Nghiên cứu lý thuyết quá trình truyền nhiệt truền chất trong thiết bị sấy phun

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------------PHÙNG ANH XUÂN

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT
– TRUỀN CHẤT TRONG THIẾT BỊ SẤY PHUN

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH: MÁY VÀ THIẾT BỊ NHIỆT LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
ĐẶNG QUỐC PHÚ

HÀ NỘI – 2010


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 tơi xin chịu mọi hình thức kỉ luật theo qui định.
Tác giả

Phùng Anh Xuân

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
STT

Kí hiệu

Đơn vị đo

Tên gọi

1

Cp

kJ/kg.K

Nhiệt dung riêng đẳng áp

2

CD

-

Hệ số cản của khơng khí

3

Dv

m2/s

Hệ số khuếch tán ẩm

4

d

kg/kg

Độ chứa hơi của khơng khí ẩm

5

dp

m

6

F

2

m

7

G

kg/h

8

g

2

m/s

Gia tốc trọng trường

9

h

m

Chiều cao buồng sấy

10

I

kJ/kg

Đường kính hạt
Diện tích bề mặt hạt

2

Lưu lượng khối lượng

Entanpi

11

Km

kg/m .s

12

m

kg

Khối lượng

13

p

bar

Áp suất

14

N

kg/s

Tốc độ sấy tương đối

15

n

-

16

q

W

17

r0

kj/kg
0

18

t

C

19

v

m/s

20

X

kg/kg

21

W

kg

Hệ số trao đổi chất

Số lượng hạt
Dịng nhiệt
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 khơng khí
KÍ HIỆU CHÂN

Kí hiệu

Ý nghĩa

Kí hiệu

Ý nghĩa

bh

Bão hịa

o

Ban đầu

c

Đối lưu

p

Hạt

d

Dịch phun

s

Chất rắn

gh

Giới hạn

p

Miệng phun

k

Khơng khí

td

Tương đối

kn

Khí nén

w

Lỏng

kng

Khí nóng

v

Hơi


MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
KÍ HIỆU CHÂN
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU……………………………………………………………….. 1
CHƯƠNG 1: LÍ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ SẤY PHUN………………... 3
1.1 Công nghệ sấy phun và ứng dụng……………………………………….. 3
1.1.1 Đặc trưng……………………………………………………………. 3
1.1.2 Cấu tạo hệ thống sấy phun………………………………………….. 4
1.1.3 Nguyên lí hoạt động của hệ thống sấy phun………………………...

7

1.1.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống sấy phun…….. 7
1.1.5 Một vài chu trình và sơ đồ máy sấy phun đặc trưng………………... 10
1.2 Kết quả nghiên cứu truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun….

15

1.2.1 Hướng nghiên cứu lí thuyết…………………………………………. 15
1.2.2 Hướng nghiên cứu thực nghiệm…………………………………….. 19
1.2.3 Hướng nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm fluent………………. 22
1.2.4 Hướng nghiên cứu sự thay đổi đường kính hạt trong q trình sấy
phun………………………………………………………………………….. 24
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN NHIỆT – TRUYỀN
CHẤT CƠ BẢN CỦA Q TRÌNH SẤY PHUN………………………….. 31
2.1 Lí thuyết q trình sấy phun……………………………………………... 31
2.2 Quá trình bay hơi của các hạt lỏng………………………………………. 33
2.2.1 Tiếp xúc giữa hạt lỏng và tác nhân sấy……………………………… 33
2.2.2 Quá trình bay hơi của hạt nước nguyên chất………………………… 34
2.2.3 Quá trình bay hơi của giọt lỏng chứa chất rắn hịa tan………………. 38
2.2.4 Q trình bay hơi của giọt lỏng chứa chất rắn khơng hịa tan……….. 39
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC NGHIÊN CỨU Q


TRÌNH SẤY PHUN CÙNG CHIỀU………………………………………... 41
3.1 Hệ phương trình vi phân trao đổi nhiệt – trao đổi chất quá trình sấy
phun………………………………………………………………………….. 42
3.1.1 Phương trình cân bằng lực…………………………………………..

42

3.1.2 Phương trình cân bằng chất…………………………………………. 43
3.1.3 Phương trình cân bằng nhiệt………………………………………...

45

3.2 Các điều kiện đơn trị…………………………………………………….. 48
3.3 Phương pháp giải………………………………………………………...

51

3.4 Kết quả tính toán và đánh giá……………………………………………. 53
3.4.1 Biến thiên tốc độ “hạt” trong không gian buồng sấy………………..

53

3.4.2 Biến thiên độ ẩm tuyệt đối của “hạt” trong không gian buồng sấy…. 54
3.4.3 Biến thiên độ chứa hơi của khơng khí trong khơng gian buồng sấy... 55
3.4.4 Biến thiên nhiệt độ trong không gian buồng sấy……………………. 56
3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thơng số đầu vào tới q trình sấy
phun………………………………………………………………………….. 59
3.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ khơng khí nóng tới q trình sấy…………. 59
3.5.2 Ảnh hưởng của lưu lượng dịch sấy…………………………………. 61
3.5.3 Ảnh hưởng của lưu lượng khí nén tới q trình sấy………………...

