Các thông số trạng thái của tác nhân sấy

CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH SẤY

3.1.3. Các thông số trạng thái của tác nhân sấy

Tác nhân sấy là những chất dùng để truyền nhiệt cho vật liệu sấy và chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật sấy. Trong quá trình sấy, môi trường xung quanh luôn được bổ sung 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 sấy ngừng lại. Như vậy, cùng với việc cấp nhiệt cho vật ẩm để hoá hơi ẩm lỏng, đồng 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...

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 gồm 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 coi không khí ẩm là hỗn hợp khí lý tưởng, tức là:

Khối lượng không khí ẩm (G) bằng tổng khối lượng của không khí (Gk) và hơi nước (Gh) trong không khí ẩm

GGk+ Gh (kg) (3.3) Thể tích không khí ẩm (V) bằng thể tích không khí khô (VK) và thể tích hơi nước (Vh ) được phân bố đều trong vật ẩm

V= VK + Vh (m3) (3.4) Nhiệt độ của không khí khô (tk) bằng nhiệt độ của hơi nước (th)và chính là nhiệt độ của không khí ẩm (T)

T = tk = th ( oC ) (3.5) Áp suất của không khí (P) bằng tổng phân áp suất không khí khô (Pk) và phân áp suất của hơi nước (Ph).

P = Pk + Ph (atm) (3.6) Tuỳ theo trạng thái hơi nước trong không khí ẩm, người ta chia không khí ẩm thành ba loại:

- Không khí ẩm chưa bão hoà, là loại không khí ẩm mà lượng hơi nước chứa trong đó chưa 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 tụ.

 Độ ẩm tuyệt đối

Độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm là lượng hơi nước (tính bằng g) chứa trong l m3 không khí ẩm. Độ ẩm tuyệt đối ký hiệu là ρ.

.1000 Gh

 V (g/m3) (3.7) Độ ẩm tuyệt đối có giá trị bằng khối lượng riêng của không khí ẩm:

h Gh.1000

  V (g/m3) (3.8) Như vậy, độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm thay đổi trong khoảng 0 < ρ < ρ max. Khi nhiệt độ không khí ẩm tăng thì ρ max cũng tăng.

 Độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối của không khí 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 một nhiệt độ. Độ ẩm tương đối đo bằng %, ký hiệu là .

=

max

.1000

h h

G

G (%) (3.9) Gh - Lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm (kg)

Ghmax - Lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm ở trạng thái bão hoà (kg) Từ các phương trình trạng thái của hơi nước ở trạng thái đã cho và trạng thái bão hoà ta có thể xác định được Gh và Ghmax

Vậy:

s

.

.100 .100 .

h

h h

hs h h

P V

R T P

V P

P R T

  (%) (3.10)

 Độ chứa ẩm của không khí ẩm

Độ chứa ẩm của không khí ẩm là khối lượng hơi nước chứa trong l kg không khí khô, ký hiệu là d.

d = h.1000

k

G

G (g/kgKKK) (3.11) Từ phương trình trạng thái Gh kg hơi nước và GK kg không khí khô ta có:

Gh = h

h

P V

R T và Gh = k

k

P V R T

Vậy: d = h. k1000

k h

P R P R

Vì Rh = 8314/18 (J/kgL) và Rk = 8314/29 (J/kgL) nên ta có:

d = 622 h

k

P

P = 622 h

h

P

PP (3.12) Khi thay ph = ρ.phs ta được: d = 622 s

s

. .

h h

P

p P



 (3.13) Khi không khí ẩm có nhiệt độ t > 1000C thì phs = p nên ta có:

d =6 2 2 1





 (3.14)

Như vậy trong trường hợp này, nếu d = const sẽ kéo theo  = const.

Ở mỗi nhiệt độ không khí ẩm có một độ ẩm chứa cực đại ứng với trạng thái bão hòa, lúc đó  = 100%, vậy ta có:

dmax = 622. s

s h

h

p

pp (3.15) hay phs = max

max

. 622 p d

d

 và ở trạng thái bão hòa phs = . 622 p d

d

 (3.16)

 Nhiệt dung riêng của không khí ẩm

Khi đã xem không khí ẩm là hỗn hợp của khí lý tưởng thì nhiệt dung riêng của không khí ẩm được xác định theo công thức nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí lý tưởng:

C = ... 0, 001. . 1 0, 001.

k h

C d C

d



 (kJ/kg0K) (3.17)

Ck 1 kJ/kg0K - Nhiệt dung riêng của không khí khô Ch 1,97 kJ/kg0K - Nhiệt dung riêng của hơi nước

 Thể tích riêng và khối lượng riêng của không khí ẩm Thể tích riêng của không khí ẩm là v :

v = V Vk

G  G (m3/ kg) v =

(1 0, 001d) 1 0, 001d

k k

k

V V

G 

 

vk = k 287

k n

R T T

P  p p

 thể tích riêng của không khí khô (m3/kg) Vậy: v =

s

287 287

( h)(1 0, 001d) ( h)(1 0, 001d)

T T

p p   pp  (m3/kg) (3.18) Khối lượng riêng của không khí ẩm ρ được xác định theo công thức:

ρ = ( s)(1 0, 001d) 287

p ph

T



 

(m3/kg)

Mặt khác, có thể xác định khối lượng riêng theo phương trình trạng thái:

1 1

( ) ( )

k h k h h h

k h

k h k h k h

p p P P p p P

R T R T T R R T R R

        

1( h h) 1( hs hs)

k k h k k h

P P P P

P P

T R R R T R R R

 

