Mô phỏng quá trình truyền nhiệt truyền chất trong thiết bị sấy phun

Bộ giáo dục Và đào tạo
TrƯờng đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sỹ khoa học
Mễ PHNG QU TRèNH TRUYN NHIT
TRUYN CHT TRONG THIT B SY PHUN

Ngời hớng dẫn khoa học: GS.TS. NG QUC PH
học viên

: Lấ QUANG TNG

Hà nội - 2010


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ long cảm ơn sâu sắc đối với GS.TSKH Đặng Quốc Phú –
người trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn Viện Khoa Học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Viện đào
tạo sau đại học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện và giúp
đỡ trong quá trình thực hiện luận văn.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới sự hỗ trợ của trung tâm Dasi
– trường Đại học Bách Khoa trong công tác tìm hiểu ứng dụng phần mềm mô
phỏng CFD, với sự giúp đỡ trực tiếp của kĩ sư Trần Minh Ngọc, vào lĩnh vực
chuyên ngành của luận văn.
Cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, khuyến khích và tạo
điều kiện trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Tác giả

Lê Quang Tùng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là do tôi tự nghiên cứu và thực hiện dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo GS.TSKH Đặng Quốc Phú.
Để hoàn thành luận án này tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong mục tài
liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất cứ tài liệu nào khác.
Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỉ luật theo qui định.
Tác giả

Lê Quang Tùng


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
STT

Kí hiệu

Đơn vị đo

1

Cp

kJ/kg.K

Nhiệt dung riêng đẳng áp

2

CD

-

Hệ số cản của không khí

3

Dv

m2/s

Hệ số khuếch tán ẩm

4

d

kg/kg

Độ chứa hơi của không khí ẩm

5

dp

m

Đường kính hạt

6

F

m2

Diện tích bề mặt hạt

7

G

kg/h

Lưu lượng khối lượng

8

g

m/s2

Gia tốc trọng trường

9

h

m

Chiều cao buồng sấy

10

I

kJ/kg

11

Km

kg/m2.s

12

m

kg

Khối lượng

13

p

bar

Áp suất

14

N

kg/s

Tốc độ sấy tương đối

15

n

-

Số lượng hạt

16

q

W

Dòng nhiệt

17

r0

kj/kg

18

t

19

v

m/s

20

X

kg/kg

21

W

kg

0

C

Tên gọi

Entanpi

Hệ số trao đổi chất

Nhiệt ẩn hóa hơi
Nhiệt độ bách phân
Vận tốc
Độ ẩm tuyệt đối của hạt
Hàm lượng ẩm


Chữ Hy Lạp
1

α

W/m2.K

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu

3

λ

W/m.K

Hệ số dẫn nhiệt

4

ξ

-

5

ρ

Kg/m3

6

µ

Pa.s

7

τ

s

9

σ

N/m

Sức căng bề mặt

10

ν

m2/s

Độ nhớt động học

11

ϕ

%

Hệ số tỉ lệ năng suất sấy
Khối lượng riêng
Độ nhớt động lực học
Thời gian lưu trú của hạt

Độ ẩm của không khí

KÍ HIỆU CHÂN
Kí hiệu

Ý nghĩa

Kí hiệu

Ý nghĩa

bh

Bão hòa

o

Ban đầu

c

Đối lưu

p

Hạt

d

Dịch phun

s

Chất rắn

gh

Giới hạn

p

Miệng phun

k

Không khí

td

Tương đối

kn

Khí nén

w

Lỏng

kng

Khí nóng

v

Hơi


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

KÍ HIỆU CHÂN
LỜI MỞ ĐẦU……………………………………………………………….. 1
CHƯƠNG 1: LÍ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ SẤY PHUN………………... 2
1.1 Công nghệ sấy phun và ứng dụng……………………………………….. 2
1.1.1 Đặc trưng……………………………………………………………. 2
1.1.2 Cấu tạo hệ thống sấy phun………………………………………….. 3
1.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống sấy phun…….. 12
1.2 Các nghiên cứu về quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy
phun………………………………………………………………………….. 14
1.2.1 Hướng nghiên cứu ứng dụng………………………………………... 15
1.2.2 Hướng nghiên cứu lý thuyết……………………………………..

19

1.2.3 Hướng nghiên cứu bằng phần mềm fluent………………………….. 24
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT – TRUYỀN
CHẤT CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH SẤY PHUN………………………….. 26
2.1 Lí thuyết quá trình sấy phun……………………………………………... 26
2.2 Quá trình bay hơi của các hạt lỏng………………………………………. 28
2.2.1 Tiếp xúc giữa hạt lỏng và tác nhân sấy……………………………… 28
2.2.2 Quá trình bay hơi của hạt nước nguyên chất………………………… 29
2.2.3 Quá trình bay hơi của giọt lỏng chứa chất rắn hòa tan………………. 34
2.2.4 Quá trình bay hơi của giọt lỏng chứa chất rắn không hòa tan……….. 35
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG
FLUENT………………………………………..............................................

36

3.1 Lịch sử ra đời và phát triển………………………………………………

36

3.2 Cấu trúc của bộ phần mềm Fluent……………………………………….. 37
3.3 Khả năng của Fluent ………...…………………………………………... 37
3.4 Đặc điểm của quá trình mô phỏng số……………...…………………….. 38


3.4.1 Yêu cầu chọn mô hình lưới……………………………………… 39
3.4.2 Cách tạo lưới…………………………………………………….. 40
CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU CHUNG CHUNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
SẤY PHUN CI40D………………………………………………………….

41

4.1 Sơ đồ cấu tạo…………………………………………………………….. 41
4.2 Nguyên lý hoạt động………………..…………………………………… 43
4.3 Thiết bị thí nghiệm CI40D cải tiến………………..……………………..

