Tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình sấy bơm nhiệt tầng sôi kết hợp bức xạ hồng ngoại để sấy hành lá xuất khẩu năng suất 8kg 1mẻ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.38 MB, 131 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TR
KHOA
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH
SẤY BƠM NHIỆT TẦNG SÔI KẾT HP BỨC XẠ HỒNG NGOẠI
ĐẾ SẤY HÀNH LÁ XUẤT KHẨU NĂNG SUẤT 8KG/MẺ
Chun Ngành: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH
GVHD: ThS. LÊ NHƢ CHÍNH
Nha Trang, năm 2013
Họ và tên sinh viên: Lớp: 51NL
Chuyên ngành : Công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh
Tên đồ án tốt nghiệp: Tính toán,
sôi 8
Số trang: Số chƣơng: 5 Số tài liệu tham khảo: 20
Kết luận:
Nha Trang, ngày… tháng… năm 2013
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
ThS. Lê Nhƣ Chính
Họ và tên sinh viên: Lớp: 51NL
Chuyên ngành : Công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh
Tên đồ án tốt nghiệp: Tính toán,
sôi 8
Số trang: Số chƣơng: 5 Số tài liệu tham khảo: 20
Kết luận:
Nha Trang, ngày… tháng… năm 2013
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
i
Học tập là một quá trình lâu dài, mỗi giai đoạn đóng một vai trò quan trọng
trong việc hình thành nhân cách, đạo đức của mỗi con người. Từ những ngày đầu
tiên bước chân vào giảng đường đại học cho đến lúc hoàn thành đồ án tốt nghiệp
này, em đã nhận được sự quan tâm chỉ dẫn và giúp đỡ tận tình của gia đình, bạn bè
và các thầy cô. Qua quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp em xin bày tỏ lòng biết
ơn chân thành đến:
Ban giám hiệu trường Đại học Nha Trang.
Tập thể giảng viên bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh trường Đại học Nha Trang.
Quý thầy cô đã tận tình chỉ dạy chúng tôi trong thời gian học tập tại trường.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Ths. Lê Như Chính đã trực tiếp theo
dõi, tận tình hướng dẫn em trong thời gian thực hiện đề tài.
Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian thực hiện, đề tài không tránh khỏi
những thiếu sót. Mong nhận được sự chỉ bảo của quý thầy cô và góp ý của các bạn.
Nha Trang, tháng 6 năm 2013
Sinh viên thực hiện đề tài
ii
LỜI CẢM ƠN i
DANH MỤC BẢNG v
DANH MỤC HÌNH vi
LỜI MỞ ĐẦU ii
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SẤY 3
1.1. Khái niệm quá trình sấy 3
1.1.1. Khái niệm 3
1.1.2. Phân loại phƣơng pháp sấy 3
1.1.3. Mục đích của quá trình sấy 3
1.1.4. Những biến đổi cơ bản của quá trình sấy 4
1.2. Cơ chết thoát ẩm ra khỏi vật liệu sấy 8
1.2.1. Quá trình khuếch tán ngoại 8
1.2.2. Quá trình khuếch tán nội 9
1.2.3. Mối quan hệ giữa quá trình khuếch tán ngoại và quá trình khuếch tán nội 10
1.3. Các giai đoạn trong quá trình sấy 10
1.3.1. Giai đoạn nung nóng vật liệu 10
1.3.2. Giai đoạn sấy đẳng tốc 11
1.3.3. Giai đoạn sấy giảm tốc 11
1.4. Các phƣơng pháp và thiết bị sấy 11
1.4.1. Các phƣơng pháp sấy 12
1.4.2. Thiết bị sấy 13
1.5. Tổng quan về sấy ở nhiệt độ thấp 22
1.5.1. Giới thiệu các phƣơng pháp sấy lanh 22
1.5.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy lạnh 24
1.6. Một số kết quả nghiên cứu về sấy lạnh của các tác giả trong và ngoài nƣớc 24
1.6.1. Các tác giả trong nƣớc 24
1.6.2 Các tác giả nƣớc ngoài 30
1.7. So sánh phƣơng pháp sấy lạnh với phƣơng pháp sấy nóng 33
1.8. Đánh giá và kết luận 36
CHƢƠNG II: TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ SẤY HÀNH LÁ VÀ LỰA
CHỌN PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ 38
iii
2.1. Vật liệu sấy 38
2.1.1. Sơ đồ công nghệ sấy rau quả 39
2.1.2. Ảnh hƣởng của quá trình sấy đến chất lƣợng sản phẩm 39
2.2. Các đặc tính hóa lý của một số rau quả giàu vitamin ứng dụng phƣơng
pháp sấy lạnh 42
2.3. Lý thuyết sấy rau quả 44
2.3.1. Quy trình xử lý trƣớc khi sấy 44
2.3.2 . Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình sấy 45
2.4. Một số phƣơng pháp sấy rau quả 46
2.5. Lựa chọn phƣơng pháp sấy lạnh theo hƣớng nghiên cứu của đề tài 47
2.6. Xây dƣng quy trình công nghệ sấy hành 48
2.6.1. Giới thiệu vật liệu sấy 48
2.6.2. Xây dựng quy trình công nghệ sấy Hành 49
2.7. Xác định các thông số đầu vào của vật liệu 50
2.8. Đề xuất phƣơng án thiết kế 51
2.9. Đề xuất hệ thống sấy bơm nhiệt tầng sôi 50
CHƢƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY SẤY LẠNH SỬ
DỤNG BƠM NHIỆT 54
3.1. Tính toán quá trình sấy lý thuyết 54
3.1.1. Xác đinh các điểm nút trên đồ thị I – d quá trình sấy 55
3.1.2. Tính toán tốc độ sấy và thời gian sấy 58
3.1.3. Tính toán nhiệt quá trình 62
3.1.4. Xác định kích thƣớc buồng sấy 64
3.2. Cân bằng nhiệt cho quá trình 66
3.3. Tính toán quá trình sấy thực tế 71
3.4. Tính toán thiết kế và lựa chọn thiết bị phụ trợ 75
3.4.1. Các thông số nhiệt của môi chất lạnh 76
3.4.2. Tính toán chu trình 76
3.4.3. Tính toán thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt 80
3.4.4. Tính chọn máy nén 91
3.4.5. Chọn đƣờng ống dẫn môi chất 92
3.4.6. Tính toán trở lực và chọn quạt 93
3.4.7. Tính chọn van tiết lƣu 97
3.4.8. Tính chọn đèn bức xạ hồng ngoại 99
iv
3.5. Trang bị tự động hóa cho hệ thống sấy 99
3.5.1. Trang bị điện điều khiển cho HTS 99
3.5.2. Chức năng 101
3.5.3. Hệ thống điều khiển 101
CHƢƠNG IV: VẬN HÀNH CHẠY THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT
LƢỢNG SẢN PHẨM SẤY 104
4.1. Vận hành chạy thử nghiệm 104
4.2. Đƣờng cong sấy và đƣờng cong tốc độ sấy 104
4.3. Chất lƣợng cảm quan 107
4.4. Kiểm nghiệm hàm lƣợng Vitamin C 108
CHƢƠNG V: SƠ BỘ GIÁ THÀNH HỆ THỐNG, SẢN PHẨM 110
5.1. Sơ bộ giá thành hệ thống 110
5.2. Sơ bộ hạch toán giá thành sản phẩm 111
5.2.1. Chi phí nguyên liệu, nhiên liệu 111
5.2.2. Chi phí lao động 111
5.2.3. Chi khấu hao 111
5.3. Kết luận 112
5.4. Đề nghị 112
TÀI LIỆU THAM KHẢO 114
PHỤ LỤC
v
Bảng1.1: Đánh giá so sánh chất lƣợng sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt sấy lạnh
với phƣơng pháp sấy nóng truyền thống và sấy hồng ngoại 35
Bảng 3.1: Thông số các điểm nút trên đồ thị i – d 74
Bảng 3.2: Thông số trạng thái các điểm nút 79
Bảng 3.3: Cân chỉnh ống mao 98
Bảng 4.1: Thông số trong quá trình vận hành 106
Bảng 4.2: Thông số trong quá trình vận hành khi điều chỉnh van chặn hút 106
Bảng 5.1: Tổng hợp các thành phần chi phí 112
vi
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống sấy đối lƣu 12
Hình 1.2: Máy sấy thùng quay 15
Hình 1.3: Thiết bị sấy phun kiểu tháp. 15
Hình 1.4: Thiết bị sấy phun kiểu thùng. 16
Hình 1.5: Thiết bị sấy tầng sôi. 17
Hình 1.6: Thiết bị sấy bằng băng tải. 18
Hình 1.7: Thiết bị sấy bằng khí thổi 19
Hình 1.8: Thiết bị sấy bằng tia bức xạ. 20
Hình 1.9: Thiết bị sấy kiểu thùng đứng. 21
Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt 23
Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống sấy lạnh 23
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt kiểu môđun 24
Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý hệ sấy tầng sôi 29
Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ sấy rau quả 39
Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ sấy Hành 49
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt tầng sôi kết hợp bức xạ hồng ngoại 52
Hình 2.4: Đồ thị I – d quá trình sấy 53
Hình 3.1: Đồ thị I-d chế độ sấy hồi lƣu hoàn toàn 54
Hình 3.2: Kích thƣớc mô hình hệ thống sấy 54
Hình 3.3: Kích thƣớc mô hình hệ thống sấy (mặt cắt hình chiếu đứng) 65
Hình 3.4: Kích thƣớc mô hình hệ thống sấy (mặt cắt hình chiếu bằng) 65
Hình 3.5: Kích thƣớc khung lƣới sấy 66
Hình 3.6: Đồ thị I-d chế độ sấy thực hồi lƣu hoàn toàn 71
Hình 3.7: Thiết bị ngƣng tụ 85
Hình 3.8: Thiết bị bay hơi 91
Hình 3.9: Sơ đồ tính toán khí động trong hệ thống máy sấy 95
Hình 3.10: Nguyên lý cân chỉnh ống mao 95
Hình 3.11: Sơ đồ mạch điện động lực 101
Hình 3.12: Sơ Đồ Mạch Điện Điều Khiển Hệ Thống 102
Hình 4.1: Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy 102
Hình 4.2: Đƣờng cong sấy của hành ở phƣơng pháp sấy lạnh và sấy nóng 106
Hình 4.3: Đƣờng cong tốc độ sấy của hành ở phƣơng pháp sấy lạnh và sấy nóng 107
vii
Hình 4.4: Biểu diễn điểm CLCQ của hành khô sấy lạnh và hành khô sấy nóng 108
Hình 4.5: Biểu diễn hàm lƣợng vitamin C của mẫu sấy lạnh và sấy nóng 109
1
Việt Nam là một nƣớc nhiệt đới có nhiều điều kiện để phát triển ngành trồng
trọt và chế biến rau quả. Tuy nhiên, tỷ lệ tổn thất sau thu hoạch là rất lớn 25-30%.
Nguyên nhân chính là do công nghệ chế biến và bảo quản của chúng ta còn lạc hậu
nên đã làm cho rau quả của Việt Nam có giá trị thấp trong thị trƣờng trong nƣớc
cũng nhƣ xuất khẩu, điều này ảnh hƣởng trực tiếp đến đời sống của ngƣời nông dân,
vì vậy việc nghiên cứu đƣa ra các quy trình công nghệ cũng nhƣ ứng dụng triển khai
chuyển giao các kết quả nghiên cứu, các quy trình công nghệ bảo quản, chế biến rau
quả, đóng vai trò hết sức quan trọng trong chiến lức phát triển ngành rau quả.
Rau quả hiện nay chủ yếu đƣợc sử dụng ở dạng tƣơi, nhƣ đã biết rau quả là
loại sản phẩm có tính thời vụ, thời gian thu hoạch ngắn, khả năng vận chuyển và
bảo quản hạn chế, trong khi kỹ thuật bảo quản rau quả tƣơi vẫn chỉ dựa vào các kinh
nghiện cổ truyền, mang tính thủ công chấp vá. Công nghệ sấy ứng dụng trong chế
biến rau quả khô đƣợc tiến hành từ khá lâu nhƣng cho đến nay vẫn bộc lộ nhiều hạn
chế về công nghệ chƣa khắc phục đƣợc chất lƣợng đầu ra của sản phẩm, chƣa đáp
ứng đƣợc các yêu cầu về đặc tính hóa lý, mùi, màu, thành phần dinh dƣỡng nên khó
đáp ứng cho nhu cầu tiêu thụ và xuất khẩu trong và ngoài nƣớc. Việc đầu tƣ nghiên
cứu một quy trình công nghệ mới giải quyết những vấn đề này là thực sự cần thiết.
Công nghệ sấy lạnh đƣợc xem là một công nghệ mới ra đời từ yêu cầu cấp thiết đó.
Ƣu điểm của công nghệ sấy lạnh là có thể xây dựng đƣợc từng quy trình
công nghệ sấy hợp lý đối với từng loại rau, củ, quả. Sản phẩm sấy giữ đƣợc nguyên
màu sắc, mùi vị, hạn chế tối đa thất thoát dinh dƣỡng (khoảng 5%), đạt tiêu chuẩn
vệ sinh an toàn thực phẩm của Việt Nam và các chỉ tiêu kỹ thuật, chất lƣợng sản
phẩm tƣơng đƣơng một số nƣớc khác trên thế giới.
Việc phát triển công nghệ sấy lạnh đã có nhiều thành tựu. Tuy nhiên, để có
một quy trình công nghệ hoàn chỉnh, tối ƣu với các thông số phù hợp nhất đòi hỏi
chúng ta phải tiến hành nghiên cứu sâu rộng hơn. Đƣợc sự phân công đề tài “Tính
2
8” thực hiện dựa trên cơ sở tìm
hiểu những nguyên lý chung nhất của công nghệ sấy lạnh từ đó có thể xây dựng nên
quy trình sấy đối với từng loại rau quả khác nhau. Để giải quyết những vấn đề đó, đề
tài nghiên cứu những nội dung chính sau:
Tìm hiểu về công nghệ sấy lạnh, phƣơng pháp sấy và các thiết bị trong hệ
thống sấy lạnh.
Tìm hiểu kỹ thuật sấy lạnh trên một số loại rau quả giàu vitamin, xây
dựng quy trình sấy lạnh đối với Hành lá cắt nhỏ.
Tính toán thiết kế mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt ở chế độ sấy
hồi lƣu hoàn toàn.
Tính toán thiết kế máy sấy lạnh và lựa chọn các thiết bị phụ trợ.
Thực nghiệm nghiên cứu trên mô hình thực tế.
Vận hành và đánh giá kết quả.
Với những đặc tính ƣu việt, công nghệ sấy lạnh hứa hẹn sẽ là một công nghệ
tiên tiến, cho lĩnh vực sấy thực phẩm giàu vitamin, có thể áp dụng rộng rãi với quy
mô lớn đáp ứng cả về vấn đề lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trƣờng.
3
1.1.
1.1.1. Khái
Sấy là quá trình tách ẩm (hơi nƣớc và nƣớc) ra khỏi vật liệu sấy (VLS), trong
đó VLS nhận năng lƣợng để ẩm từ trong lòng VLS dịch chuyển ra bề mặt và đi vào
môi trƣờng tác nhân sấy (TNS). Quá trình sấy là quá trình truyền nhiệt, truyền chất
sẩy ra đồng thời. Trong lòng VLS là quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm hỗn hợp.
Trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt VLS với TNS là quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi
ẩm đối lƣu liên hợp. Quá trình bên trong VLS chủ yếu chịu ảnh hƣởng của dạng
liên kết ẩm với cốt khô của vật liệu, quá trình ở bề mặt VLS chủ yếu chịu ảnh
hƣởng của cơ cấu trao đổi nhiệt ẩm và các thông số của TNS cũng nhƣ VLS.
1.1.2.
- Sấy tự nhiên: Sấy bằng không khí không đƣợc đốt nóng, phƣơng pháp
này thời gian sấy dài, khó điều chỉnh quá trình và độ ẩm cuối của vật liệu còn khá
lớn nhất là ở những quốc gia có khí hậu nhiệt đới nhƣ nƣớc ta.
- Sấy nhân tạo: Là quá trình sấy có sự cấp nhiệt từ bên ngoài, nghĩa là phải
dùng đến tác nhân sấy đƣợc gia nhiệt nhƣ khói nóng, không khí nóng hoặc hơi…
1.1.3.
Sấy không chỉ là quá trình công nghệ, trong đó các tính chất công nghệ luôn
luôn thay đổi. Tính chất công nghệ của vật liệu gồm: tính chất hoá lý, tính chất cơ
kết cấu, tính chất sinh hoá…
Quá trình sấy nhằm tăng cƣờng một số đặc tính công nghệ để phục vụ nhiều
mục đích khác nhau. Khi sấy sản phẩm gốm thì nhằm mục đích làm độ bền của nó
tăng lên để tiếp tục gia công; sấy hạt giống thì phải làm tỷ lệ và khả năng nảy mầm
cao lên; sấy nông sản thực phẩm thì giữ đƣợc hƣơng vị, màu sắc, nguyên tố vi
lƣợng mà tăng đƣợc thời gian bảo quản, giảm đƣợc giá thành vận chuyển, giảm
đƣợc thể tích kho bảo quản….
4
1.1.4.
Để nghiên cứu về công nghệ sấy, trƣớc hết cần nghiên cứu về các dạng liên
kết ẩm, các dòng dịch chuyển ẩm và thể dịch chuyển ẩm trong VLS nhằm hiểu rõ
cơ chế dịch chuyển ẩm và định hƣớng phƣơng pháp tác động để tăng cƣờng hoặc
hạn chế dòng dịch chuyển ẩm phục vụ các yêu cầu công nghệ. Theo dạng liên kết
ẩm với cốt khô của vật, VLS chia thành 3 nhóm: Vật keo, vật xốp mao dẫn và vật
keo xốp mao dẫn.
1.1.4.1.
Liên kết ẩm trong vật keo là lực hấp thụ và lực khuếch tán thẩm thấu.Do đó,
mật độ dòng ẩm lỏng j
2k
tỷ lệ thuận với gradient áp suất thẩm thấu
tt
p
. Với độ chứa
ẩm thông thƣờng của vật trƣơng nở giới hạn, áp suất thẩm thấu (trƣơng nở) là hàm
của độ chứa ẩm M. Do đó ta có:
(1.1)
Vật keo là vật có cấu trúc mao mạch phân tử ở quá trình không đẳng nhiệt
dịch chuyển ẩm lỏng dạng màng có dạng: Gradient
(1.2)
Dòng ẩm lỏng dịch chuyển sẽ bằng:
(1.3)
Dịch chuyển ẩm dạng hơi đƣợc xác định gần đúng bởi quá trình khuếch tán
phân tử. Mật độ dòng phân tử j
1
tỷ lệ nghịch với gradient của
Tp /
1
. Với p
1
là áp
suất của hơi ẩm. Trong quá trình đoạn nhiệt p
1
là hàm của độ chứa ẩm và nhiệt độ
nên dòng j
1
sẽ bằng:
(1.4)
Dòng dịch chuyển ẩm tổng (lỏng và hơi) xác định theo
M
và
t
trong vật
keo sẽ bằng:
(1.5)
5
Trong đó:
(1.6)
(1.7)
1.1.4.2.
Dịch chuyển lỏng mao dẫn (Khuếch tán mao dẫn) trong vật xốp mao dẫn, có
các mạch lớn (r > 10
-5
), gắn liền với liên kết cơ lý. Trong vật xốp cấu trúc đa mao
mạch, dòng ẩm lỏng tỷ lệ thuận với gradient thế mao dẫn
(1.8)
Thế mao dẫn
trong trƣờng hợp đẳng nhiệt tỷ lệ thuận với độ chứa ẩm M.
Trong điều kiện không đẳng nhiệt, dòng ẩm lỏng khếch tán mao dẫn j
2md
đƣợc xác định:
(1.9)
a
2md
và
t
md2
a
là hệ số khếch tán lỏng mao dẫn và hệ số khếch tán nhiệt của
lỏng mao dẫn. Gía trị của chúng phụ thuộc vào sức căng bề mặt, góc dính ƣớt, độ
nhớt của lỏng, bán kính mao dẫn.
Khi ẩm của vật vƣợt giá trị hút ẩm cực đại thì trong các mao mạch lớn của
vật xốp chƣa đầy nƣớc, dịch chuyển lỏng lúc này là do chênh lệch thế mao dẫn.
Khác với trƣờng hợp thấm lỏng mao dẫn xẩy ra do vật tiếp xúc trực tiếp với chất
lỏng (do áp suất thủy tĩnh), thế mao dẫn φ là không đồng nhất, lƣợng lỏng đƣợc hút
vào có giới hạn vì lỏng không thể điền đầy toàn bộ vật do bị hạn chế bởi phần cốt
khô của vật. Thế mao dẫn φ với phân tố mao mạch bằng:
Nhƣ vậy điều kiện có thể dịch chuyển lỏng mao dẫn, gắn với sự bay hơi và
ngƣng tụ lỏng, là sự khác biệt bán kính của mao mạch, r
1
r
2
.
Với sự tồn tại của quá trình bay hơi, dịch chuyển hơi ẩm trong các mao mạch
lớn (r > 10
-5
), đƣợc xác định theo quy luật khếch tán phân tử. Còn với các mao
mạch nhỏ quá trình này xảy ra theo quy luật chảy tràn. Ngoài ra, với quá trình bay
hơi lỏng trong vật xốp, còn tồn tại dịch chuyển ẩm đối lƣu vĩ mô đƣợc gọi là khếch
tán trƣợt (hay là khếch tán thủy động). Khi đó dòng hơi tổng ứng với áp suất tổng
6
p=const sẽ gồm dòng khếch tán phân tử j
1pt
, dòng khếch tán đối lƣu j
1dl
=
k1
v.
và
dòng chảy tràn j
1ct
. Áp suất bay hơi p
1
là hàm của độ chứa ẩm và nhiệt độ,
p
1
=f(M,t). Vậy nên, dòng dịch chuyển ẩm có thể thể hiện bằng quan hệ:
(1.11)
Vậy dòng ẩm tổng dịch chuyển trong xốp mao dẫn là:
(1.12)
Trong đó:
Mmd
a
và
t
Mmd
a
là hệ số khếch tán ẩm và hệ số khếch tán nhiệt của
ẩm mao dẫn, với:
(1.13)
(1.14)
Ngoài ra, còn có dịch chuyển ẩm lỏng và hới do lực thấm mao dẫn (đƣợc
nghiên cứu trong lý thuyết thấm). Giả thiết dòng thấm lỏng và hơi độc lập nhau, có
thể viết:
(1.15)
1.1.4.3.
Qúa trình dịch chuyển ẩm trong vật keo xốp mao dẫn đƣợc xác định bằng
các hiện tƣợng dịch chuyển khác nhau và đƣợc phân tích trong vật keo và vật mao
dẫn ở trên.
Nếu bỏ qua ảnh hƣởng của lực trọng trƣờng thì sự chuyển ẩm trong VLS do
các lực nhiệt động khác nhau và các lực nhiệt động này đều là hàm của độ chứa ẩm
M và nhiệt độ t, do đó chúng có thể biểu diễn qua
t,M
.
Dịch chuyển ẩm qua vật keo xốp mao dẫn đƣợc xác định bằng công thức:
(1.16)
Trong đó:
M
a
và
t
M
a
là hệ số khếch tán và hệ số khếch tán nhiệt của ẩm,
là
hệ số khếch tán nhiệt tƣơng đối
t
MM
a/a
.
7
(1.17)
Các hệ số khếch tán ẩm a
M
và đề là hàm của độ chứa ẩm và nhiệt độ. Đặc
trƣng cho sự thay đổi của hệ số a
M
với độ chứa ẩm khác nhau đƣợc xác định theo
dạng liên kết ẩm và dạng dịch chuyển ẩm (lỏng và hơi). Với vật xốp mao dẫn điển
hình , hệ số a
M
tăng khi độ chứa ẩm tăng, và với độ chứa ẩm lớn thi hệ số a
M
không
đổi. Nếu quá trình là dịch chuyển ẩm lỏng thì hệ số a
M
sẽ tăng hoặc không đổi phụ
thuộc vào đƣờng cong phân bố hang xốp theo đƣờng kính. Hệ số a
M
của các vật liệu
đƣợc xác định bằng thực nghiệm dƣới dạng bảng số hoặc công thức.
1.1.4.4.
Trong quá trình sấy cƣờng độ cao, nếu nhiệt độ của vật liệu sấy lớn hơn
100
O
C thì phân áp suất hơi nƣớc bão hòa p
1
sẽ lớn hơn áp suất riêng phần của hơi
nƣớc trong TNS. Khi đó, dòng dịch chuyển ẩm do khếch tán trong vật xốp đƣợc
thay thế bởi dòng dịch chuyển ẩm đối lƣu.
Gradient áp suất tổng
)p(
xuất hiện khi nhiệt độ của vật liệu sấy lớn hơn
100
O
C, tuy nhiên nếu quá trình đƣợc thực hiện bằng việc đốt nóng bên trong (ví dụ
sấy cao tần) thì
)p(
xuất hiện ngay cả khi nhiệt độ bé hơn 100
O
C
Sự tồn tại của
)p(
gây nên dòng dịch chuyển ẩm đối lƣu của hổn hợp khí –
hơi trong môi trƣờng xốp, nên khi tính dòng nhiệt dịch chuyển ẩm ( lỏng, hơi ) tổng
quát cần bổ sung dòng dịch chuyển này. Mật độ dòng hơi dịch chuyển bởi dòng này
là:
(1.18)
Với
/
110
là nồng độ tƣơng đối của hơi nƣớc, k
p
là hệ số dòng nồng
độ phân tử:
Với d là dung ẩm của không khí.
8
Dòng ẩm tồn tại gradient áp suất tổng bằng:
(1.20)
Biểu thức (1.20) chƣa kể đến dịch chuyển lỏng dƣới tác dụng của lực trong
trƣờng và gradient áp suất thủy tĩnh (dòng lỏng qua môi trƣờng xốp). Cƣờng độ của
dòng dịch chuyển ẩm thấm đối lƣu lớn hơn nhiều lần dòng dịch chuyển ẩm dƣới tác
động của lực mao dẫn và khếch tán. Qúa trình này thƣơng đƣợc nghiên cứu độc lập
với quá trình dịch chuyển ẩm trong VLS.
1.2. thoát
Muốn làm khô phải đặt nguyên liệu trong môi trƣờng không khí để ẩm, nƣớc
dịch chuyển vào môi trƣờng không khí, có sự chênh lệch vật chất (thế vật chất).
Hoạt độ của nƣớc trong nguyên liệu phải đảm bảo dƣới hoạt động của vi sinh vật
hoạt động.
Khi làm khô xảy ra quá trình nƣớc tách ra khỏi vật liệu: nƣớc từ bề mặt
nguyên liệu dịch chuyển vào môi trƣờng khô. Đậy là điều kiện kiên quyết để quá
trình làm khô xảy ra. Ngoài ra làm khô phải có quá 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 khi
ẩm và nƣớc từ trung tâm nguyên liệu dịch chuyển ra bề mặt và lớp xung quanh đảm
bảo độ ẩm ở lớp trung tâm bằng các lớp xung quanh.
Quá trình thoát ẩm ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy đƣợc chia làm 2 giai
đoạn:
1.2.1. Quá
Là quá trình dịch chuyển ẩm từ lớp bề mặt của vật liệu sấy vào môi trƣờng
không 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 nƣớc trong môi trƣờng không khí.
Lƣợng nƣớc bay hơi:
Hoặc
(1.21)
Trong đó : P
s
:Áp suất riêng phần hơi nƣớc trên bề mặt
P
h
: Áp suất riêng phần không khí
9
K: Hệ số bay hơi
F: Diện tích bề mặt bay hơi
: Gradient độ ẩm
Lƣợng bay hơi trên một đơn vị diện tích tỷ lệ thuận với gradient chênh lệch
ẩm giữa nguyên liệu và môi trƣờng xung quanh.
Sự chênh lệch xảy ra: nƣớc từ bề mặt dịch chuyển vào môi trƣờng xung
quanh làm độ ẩm lớp không khí tăng lên, đồng thời làm lƣợng 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 môi trƣờng không khí thì quá trình ngừng bay hơi, nhƣng độ ẩm của hai
lớp không khí kế tiếp chênh lệch nên độ ẩm của không khí thứ nhất khếch tán sang
lớp thứ hai và ẩm từ trong VLS khếch tán sang lớp không khí thứ nhất.
Gradient độ ẩm phụ thuộc vào tính chất của môi trƣờng làm khô: nhiệt độ, áp
suất, sự luân chuyển của không khí, và phụ thuộc vào bề mặt nguyên liệu: độ nhẵn,
hình dạng, kích thƣớc bề mặt.
1.2.2.
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 quá trình khếch tán nội còn xảy ra do chênh lệch nhiệt độ giữa các
lớp bên trong và các lớp bề mặt.
(1.22)
Trong đó : D: Hệ số khếch tán nội
F: Diện tích khếch tán
: Gradient độ ẩm
Hệ số khếch tán nội (D) phụ thuộc chủ yếu và thành phần, tính chất nguyên
liệu, gián tiếp phụ thuộc vào yếu tố môi trƣờng.
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 phƣơng pháp sấy và thiết bị sấy mà dòng ẩm dịch
10
chuyển dƣới tác dụng của nồng độ ẩm và dòng ẩm dịch chuyển dƣới tác dụng của
nhiệt độ có thể cùng chiều hoặc ngƣợc chiều với nhau.
Nếu hai dòng ẩm dịch chuyển cùng chiều với nhau sẽ làm thúc đẩy quá trình
thoát ẩm rút ngắn thời gian sấy. Nếu 2 dòng ẩm dịch chuyển ngƣợc chiều nhau sẽ
kìm hãm sự thoát ẩm kéo dài thời gian sấy.
1.2.3. quan
Khếch tán nội và khếch tán ngoại có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, quá
trình khếch tán ngoại là quá trình khởi đầu và quyết định đến giai đoạn đầu của quá
trình sấy và quá trình khếch tán nội là động lực của quá trình khếch tán ngoại. Tức
là quá trình khếch tán ngoại đƣợc tiến hành thì quá trình khếch tán nội mới đƣợc
tiếp tục và nhƣ thế độ ẩm của nguyên liệu mới đƣợc giảm dần. Tuy nhiên trong quá
trình sấy ta phải làm cho 2 quá trình này cân bằng với nhau, tránh trƣờng hợp khếch
tán ngoại lớn hơn quá trình khếch 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 thoát ẩm, khi xảy ra hiện
tƣợng đó phải khắc phục bằng cách ủ ẩm (sấy gián đoạn) mục đích là thúc đẩy quá
trình khếch tán nội.
1.3. Các giai
Đặc điểm của quá trình sấy đối với vật thể có độ ẩm tƣơng đối cao, nhiệt độ
sấy và tốc độ chuyển động của không khí không quá lớn xảy ra theo ba giai đoạn đó
là giai đoạn làm nóng vật, giai đoạn sấy tốc độ không đổi, giai đoạn tốc độ sấy giảm
dần. Đối với các trƣờng hợp sấy với điều kiện khác thì quá trình sấy cũng xảy ra ba
giai đoạn nhƣng các giai đoạn có thể đan xen khó phân biệt hơn.
1.3.1. Giai
Giai đoạn này bắt đầu từ khi đƣa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí
nóng cho tới khi nhiệt độ vật đạt đƣợc bằng nhiệt độ kế ƣớt. Trong quá trình sấynày
toàn bộ vật đƣợc gia nhiệt. Ẩm lỏng trong vật đƣợc gia nhiệt cho đến khi đạt đƣợc
nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất hơi nƣớc trong môi trƣờng không khí trong buồng
sấy. Do đƣợc làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm chút ít do bay hơi ẩm còn nhiệt
độ của vật thì tăng dần cho đến khi bằng nhiệt độ kế ƣớc. Tuy vậy, sự tăng nhiệt độ
11
trong quá trình xảy ra không đều ở phần ngoài và phần trong vật. Vùng trong vật đạt
đến nhiệt độ kế ƣớc chậm hơn. Đối với vật dễ sấy thì giai đoạn làm nóng vật xảy ra
nhanh.
1.3.2. Gia
Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ kế ƣớc. Tiếp tục cung
cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ hóa hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt
cung cấp chỉ để làm hóa hơi nƣớc. 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 không
khí nóng không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ giữa vật
và môi trƣờng cũng không đổi. Điều này làm cho tốc độ giảm của độ chứa ẩm vật
theo thời gian cũng không 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 đƣợc thoát ra trong giai đoạn này là ẩm tự do. Khi độ ẩm của vật đạt đến trị số
tới hạn U
k
= U
cbmax
thì giai đoạn sấy tốc độ không đổi chấm dứt. Đồng thời cũng là
chấm dứt giai đoạn thoát ẩm tự do chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ giảm.
1.3.3. Giai
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 lƣợng 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 môi trƣờng
không khí ẩm trong buồng sấy thì quá trình thoát ẩm của vật ngƣng lại, có nghĩa tốc
độ sấy bằng không.
1.4. Các
Sấy có thể đƣợc chia ra hai loại: sấy tự nhiên và sấy nhân tạo.
- Sấy tự nhiên: quá trình phơi vật liệu ngoài trời, không có sử dụng thiết bị.
- Sấy nhân tạo: các phƣơng pháp sấy nhân tạo thực hiện trong các thiết bị sấy.
12
Có nhiều phƣơng pháp sấy nhân tạo khác nhau. Căn cứ vào phƣơng pháp
cung cấp nhiệt có thể chia ra các loại: sấy đối lƣu, sấy bức xạ, sấy tiếp xúc, sấy
thăng hoa, sấy bằng điện trƣờng dòng cao tần, sấy điện trở…
1.4.1. Các
1.4.1.1.
Sấy bằng cách phơi nắng (không có sử dụng thiết bị sấy) đƣợc sử dụng rộng
rãi nhất trong chế biến nông sản…
Trong các phƣơng pháp phức tạp hơn (sấy bằng năng lƣợng mặt trời), năng
lƣợng mặt trời đƣợc thu nhận để gia nhiệt tác nhân sấy hoặc sử dụng năng lƣợng
mặt trời sấy trực tiếp.
1.4.1.2.
Nguyên lý hoạt động:
Không khí nóng hoặc khói lò đƣợc dùng làm tác nhân sấy có nhiệt độ, độ
ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm trong vật sấy
bay hơi rồi đi theo tác nhân sấy.
Không khí có thể chuyển động cùng chiều, ngƣợc chiều hoặc cắt ngang dòng
chuyển động của sản phẩm. Sấy đối lƣu có thể thực hiện theo mẻ (gián đoạn) hay
liên tục. Trên hình vẽ dƣới là sơ đồ nguyên lý sấy đối lƣu bằng không khí nóng.
1 – Quạt; 2 – Caloriphe; 3 – Buồng sấy
Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống sấy đối lƣu.
Sản phẩm sấy có thể lấy ra khỏi buồng sấy theo mẻ hoặc liên tục tƣơng ứng
với nạp vào. Caloriphe 2 đốt nóng không khí có thể là loại caloriphe điện, caloriphe
13
hơi nƣớc v.v
Kết cấu thực của hệ thống rất đa dạng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: chế
độ làm việc, dạng vật sấy, áp suất làm việc, cách nung nóng không khí, chuyển
động của tác nhân sấy, sơ đồ làm việc, cấu trúc buồng sấy
Đối với quá trình sấy chi phí năng lƣợng là yếu tố chính ảnh hƣởng đến hiệu
quả kinh tế sản xuất, vì vậy khi thiết kế, cần chú ý đến các biện pháp làm giảm sự
thất thoát nhiệt, tiết kiệm năng lƣợng.
Ví dụ:
- Cách nhiệt buồng sấy và hệ thống ống dẫn.
- Tuần hoàn khí thải qua buồng sấy
- Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt từ không khí thoát ra để đun
nóng không khí hoặc nguyên liệu vào.
- Sử dụng nhiệt trực tiếp từ lửa đốt khí tự nhiên và từ các lò đốt có cơ cấu
làm giảm nồng độ khí oxit nitơ.
- Sấy thành nhiều giai đoạn (ví dụ: kết hợp sấy tầng sôi với sấy thùng hoặc
sấy phun kết hợp với sấy tầng sôi).
- Cô đặc trƣớc nguyên liệu lỏng đến nồng độ chất rắn cao nhất có thể.
1.4.2.
1.4.2.1.
- Cấu tạo: Gồm thùng hình trụ 1 đặt dốc khoảng 6 8 độ so với mặt phẳng
nằm ngang. Có 2 vành đai trƣợt trên các con lăn tựa 4 khi thùng quay. Khoảng cách
giữa các con lăn có thể điều chỉnh đƣợc, để thay đổi góc nghiêng của thùng. Thùng
quay đƣợc nhờ lắp chặt trên thân thùng, bánh răng 2 ăn khớp với bánh răng 3 nối
với môtơ thông qua hộp giảm tốc. Thùng quay với vận tốc khoảng từ 1 8
vòng/phút. Bánh răng đặt tại trọng tâm của thùng.
Máy sấy thùng quay làm việc ở áp suất khí quyển. Tác nhân sấy có thể là
không khí hay khói lò. Thƣờng thì vật liệu sấy hay tác nhân sấy chuyển động cùng
chiều để tránh sấy quá khô và tác nhân sấy khỏi mang theo vật liệu sấy nhiều nhƣ
sấy ngƣợc chiều. Vận tốc của không khí hay khói lò đi trong thùng khoảng 2 3 m/s.
14
Vật liệu uớt qua phểu 10 rồi vào thùng ở đầu cao và đƣợc chuyển động trong
thùng nhờ những đệm chắn 11. Đệm chắn vừa phân bố đều vật liệu theo tiết diện
thùng, vừa xáo trộn vật liệu, vừa làm cho vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy tốt hơn.
Vật liệu sấy sau khi sấy khô đƣợc đƣa ra cửa 6 nhờ vít tải 7 đƣa ra ngoài. Còn khói
lò hay không khí thải ra đƣợc cho qua xyclon 8 để giữ lại những hạt vật liệu bị kéo
theo rồi thải ra ngoài trời qua ống khói. Để tránh các khí thải chui qua các khe hở
của máy sấy, làm ảnh hƣởng đến sức khoẻ công nhân, ngƣời ta đặt quạt hút 5 bổ
sung cho sức hút của ống khói và tạo áp suất âm trong máy sấy.
Máy sấy thùng quay đƣợc sử dụng rộng rải trong công nghiệp hoá chất, thực
phẩm… để sấy một số hoá chất, quặng Pi-rít, phân đạm, ngũ cốc đƣờng…
- Ƣu điểm:
+ Qúa trình sấy đều đặn và mãnh liệt, tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân
sấy tốt.
+ Cƣờng độ làm việc tính theo lƣợng ẩm khá cao, có thể tới 100 (kg/m h)
+ Thiết bị cấu tạo gọn, chiếm mặt bằng nhỏ.
-Nhƣợc điểm: Vật liệu dễ bị vỡ vụn.
- Chú ý:
+ Nếu sấy bằng khói lò thì dẫn khói lò vào máy bằng cửa 9.
+ Đƣờng kính thùng quay thƣờng có qui chuẩn (D = 1,2; 1,4; 1,6m… tỉ lệ
giữa chiều dài và đƣờng kính thùng khoảng: 3,5 7)
3
15
Hình 1.2: Máy sấy thùng quay
1.4.2.2.
-Cấu tạo: Gồm có tháp cao 5, ở đỉnh tháp có vòi phun 3 cố định hoặc quay.
Dung dịch chứa ở bể 1 có nhiệt độ thích hợp nhờ bơm 2 bơm lên đỉnh tháp và phun
qua vòi thành sƣơng mù.
- Sản phẩm lấy ra ở đáy tháp gián đoạn hay liên tục.
- Tháp có thể cao đến 60m.
Hình 1.3: Thiết bị sấy phun kiểu tháp.
Ñeäm chaén
