(Tiểu luận) đề tài tính toán, thiết kế hệ thống lạnh sấy hồng ngoại sản phẩm bánh tráng, năng suất 400 kg sản phẩm mẻ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.58 MB, 97 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM
Đồ án : Mơn các q trình thiết bị trong CNTP
Đề tài:
Tính tốn, thiết kế hệ thống lạnh sấy hồng
ngoại sản phẩm bánh tráng, năng suất 400
kg sản phẩm/ mẻ
GVHD: TS. Nguyễn Tấn Dũng
SVTH: Nguyễn Thị Thùy Quyên
MSSV: 14116130
TPHCM, ngày 15/12/2017
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
1. Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thị Thùy Quyên
MSSV: 14116130
2. Ngành: Công nghệ thực phẩm
3. Tên đồ án: Tính tốn, thiết kế hệ thống sấy lạnh sấy hồng ngoại sản phẩm bánh
tráng với năng suất 400 kg/mẻ.
4. Nhiệm vụ đồ án:
Tổng quan về quá trình sấy
Phương pháp nghiên cứu và tính tốn
Tính tốn và thiết kế hệ thống lạnh sấy hồng ngoại sản phẩm bánh tráng năng suất
600kg/mẻ
5. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 10/2017
6. Ngày hoàn thành đồ án: 15/12/2017
7. Họ và tên người hướng dẫn: TS. Nguyễn Tấn Dũng
Phần hướng dẫn: Toàn bộ đồ án
Tp. Hồ Chí Minh, ngày , tháng , năm 2017
Trưởng bộ môn
Người hướng dẫn
(ký và ghi rõ họ tên)
(ký và ghi rõ họ tên)
I
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………
Giảng viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)
II
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
NHẬN XÉT PHẢN BIỆN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………
………………………………………………………………………………….
Cán bộ phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)
III
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
LỜI CẢM ƠN
Trong q trình thực hiện đồ án mơn với đề tài “Tính tốn và thiết kế hệ thống lạnh
sấy hồng ngoại sản phẩm bánh tráng với năng suất 400kg/mẻ”, em xin gửi lời cảm ơn đến
gia đình, thầy cơ và bạn bè đã giúp đỡ em.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình đã động viên và ủng hộ em trên con
đường thực hiện để đi đến thành công.
Em xin cảm ơn thầy cô, đặc biệt là thầy Nguyễn Tấn Dũng – người đã tận tình giúp
đỡ, hướng dẫn tận tình em khi gặp những vấn đề khó khăn khi thực hiện đồ án của mình.
Em cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện cho em tham gia tìm hiểu các tài liệu học
tập liên quan đến q trình thực hiện cũng như hồn thành đồ án mơn học.
Bên cạnh đó em cảm ơn những người bạn đã luôn hỗ trợ, giúp đỡ em khi em gặp
vấn đề khó khăn.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2017
Sinh viên
Nguyễn Thị Thùy Quyên
IV
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................... iv
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU............................................................................................................................ 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..............................................................................................4
1. Sấy.................................................................................................................................. 4
1.1. Định nghĩa................................................................................................................4
1.2. Phân loại.................................................................................................................. 4
1.3. Cơ sở khoa học.........................................................................................................5
1.4. Động lực quá trình sấy..............................................................................................5
1.5. Cơ chế thoát ẩm ra khỏi vật liệu sấy........................................................................7
1.5.1. Quá trình khuếch tán ngoại................................................................................7
1.5.2. Quá trình khuếch tán nộh..................................................................................8
1.5.3. Mối quan hệ giữa quá trình khuếch tán ngoại và quá trình khuếch tán nội.........9
1.6. Các giai đoạn trong quá trình sấy...........................................................................9
1.6.1. Giai đoạn nung nóng vật liệu.............................................................................9
1.6.2. Giai đoạn sấy đẳng tốc.....................................................................................10
1.6.3. Giai đoạn sấy giảm tốc....................................................................................10
1.7. Vật liệu ẩm.............................................................................................................11
1.7.1. Các dạng liên kết và năng lượng liên kết ẩm....................................................11
1.7.2. Các phương pháp tách nước ra khỏi vật liệu ẩm...............................................11
1.8. Năng lượng của quá trình sấy.................................................................................12
V
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
1.9. Tác nhân của quá trình sấy.....................................................................................13
1.10. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy...............................................................14
2. Tình hình nghhên cứu về hệ thống lạnh sấy hồng ngoại...............................................15
2.1. Tình hình ngihên cứu trong nước về hệ thống lạnh sấy hồng ngoại........................15