43

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH SẤY PHUN……………………..

46

5.1 Cở sở lý thuyết…………………………………………………………...

46

5.1.1 Mô hình rối trong tính toán dòng nhiều pha……………………….

46

5.1.2 Mô hình rối k-є thực tế …………………………………………….

47

5.1.3 Ứng dụng của bài toán truyền nhiệt – truyền chất bằng đối lưu
trong mô hình rối ……………………………………………………………. 50
5.1.4 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên ………………………………. 51
5.1.5 Phương pháp số sử dụng trong phần mềm FLUENT ……………… 53
5.2 Các bước giải bài toán…………………………………………………… 56
5.3 Ứng dụng phần mềm FLUENT để mô phỏng và tính toán……………… 57
5.3.1 Phạm vi ứng dụng của phần mềm FLUENT ………………………. 57
5.3.2 Bài toán mô phỏng không gian buồng sấy phun …………………... 58
5.4 Giải bài toán sấy phun trên FLUENT……………………………………

60

5.5 Kết quả mô phỏng……………………………………………………….. 65
5.5.1 Mô Phỏng ở chế độ nhiệt độ cao…………………………………… 66
5.5.2 Mô Phỏng ở chế độ nhiệt độ thấp…………………………………..

75

5.6 Kết luận………………………………………………………………….. 81
CHƯƠNG 6: TÓM TẮT, KẾT LUẬN VÀ CÁC ĐỀ XUẤT MỞ RỘNG PHẠM
VI NGHIÊN CỨU…………………………………………………………….. 82

6.1 Tóm tắt và kết luận………………………………………………………. 82
6.1.1 Tóm tắt……………………………………………………………...

82

6.1.1 Kết luận…………………………………………………………….. 83
6.2 Các đề xuất mở rộng phạm vi nghiên cứu……………………………….
TÀI LIỆU THAM KHẢO

83



MỞ ĐẦU
Công nghệ sấy phun đã và đang được phát triển, ứng dụng rộng rãi trên thế
giới, trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Sấy phun là phương pháp duy nhất có thể sấy
các dung dịch hòa tan hoặc dung dịch dạng huyền phù cho sản phẩm dạng bột khô.
Trong công nghiệp hóa chất, công nghệ sấy phun đã được ứng dụng để sản xuất
thuốc diệt nấm, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu… Sấy phun cũng đã được áp dụng trong
ngành công nghiệp khai thác và chế biến khoáng sản. Đặc biệt là trong ngành công
nghiệp thực phẩm thì vai trò của sấy phun là rất to lớn, hầu như không có giới hạn.
Sấy phun được ứng dụng trong sản xuất bột hương vị, bột cà chua, bột khoai tây…
Các nghiên cứu về công nghệ sấy phun chủ yếu tập trung theo hai hướng:
Hướng thứ nhất là nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống
sấy phun, kết hợp với sự hỗ trợ đắc lực của các chương trình máy tính để xây dựng
mô hình mô phỏng cũng như tối ưu hóa hoạt động của hệ thống sấy phun. Hướng
thứ hai là nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng của công nghệ sấy phun trên nhiều
lĩnh vực khác nhau.
Ở Việt Nam, tuy công nghệ sấy phun còn chưa phổ biến nhưng trong tương lai
gần khả năng ứng dụng công nghệ này trong sản xuất, chế biến các sản phẩm nông
sản là rất lớn.
Mục đích đồ án là đưa ra một phương pháp nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt

và trao đổi chất trong thiết bị sấy phun thông qua việc mô phỏng mô hình thiết bị
sấy phun trên phầm mềm máy tính (Fluent), từ đó xác định được chế độ sấy tối ưu
cho mỗi loại sản phẩm.
Nội dung của đồ án gồm có: Phần thứ nhất là nghiên cứu về lý thuyết quá trình
trao đổi nhiệt - trao đổi chất trong thiết bị sấy phun cùng chiều. Phần thứ hai là tiến
hành nghiên cứu xây dựng, tính toán mô phỏng mô hình sấy phun IC40D với sản
phẩm là nước cất. Từ đó, ta có được cái nhìn trực quan, sinh động về quá trình trao
đổi nhiệt – trao đổi chất trong buồng sấy phun.

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẤY PHUN

1.1 CÔNG NGHỆ SẤY PHUN VÀ ỨNG DỤNG
1.1.1 Đặc trưng
Sấy là quá trình cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái pha của
lỏng trong vật liệu sấy thành hơi. Hầu hết các vật liệu trong quá trình sản xuất đều
chứa pha lỏng là nước và thường gọi là ẩm. Như vậy, sấy là quá trình tách ẩm bằng
phương pháp nhiệt.
Do nhu cầu sấy ngày càng đa dạng, có nhiều phương pháp và thiết bị để sấy
các loại sản phẩm khác nhau. Ngoài ra đôi khi cùng một loại sản phẩm nhưng nếu
yêu cầu về qui mô sấy khác nhau thì cũng đòi hỏi các thiết bị sấy khác nhau.
Trong hệ thống sấy phun, quá trình sấy diễn ra trong một buồng sấy hình trụ.
Sấy phun là công nghệ duy nhất có khả năng tạo ra các sản phẩm ở dạng bột khô từ
vật liệu đầu vào ở trạng thái lỏng nhờ việt phun nguyên liệu lỏng vào môi trường
tác nhân sấy có nhiệt độ cao. Nguyên liệu sấy có thể ở dạng dung dịch hòa tan,
huyền phù, bột nhão. Sản phẩm khô có thể ở dạng bột mịn, dạng hạt hay khối kết tụ
tùy thuộc vào tính chất lí hóa của nguyên liệu và điều kiện vận hành. Ngày nay, sấy
phun được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhất là trong các

ngành hóa chất, dược phẩm, thực phẩm…nhờ những ưu điểm nổi bật như:
- Dải công suất thiết bị rất rộng, phạm vi tốc độ cấp liệu lớn, từ vài kg/ giờ
tới trên 100 tấn/ giờ, thời gian sấy ngắn.
- Nguyên liệu sấy đa dạng có thể là các dung dịch, huyền phù, bột nhão,
vữa… sản phẩm ra có thể ở dạng bột mịn, dạng hạt, khối kết tụ.
- Kết cấu đa dạng, có thể dùng để thu được những đặc tính sản phẩm khác
nhau.
- Có thể ứng dụng với cả sản phẩm chịu nhiệt và nhạy cảm với nhiệt.
- Quá trình diễn ra liên tục và có khả năng tự động hóa cao.
2