63

3.5.4 Ảnh hưởng của áp suất khí nén tới quá trình sấy…………………… 65
3.5.5 Ảnh hưởng của lưu lượng khí nóng tới q trình sấy……………….

67

3.5.6 Ảnh hưởng đường kính ban đầu của “hạt” tới q trình sấy………... 69
CHƯƠNG 4: TĨM TẮT, KẾT LUẬN VÀ CÁC ĐỀ XUẤT MỞ RỘNG
PHẠM VI NGHIÊN CỨU…………………………………………………..

72

4.1 Tóm tắt và kết luận………………………………………………………

72

4.2 Đề xuất mở rộng phạm vi nghiên cứu…………………………………… 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


LỜI MỞ ĐẦU
Sấy là một q trình cơng nghệ được sử dụng rất nhiều trong các ngành công
nông nghiệp. Trong công nghiệp chế biến nông lâm, hải sản kỹ thuật sấy đóng vai
trị đặc biệt quan trọng. Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới có các loại sản phẩm
nơng sản đa dạng, phong phú và có số lượng rất lớn. Vì vậy, nghiên cứu phát triển
cơng nghệ sấy các loại nơng sản thực thẩm có thể coi là nhiệm vụ chiến lược trong
sự nghiệp phát triển kinh tế. Trước đây, nông sản, thực phẩm được phơi dưới ánh
nắng mặt trời nên sản phẩm thu được thường có chất lượng thấp, thời gian phơi sấy
lâu, và phụ thuộc vào thời tiết. Công nghệ sấy phát triển cho phép tạo ra các sản
phẩm có giá trị và chất lượng cao. Một trong những công nghệ sấy đang được nhiều
nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng quan tâm nghiên cứu là công
nghệ sấy phun.
Sấy phun là một trong những phương pháp sấy đối lưu, tác nhân sấy thường
là khơng khí hay là một khí khác như Nitơ. Tác nhân sấy vừa làm nhiệm vụ gia

nhiệt cho nguyên liệu sấy vừa làm nhiệm vụ thải ẩm vào môi trường. Sấy phun có
rất nhiều ưu điểm như: 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… có thể
ứng dụng với cả sản phẩm chịu nhiệt và nhạy cảm với nhiệt. Chất lượng sản phẩm
giữ nguyên không đổi trong thời gian di chuyển trong máy sấy.
Sấy phun có rất nhiều ưu điểm như vậy nhưng để có được chế độ sấy hiệu quả
về mặt cơng nghệ thì cần phải nghiên cứu bản chất của quá trình sấy. Một trong
những hướng được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước tiến hành nghiên cứu là
ảnh hưởng của các thông số tới chế độ vận hành của máy sấy phun để tăng tính kinh
tế và khả năng ứng dụng cho nhiều loại nguyên liệu sấy khác nhau. Mục tiêu là để
nâng cao hiệu quả, chất lượng, giảm giá thành sản phẩm. Cho tới ngày nay, những
cơng trình này hoặc chỉ nghiên cứu cho một hệ thống máy sấy cụ thể hoặc một vài
thông số riêng rẽ của chế độ sấy mà chưa nghiên cứu cho cả chế độ sấy.
Quá trình truyền nhiệt – truyền chất quyết định năng suất, chất lượng, hiệu
quả quá trình sấy phun. Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết
bị sấy phun để nắm được bản chất quá trình sấy nhằm xây dựng, thiết kế, chế tạo,
vận hành thiết bị sấy có hiệu quả.
1


Mục đích của luận án "Nghiên cứu lý thuyết quá trình truyền nhiệt – truyền
chất trong thiết bị sấy phun" là thiết lập mơ hình tốn học gồm hệ phương trình vi
phân phù hợp với thiết bị nghiên cứu, xác định các điều kiện đơn trị của bài toán,
giải ra kết quả bài toán và đánh giá mức độ tin cậy của kết quả. Mơ hình tốn học
phải có độ tin cậy có thể ứng dụng được để tính tốn được quá trình truyền nhiệt truyền chất trong sấy phun.
Quá trình nghiên cứu được tiến hành theo các bước: Xây dựng hệ phương
trình vi phân mơ tả q trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun; xác
định các điều kiện đơn trị và giải bài toán; đánh giá độ tin cậy của lời giải; ứng
dụng của mô hình để nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng.
Trong q trình hồn thành luận án, tác giả đã rất cố gắng nhưng khơng thể

tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự giúp đỡ và đóng góp ý
kiến của các thầy cơ giáo cùng các bạn đồng nghiệp để luận án được hoàn thiện
hơn.

