Chương 1 LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SẤY 1.1 Vật liệu ẩm Vật liệu ẩm trong kỹ thuật sấy 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,…), giấy, vải sợi, gỗ, các loại huyền phù hoặc các lớp sơn trên bề mặt các chi tiết kim loại.1 Độ ẩm của vật liệu Các vật đem sấy đều là những vật ẩm có chứa một khối lượng chất lỏng đáng kể. Trong quá trình sấy, ẩm trong vật bay hơi, độ ẩm của nó giảm. Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó. Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tuyệt đối là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối.1) Gk Trong đó: + Gn - khối lượng ẩm chứa trong vật liệu [kg] + Gk - khối lượng vật khô tuyệt đối [kg] 2.
Độ ẩm toàn phần. Độ ẩm toàn phần là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật ẩm.2) G Trong đó: G - khối lượng vật ẩm: G = Gn + Gk [kg] Quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm toàn phần: w w0 = 100 [%]. Độ chứa ẩm Là tỷ số giữa lượng chứa ẩm trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Được tính theo công thức: SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 7 Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh Gn u= , [kg ẩm/kg vật khô] (1-4).
Gk Nếu độ chứa ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thể thì ta có quan hệ sau: wo = 100. Nồng độ ẩm Kí hiệu: N, [kg/m3 ]. Là khối lượng ẩm chứa trong 1m3 vật thể. V Trong đó: V- Thể tích vật, m3 Nếu gọi ρ k là khối lượng riêng của vật khô tuyệt đối thì từ (1-4) và (1-6) ta có: N = u.ρ k (1-7) Nếu giả thiết thể tích của vật không thay đổi trong quá trình sấy, tức là V = Vk.
Vk là thể tích của vật khô tuyệt đối, ta có: N = u.ρ 0 (1-8) Gk Trong đó: ρ 0 = là khối lượng của vật khô tuyệt đối. Độ ẩm cân bằng Là độ ẩm của vật khi ở trạng thái cân bằng với môi trường xung quanh vật đó. Khi đó độ chứa ẩm trong vật là đồng đều và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật ẩm bằng phân áp suất hơi nước có trong môi trường tác nhân sấy. Kí hiệu: Wcb, ucb.
Trong kỹ thuật sấy, độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn, nó dùng để xác định giới hạn quá trình sấy và độ ẩm cuối cùng trong quá trình sấy của mỗi loại vật liệu trong những điều kiện môi trường khác nhau. SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 8 Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh 1. Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu Khi nghiên cứu quá trình sấy cần phải xác định các dạng tồn tại và các hình thức liên kết giữa ẩm với vật khô. Vật ẩm thường là tập hợp của 3 pha: rắn, lỏng và hơi.
Các vật rắn đem sấy thường là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn. Trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô và ẩm lỏng. Diễn biến quá trình sấy các vật ẩm sẽ bị chi phối bởi các dạng liên kết ẩm trong vật. Có nhiều cách phân loại các dạng liên kết ẩm trong đó cách phân loại của P.
Rôbinde được sử dụng rộng rãi hơn vì nó nêu được bản chất hình thành các dạng liên kết ẩm trong vật liệu. Theo cách này, tất cả các dạng liên kết ẩm được chia thành 3 nhóm chính là: liên kết hoá học, liên kết hoá lý và liên kết cơ lý. Liên kết hoá học Thể hiện dưới dạng liên kết ion hay liên kết phân tử. Lượng ẩm trong liên kết hoá học chiếm tỉ lệ nhất định.
Liên kết ion được hình thành bởi những phản ứng hoá học rất bền vững. Muốn phá vỡ các liên kết này phải dùng các phản ứng hoá học hoặc nung đến nhiệt độ rất cao. Còn liên kết phân tử ta có thể quan sát qua quá trình kết tủa của các dung dịch. Vật liệu khi bị tách ẩm liên kết hoá học thì tính chất của nó thay đổi.
Nói chung trong quá trình sấy (nhiệt độ từ 120÷150 oC) không tách được ẩm liên kết hoá học, quá trình sấy yêu cầu giữ nguyên các tính chất hoá lý của vật. Liên kết hoá lý Thể hiện dưới dạng liên kết hấp thụ và liên kết thẩm thấu. Lượng ẩm trong liên kết hoá lý không theo tỉ lệ nhất định nào. + Liên kết hấp thụ: Trong các vật ẩm ta gặp những vật keo.
Vật keo có cấu tạo dạng hạt. Bán kính tương đương của hạt từ 0,001÷0,1µm. Do cấu tạo hạt nên vật keo có bề mặt bên trong rất lớn, vì vậy nó có năng lượng bề mặt tự do đáng kể. Khi tiếp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với nước, ẩm sẽ xâm nhập vào vật theo các bề mặt tự do này tạo thành liên kết hấp thụ giữa nước và bề mặt.
+ Liên kết thẩm thấu: SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 9 Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh Liên kết thẩm thấu là liên kết hoá lý giữa nước và vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hòa tan ở trong và ngoài tế bào, tức là có sự chênh lệch áp suất hơi nước. Quá trình thẩm thấu không kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt và không làm cho vật biến dạng. Về bản chất, ẩm thẩm thấu trong các tế bào không khác với bình thường và không chứa các chất hòa tan vì các chất hoà tan sẽ không thể khuếch tán vào trong tế bào cùng với nước. Liên kết cơ lý Đây là mối liên kết giữa vật và nước với tỉ lệ không hạn định, được hình thành do sức căng bề mặt của nước trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật.
