GIÁO TRÌNH CÁC LOẠI THIẾT BỊ SẤY chuong 2

CHƯƠNG II:

CƠ SỞ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY

1. Đònh nghóa và phân loại các phương pháp làm
khô vật liệu:
a - Đònh nghóa:
Qúa trình lấy chất lỏng (hơi nước) ra khỏi vật liệu gọi
là qúa trình sấy.
Bản chất sấy là qúa trình khuyếch tán : Bao gồm qúa
trình khuyếùch tán ẩm từ bên trong ra lớp bề mặt bên
ngoài của vật liệu và qúa trình chuyển hơi nước từ bề
mặt ngoài vật liệu ra môi trường xung quanh.
Người ta phân biệt:
- Sấy tự nhiên.
- Sấy nhân tạo.
+ Sấy tự nhiên:
Sấy bằng không khí không được đốt nóng,
phương 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 vùng có khí hậu nhiệt đới như nước ta.
+ Sấy nhân tạo:
Là qúa trình sấy có sự cung cấp nhiệt lượng
từ bên ngoài, nghóa là phải dùng đến tác nhân sấy
được gia nhiệt như khói nóng, không khí nóng hoặc hơi…
và các loại tác nhân này được hút ra khỏi thiết bò sau
khi sấy xong. Sấy nhân tạo nhanh và độ ẩm vật liệu
sau khi sấy nhỏ hơn nhiều so với sấy tự nhiên.
b. Phân loại các phương pháp làm khô vật liệu :
Tuỳ theo tính chất và độ ẩm của vật liệu, cùng
với yêu cầu và mức độ của vật liệu sau khi sấy ta có

thể có các phương pháp sấy sau:
+ Phương pháp cơ học:
Dùng máy ép, lọc, ly tâm…để tách nước ra
khỏi vật liệu. Phương pháp này chỉ dùng để tách sơ
bộ nước ra khỏi vật liệu (ví dụ: như ly tâm đường trước
khi sấy …).
+ Phương pháp hoá học:
Dùng hoá chất để hút nước trong vật
liệu, phương pháp này đắt tiền, không kinh tế nên ít
dùng.
+Phương pháp nhiệt:
Dùng nhiệt làm bốc hơi nước trong vật liệu,


phương pháp này được sử dụng rộng rãi vì tách nước
khá triệt để.
2. Trạng thái ngậm nước trong vật liệu
Qúa trình sấy phụ thuộc vào rất nhiều đặc tính liên
kết của nước ở trong vật liệu với vật liệu. Nước hay
chất lỏng khác nằm trong vật liệu liên kết với vật
liệu theo ba dạng chủ yếu:
Liên
kết
dính
ướt
Liên kết
cơ lý
Liên kết
hoá học

Các dạng vật
liệu ẩm trong
vật liệu ẩm

Liên
kết
mao
dẫn

Liên kết
hoá lý
Liên
kết
thẩm
thấu

Liên
kết
hấp
thụ

2.1 Liên kết cơ lý:
Đây là dạng liên kết giữa nước và vật liệu được
tạo thành do sức căng bề mặt của nước trong các mao
dẫn trên bề mặt ngoài của vật. Liên kết cơ học bao
gồm liên kết dính ướt và liên kết mao dẫn.
a. Liên kết dính ướt:
Là liên kết do nước bám vào bề mặt vật
ẩm, liên kết dính ướt dễ tách khỏi vật bằng phương
pháp bay hơi. Ngoài ra còn có thể tách ẩm liên kết