2


CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ SẤY PHUN
1.1 CÔNG NGHỆ SẤY PHUN VÀ ỨNG DỤNG

1.1.1 Đặc trưng
Sấy là một q trình cơng nghệ mà ẩm nhận được năng lượng dịch chuyển từ
trong lịng ra bề mặt ngồi của vật và sau đó là từ bề mặt khuếch tán vào mơi
trường. Q trình các phân tử ẩm nhận được nhiệt lượng để di chuyển từ trong lòng
vật ra bề mặt và từ bề mặt vật đi vào không gian tác nhân sấy bao quanh để thải vào
môi trường là hai quá trình quan trọng và ảnh hưởng lẫn nhau trong công nghệ sấy.
Sấy phun là một trong những phương pháp sấy đối lưu, tác nhân sấy thường
là khơng khí hay là một khí khác như Nitơ (thường dùng để sấy các vật liệu dễ cháy
nổ). Tác nhân sấy vừa làm nhiệm vụ gia nhiệt cho nguyên liệu sấy vừa làm nhiệm
vụ thải ẩm vào môi trường.
Công nghệ sấy phun là cơng nghệ duy nhất có thể biến đổi trực tiếp nguyên
liệu sấy ở dạng lỏng thành sản phẩm khô dạng bột, bằng cách phun ngun liệu vào
mơi trường khơng khí nóng. Nguyên liệu sấy có thể ở dạng dung dịch hòa tan,
huyền phù, bột nhão, chất sền sệt hay vữa. Sản phẩm khơ 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. Chất lượng sản
phẩm giữ nguyên không đổi trong thời gian di chuyển trong máy sấy.
- Phạm vi ứng dụng rộng, có thể ứng dụng trong nhiều cơng nghệ chế biến,
từ khả năng chế biến thuốc vô trùng tới những sản phẩm bột dùng làm đồ gốm.
- 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.
- Q trình diễn ra liên tục và có khả năng tự động hóa cao.
3


- Mật độ sản phẩm có thể kiểm sốt được.
- Có thể thu được sản phẩm dưới dạng các hạt gần hình cầu.
- Nguy cơ ăn mịn thấp do ngun liệu không tiếp xúc với bề mặt kim loại
cho tới khi sấy khơ.
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 nhưng về nguyên tắc chúng bao gồm các bộ phận
chính như sau (hình 1.1).
1. Hệ thống cấp liệu
Hệ thống cấp liệu gồm: thùng chứa liệu, bộ phận lọc, bơm cấp liệu, vịi phun
sương. Trong q trình hoạt động của hệ thống thì bơm cấp liệu và vịi phun sương
giữ một vai trị 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 khơng gỉ. Trong khi đó, khi
sấy các dung dịch hóa học thì u cầu ở đây lại là chọn các vật liệu chống ăn mòn.
- 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.
Các tạp chất này có thể làm tắc đường ống dẫn liệu hoặc vịi phun, làm gián đoạn
q trình sấy.
4


- Bơm cấp liệu: có nhiệm vụ tiếp liệu vào buồng sấy thơng qua vịi 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 hịa tan và khơng hịa tan. Bơm trục vít được dùng
nhiều khi sấy các nguyên liệu như: dược phẩm, cà chua, sữa, chanh dây.

Vật liệu
Khơng khí
Bể chứa
Bộ lọc
Bộ lọc
Quạt

Bơm dịch

Gia nhiệt

Vịi phun
Buồng sấy

xyclon
Sản phẩm khơ

Khí thải

Hình 1.1: Sơ đồ khối cấu tạo hệ thống sấy phun
- Vịi phun sương: đóng vai trị 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 vịi phun: vịi phun khí động, vịi phun đĩa quay, vịi
phun áp suất, vịi 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 vịi
phun đều có dải năng suất thấp đến dải năng suất cao. Với tốc độ cấp liệu thấp thì
các vịi phun có thể tạo ra các hạt sương khá giống nhau. Nhưng với tốc độ cấp liệu
5


lớn thì vịi 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 ngồi giới hạn thì phải lắp thêm vòi phun mới. Trong hệ thống sấy phun
thường sử dụng ba loại vịi phun: vịi phun khí động, vòi phun đĩa quay và vòi phun
áp suất.
2. Hệ thống cung cấp khơng khí
Hệ thống cung cấp khơng khí cho quá trình sấy bao gồm các bộ phận: bộ lọc,

quạt, bộ gia nhiệt.
- Bộ lọc: đóng một vai trị quan trọng vì nó loại bỏ các tạp chất, bụi bẩn lẫn
trong dịng khơng khí vào buồng sấy có thể ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm sấy.
- Bộ gia nhiệt: làm nhiệm vụ nung nóng khơng 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.
- Quạt: làm nhiệm vụ đưa khơng khí sấy đi qua bộ gia nhiệt, bộ phận phân
phối của khơng khí vào buồng sấy. Loại quạt thường được sử dụng là quạt li tâm.
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 u cầu khác nhau của các loại sản phẩm.
Theo chiều chuyển động của nguyên liệu sấy và tác nhân sấy, buồng sấy
được thiết kế theo ba dạng: buồng sấy cùng chiều, buồng sấy ngược chiều, buồng
sấy hỗn hợp (xem các hình từ H1.2 đến H1.5).
4. Hệ thống thu hồi sản phẩm và thải khí
Q trình sấy trong buồng sấy kết thúc, một phần sản phẩm khô sẽ rơi xuống
đáy buồng sấy và được đưa ra ngồi cịn phần 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
6


cũng như tránh ơ nhiễm mơi 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.
1.1.3 Nguyên lí hoạt động của hệ thống sấy phun