Liên kết cơ học được chia làm ba dạng: liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính ướt. + Liên kết cấu trúc: Được hình thành trong quá trình hình thành vật (ví dụ như quá trình đông đặc. Để tách nước trong trường hợp này có thể dùng phương pháp nén ép, làm cho nước bay hơi hoặc phá vỡ cấu trúc của vật. Sau khi tách nước, vật bị biến dạng nhiều, có thể thay đổi tính chất, thậm chí có thể thay đổi cả trạng thái pha.
+ Liên kết mao dẫn: Nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản, ví dụ như gỗ, vải. Trong các vật thể này có vô số các mao quản. Các vật thể này khi để trong không khí, nước sẽ theo các mao quản xâm nhập vào vật thể. Khi vật thể này đặt trong môi trường không khí ẩm thì hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao dẫn và theo các mao quản xâm nhập vào vật thể.
Tách ẩm liên kết mao dẫn bằng phương pháp làm cho ẩm bay hơi hoặc đẩy ẩm ra bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn. Vật sau khi tách ẩm mao dẫn nói chung vẫn giữ được kích thước, hình dáng và các tính chất hoá lý. + Liên kết dính ướt: Được hình thành do nước bám dính vào bề mặt vật với góc dính ướt <90oC và dính ướt nhờ vào sức căng bề mặt. Ẩm liên kết dính ướt được tách khỏi vật dễ dàng bằng phương pháp bay hơi, đồng thời cũng có thể tách ra bằng các phương pháp cơ học như: lau, thấm, thổi, vắt ly tâm.
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 10 Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh 1.2 Quá trình đốt nóng và làm lạnh 1.1 Quá trình đốt nóng và đốt nóng tăng ẩm 1) Quá trình đốt nóng không tăng ẩm Qúa trình này xảy ra 1 t1 0 nhờ thiết bị trao đổi I, kJ/kg kkk n nhiệt (calorife) trong hệ tn thống sấy. Giả sử không B N khí tại điểm A(t0, ϕ 0 ) t0 được đốt nóng không tăng ẩm đến điểm B(t1, ϕ1 ). Đặc trưng của A quá trình đốt nóng là nhiệt độ tăng nhưng lượng chứa ẩm d không d0 dn d kg/kg kkk đổi. 2) Quá trình đốt nóng tăng ẩm Quá trình đốt nóng tăng ẩm thường được sử dụng trong kỹ thuật xử lý không khí bằng cách phun nước hoặc hơi nước có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ không khí vào không khí.
Chẳng hạn, không khí ở trạng thái A(t0, ϕ 0 ) cần đốt nóng tăng ẩm đến trạng thái N(tn, ϕ n ) (tn>t0; ϕ n > ϕ 0 ) thì quá trình đó được biểu diển trên đồ thị theo đường AN, trong đó N là giao điểm của 2 đường t = tn = const và ϕ = ϕ n = const.2 Quà trình làm lạnh và làm lạnh - khử ẩm Quá trình làm lạnh ngược với quá trình đốt nóng. Trong quá trình này nhiệt độ giảm và độ ẩm tương đối tăng lên. 1) Quá trình làm lạnh đẳng entanpi Quá trình này xẩy ra khi phun nước có cùng nhiệt độ với không khí vào không khí. Chẳng hạn không khí tại điểm A được làm lạnh đẳng entanpi đến nhiệt độ t1 nào đó thì điểm cuối của quá trình làm lạnh B1’ là điểm cắt nhau giữa đường I = I0 = SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 11 Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh const và đường t = t1 = const.
Nếu muốn khử ẩm I, kJ/kg kkk theo quá trình làm lạnh =100% 0 đẳng entanpi thì không t0 khí ở điểm B1’ phải t1 A được tiếp tục làm lạnh B 1' t s1 đến trạng thái bảo hoà B 2'' B2” có nhiệt độ đọng sương tS1. Điểm B2” B 3' chính là giao điểm của d, kg/kg kkk đường I = I0 = const và đường ϕ = 100%. Nếu không khí tại điểm B2” tiếp tục được làm lạnh thì quá trình khử ẩm bắt đầu và sẽ diễn ra dọc theo đường ϕ = 100% về phía d giảm. 2) Quá trình làm lạnh đẳng ẩm Quá trình này xẩy ra khi không khí ẩm ở một trạng thái nào đó bị mất nhiệt do trao đổi nhiệt với môi trường.
Do đó lượng chứa ẩm của nó không đổi. Không khí tại điểm A được làm lạnh theo quá trình d = const đến nhiệt độ đọng sương tS2 thì điểm đọng sương B3’ sẽ là giao điểm của đường d = do = const và đường ϕ =100%. Tương tự nếu không khí ở điểm B3’ tiếp tục được làm lạnh thì quá trình khử ẩm sẽ bắt đầu và được thực hiện dọc theo đường ϕ = 100% về phía d giảm.3 Các phương pháp sấy Sấy là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật.