Độ ẩm của vật liệu ẩm gồm có độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối.
- Độ ẩm tuyệt đối là độ ẩm tính theo khối lượng vật liệu khô. Độ ẩm tuyệt đối của vật liệu ẩm Uk được định nghĩa bởi tỷ số giữa khối lượng ẩm Ga và khối lượng vật liệu khô.
a a
k
o a
k
G G
U = =
G G G (2.1)
Trong đó khối lượng của toàn bộ vật liệu ẩm là Go = Ga + Gk. Do khối lượng vật liệu khô Gk có thể nhỏ hơn khối lượng ẩm Ga nên độ ẩm tuyệt đối có thể lớn hơn 100%.
- Độ ẩm tương đối U được định nghĩa bởi tỷ số giữa khối lượng ẩm Ga và khối lượng của vật liệu ẩm Go.
o a
a a
+ k
G G
U = =
G G G (2.2)
Vì Ga luôn nhỏ hơn Go nên độ ẩm tương đối U luôn nhỏ hơn 100%.
Công thức 2.1 và 2.2 cho thấy cả độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối là sự đánh giá về trị số trung bình của ẩm có mặt trong vật liệu.Nói cách khác, không có khái niệm độ ẩm tại một điểm.
Có thể dễ dàng rút ra công thức chuyển đổi giữa hai loại độ ẩm:
k
+ k
U = U
1 U hay k U = U
1 U (2.3)
2.3.2. Độ chứa ẩm
Để nghiên cứu quá trình khuếch tán ẩm, khái niệm độ chứa ẩm u được đưa ra. Độ chứa ẩm là giới hạn của tý số giữa khối lượng ẩm Ga và khối lượng của vật liệu khô Gk
của một hình hộp vô cùng nhỏ vật liệu ẩm: dV = dx.dy.dz khi dV tiến tới 0. Do đó, khác với độ ẩm tuyệt đối có ý nghĩa trung bình thì độ chứa ẩm u là một hàm liên tục theo không gian và thời gian, hay u = u(x,y,z,τ). Khi đó ta có k
dV
U = 1 u(x,y,z,τ).dV
V .(2.4)
Khi ẩm phân bố đều thì từ (2.4) suy ra độ ẩm tuyệt đối viết dưới dạng thập phân và độ chứa ẩm đồng nhất với nhau về trị số: Uk ≡ u.
2.3.3. Nồng độ ẩm
Nồng độ ẩm c được định nghĩa bởi giới hạn của tỷ số giữa khối lượng ẩm và thể tích của một hình hộp vô cùng nhỏ dV = dx.dy.dz khi dV tiến tới 0. Do đó, cũng như độ chứa ẩm, nồng độ ẩm cũng là một hàm số theo không gian và thời gian c = c(x,y,z,τ). Nếu gọi ρ (kg/m3) là khối lượng riêng của vật liệu ẩm và ρ = const thì độ ẩm tương đối U được xác định qua nồng độ ẩm tích phân:
dV
U = 1 c(x,y,z,τ).ρ.dV
V (2.5)
Khi nồng độ ẩm phân bố đều theo không gian và độ ẩm tương đối U viết dưới dạng thập phân thì từ (2.5) ta có: U ≡ c.ρ.
2.3.4. Thế dẫn ẩm
Thực nghiệm chứng minh: dòng nhiệt chỉ có thể truyền từ một vật (hay một phần của vật) “nóng” hơn sang một vật (hay một phần của vật) “lạnh” hơn khi hai vật đó tiếp xúc nhau. Đại lượng vật lý đo độ “nóng”, “lạnh” của một vật là nhiệt độ. Do đó, nhiệt độ được xem là thế dẫn nhiệt. Như vậy, dẫn nhiệt chỉ có thể xảy ra khi có sự chênh lệch nhiệt độ, hay nói chính xác dẫn nhiệt chỉ xảy ra khi có gradient nhiệt độ.