Quá trình hoạt động của hệ thống sấy phun là một quá trình liên tục từ khâu
cấp liệu tới khâu thu hồi sản phẩm. Ở khâu cấp liệu: nguyên liệu sấy sau khi sơ chế
được chứa trong thùng chứa liệu, sau đó nguyên liệu qua thiết bị lọc, ở đây nguyên
liệu được lọc tinh để loại bỏ các phần tử có kích thước chưa đạt u cầu tránh làm
tắc thiết bị phun sương. Nguyên liệu sau đó được bơm tới thiết bị phun sương, ở
đây nguyên liệu được xé tơi thành các hạt nhỏ có kích thước từ vài chục tới vài trăm
micromet. Những hạt bụi vô cùng nhỏ này được phun trực tiếp vào buồng sấy.
Ở khâu cấp không khí: khơng khí từ mơi trường qua miệng hút tới thiết bị
lọc để lọc sạch bụi bẩn (vì khơng khí tiếp xúc trực tiếp và hòa trộn với nguyên liệu
sấy do đó nếu khơng được làm sạch sẽ ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Quạt
đưa khơng khí đã được làm sạch qua bộ gia nhiệt, khơng khí được gia nhiệt và đi
vào buồng sấy.
Trong buồng sấy: khơng khí nóng tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu sấy và
xảy ra quá trình trao đổi nhiệt - trao đổi chất giữa ngun liệu sấy và khơng khí
nóng. Nhiệt độ của các hạt nguyên liệu nhanh chóng tăng lên tới nhiệt độ nhiệt kế
ướt, và ẩm trong hạt bắt đầu bay hơi, quá trình bay hơi bắt đầu từ bề mặt, sau đó ẩm
từ bên trong hạt khuếch tán ra bề mặt và bay hơi vào khơng khí. Tùy thuộc vào u
cầu cơng nghệ, có thể điều chỉnh độ ẩm của sản phẩm ra khỏi buồng sấy.
Thu hồi sản phẩm và thải khí: một phần sản phẩm khơ sẽ rơi xuống đáy của
buồng sấy, phần còn lại bay theo tác nhân sấy. Phần sản phẩm bay theo tác nhân sấy
tới xyclon được thu hồi lại cịn khơng khí ẩm được thải vào mơi trường. Tuy nhiên,
vẫn có một phần sản phẩm khơng thể thu hồi được do bám vào thành buồng sấy
hoặc đi theo khí thải, đây cũng là một nhược điểm của sấy phun.
1.1.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới hoạt động của hệ thống sấy phun
1. Ảnh hưởng của tốc độ cấp liệu
7


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 khơ. 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 khơ. Những ngun liệu có sức căng bề mặt thấp
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.
8

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 vịi 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. Q trình bay hơi quá nhanh có khả năng tạo thành các hạt khô
rỗng và khối lượng riêng tổng sẽ nhỏ 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.
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 khơng tương xứng thì nhiệt độ khơng khí ra không thể giảm

xuống.
9


10. Ảnh hưởng của độ ẩm môi trường
Khi sấy phun loại bột có tính hút ẩm cao, sự thay đổi độ ẩm mơi 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 mơi trường thấp, buồng sấy thường sạch sẽ nhưng khi
độ ẩm cao có thể dẫn đến sự cơ đọng và đóng thành tảng trong buồng sấy.
11. Ảnh hưởng của vận tốc tiếp xúc giữa khơng khí và dịng phun
Tăng tốc độ tiếp xúc giữa khơng khí và dịng phun sẽ làm tăng q trình hồ
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 khơ có hình dạng khơng đồng đều. Sự
thay đổi khối lượng riêng rất khác nhau tùy theo mỗi sản phẩm và khơng có qui luật
chung.
1.1.5 Một vài chu trình và sơ đồ máy sấy phun đặc trưng
1. Máy sấy dòng cùng chiều
2

1

Trong một máy sấy dịng
3

1. Khơng khí vào

cùng chiều (hình 1.2 và hình

2. Sản phẩm vào

1.3) vật liệu phun được hướng

3. Mũi phun

vào không khí nóng bên trong

4. Sản phẩm ra

máy sấy và chúng cùng đi qua

4

máy sấy theo một chiều. Máy

Hình 1.2: Máy sấy dịng cùng chiều

sấy dịng cùng chiều thích hợp

hơn với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt bởi vì khơng khí nóng nhất tiếp xúc
với giọt có hàm lượng ẩm lớn nhất. Sự sấy diễn ra rất nhanh, và nhiệt độ khơng khí
sấy giảm nhanh do sự bay hơi của nước. Sản phẩm không trải qua sự phá hủy nhiệt
bởi vì nhiệt độ giọt thấp trong suốt hầu hết quá trình bay hơi. Đơi khi hàm lượng ẩm
đạt tới mức chỉ tiêu, nhiệt độ hạt khơng tăng nhiều bởi vì nhiệt độ mơi trường khơng
khí bây giờ mát hơn. Sữa và những sản phẩm thức ăn nhạy cảm với nhiệt thường
được sấy trong máy sấy cùng chiều.
10