- Nguy cơ ăn mòn thấp do nguyên liệu không tiếp xúc với bề mặt kim loại
cho tới khi sấy khô.
Bên cạnh đó sấy phun có một số nhược điểm như:
- Hiệu suất thu hồi sản phẩm thấp so với các phương pháp sấy khác.
- Chi phí đầu tư ban đầu khá cao.
- Sản phẩm có thể bị biến chất, mất hương vị, màu sắc khi chế độ sấy không
phù hợp.
- Phải thường xuyên vệ sinh, bảo dưỡng thiết bị.
1.1.2 Cấu tạo hệ thống sấy phun
Hệ thống sấy phun thực tế được thiết kế với nhiều hình dạng khác nhau để
đáp ứng cho từng ứng dụng cụ thể, hình 1.1 trình bày một sô đồ nguyên lí hệ thống
sấy phun.

4

1

1. Nguyên liệu cấp

5
3

2. Không khí nóng vào
3. Buồng sấy

2

9

6

8

4. Mũi phun
5. Không khí thải

7

10

Hình 1.1: Mô hình nguyên lí hệ thống
sấy phun

6. Thiết bị tách xyclon
7. Vận chuyển sản phẩm
8. Túi lọc xyclon
9. Không khí ẩm
10. Sản phẩn ra

Hệ thống sấy có nhiều hình dạng khác nhau nhưng về nguyên tắc chúng bao
gồm các bộ phận chính như sau (hình 1.2).

3


1. Hệ thống cấp liệu
Hệ thống cấp liệu gồm: thùng chứa liệu, bộ phận lọc, bơm cấp liệu, vòi phun
sương. Trong quá trình hoạt động của hệ thống thì bơm cấp liệu và vòi phun sương
giữ một vai trò rất quan trọng vì chúng là nhân tố quyết định đến sự phân bố và
đường kính của hạt trong buồng sấy.
- Thùng chứa liệu: dùng để chứa vật liệu sấy sau khi được xử lí, chế biến. Để
đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục ngay cả khi sự cấp liệu vào thùng bị gián đoạn
thì dung tích của thùng phải đủ lớn. Vật liệu chế tạo thùng cũng như các đường ống
dẫn liệu phải được chọn tùy theo tính chất của các vật liệu sấy. Khi tiến hành sấy
các loại thực phẩm thì yêu cầu chọn các loại vật liệu không gỉ. Trong khi đó, khi
sấy các dung dịch hóa học thì yêu cầu ở đây lại là chọn các vật
liệu chống ăn mòn.
Vật liệu
Không khí
Bể chứa
Bộ lọc
Bộ lọc
Quạt

Bơm dịch

Gia nhiệt

Vòi phun
Buồng sấy

xyclon
Sản phẩm khô

Khí thải

Hình 1.2 Sơ đồ khối cấu tạo hệ thống sấy
h
- Bộ phận lọc: nhiệm vụ là lọc và loại bỏ các tạp chất, các hạt liệu có kích
thước lớn có thể ảnh hưởng đến quá trình sấy, đến chất lượng của sản phẩm sấy.
4


Các tạp chất này có thể làm tắc đường ống dẫn liệu hoặc vòi phun, làm gián đoạn
quá trình sấy.
- Bơm cấp liệu: có nhiệm vụ tiếp liệu vào buồng sấy thông qua vòi phun
sương. Các loại bơm được dùng cũng rất đa dạng tùy theo tính chất của các vật liệu
sấy. Với các vật liệu có dạng huyền phù, keo đặc thường dùng bơm bánh răng. Bơm
li tâm thích hợp với cả dung dịch hòa tan và không hòa tan. Bơm trục vít được dùng
nhiều khi sấy các nguyên liệu như: dược phẩm, cà chua, sữa, chanh dây.
- Vòi phun sương: đóng vai trò rất quan trọng với mục đích biến bụi, biến vật
liệu lỏng thành các hạt nhỏ, mịn theo yêu cầu và phân bố đều chúng vào trong
buồng sấy. Nó giúp đảm bảo quá trình trao đổi nhiệt, trao đổi chất trong buồng sấy
diễn ra tốt. Có rất nhiều loại vòi phun: vòi phun khí động, vòi phun đĩa quay, vòi
phun áp suất, vòi phun cốc quay, vòi phun siêu âm. Các vòi phun được lựa chọn
dựa vào tính chất của nguyên liệu cấp, sản phẩm ra, công suất của hệ thống. Với
năng suất cực lớn vòi phun đĩa quay chiếm ưu thế hơn mặc dầu các thiết kế vòi
phun đều có dải năng suất thấp đến dải năng suất cao. Với tốc độ cấp liệu thấp thì