2.2. Tình hình ngiên cứu ngồi nước về hệ thống lạnh sấy hồng ngoại.........................15
3. Nguyên liệu bánh tráng.................................................................................................15
4. Hệ thống lạnh sấy hồng ngoại.......................................................................................17
4.1. Công nghệ sấy hồng ngoại......................................................................................17
4.2. Công nghệ sấy lạnh.................................................................................................19
4.3. Cấu tạo của hệ thống lạnh sấy hồng ngoại..............................................................20
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHHÊN CỨU VÀ TÍNH TỐN................................22
1. Quy hoạch mặt bằng xây dựng nhà xưởng và lắp đặt hệ thống lạnh sấy hồng ngoại....22
2. Đối tượng nghiên cứu và tính tốn................................................................................23
3. Sơ đồ nghiên cứu và tính tốn.......................................................................................24
4. Phương pháp tính tốn và thhết kế................................................................................25
4.1.Tính tốn cân bằng vật chất và năng lượng.............................................................25
4.3.Tính tốn hệ thống bơm nhiệt..................................................................................25
4.4.Tính tốn các thiết bị phụ: quạt, máy nén, van tiết lưu, đèn hồng ngoại..................25
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THHẾT KẾ HỆ THỐNG LẠNH SẤY HỒNG NGOẠI 26
1. Sơ đồ thiết bị................................................................................................................. 26
2. Các thơng số ban đầu cần thiết cho tính tốn................................................................27
3. Tính cân bằng vật chất..................................................................................................27
3.1. Tính tốn q trình sấy lý thuyết............................................................................28
VI
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
3.2. Xác định lưu lượng khơng khí trong q trình sấy.................................................33
3.3. Tính tốn nhiệt trong q trình sấy lý thuyết..........................................................34
3.2.1. Thể tích chứa sản phẩm....................................................................................34
3.2.2. Thể tích buồng sấy cần thiết kế chế tạo............................................................35
3.2.3. Kích thước của buồng sấy cần thhết kế chế tạo................................................36
3.2.4. Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế..........................................................37
3.2.4.1. Năng lượng do VLS mang vào......................................................................38
3.2.4.2. Năng lượng tổn thất ra môi trường qua kết cấu bao che................................39
3.2.4.3. Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi...........................................................43
3.2.4.4. Năng lượng do khơng khí ra mang đi............................................................43
3.2.4.5. Năng lượng cần thiết để tách hơi ẩm.............................................................43
3.2.4.6. Tổng năng lượng ra khỏi hệ thống sấy.........................................................43
4. Tính tốn thiết kế và lựa chọn thhết bị phụ trợ..............................................................45
4.1. Các thông số nhiệt của môi chất lạnh.....................................................................45
4.1.1.Nhiệt độ ngưng tụ..............................................................................................45
4.1.2.Nhhệt độ bay hơi...............................................................................................46
4.1.3. Nhiệt độ hơi hút................................................................................................46
4.2. Tính tốn chu trình bơm nhhệt................................................................................46
4.2.1. Chọn chu trình..................................................................................................46
4.2.2. Năng suất lạnh của máy nén.............................................................................49
4.2.3. Xác định lưu lượng mơi chất lạnh tuần hồn qua hệ thống..............................49
4.2.4. Năng suất hút của máy nén...............................................................................50
4.2.5. Thể tích hút lý thuyết của máy nén...................................................................51
VII
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
4.2.6. Công suất nén đoạn nhiệt.................................................................................51
4.2.7. Công nén chỉ thị của máy nén..........................................................................51
4.2.8. Cơng suất ma sát..............................................................................................52
4.2.9. Cơng nén hữu ích của máy nén........................................................................52