1. Thùng chứa
Xả khí

Khơng khí nóng

2. Bơm
3. Buồng sấy
4. Gia nhiệt khơng khí
5. Xyclon

Khơng khí xả

6. Thiết bị lọc khí
7. Thiết bị tách

Sản phẩm bột
đem đóng gói

Vận chuyển bột khơ

Hình 1.3: Sơ đồ chu trình hở dịng cùng chiều
2. Máy sấy dịng ngược chiều
1

1. Khơng khí ra
3

2

2. Mũi phun

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

4

4
5

Hình 1.4: Máy sấy dòng ngược chiều
Trong thiết kế này của máy sấy phun (hình 1.4) vật liệu phun và khơng khí
được đưa vào ngược chiều nhau với sự bố trí mũi phun ở đỉnh và khơng khí vào ở
đáy của máy sấy. Máy sấy dịng ngược chiều có tốc độ bay hơi lớn hơn và hiệu suất
năng lượng cao hơn máy sấy dịng cùng chiều. Vì những hạt khơ nhất tiếp xúc với
khơng khí nóng nhất. Sấy phun dịng ngược chiều khơng phù hợp với những sản
phẩm sấy nhạy cảm với nhiệt. Máy sấy dòng ngược chiều sử dụng kim phun sương
bởi vì năng lượng phun có thể đập trực tiếp vào dịng khơng khí. Xà phịng và chất
tẩy rửa thơng thường được sấy trong máy sấy dòng ngược chiều.
11


3. Máy sấy dòng hỗn hợp
Máy sấy ở dạng này (hình 1.5) kết hợp

Khơng khí vào

cả hai dạng dịng cùng chiều và dịng ngược
chiều. Trong máy sấy hỗn hợp, khơng khí đi
Mũi phun
Sản phẩm vào

vào ở đỉnh và mũi phun ở đáy của máy sấy.
Giống như thiết kế dòng ngược chiều, một
máy sấy dịng hỗn hợp những hạt khơ nhất

Khơng khí ra
Sản phẩm ra

Hình 1.5: Máy sấy dịng hỗn hợp

tiếp xúc với dịng khơng khí nóng nhất, vì
vậy thiết kế này không sử dụng sấy những
sản phẩm nhạy cảm với nhiệt.

4. Chu trình hở của máy sấy
Trong một chu trình hở của máy sấy (hình 1.6), khơng khí sấy được đưa vào
từ khí quyển, gia nhiệt, vận chuyển qua buồng sấy và sau đó thải ra mơi trường.
1. Khơng khí sấy
2. Nguyên liệu cấp
3. Sản phẩm khô
4. Buồng sấy
5. Xyclon
6. Thiết bị lọc ướt
7. Túi lọc
Hình 1.6: Sơ đồ chu trình hở

8. Lắng bằng tĩnh điện

5. Chu trình kín của máy sấy
Nhóm chu trình kín của máy sấy được chọn khi:

- Nguyên liệu cung cấp cho máy bao gồm rắn hỗn hợp với chất hữu cơ hòa tan
dễ cháy; đồng thời địi hỏi thu hồi hồn tồn dung mơi.
- Sản phẩm là những chất độc hại.
- Ơ nhiễm mơi trường do bay hơi, mùi hoặc sự phát tán hạt là không được
phép và những nguy cơ gây cháy nổ phải được loại trừ.
- Bột sẽ bị thối hóa bởi q trình ơxi hóa trong khi sấy.
12


6. Chu trình nửa kín của máy sấy
Chu trình này là kết hợp giữa chu trình kín và chu trình hở của máy sấy và
khơng kín khí. Có rất nhiều thay đổi trong chu trình này, hệ thống quan trọng nhất
là gia nhiệt trực tiếp (hình 1.7). Khí (sản phẩm chính của sự cháy) được tái tuần
hồn qua máy sấy. Khí tái tuần hồn này có hàm lượng oxy rất thấp, làm cho nó
phù hợp với nhiên liệu mà khơng thể tiếp xúc với oxy, do sự nguy hiểm của cháy nổ
hoặc thối hóa sản phẩm.