các vòi phun có thể tạo ra các hạt sương khá giống nhau. Nhưng với tốc độ cấp liệu
lớn thì vòi phun đĩa quay tạo ra các hạt đồng đều hơn. Khi thay đổi năng suất, với
vòi phun đĩa quay chỉ việc thay đổi tốc độ quay của đĩa, còn vòi phun áp suất phải
thay đổi áp suất. Thay đổi áp suất làm thay đổi phân bố kích thước hạt, nếu sự thay
đổi nằm ngoài giới hạn thì phải lắp thêm vòi phun mới. Trong hệ thống sấy phun
thường sử dụng ba loại vòi phun: vòi phun khí động, vòi phun đĩa quay và vòi phun
áp suất.
+ Vòi Phun khí động (hình 1.3): Vòi phun khí động hoạt động dựa theo nguyên tắc
dòng khí có tốc độ lớn thổi vào dòng chất lỏng phá vỡ các liên kết giữa các phần tử
lỏng tạo thành các hạt bụi sương. Quá trình biến bụi chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi
tính chất của dung dịch và khí như: sức căng bề mặt, độ nhớt của dung dịch, khối
lượng riêng của dung dịch và khí, tốc độ khí. Về mặt cấu tạo vòi phun khí động có
ba loại là hòa trộn trong, hòa trộn ngoài và hỗn hợp.
5


Hình 1.3: Vòi phun khí động
Đã có nhiều tác giả nghiên cứu về sự hình thành hạt khi ra khỏi vòi phun khí
động. Marshall và Kim [10] đã đưa ra phương trình xác định kích thước hạt cho vòi
phun khí động hai dòng hòa trộn ngoài:
d p0

⎛ µ ⎞
σ d0,41.µd0,32
= 5356. 2
+ 3440 ⎜ d ⎟
0,57
0,36 0,16
(vtd .ρ kn ) .F ρ d
⎝ σρ d ⎠

Trong đó: m – là hệ số phụ thuộc tỉ lệ
Với

0,17
−0,54
td

.v

⎛ Gkn ⎞
⎜
⎟
⎝ Gd ⎠

m

Gkn
. Được xác định như sau:
Gd

Gkn
G
< 3 thì m = - 1; kn > 3 thì m = - 0,5.
Gd
Gd

Đường kính hạt có thể thay đổi trong giới hạn rộng bằng cách hiệu chỉnh tỉ lệ
khí nén và vật liệu cấp, độ nhớt của vật liệu cấp, tốc độ tương đối giữa hạt và dòng
khí, khối lượng riêng của không khí. Tăng tỉ lệ khí nén và khối lượng lỏng cấp

Gkn
Gd

trong khoảng từ 0,1 đến 10 làm giảm đường kính hạt. Nếu tỉ lệ nhỏ hơn 0,1 thì làm
xấu đi đặc tính phun một cách nhanh chóng. Nếu tỉ lệ lớn hơn 10 thì sẽ thừa năng
lượng mà không làm giảm kích thước hạt. Khi tăng độ nhớt đường kính hạt sẽ tăng.
Khi tăng tốc độ tương đối giữa hạt và không khí đường kính trung bình của hạt sẽ
giảm. Tăng khối lượng riêng của không khí làm tăng mật độ không khí, tăng ma sát
giữa hạt và không khí dẫn đến làm giảm đường kính hạt.
6


Vòi phun khí động có ưu điểm là có khả năng tạo ra các hạt nhỏ và đồng đều.
Điều này đạt được trong giới hạn hoạt động rộng với cả dung dịch có độ nhớt cao
và thấp mà không yêu cầu phải có bơm áp suất cao. Vòi phun khí động tạo sự phun
sương rất tốt cho dung dịch có độ nhớt thấp. Nó cũng phun sương tốt cho dung dịch
có độ nhớt cao hơn. Một số sản phẩm không phun được bằng vòi phun áp suất thì
lại có thể phun tốt bằng vòi phun khí động, ví dụ như dung dịch huyền phù của
nhựa PVC. Một vài lĩnh vực ứng dụng vòi phun này là: sấy titan dioxit, canxi
cacbonat, đất sét, bột ngũ cốc, các loại sản phẩm màu hữu cơ và vô cơ.
Tuy nhiên, loại vòi phun này có nhược điểm là cần có máy nén khí, hơn nữa
khí nén nếu không được gia nhiệt thì sẽ làm lạnh buồng sấy từ đó làm giảm hiệu
suất sấy. Mặt khác do tốn năng lượng cho máy nén khí nên năng lượng cần để tạo ra
một đơn vị diện tích bề mặt sẽ lớn.
+ Vòi phun áp suất (hình 1.4): Nguyên lí hoạt động của vòi phun áp suất dựa trên sự
chuyển áp lực lỏng thành động năng chuyển động của các màng lỏng.

Hình 1.4: Vòi phun áp suất
Dưới áp suất cao dòng chất lỏng bị đẩy qua những khe nhỏ nghiêng và xoắn ốc,

theo quán tính những tia văng ra tạo thành những màng mỏng trong khoang tạo rối
7


rồi được đẩy ra ngoài qua miệng phun. Các phân tử trong màng đang có chuyển
động quay, vì vậy khi thoát ra khỏi miệng phun sẽ bị xé tơi ra theo phương tiếp
tuyến. Áp suất tăng sẽ làm giảm góc phun nhưng chỉ giảm nhẹ. Độ nhớt của dung
dịch cũng ảnh hưởng tới góc phun: độ nhớt tăng sẽ làm giảm góc phun, thậm chí
nếu quá nhớt nó có thể bịt kín miệng phun. Như vậy dung dịch quá nhớt sẽ không
thể phun sương bằng vòi phun áp suất.
+ Vòi phun đĩa quay (hình 1.5): Cơ chế của vòi phun đĩa quay dựa trên sự hình
thành gia tốc li tâm khi lỏng được cấp vào đĩa quay tròn. Lỏng sẽ trượt từ tâm đĩa
quay đến cạnh đĩa và văng ra ngoài do lực li tâm. Ngoài ra để thúc đẩy sự tạo thành
sương thì người ta có thể bố trí thêm quạt cùng với đĩa quay để xé nhỏ dòng hạt
thoát ra từ cạnh đĩa.
Ưu điểm của vòi phun đĩa quay: giới hạn hoạt động rộng, khả năng cấp liệu
lớn, ứng dụng cho nhiều loại vật liệu sấy khác nhau, tạo ra chùm hạt phun rộng với
kích thước hạt nhỏ và khá đồng đều, dễ điều chỉnh tốc độ cấp liệu thông qua tốc độ
quay của đĩa.