dính ướt bằng các phương pháp cơ học như: lau, thấm,
thổi, vắt, ly tâm…
b. Liên kết mao dẫn :
Do nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản, ví dụ
như gỗ, vải … Các vật này khi để trong không khí thì
nước sẽ theo các mao quản xâm nhập vào vật do sức
căng bề mặt. Muốn tách nước ra khỏi vật cần làm cho
ẩm bay hơi hoặc đẩy ẩm ra bằng áp suất lớn hơn áp
suất mao dẫn. Phần lớn vật sau khi tách ẩm liên kết
mao dẫn vẫn giữ được kích thước, hình dáng và tính chất
hoá lý.
2.2 Liên kết hoá lý:
Là sự liên kết giữa nước và vật liệu tạo
thành do sự chênh lệch áp suất hơi nước. Liên kết hoá
lý bao gồm 2 liên kết hấp thụ và liên kết thẩm thấu.
a.Liên kết hấp thụ:
Một số vật ẩm ta gặp trong tự nhiên có
dạng như những vật keo. Vật keo có cấu tạo dạng hạt.
Những hạt này có bán kính tương đương từ 0,001 đến 0,1
µm. Do cấu tạo dạng hạt nên vật keo có bề mặt bên
trong rất lớn. Vì vậy nó có năng lượng bề mặt tự do
đáng kể, chính năng lượng này làm cho vật liệu có sự
chênh lệch áp suất của hơi nước bên trong vật so với
môi trường. Khi tiếùp xúc với không khí ẩm hay trực
tiếp với nước, ẩm sẽ xâm nhập vào vật theo các bề
mặt tự do này tạo thành liên kết hấp thụ giữa nước
và bề mặt.
b.Liên kết thẩm thấu:

Là sự liên kết hoá lý giữa nước với vật rắn khi
có sự chênh lệch nồng độ các chất hoà tan ở trong
và ngoài tế bào tức là có sự chênh lệch áp suất hơi
nước. Quá trình thẩm thấu không kèm theo hiện tượng
tỏa nhiệt và không làm cho vật biến dạng.
2.3 Liên kết hoá học:
Do các phần tử nước đã trở thành một bộ
phận trong thành phần hóa học của vật sấy. Quá trình
sấy yêu cầu phải giữ nguyên các tính chất hoá lý


của vật nên không thể tách các phầøn tử nước ở
dạng liên kết này ra khỏi vật khi sấy.
3.
Các đặc trưng trạng thái ẩm của vật liệu
Trạng thái của vật liệu ẩm được xác đònh bởi độ ẩm
và nhiệt độ của nó. Độ ẩm của vật có thể biểu thò
qua: độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm toàn phần, độ chứa hơi
và nồng độ ẩm.
a.
Độ ẩm tuyệt đối: là tỉ số giữa khối lượng
ẩm chứa trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối –
ký hiệu ω0[%]
ω0 =

Gn
.100
Gk

[%]

[2-1]

ω0 có giá trò từ 0 → α (vật có ω0 = 0 là vật khô tuyệt
đối, vật có ω = α là vật chứa toàn nước)

b.
Độ ẩm toàn phần: là tỉ số giữa khối
lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng của vật ẩm –
ký hiệu ω[%]
ω=

Gn
Gn
.100 =
.100
G
Gn + G k

[%]

[2-2]

ω có giá trò từ 0 đến 100% (vật có ω = 0 là vật khô
tuyệt đối, vật có ω = 1 là vật chứa toàn nước)

Từ các biểu thức [2-1] và [2-2] ta có được quan
hệ giữa ω và ω0 :
G
G

ω.G
ω
ω0 = n .100 = 100 .100 =
=
Gk
G − Gn
G − Gn 1− Gn
G
ω
ω0 =
ω
1−
100
ω.

⇒ ω0 =

ω
.100
100 − ω

[%]

[2-3]
c. Độ chứa ẩm: là tỉ số giữa lượng ẩm chứa trong vật
với khối lượng vật khô tuyệt đối – ký hiệu u [Kg ẩm/Kg
vật khô]


u=

Gn
Gk

[Kg ẩm/Kg vật khô]

[2-4]
Độ chứa ẩm không những đặc trưng cho toàn bộ
vật mà còn có thể đặc trưng cho từng cùng vật thể.
Nếu độ chứa ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thể
thì ta có quan hệ sau:
ω0 = 100.u
[%]
[2-5]
d.
Nồng độ ẩm: là khối lượng ẩm chứa trong
1m3 vật thể.
Ký hiệu N [Kg/m3]
N=