Hình 1.7: Sơ đồ chu trình nửa kín
1. Khơng khí đốt; 2. Chất lỏng làm nguội; 3. Nguyên liệu cấp; 4. Chất đốt; 5. Xả
nước ngưng; 6. Sản phẩm khô; 7. Buồng sấy; 8. Xyclon; 9. Bộ gia nhiệt trực tiếp;
10. Thiết bị trao đổi nhiệt; 11. Thiết bị lọc khí; 12. Xyclon vận tải; 13. vận tải bằng
khí.
7. Máy sấy một tầng và hai tầng
Trong máy sấy một tầng, hàm lượng ẩm được khử tới giá trị cuối (điển hình
2% – 5% khối lượng) trong một lần qua máy sấy.
Trong máy sấy hai tầng, hàm lượng ẩm của sản phẩm rời buồng sấy là cao hơn
(điển hình là 5% - 10%). Sau khi rời buồng sấy, hàm lượng ẩm tiếp tục được khử
trong tầng thứ hai. Tầng sấy thứ hai có thể làm việc trong một thiết bị sấy tầng rung
hoặc một thiết bị sấy tầng sơi (hình 1.8). Máy sấy hai tầng cho phép sử dụng những
nhiệt độ thấp hơn trong thiết bị sấy, máy sấy hai tầng là một chọn lựa tốt cho những

sản phẩm nhạy cảm với nhiệt.
13


1. Khơng khí
2. Ngun liệu cấp
3. Sản phẩm khơ
4. Buồng sấy
5. Xyclon
6. Tầng sơi ổn định
7. Xycolon tầng sơi
Hình 1.8: Máy sấy hai tầng với thiết bị sấy tầng sôi
9. Máy sấy kiểu đứng và máy sấy kiểu nằm ngang

1. Khơng khí sấy
2. Ngun liệu cung cấp cho máy
3. Băng tải chạy bằng khí nén
4. Buồng sấy
5. Băng tải bột
6. Những túi lọc
7. Xyclon
8. Tái tuần hồn bụi
9. Xả khí ra mơi trường
10. Bột khơ

Hình 1.9 Máy sấy kiểu ngang

Buồng của máy sấy kiểu đứng có dạng như một hình trụ dài có đáy dạng hình
cơn. Mũi phun đặt ở đỉnh (máy sấy dòng cùng chiều) và ở đáy (máy sấy dòng
ngược chiều hoặc máy sấy dòng hỗn hợp) của buồng sấy. Những mũi phun rãnh

xoắn thường được sử dụng cho máy sấy kiểu đứng. Lối vào cho khơng khí sấy phải
được đặt ở đỉnh, đáy hoặc bên trong buồng sấy. Những máy sấy kiểu đứng thông
thường là lớn và thời gian lưu trú của những hạt đã sấy là tương đối dài.
Buồng sấy của máy sấy kiểu ngang (hình 1.9) có dạng hộp chữ nhật có đáy
dạng phẳng hoặc dạng chữ V. Những mũi phun trong máy sấy kiểu hộp thường
14


phun theo phương ngang, những hạt đã được sấy khô rơi xuống sàn, từ đây chúng
được đưa tới khu vực đóng gói nhờ băng tải quét hoặc băng tải quay.
1.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 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. Tuy nhiên, sấy phun là một q trình cơng nghệ phức tạp nên trong cơng
nghệ sấy phun vẫn cịn nhiều vấn đề cần được giải quyết, đặc biệt là việc xác định
chế độ sấy tối ưu đối với từng loại nguyên liệu sấy khác nhau. Do vậy các nghiên
cứu về công nghệ sấy phun đã và đang tiếp tục được nghiên cứu hoàn thiện và phát
triển.
1.2.1 Hướng nghiên cứu lí thuyết
Hiện nay, các mơ hình tốn học mơ phỏng các hệ thống sấy phun là tương
đối hoàn chỉnh với các hệ thống sấy phun khác nhau, trong đó có thể kể ra các kết
quả nghiên cứu tiêu biểu như sau:
⎧ dX
6N
=
(1 + X )
⎪−
υ

ρ
dh
d
p
p
p
⎪
⎪ d d
nd p3 ρ p dX
⎪− ( ) = π
⎪ dh
6Gk 1 + X dh
⎪
α ( tk − t p ) − N ( r0 + C pυ tk )
t p dX ⎡
C pw ⎤
⎪ dt p
=6
−
⎢1 + (1 + X )
⎥
⎨
C pp ρ p d pυ p
1 + X dh ⎣⎢
C pp ⎦⎥
⎪ dh
⎪
2
⎪± dtk = nd pπ ⎡ N ( r + C t ) − α ( t − t ) ⎤ m r0 + C pυ d ( d )
pυ k

k
p ⎦
0
⎪ dh υ p Gk C pk ⎣
C pk
dh
⎪
ρ p − ρk
⎪ dυ p 3 CD ρ k
⎪− dh = 2 d ρ υ (υk m υ p ) − g ρ υ
p p p
p p
⎩

(1.1)

Từ các phương trình cân bằng mơmen, phương trình cân bằng nhiệt, phương
trình cân bằng chất, M.Parti và Palancz [17] đã đưa ra hệ phương trình (1.1) mơ tả
q trình truyền nhiệt và truyền chất trong các thiết bị sấy phun và đã thành công
trong việc giải các hệ phương trình này cho cả trường hợp cùng chiều và ngược
chiều với một nguyên liệu sấy giả định. Tuy nhiên, hệ phương trình này cịn một số
hạn chế là: chưa tính đến các vận tốc hướng tâm, vận tốc tiếp tuyến của hạt (giả
15


thiết hạt chỉ chuyển động theo phương thẳng đứng dọc theo trục buồng sấy) và
khơng tính đến ảnh hưởng của sự thay đổi tốc độ sấy ở các giai đoạn sấy khác nhau.
Trong đó: dấu ± và m , trường hợp thứ nhất áp dụng cho hệ thống sấy phun
cùng chiều, trường hợp thứ hai áp dụng cho hệ thống sấy phun ngược chiều.
N: tốc độ sấy tương đối