4.2.10. Công suất tiếp điện trên động cơ....................................................................52
4.2.11. Công suất động cơ cần lắp đặt cho hệ thống lạnh...........................................53
4.3. Tính tốn thiết kế thiết bị ngưng tụ.........................................................................53
4.4. Tính tốn thiết kế thiết bị bay hơi...........................................................................61
4.4.1. Tính nhiệt tải cho thiết bị bay hơi.....................................................................61
4.4.2. Tính tốn thiết kế thiết bị bay hơi.....................................................................61
4.5. Tính tốn thiết kế thiết bị hồi nhiệt.........................................................................69
4.5.1. Các thơng số cần thiết cho tính tốn thiết kế....................................................69
4.5.2. Tính tốn thiết kế bình hồi nhiệt.......................................................................70
4.6. Tính tốn chọn van tiết lưu.....................................................................................75
4.7. Tính tốn chọn đường ống......................................................................................76
4.7.1. Tính đường ống hút..........................................................................................76
4.7.2. Tính đường ống đẩy.........................................................................................76
4.7.3. Tính đường kính ống dẫn TNS.........................................................................77
4.8. Tính tốn chọn đèn hồng ngoại...............................................................................77
4.9. Tính tốn trở lực và chọn quạt................................................................................78
4.9.1. Tính tổng trở lực...............................................................................................78
4.9.2. Cơng suất của quạt gió được xác định theo cơng thức......................................79
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 80
VIII
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................81
IX
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
Danh mục hình
Hình 1. Sơ đồ sấy bằng khơng khí....................................................................................13
Hình 2. Thiết bị sấy bằng tia bức xạ hồng ngoại...............................................................17
Hình 3. Sơ đồ hệ thống sấy lạnh.......................................................................................20
Hình 4. Sơ đồ thiết bị hệ thống sấy lạnh sấy hồng ngoại..................................................26
Hình 5. Đồ thị h-d quá trình sấy thực tế............................................................................37
Hình 6. Sơ đồ nguyên lý làm vhệc của máy nén...............................................................47
Hình 7.Chu trình máy nén một cấp có thiết bị hồi nhiệt....................................................48
X
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
Danh mục bảng
Bảng 1. Bảng thơng số trạng thái khơng khí trong q trình sấy......................................33
Bảng 2. Các thơng số trạng thái của môi chất lạnh R22....................................................48
Bảng 3. Các tổn thất cục bộ..............................................................................................79
XI
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
LỜI NĨI ĐẦU
Ở Việt Nam,các sản phẩm nơng sản chhếm thành phần xuất nhập khẩu khá lớn. Tuy
nhiên các sản phẩm nông sản rất dễ hư do sự xâm nhập của các vi sinh vật, điều kiện môi
trường (độ ẩm, nhiệt độ, thời gian). Vì vậy việc đặt ra vấn đề nhằm bảo quản sản phẩm
đạt chất lượng theo các chỉ tiêu được quy định, các vấn đề về khoa học kỹ thuật là một
vấn đề cấp thiết.
Hiện nay, sự phát triển về khoa học kỹ thuật kéo theo sự phát triển về ngành công
nghệ thực thực phẩm ngày càng phát triển theo. Các sản phẩm mới luôn được tạo ra, các
vấn dề đã khơng khó ghải quyết trong q trình sản xuất cũng như baỏ quản. Sấy với mục
đích làm khô sản phẩm nhằm hạn chế sự phát triển của vi sinh vật giúp kéo dài thời gian
bảo quản thực phẩm.
Trong quá trình sản xuất bánh tráng thì quá trình sấy ảnh hưởng rất nhhều đến chất
lượng của sản phẩm. Bánh tráng là loại sản phẩm khá mỏng nên khi sấy cần phải đảm bảo
các chỉ tiêu về chất lượng. Nên việc tìm ra một chế độ sấy tối ưu nhất cho sản phẩm bánh
tráng luôn được quan tâm và sấy hồng ngoại là một phương thức được biết là tối ưu nhất.
1
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Tính tốn và thiết kế hệ thống lạnh sấy hồng ngoại sản phẩm bánh tráng, năng suất
400kg sản phẩm/mẻ.
2. Mục tiêu đồ án
Nghiên cứu mơ hình và tối ưu hóa q trình sấy bánh tráng với hệ thống lạnh sấy
hồng ngoại nhằm tìm kiếm cách thức cũng như chế độ sấy thích hợp nhằm tạo ra sản
phẩm chất lượng cao, chi phí thấp nhất và thời gian bảo quản dài, thời gian sấy ngắn,
năng suất sấy đạt tốt nhất.
3. Nội dung đồ án
Để thực hiện mục tiêu đã đặt ra thì nội dung của đồ án phải gồm:
- Tìm hiểu về đặc tính của ngun liệu để hạn chế các biến đổi có thể xảy ra trong q
trình sấy.
- Các yếu tố cơng nghệ của hệ thống lạnh sấy hồng ngoại.
- Mơ hình hóa về hệ thống lạnh sấy hồng ngoại và nhà xưởng lắp đặt hệ thống sấy.
- Tính tốn và thhết kế hệ thống lạnh sấy hồng ngoại.
