Giáo trình kỹ thuật sấy nông sản - Chương 5 docx

Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

91
Chơng5

Thiết bị sấy thăng hoa
5.1. Khái niệm
Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn sang
trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa. Để tạo điều kiện sấy thăng hoa, vật liệu sấy phải đợc
làm lạnh dới điểm ba thể(lỏng, khí, rắn), nhiệt độ t = 0,0098
o
C và áp suất p = 4,6 mmHg.
Trên (hình 5.1) đơng AS là ranh giới giữa pha rắn và pha khí, đờng SC ranh giới giữa pha rắn
và pha lỏng.
ở
áp suất nhất định nhiệt độ thăng hoa của vật liệu không đổi. Khi áp suất tăng thì
nhiệt độ thăng hoa tăng.
Ví dụ điểm K, ẩm trong vật liệu đóng băng; nếu đợc
hâm nóng

đẳng áp tới điểm K tơng ứng nhiệt độ t
K

thì nớc ở thể rắn sẽ thực hiện thăng hoa theo quá trình
KK. Đồ thị cho thấy; áp suất càng thấp thì nhiệt độ
thăng hoa của nớc càng nhỏ:

Bảng 5.1. Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất
thăng hoa của nớc đá
á
p suất(N/m

2
)
Nhiệt độ(
0
C)

4,60 613,333 0,0098
1,000 133,333 -175
0,100 13,333 -39,3
0,001 0,133 -57,6

Hình5.1. đồ thị p.t của nớc
Quá trình sấy thăng hoa có 3 giai đoạn.
-

Giai đoạn 1: làm lạnh sản phẩm.
Sản phẩm đợc làm lạnh từ nhiệt độ môi trờng xuống -10
ữ
-15
0
C. Nhiệt độ vật liệu
biến đổi đờng 3. Trong giai đoạn này, không gian trong bình thăng hoa có áp suất nhỏ( chân
không), do đó phần áp suất hơi nớc cũng giảm so với phần áp suất hơi nớc trong lòng vật
liệu, làm thoát ẩm vào khoảng không trong bình thăng hoa (Khoảng 10 15%), nhiệt độ vật
liệu sấy giảm xuống dới điểm S.
- Giai đoạn 2:
g
iai đoạn thăng hoa.
ẩ
m trong vật liệu rắn sẽ thăng hoa thành

hơi và thoát ra khỏi vật liệu. Giai đoạn thăng hoa có thể xem tốc độ sấy không đổi. Nhiệt độ
vật liệu sấy(đờng 3) hầu nh không đổi; cuối giai đoạn này nhiệt độ vật liệu tăng từ (10
ữ

15
0
C) lên tới 0
0
. Tại đây quá trình thăng hoa kết thúc.
-Giai đoạn 3:
g
iai đoạn bốc hơi ẩm còn lại.
ở
giai đoạn này nhiệt độ vật liệu tăng (trên điểm 3), do đó độ ẩm trong vật liệu trở về
dạng lỏng. áP suất trong bình thăng hoa vẫn nhỏ hơn áp suất khí trời nhờ bơm chân không và
vật liệu vẫn tiếp tục gia nhiệt nên ẩm vẫn bốc hơi và đi vào bình thăng hoa. Nh thế quá trình
bốc hơi ẩm còn lại chính là quá trình sấy chân không trong bình thờng.
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

92
Sấy thăng hoa, các phần tử nớc thoát ra không va chạm nhau, nên bảo toàn chất lợng
sinh học của sản phẩm cháy.

Hình 5.2. Đồ thị chế độ làm việc thiết bị sấy thăng hoa khi sấy thịt.
1 - Nhiệt độ tấm gia nhiệt; 2 - Nhiệt độ môi trờng giữa các tấm gia nhiệt; 3 - Nhiệt độ sản phẩm
4 - Nhiệt độ môi chất ra khỏi bình (
0
C) 5 - độ ẩm vật liệu 6 - áp suất trung bình thăng hoa
5.2. Nguyên lý cấu tạo
Cấu tạo chung của thiết bị sấy thăng hoa gồm: bình thăng hoa, bình ngng đóng băng
bơm chân không, máy nén, máy lạnh
- Bình thăng hoa: cấu tạo dạng trụ, đáy và nắp dạng chỏm cầu. Nắp có gioăng kín vì
bình làm việc trong điều kiện chân không (1 - 0,1mmHg). Vật liệu đặt vào các khay trung
bình. Nhiệt cấp cho quá trình thăng hoa thực hiên bằng bức xạ từ các hộp kim loại đặt xen kẽ
với các khay chứa vật liệu. Trong hộp là nớc nóng chuyển động. Quá trình trao đổi nhiệt giữa
thành hộp chứa nớc nóng với vật liệu là bức xạ nhiệt.
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

93
- Bình ngng đóng băng.
Bình ngng đóng băng là thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống, các ống có đờng kính 51/57
mm liên kết với nhau giữa phần trên và phần dới. Hỗn hợp hơi nớc và không khí nhờ bơm

chân không hút từ bình thăng hoa qua bộ phận phân phối phái dới vào các ống. Amôniác
cung cấp từ phái trên, chứa đầy không gian ngoài giữa các ống. Tại đây hỗn hợp hơi nớc -
không khí đợc làm lạnh và hơi nớc ngng tụ bám vào thành trong của ống, còn không khí
khô qua bơm chân không thải vào không khí. Amôniắc lỏng nhận nhiệt của hỗn hợp hơi nớc -
không khí, bay hơi qua bình tách lỏng về máy nén của máy lạnh.
Nguyên tắc làm việc của hệ thống nh sau:











Hình 5.3. Sơ đồ thiết bị sấy thăng hoa.
1 - Bình thăng hoa 2 - van 3 - Xyphông 4 - Bể chứa nớc nóng 5 - Bình ngng đóng băng
6 - Bình tách lỏng 7 - Giàn ngng amôniắc 9 - máy nén 10 - Bơm chàn không
11, 12, 13 - Động cơ điện 14 - Bơm nớc 15 - Phần tử lọc 16 - Tấm gia nhiệt
17 - Chân không kế 18 - Van điều chỉnh 19 - Khay chứa vật liệu
20 - Tấm gia nhiệt dới 21 - Bộ điều chỉnh nhiệt.
Vật liệu đợc làm lạnh tới (10
ữ
15
0
C) đợc cho vào bình thăng hoa (1). Bình thăng
hoa nối với bơm chân không (10) qua bình ngng - đóng băng 5, và đợc làm lạnh bằng máy
lạnh amôniắc. Máy lạnh gồm máy nen 9, giàn ngng 7, bình tách lỏng 6 và bình chứa amôniắc

8. Nhờ bình ngng - đóng băng, ẩm thoát từ vật liệu dới dạng băng, máy hút chân không 10
làm việc với không khí khô. Ngoài ra bình thăng hoa nối với hệ thống cung cấp nớc nóng từ
bình chứa 4 làm nguồn gia nhiệt cho vật liệu.

Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

94









Hình 5.4. Cấu tạo bình thăng hoa

Hình 5.5. Cấu tạo bình ngng đóng băng
5.3. Lý thuyết tính toán
Thiết bị chính trong hệ thống sấy thăng hoa là bình thăng hoa và bình ngng đóng
băng. Quá trình trao đổi nhiệt trong bình thăng hoa là bức xạ và trong bình ngng đóng băng là
quá trình dẫn nhiệt là chủ yếu.

Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

95
5.3.1. Tính toán nhiệt bình thăng hoa.
Trong hệ thống sấy thăng hoa, bình thăng hoa không có tổn thất cho thiết bị vận
chuyển Q
vc
= 0, tổn thất ra môi trờng Q
mt
= 0. Và cũng không có tổn thất do tác nhân sấy
mang đi Q
z
= 0.
Nhiệt tiêu hao trong sấy thăng hoa gồm: Nhiệt làm lạnh vật liệu Q
ll
, nhiệt cần trong quá
trình thăng hoa Q
th
, nhiệt cần bay hơi ẩm còn lại Q
cl
, nhiệt vật lý để đa vật liệu từ nhiệt ban

đầu tới nhiệt độ thăng hoa Q

(tính cho một chu kỳ sấy), nhiệt lợng tiêu hoa trong quá trình
đông đặc Q

cuối cùng ta có.

(
)
(
)
' "
ll th cl
Q Q Q Q Q Q
= + + +
(5.1)
Vì
' "
ll
Q Q Q
= +
nên cuối cùng ta có
th cl
Q Q Q
= +

Thực tế, vật liệu trong bình thăng hoa nhận nhiệt từ các tấm đợc đốt nóng nhờ bức xạ,
dẫn nhiệt và đối lu; nhng trong điều kiện chân không, lợng nhiệt chủ yếu nhận đợc qua
con đờng bức xạ (chiếm 75 - 85%), sau đó là dẫn nhiệt và nhỏ nhất là đối lu (3
ữ

5%). Do
đó trong tính toán lấy truyền nhiệt bằng bức xạ làm cơ sở; nhiệt truyền dẫn là đối lu, ta đa hệ
số thực nghiệm K = 1,2
ữ
1,25. Truyền nhiệt bức xạ giữa các tấm đốt nóng và vật liệu nh là
truyền nhiệt giữa hai tấm phẳng song song, ta có thể tính đợc lợng nhiệt vật liệu sấy nhận đợc.