Hình 1.5: Vòi phun đĩa quay
2. Hệ thống cung cấp không khí
Hệ thống cung cấp không khí cho quá trình sấy bao gồm các bộ phận: bộ lọc,
quạt, bộ gia nhiệt.
- Bộ lọc: đóng một vai trò quan trọng vì nó loại bỏ các tạp chất, bụi bẩn lẫn
trong dòng không khí vào buồng sấy có thể ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm sấy.
8


khi sấy các tác nhân không phải là không khí thì quá trình sấy phải tiến hành trong

chu trình kín. Vì lượng tác nhân sấy là có giới hạn và do đó cần thu hồi cho quá
trình sấy tiếp theo. Khi đó bộ lọc làm nhiệm vụ lọc tác nhân sấy thoát ra khỏi buồng
sấy để tái tuần hoàn. Ở các hệ thống sấy phun lớn thường sử dụng bộ lọc trục quay.
- Bộ gia nhiệt: làm nhiệm vụ nung nóng không khí theo cách trực tiếp hoặc
gián tiếp. Nguồn cung cấp nhiệt có thể là hơi nóng, xăng, dầu, điện, khí đốt. Việc
lựa chọn nguồn nhiệt phụ thuộc vào loại sản phẩm sấy, giá thành cũng như khả
năng sẵn có của nhiên liệu. Dựa theo yêu về thiết bị cung cấp nhiệt mà các sản
phẩm sấy được phân loại theo các nhóm sau:
+ Các loại sản phẩm chịu được nhiệt độ cao và tiếp xúc được với sản phẩm
cháy thì dùng thiết bị đốt nóng không khí trực tiếp bằng dầu, khí đốt. Các loại sản
phẩm thích hợp là: đất sét, các loại quạng, sản phẩm vô cơ…
+ Các loại sản phẩm chịu được nhiệt độ cao nhưng không tiếp xúc được với
sản phẩm cháy thì dùng thiết bị đốt nóng không khí gián tiếp. Các loại sản phẩm
thích hợp là: phân bón, muối vô cơ…
+ Các loại sản phẩm không chịu được nhiệt độ cao và tiếp xúc được với
không khí nóng thì sử dụng thiết bị đốt nóng không khí trực tiếp kết hợp với một bộ
phận báo động và khống chế nhiệt độ. Các loại sản phẩm thích hợp là: các muối hữu
cơ và vô cơ…
+ Các loại sản phẩm không chịu được nhiệt độ cao và không tiếp xúc được
với sản phẩm cháy thì sử dụng thiết bị đốt nóng gián tiếp, trường hợp với các thiết
bị cỡ nhỏ có thể sử dụng dây điện trở. Các loại sản phẩm thích hợp là: các loại thực
phẩm, hóa chất.
- Quạt: làm nhiệm vụ đưa không khí sấy đi qua bộ gia nhiệt, bộ phận phân
phối của không khí vào buồng sấy. Loại quạt thường được sử dụng là quạt li tâm.

9


3. Buồng sấy
Là bộ phận quan trọng, trung tâm của hệ thống sấy phun. Nhiệm vụ của nó là

cung cấp không gian và thời gian lưu trú của các hạt để sản phẩm sấy đạt được chất
lượng cũng như độ ẩm yêu cầu, không bị biến chất và bám lên thành buồng sấy.
Buồng sấy cũng được thiết kế nhiều dạng khác nhau tùy theo đặc tính sấy cũng như
tính chất lí hóa yêu cầu khác nhau của các loại sản phẩm.
Theo chiều chuyển động của nguyên liệu sấy và tác nhân sấy, buồng sấy
được thiế kế theo ba dạng: buồng sấy cùng chiều, buồng sấy ngược chiều, buồng
sấy hỗn hợp.
+ Buồng sấy cùng chiều (hình 1.6): hai dòng tác nhân sấy và nguyên liệu sấy
chuyển động cùng chiều nhau. Bộ phận phân phối không khí và vòi phun được đặt
tại đỉnh, đáy hoặc cạnh buồng sấy. Buồng sấy cùng chiều dùng cho các sản phẩm
nhạy cảm với nhiệt độ. Không khí lúc đầu có nhiệt độ cao sẽ tiếp xúc với dòng
nguyên liệu có độ ẩm lớn. Nhiệt độ không khí giảm dần theo chiều chuyển động của
dòng sản phẩm tương ứng có độ ẩm nhỏ dần.
2

1

1. Không khí vào

3

2. Sản phẩm vào
3. Mũi phun
4. Sản phẩm ra

4

Hình 1.6: Buồng sấy cùng chiều
+ Buồng sấy ngược chiều (hình 1.7): hai dòng tác nhân sấy và nguyên liệu sấy
chuyển động ngược chiều nhau. Vòi phun và bộ phận phân phối không khí được bố

trí ở hai đầu đối diện của buồng sấy. Buồng sấy ngược chiều không dùng cho các
sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ vì sản phẩm khô tiếp xúc với dòng không khí nóng
dễ bị cháy, biến chất.
10