- Tối ưu hóa cơng nghệ sấy hồng ngoại trong sấy bánh tráng.
4. Ghới hạn nghiên cứu của đồ án
Tính tốn và thiết kế hệ thống lạnh sấy hồng ngoại sản phẩm bánh tráng trong quá
tình sản xuất và ứng dụng trong thực tế.
5. Ý nghĩa khoa học
2
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
Nghiên cứu đã tạo ra được mơ hình thiết kế hệ thống lạnh sấy hồng ngoại cho sản
phẩm bánh tráng làm cơ sở cho quá trình sấy hồng ngoại sản phẩm bánh tráng trong quá
trình sản xuất trong Việt Nam.
6. Ý nghĩa thực thễn
Kết quả đồ án sẽ làm cơ sở để xác định chế độ sấy, các yếu tố ảnh hưởng đến quá
trình sấy bánh tráng trong quá trình sản xuất, bảo quản.
3
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1. Sấy
1.1. Định nghĩa
Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu bằng nhiệt, làm giảm hàm ẩm
trong vật liệu, giảm khối lượng của vật liệu, tăng độ bền và bảo quản được tốt. Nhiệt được
cung cấp cho vật liệu ẩm bằng dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc bằng năng lượng điện
trường có tần số cao (Vũ Bá Minh, 2004).
Trong quá trình sấy nước được cho bay hơi ở nhiệt độ bất kỳ do sự khuếch tán bởi
sự chênh lệch độ ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu và bởi sự chênh lệch áp suất hơi riêng
phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường chung quanh. Đây là một q trình nối
tiếp, vận tốc của tồn bộ q trình được quy định bởi giai đoạn nào chậm nhất (Vũ Bá
Minh, 2004; Nguyễn Bin, 2008).
Sấy là một q trình khơng ổn định, độ ẩm của vật liệu thay đổi theo không gian và
thời gian (Nguyễn Bin, 2008).
1.2. Phân loại
Dựa vào phương pháp truyền nhiệt, trong kỹ thuật sấy cũng được chia ra:
Sấy bằng tia bức xạ
Năng lượng do tia bức xạ hồng ngoại (bước sóng 8-10
phát ra. Tác nhân sấy
thường là sấy hồng ngoại, sấy vi sóng hoặc sấy bằng dịng điện cao tần. Khi sử dụng tia
hồng ngoại có thể truyền cho vật liệu một lượng nhiệt lớn và đạt được tốc độ bay hơi ẩm
cao. Sấy bằng tia bức xạ có ưu điểm là sấy các vật liệu mỏng nhanh, thiết bị gọn, dễ điều
chỉnh nhhệt độ, tổn thất nhiệt ít. Tuy nhiên tiêu tốn nhiều năng lượng, vật liệu đốt nóng
khơng đều (Vũ Bá Minh, 2004; Nguyễn Bin, 2008).
Sấy thăng hoa
4
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
Là phương pháp sấy trong mơi trường có độ chân khơng rất cao, nhhệt độ rất thấp
nên ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ trạng thái rắn thành hơi không qua
trạng thái lỏng. Vật liệu được sấy ở trạng thái đóng rắn tại độ chân khơng cao 0.11.0mmHg, áp suất có thể tiến hành sấy ở nhiệt độ dưới 0 0C. Sản phẩm thu được có chất
lượng cao, khi sấy vật liệu không bị biến chất, khơng xảy ra các q trình vi sinh vật, bảo
vệ nguyên vẹn các vitamin trong thực phẩm. Tuy nhhên phương pháp này còn phức tạp và
đắt (Vũ Bá Minh, 2004; Nguyễn Bin, 2008).
Sấy đối lưu: là phương pháp sấy cho tiếp xúc vật liệu sấy với khơng khí nóng,
khói lị… (Nguyễn Bin, 2008).
Sấy tiếp xúc
Là phương pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy, mà
tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một vách ngăn. Có hai phương
pháp sấy tiếp xúc: sấy rang nóng (thường được sử dụng trong sản xuất tinh bột) và sấy
lạnh (sấy ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ thường hoặc kết hợp tần số) (Vũ Bá Minh, 2004;
Nguyễn Bin, 2008).
