Khi K = 0 có nghĩa là không có trao đổi chất, phương trình Nu =A m e

R (1+K)m

trở thành Nu = A m e

R

Công thức Nu = ARem (1 +K)m có thể sử dụng để nghiên cứu hiện tượng trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong quá trình sấy cũng như để tính toán các thiết bị sấy.

Tuy vậy, sử dụng công thức này có khó khăn, vì hệ số bay hơi là thông số chưa biết và phụ thuộc vào quá trình trao đổi nhiệt và chất giữa bề mặt vật ẩm và môi trường là nhỏ.

Trong nhiều nghiên cứu, người ta xem quá trình truyền nhiệt và truyền chất đồng dạng nhau. Điều này đúng trong trường họp phân bố tuyến tính nhiệt độ và nồng độ ẩm trong lớp ngoại biên, cũng như khi hiệu số nồng độ hơi ở bề mặt vật và môi

trường là nhỏ.

Như vậy, hiện tượng truyền nhiệt và truyền chất có thể mô tả bằng những phương trình tiêu chuẩn hoàn toàn tương tự, tức là:

Đối với quá trình truyền nhiệt:

Nu = A1(GrPr)n Nu= A2Rem k r

p

Đối với quá trình truyền chất:

Nu = A3(GrmPrm)n ; Grm = 3 2 tb g tl v T  ; Prm v D  Nu = A4Remm prmk ; Rem vL v  ; m um m L N    Trong đó: m  - hệ số trao đổi chất (kg/m2h mmHg). D - hệ số khuếch tán (m2/h). v - vận tốc khí (m/s). m  - hệ số dẫn chất (kg/mhmm Hg). 3.1.5. Động học quá trình sấy

Động học quá trình sấy là khảo sát sự thay đổi các thông số đặc trưng của quá trình sấy, bao gồm độ chứa ẩm u, độẩm W, nhiệt độ sấy tb, tốc độ sấy u

   hay ( W    ).

Các thông số này thay đổi theo thời gian trong quá trình sấy.

Động học quá trình sấy xảy ra với vận tốc phụ thuộc vào dạng liên kết ẩm với

nhiên liệu và được đặc trưng bởi sự thay đổi theo thời gian của độ ẩm trung bình trong vật liệu đối với một lượng vật liệu khô tuyệt đối. Quan hệ giữa độ ẩm của vật liệu W

và thời gian sấy được biểu diễn bằng đường cong sấy. Động học quá trình sấy được

thể hiện qua các đường sau:

Đường cong sấy

Đường cong sấy, thể hiện quan hệ biến đổi của độ ẩm sản phẩm với thời gian sấy. Đường cong sấy chủ yếu được thiết lập nhờ các thông số thực nghiệm. Đường cong sấy

Hình 3.3. Đường cong sấy.

Giai đoạn I: Đây là giai đoạn đốt nóng vật liệu, thời gian đốt nóng vật liệu rất

ngắn, hàm ẩm của vật liệu giảm không đáng kể theo 0A Khi quá trình sấy bắt đầu, vật

liệu sấy nhận được nhiệt lượng và ẩm trong lòng vật bắt đầu phá vỡ các liên kết để

dịch chuyển ra bề mặt và một phần nhỏ bắt đầu thoát khỏi bề mặt vật liệu sấy để đi vào

môi trường. Trong giai đoạn này nhiệt độ của vật tăng rất nhanh để nhiệt độ bề mặt vật đạt đến nhiệt độ nhiệt kế ướt nhưng độ ẩm trung bình tích phân giảm không đáng kể.

Giai đoạn II: Giai đoạn này tốc độ sấy không đổi nhưng độ ẩm trung bình tích

phân giảm rất nhanh và quan hệ f( )

tb  

 gần như tuyến tính. Giai đoạn này được

biểu diễn bởi đoạn AB. Trong giai đoạn này bao nhiêu nhiệt lượng mà vật liệu sấy

nhận được chỉ để phá vỡ các liên kết ẩm mà chủ yếu là liên kết ẩm tự do cùng liên kết ẩm thẩm thấu và cung cấp năng lượng cho ẩm đã được phá vỡ di chuyển từ trong lòng vật ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường. Do đó, nhiệt độ của vật liệu sấy hầu như không đổi.

Giai đoạn III: Sau giai đoạn AB, tốc độ sấy giảm dần và nhiệt độ vật liệu sấy

bắt đầu tiếp tục tăng và đường cong sấy lõm lên trên để cuối cùng khi kết thúc quá

trình sấy tiệm cận với đường thẳng biểu diễn giá trị của độ ẩm cân bằng

cb tb 

 .