N = K m ( dbh − d )

(1.2)

Các hạn chế trên đã được I.Zbicinski [22] khắc phục khi ông thực hiện
nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong thiết bị sấy phun cùng
chiều.
Quỹ đạo chuyển động của các hạt:
⎡⎛ ρ
= ⎢⎜ 1 − k
dh ⎢⎜⎝ ρ p
⎣

dv px

⎞
3 ρ k .CD .vR . ( v px − vkx ) ⎤ 1
⎥.
⎟⎟ .g −
4
ρ p .d p
⎥⎦ v px
⎠

(1.3)

⎡ v 2pt 3 ρ k .CD .vR . ( v pr − vkr ) ⎤ 1
=⎢ −
⎥.
dh ⎢ h 4

ρ p .d p
⎥⎦ v px
⎣

(1.4)

⎡ v .v
3 ρ k .CD .vR . ( v pt − vkt ) ⎤ 1
= ⎢ − pt pr −
⎥.
dh ⎢
r
4
ρ p .d p
⎥⎦ v px
⎣

(1.5)

dv pr

dv px

Trong đó:
v px , v pr , v pt - lần lượt là vận tốc theo các phương dọc trục, hướng tâm và tiếp tuyến

của hạt.
vR - là vận tốc tương đối của hạt.
1/2

2
2
2
vR = ⎡⎢( v px − vkx ) + ( v pr − vkr ) + ( v pt − vkt ) ⎤⎥
⎣
⎦

(1.6)

CD là hệ số cản của khơng khí.

- Phương trình vi phân khối lượng của một hạt:
dm p
dh

= −ξ .

F .K m
. ( dbh − d )
v px

Trong đó:
ξ - hệ số tỉ lệ năng suất sấy.

- Phương trình vi phân nhiệt độ của một hạt:
16

(1.7)

dt p
dh

{

} m .(C

= π .d p .λ .Nu. ( tk − t p ) + ⎡⎣ r0 + C pv . ( tk − t p ) .π .d p2 .K m ⎤⎦ .

s

1
ps + X .C pw ) .v px

(1.8)

Trong đó:
ms - khối lượng chất rắn có trong hạt.

- Phương trình cân bằng chất trung bình cho cả quá trình sấy:
Gk .

d (d )
⎛ dm p ⎞
= ∑⎜−
⎟
dh
dh ⎠
hat ⎝

(1.9)

- Phương trình cân bằng nhiệt trung bình cho cả quá trình sấy:
dI L
1 ⎡ dm p λ .π .d p .Nu. ( tk − t p ) ⎤
⎢ Ib .
⎥
=∑
−
dh hat Gk ⎢
dh
v px
⎥⎦
⎣

(1.10)

Ngồi những mơ hình tính toán chung cho nhiều loại nguyên liệu sấy như ở
trên thì các tác giả cịn phát triển những mơ hình riêng cho những loại nguyên liệu
sấy khác nhau, tiêu biểu là mơ hình tốn với ngun liệu sấy là sữa của V. S.
Birchal và M. L. Passos [19]. Mơ hình được xây dựng dựa trên một số giả thiết sau:
- Khơng khí nóng và sữa được cấp liên tục vào buồng sấy từ trên đỉnh buồng
sấy với một tốc độ đồng đều.
- Khơng khí và hơi nước trong buồng sấy hịa trộn đều.
- Các hạt có dạng hình cầu, đồng đều về kích thước và đồng nhất về hóa học.
Các hạt phân bố đều trong buồng sấy.
- Dòng nhiệt truyền từ khơng khí nóng tới giọt lỏng hoặc hạt và biến thiên
nhiệt độ bên trong hạt là không đáng kể.
- Tốc độ sấy riêng đặc trưng bởi sự bay hơi nước từ một hạt đơn lẻ và khơng
khí.