1

1. Không khí ra
2. Mũi phun

3

2

3. Sản phẩm vào
4. Không khí vào
5. Sản phẩm ra

4

4
5

Hình 1.7: Buồng sấy ngược chiều
+ Buồng sấy hỗn hợp (hình 1.8): hai dòng tác nhân sấy và nguyên liệu sấy vừa
chuyển động cùng chiều vừa chuyển động ngược chiều trong buồng sấy.
Không khí vào

Mũi phun

Sản phẩm vào

Không khí ra
Sản phẩm ra

Hình 1.8: Máy sấy dòng hỗn hợp
4. Hệ thống thu hồi sản phẩm và thải khí
Quá trình sấy trong buồng sấy kết thúc, một phần sản phẩm khô sẽ rơi xuống
đáy buồng sấy và được đưa ra ngoài còn phẩn lớn sản phẩm bị tác nhân sấy cuốn
theo. Để thu hồi sản phẩm với hiệu suất lớn nhất, đảm bảo năng suất của thiết bị sấy
cũng như tránh ô nhiễm môi trường cần bố trí thiết bị thu hồi sản phẩm sấy. Ứng
dụng nhiều nhất trong sấy phun để thu hồi sản phẩm vẫn là xyclon. Xyclon hoạt
động ổn định, giá thành thấp, hiệu quả tách hạt khô của xyclon cũng rất cao. Khi
yêu cầu thu hồi 100% sản phẩm thì phải dùng thêm túi lọc vải .
11


1.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống sấy phun
1. Ảnh hưởng của tốc độ cấp liệu
Tốc độ cấp liệu vào máy sấy được dùng để điều khiển nhiệt độ tác nhân sấy
ra và giữ nó ở một giá trị nhất định nhằm khống chế độ ẩm của sản phẩm. Khi nhiệt
độ tác nhân sấy vào tăng cao, tốc độ cấp liệu cần tăng cao hơn để giảm nhiệt độ tác
nhân ra. Tăng tốc độ cấp liệu vào trong khi giữ nguyên điều kiện sấy và phun sương
làm tăng cỡ hạt và tăng khối lượng riêng của sản phẩm khô ra.
2. Ảnh hưởng của nhiệt dộ nguyên liệu
Tăng nhiệt độ nguyên liệu nhằm giảm độ nhớt sẽ có ảnh hưởng đến tính chất
của sản phẩm khô. Với chất lỏng có độ nhớt thấp ở điều kiện nhiệt độ phòng, ảnh
hưởng của việc tăng nhiệt độ nguyên liệu có thể bỏ qua. Tăng nhiệt độ nguyên liệu
sẽ làm giảm tổng lượng nhiệt yêu cầu cho quá trình bay hơi, tuy nhiên lượng nhiệt
của nguyên liệu vẫn còn nhỏ so với lượng nhiệt yêu cầu.

3. Ảnh hưởng của cỡ miệng phun
Chọn cỡ miệng phun phụ thuộc vào lưu lượng cấp dung dịch và cỡ hạt mong
muốn. Để nhận được các hạt cỡ mịn, với một lưu lượng nhất định thì phải cần một
miệng phun nhỏ, đối với các hạt cỡ lớn hơn cần sử dụng cỡ miệng phun lớn hoặc
tăng áp suất vòi phun để nhận được các hạt mịn hơn.
4. Ảnh hưởng của độ nhớt
Khả năng tạo sương của một chất lỏng phụ thuộc rất lớn vào độ nhớt chất
lỏng tại vòi phun. Khi độ nhớt quá cao, chất lỏng phun ra có xu hướng hình thành
các hạt có hình dạng sợi, dây. Cách đơn giản nhất để giảm độ nhớt là thêm nước
vào dung dịch, nhưng điều này làm giảm đột ngột năng suất của máy sấy. Cách hiệu
quả hơn để giảm độ nhớt là tăng nhiệt độ của dung dịch, điều này đồng thời làm
tăng năng suất sấy do phải cung cấp ít nhiệt hơn để nâng nhiệt độ của hạt phun.
5. Ảnh hưởng của sức căng bề mặt
Sức căng bề mặt ảnh hưởng đến hoạt động phun sương và sấy do đó ảnh
hưởng đến tính chất của sản phẩm khô. Những nguyên liệu có sức căng bề mặt thấp
12


sẽ tạo ra những hạt phun nhỏ hơn, dòng phun chứa tỉ lệ nhiều hạt mịn và độ phân
tán cỡ hạt có xu hướng rộng hơn. Sức căng bề mặt lớn sẽ tạo ra cỡ hạt lớn hơn và độ
phân tán cỡ hạt có xu hướng hẹp hơn.
6. Ảnh hưởng của áp lực vòi phun
Áp lực vòi phun có ảnh hưởng rất lớn đến cỡ hạt sản phẩm bột. Nếu muốn
sản phẩm bột có cỡ hạt lớn hơn cần sử dụng áp lực vòi phun thấp hơn, nếu muốn cỡ
hạt mịn hơn thì cần áp lực vòi phun cao hơn.
7. Ảnh hưởng của hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu
Tăng hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu sẽ làm tăng cỡ hạt của sản phẩm
khô. Ở điều kiện nhiệt độ sấy và tốc độ cấp liệu không đổi, nếu tăng hàm lượng chất
rắn trong nguyên liệu thì tải bay hơi sẽ giảm và kết quả là sản phẩm bột có hàm
lượng ẩm thấp hơn.

8. Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy khi vào thiết bị
Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy phụ thuộc vào đặc tính sấy của mỗi loại sản
phẩm. Đối với những hạt có xu hướng nở ra trong khi sấy, khi tăng nhiệt độ sấy
khối lượng riêng sẽ giảm. Tuy nhiên nếu nhiệt độ tăng quá mức, quá trình bay hơi
nhanh làm các hạt bị phồng, nứt vỡ hoặc tan rã, kết quả là các mảnh vụn kết tụ
thành bột có khối lượng riêng cao hơn. Nhiệt độ tác nhân vào cũng ảnh hưởng đến
độ ẩm của bột do sự thay đổi độ ẩm của tác nhân sấy ra. Nhiệt độ sấy cao sẽ cải
thiện được hiệu suất nhiệt của quá trình sấy, tuy nhiên có ba yếu tố làm hạn chế
nhiệt độ tác nhân sấy vào:
- Sản phẩm có thể bị biến dạng do cháy xém, thay đổi màu sắc và hương vị;
- Tính hút ẩm của bột: nhiệt độ sấy càng cao thì nước bay hơi càng nhiều làm
độ ẩm trong buồng sấy cao gây ra hiện tượng kết tụ trong buồng sấy;
- Nhiệt độ bắt lửa của bột: bột có thể bắt lửa và cháy khi tiếp xúc với nhiệt độ
cao hơn hiệt độ bắt lửa của nó.

13


9. Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy khi ra khỏi thiết bị
Nhiệt độ của tác nhân sấy ra có ảnh hưởng lớn đến độ ẩm trong bột, khi nhiệt
độ tác nhân ra thấp thì độ ẩm của bột tăng lên. Nhiệt độ ra được điều khiển bằng
cách điều chỉnh tốc độ cấp liệu tới vòi phun. Khi nguyên liệu được phun nhiều hơn
vào buồng sấy nó làm mát buồng sấy và nhiệt độ ra giảm xuống. Nếu như nguyên
liệu được cấp vào không tương xứng thì nhiệt độ không khí ra không thể giảm
xuống.
10. Ảnh hưởng của độ ẩm môi trường
Khi sấy phun loại bột có tính hút ẩm cao, sự thay đổi độ ẩm môi trường do
thay đổi mùa, thậm chí qua cơn mưa có ảnh hưởng rất lớn đến hiện tượng bám dính
trong buồng sấy. Nếu độ ẩm môi trường thấp, buồng sấy thường sạch sẽ nhưng khi
độ ẩm cao có thể dẫn đến sự cô đọng và đóng thành tảng trong buồng sấy.

11. Ảnh hưởng của vận tốc tiếp xúc giữa không khí và dòng phun
Tăng tốc độ tiếp xúc giữa không khí và dòng phun sẽ làm tăng quá trình hoà
trộn và do đó làm tăng tốc độ trao đổi nhiệt và trao đổi chất. Tuy nhiên với tốc độ
sấy cao, các hạt có thể bị bóp méo hình dạng, nứt vỡ, phân hủy hoặc kết tụ lại khi
va chạm với các hạt khác trong dòng chuyển động hỗn loạn. Khi tăng vận tốc thì
thời gian sẽ ngắn hơn và các hạt sản phẩm khô có hình dạng không đồng đều. Sự
thay đổi khối lượng riêng rất khác nhau tùy theo mỗi sản phẩm và không có qui luật
chung.
1.2 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT – TRUYỀN CHẤT
TRONG THIẾT BỊ SẤY PHUN
Hiện nay, trên thế giới công nghệ sấy phun đã được phát triển và ứng dụng
rất rộng rãi, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp, do những ưu điểm vốn có của
sấy phun. Sấy phun là một quá trình công nghệ phức tạp và vẫn đang được các nhà
khoa học quan tâm nghiên cứu với mục đích là ngày càng mở rộng phạm vi ứng
dụng, cải tiến công nghệ để hoàn thiện và phát triển. Dưới đây là một số nghiên cứu
tiêu biểu:
14


1.2.1. Hướng nghiên cứu ứng dụng
1 Các nghiên cứu, ứng dụng trên thế giới
Cà chua là một loại thực phẩm giàu dinh dưỡng, đã có nhiều nghiên cứu
khác nhau về công nghệ sấy bột cà chua, trong đó có hai nghiên cứu tiêu biểu của
M.Goula và G.Adamopoulos [10] và nhóm tác giả F.Banat, R.Jumah, Asheh và
Hammad [12].
- M.Goula và G.Adamopoulos [10] – đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của
độ cô đặc cà chua nghiền đến tính chất của bột cà chua sau khi sấy và hiệu suất của
thiết bị trên một hệ thống sấy phun tiêu chuẩn và một hệ thống sấy phun cải tiến có
trang bị bộ khử ẩm không khí sấy. Kết quả hai ông thu được là:
+ Trên cả hai hệ thống sấy, khi tăng độ cô đặc của nguyên liệu, chỉ có cỡ hạt

của bột sản phẩm tăng lên trong khi các thông số khác như hiệu suất nhiệt, hiệu suất
bay hơi, tổn thất ở xyclon, hàm lượng ẩm và khối lượng riêng của bột lại giảm đi.
+ Ở hệ thống sấy phun tiêu chuẩn, khi tăng độ cô đặc của nguyên liệu sẽ làm
chậm quá trình hình thành lớp vỏ hạt và kết quả là bám dính nhiều hơn, khả năng
thu hồi sản phẩm thấp hơn.
+ Trong khi đó ở hệ thống sấy phun cải tiến, do tác nhân sấy được hút ẩm
nên độ cô đặc của nguyên liệu càng cao thì lớp bề mặt hạt rắn hình thành càng
nhanh, khả năng bám dính giảm đi và hiệu suất thu hồi sản phẩm cao hơn.
Trong khi đó nhóm tác giả F.Banat, R.Jumah, Asheh và Hammad [12]
nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành như: nhiệt độ nguyên liệu, tốc độ
cấp liệu, hàm lượng chất rắn trong nguyên liệu, nhiệt độ và lưu lượng không khí cấp
lên tính chất vật lí của bột cà chua, các ông đã chỉ ra rằng:
+ Khi nhiệt độ nguyên liệu tăng từ 250 C đến 550 C thì cỡ hạt sản phẩm tăng
lên và khối lượng riêng giảm đi trong khi đó nó ảnh hưởng không đáng kể lên hàm
lượng rắn và độ hòa tan của sản phẩm.

