CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Cơ sở khoa học 1. Vật liệu ẩm 1. Định nghĩa Vật liệu ẩm trong kỹ thuật sấy phải là các vật có khả năng chứa nước hoặc hơi nước trong quá trình hình thành hoặc gia công bản thân các vật liệu như các loại nông sản (lúa, ngô, đậu, v.v…), giấy, vải sợi, gỗ, các loại huyền phù hoặc các lớp sơn trên bề mặt các chi tiết kim loại, v.
Các thông số đặc trưng cơ bản Độ ẩm tương đối Là số phần trăm khối lượng nước (rắn, lỏng, hơi) trong 1 kilogram vật liệu ẩm, được tính theo công thức sau: Ga Ga ω = G .100 % a k Trong đó: Ga (kg): khối lượng nước (khối lượng ẩm) Gk (kg): khối lượng vật liệu khô G (kg): khối lượng vật liệu ẩm - 0% ≤ ω < 100%. - ω = 0% : vật khô tuyệt đối. Trang 2 Độ ẩm tuyệt đối Là số phần trăm khối lượng nước (rắn, lỏng, hơi) trong 1 kilogram vật liệu khô, được tính theo công thức sau: Ga ωk = G .100 % k Khác với độ ẩm tương đối, vì khối lượng ẩm trong vật liệu (Ga ) có thể lớn hơn khối lượng vật liệu khô (Gk) nên độ ẩm tuyệt đối (ωk) có thể lớn hơn 100%. Độ chứa ẩm Là khối lượng ẩm chứa trong 1 kilogram vật liệu khô, được tính theo công thức sau: Ga u = G (kg/kg vật liệu khô) k Do độ ẩm tuyệt đối tính bằng % nên: ω u = 100k Nồng độ ẩm Là khối lượng ẩm chứa trong 1 m3 vật liệu ẩm, được tính theo công thức sau: G N = Va (kg/m3) Độ ẩm cân bằng Khi để một vật liệu ẩm trong môi trường không khí ẩm thì có thể xảy ra hai trường hợp: Trang 3 - Vật bị sấy khô, độ ẩm sẽ giảm cho đến khi cân bằng với môi trường.
Trong trường hợp này ω > ωcb. - Vật hút ẩm, độ ẩm sẽ tăng cho đến khi cân bằng với môi trường. Trong trường hợp này ω < ωcb. Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm Phụ thuộc vào độ ẩm và bản chất của vật, được tính theo công thức sau: Ca - Ck Cva = C k +.
ω (kJ/kgK) 100 Trong đó: ω: độ ẩm tương đối Ck (kJ/kgK): nhiệt dung riêng của vật liệu khô Ca (kJ/kgK): nhiệt dung riêng của ẩm 1. Phân loại vật liệu ẩm Vật liệu ẩm có cấu trúc xốp, mao dẫn. Dựa vào đặc điểm này ta có thể chia vật liệu ẩm thành ba nhóm chính: - Vật keo: Là vật xốp, nhưng có tính dẻo do có cấu trúc hạt. Khi hút ẩm thì các hang keo giãn ra, khi bị khử ẩm thì co lại, vì vậy vật keo có tính đàn hồi.
Keo động vật là một vật keo điển hình. - Vật xốp mao dẫn: Trái ngược với vật keo, các hang xốp thay đổi kích thước rất ít dù vật hút ẩm hay khử ẩm. Đặc điểm của những vật xốp mao dẫn sau khi sấy thì nó trở nên dòn và có thể bị vỡ vụn thành bột. Than gỗ là vật xốp mao dẫn đặc trưng.
- Vật keo xốp mao dẫn: Trang 4 Là vật liệu vừa có tính keo vừa có tính mao dẫn. Đa số các vật liệu ẩm đều thuộc loại này (gỗ, vải, giấy, nông sản, v. Nhiệm vụ Tác nhân sấy có các nhiệm vụ sau: - Gia nhiệt cho vậy sấy. - Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường.