Gn
V

[Kg/m3]

[2-6]
Trong đó V : thể tích vật
Nếu gọi ρ k là khối lượng riêng của vật khô
tuyệt đối (ρk =

Gk
).
V

Thì:

N=

Gn Gn Gk
=
.
= u.ρk
V Gk V

Nếu giả thiết thể tích của vật ẩm không thay đổi trong
quá trình sấy (thường giảm đi do vật thể co ngót) tức
là V = Vk (Vk: thể tích vật khô tuyệt đối) ta sẽ có:
N = u.ρ0

Trong đó ρ0 =

Gk
là khối lượng riêng của vật khô
Vk

tuyệt đối
e.
Độ ẩm cân bằng: là độ ẩm của vật khi ở trạng
thái cân bằng với môi trường xung quanh vật. Ở trạng
thái này độ chứa ẩm trong vật là đồng đều và phân

áp suất hơi nước trên bề mặt vật ẩm bằng phân áp
suất hơi nước trong không khí ẩm.
Độ ẩm cân bằng phụ thuộc trạng thái của môi trường
bao quanh vật, nó xác đònh giới hạn quá trình sấy và
dùng để xác đònh độ ẩm bảo quản của mỗi loại vật
liệu trong những điều kiện môi trường khác nhau
3. Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy
1. Khái niệm về tốc độ sấy:


ĐN: Tốc độ sấy là lượng ẩm (kg) bay hơi trên một
mét vuông bề mặt vật liệu sấy trong một đơn vò
thời gian
U=

dW
F.dτ

[kg/m2.h]

Trong đó: W – là lượng ẩm bay hơi trong thời gian sấy
[kg]
F - là bề mặt chung của vật liệu sấy [m 2]
F = f.G
Với f – bề mặt riêng của vật liệu sấy
G – khối lượng vật liệu sấy
Ví dụ: bắp có f = 0,65 m2/kg
lúa có f = 1,31 m2/kg
đay có f = 2,78 m2/kg
τ - thời gian sấy [h]

Khi biết tốc độ sấy, ta có thể tính thời gian sấy theo
công thức:
Gk (ω1 − ω2 )
[h]
U.F
Trong đó: Gk - lượng vật liệu khô tuyệt đối [kg/h]
ω1 , ω2 - độ ẩm ban đầu và cuối của vật liệu
τ=

sấy
Thực nghiệm chứng tỏ rằng tốc độ sấy thay đổi
theo quá trình, nó giảm dần cùng với sự giảm hàm
ẩm của vật liệu. Có đến 90% lượng ẩm tự do bay
hơi trong một nữa thời gian đầu, còn 10% bay hơi trong
nữa thời gian sau.
2. Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy
Đònh nghóa: Đường biểu diễn mối quan hệ giữa độ
ẩm vật liệu với thời gian sấy gọi là đường cong
sấy.
+ Đường biểu diễn quan hệ giữa độ ẩm vật liệu
với tốc độ sấy gọi là đường cong tốc độ sấy.
Trong quá trình sấy, lượng ẩm bốc hơi từ vật sấy
giảm dần theo thời gian có nghóa là tốc độ sấy cũng
giảm dần theo thời gian. Với mỗi loại vật liệu cụ thể,
người ta tiến hành thực nghiệm để tìm mối liên hệ
giữa độ ẩm vật liệu với thời gian sấy và sự thay đổi
của độ ẩm vật liệu với tốc độ sấy, tất cả các liên
hệ trên được thể hiện dưới dạng các biểu đồ về quá
trình sấy.

t,

%
A

U =d
F.d
B
K

Umax

tk

B

tư
t1

cb

K
M

C

N
C

A
cb

%

Nhận xét:
* Đoạn AB:
+ Giai đoạn đốt nóng vật liệu, nhiệt độ vật liệu
tăng lên đến nhiệt độ nhiệt kế ướt tư (nhiệt độ
bão hòa ẩm trên bề mặt vật liệu) tương ứng với
trang thái không khí lúc sấy
+ Độ ẩm vật liệu ω thay đổi không đáng kể
+ Tốc độ sấy U tăng nhanh đến cực đại
* Đoạn BK:
+ Nhiệt độ vật liệu không thay đổi và vẫn bằng
nhiệt độ nhiệt kế ướt
+ Độ ẩm vật liệu giảm nhanh, và đều đặn theo
một đường thẳng
+ Tốc độ sấy không thay đổi (đẳng tốc)
* Đoạn KC:
+ Vật liệu khô dần, nhiệt độ vật liệu tăng lên
đến xấp xỉ nhiệt độ không khí sấy
+ Độ ẩm giảm dần đến trạng thái cân bằng
nhưng giai đoạn sau giảm chậm hơn giai đoạn trước,
điểm K gọi là điểm tới hạn, đường KMC là đường
lý thuyết, còn đường KNC là đường thực tế
+ Tốc độ sấy giảm dần đến gần bằng 0
Qua các nhận xét trên có thể kết luận là quá trình
sấy vật liệu ướt đến trạïng thái độ ẩm cân bằng
gồm có 2 giai đoạn chính sau:

+ Giai đoạn đẳng tốc U = const:


Lúc này vật liệu còn nhiều nước, do đó tốc độ
khuyếch tán của nước bên trong vật liệu lớn hơn tốc
độ bay hơi của nước trên bề mặt vật liệu. Vì thế
tốc độ sấy trong giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu
vào tốc độ bay hơi của nước trên bề mặt vật liệu.
Lượng nước khuyếch tán từ trong vật liệu ra bề mặt
vật liệu đủ và kòp thời để bốc hơi nên lượng ẩm
bay hơi đều đặn và U=const. Do vậy trong giai đoạn này
tốc độ sấy U không phụ thuộc vào các yếu tố bên
trong vật liệu như chiều dài vật liệu, độ ẩm ban đầu
của vật liệu…mà chỉ phụ thuộc các yếu tố bên
ngoài như nhiệt độ, tốc độ và độ ẩm của tác nhân
sấy…Do đó trong giai đoạn này nếu muốn tang tốc độ
sấy U thì thay đổi các yếu tố bên ngoài.
+ Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần:
Lúc này vật liệu tương đối khô, lượng nước trong
vật liệu còn ít nên tốc độ khuyếch tán nước trong
vật liệu giảm xuống nhỏ hơn tốc độ bay hơi của
nước trên bề mặt vật liệu. Do đó tốc độ sấy U
trong giai đoạn này chủ yếu phụ thuộc tốc độ
khuyếch tán của nước bên trong vật liệu. Lượng ẩm
khuyếch tán giảm dần nên lượng ẩm bay hơi cũng
giảm. Do đó trong giai đoạn này tốc độ sấy U không
phụ thuộc các yếu tố bên ngoài mà chủ yếu phụ
thuộc các yếu tố bên trong vật liệu. Tốc độ sấy
trong giai đoạn này khó thay đổi theo ý muốn của
người thiết kế vì các yếu tố bên trong vật liệu rất

khó thay đổi nên thời gian sấy rất dài. Trong giai đoạn
này do vật liệu tương đối khô nên nhiệt độ của vật
liệu tăng dần lên xấp xỉ bằng nhiệt độ không khí
sấy. Vì thế trong giai đoạn này ta phải giữ nhiệt độ
không khí sấy nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ cho phép
của vật liệu.
4. Thời gian sấy
Thời gian sấy là một thông số đặc biệt quan trọng
được sử dụng trong tính toán thiết kế và vận hành
thiết bò sấy (TBS). Thời gian sấy (TGS) phụ thuộc nhiều
yếu tố như loại vật liệu sấy, hình dáng, kích thước
hình học của vật liệu, độ ẩm đầu và độ ẩm sau khi
sấy của vật liệu, loại TBS, phương pháp cung cấp
nhiệt, chế độ sấy (nhiệt độ, độ ẩm tương đối và