Giai đoạn này gọi là giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Trong giai đoạn này, các liên kết bền vững hơn, khó tách khỏi vật liệu như liên kết hấp phụ, liên kết mao dẫn, cần một nhiệt lượng lớn hơn và ở một nhiệt độ cao hơn mới từ từ tách khỏi vật liệu

sấy. Vì vậy giai đoạn này nhiệt độ vật tiếp tục tăng. Phần lớn các vật liệu sấy thời gian

của giai đoạn này lớn hơn nhiều tổng thời gian của giai đoạn đốt nóng và giai đoạn tốc độ sấy không đổi cộng lại.

Đường cong tốc độ sấy

Quá trình sấy xảy ra với vận tốc phụ thuộc và dạng liên kết ẩm với nhiên liệu và cơ chế của quá trình di chuyển ẩm trong vật liệu.

Đường cong tốc độ sấy là đường cong biểu diễn quan hệ:

 /ddf()/d

tb

d

Nếu đường cong sấy f( ) tb 

 được xác định bằng thực nghiệm thì đường

cong tốc độ sấy  /ddf()/d

tb

d có thể được xác định trên cơ sở đạo hàm đường

cong thực nghiệm f( )

tb  

 hoặc đạo hàm số theo các giá trị rời rạc của bảng số liệu

thực nghiệm. Như vậy phương pháp đạo hàm đường cong thực nghiệm thì tốc độ sấy

tại một thời điểm (i 0,N) i 

 nào đó chính là tg của góc tạo bởi tiếp tuyến của đường

cong tại điểm đó với trục thời gian.

Hình 3.4. biểu diễn đường cong tốc độ sấy đối với các loại vật liệu ẩm khác nhau. Giai đoạn đốt nóng và giai đoạn sấy có tốc độ không đổi đối với tất cả các loại

vật liệu ẩm đều giống nhau. Trong giai đoạn đốt nóng, tốc độ sấy tăng rất nhanh từ không đến giá trị cực đại N. Tốc độ này giữ nguyên giá trị trong suốt quá trình tốc độ

sấy không đổi. Trong giai đoạn tốc độ sấy giảm dần các vật có cấu trúc và liên kết ẩm

khác nhau sẽ có hình dáng khác nhau.

Đường cong nhiệt độ sấy

Sự biến đổi nhiệt độ của vật liệu sấy không phụ thuộc vào độ ẩm W. Vì rằng

nhiệt độ của vật liệu sấy có thể làm thay đổi tính chất của nó.

Hình 3.5. Đường cong nhiệt độ sấy.

Sau giai đoạn đốt nóng rất nhanh thì nhiệt độ của vật liệu tăng rất nhanh đến

nhiệt độ bầu ướt tu. Ở giai đoạn đẳng tốc thì toàn bộ nhiệt lượng truyền cho vật liệu được tiêu tốn để làm bay hơi ẩm và nhiệt độ của vật liệu được giữ nguyên không đổi

và bằng nhiệt độ bay hơi nước ở bề mặt tự do (tu). Trong giai đoạn giảm tốc thì sự bay hơi ẩm từ bề mặt vật liệu sấy giảm dần, nhiệt độ của vật liệu sấy tăng dần. Khi độ ẩm

của vật liệu giảm dần đến độ ẩm cân bằng và tốc độ bay hơi ẩm giảm dần đến bằng

không thì nhiệt độ của vật liệu đạt đến giá trị lớn nhất, bằng nhiệt độ của môi trường

không khí xung quanh vật liệu sấy tok ( nhiệt độ của tác nhân sấy).

Đường cong nhiệt độ (đường nét liền hình 3.5) là đặc trưng cho các loại vật liệu

sấy dạng lớp mỏng. Đối với vật liệu sấy có lớp dày thì khi sấy đối lưu, nhiệt độ các lớp

bên trong hầu như trong toàn bộ quá trình sấy đều thấp hơn so với lớp bề mặt (đường

chấm trên hình 3.5). Khi sấy vật liệu mỏng thì chênh lệch nhiệt độ này rất bé và có thể

chỉ xuất hiện ở giai đoạn giảm tốc, trong giới hạn Wth1 đến Wth2 khi bề mặtbay hơi

tiến sâu vào bên trong.

3.16. Xác định thời gian sấy

Thời gian sấy là đại lượng đặc trưng tổng hợp của quá trình sấy. Nó có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong quá trình thiết kế vận hành thiệt bị sấy. Thời gian sấy phụ