CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA VẬTLIỆU SẤY

4. NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀTÀI

3.1. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA VẬTLIỆU SẤY

Theo một số tác giả [5]; [16] khi niêm độ ẩm của vật bao gồm: đô ẩm tương đối, độ ẩm tuyệt đối, độ chứa ẩm và nồng độ ẩm và độ ẩm cân bằng.

- Độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối còn gọi là độ ẩm toàn phần là số phần trăm khối lượng (rắn, lỏng, và hơi) chứa trong một Kilogram vật liệu ẩm, khối lượng của nước và khối lượng của vật liệu khô thì ta luôn có:

G = Ga + Gk (kg) (3.1)

Như vậy độ ẩm tương đối Wbằng: % 100 x G G W  a (3.2)

Chú ý đến quan hệ (3.1) chúng ta thấy độ ẩm tương đối W bao giờ cũng nhỏ hơn 100 % hay 0 % <W< 100 %.

- Độ ẩm tuyệt đối

Độ ẩm tuyệt đối còn gọi là độ ẩm tính theo vậtliệukhô là số phần trăm nước chứa trong một Kilogram vậtliệukhô. Do đó độ ẩm tuyệt đối Wk bằng:[13]

% 100 x G G W k a k  (3.3)

Do khối lượng của ẩm Gachứa trong vật liệu có thể lớn hơn khối lượng của vật liệu khô Gk nên khác với độ ẩm tương đối, độ ẩm tuyệt đối Wk có thểlớn hơn 100 % . Có thể thấy rằng đói đối với vật liệu khô tuyệt đối ta có: Wk = W = 0%.

Từ đó suy ra, với những độ ẩm bé thì giá trị độ ẩm tương đối và tuyệt đối không khác nhau nhiều

Từ các quan hệ (3.1) - (3.3) chúng ta dễ dàng thu được các quan hệ sau đây giữa hai loại độ ẩm. Cho phép chúng ta tính độẩm này khi biết độ ẩm kia và ngược lại.

% 100 100 k k W W W   hay 100% 100 W W W k  (3.4)

- Độ ẩm và nồng độ ẩm

Trong khi nghiên cứu vật liệu ẩm người ta còn đưa khái niệm độ chứa ẩm u. Độ chứa ẩm là tỷ số lượng chứa giữa lượng chứa ẩm trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Ta có: k a G G u (kg/kg)(3.5)

Độ chứa ẩm không những đặc trưng cho toàn bộ mà còn có thể đặc trưng cho từng vùng vật thể. Nếu độ chứa ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thể thì ta có quá nhiều:

100

k

W

u (kg/kg)(3.6)

Ngoài độ chứa ẩm ungười ta còn sử dụng khái niệm nồng đô ẩm c, đó là khối lượng ẩm chứa trong 1 m3

vật thể. Ta có:

V G

c a (3.7)

Trong đó: V là thể tích vật (m3).

Khi ẩm phân bố đều trong vật thì từ quan hệ (3.2) và (3.7) ta có quan hệ giữa nồng đô độ ẩm c và độ ẩm tương đối:

f

W

c

100

 (3.8)

Với f là khối lượng của vật liệu (kg/m3).

Để tìm mỗi liên hê giữa độ chứa ẩm u và nồng độ ẩm cngười ta đưa vào khái niệm khối lượng của vật liệu khô trong môt đơn vị thể tích vật liệu ẩm thường gọi là khối lượng riêng dẫn xuất hay mật độ dẫn xuất ký hiệu là fdx ta có:

V G

f k

dx  (3.9)

Khi đó kết hợp vái (3.3); (3.6); (3.7) và (3.9) ta có quan hệ giữa độ chứa ẩm u

và nồng độ ẩm c như sau:

c = ufd (3.10)

Nếu trong quá trình sấy, độ co ngót về thể tích của vật liệu sấy không đáng kể thì rõ ràng khối lượng riêng dẫn xuất fdx gần bằng khối lượng riêng của vật liệu khô f x.

Độ ẩm cân bằng là độẩm của vật khi ở trạng thái cân bằng với môi trường xung quanh vật đó. ở trạng thái này độ ẩm trong vật là đồng đều và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật ẩm bằng phân áp suất hơi nước trong không khí ẩm. Lúc này không tồn tại sự trao đổi chất ẩm giữa vật và môi trường. Do vậy, độ ẩm cân bằng phụ thuôc vào trạng thái của môi trường bao quanh vật. Độ ẩm cân bằng ký hiêu Wcb; Wocb; Ucb...