1.3. Cơ sở khoa học
Sấy là quá trình sử dụng nhiệt để tách nước ra khỏi mẫu nguyên liệu. Trong quá
trình sấy nước được tách ra khỏi nguyên liệu theo nguyên tắc bốc hơi (evaporation) hoặc
thăng hoa (sublimation). Chúng ta cần phân biệt sự khác nhau giữa sấy và cơ đặc. Trong
q trình sấy, mẫu ngun liệu thường ở dạng rắn, tuy nhiên mẫu nguyên liệu sấy cũng có
thể ở dạng lỏng hoặc huyền phù. Sản phẩm thu đươc sau q trình sấy ln ở dạng rắn
hoặc dạng bột.
1.4. Động lực quá trình sấy
Quá trình sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy để thải vào mơi trường. Ẩm
có mặt trong vật liệu nhận được năng lượng theo một phương thức nào đó tách khỏi vật
liệu sấy và dịch chuyển từ trong lòng vật ra bề mặt, từ bề mặt vật ra môi trường xung
quanh. Nếu gọi pv, pbm tương ứng là phân áp suất của hơi nước trong lòng vật và trên bề
5
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
mặt thì động lực của quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng ra bề măt vật là L 1 tỉ lệ thuận
với hiệu số pv – pbm:
L1 ~ (pv – pbm)
Nếu phân áp suất hơi nước trong không gian xung quanh vật p h < pbm thì ẩm tiếp tục
dịch chuyển từ bề mặt vào môi trường xung quanh với động lực L 2. Động lực L2 tỉ lệ
thuận với độ chênh lệch
L2 ~ (pbm – ph)
Như vậy quá trình sấy được đặc trưng bởi quá trình dịch chuyển ẩm trong lòng vật
với động lực dịch chuyển L1 ~ (pv – pbm) và quá trình dịch chuyển ẩm từ bề mặt vật vào
môi trường xung quanh với động lực dịch chuyển L 2 ~ (pbm – ph). do đó, nếu gọi L là động
lực của quá trình sấy thì động lực này cũng tỉ lệ thuận với độ chênh pv – ph.
L ~ (pv – ph)
Khi vật được đốt nóng thì phân áp suất của hơi nước trong vật p v tăng lên. Nếu phân
áp suất của hơi trong môi trường xung quanh ph khơng đổi thì độ chênh pv – ph tăng lên,
do đó q trình sấy được tăng cường. Đây là cơ sở của các thiết bị sấy bức xạ, thiết bị sấy
dòng điện cao tần… Trong thiết bị sấy này, khơng khí xung quanh chỉ làm nhiệm vụ
mang ẩm thải vào môi trường. Trong các thiết bị sấy đối lưu như thhết bị sấy hầm, thhết
bị sấy buồng… do mơi trường xung quanh cũng được đốt nóng và từ đó vật liệu sấy cũng
được đốt nóng, tức là chúng đã đồng thời tăng p v và giảm ph nên quá trình sấy càng được
tăng cường.
Nếu vật liệu sấy khơng được đốt nóng, do đó p v khơng đổi nhưng chúng ta tìm cách
giảm phân áp suất hơi nước ph của mơh trường xung quanh thì q trình sấy vẫn xảy ra
với động lực pv – ph. Đây là cơ sở của các phương pháp sấy động lực, sấy chân không và
sấy thăng hoa.
6
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
1.5. Cơ chế thoát ẩm ra khỏi vật liệu sấy
Muốn làm khơ phải đặt ngun liệu trong mơi trường khơng khí để ẩm, nước dịch
chuyển vào mơi trường khơng khí, có sự chênh lệch vật chất (thế vật chất). Hoạt độ của
nước trong nguyên liệu phải đảm bảo dưới hoạt động của vi sinh vật hoạt động.
Khi làm khô xảy ra quá trình nước tách ra khỏi vật liệu: nước từ bề mặt nguyên
liệu dịch chuyển vào môi trường khô. Đậy là điều kiện tiên quyết để q trình làm khơ
xảy ra. Ngồi ra làm khơ phải có q trình dịch chuyển ẩm từ các lớp phía trong đi ra các
lớp bề mặt. Sự dịch chuyển ẩm từ trong ra ngoài hình thành khí ẩm và nước từ trung tâm
ngun liệu dịch chuyển ra bề mặt và lớp xung quanh đảm bảo độ ẩm ở lớp trung tâm
bằng các lớp xung quanh.
Q trình thốt ẩm ra khỏi vật liệu trong q trình sấy được chia làm 2 giai đoạn:
1.5.1. Quá trình khuếch tán ngoại
Là quá trình dịch chuyển ẩm từ lớp bề mặt của vật liệu sấy vào mơi trường khơng
khí xung quanh. Động lực của quá trình này là do chênh lệch áp suất hơi trên bề mặt của
vật ẩm và áp suất riêng phần hơi nước trong môi trường khơng khí.