Trên cơ sở nhiệt động học của hai quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán vật chất nói chung hay khuếch tán ẩm nói riêng, Luikov A.V đề xuất khái niệm thế dẫn ẩm θoM.
Nếu trong dẫn nhiệt có thế dẫn nhiệt t và nhiệt dung riêng Cp thì trong khuếch tán ẩm có thế dẫn ẩm θ và ẩm dung riêng Cm. Ẩm dung riêng Cm được định nghĩa bởi biểu thức: m du
C = dθ.
2.3.5. Nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt và hệ số dẫn nhiệt độ của vật liệu ẩm 2.3.5.1. Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm
Nhiệt dung riêng của vật liệu nói chung và của vật liệu ẩm nói riêng được xác định bằng thực nghiệm theo công thức q = C.(t – t1) với q là mật độ dòng nhiệt truyền từ bề mặt đẳng nhiệt t đến bề mặt đẳng nhiệt t1 khi t > t1 và C là nhiệt dung riêng (C = const).
Trong kỹ thuật sấy, nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm được xác đinh theo quan hệ tuyến tính khi biết nhiệt dung riêng của vật liệu khô Ck và nhiệt dung riêng của ẩm Ca:
k k k k
k a k
k a
C .G + C .G
C = = C +(C C ).U
G + G (2.6)
Trong (2.6), nhiệt dung riêng của ẩm Ca được lấy như sau: nếu ẩm ở dạng lỏng thì Ca = 4,1816 kJ/kg.K, nếu ẩm ở dạng hơi thì Ca = 1,842 kJ/kg.K. Nhiệt dung riêng của vật liệu khô Ck được xác định cụ thể cho từng vật liệu. Nhiệt dung riêng của vật liệu khô trong các sản phẩm thực phẩm nằm trong khoảng Ck = (1,2 ÷ 1,7) kJ/kg.K.
Công thức thực nghiệm xác định nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm là củ cải, cà rốt và các loại củ tương tự: Ca = 1,387 + 0,028.U (kJ/kg.K) (2.7)
2.3.5.2. Hệ số dẫn nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm không chỉ phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt của vật liệu khô và của nước mà còn phụ thuộc rất lớn vào các hang xốp của vật liệu. Có nhiều phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt của vật liệu nói chung và của vật liệu ẩm nói riêng. Có thể chia các phương pháp đó thành hai nhóm: nhóm ổn định và nhóm không ổn định. Trong đó phương pháp chế độ nhiệt điều hòa, phương pháp que thăm và phương pháp đạo hàm đều thuộc nhóm không ổn định.Về nguyên tắc, để xác định hệ số dẫn nhiệt phải xác định mật độ dòng nhiệt q và gradient của trường nhiệt độ.
Trong tính toán kỹ thuật, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm cũng được xác định theo quan hệ tuyến tính với độ ẩm bằng thực nghiệm. Ví dụ, đối với lúa mỳ và các loại ngũ cốc, hệ số dẫn nhiệt có thể tính theo công thức: λ = 0,07 + 0,0233.U (W/m.K) (2.8)
2.3.5.3. Hệ số dẫn nhiệt độ
Hệ số dẫn nhiệt độ a của vật liệu ẩm có thể xác định khi biết hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và khối lượng riêng của nó theo công thức định nghĩa: λ
a = C.ρ (m2/s) (2.9) 2.3.6. Độ ẩm cân bằng
Trong quá trình sấy, áp suất hơi trên bề mặt vật liệu pbm giảm dần cho đến khi pbm = pvl với pvl là áp suất hơi riêng phần của không khí ngay sát trên bề mặt vật liệu. Khi đó hệ đạt trạng thái cân bằng động, độ ẩm của vật liệu đạt độ ẩm cân bằng Ucb.
Độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy không những chỉ phụ thuộc vào trạng thái không khí ẩm (φ,t) mà còn phụ thuộc vào dạng liên kết ẩm và lực liên kết của nó với vật liệu khô. Nói cách khác, độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy còn phụ thuộc vào bản chất cơ lý của từng vật liệu.
2.3.7. Các dạng liên kết ẩm
Quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy phụ thuộc rất lơn vào dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu.Liên kết càng bền vững càng khó tách và ngược lại.
Có nhiều dạng liên kết giữa ẩm với vật liệu, do đó có nhiều các phân loại khác nhau.Theo A. Rebinder có ba dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu.
2.3.7.1. Liên kết hóa học
Liên kết hóa học có năng lượng liên kết rất lớn, với năng lượng nhiệt của quá trình sấy không đủ để tách loại ẩm này.Muốn tách được loại ẩm này phải nung ở nhiệt độ cao hoặc bằng các phản ứng hóa học.
2.3.7.2. Liên kết hóa lý
Liên kết hóa lý được phân ra liên kết hấp phụ và liên kết thẩm thấu.
- Ẩm liên kết hấp phụ là loại ẩm được giữ lại trên bề mặt và trong các mao quản của vật liệu bằng các lực hấp phụ Van der Waals.
- Ẩm liên kết thẩm thấu (còn gọi là ẩm trương) bị giữ lại trong mạng lưới tinh thể hay các lưới sàng thẩm thấu bằng các lực liên kết thẩm thấu.
Khi tách ẩm liên kết hấp phụ thì tiêu tốn năng lượng lớn hơn khi tách ẩm liên kết thẩm thấu.Như vậy năng lượng nhiệt của quá trình sấy có thể tách được ẩm liên kết hóa lý.
2.3.7.3. Liên kết cơ lý (dính)
Ẩm liên kết cơ lý là loại ẩm được giữ lại trên bề mặt vật liệu trong các mao quản bằng các lực kết dính với năng lượng liên kết rất bé. Do đó, với năng lượng của quá trình tách bằng cơ học như: ly tâm, ép, vắt có thể tách được một phần ẩm này. Còn với năng lượng nhiệt của quá trình sấy có thể tách được hoàn toàn.
Ngoài ra ẩm trong vật liệu sấy còn được phân ra ẩm tự do và ẩm liên kết.
- Ẩm tự do là do ẩm có tốc độ bay hơi bằng tốc độ bay hơi nước từ bề mặt tự do. Do đó khi trong vật liệu có ẩm liên kết tự do thì áp suất hơi riêng phần trên bề mặt vật liệu pvl bằng áp suát hơi bão hòa pbh trên bề mặt tự do.
- Ẩm liên kết thì ngược lại, có pvl< pbh.Năng lượng liên kết loại ẩm này với vật liệu tương đối lớn, với năng lượng nhiệt của quá trình sấy chỉ tách được một phần lượng ẩm này.
Một số tác giả mà đại diện là Ghingbua lại phân ẩm liên kết với vật liệu thành bốn dạng:
- Liên kết hấp phụ đơn phân tử: lớp đơn phân tử hơi ẩm bị háp phụ vào bề mặt và các lỗ mao quản của vật liệu, lực liên kết này rất lớn, lượng ẩm này nhỏ nhưng rất khó tách.
- Liên kết hấp phụ đa phân tử (còn gọi là hấp phụ hóa lý): lực liên kết của phần ẩm này cũng khá lớn. Khi sấy thường chỉ tách được phần ẩm này.
- Liên kết mao quản: phần ẩm này là do lực mao quản của mao quản nhỏ (bán kính mao quản r < 10-1 μm), lực liên kết của phần ẩm này không lớn lắm nên khi sấy có thể tách hết.
- Liên kết dính: phần ẩm này là do nước bám vào bề mặt vật liệu hoặc trong các mao quản lớn. Ẩm này được tạo thành khi nhúng ướt vật liệu, lực liên kết không đáng kể nên rất dễ tách.