4 4
1 2
0
100 100
qd
T T
Q K F C



=





(5.2)

ở
đây:
F - Diện tích tấm đốt nóng và cũng là diện tích bề mặt vật liêu (m
2
).

C
0
- Hằng số vật đen tuyệt đối


qd
- Độ đen qui dẫn

1 2
1
1 1
1
qd


=
+
(5.3)


1
,

2
- độ đen của nguồn bức xạ và của vật liệu
T
1
- Nhiệt độ tấm đốt nóng (
0
K)

T
2
- Nhiệt độ thăng hoa của vật liệu T
2
= T
th
(
0
K)
Trờng hợp vị trí giữa vật và tấm nóng không coi là hai tấm phẳng song song thì ta có.

4 4
1 2
0
100 100
qd
T T
Q K H F C



=





(5.4)

ở

đây: H - Là hệ số tính quan hệ tơng hỗ giữa các bề mặt truyền nhiệt.

1
1 2 2
1
1 1
1
qd
F
F


=
+
(5.5)

ở
đây: F
1
, F
2
Diện tích tấm gia nhiệt và vật liệu tiếp nhận bức xạ.
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

96
5.3.2. Nhiệt toả ra trong bình ngng - đóng băng.
Đây là loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống. Ngoài ống là amôniăc bay hơi nhận
nhiệt của hơi nớc không khí bên trong ống, làm cho nớc đóng băng.
Nhiệt toả ra trong bình ngng.

(
)
(
)
n b d ph h b
Q W r r C t t

= + +

(5.6)
Trong đó:
W
b
- Lợng ẩm cần ngng (kg/h)
r và r
d
- Nhiệt ẩm hoá hơi và đông đặc của nớc
C
ph
- Nhiệt dung riêng của hơi nớc
t
h
và t
b
- Nhiệt độ hơi và băng.
Mặt khác theo phơng trình truyền nhiệt qua vách ngăn giữa hỗn hợp hơi nớc - không
khí trong ống và amôniăc sôi ở ngoài ống ta có:

n
Q K F t

=

Trong đó F là diện tích bề mặt truyền nhiệt, K hệ số truyền nhiệt và

t độ chênh nhiệt
độ giữa hai dịch thể.
ố
ng trao đổi nhiệt rất mỏng (

1
= 3mm) và chiều dày lớp băng cũng
không lớn (

2
=6
ữ
8 mm). Bài toán dẫn nhiệt coi nh qua một vách phẳng hai lớp, có hệ số
truyền nhiệt K là.

1 2
1 1 2 2
1
1 1
K


=
+ + +

1
và

2
là hệ số trao đổi nhiệt khi sôi của amôniắc và khi ngng của hơi nớc.
Để xác định

1
và

2
ta thờng dùng công thức thực nghiệm

(
)
,7
1
4,2 1 0,007
o
v
t q

= +
kcal/m
2
h
0
K

( )
'
1,1
2
2,75
3600
bh m
q
T T
g


à


=

kcal/m
2
h
0
K
Trong đó:
t
v
-
n
hiệt độ vách (
0
C)

q - Mật độ dòng nhiệt (kcal/m
2
)
Để tính

1
ta phải biết t
v
và q, ta sẽ kiểm tra giá trị này khi tính đợc bề mặt truyền nhiệt.


- Hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp hơi - không khí (kcal/m
2
h
0
K)
q
'
- Cờng độ ngng tụ (kg/m
2
h)

à
-
đ
ộ nhớt động lực của hơi (kgs/m
2
)
T
bh

- Nhiệt độ bo hoà của hơi (
0
K)
T
m
- Nhiệt độ bề mặt làm lạnh, hay nhiệt độ bề mặt băng (
0
K)
Trờng hợp tính theo hệ SI (q
1
,

1
tơng ứng bằng w/m
2
, w/m
2 0
K;

(w/m
0
k)

2
(w/m
2 0
K) thì
các công thức trên trở thành.