tốc độ của tác nhân sấy) và một số yếu tố khác.
Do đó việc xác đònh thời gian sấy bằng phương pháp
tính toán (giải tích) gặp rất nhiều khó khăn. Cho nên
trong tính toán thực tế các TBS ta thường xác đònh TGS
theo thực nghiệm, đôi khi cả kinh nghiệm vận hành.
Phương pháp xác đònh TGS theo thực nghiệm 1 cách đơn
giản nhất là xây dựng mô hình thí nghiệm cho TBS cụ
thể cần thiết kế, sau đó tiến hành sấy thử nghiệm
và xác đònh TGS
5. Nguồn năng lượng, tác nhân sấy và sự lựa
chọn
- Đặc trưng cơ bản của qúa trình sấy là quá trình cấp
nhiệt để bay hơi nước từ vật sấy. Nhiệt lượng được cung
cấp cho vật sấy bao gồm nhiều nguồn khác nhau, từ

năng lượng của các nhiên liệu cháy được như xăng,
dầu, gaz, gỗ, trấu, than đá cho đến điện năng, hóa
năng, năng lượng sóng điện từ, năng lượng của dòng
điện cao tầng và cả năng lượng mặt trời. Việc sử dụng
nguồn năng lượng hợp lý trong quá trình sấy ngoài các
yếu tố khách quan như tính hiệu quả kinh tế, nguồn
năng lượng này có nhiều hoặc được tận dụng tại nơi
đặt thiết bò… thì nó còn phụ thuộc vào các tính chất
của vật liệu sau khi sấy.
Ví dụ : Khi sấy bột giặt nếu sử dụng nguồn năng lượng
là than đá đốt tạo thành khói nóng làm tác nhân sấy
trực tiếp thì sản phẩm sau khi sấy sẽ bò đen không
trắng bằng sử dụng nguồn năng lượng là gaz…
- Ngoài ra có những nguồn năng lượng có trữ lượng rất
lớn như năng lượng mặt trời nhưng nhiệt độ không cao
nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế.
- Hiện nay, phần lớn các máy sấy sử dụng hai loại tác
nhân sấy phổ biến là không khí và khói nóng (khói
lò). Sấy bằng khói lò có ưu điểm là năng lượng cao (do
không dùng bộ gia nhiệt) và kinh tế hơn sấy bằng
không khí. Ngoài ra do khói lò có nhiệt độ cao nên có
thể sấy nhanh (đối với những vật liệu chòu được nhiệt
độ cao) và điều chỉnh thời gian sấy dễ dàng.
- Tuy nhiên, trong rất nhiều trường hợp không thể dùng
khói lò làm tác nhân sấy vì nó có nhiều bụi bẩn.
Ngoài ra nhiên liệu cháy không hết nên lãng phí.
- Tóm lại, việc lựa chọn nguồn năng lượng và tác nhân
sấy cho một vật liệu sấy cụ thể là một quá trình

phức tạp, do nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Tuy
nhiên, chỉ tiêu hàng đầu đặt ra cho việc lựa chọn vẫn
là tính kinh tế và chất lượng của vật liệu sau khi sấy.
6.Các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình
sấy:
* Vật liệu sấy:
+ Bản chất vật liệu sấy: cấu trúc, thành phần hoá
học, đặc tính liên kết ẩm.
+ Hình dạng vật liệu: kích thước, chiều dày, bề mặt
vật liệu…
+ Độ ẩm đầu, độ ẩm cuối và độ ẩm tới hạn của
vật liệu.
+ Trạng thái của vật liệu khi sấy : tỉnh, động , tầng
sôi.
* Tác nhân sấy:
+ Loại tác nhân sấy : không khí, khói lò.
+ Độ ẩm, nhiệt độ, vận tốc tác nhân sấy.
+ Điều kiện tiếp xúc (gián tiếp, trực tiếp) giữa tác
nhân sấy và vật liệu sấy.
+ Sự chênh lệch nhiệt độ ban đầu và cuối của tác
nhân sấy.
* Cấu tạo máy sấy
* Phương thức sấy
* Chế độ sấy