Lượng nước bay hơi:
Hoặc
Trong đó :
(1.21)
Ps :Áp suất riêng phần hơi nước trên bề mặt
Ph: Áp suất riêng phần khơng khí
K: Hệ số bay hơi
F: Diện tích bề mặt bay hơi
: Gradient độ ẩm
7
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
Lượng bay hơi trên một đơn vị diện tích tỷ lệ thuận với gradient chênh lệch ẩm
giữa nguyên liệu và môi trường xung quanh.
Sự chênh lệch xảy ra: nước từ bề mặt dịch chuyển vào môi trường xung quanh làm
độ ẩm lớp khơng khí tăng lên, đồng thời làm lượng ẩm trên bề mặt VLS giảm đi.
Gradient độ ẩm giảm, quá trình bay hơi chậm lại. Nếu độ ẩm bề mặt cân bằng với
mơi trường khơng khí thì q trình ngừng bay hơi, nhưng độ ẩm của hai lớp khơng khí kế
tiếp chênh lệch nên độ ẩm của khơng khí thứ nhất khuếch tán sang lớp thứ hai và ẩm từ
trong vật liệu sấy khuếch tán sang lớp khơng khí thứ nhất.
Gradient độ ẩm phụ thuộc vào tính chất của mơi trường làm khô: nhiệt độ, áp suất,
sự luân chuyển của khơng khí, và phụ thuộc vào bề mặt ngun liệu: độ nhẵn, hình dạng,
kích thước bề mặt.
1.5.2. Q trình khuếch tán nội
Là quá trình dịch chuyển ẩm từ lớp bên trong ra lớp bề mặt của vật ẩm. Động lực
của quá trình này là do chênh lệch nồng độ ẩm giữa các lớp bên trong và các lớp bề mặt,
ngoài ra q trình khuếch tán nội cịn xảy ra do chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp bên
trong và các lớp bề mặt.
(1.22)
Trong đó : D: Hệ số khuếch tán nội
F: Diện tích khuếch tán
: Gradient độ ẩm
Hệ số khuếch tán nội (D) phụ thuộc chủ yếu và thành phần, tính chất nguyên liệu,
gián tiếp phụ thuộc vào yếu tố môi trường.
Qua nghiên cứu ta thấy rằng ẩm dịch chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có
nhiệt độ thấp. Vì vậy, tùy theo phương pháp sấy và thhết bị sấy mà dòng ẩm dịch chuyển
8
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
dưới tác dụng của nồng độ ẩm và dòng ẩm dịch chuyển dưới tác dụng của nhiệt độ có thể
cùng chiều hoặc ngược chiều với nhau.
Nếu hai dòng ẩm dịch chuyển cùng chiều với nhau sẽ làm thúc đẩy quá trình thốt
ẩm rút ngắn thời gian sấy. Nếu 2 dịng ẩm dịch chuyển ngược chiều nhau sẽ kìm hãm sự
thốt ẩm kéo dài thời gian sấy.
nội
1.5.3. Mối quan hệ giữa quá trình khuếch tán ngoại và quá trình khuếch tán
Khuếch tán nội và khuếch tán ngoại có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, quá trình
khuếch tán ngoại là quá trình khởi đầu và quyết định đến giai đoạn đầu của quá trình sấy
và quá trình khuếch tán nội là động lực của quá trình khuếch tán ngoại. Tức là quá trình
khuếch tán ngoại được tiến hành thì quá trình khuếch tán nội mới được tiếp tục và như
thế độ ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần. Tuy nhiên trong quá trình sấy ta phải làm
cho 2 quá trình này cân bằng với nhau, tránh trường hợp khuếch tán ngoại lớn hơn q
trình khuếch tán nội. Vì khi đó sẽ làm cho sự bay hơi ở trên bề mặt xảy ra mãnh liệt làm
cho khô bề mặt, hạn chế sự thốt ẩm, khi xảy ra hiện tượng đó phải khắc phục bằng cách
ủ ẩm (sấy gián đoạn) mục đích là thúc đẩy quá trình khuếch tán nội.
1.6. Các giai đoạn trong quá trình sấy
Đặc điểm của quá trình sấy đối với vật thể có độ ẩm tương đối cao, nhiệt độ sấy và
tốc độ chuyển động của khơng khí khơng quá lớn xảy ra theo ba giai đoạn đó là giai đoạn
làm nóng vật, giai đoạn sấy tốc độ khơng đổi, giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Đối với các
trường hợp sấy với điều kiện khác thì quá trình sấy cũng xảy ra ba giai đoạn nhưng các
giai đoạn có thể đan xen khó phân biệt hơn.