- Tốc độ sấy toàn bộ là tổng của các tốc độ sấy riêng của tất cả các hạt trong
buồng sấy.
- Quá trình sấy được chia làm hai giai đoạn: giai đoạn đầu là giai đoạn bay
hơi của giọt tự do cho tới khi trên bề mặt hạt xuất hiện lớp rắn, giai đoạn thứ hai là
giai đoạn lớp rắn bề mặt tăng lên đồng thời lõi của hạt co lại. Hệ phương trình có
dạng:

17


.
2 ⎛ .
dX
⎧
⎞
⎪− ms . dt = π . ⎡⎣ d ( t ) ⎤⎦ . ⎜⎝ mv + mvap ⎟⎠
⎪
2 .
d
⎪
⎡
⎤
⎪π . ⎡⎣ d ( t ) ⎤⎦ . q = ms . dt ⎣( C ps + X .C pw ) . (Tp ( t ) − 273) ⎦ +
⎪
.
.
⎪ ⎡ λ + C . (T ( t ) − 273) ⎤ .π . ⎡ d ( t ) ⎤ 2 . ⎛ m v + mvap ⎞
⎟
pv
p

⎦ ⎜
⎦ ⎣
⎪⎪ ⎣
⎝
⎠
⎨
.
⎪ d ( d ) G. ( dbh − d ) + ∑ π .d p2 . m v
⎪
=
G.τ
⎪ dt
⎪d
⎪ ⎡⎣ Gk .τ ⎡⎣C pv + d .C pw ⎤⎦ + ρ .V .C pp wall . (Tk − 273) ⎤⎦
⎪ dt
.
.
.
⎪
.
T
T
M
.
C
.
T
T
Q
Q

.
=
+
G
C
d
C
−
−
−
−
−
evap
(
)
(
)
(
)
k0
k
pv
k
p
pk
bh pv
wall
⎪⎩ k

(

(1.11)

)

Trong đó:
τ – thời gian lưu trú của hạt trong buồng sấy, s
d p - đường kính hạt, m
.

m v - tốc độ bay hơi riêng trên một đơn vị diện tích bề mặt hạt, kg/s.m2.
.

m vap - tốc độ bay hơi tăng thêm trên một đơn vị diện tích bề mặt hạt, kg/s.m2.
.

q - mật độ dịng nhiệt từ khơng khí truyền vào hạt trên một đơn vị diện tích bề mặt

hạt, W/m2.
.

Q - tổng lượng nhiệt trao đổi, W.

Nguyễn Tiến Quang [7] đã tiến hành nghiên cứu lí thuyết và thực nghiệm
q trình truyền nhiệt và truyền chất trong thiết bị sấy phun. Cụ thể là xây dựng mơ
hình tốn học mơ tả quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất xảy ra trong buồng sấy
phun cùng chiều đồng thời tiến hành giải hệ phương trình với nguyên liệu sấy là
dịch chanh dây. Kết hợp với các nghiên cứu thực nghiệm đã đưa ra chế độ sấy tối
ưu đối với loại sản phẩm này: nhiệt độ khơng khí nóng 160 ÷ 1800 C , nồng độ chất
rắn trong dịch sấy là 9 ÷ 10% , tỉ lệ chất phụ gia Maltodextrin so với lượng chất khơ

là 45/55. Tuy nhiên, vẫn cịn một số hạn chế: tác giả sử dụng phương pháp sai phân
để giải hệ phương trình vi phân mơ tả q trình truyền nhiệt và truyền chất trong
thiết bị sấy phun nên độ chính xác chưa cao, chưa đánh giá ảnh hưởng của các
thơng số đầu vào tới q trình sấy phun trên mơ hình lí thuyết.
18


1.2.2 Hướng nghiên cứu thực nghiệm
Song song với hướng nghiên cứu lí thuyết là hướng nghiên cứu thực nghiệm.
Nghiên cứu thực nghiệm là bước cuối cùng để đưa ra chế độ sấy tối ưu nhất cho
mỗi loại sản phẩm, chuẩn bị để thiết kế và đưa vào sản xuất.
1. Các nghiên cứu trên thế giới
Cà chua là một loại thực phẩm giàu dinh dưỡng, đã có nhiều nghiên cứu
khác nhau về cơng nghệ sấy bột cà chua, trong đó có hai nghiên cứu tiêu biểu của
M.Goula và G.Adamopoulos [9] và nhóm tác giả F.Banat, R.Jumah, Asheh và
Hammad [12].
Đối với hệ thống sấy phun tiêu chuẩn và hệ thống sấy phun có trang bị thêm
bộ khử ẩm khơng khí, khi tăng độ cơ đặc của dịch cà chua nghiền thì trên cả hai hệ
thống sấy cỡ hạt sản phẩm đều tăng nhưng 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. Đối với hệ thống sấy phun tiêu chuẩn, khi tăng độ cô đặc làm bám dính
nhiều hơn, khả năng thu hồi sản phẩm thấp. Với hệ thống sấy phun cải tiến thì
ngược lại khả năng thu hồi sản phẩm cao hơn (M.Goula và G.Adamopoulos [9]). Từ
đây có thể thấy việc cơ đặc dịch cà chua nên ở mức độ nhất định tùy thuộc vào điều
kiện công nghệ và thiết bị sấy. Đối với hệ thống sấy phun cải tiến, mặc dù có thể đạt
được hiệu suất thu hồi sản phẩm cao hơn tuy nhiên chi phí đầu tư ban đầu và chi phí
vận hành lại lớn vì vậy cần tính tốn kĩ trước khi ứng dụng.
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 khơng 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 khơng đáng kể lên hàm
lượng rắn và độ hịa tan của sản phẩm.
- 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 hịa
tan của sản phẩm lại giảm đi.
19