Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình gia nhiệt phục vụ công nghệ sấy nông sản dạng hạt

ghiên cứu và các số liệu trong luận văn này là trung thực và ch−a đ−ợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào. - Tôi xin cam đoan: mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đ5 đ−ợc chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Phạm Minh Thành ii Lời cảm ơn Trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ khoa học: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình sấy nông sản dạng hạt” Tôi đ5 nhận đ−ợc sự giúp đỡ nhiệt tình của các tập thể, đồng nghiệp và những ng−ời thân. Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ: Nguyễn Văn Hoà đ5 tận tình h−ớng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn: Bộ môn Điều khiển tự động - Khoa Điện Tr−ờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đ5 tạo điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện luận văn này. Tôi xin cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo Bộ môn cung cấp và sử dụng điện, Bộ môn điện kĩ thuật – Khoa Cơ Điện – Tr−ờng Đại học Nông Nghiệp Hà Nội đ5 đóng góp những ý kiến quý báu để tôi hoàn thiện luận văn này. Tác giả Phạm Minh Thành iii Mục lục Lời cam đoan ......................................................................................................i Lời cảm ơn.........................................................................................................ii Mục lục ............................................................................................................ iii Danh mục các bảng............................................................................................ v Danh mục các hình ...........................................................................................vi Lời mở đầu.........................................................................................................1 Ch−ơng 1- Đặc điểm quá trình và thiết bị sấy ...................................................4 1.1. Tổng quan về hệ thống sấy......................................................................4 1.1.1. Ph−ơng pháp sấy ......................................................................................5 1.1.2. Phân loại hệ thống sấy.............................................................................6 1.1.3. Hệ thống sấy tháp và một số kiểu tháp sấy thông dụng ..........................8 1.1.4. Chế độ sấy..............................................................................................11 1.2. Tính chất ẩm của vật liệu sấy và tác nhân sấy ......................................12 1.2.1. Tác nhân sấy ..........................................................................................12 1.2.2. Tính ẩm của vật liệu sấy ........................................................................18 1.3. Các thông số cơ bản của quá trình sấy đối l−u......................................20 1.3.1. Tính chất nhịêt vật lý của nông sản. ......................................................20 1.3.2. Tính l−ợng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm.......................21 1.3.3. L−ợng nhiệt tiêu hao cho quá trình sấy lý thuyết..................................22 1.3.4. Công nghệ sấy nông sản dạng hạt .........................................................23 1.3.5. Nhiệt độ cho phép của hạt .....................................................................24 Ch−ơng 2 - Xây dựng mô hình quá trình sấy...................................................25 A - Xây dựng mô hình động học quá trình sấy ...........................................25 2.1. Các đặc tr−ng của quá trình sấy ............................................................25 2.2. Mô hình sấy tĩnh nông sản ....................................................................29 2.2.1. Mô hình quá trình đốt nóng liệu............................................................30 2.2.2. Xây dựng mô hình quá trình sấy ...........................................................33 iv B - Xây dựng hệ thống thí nghiệm khảo sát quá trình sấy..........................38 2.1. Tổng quát chung về mô hình sấy ..........................................................38 2.2. Nghiên cứu, khảo sát, hiệu chỉnh các phần tử.......................................41 2.2.1 Giới thiệu về Triac.................................................................................41 2.2.2 Giới thiệu về TCA785. ..........................................................................44 2.2.3 Bộ chuyển đổi R/U................................................................................50 2.2.4 Bộ khuếch đại tín hiệu cặp nhiệt ...........................................................52 2.2.5 Giao diện với máy tính: Card A/D – D/A..............................................53 Ch−ơng 3 - Tổng hợp hệ thống đIều khiển......................................................56 3.1. Các ph−ơng pháp xác định đặc tính động học của đối t−ợng................56 3.1.1. Cơ sở lý thuyết.......................................................................................57 3.1.2. Xác định mô tả toán học của đối t−ợng.................................................59 3.2. Các b−ớc xác định thông số của bộ điều khiển.....................................61 3.2.1. Xác định thông số bộ điều khiển theo đặc tính thời gian của đối t−ợng điều khiển ..............................................................................................62 3.2.2 Tổng hợp theo Chien, Hrone và Reswich ...............................................64 3.2.3. Xác định thông số bộ điều khiển PI bằng thực nghiệm ........................66 3.3. Khảo sát thực nghiệm hệ thống điều khiển nhiệt độ gió.......................69 Ch−ơng 4 - Khảo sát thực nghiệm quá trình sấy .............................................73 4.1. Khảo sát quá trình nung liệu khô ..........................................................73 4.2 Khảo sát quá trình nung liệu ẩm ...........................................................76 4.3. Khảo sát sự thay đổi độ ẩm theo thời gian sấy......................................81 Kết luận và kiến nghị.......................................................................................83 1.1. Kết luận .................................................................................................83 1.2. Kiến nghị ...............................................................................................83 Tài liệu tham khảo ...........................................................................................84 Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………v Danh mục các bảng Bảng 1. Đặc tr−ng kỹ thuật của hệ thống sấy chớp .........................................10 Bảng 2. Đặc tr−ng kỹ thuật của máy ...............................................................11 Bảng 3. Độ ẩm bảo quản các hạt ngũ cốc........................................................19 Bảng 4. Bảng độ ẩm giới hạn bảo quản và nhiệt độ giới hạn khi sấy..............23 Bảng 3.1. Thông số bộ điều khiển theo công thức thực nghiệm .....................63 Bảng 3.2 Thông số bộ điều khiển theo công thức kinh nghiệm ......................63 Bảng 3.3 Công thức tính toán thông số bộ điều khiển theo Chien, Hrone và Reswich ..................................................................64 Bảng 3.4. Công thức tính toán thông số bộ điều khiển −u tiên thời gian quá độ ngắn theo Chien, Hrone và Reswich .................................................64 Bảng 3.5 Thông số bộ điều khiển theo Chien, Hrone và Reswich ..................64 Bảng 3.6. Thông số bộ điều khiển −u tiên thời gian quá độ ngắn theo Chien, Hrone và Reswich..............................................................................65 Bảng 4.1: Kết quả tính toán thông số nung .....................................................76 Bảng 4.2: Kết quả đo và tính toán hệ số truyền nhiệt α ..................................80 Bảng 4.3 Kết quả khảo sát quá trình sấy ngô ..................................................81 Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………….. ………………………vi Danh mục các hình Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị I-d của hệ thống sấy có đốt nóng trung gian ........................................................................11 Hình 1.2. Đồ thị I-d của quá trình sấy............................................................16 Hình 2.1. Sự thay đổi độ chứa ẩm và nhiệt độ vật trong quá trình sấy...........26 Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc sấy tĩnh....................................................................29 Hình 2.3. Mô hình cân bằng nhiệt..................................................................30 Hình 2.4. Mô hình động học của lớp liệu.......................................................32 Hình 2.5. Mô hình nung 5 lớp ........................................................................34 Hình 2.6. Mô hình quá trình sấy.....................................................................37 Hình 2.7. Sơ đồ mô hình sấy ..........................................................................39 Hình 2.8. Triac BTA41 ...................................................................................41 Hình2.9. Cấu trúc bán dẫn.............................................................................42 Hình 2.10. Kí hiệu Triac..................................................................................42 Hình 2.11. Đặc tính V-A .................................................................................43 Hình 2.12. Điều khiển Triac bằng dòng điều khiển âm ..................................43 Hình 2.13. Mô hình TCA785...........................................................................44 Hình 2.14. Chức năng các chân của TCA785..................................................45 Hình 2.15. Mô hình tạo xung của TCA785 .....................................................46 Hình 2.16. Cấu tạo bên trong TCA785............................................................47 Hình 2.17. Mạch khuyếch đại công suất .........................................................49 Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi R/U.........................................50 Hình 2.19. Sơ đồ mạch khuyếch đại tín hiệu cặp nhiệt ...................................52 Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý Card A/D - D/A ..................................................54 Hình 3.1. Đ−ờng qúa độ của đối t−ợng tự cân bằng........................................57 Hình 3.2. Đồ thị đ−ờng quá độ H1 (t) ..............................................................58 Hình 3.3 Đ−ờng quá độ của đối t−ợng điều khiển...........................................60 vii Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều chỉnh nhiệt độ gió.........................61 Hình 3.5. Hàm quá độ của đối t−ợng tự cân băng và cách xác định T và τ.....62 Hình 3. 6. Kết quả mô phỏng với K = 4,86 Ti = 139.......................................63 Hình 3.7 Kết quả mô phỏng với Km = 4,125 Ti = 69....................................65 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng với Km = 4.125 Ti = 198..................................65 Hình 3.9 Kết quả khảo sát với Km = 2,8 Ti = 0 ...........................................67 Hình 3. 10 Kết quả mô phỏng với Km = 2,8 Ti = 201 ....................................68 Hình 3.11 Kết quả khảo sát với Ti = 201 và Km = 3.2 Km = 4 Km = 4,5 .......68 Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc thiết bị điều chỉnh trong Real Time Toolbox ........69 Hình 3.13 Kết quả khảo sát thực nghiệm đ−ờng ...........................................70 Hình 3.14 Kết quả khảo sát với Km = 5 ..........................................................71 Hình 3.15. Kết quả khảo sát với Km = 5 và Ti = 148......................................71 Hình 3.16 Xác định thông số bộ điều khiển bằng thực nghiệm .....................72 Hình 4.1. Đồ thị thay đổi nhiệt độ khi nung liệu khô ....................................74 Hình 4.2 Kết quả thí nghiệm khảo sát quá trình sấy .....................................77 1 lời mở đầu Hiện nay Việt Nam là n−ớc có khoảng 80% dân số làm nông nghiệp. Nh− vậy vấn đề bảo quản thực phẩm và nông sản là một vấn đề rất đ−ợc quan tâm, chú trọng nhất là đối với n−ớc có khí hậu nhiệt đới nh− n−ớc ta. Với đặc điểm nắng nóng, m−a nhiều không khí luôn có độ ẩm lớn gây nhiều khó khăn cho việc bảo quản nông sản. Đr không ít những vụ mùa nông dân phải chịu những thiệt hại nghiêm trọng do nông sản thu hoạch đ−ợc bị hỏng, ẩm mốc chỉ vì không kịp xử lý đúng cách. Có rất nhiều ph−ơng pháp để bảo quản tuỳ theo từng loại nông sản, một trong những ph−ơng pháp đ−ợc sử dụng phổ biến nhất là sấy khô. Đây là ph−ơng pháp truyền thống, đ−ợc sử dụng từ rất xa x−a và cho đến nay nó vẫn là ph−ơng pháp chủ yếu để bảo quản nông sản. Do vậy, việc nghiên cứu nhằm tìm kiếm các giải pháp công nghệ sấy khô nông sản sau thu hoạch là một vấn đề rất cần thiết. Các giải pháp này cần phù hợp với đặc điểm sản xuất hộ gia đình của n−ớc ta, đặc điểm thời tiết trong vụ thu hoạch, tập quán sản xuất và điều kiện kinh tế vùng nông thôn. Ta chia sấy làm hai ph−ơng pháp là sấy tự nhiên và sấy nhân tạo: + Ph−ơng pháp sấy tự nhiên: Là ph−ơng pháp phổ biến nhất mà nông dân th−ờng dùng. Ng−ời ta phơi nắng tự nhiên cho nông sản khô đi. Đây là ph−ơng pháp rẻ tiền do phải đầu t− ít và đơn giản nhất do tận dụng đ−ợc nguồn năng l−ợng mặt trời nh−ng có nh−ợc điểm sau: - Không thể làm khô sản phẩm thu hoạch trong mùa m−a ẩm - Năng suất không cao do thực hiện thủ công và chỉ thực hiện đ−ợc khi điều kiện thời tiết thuận lợi - Chất l−ợng của sản phẩm không đ−ợc đảm bảo, không có độ khô đồng đều trong sản phẩm sấy. Chất l−ợng phụ thuộc vào tình trạng thời tiết. Những 2 ngày nắng to sản phẩm dễ bị làm khô quá mức, những ngày thời xấu tốc độ làm khô chậm dễ gây ra ẩm mốc nhất là trong những ngày m−a. + Ph−ơng pháp sấy nhân tạo: Đây là ph−ơng pháp mang tính tích cực chủ động, đảm bảo đ−ợc năng suất và chất l−ợng nh− ý muốn trong mọi điều kiện thời tiết và tuỳ vào mục đích của ta là bảo quản nông sản để làm giống hay làm l−ơng thực mà ta sẽ áp dụng các công nghệ sấy khác nhau. Hiện nay trên thế giới đr có rất nhiều thiết bị sấy hiện đại nh−ng khó để áp dụng đ−ợc ở Việt Nam vì những lý do sau: - Giá thành của thiết bị qúa cao - Quy mô các thiết bị sấy là quá lớn không đảm bảo tính kinh tế khi áp dụng với điều kiện sản xuất nhỏ theo nông hộ ở n−ớc ta. - Giá thành của sản phẩm sấy đắt do chi phí quá lớn trong quá trình thực hiện sấy Tuy n−ớc