- Bảo vệ vật sấy khỏi bị hỏng do quá nhiệt. Tùy theo phương pháp sấy mà tác nhân sấy có thể một, hai hoặc cả ba nhiệm vụ trên. Các loại tác nhân sấy Không khí ẩm Là tác nhân sấy được sử dụng phổ biến nhất do có ưu điểm là có sẵn với số lượng rất lớn trong tự nhiên và không gây độc hại đến sản phẩm. Khói lò Ưu điểm: không cần sử dụng calorife để gia nhiệt lên, phạm vi nhiệt độ rộng.
Nhược điểm: chứa bụi và các chất độc hại như CO 2, SO2 có thể gây ô nhiễm sản phẩm. Hỗn hợp không khí và hơi nước Dùng trong trường hợp cần có độ ẩm tương đối cao. Hơi quá nhiệt Dùng trong trường hợp nhiệt độ cao và sản phẩm sấy là chất dễ cháy, nổ. Quá trình sấy 1.
Định nghĩa Quá trình sấy là quá trình chất lỏng hoặc hơi của nó mà chủ yếu là nước và hơi nước nhận được năng lượng để dịch chuyển từ trong lòng vật ra bề mặt và nhờ tác nhân mang thải vào môi trường. Mục đích công nghệ Bảo quản: quá trình sấy làm làm giảm độ ẩm, giảm giá trị hoạt độ của nước trong nguyên liệu nên ức chế vi sinh vật và một số enzyme, kéo dài thời gian bảo quản của sản phẩn. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy Các yếu tố liên quan đến điều kiện sấy - Nhiệt độ tác nhân sấy: trong phương pháp sấy đối lưu, nhiệt độ tác nhân sấy càng cao thì tốc độ truyền nhiệt sẽ càng nhanh, dẫn đến tốc độ sấy cũng sẽ tăng theo, thời gian sấy giảm. Nhưng nếu nhiệt độ tác nhân sấy quá cao có thể dẫn đến những biến đổi mạnh mẽ các tính chất vật lý hay hóa học của nguyên liệu, có thể ảnh hưởng xấu đến chất lượng của sản phẩm.
- Độ ẩm tương đối của tác nhân sấy: ảnh hưởng quyết định đến độ ẩm của sản phẩm sau quá trình sấy. Độ ẩm tương đối của tác nhân sấy càng thấp thì khả năng bay hơi ẩm của nguyên liệu càng cao. - Tốc độ tác nhân sấy: trong phương pháp sấy đối lưu, khi gia tăng tốc độ của tác nhân sấy sẽ giúp cho tốc độ truyền khối được tăng lên, khả năng bay hơi nước của nguyên liệu sẽ nhanh hơn giúp rút ngắn thời gian sấy. Trang 6 - Áp lực: áp lực trong buồng sấy sẽ ảnh hưởng đến trạng thái của nước trong nguyên liệu cần sấy.
Các yếu tố liên quan đến nguyên liệu sấy - Diện tích bề mặt của nguyên liệu: diện tích bề mặt càng lớn thì khoảng cách và thời gian để phân tử nước bên trong nguyên liệu khuếch tán đến bề mặt biên sẽ càng ngắn, giúp rút ngắn thời gian sấy. - Cấu trúc của nguyên liệu: phần ẩm bên ngoài tế bào rất dễ bay hơi trong quá trình sấy. Ngược lại phần ẩm bên trong tế bào sẽ rất khó tách. Việc phá hủy cấu trúc tế bào sẽ giúp nước trong nội bào được tách ra dễ hơn, tuy nhiên điều này sẽ ảnh hưởng xấu đến chất lượng của sản phẩm.
- Thành phần hóa học của nguyên liệu: các thành phần trong nguyên liệu sẽ quyết định khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của nguyên liệu, những tính chất này sẽ ảnh hưởng đến tốc độ và thời gian sấy. Động lực Khi tác nhân sấy tiếp xúc với vật liệu ẩm thì ẩm sẽ thoát ra dưới tác dụng của 3 lực tác động: - Chênh lệch nồng độ ẩm trên bề mặt của vật liệu sấy và tác nhân sấy. - Chênh lệch nhiệt độ giữa ẩm thoát ra và tác nhân sấy sinh ra lực khuếch tán nhiệt. - Chênh lệch phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu ẩm và tác nhân sấy.
