CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH SẤY
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, độ ẩm 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 có thể chia làm 3 phần tương ứng với 3 giai đoạn sấy được thể hiện trên hình 3.3.
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 lừm lờn trờn để cuối cựng khi kết thỳc quỏ 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:
/ddf()/d
d tb
Nếu đường cong sấy f( ) tb
được xác định bằng thực nghiệm thì đường cong tốc độ sấy /ddf()/d
d tb 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.
Hình 3.4. Đường cong tốc độ sấy
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 mặt bay hơi tiến sâu vào bên trong.