ta đr có các công trình nghiên cứu về việc bảo quản các nông sản nh−ng việc áp dụng các công trình này vào thực tế còn gặp nhiều vấn đề, nhất là việc tìm ra đ−ợc một hệ thống thực sự thích hợp có thể đ−ợc áp dụng rộng rri trong sản xuất. Nguyên nhân là do kết quả khảo sát của các công trình nghiên cứu này còn ch−a đ−ợc thử nghiệm đủ nhiều để đảm bảo rằng kết quả thu đ−ợc là hoàn toàn thích hợp với đặc điểm của các sản phẩm nông nghiệp, đặc điểm của thời tiết, khí hậu, điều kiện tự nhiên cũng nh− tình hình kinh tế của n−ớc ta hiện nay. Mặt khác một số các hệ thống sấy đang đ−ợc dùng trong nông nghiệp th−ờng là các sản phẩm đ−ợc chế tạo dựa trên kinh nghiệm đúc kết đ−ợc từ thực tế sản xuất, nh− vậy thì chúng chỉ có thể đ−ợc dùng trong một điều kiện nhất định nào đấy, cho một sản phẩm nông nghiệp nhất định nên không có tính linh hoạt và cũng không đảm bảo đ−ợc chất l−ợng của nông sản đ−ợc sấy khi các điều kiện thay đổi. Nh−ng điều đó cũng cho ta thấy rằng việc nghiên cứu, xây dựng các hệ thống sấy thực nghiệm trong nhiều tr−ờng hợp khác nhau là rất cần thiết để 3 có thể từ đó đ−a ra các kết luận tổng quát và vững chắc trong quá trình nghiên cứu, xây dựng các hệ thống sấy sau này Xuất phát từ những thực tiễn đặt ra, đ−ợc sự đồng ý của thầy giáo h−ớng dẫn TS. Nguyễn Văn Hoà tác giả đr chọn đề tài: "Nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình gia nhiệt phục vụ công nghệ sấy nông sản dạng hạt" 4 Ch−ơng 1 đặc đIểm quá trình và thiết bị sấy 1.1. Tổng quan về hệ thống sấy Thiết bị sấy là thiết bị nhằm thực hiện quá trình làm khô các vật liệu, chi tiết, hoặc sản phẩm nhất định làm cho chúng đạt đến độ ẩm thích hợp theo yêu cầu. Chất lỏng chứa trong vật liệu sấy hoặc sản phẩm th−ờng là n−ớc. Trong kỹ thuật sấy th−ờng gặp các quá trình tách các chất lỏng hữu cơ khỏi các chi tiết sản phẩm. Do yêu cầu công nghệ mà vật liệu sấy có thể có các dạng sau đây: dạng cục, dạng hạt, dạng tấm phẳng, dạng thể tích…Dạng vật liệu sấy là một trong những nhân tố hàng đầu quyết định dạng thiết bị sấy đối l−u hay bức xạ. Dạng vật liệu sấy là tấm phẳng nh− vải, giấy,… thì th−ờng dùng thiết bị sấy tiếp xúc. Vật liệu cần sấy là dịch thể thì th−ờng dùng thiết bị sấy phun. Thiết bị sấy th−ờng đ−ợc chia ra mấy nhóm sau, tùy theo ph−ơng pháp cấp nhiệt cho vật liệu sấy: - Sấy đối l−u: Nguồn cấp nhiệt cho quá trình sấy th−ờng là không khí hoặc khói lò, trao đổi nhiệt đối l−u từ môi tr−ờng sấy. Trong hệ thống sấy đối l−u có các loại sau: hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy thùng quay, hệ thống sấy tháp, hệ thống sấy khí động, hệ thống sấy tầng sôi. - Sấy bức xạ: Nguồn nhiệt cung cấp bằng cách truyền nhiệt bức xạ từ nguồn nhiệt tới vật sấy, để ẩm dịch chuyển từ trong vật liệu sấy ra bề mặt khuyếch tán vào môi tr−ờng - Sấy tiếp xúc: Cung cấp nhiệt bằng cách tiếp xúc trực tiếp giữa vật sấy với bề mặt gia nhiệt. Nh− vậy hệ thống sấy tiếp xúc tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tăng áp suất hơi n−ớc trên bề mặt vật liệu sấy. - Các hệ thống sấy khác: Ngoài ba hệ thống sấy trên, trong các hệ thống sấy còn có hệ thống sấy dùng năng l−ợng điện từ tr−ờng để đốt nóng 5 vật. Trong các hệ thống sấy loại này, khi vật liệu sấy đặt trong môi tr−ờng điện từ thì trong vật xuất hiện các dòng điện và chính dòng điện này đốt nóng vật. Hệ thống sấy loại này tạo ra độ chênh lệch áp suất giữa vật liệu sấy và môi tr−ờng đốt nóng vật. 1.1.1. Ph−ơng pháp sấy Dựa vào tác nhân sấy và nhiệt độ sấy mà chúng ta có hai ph−ơng pháp sấy: ph−ơng pháp sấy nóng và ph−ơng pháp sấy lạnh. 1.1.1.1. Ph−ơng pháp sấy nóng Ph−ơng pháp sấy nóng là tác nhân sấy và vật liệu sấy đ−ợc đốt nóng. Do tác nhân sấy đ−ợc đốt nóng nên độ ẩm t−ơng đối ϕ giảm dẫn đến áp suất hơi n−ớc trong tác nhân sấy giảm. Do nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên nên mật độ hơi tăng lên trong các mao quản, theo công thức: 0p pr =ϕ (1.1) Trong đó: pr là áp suất hơi bề mặt mao dẫn, p0 là áp suất trên bề mặt thoáng. Hệ thống sấy có hai cách để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi n−ớc giữa vật liệu sấy và môi tr−ờng: - Cách thứ nhất là giảm áp suất của tác nhân sấy bằng cách đốt nóng nó. - Cách thứ hai là tăng áp suất hơi n−ớc trong vật liệu sấy. Trong hệ thống sấy đối l−u sử dụng cả hai ph−ơng pháp này, hệ thống sấy bức xạ, hệ thống sấy tiếp xúc và hệ thống sấy dùng dòng cao tần thì sử dụng cách đốt nóng vật. 1.1.1.2. Ph−ơng pháp sấy lạnh Ph−ơng pháp sấy lạnh là sự tạo chênh lệch phân áp suất hơi n−ớc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy chỉ bằng cách giảm áp suất hơi n−ớc trong tác nhân sấy nhờ giảm l−ợng chứa hơi ẩm d. Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ mặt vào môi tr−ờng có thể lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt độ môI 6 tr−ờng hoặc nhỏ hơn 00C. Ph−ơng pháp sấy lạnh phân làm ba loại hệ thống sấy: - Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ t > 0 - Hệ thống sấy thăng hoa - Hệ thống sấy chân không 1.1.2. Phân loại hệ thống sấy Trên cở sở năng suất sấy, hình dáng và kích th−ớc của vật liệu sấy mà chúng ta chọn thích hợp 1.1.2.1. Hệ thống sấy tiếp xúc Hệ thống sấy tiếp xúc, nh− tên gọi của nó, vật liệu sấy đ−ợc tiếp xúc trực tiếp bằng dẫn nhiệt hoặc từ bề mặt nóng hoặc môi chất nóng. Có thể chia hệ thống sấy tiếp xúc làm hai loại: loại tiếp xúc trong chất lỏng nóng và tiếp xúc bề mặt. Đặc điểm chung của hệ thống sấy: - Vật liệu sấy nhận nhiệt bằng dẫn nhiệt từ một bề mặt hay một dịch thể đ−ợc đốt nóng và thải ẩm vào không gian xung quanh. Vì vậy, để tăng c−ờng qúa trình thải ẩm ng−ời ta có thể kết hợp với ph−ơng án trao đổi nhiệt ẩm đối l−u c−ỡng bức trên bề mặt kia của vật liẹu sấy. Về mặt trao đổi nhiệt ẩm, có thể xem đây là bài toán đốt nóng với điều kiện biên loại một và loại ba kết hợp: phía bề mặt đốt nóng là loại một và phía bề mặt tự do là loại ba. - Đ−ợc sử dụng nhiều trong công nghiệp nh− giấy, vải, mỳ ăn liền, và vật liệu làm keo dính… - Ưu điểm: có tính chất ngâm tẩm, c−ờng độ sấy cao và thời gian sấy ngắn 1.1.2.2. Hệ thống sấy bức xạ Hệ thống sấy bức xạ th−ờng dùng để sấy các vật liệu dạng mỏng nh− vải, lớp sơn trên các chi tiết kim loại. Ngoài ra nó còn dùng sấy sách sau khi đóng bìa hoặc phim ảnh với mục đích diệt nấm mốc 7 Có thể phân loại hệ thống sấy bức xạ theo nguồn năng l−ợng đốt nóng bề mặt bức xạ - Hệ thống sấy bức xạ dùng đèn hồng ngoại - Hệ thống sấy dùng bề mặt bức xạ Nh−ợc điểm: Nhiệt độ đốt cao, tiêu hao nhiệt l−ợng lớn −u điểm: Vừa sấy vừa diệt nấm mốc, sấy ở nhiệt độ cao 1.1.2.3. Hệ thống sấy đối l−u Trong hệ thống sấy đối l−u có các dạng sau: - Hệ thống sấy buồng - Hệ thống sấy thùng quay - Hệ thống sấy hầm - Hệ thống sấy tháp - Hệ thống sấy khí động - Hệ thống sáy tầng sôi - Hệ thống sấy phun 1.1.2.4. Hệ thống sấy buồng Trong hệ thống sấy đối l−u, hệ thống sấy buồng đ−ợc sử dụng rộng rri nhất. Bộ phận chính của hệ thống sấy này là buồng sấy. Trong buồng sấy bố trí các thiết bị đỡ vật liệu sấy hay còn gọi là thiết bị chuyền tải Phân loại hệ thống sấy buồng: - Nếu dung l−ợng buồng sấy bé và thiết bị chuyền tải là các khay sấy thì ng−ời ta gọi là hệ thống sấy buồng này là tủ sấy - Nếu dung l−ợng buồng sấy lớn và thiết bị chuyền tải là các xe goòng thì ng−ời ta gọi là hệ thống sấy buồng kiểu xe goòng Nh−ợc điểm: hệ thống sấy buồng do cấu tạo của nó, là hệ thống sấy theo từng chu kỳ mẻ một nên năng suất không lớn và không liên tục. −u điểm: do hình dạng cấu tạo của nó nên có thể sấy nhiều dạng vật liệu sấy khác nhau nh− vật liệu sấy dạng cục, hạt, thanh và tấm 8 1.1.2.5. Hệ thống sấy hầm Khác với hệ thống sấy buồng, trong hệ thống sấy hầm là một hầm sấy dài, vật liệu sấy đi vào đầu này và ra đầu kia của hầm. Thiết bị chuyển tải trong hệ thống sấy hầm là xe goòng hoặc băng tải. Tác nhân sấy và vật liệu sấy đi ng−ợc chiều nhau tạo khả năng trao đổi nhiệt ẩm cao. Đặc điểm chủ yếu của hệ thống sấy hầm là bán liên tục hoặc liên tục, do cấu tạo của nó có thể sấy đ−ợc nhiều dạng vật liệu sấy khác nhau nh− dạng cục, dạng hạt… do cấu tạo có khả năng cơ giới hóa nên nó có năng suất của nó lớn hơn hệ thống sấy buồng. Là thiết bị sấy dùng rộng rri trong công nghiệp. 