Phân loại phương pháp sấy Thường phân loại dựa vào trạng thái của tác nhân sấy hay cách tạo ra động lực của quá trình dịch chuyển ẩm. Theo cách phân loại này thì sẽ có hai phương pháp sấy: phương pháp sấy nóng và phương pháp sấy lạnh. Phương pháp sấy nóng Trang 7 Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu sấy sẽ được đốt nóng. Động lực của phương pháp này là sự chênh lệch phân áp suất hơi nước trên bề mặt tác nhân sấy và vật liệu ẩm.
Có hai cách để tạo ra sự chênh lệch này: - Đốt nóng tác nhân sấy: làm cho độ ẩm tương đối giảm, dẫn đến làm giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy. - Nhiệt độ của vật liệu sấy tăng: làm mật độ hơi trong các mao quản tăng, dẫn đến làm tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt của vật liệu. Vì vậy, các hệ thống sấy (HTS) nóng thường được phân loại theo phương pháp cung cấp nhiệt: - Hệ thống sấy đối lưu: là hệ thống sấy phổ biến nhất, dùng cả hai cách trên để tạo sự chênh lệch phân áp suất hơi nước. Vật liệu sấy nhận nhiệt đối lưu từ tác nhân sấy là không khí nóng hoặc khói lò.
Hệ thống sấy đối lưu còn được phân loại ra: HTS hầm, HTS buồng, HTS thùng quay, HTS tháp, HTS khí động, v.v… - Hệ thống sấy tiếp xúc: vật liệu sấy nhận nhiệt từ việc tiếp xúc với bề mặt nóng. Các loại thường gặp: HTS lô, HTS tang, v.v… - Hệ thống sấy bức xạ: vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ. - Các hệ thống sấy khác: ngoài các HTS nói trên còn có HTS dùng dòng điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường để đốt nóng vật liệu sấy. Khi vật liệu sấy được đặt trong một trường điện từ thì vật sẽ bị đốt nóng bởi những dòng điện xuất hiện trong chính nó.
Phương pháp sấy lạnh Động lực của phương pháp sấy lạnh cũng là tạo ra sự chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy bằng cách giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm. Có các loại HTS lạnh sau: - Hệ thống sấy lạnh ở to > 0: động lực của quá trình sấy tương tự như các hệ thống sấy nóng. Điểm khác nhau là cách làm giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy. Do Trang 8 HTS lạnh có nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường, nên thay vì đốt nóng đến nhiệt độ cao thì người ta sẽ làm giảm lượng chứa ẩm.
- Hệ thống sấy thăng hoa: làm lạnh nhiệt độ của vật liệu sấy xuống dưới 0 oC (T < 273K) và áp suất bao quanh vật p < 610 Pa, khi đó nếu vật nhận được nhiệt lượng, ẩm trong vật liệu sấy ở dạng rắn, trực tiếp biến thành hơi đi vào tác nhân sấy. - Hệ thống sấy chân không: nếu nhiệt độ vật liệu sấy nhỏ hơn 273K nhưng p > 610 Pa thì nước ở thể rắn phải chuyển sang lỏng rồi mới hóa hơi chứ không trực tiếp chuyển từ rắn thành hơi như ở HTS thăng hoa. Do yêu cầu kỹ thuật phức tạp và tốn kém, hiệu quả kinh tế không cao nên các HTS lạnh rất ít phổ biến, chủ yếu chỉ dùng để sấy những vật liệu sấy quý hiếm không chịu được nhiệt độ cao. Lựa chọn hệ thống sấy Trong phạm bài báo cáo này thì sẽ sử dụng HTS đối lưu, trong đó còn được phân loại ra: - Hệ thống sấy buồng (HTSB): Cấu tạo chủ yếu của HTSB là buồng sấy.