1.6.1. Giai đoạn nung nóng vật liệu
Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật vào buồng sấy tiếp xúc với khơng khí nóng
cho tới khi nhiệt độ vật đạt được bằng nhiệt độ kế ướt. Trong q trình sấy này tồn bộ
vật được gia nhiệt. Ẩm lỏng trong vật được gia nhiệt cho đến khi đạt được nhiệt độ sôi
ứng với phân áp suất hơi nước trong mơi trường khơng khí trong buồng sấy. Do được làm
nóng nên độ ẩm của vật có giảm chút ít do bay hơi ẩm cịn nhiệt độ của vật thì tăng dần
9
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
cho đến khi bằng nhiệt độ kế ước. Tuy vậy, sự tăng nhiệt độ trong q trình xảy ra khơng
đều ở phần ngoài và phần trong vật. Vùng trong vật đạt đến nhiệt độ kế ước chậm hơn.
Đối với vật dễ sấy thì giai đoạn làm nóng vật xảy ra nhanh.
1.6.2. Giai đoạn sấy đẳng tốc
Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ kế ước. Tiếp tục cung cấp
nhiệt, ẩm trong vật sẽ hóa hơi cịn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt cung cấp chỉ
để làm hóa hơi nước. Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên trong vật
sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi. Do nhiệt độ khơng khí nóng khơng đổi, nhiệt độ
vật cũng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ giữa vật và môi trường cũng không đổi. Điều
này làm cho tốc độ giảm của độ chứa ẩm vật theo thời gian cũng khơng đổi, có nghĩa là
tốc độ sấy không đổi.
Trong giai đoạn này biến thiên của độ chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính. Ẩm
được thốt ra trong giai đoạn này là ẩm tự do. Khi độ ẩm của vật đạt đến trị số tới hạn U k
= Ucbmax thì giai đoạn sấy tốc độ khơng đổi chấm dứt. Đồng thời cũng là chấm dứt giai
đoạn thoát ẩm tự do chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ giảm.
1.6.3. Giai đoạn sấy giảm tốc
Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại trong vật là
ẩm liên kết của liên kết hóa lý và liên kết hóa học. Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn
hơn ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ. Do vậy, tốc độ bay hơi ẩm
trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi có nghĩa là tốc độ sấy trong
giai đoạn này nhỏ hơn và càng giảm đi theo thời gian sấy. Quá trình sấy càng tiếp diễn, độ
ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm của vật giảm đến bằng độ
ẩm cân bằng với điều kiện mơi trường khơng khí ẩm trong buồng sấy thì q trình thốt
ẩm của vật ngưng lại, có nghĩa tốc độ sấy bằng không.
1.7. Vật liệu ẩm
Vật liệu ẩm là những vật có chứa mộ khối lượng nước và hơi nước. Trong quá trình
sấy cần tách một lượng nước nhất định ra khỏi vật liệu. Trạng thái của vật liệu ẩm được
10
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
biểu thị qua độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm cân bằng, độ chứa ẩm và nồng độ
ẩm (Phạm Thanh, 2007).
1.7.1. Các dạng liên kết và năng lượng liên kết ẩm
Liên kết hóa học
Liên kết hóa học giữa ẩm và khô rất bền vững. Năng lượng liên kết ẩm hình thành
nhờ tác dụng của các ion hydroxyl hoặc mối liên kết tinh thể ngậm nước. Ẩm hóa học có
thể tách ra khi xảy ra phản ứng hóa học dưới tác dụng của nhiệt gây ra những biến đổi về
vật lý. Trong quá trình sấy ẩm liên kết hóa học khơng bị tách ra (Phạm Thanh, 2007).
Liên kết hấp phụ
Liên kết hấp phụ được xem là lớp liên kết cỡ phân tử trên bề mặt các hang xốp của
vật liệu (Phạm Thanh, 2007).
Liên kết mao dẫn
Liên chủ yếu trong vật liệu ẩm. Lực liên kết ở đây là lực mao dẫn do sức căng bề
mặt của chất lỏng dính ướt. Năng lượng liên kết ẩm phụ thuộc vào bán kính mặt cong cột
lỏng trong mao dẫn và tính chất của chất lỏng (Phạm Thanh, 2007).