1.1.2.6. Hệ thống sấy thùng quay Cấu tạo hệ thống sấy thùng quay: là hệ thống sấy chuyên dùng để sấy hạt, cục nhỏ. Nó đ−ợc dùng rộng rri trong công nghệ sau thu hoạch để sấy các hạt ngũ cốc. Cấu tạo chính của hệ thống sấy thùng là một thùng sấy hình trụ tròn. Thùng sấy đ−ợc đặt nghiêng với mặt phẳng nằm ngang theo tỷ lệ 1/15 ữ 1/50 Nguyên lý hoạt động: Thùng sấy quay với tốc độ 1,5 ữ 8 vòng/phút nhờ một động cơ điện thông qua một hộp giảm tốc. Vật liệu sấy từ phễu chứa đi vào thùng sấy cùng với tác nhân sấy. Thùng sấy quay tròn, vật liệu sấy vừa bị xáo trộn vừa đi dần dần từ đầu cao xuống đầu thấp. Trong quá trình này, tác nhân sấy và vật liệu sấy trao đổi nhiệt ẩm cho nhau. Vật liệu đi hết chiều dài thùng sấy đ−ợc lấy ra và đ−ợc vận chuyển vào kho nhờ băng tải. 1.1.3. Hệ thống sấy tháp và một số kiểu tháp sấy thông dụng A. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Có nhiều hệ thống sấy với kiểu dáng cấu trúc khác nhau. Hệ thống sấy tháp là một trong những hệ thống trên, nó chuyên dùng sấy vật liệu nh− thóc, ngô, lúa mỳ… Cấu tạo của hệ thống sấy tháp gồm có tháp sấy trong đó đặt các kênh dẫn và kênh thải tác nhân sấy (khí nóng). Tháp sấy là cả khối hình hộp hoặc là khối hình hộp đ−ợc chia nhỏ thành những khối con. Vật liệu sấy đ−ợc gầu 9 múc hoặc băng tải đổ từ đỉnh tháp di chuyển xuống d−ới. Tác nhân sấy từ các kênh dẫn xuyên qua lớp vật liệu sấy vào kênh thải rồi thải ra môi tr−ờng. Nh− vậy tác nhân sấy và vật liệu sấy thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, hơi ẩm cho nhau theo ph−ơng thức đối l−u. Hệ thống sấy tháp có thể hoạt động liên tục hoặc gián đoạn tùy vật liệu sấy và độ ẩm ban đầu của nó. Sấy là một quá trình công nghệ phức tạp, nó có thể đ−ợc thực hiện trên các thiết bị sấy khác nhau ứng với mỗi loại vật liệu sấy mà ng−ời ta chọn chế độ sấy thích hợp nhằm năng suất đạt cao nhất, chất l−ợng sản phẩm sau sấy tốt nhất và tiết kiệm năng l−ợng. Có ba hình thức di chuyển vật liệu sấy trong tháp: - Vật liệu sấy rơi tự do trong tháp sấy liên tục nhờ trọng lực, đây là hệ thống sấy làm việc liên tục. Nó đ−ợc điều chỉnh bởi vít nở. - Vật liệu sấy đ−ợc đ−a vào tháp theo từng phần của tháp, tốc độ dịch chuyển của hạt và l−ợng hạt đ−ợc khống chế nhờ định kỳ và số l−ợng hạt lấy ra đ−a vào. Nh− vậy, hệ thống sấy tháp kiểu này là bán liên tục. - Vật liệu di chuyển từ trên xuống, tốc độ của nó đ−ợc điều chỉnh bởi cơ cấu cơ khí chuyên dùng. Nhờ cơ cấu này mà tháp sấy có thể hoạt động liên tục hoặc bán liên tục. B. Kết cấu chung của tháp sấy Hệ thống sấy tháp có nhiều kết cấu khác nhau nh−ng về nguyên tắc ng−ời ta tổ chức cho hai dòng vật liệu sấy và tác nhân sấy đi xuyên qua nhau để tăng c−ờng quá trình nhiệt ẩm. Có thể bố trí các kênh dẫn và kênh thải xen kẽ nhau. Các kênh dẫn nối với ống góp cung cấp tác nhân sấy. Ng−ợc lại, kênh thải nối với ống góp để thải khí tác nhân sấy. Tác nhân sấy từ các kênh dẫn xuyên qua lớp hạt, thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm với vật liệu sấy và đi vào kênh thải ra ngoài 1.1.3.1. Hệ thống sấy tháp dạng thùng Tháp sấy dạng thùng có dạng hình hộp chữ nhật đ−ợc ngăn bởi nhiều tấm thép có đục lỗ tạo thành các kênh dẫn tác nhân sấy và vật liệu sấy xen kẽ 10 nhau. Lớp hạt nằm giữa các tấm thép cách nhau 110mm. Tháp có tất cả 10 thùng con với diện tích bề mặt các tấm thép khoảng 9 ữ 10 m2 Nh−ợc điểm của hệ thống sấy tháp dạng thùng là các lỗ trên các tấm thép dễ bị mắc kẹt 1.1.3.2. Hệ thống sấy tháp dạng chớp Để khắc phục nh−ợc điểm của hệ thống tháp dạng thùng, ng−ời ta đr chế tạo hệ thống sấy tháp dạng chớp. Có rất nhiều kiểu chớp khác nhau, hình thẳng hoặc cong và quay đ−ợc. Chớp bố trí theo chiều thẳng cách nhau một lớp vật liệu sấy dày từ 100 – 150 mm. - Tác nhân sấy đ−ợc đ−a vào hai phía khác của lớp vật liệu sấy và tăng dần từ d−ới lên trên nên có khả năng tăng c−ờng tốc độ sấy. - Hệ thống sấy có hai vùng: vùng sấy và vùng làm mát, buồng đốt có thể dùng than, củi hoặc vật liệu khác. - Hệ thống sấy đ−ợc chia thành 4 tháp con có hệ thống sấy phân phối và thải tác nhân sấy cũng nh− không khí làm mát - Hệ thống sấy dùng quạt thấp áp Đặc tr−ng kỹ thuật của hệ thống sấy chớp cho bảng 1. Bảng 1. Đặc tr−ng kỹ thuật của hệ thống sấy chớp Năng suất 4 t/h Độ ẩm vật liệu sấy W1 = 21%, w2 = 15% Chiều dài 8000 mm Chiều rộng 6000 mm Chiều cao 12000 mm Số l−ợng động cơ 1 cái Công suất động cơ 7 kw Số hiệu quạt Thấp áp N05 Nhiên liệu tiêu hao 130 kg/h Nhờ cơ cấu quay mà không những có thể điều chỉnh tác nhân sấy đi qua các lớp hạt mà vật liệu sấy cũng đ−ợc xáo trộn. 11 Đặc tr−ng kỹ thuật của máy cho trong bảng 2. Bảng 2. Đặc tr−ng kỹ thuật của máy Đặc tr−ng kỹ thuật Model (I) Model (II) Năng suất sấy, kg/h 600 1200 Độ chênh độ ẩm, ∆w % 6 6 Chiều dài 2750 3000 Chiều rộng 2200 3200 Chiều cao 2400 3400 Công suất, kW 3 4 Nhiên liệu tiêu hao ( than cốc), kg/h 6 ữ 8 12 ữ 15 1.1.4. Chế độ sấy Chế độ sấy đ−ợc hiểu là quy trình tổ chức quá trình sấy mà chủ yếu là cách tổ chức quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy với các thông số của nó để đảm bảo năng suất hệ thống sấy nh− yêu cầu, chất l−ợng sản phẩm tốt, chi phí vận hành và năng l−ợng ít 1.1.4.1. Chế độ sấy đốt nóng trung gian Chế độ sấy có đốt nóng trung gian đ−ợc thực hiện khi vật liệu sấy không chịu đ−ợc nhiệt độ cao. Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị I-d của hệ thống sấy có đốt nóng trung gian 12 Chế độ sấy đốt nóng trung gian bảo đảm đ−ợc nhiệt độ tối đa mà vật liệu sấy phải chịu và làm cho ẩm thoát ra khỏi vật liệu sấy một cách từ từ. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị I – d của hệ thống sấy có đốt nóng trung gian Trong hệ thống sấy không có đốt nóng trung gian ABC, thì nhiệt l−ợng để bốc hơi 1kg ẩm q0: 02 0 dd II q AB − − = Trong hệ thống có đốt nóng trung gian thì nhiệt là: 12 12 01 1 C BB C AB TG dd II dd II q − − + − − = Theo đồ thị I-d thì qTG = q0, l−ợng nhiệt cần thiết để bay hơi 1kg ẩm không thay đổi nh−ng chúng ta giảm đ−ợc nhiệt độ tác nhân sấy vào thiết bị sấy từ tB xuống tB1 1.1.4.2. Chế độ sấy hồi l−u một phần Để giảm tổn thất do tác nhân sấy mang đi ng−ời ta sử dụng chế độ sấy hồi l−u một phần. Có thể thực hiện hồi l−u tr−ớc calorifer và hồi l−u sau calorifer Ưu điểm: tiết kiệm năng l−ợng, tạo chế độ sấy dịu làm cho sản phẩm ít cong vênh, giòn dễ vỡ Nh−ợc điểm: vốn đầu t− lớn, năng l−ợng tiêu tốn khi vận hành 1.2. Tính chất ẩm của vật liệu sấy và tác nhân sấy Diễn biến của quá trình sấy phụ thuộc vào tính chất ẩm của vật liệu sấy và không khí sấy (tác nhân sấy). Đây là những yếu tố cơ bản ảnh h−ởng đến quá trình truyền nhiệt, truyền chất trong quá trình sấy. Việc nghiên cứu quá trình sấy phải đ−ợc bắt đầu từ việc nghiên cứu các tính chất này. 1.2.1. Tác nhân sấy Tác nhân sấy là l−ợng không khí dùng để chuyên chở l−ợng ẩm tách ra từ vật sấy. Trong quá trình sấy không khí sấy luôn bị bổ xung một l−ợng ẩm tách ra từ vật sấy dẫn ra môi tr−ờng. Nếu l−ợng ẩm này không đ−ợc thải đi thì quá 13 trình bốc hơi ẩm từ vật sấy không tiếp tục đ−ợc nữa do cân bằng áp suất hơI sấy. ._.Do đó cùng với việc cấp nhiệt cho vật sấy ta phải tìm cách đ−a l−ợng không khí ẩm thoát ra từ vật sấy ra môi tr−ờng Có hai loại tác nhân sấy đ−ợc dùng là không khí nóng và không khí: - Loại tác nhân sấy thứ nhất: vừa dùng gia nhiệt cho vật vừa dùng làm môI tr−ờng chuyên chở l−ợng ẩm tách ra từ vật sấy, nó thải vào môi tr−ờng l−ợng không khí nóng, khói nóng, hơi n−ớc… - Loại tác nhân thứ hai: chỉ dùng chuyên chở ẩm tách ra từ vật liệu sấy và làm mát vật liệu sấy dần dần cho bằng nhiệt độ môi tr−ờng, tránh làm nguội đột ngột ảnh h−ởng đến bề mặt vật và chất l−ợng của vật liệu sấy Tác nhân sấy lấy l−ợng không khí từ môi tr−ờng nên nó có l−ợng hơi n−ớc nhất định, trong quá trình sấy độ ẩm của nó tăng lên vì vậy ảnh h−ởng đến quá trình sấy. Yêu cầu nhà thiết kế phải nắm đ−ợc đặc tính của l−ợng không khí ẩm để thiết kế hệ thống đ−ợc tối −u. 1.2.1.1. Khái niệm cơ bản về không khí ẩm Không khí ẩm đ−ợc sử dụng rất rộng rri nó là hỗn hợp của hơi n−ớc và một số chất khác, chủ yếu là oxy(O2) chiếm 20,95%, Nitơ (N2) chiếm 78,09% thành phần thể tích không khí hoặc 23,3% (O2) và 76,7% (N2) theo thành phần khối l−ợng không khí. Nếu tách l−ợng hơi n−ớc ta đ−ợc không khí khô - không khí ẩm là hỗn hợp không khí khô và hơi n−ớc. Vì phần áp suất hơi n−ớc trong không khí ẩm nhỏ hơn hơi n−ớc ở đây có thể xem nh− là khí lý t−ởng. 1.2.1.2. Các loại không khí ẩm Tùy theo l−ợng hơi n−ớc chứa trong l−ợng không khí ẩm, có thể chia thành ba loại: không khí ẩm bro hòa, không khí ẩm ch−a bro hòa và khí ẩm quá bro hòa. - Không khí ẩm ch−a bro hòa: là không khí ẩm trong đó còn có thể nhận thêm một l−ợng hơi n−ớc nhất định nữa từ các vật khác bay hơi vào. Hơi n−ớc ở đây là hơi n−ớc quá nhiệt 14 - Không khí ẩm bro hòa: là không khí ẩm trong đó không thể nhận thêm một l−ợng hơi n−ớc nào nữa từ các vật khác bay hơi vào, hơi n−ớc ở đây là hơi n−ớc bro hòa khô. - Không khí ẩm quá bro hòa: là không khí ẩm bro hòa và còn chứa thêm một l−ợng hơi n−ớc nhất định, ví dụ là s−ơng mù 1.2.1.3. Các thông số của không khí ẩm - áp suất của không khí ẩm p (áp suất của khí quyển ) theo định luật Daltơn là tổng của áp suất hơi n−ớc và của không khí khô pk: p = ph + pk - Nhiệt độ của không khí ẩm t bằng nhiệt độ của không khí khô tk và bằng nhiệt độ của hơi n−ớc th: t = th = tk - Thể tích của không khí ẩm v bằng thể tích của khôn g khí khô vk và bằng thể tích của hơI n−ớc vh: v = vk = vh - Khối l−ợng của không khí ẩm G bằng tổng khối l−ợng không khí khô Gk và hơI n−ớc Gh: G = Gh + Gk - Ph−ơng trình trạng thái khí lý t−ởng cho không khí ẩm: PV = GRT + Đối với không khí khô: PkV = GkRkT, với Rk = 287 J/Kg K 0 + Đối với hơi n−ớc: PhV = GhRhT, với Rh = 462 J/Kg K 0 1.2.1.4. Các đại l−ợng của không khí ẩm - Độ ẩm tuyệt đối: Nếu trong V (m3) không khí ẩm có chứa Gh(kg) hơi n−ớc, theo công thức: )/( 3mKg V Gh =ρ - Độ ẩm t−ơng đối ϕ: 15 Độ ẩm t−ơng đối ϕ: là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm ch−a bro hòa hρ và của không khí ẩm bro hòa maxρ ở cùng nhiệt độ: %100 maxh h p p p = (1.2) Trong đó: ph - phần áp suất hơi n−ớc trong không khí ẩm ch−a bro hòa phmax - phần áp suất hơi n−ớc trong không khí ẩm bro hòa Giá trị: phmax tra từ bảng hơi n−ớc và hơi bro hòa (theo t 0) với nhiệt độ th = t. - Độ ẩm t−ơng đối là: Tỷ số % giữa l−ợng hơi n−ớc thực tế có trong không khí với l−ợng hơi n−ớc tối đa có thể có trong không khí ở cùng nhiệt độ và áp suất - Độ chứa hơi d: + Độ chứa hơi d là l−ợng hơi n−ớc chứa trong không khí ẩm ứng với 1kg không khí khô. Độ chứa hơi còn gọi là dung ẩm h h k h pp p G Gd − == 622.0 , (kg hơi/kg khô) + Độ chứa hơi trong không khí ẩm bro hòa gọi là độ chứa hơi lớn nhất dmax, p: áp suất khí quyển. Khi ph = phmax max max max 622.0 h h pp pd − = (kg hơi/kg khô) - Entapi của không khí ẩm I: Entapi của không khí ẩm là tổng Entapi của 1kg không khí khô và d kg hơi n−ớc. I = t + d(2500 + 1,93t), kg/kg khô Với: t – nhiệt độ của không khí ẩm, 0C - Nhiệt độ đọng s−ơng ts: Nhiệt độ đọng s−ơng hay điểm s−ơng là t0 tại đó không khí ch−abro hòa trở thành không khí ẩm bro hòa trong đIều kiện phân áp của hơi n−ớc không 16 đổi, ph = const. Từ tra bảng n−ớc và hơi n−ớc bro hòa, khi biết ph ta tìm đ−ợc nhiệt độ ts. - Nhiệt độ nhiệt kế −ớt t−: Nhiệt độ kế −ớt là nhiệt độ đo đ−ợc bằng nhiệt kế −ớt (nhiệt kế có bọc vải −ớt ở bên ngoài ). • khi ϕ = 100% ta có: ts = t− • khi ϕ = 100% ta có: ts < t− 1.2.1.5. Đồ thị I-d của không khí ẩm a) Đồ thị I – d Để tính toán các quá trình của không khí ẩm, th−ờng dùng tọa độ có trục tung là entapi của l−ợng không khí ẩm có chứa 1kg không khí khô - trục hoành là độ chứa hơi d đơn vị g hơi/kg không khí khô. Hình 1.2. Đồ thị I-d của quá trình sấy - Ta th−ờng dùng loại đồ thị có p = 750mmHg, I tạo với d một góc 1350: + t = const là đ−ờng thẳng chếch phía trên, đơn vị 0C + d = const là đ−ờng thẳng đứng, đơn vị g hơi/kg không khí khô + I = const là đ−ờng nghiêng 1350, đơn vị KJ/kg hoặc Kcal/kg 17 + ϕ = const là đ−ờng cong đi lên khi gặp đ−ờng nhiệt độ t = 1000C sẽ là đ−ờng đứng Ph = const là đ−ờng phân áp suất của hơi n−ớc, đơn vị mmHg b) ứng dụng đồ thị I – d Xác định thông số của không khí ẩm Nếu cho biết hai thông số của không khí ẩm, thí dụ t1 và ϕ1 thì giao đIểm 1 của hai đ−ờng t1 = const và ϕ1 = const trên đồ thị sẽ biểu thị trạng thái đó và từ đó xác định đ−ợc I1, d1, ph1, ts1, phmax, dmax c) Quá trình đốt nóng (cấp nhiệt) và làm lạnh (nhả nhiệt) đẳng áp Vì quá trình đó d không đổi, nên là đ−ờng song song với trục I, nếu đốt nóng, I và t tăng, đ−ờng biểu diễn đi từ d−ới lên. Quá trình làm nóng và làm lạnh không khí đơn giản nhất là trong tr−ờng hợp không khí với một bề mặt khô có nhiệt độ cao hơn (khi làm nóng) hoặc nhiệt độ thấp hơn khi cần làm lạnh. Nếu không khí không thay đổi. Do đó quá trình làm nóng hay làm lạnh không khí trên đồ thị I – d xảy ra theo h−ớng độ ẩm không thay đổi có nghĩa là theo h−ớng thẳng đứng d) Quá trình sấy Quá trình sấy là quá trình làm khô vật cần sấy. Môi chất dùng để sấy th−ờng là không khí. Có thể chia quá trình sấy làm hai giai đoạn: Giai đoạn đốt nóng không khí để độ ẩm t−ơng đối giảm từ ϕ1 đến ϕ2 (nhiệt độ tăng từ t1 đến t2), nên đồ thị đoạn 1-2 đi từ d−ới lên trên và song song với trục I (hay đ−ờng d = const) Giai đoạn sấy khô vật ẩm, độ ẩm của không khí tăng từ ϕ2 đến ϕ3 (nhiệt độ giảm từ t2 xuống t3), trên đồ thị đoạn từ 2-3 song song với trục d và theo chiều d tăng. Khi ϕ3 tăng đến 100% thì không khí hết khả năng sấy khô, mặc dầu nhiệt độ hry còn t−ơng đối cao. Th−ờng tính: L−ợng không khí khô cần thiết để làm bốc hơi 1kg ẩm trong vật muốn sấy: 18 kgam kgkhkhikho dd Gk 23 1 − = - L−ợng không khí ẩm càn đ−a vào: G1 = Gk (1 + d1) kgam kgkkhiam - Nhiệt l−ợng cần thiết để làm bốc hơI 1kg ẩm ở vật sấy: Q = Gk (I2 – I1) = kgam kJ dd II 13 12 − − 1.2.2. Tính ẩm của vật liệu sấy 1.2.2.1. Độ ẩm tuyệt đối Là tỷ số giữa l−ợng hơi n−ớc chứa trong vật và khối l−ợng của vật khô tuyệt đối: W0 = %100 k n G G (1.3) Trong đó: Gn – l−ợng n−ớc chứa trong vật Gk – khối l−ợng vật khô tuyệt đối. 1.2.2.2. Độ ẩm t−ơng đối Là tỷ số % của khối l−ợng ẩm với khối l−ợng toàn bộ vật. Nó đặc tr−ng cho trạng thái ẩm của vật liệu. W = %100 G G n (1.4) Trong đó: Gn – l−ợng n−ớc chứa trong vật G – khối l−ợng vật ẩm G = Gk + Gn Vật liệu sấy để trong không khí sẽ hút ẩm hoặc nhả ẩm để đạt đến trạng thái cân bằng ẩm với môi tr−ờng, độ ẩm của vật lúc bấy giờ gọi là độ ẩm cân bằng của một sản phẩm phụ thuộc vào chính cấu trúc của sản phẩm đó và độ ẩm ϕ của không khí. Do đó, nếu sản phẩm sau khi sấy đ−ợc bảo quản hoặc để lâu mới gia công tiếp thì chúng ta chỉ sấy tối đa đến độ ẩm cân bằng, độ ẩm cân bằng của một số nông sản cho ở bảng 3. 