15


+ Tăng hàm lượng rắn trong nguyên liệu từ 4,67% đến 13,36% thì hàm
lượng rắn trong sản phẩm, khối lượng riêng và cỡ hạt tăng lên, trong khi đó độ hòa
tan của sản phẩm lại giảm đi.
+ Tăng tốc độ cấp liệu từ 8 ml/ phút đến 20 ml/ phút thì khối lượng riêng và
cỡ hạt của sản phẩm tăng lên còn hàm lượng rắn trong sản phẩm và độ hòa tan lại
giảm.
+ Lưu lượng không khí tăng trong khoảng từ 632cm3 / s đến 792cm3 / s thì có
ảnh hưởng không đáng kể đến tính chất của sản phẩm.
+ Nhiệt độ không khí vào tăng từ 1300 C đến 1600 C thì khối lượng riêng của
sản phẩm giảm trong khi hàm lượng rắn, độ hòa tan và cỡ hạt của sản phẩm lại tăng
lên.

+ Việc chống bám dính trong sấy phun hiện nay đang được nhiều nhà khoa
học nghiên cứu. Đây là một vấn đề quan trọng, ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm,
khả năng thu hồi sản phẩm từ đó ảnh hưởng tới hiệu suất của hệ thống sấy. Bám
dính thường xảy ra với những thực phẩm giàu đường (thành phần chủ yếu là
fructose, glucose, sucrose,…). Đã có nhiều đề xuất trong việc chống bám dính như
làm mát thành buồng sấy, kĩ thuật sấy ba giai đoạn, hoặc sử dụng chất phụ
gia…trong đó thì sử dụng chất phụ gia được ứng dụng nhiều hơn cả vì tính kinh tế
và hiệu quả.
- Nhóm tác giả: J.A.Grabowski, C.R.Daubert và V.D.Truong [13] đã tiến
hành nghiên cứu với nguyên liệu sấy là khoai lang, có sử dụng chất phụ gia là
Maltodextrin với các tỉ lệ khác nhau, từ đó đưa ra kết luận là việc xử lí trước sấy và
nhiệt độ có tác động rất lớn đến bột khoai lang, khi thay đổi các biến độc lập sẽ cho
phép thay đổi các tính chất của bột.
- R.Bhandari, Tony Howes và Vinh Truong [14] đã ứng dụng và phát triển
mô hình toán học của Negiz cho quá trình sấy phun cùng chiều vòi phun đĩa quay
để xác định nhiệt độ hóa dẻo khi sấy phun các nguyên liệu hỗi hợp maltrodetrin và
sucrose. Mô hình được sử dụng để tối thiểu hóa tính kết dính bằng việc lựa chọn các
16


biến đầu vào làm giảm độ chênh nhiệt độ giữa hạt và nhiệt độ hóa dẻo của nó tại
đầu ra của thiết bị sấy. Các tác giả đã thành công khi sử dụng mô hình toán để tìm
ra chế độ sấy tối ưu cho các thực phẩm giàu đường.
- Markus Reinhold, Christian Horst, Ulrich Homann [19] đã tiến hành nghiên
cứu thực nghiệm và lí thuyết trên thiết bị sấy phun với việc xảy ra đồng thời các
phản ứng hóa học. Theo đó các phản ứng bay hơi diễn ra ngay cả ở nhiệt độ thấp từ
- 400C đến 3000C, ở nhiệt độ 1000 – 35000C xảy ra phản ứng phân tán điện tử trái
dấu. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng biến đổi lớn nhất chỉ xảy ra cho các phản ứng
đó là những phản ứng diễn ra nhanh hơn bước sấy liên tục, mặt khác mức độ biến
đổi còn phụ thuộc vào quĩ đạo của hạt xuyên qua pha khí và sự phân bố kích cỡ hạt

ban đầu. Đối với các phản ứng diễn ra trong máy sấy phun với mũi phun khí động
thời gian vào khoảng 10-3 đến 10-2 s.
2. Các nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam công nghệ sấy phun tuy chưa phổ biến nhưng cũng đã được ứng
dụng trong một số lĩnh vực đặc biệt trong nông nghiệp, dược phẩm. Là đất nước
nhiệt đới, sản phẩm nông nghiệp vẫn chiếm tỉ trọng lớn nên các sản phẩm từ nông
nghiệp cũng rất phong phú.
- Nguyễn Đức Quang [6] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và lí thuyết
ảnh hưởng của các thông số vận hành và lưu lượng không khí vào, áp suất khí nén
và nhiệt độ vào của tác nhân sấy đến hệ số trao đổi nhiệt thể tích trong buồng sấy
của thiết bị sấy phun, đồng thời nghiên cứu tối ưu hóa quá trình sấy nhằm xác định
chế độ sấy cho hiệu quả trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong buồng sấy là lớn nhất.
Các thí nghiệm tiến hành trên mô hình máy sấy phun IC40D với nguyên liệu sấy là
sữa bò tươi Ba Vì.
Nguyễn Tiến Quang [7] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số
vận hành đến hiệu quả trao đổi nhiệt – trao đổi chất với nguyên liệu sấy là chanh
dây. Tác giả đã tiến hành 28 chế độ thí nghiệm trên hỗn hợp dung dịch sấy gồm
dịch chanh dây và 15% hàm lượng Maltodetrin hòa trộn đã khắc phục hiện tượng
17