Trong kỹ thuật sấy độ ẩm cân bằng có ý nghĩa rất lớn, nó xác định giới hạn quá trình sấy, và dùng để xác định bảo quản của mỗi lần vật liệu trong những điều kiện môi trường khác hau.

Một vật ẩm có độ ẩm W1 đặt trong môi trường không khí ẩm có trạng thái nhất định t1, φ1. Nếu độ ẩm của W1 lớn hơn đô ẩm cân bằng tương ứng với trạng thái không khí t1, φ1thì vật ẩm sẽ thoát ẩm cho tới khi đạt trị số độ ẩm cân bằng Wcb1. Ngược lại nếu W1˂Wcb1 thì vật sẽ hấp thu ẩm để cho độ ẩm của nó tăng lên cho tới khi đạt tới chỉ số cân bằng. Vì vậy khi cần bảo quản môt sản phẩm có đô ẩm nhỏ hơn đô ẩm cân bằng ứng với môi trường không khí trong phòng ta không thể để sản phẩm trong điều kiện không khí trong phòng. Vì như vậy làm cho độ ẩm của nó tăng lên dẫn tới giảm đáng kể thời gian bảo quản an toàn. Trong trường hợp này để bảo quản sản phẩm phải dùng bao gói hoặc nhà kho mà độ ẩm tương đối của không khí nhỏ hơn so với môi trường bên ngoài. Tức là làm sao cho độ ẩm cân bằng của sản phẩm tương ứng với điều kiện môi trường trong kho bảo quản phải nhỏ hơn hoặc bằng độ ẩm của vật cần bảo quản. Có như vậy sản phẩm đạt tới trạng thái cân bằng với môi trường trong kho thì độ ẩm của nó không vượt quá trị số độ ẩm cho phép.

3.1.2. Phân loại vật ẩm

Có nhiều cách phân loại vật ẩm. Theo cách phân loại này các vật ẩm được chia thành 3 nhóm là: vật xốp mao dẫn, vật keo và vật keo xốp mao dẫn. Sự phân loại này cũng chỉ là tương đối vì các vật sấy rất đa dạng, nhiều vẻ. Tuy nhiên sự phân loại này có ý nghĩa rất lớn khi khảo sát quá trình sấy và chỉnh lý các kết quả nghiên cứu để áp dụng cho những vật liệu vào nhóm vật liệu khác nhau.

- Vật xốp mao dẫn

Những vật mà trong đó ẩm liên kết với vật liêu chủ yếu bằng mối liên kết mao dẫn được gọi là vật xốp mao dẫn. Chúng có khả năng hút mọi chất lỏng dính ướt không phụ thuộc vào thành phần hoá học của chất lỏng. Các vật liệu xây dung, than củi, cát, thạch nhũ là những thí dụ về vật xốp mao dẫn. Ở những vật này lực mao dẫn lớn hơn rất nhiều so với trọng lượng ẩm chứa trong vật và quyết định hoàn toàn sự lan truyền ẩm trong vật. Trong trường hợp trọng lượng ẩm cân bằng với lực mao dẫn thì những vật này gọi là vật xốp. Đặc điểm của những vật xốp mao dẫn là sau khi sấy khô nó trở nên giòn và có thể bị vỡ vụn thành bột.

- Vật keo

Vật keo là vật có tính dẻo do có cấu trúc hạt. trong vật keo ẩm liên kết ở dạng hấp thụ và thẩm thấu. Ví dụ: keo động vật, vật liệu xenlulô, tinh bột, đất sét Các vật keo có đặc điểm chung là khi sấy bị co ngót khá nhiều và vẫn giữ được tính dẻo [6]. Để đơn giản công việc nghiên cứu và tính toán, trong kỹ thuật sấy người ta khảo sát các vật keo như các vật giả xốp mao dẫn. khi đó các vật keo được xe như vật xốp mao dẫn có cấu trúc mao quản nhỏ.

- Vật keo xốp mao dẫn

Những vật thể mà trong đó tổn tại ẩm liên kết có trong cả vật keo và vật xốp mao dẫn thì được gọi là vật xốp mao dẫn. Các vật liệu này như gỗ, than bùn, các loại hạt một số thực phẩm và hạt ngô cũng thuộc loại liên kết này. Về cấu trúc của vật này thuộc loại xốp mao dẫn những về bản chất lại là các vật keo có nghĩa là thành mao dẫn của chúng có tính dẻo, khi hút ẩm các mao quản tương lên, khi sấy khô thì co lại. Phần lớn các vật xốp mao dẫn khí sấy khô trở nên giòn như bánh mì, rau xanh.