19 Bảng 3. Độ ẩm bảo quản các hạt ngũ cốc Vật liệu ϖmin, % ϖtb, % ϖmax, % Lúa, mì Ngô Kê Đậu nành Các loại đậu Hạt h−ớng d−ơng Hạt đay 14 14 13.5 16 14 15 11 15.5 17 15 18 17 17 12 17 20 17 20 19 20 14 1.2.2.3. Độ chứa ẩm Là tỷ số giữa khối l−ợng ẩm tính bằng kg chứa trong một khối l−ợng vật ẩm, trong đó có một kg vật khô tuyệt đối thì tỷ số đó gọi là độ chứa ẩm của vật. u = k n G G (kg/kg) (1.5) Trong đó: Gn – l−ợng n−ớc chứa trong vật (kg) Gk – khối l−ợng của vật khô tuyệt đối (kg) Độ chứa ẩm không những có htể đặc tr−ng cho độ ẩm của toàn bộ vật mà còn có thể đặc tr−ng cho độ ẩm cục bộ ở từng vùng nhỏ hay một lớp vật nhất định trong vật ẩm. Nếu phân bố không đều trong toàn bộ vật thì ta dễ thấy: w = 100u 1.2.2.4. Nồng độ ẩm Là l−ợng ẩm có trong một đơn vị thể tích của vật ẩm N = V Gn 1.2.2.5. Dạng liên kết ẩm trong vật liệu . Dạng tồn tại và hình thức liên kết của vật liệu với vật khô là điểm quan trọng khi nghiên cứu quá trình sấy . Vật ẩm th−ờng là tập hợp của ba pha: rắn, lỏng và hơi . Các vật rắn đem sấy phần lớn là những xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn. Trong mao dẫn có chứa ẩm lỏng cùng với hỗn hợp không khí và 20 hơi ẩm . Thể tích chiếm chỗ của hỗn hợp có thể là rất lớn (thể tích xốp) nh−ng tỷ lệ khối l−ợng của nó so với phần rắn và phần lỏng có thể bỏ qua. Vì vậy, trong kỹ thuật sấy th−ờng coi vật thể chỉ gồm hai phần rắn khô và ẩm lỏng. 1.3. Các thông số cơ bản của quá trình sấy đối l−u 1.3.1. Tính chất nhịêt vật lý của nông sản. - Trong các tính chất nhịêt lý của nông sản th−ờng dùng khi tính toán nhiệt quá trình sấy là nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt . cv = 100 )100( ϖϖ ak cc +− (1.6) hoặc : cv = ck + ϖ100 ka cc − Trong đó: ck - Nhiệt dung riêng của vật liệu khô , Các vật liệu khô trong các sản phẩm nông sản có nhiệt dung riêng Ck = 1,2 ữ1,7 kJ/kg.K ca – Nhiệt dung riêng của ẩm Nếu là n−ớc thì Ca = Cn = 4,1816 kJ/kg.K Nếu là hơi n−ớc thì Ca = Ch = 1,842 kJ/kg.K ϖ - Độ ẩm của vật liệu ak a GG G + =ϖ là độ ẩm t−ơng đối - Hệ số dẫn nhiệt λ chủ yếu phụ thuộc vào chính bản chất và cấu trúc của một hạt, mật độ hạt, nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu. Do đó hệ số dẫn nhiệt của vật ẩm cũng đ−ợc xác định dựa trên cơ sở định luật Fourier q = - λgradt. Về nguyên tắc, để xác định hệ số dẫn nhiệt, ph−ơng pháp nào cũng phảI tìm cách xác định mật độ dòng nhiệt q và tr−ờng nhiệt độ để tìm gradien của nó. - Nếu biết hệ số dẫn nhiệt của vật liệu khô λk và của n−ớc hoặc hơI n−ớc trong các hang xốp λa thì hệ số dẫn nhiệt của vật liệu ẩm có thể tính: 21 a k k a k V V )1(1 )1(1 −Ψ+ Ψ−− = λ λ λλ (1.7) Trong đó Va và Vk t−ơng ứng là thể tích của vật liệu khô và tất cả các hang xốp, Ψ là hệ số hình dáng các phần tử tạo nên vật liệu ẩm. Sự phụ thuộc của λ vào nhiệt độ trong phần lớn các tr−ờng hợp đ−ợc biểu diễn qua: λτ = λ0 (1 + βt) (1.8) ở đây λ0 = λτ = 0 0C, β là hằng số xác địn bằng thực nghiệm cho từng tr−ờng hợp cụ thể, β có thể âm d−ơng hoặc bằng không. Đối với chất khí β > 0 và λ có giá trị trong khoảng: λ = 0,05 ữ 0,5 W/mK Đối với chất lỏng β 0 ): λ = 0,08 ữ 0,7 W/mK 1.3.2. Tính l−ợng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm Chúng ta thấy rằng trong thiết bị sấy lý t−ởng không khí vào ra calorifer và vào ra thiết bị sấy là không đổi và giả sử bằng L0 kg/h. Nh− vậy ẩm mang vào hệ thống gồm ẩm chứa trong không khí ở trạng thái A và ẩm chứa trong vật liệu sấy đi vào. Nh− vậy ẩm đi ra khỏi hệ thống bằng tổng l−ợng ẩm chứa trong tác nhân và l−ợng ẩm còn lại trong vật liệu sấy khi ra khỏi thiết bị sấy. Theo nguyên lý bảo toàn vật chất ta có: L0d0 + G1w1 = L0d2 + G2w2 ⇔ L0(d2 – d0) = G1w1 – G2w2 = W ⇔ 02 0 dd WL − = (kgkk/h) Nh− vậy l−ợng không khí khô cần thiết l0 để bốc hơI 1kg ẩm bằng: 02 0 0 dd l W Ll − == (kg kk/kg âm) (1.9) Trong đó: d0, d2: l−ợng chứa ẩm đ−ợc viết theo đơn vị kg ẩm/kg kk 22 w: độ ẩm t−ơng đối đ−ợc viết theo giá trị thực 1.3.3. L−ợng nhiệt tiêu hao cho quá trình sấy lý thuyết Ph−ơng trình cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy lý t−ởng: Q0 = L0(I1 – I0) = L0(I2 – I0) L−ợng nhiệt tiêu hao cho 1 kg ẩm: )( 02000 IIlW Q q −== mà I = Cpkt + di Vậy: q0 = I0 [Cpk(t2 – t0) + d0(i2 – i0)] + i2 (kJ/kg ẩm) Trong đó: I0, I1 và I2: t−ơng ứng là entapi của không khí ở trạng thái ngoài trời, sau calorifer và sau khi ra khỏi thiết bị sấy. 1.3.3.1 Tổn thất nhiệt a) Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi Tác nhân sấy khi đi vào thiết bị sấy có nhiệt độ t1 và khi đi ra khỏi thiết bị sấy nhiệt độ t2 do đó vật liệu sấy mang l−ợng nhiệt: Qv = GCv(t1 – t2) (1.10) Trong đó: G: l−u l−ợng tác nhân suất sấy Cv: nhiệt dung riêng của tác nhân sấy b) Tổn thất nhiệt ra môi tr−ờng tFKQmt ∆= .. (1.11) Trong đó: K – hệ số truyền nhiệt, F – diện tích bề mặt, ∆t - độ chênh nhiệt độ của một bề mặt bao tre nào đó Giả thiết t−ờng bao che thiết bị sấy có dạng t−ờng phẳng nhiều lớp nh− hình sau: Khi đó hệ số truyền nhiệt K bằng: ∑ − ++ = N n n n K 1 2 11 1 αλ δ α (1.12) 23 Trong đó: α1, α2 t−ơng ứng là các hệ số trao đổi nhiệt với bề mặt bao che với không khí trong máy. δn, λn : t−ơng ứng là chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp thứ n t−ờng bao che. 1.3.4. Công nghệ sấy nông sản dạng hạt Muốn bảo quản và chế biến nông sản có chất l−ợng cao thì các loại hạt cần đ−ợc sấy khô xuống độ ẩm bảo quản hoặc chế biến. Bảng 4 cho ta thông số độ ẩm bảo quản một số loại hạt và nhiệt độ giới hạn sấy hạt: Bảng 4. Bảng độ ẩm giới hạn bảo quản và nhiệt độ giới hạn khi sấy Vật liệu sấy Độ ẩm giới hạn ϖtb, % Nhiệt độ giới hạn khi sấy ( 0C) Lúa, mì Ngô Các loại đậu Lạc Vừng Thầu dầu 13 – 13,5 13 – 13,5 11 – 12 8 – 9 7 – 8 6 - 7 35 50 30 50 50 50 Đối với các loại khi chon chế độ sấy phải đặc biệt chú ý tới nhiệt độ tác nhân sấy và nhiệt độ đốt nóng hạt Nhiệt độ sấy hạt cho phép phụ thuộc vào các loại hạt, mục đích sử dụng, độ ẩm tr−ớc khi sấy và tính chất lý hóa của vật liệu sấy mà đặt nhiệt độ sấy cho phù hợp. Các loại hạt sấy làm thực phẩm thì nhiệt độ cao hơn đ−ợc, nh−ng hạt giống thì quan trọng nhất là khả năng sống nảy mầm của hạt nên khả năng nhiệt độ sấy thấp hơn. Khi sấy nếu vật liệu sấy có độ ẩm cao thì ta sấy làm nhiều lần và sau mỗi lần ta đem ủ theo sơ đồ sau: Sấy → ủ → sấy → ủ …→ làm nguội. Mục đích ủ là vận chuyển ẩm từ trung tâm hạt ra bề mặt. 24 1.3.5. Nhiệt độ cho phép của hạt Ta biết, nhiệt độ đốt nóng hạt càng lớn thì tốc độ sấy càng lớn, nh−ng để đảm bảo chất l−ợng của hạt sau khi sấy, nhiệt độ hạt không cho phép v−ợt quá một giá trị nào đó. Nhiệt độ hạt phụ thuộc vào độ ẩm và thời gian sấy. Độ ẩm