(

)
0,7
1
4,395 1 0,007
v
t q

= +
(w/m
2 o
K)
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

97

1,1
'
4
2
6,568 10
bh m
bh
T T
q
g T


à

=



(w/m
2 o
K)
Để tăng khả năng làm việc của bình ngng - đóng băng ngời ta dùng nhiều bình luôn
phiên thay đổi nhau; vì băng bám trên bề mặt làm kém đi quá trình truyền nhiệt, nên cần xả
băng. Việc xả băng dùng hơi NH
3
nóng 30 - 25
o
C hoặc dùng hơi thoát từ quá trình sấy ở giai
đoạn 3 thổi trực tiếp vào băng. Khi đó bình ngng - đóng băng giữ vai trò nh giàn ngng máy
lạnh. Nếu n bình, mỗi bình có diện tích truyền nhiệt F
n
thì cờng độ ngng.

'
n
w
q
n F
=

5.3.3. Nhiệt cần thiết làm tan băng
Nhiệt lợng cần thiết trong bình ngng đóng băng bao gồm: nhiệt vật lý của băng,
nhiệt đông đặc , nhiệt vật lý của khối lợng ống thép. Ta có

(
)
(
)
x b b pb n b p
Q G r C t t G C t t

= + +

2 1
ô ô ô ô
(5.7)
Trong đó:

g
b
,
g
ô
- Khối lợng của băng và toàn bộ ống
r
b
- Nhiệt đông đặc của nớc r
b
= 333,37 kK/kg

80 kcal/ kg
C
pb
- Nhiệt dung riêng của băng = 2,174 kJ/kg
o
K = 0,52kxal/kg
o
K
t
n
và t
b
- Nhiệt độ nớc sau khi tan và nhiệt độ băng
C
pô
- Nhiệt dung riêng thép làm ống
t
ô1
, t
ô2
- Nhiệt độ ống thép sau và trớc xả băng.
Thông thờng ngời ta biết trớc G
ô
còn G
b
tính theo.

b b b b
G F

=

Chiều dày lớp băng

b


6
ữ
8 mm,

b


920 kg/m
2
; F
b
- Diện tích mặt bám băng (m
2
)
5.3.4. Hệ số trao đổi nhiệt đối lu giữa hơi NH
3
tới bề mặt ống
Dùng hơi amôniắc để xả băng thì amôniắc sẽ ngng tụ lại. Do đó

1
có thể tính nh hệ
trao đổi nhiệt khi ngng theo công thức thực nghiệm sau.

2 3
3
1
1,177
F
r
q


à

=



ở
đây:
r - Nhiệt hoá hơi của NH
3
(kcal/kg)


- Trọng lợng riêng của NH
3
(KG/m
3
)


- Hệ số dẫn nhiệt của hơi NH

3
(kcal/mh
o
c)

à
- Độ nhớt động lực của hơi NH
3
(kg/m
2
s)
Q
F
- Phụ tải nhiệt của bình ngng trong điều kiện làm việc định mức (kcal/m
2
h)

F
Q
q
F
=

Q - Nhiệt truyền cho bình ngng (kcal/h)
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

98
5.3.5. Thời gian xả băng

X
và thời gian lùa khí trong bình thăng hoa



đ

Nếu nhiệt lợng cần để xả băng bằng hơi amôniắc tính theo (5.7) là Q
x
, ta có thời gian
xả băng

x
x
n
Q
K F t

=


Hệ số truyền nhiệt K giữa amôniắc ngng với lớp băng đang tan có thể tính theo.

1 2
1 1 2
1
1
K

=
+ +




t -
đ
ộ chênh lệch nhiệt độ giữa hơi nóng và băng.
Biết đợc thời gian lùa khí cho phép ta xác định đợc kích thớc bình thăng hoa và
năng suất bơm chân không.

ln
o
h o
B P
V
V P P


=

đ
(h)
Trong đó:
V - Thể tích bình kín thăng hoa (m
3
)
V

h
- Tốc độ lùa khí (l/s)
B -
á
p suất khí trời (mm
h
g)
P
c
-
á
p suất cần thiết trong bình thăng hoa (mmHg)
P
o
-
á
p suất giới hạn tạo nên bởi bơm chân không (mmHg)


- Hệ số dự phòng.



câu hỏi ôn tập chơng v

1. T
rình bày nguyên tắc làm việc của sấy thăng hoa.
2. Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt bình thăng hoa.
3. Tính toán nhiệt toả ra trong bình ngng - đóng băng.
4. Tính nhiệt cần thiết làm tan băng.

5. Xác định thời gian xả băng và thời gian lùa khí trong bình thăng hoa.