3.2. CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA TÁC NHÂN SẤY

Tác nhân sấy là những chất dùng để truyền nhiêt cho vật liệu sấy và chuyên chở lượng dùng ẩm tách ra từ vật sấy. Trong quá trình sấy môi trường xung quanh luôn được bổ xung lượng ẩm thoát ra từ vật sấy. Nếu độ ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối của không khí bao quanh vật thể sấy sẽ tăng lên đến khi đạt giá trị cân bằng giữa vật sấy và môi trường bao quanh thì quá trình thoát ẩm vật ngừng lại. Như vậy cùng với viêc cấp nhiệt cho vật ẩm để hoá hơi ẩm lỏng, đổng thời phải tải ẩm đã thoát ra khỏi vật vào môi trường. Đó cũng chính là nhiệm vụ cơ bản của tác nhân sấy. Tác nhân sấy có thể là khói lò, khí sạch, hơi quá nhiệt, khí khói.

3.2.1. Không khí ẩm

Không khí ẩm là loại tác nhân sấy có sẵn trong tự nhiên, không khí ẩm là hỗn hợp của nhiều chất khí khác nhau và có chứa một lượng hơi nước nhất định. Khi nghiên cứu người ta coi không khí ẩm gổm hai thành phần chính là không khí khô và hơi nước. Không khí khô (khí lý tưởng) được gọi là thành phần cố định còn hơi nước là thành phần luôn thay đổi trong không khí ẩm. Để đơn giản trong tính toán người ta coi không khí ẩm là hỗn hợp khí lý tưởng nên nó tuân theo các định luật của khí lý tưởng [5].

• Một số khái niệm:

- Khối lượng không khí ẩm bằng tổng khối lượng của không khí và hơi nước. G=Gk+Gh (kg) (3.11)

V = Vk-Vh ( m3 ) (3.12)

- Nhiệt độ của không khí khô bằng nhiệt độ của hơi nước và chính là nhiệt độ của không khí ẩm.

t = tk =th (3.13)

- Áp suất của không khí bằng tổng phân áp suất không khí khô và phân áp suất của hơi nước.

P = Pk+ Ph(3.14)

Tuỳ theo trạng thái hơi nước trong không khí ẩm người ta chia không khí ẩm thành 3 loại:

- Không khí ẩm chứa bão hoà: là loại không khí ẩm mà lượng hơi nước chứa trong đó chứa đạt đến mức tối đa có nghĩa là vẫn còn khả năng chứa thêm nước.

- Không khí ẩm bão hoà: là loại không khí ẩm mà lượng hơi nước đã chứa đến mức tối đa.

- Không khí ẩm quá bão hoà là loại không khí ẩm mà lượng hơi nước đã chứa đến mức tối đa và còn chứa thêm cả nước ngưng tự.

• Các thông số cơ bản của không khí ẩm

- Độ ẩm tuyệt đối: là lượng hơi nước (tính bằng gram) chứa trong 1 m3 không khí ẩm. Độ ẩm tuyệt đối ký hiệu là f.

1000 .

V G

f  h (g/m3) (3.15)

- Độ ẩm tương đối: là tỷ số giữa lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm với lượng hơi nước lớn nhất có thể chứa trong không khí ẩm ở cùng nhiệt độ. Độ ẩm tương đối ký hiệu là φ:

% 1000 . max h k G G   (3.16) Trong đó:

Gh - là lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm (kg)

Gh max - là lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm ở trạng thái bão hoà (kg). - Độ chứa ẩm của không khí ẩm: là lượng hơi nước chứa trong 1 kg không khí khô, ký hiệu là d. % 1000 . k h G G d  ( g/kg không khí khô) (3.17)

- Entanpicủa không khí ẩm: trong kỹ thuật sấy người ta tính entanpi của nó ứng với 1 kg không khí khô. Theo định nghĩa, lượng chứa ẩm d là số gram hơi nước chứa trong 1 kg không khí khô nên entanpi của không khí ẩm I là entanpi của 1 kg không khí khô của d gram ẩm. Do đó entanpi của không khí ẩm bằng:

I = ik + 0,001dih (KJ/kg KK ) (3.18)

3.2.2. Không khí nóng

Không khí nóng là loại tác nhân sấy. Về cơ bản cũng giống như không khí ẩm, nó có đầy đủ các tính chất, nhiệm vụ, vai trò như trên. Để tạo ra khômg không khí nóng, người ta có thể sử dụng nguồn năng lượng như điện hơi quá nhiệt, than, dầu và

một số dạng năng lượng tái tạo khác như năng lượng mặt trời.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dùng không khí nóng là tác nhân:

Trong buồng đốt nhiên liệu được đốt cháy, khối thoát ra sẽ qua bộ trao đổi nhiệt (Calorife). Tại đây không khí sạch có nhiệt độ thấp được đưa qua bộ trao đổi nhiệt ở phía trong (nếu khối nóng đi ở phía trong). Lúc này không khí sạch chuyển thành không khí nóng có độ ẩm thấp và nhiệt đô thích hợp đi vào buồng sấy để thực hiện quá trình sấy và thải ra ngoài. sử dụng không khí nóng làm tác nhân sấy có ưu điểm là: không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và không có các phản ứng hoá học, đô bền của thiết bị sấy được nâng cao. Song cũng có hạn chế phức tạp cho kết cấu buồng đốt, chi phí năng lượng cao

Hiện nay tác nhân sấy không khí nóng được sử dụng tương đối nhiều để sấy nông sản, các loại hoa, quả, rau và sấy hạt ngô.

3.3. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY

Động học quá trình sấy khảo sát sự thay đổi các thông số đặc trưng của vật sấy trong quá trình sấy. Các thông số được nghiên cứu là độ chứa ẩm u,độ ẩm W, nhiệt độ sấy tb , tốc độ sấy t u   hay t w   [14]

Trong qúa trình sấy thông số này thay đổi theo thời gian sấy. Các quy luật nghiên cứu ở đây cho phép tính toán lượng ẩm bay hơi, nhiệt độ cần cung cấp từ đó xác định được thời gian sấy cũng như các chế độ sấy phù hợp cho các loại sản phẩm khác nhau.

3.3.1. Đặc điểm diễn biến của quá trình sấy

Ở chế độ mà tốc độ chuyển đông động của dòng khí, nhiệt độ sấy không lớn đồng thời vật cóđộ ẩm tương đối cao thì quá trình sấy diễn ra theo 3 giai đoạn như sau:

- Giai đoạn làm nóng vật

Giai đoạn này từ khi vật bắt đầu tiếp xúc với tác nhân sấy cho đến khi nhiệt độ của vật đạt đến bằng nhiệt độ của nhiêt kế ướt (trong buồng sấy). Trong quá trình này toàn bô vật được gia nhiệt ẩm lỏng, trong vật cũng được gia nhiệt cho đến khi đạt nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất hơi nước trong môi trường không khí trong buồng sấy (tu). Độ được làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm đi chút ít do bay hơi ẩm còn nhiệt độ của vật thì tăng dần từ nhiệt độ ban đầu cho đến khi bằng nhiệt kế ướt. Tuỳ vật tăng nhiệt độ trong quá trình xảy ra không đồng đều ở phần ngoài và phần trong vật. Vùng trong vật đạt tới tu chậm hơn. Đối với những vật dễ sấy thì giai đoạn vật làm nóng xảy ra rất nhanh.

- Giai đoạn tốc độ sấy không đổi

Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng đô nhiệt kế ướt. Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sấy sẽ hoá hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉ để làm hoá hơi nước. Ẩm sẽ hoá hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên trongvật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hoá hơi. Do nhiệt độ không khí nóng không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi. Do vậy tốc độ ẩm bay hơi ẩm của vật cũng không đổi.

Điều này làm cho tốc độ giảm của độ chứa ẩm của vật theo thời gian

t u

 

không đổi, có nghĩa là tốc độ sấy không đổi

t u

 

= const.

Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi biến thiên của chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính. Ẩm được thoát ra trong giai đoạn này là ẩm tự do. Khi độ ẩm của vật đạt

tới trị số giới hạn uk = ucb max . Thì giai đoạn sấy không đổi chấm dứt. Đổng thời cũng là chấm dứt giai đoạn thoát ẩm tự do chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ giảm.

- Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần

Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi, ẩm tự do đã bay hơi hết còn lại trong vật là ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ (ẩm liênkếtcàng chặt). Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc đô không đổi có nghĩa là tốc độ sấy trong này nhỏ hơn và càng giảm đi theo thời gian sấy. Quá trình càng tiếp diễn, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm của vật giảm đến bằng độ ẩm cân bằng độ ẩm cân bằng ứng với điều kiện môi trường không khí ẩm trong buồng sấy (ucb ,Wcb) thì quá trình thoát ẩm của vật ngừng lại có nghĩa là tốc độ sấy bằng 0 ( 0

 

t u

). Trong giai đoạn sấy tốc độ giảm nhiệt độ sấy tăng lên lớn hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt. Nhiệt độ ở các lớp bên ngoài bề mặt tăng nhanh hơn còn càng sâu vào bên trong vật nhiệt độ tăng chậm do đó