     

Sau khi thay các trị số Rk= 287 J/kg K và Rh= 461,9J/kg K vào công thức trên và biến đổi ta được:

(1 0, 378 s) 287

ph

p

T p

   (m3/kg) (3.19)

 Entanpi của không khí ẩm

Entanpi của không khí ẩm I bằng tổng entanpi của không khí khô và entanpi của hơi nước, tức là:

I = ik+ 0,001.d.ih (kJ/kg KKK) (3.20) ik = Ck.t - entanpi của không khí khô (kJ/kgK)

ih = r + Ch.t - entanpi của hơi nước (kJ/kgK)

Nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí Ck = 1kJ/kgK, của hơi nước Ch = 1,97kJ/kgK, nhiệt ẩn hoá hơi của nước lấy trị số trung bình r = 2493 (kJ/kg).

Vậy ta có: I= t +0,001d (2493+1,97t) (kJ/kgKKK)

Trường hợp không khí ẩm quá bão hoà, trong không khí ẩm còn có những giọt nước ngưng dạng sương mù. Nếu gọi ds là lượng nước ngưng chứa trong lkg không khí khô, ta có:

I= iK + 0,001 dih + 0,001dnin

Có thể xác định entanpi của nước in theo công thức in = Cnt, với Cn = 4,18 (kJ/kgK), vậy ta có:

I = t + 0,001d(2493 + 1,97t) + 0,00418 dnt (kJ/kg KKK) (3.21)

 Đồ thị I-d của không khí ẩm Đăc điểm của đồ thi I-d

Trong kỹ thuật nhiệt, đồ thị I-d rất quan trọng, được dùng để xác định các tiêu hao không khí và tiêu hao nhiệt trong quá trình sấy; đồng thời, xác định các thông số của không khí ẩm trong buồng sấy nhằm xác định các chế độ làm việc của thiết bị.

Đồ thị I-d được thành lập với hai trục toạ độ I và d hợp nhau một góc 135°C.

Tuy vậy, trục d người ta vẽ vuông góc với trục I. Do vậy, khi xác định entanpi của không khí ẩm trên đồ thị ta phải kẻ qua điểm cần xác định đường I = const là đường thẳng hợp với trục tung (biểu diễn I) một góc 135°C.

Đồ thị I-d được thành lập với một áp suất nhất định của không khí ẩm, thường với áp suất khí quyển p = 745mmHg. Trường hợp đặc biệt, khi không khí ẩm có áp suất khác với áp suất khí quyển, ta phải thiết lập riêng đồ thị I-d cho áp suất cần dùng.

Cách thành lập đồ thị I-d

Trên đồ thị I-d, entanpi được tính bằng (kcalo/kgKKK) hay (kJ/kgKKK), độ

Hình 3.1. Đồ thị I – d - Xây dựng đường cong ph = f(d)

Đường cong ph = f(d) được xây dựng dựa trên cơ sở phương trình:

Ph = 622 p d

d

Trên đồ thị, trục ph được đặt bên phải đối diện với trục I - Xây dựng họ đường t = const

Từ phương trình I= t + 0,001d/(2493 + 1,97t), ta có:

( I)t 2493 1, 97 d t

  



Khi t là một hằng số thì vế phải cũng là hằng số. Đường biểu diễn quan hệ I=f(d)t=const là các đường thẳng có độ dốc dương. Khi t càng lớn, độ dốc càng lớn, vì vậy chùm đường thẳng I=f(d)t=const là phân kỳ.

Trong vùng quá bão hoà thì:

I= t + 0,001 dmax(2493 + 1,97t) + 0,0418t Độ dốc của đường thẳng nhiệt là: ( I)t

d



 = 0,00418t

Vậy, trong vùng quá bão hoà đường đẳng nhiệt vẫn là đường thẳng, nhưng độ dốc nhỏ hơn nên nó sẽ bị gãy khúc và giảm độ dốc.

- Xây dựng họ đường  = const.

Các đường cong = const được xây dựng từng điểm một nhờ đường cong ph=f(d) và các đường thẳng t = const.

- Xây dựng đường cong = 100%.

Với nhiệt độ t1, dùng bảng hơi nước (phụ lục 1) xác định phsl. Từ trị số Phsl kẻ đường thẳng song song với trục hoành đến gặp đường ph = f(d ) tại điểm 1’. Từ điểm 1’ kẻ đường song song với trục tung, đường thẳng này cắt đường thẳng t1= const tại điểm 1.

Ta được một giá trị của đường cong  = 100%. Làm tương tự với nhiều giá trị nhiệt độ ta sẽ được đường cong = 100%.

- Xây dựng đường cong = const ( = 50%).

Với nhiệt độ t1, dùng bảng hơi nước (phụ lục 1) ta xác định được phs1, sau đó xác định phl = φ1 phsl = 0,5phsl. Từ trị số phsl kẻ đường song song với trục hoành đến gặp đường ph =f(d) tại điểm 2’. Từ điểm 2’ kẻ đường thẳng đứng đến gặp đường thẳng t1 = const tại điểm 2. Điểm 2 là một điểm của đường cong  = 50%. Với nhiều giá trị nhiệt độ khác nhau ta sẽ xác định được nhiều giá trị của đường cong =50%.

Các đường cong = const trong vùng nhiệt độ t > 100°C sẽ trở nên thẳng đứng vì như đã xác định ở phần trên, khi nhiệt độ không khí ẩm t > 100°C thì  = const sẽ kéo theo d = const.