Truyền nhiệt và truyền ẩm trong quá trình sấy

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH SẤY

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.

- Vận chuyển hơi ẩm đã thoát khỏi vật thể ra bên ngoài.

 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 m u

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

u 1

m m

x x

a a t



   

 

   (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 C0- nhiệt dung riêng của vật khô

Cn- 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 số độ ẩm 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 các lớp trong. Tốc độ sấy càng lớn thì càng chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt vật và bên

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).

Để tính 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: t . . .k '

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:

. '. . . . v t k C

t

 



 

 



Hay: Nu=

.

. . v v t

a t







 Nu =AP Rrn emm1 (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

v m

 (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 = ARem (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 =ARem (1+K)m trở thành Nu = ARem

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 pkr 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 ; um m

m

N  L

  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).