càng lớn nên thời gian sấy càng lâu thì nhiệt độ cho phép càng bé. Công thức thực nghiệm về xác định nhiệt độ cho phép đốt nóng hạt: tbtb ht ϖϖ τ +− +−= )100(37,0 2350lg1020 (1.13) Trong đó: τ: thời gian sấy (phút) ϖtb: độ ẩm trung bình của vật liệu tr−ớc và sau quá trình sấy (%) ϖtb = 0,5(ϖ1 + ϖ2) Nếu độ ẩm ϖ tính bằng số thập phân, τ- thời gian sấy tính bằng giờ (h), và lg chuyển sang ln thì nhiệt độ sấy hạt có công thức sau: tb ht ϖ τ 63,037,0 5,23ln343,4218,2 + +−= Dựa vào công thức này chúng ta có thể xác định đ−ợc nhiệt độ vật sấy từ đấy có thể xác định đ−ợc nhiệt độ tác nhân sấy. * Tóm lại, có rất nhiều ph−ơng pháp sấy và thiết bị sấy khác nhau. Tuy nhiên ph−ơng pháp sấy tĩnh đối l−u vẫn là ph−ơng pháp đ−ợc sử dụng rộng rri hơn cả do các đặc điểm nổi trội của nó nh− đr nêu trên đây. Do đó chúng tôi tiến hành nghiên cứu hệ thống điều khiển quá trình sấy tĩnh đối l−u nông sản dạng hạt với tác nhân sấy là không khí nóng. 25 Ch−ơng 2 Xây dựng mô hình quá trình sấy A - Xây dựng mô hình động học quá trình sấy 2.1. Các đặc tr−ng của quá trình sấy Sấy là một quá trình hết sức phức tạp. Nó là sự kết hợp của hai quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm. Hai quá trình này xảy ra trên bề mặt vật sấy, do sự liên kết với tác nhân sấy và trong lòng vật sấy. Đặc tr−ng của quá trình sấy là sự thay đổi độ chứa ẩm trung bình và nhiệt độ trung bình của vật sấy theo thời gian. Những qui luật này của quá trình sấy cho phép tính toán l−ợng ẩm bốc ra từ vật liệu sấy và l−ợng nhiệt tiêu thụ cho quá trình sấy. Độ đồng đều của quá trình sấy đ−ợc đánh giá thông qua sự thay đổi tốc độ chứa ẩm cục bộ u và nhiệt độ t trong lòng vật sấy. Những sự thay đổi này phụ thuộc vào mối t−ơng quan của quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong lòng vật sấy, đồng thời phụ thuộc vào quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất của bề mặt vật sấy với tác nhân sấy. Việc xác định tr−ờng chứa ẩm u(x,y,z,τ) và tr−ờng nhiệt độ t(x,y,z,τ) trong lòng vật sấy là hết sức phức tạp. Nó đòi hỏi phải giải các hệ ph−ơng trình vi phân các qúa trình truyền nhiệt, truyền chất với các điều kiện biên thích hợp, t−ơng ứng với ph−ơng pháp và chế độ sấy. Đây là hệ các ph−ơng trình vi phân phi tuyến chỉ có thể giải đ−ợc bằng ph−ơng pháp tuyến tính hoá gần đúng. Để mô tả quá trình trao đổi nhịêt và chất của vật ẩm với môi tr−ờng xung quanh cần phải nắm vững các qui luật cơ bản của quá trình sấy vật ẩm. Tr−ớc hết hry phân tích quá trình sấy vật ẩm đơn giản nhất bằng không khí nóng với các thông số cố định (nhiệt độ không khí tk, độ ẩm t−ơng đối ϕ và tốc độ của nó v). Vật sấy ở đây là vật mỏng có bề mặt trao đổi lớn và hiệu độ chứa ẩm trong lòng vật nhỏ. Đặc tr−ng cơ bản của quá trình sấy vật ẩm thể hiện rõ tính 26 thay đổi độ chứa ẩm và nhiệt độ cục bộ theo thời gian. Các qui luật này phải đ−ợc khảo sát đồng thời trong các mối quan hệ với nhau. Nếu nhiệt độ và tốc độ không khí không lớn, độ ẩm của vật sấy cao thì quá trình sấy xảy ra t−ơng đối “mềm” và có thể chia thành ba giai đoạn đ−ợc mô tả trong hình vẽ 2.1 Hình 2.1. Sự thay đổi độ chứa ẩm và nhiệt độ vật trong quá trình sấy OA - giai đoạn một; AB - giai đoạn hai; BC - giai đoạn cuối Giai đoạn một kể từ thời điểm bắt đầu quá trình sấy, vật sấy có nhiệt độ bề mặt và tâm bằng nhau và bằng to với độ ẩm wo. Nhiệt độ của vật sấy tăng lên, trong đó nhiệt độ bề mặt tm tăng nhanh hơn nhiệt độ ti chút ít. Giai đoạn một kết thúc khi nhiệt độ của vật sấy đạt đến nhiệt độ của nhiệt kế −ớt. Giai đoạn này đ−ợc gọi là giai đoạn làm nóng vật sấy, thời gian của giai đoạn này ngắn so với thời gian của toàn bộ quá trình sấy. Độ ẩm của vật sấy trong giai đoạn này xảy ra không đáng kể. Giai đoạn hai đ−ợc gọi là giai đoạn tốc độ sấy không đổi, bắt đầu từ thời điểm nhiệt độ vật sấy đạt đến nhiệt độ của nhiệt kế −ớt. Trong giai đoạn này nhiệt l−ợng cung cấp chủ yếu để bốc hơi ẩm, nhiệt độ của vật sấy không tăng. ẩm trên bề mặt vật sấy bốc hơi vào không khí, trong lòng vật ẩm tồn tại quá trình truyền ẩm từ trong lòng vật ẩm ra bề mặt của nó. Do nhiệt độ không khí nóng tc không đổi và nhiệt độ vật sấy không đổi, nghĩa là chênh lệch nhiệt độ 27 của không khí nóng và vật sấy không đổi. Nh− vậy tốc độ bốc hơi ẩm từ bề mặt sấy vào môi tr−ờng sấy không đổi. Đồ thị độ chứa ẩm trong vật có độ dốc không đổi. Giai đoạn này là giai đoạn bốc ẩm tự do. Khi độ ẩm của vật đạt đến trị số độ ẩm cân bằng thì giai đoạn tốc độ sấy không đổi kết thúc và bắt đầu giai đoạn cuối cùng của quá trình sấy. Giai đoạn thứ ba của quá trình sấy bắt đầu từ thời điểm ẩm tự do đr bốc hơi hết và chuyển sang bốc hơi ẩm liên kết. Để tách ẩm liên kết ra khỏi vật sấy đòi hỏi phải có năng l−ợng lớn hơn nên nhiệt độ của vật sấy tăng lên (nhiệt độ ẩm tăng lên), năng l−ợng liên kết truyền từ không khí nóng sang vật giảm xuống nên tốc độ bốc hơi ẩm giảm xuống vì vậy giai đoạn này đ−ợc gọi là giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Độ chứa ẩm của vật càng giảm thì mối liên kết của ẩm với vật càng tăng, năng l−ợng để tách ẩm càng tăng, nhiệt độ của vật càng tăng, hiệu nhiệt độ giữa không khí nóng sang vật giảm và tốc độ bốc hơi ẩm giảm. Khi độ ẩm của vật giảm đến độ ẩm cân bằng wc thì kết thúc quá trình trao đổi ẩm giữa vật sấy và không khí nóng, nhiệt độ của vật bằng nhiệt độ của không khí nóng, quá trình truyền nhiệt cũng chấm dứt, kết thúc quá trình sấy. Trong quá trình tăng nhiệt độ, nhiệt độ của tâm vật sấy tăng chậm hơn nhiệt độ bề mặt, nhiệt đ−ợc truyền từ bề mặt vào tâm vật. Giai đoạn cuối quá trình sấy kéo dài do tốc độ bốc hơi ẩm nhỏ. Trong thực tế quá trình sấy kết thúc ở độ ẩm của vật lớn hơn độ chứa ẩm cân bằng, phụ thuộc vào độ ẩm t−ơng đối và nhiệt độ và nhiệt độ của không khí nóng. Trong thực tế giai đoạn một th−ờng xảy ra rất nhanh so với giai đoạn thứ hai nên hai giai này th−ờng đ−ợc kết hợp lại và đ−ợc gọi là giai đoạn tốc độ sấy không đổi. Quá trình sấy đ−ợc phân ra thành hai giai đoạn: giai đoạn sấy với tốc độ không đổi (nhiệt độ vật sấy không đổi) và giai đoạn sấy với tốc độ sấy giảm dần (nhiệt độ vật tăng dần ). Để phân tích quá trình sấy chúng ta sử dụng ph−ơng trình cân bằng nhiệt cho từng giai đoạn. 28 * Giai đoạn sấy tốc độ không đổi - Dòng nhiệt truyền từ không khí nóng sang vật là dòng đối l−u đ−ợc xác định theo công thức qđl = α F (tc – tv) (w) (2.1) Trong đó: α - hệ số trao đổi nhiệt đối l−u giữa không khí nóng và vật sấy ( W/m2.0C ) F – diện tích tiếp xúc giữa vật sấy và không khí nóng (m2) tc – nhiệt độ không khí nóng ( 0C ) tv – nhiệt độ vật sấy ( 0C ) - Dòng nhiệt tiêu thụ cho quá trình sấy: qtt = (ClGl + CnGn) τd dtv + [r + Cph (th – tv ) τd dGn (W) (2.2) Trong đó: Cl, Cn: nhiệt dung riêng của vật khô và n−ớc (J/kg. 0C) Gl, Gn: khối l−ợng của vật khô và n−ớc (kg) τd dtv : tốc độ tăng nhiệt độ của vật (0C/s) r: nhiệt hoá hơi của n−ớc (J/kg) Cph: nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi n−ớc (J/kg. 0C) th: nhiệt độ hơi n−ớc thoát ra khỏi vật ( 0C) τd dGn : tốc độ bốc hơi ẩm (kg/s) Từ ph−ơng trình cân bằng nhiệt qtt = qđl Xác định đ−ợc tốc độ bốc hơi ẩm )( )()( vhph v nnllvc n ttCr d dtGCGCttF d dG −+ +−− = τ α τ 29 Trong giai đoạn sấy nhiệt độ không đổi, nhiệt độ của vật bằng nhiệt độ nhiệt kế −ớt (ta) và hơi ẩm bốc ra là hơi bro hoà, nh− vậy tốc độ bốc hơi ẩm đ−ợc xác định theo công thức r ttF d dG vcn )( − = α τ * Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần: Tốc độ sấy đ−ợc xác định theo bề mặt bốc hơi lùi dần vào trong lòng vật sấy, nhiệt độ vật sấy cao hơn nhiệt độ nhiệt kế −ớt. Tốc độ bốc hơi ẩm giảm, thời gian kéo dài. 2.2. Mô hình sấy tĩnh nông sản Sơ đồ cấu trúc sấy tĩnh đ−ợc mô tả trong hình 2.2. Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc sấy tĩnh 1- Thùng sấy 2 - ghi 3 - hạt sấy −u điểm của ph−ơng pháp sấy tĩnh là cấu tạo thiết bị đơn giản, thích hợp với đIều kiện sản xuất theo nông hộ hiện nay ở n−ớc ta. Tác nhân sấy ở đây là không khí nóng đ−ợc thổi qua lớp hạt cố định. Sơ đồ đ−ợc mô tả trong hình vẽ. Lớp hạt sấy 3 đ−ợc rải trên ghi 2 của thùng sấy1. Không khí nóng đ−ợc thổi từ d−ới lên qua ghi 2 và luồn lách qua lớp hạt vật sấy. Qúa trình trao đổi nhiệt giữa không khí nóng và hạt sấy là đối l−u. Đây là một đối t−ợng hết sức phức tạp. Tác nhân là không khí nóng khi đi qua lớp hạt sấy sẽ thay đổi tính 30 chất, nhiệt độ của nó giảm xuống còn độ ẩm tăng lên, khả năng bốc hơi n−ớc của vật sấy vào môi tr−ờng không khí giảm xuống. Nh− vậy tốc độ sấy của lớp d−ới cùng sẽ nhanh hơn nhiều so với lớp trên cùng. Để xây dựng mô hình phải mô tả đ−ợc quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong từng lớp liệu. 2.2.1. Mô hình quá trình đốt nóng liệu Tr−ớc hết chúng ta xây dựng mô hình truyền nhiệt trong từng lớp liệu. Giả sử vật liệu sấy đr ở trạng thái cân bằng về độ ẩm nghĩa là khi cho dòng không khí nóng đi qua thì chỉ tồn tại quá trình đốt nóng liệu mà không tồn tại quá trình bốc hơi n−ớc. Mô hình cân bằng nhiệt của lớp liệu đ−ợc mô tả trong Hình 2.3. Mô hình cân bằng nhiệt QT – dòng nhiệt do không khí nóng mang tới Qm – dòng nhiệt truyền ra môi tr−ờng xung quanh Qr – dòng nhiệt do không khí nóng mang ra Qn – dòng nhiệt do đốt nóng liệu Dòng không khí nóng có nhiệt độ tT và l−u l−ợng G sẽ mang đến cho lớp liệu một l−ợng nhiệt là QT = Ck G tT (W) Và khi ra khỏi lớp liệu nó sẽ mang theo l−ợng nhiệt Qr = Ck G tr (W) Trong đó l−u l−ợng của dòng không khí nóng đ−ợc tính là kg/s 31 Nhiệt độ trung bình của lớp liệu là tv, thì dòng nhiệt tích luỹ trong lớp liệu đ−ợc tính theo công thức: τd dtGCQ vllr = (W) Trong đó: Gl – khối l−ợng lớp liệu (kg) Dòng nhiệt tổn thất ra môi tr−ờng xung quanh Qm = αm (tv – t0) S (W) Trong đó: αm – hệ số truyền nhiệt ra môi tr−ờng xung quanh (J/m 2. 0C ) tv – nhiệt độ vỏ thùng sấy ( lấy bằng nhiệt độ liệu ) ( 0C) t0 – nhiệt độ môi tr−ờng xung quanh ( 0C) S – diện tích vỏ thùng sấy lớp liệu (m2) Ph−ơng trình cân bằng nhiệt của lớp liệu Stt d dtGCGtCGtC vmvllTkrk )( 0−−−= ατ Quá trình truyền nhiệt giữa không khí và liệu là quá trình đối l−u. Dòng nhiệt đối l−u mà lớp liệu hấp thụ đ−ợc sẽ nung nóng liệu. Ph−ơng trình cân bằng truyền nhiệt ở đầu vào lớp liệu τ ρα d dtRCtt lvlllTm =− )( Trong đó: Tl – nhiệt độ lớp liệu đầu vào ( 0C) αm – hệ số truyền nhiệt đối l−u (W/m 2. 0C) ρl – khối l−ợng riêng của liệu (kg/m2) Rv – tỷ số thể tích và diện tích bề mặt liệu (m) Nh− vậy ta có: T vll tt d dtRC =+ 1 1 τα ρ 32 T−ơng tự nh− vậy để cho đầu ra r vll tt d dtRC =+ 2 2 τα ρ Nhiệt độ trung bình của lớp liệu 2 21 tttv + = Tốc độ tăng nhiệt độ trung bình của lớp liệu 2 )( 21 ττ d dt d dt dt dtv + = Mô hình động học của lớp liệu đ−ợc mô tả trong hình 2.4. Hình 2.4. Mô hình động học của lớp liệu Các lớp liệu tiếp theo đ−ợc xây dựng t−ợng tự, lấy mô hình đầu ra của lớp liệu tr−ớc làm mô hình đầu vào của lớp liệu sau. Độ chính xác của mô hình phụ thuộc vào việc xác định các thông số vật lý của quá trình nung nh− nhiệt dung riêng của liệu Cl, hệ số truyền nhiệt đối l−u giữa khí nóng và liệu sấy α. Số l−ợng lớp liệu ảnh h−ởng rất lớn lên độ chính xác của mô hình. Số l−ợng lớp liệu càng nhiều thì độ dày mỗi lớp liệu càng mỏng, nhiệt độ trung bình của từng lớp liệu xác định đ−ợc càng chính xác, đồng thời mô hình cũng càng phức tạp. 33 2.2.2. Xây dựng mô hình quá trình sấy Quá trình sấy là sự kết hợp của quá trình nung nóng liệu và quá trình bốc hơi của n−ớc từ liệu vào tác nhân sấy là không khí nóng. Nh− vậy mô hình quá trình sấy có thể xây dựng dựa trên mô hình nung nóng liệu kết hợp với quá trình nung nóng và bốc hơi n−ớc làm thay đổi tính chất của cả liệu sấy và tác nhân sấy. Để xây dựng mô hình sấy, ta chia vật liệu sấy thành hai pha: pha liệu khô và pha n−ớc. Ph−ơng trình cân bằng nhiệt của lớp liệu: qStt d dG r d dtGCGCGtCGtC vmnvnnllTkrk −−−−+−= )()( 0αττ Trong đó: Cl – nhiệt dung của liệu khô ( J/kg. 0C) Gl – khối l−ợng liệu khô trong liệu ẩm ( kg ) Cn – nhiệt dung của n−ớc ( J/kg. 0C) Gn – khối l−ợng n−ớc trong liệu ẩm (kg ) r - nhiệt hoá hơi của n−ớc ( J/kg ) τd dGn - tốc độ bốc hơi n−ớc trung bình trong lớp liệu ( kg/s ) q – l−ợng nhiệt đốt nóng hơi n−ớc đr bốc vào không khí nóng. Ph−ơng trình cân bằng nhiệt ở đầu vào lớp liệu: τ ρ τ ρρα d d rR d dtRCCtt nlvlvnlnlllT ++=− )()( Trong đó: V Gl l =ρ - mật độ liệu khô trong lớp liệu ( kg/m3) V G ln ln =ρ - mật độ n−ớc trong lớp liệu ( kg/m3) V- thể tích lớp liệu ( m3) τ ρ d d nl - tốc độ bốc hơi của n−ớc ( kg/s) 34 Hình 2.5. Mô hình nung 5 lớp 35 Trong quá trình sấy mật độ n−ớc trong lớp liệu sẽ thay đổi. Sự thay đổi này phụ thuộc vào tốc độ bốc hơi n−ớc, là đại l−ợng phụ thuộc rất nhiều yếu tố của quá trình sấy nh− tốc độ gió nóng, nhiệt độ gió nóng… Nếu yếu tố của quá trình sấy không thay đổi thì tốc độ bốc hơi n−ớc trong giai đoạn đầu của quá trình sấy có thể tính tỷ lệ với nhiệt độ của liệu: τ ρ d d nl = btl Với b là hệ số tỷ lệ. Mật độ của n−ớc trong liệu xác định theo công thức: ρnl = ρ0 - ∆ρnl Với: ρ0 – mật độ n−ớc ban đầu ∆ρnl - mật độ n−ớc đr bốc hơi ∫=∆ τρ dbtlnl Ta có: τ ρ ρρρρ α τ d d CC r tt RCCd dt nl nlnll lT vnlnll l )()()( +−−+= T−ơng tự cho đầu ra lớp liệu: τ ρ ρρρρ α τ d d CC r tt RCCd dt n nnll r vnnll 2 2 2 * 2 2 ()()( +−−+= Tốc độ bốc hơi trung bình trong lớp liệu: 2 )( 2 2 dt d dt dV d dG nnl ρρ τ + = Khối l−ợng n−ớc đr bốc hơi 2 )( 2nnl n VG ρρ ∆+∆=∆ Khối l−ợng n−ớc còn lại trong lớp liệu Gn = G0 - ∆Gn Trong đó: 36 G0 – khối l−ợng n−ớc ban đầu Khi n−ớc bốc hơi vào không khí nóng chỉ có nhiệt độ bằng nhiệt độ liệu, vì vậy phải có một l−ợng nhiệt tổn hao để đốt nóng l−ợng hơi n−ớc này lên đến nhiệt độ không khí nóng. L−ợng nhiệt này đ−ợc tính theo công thức: )( vrnn ttd dGCq −= τ (W) Mô hình diễn biến quá trình sấy xảy ra trong lớp liệu đ−ợc mô tả trong hình vẽ Nhiệt l−ợng Q của dòng không khí nóng chuyển sang lớp sau là v n nrk td dGCGtCQ τ += Nếu khối liệu đ−ợc chia thành nhiều lớp thì mô hình đầu ra của lớp tr−ớc là đầu vào của lớp sau. Để hoàn thiện mô hình cần phải xác định nhiều thông số bằng thực nghiệm và kiểm nghiệm lại độ chính xác của mô hình. Nhìn chung đây là một mô hình khá phức tạp. Nếu hoàn thiện đ−ợc sẽ giúp ích rất lớn cho việc tính toán đIều khiển quá trình sấy. Nh− vậy b−ớc tiếp theo là phải khảo sát hệ thống sấy bằng thực nghiệm để xác định các thông số cần thiết của quá trình sấy. 37 Hình 2.6. Mô hình quá trình sấy 38 B - Xây dựng hệ thống thí nghiệm khảo sát quá trình sấy 2.1. Tổng quát chung về mô hình sấy Nh− phần trên đr phân tích, để hoàn chỉnh mô hình toán học quá trình sấy cần phải xây dựng mô hình vật lí quá trình sấy để khảo sát diễn biến của nó. Mô hình vật lí quá trình sấy vật liệu hạt bằng dòng không khí nóng đ−ợc mô tả trong hình 2.7 Mô hình này mới chỉ quan tâm tới nhiệt độ tác nhân sấy mà ch−a quan tâm đến l−u ._.