Liên kết thẩm thấu
Là liên kết của nước trong các dung dịch. Năng lượng liên kết ẩm của liên kết thẩm
thấu là bé nhất trong 3 loại liên kết: liên kết hấp phụ, liên kết mao dẫn. liên kết thẩm thấu
(Phạm Thanh, 2007).
1.7.2. Các phương pháp tách nước ra khỏi vật liệu ẩm
Phương pháp cơ học
Dưới tác dụng của lực cơ học (máy ép, máy lọc, máy ly tâm) phá vỡ cấu trúc tế bào
làm dịch bào và nước chảy ra. Phương pháp được dùng khi không cần tách nước triệt để
mà chỉ cần làm khô sơ bộ, khi lượng nước trong vật liệu rất lớn (Vũ Bá Minh, 2004;
Phạm Thanh, 2007).
11
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
Phương pháp hóa lý
Dùng các chất có tính hút ẩm để làm khô sản phẩm, phương pháp này tách khá triệt
để lương nước có trong vật liệu, nhưng đắt tiền và phức tạp. Phương pháp này chủ yếu để
tách ẩm trong hỗn hợp khí để bảo quản máy móc, thiết bị. Các hóa chất được sử dụng như
CaCl2 khan, H2SO4 đậm đặc, CaCO3 khan… (Vũ Bá Minh, 2004; Phạm Thanh, 2007).
Phương pháp nhiệt
Là phương pháp sấy cấp nhiệt vào làm cho các liên kết bị đứt ra và chuyển từ pha
lỏng sang pha hơi để làm khô sản phẩm. Phương pháp được sử dụng phổ biến trong ngành
công nghệ thực phẩm và công nghệ bảo quản sau thu hoạch (Vũ Bá Minh, 2004; Phạm
Thanh, 2007).
1.8. Năng lượng của q trình sấy
Có 2 loại: sấy tự nhiên và sấy bằng năng lượng nhân tạo.
Sấy tự nhiên: tiến hành bay hơi bằng năng lượng tự nhiên như: năng lượng mặt trời,
năng lượng gió… Phương pháp này đỡ tốn nhiệt năng nhưng không chủ động điều chỉnh
được vận tốc của quá trình theo yêu cầu kỹ thuật (Phạm Thanh, 2007).
Sấy nhân tạo: thường được tiến hành trong các thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho các
vật liệu ẩm. Các dạng năng lượng thường được sử dụng trong sấy nhân tạo: năng lượng
điện, năng lượng bằng chất đốt, hóa thạch (than đá…), các chất đốt chưa hóa thạch như
củi, rơm, rạ…, năng lượng sinh học (biogas…), năng lượng hóa học từ các phản ứng sinh
nhiệt, năng lượng hạt nhân…(Phạm Thanh, 2007).
12
h
Đồ án quá trình và thiết bị
TS. Nguyễn Tấn Dũng
1.9. Tác nhân của quá trình sấy
Hình 1. Sơ đồ sấy bằng khơng khí
Tác nhân sấy là những chất dùng để đưa lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy ra khỏi
thiết bị sấy. Trong q trình sấy mơi trường bao quanh vật sấy ln được bổ sung ẩm
thốt ra từ vật sấy. Trong nhiều trường hợp tác nhân sấy đóng vai trị cung cấp nhiệt cho
vật liệu sấy để hóa hơi ẩm lỏng. Trong thiết bị sấy tiếp xúc, bức xạ thì tác nhân sấy đóng
vai trị vận chuyển ẩm cịn nguồn nhiệt có thể là bề mặt đốt nóng, nguồn bức xạ. Ở thiết bị
sấy đối lưu thì tác nhân sấy làm nhiệm vụ cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy và tải ẩm (Phạm
Thanh, 2007).
Trong quá trình sấy chất tải nhiệt thường là các chất khí, khói, hơi quá nhiệt và các
chất lỏng như dầu, muối nóng chảy.Trong đó, khơng khí được gọi là tác nhân chính vì tác
nhân khí rẻ tiền và là nguồn gốc vơ tận của khí quyển (Phạm Thanh, 2007).
Khơng khí ẩm
Là tác nhân sấy có sẵn trong tự nhhên, khơng độc hại và khơng làm bẩn sản phẩm
sấy. Khơng khí có chứa hơi nước được gọi là khơng khí ẩm và được coi là hỗn hợp khí lý
tưởng của hai thành phần: khơng khí khơ và hơi nước (Phạm Thanh, 2007).
13
h
