Giáo trình kỹ thuật sấy nông sản

Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 1 bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr−êng ®¹i häc n«ng nghiÖp i - hµ néi GS.TS. Ph¹m xu©n v−îng (Chñ biªn) TS. TrÇn nh− khuyªn Gi¸o tr×nh Kü thuËt sÊy n«ng s¶n Hµ néi – 2006 Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 2 lêi nãi ®Çu Gi¸o tr×nh “Kü thuËt sÊy n«ng s¶n” ®Ò cËp tíi nguyªn lý lµm viÖc, lý thuyÕt tÝnh to¸n c¸c qu¸ tr×nh kü thuËt sÊy, lµm c¬ së cho viÖc thiÕt kÕ c¸c thiÕt bÞ sÊy. MÆt kh¸c sÊy lµ mét qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ®−îc sö dông réng r7i trong c¸c ngµnh cña s¶n xuÊt n«ng nghiÖp. SÊy lµ c«ng ®o¹n quan träng cña c«ng nghÖ sau thu ho¹ch tr−íc khi thùc hiÖn b¶o qu¶n s¶n phÈm. §èi t−îng sö dông lµ sinh viªn n¨m cuèi cña ngµnh c¬ khÝ b¶o qu¶n chÕ biÕn cña tr−êng ®¹i häc N«ng NghiÖp. §ång thêi còng cã thÓ sö dông cho sinh viªn c¬ khÝ n«ng nghiÖp, c«ng th«n, .v.v. vµ c¸c kü s− lµm viÖc liªn quan tíi lÜnh vùc nµy. Sinh viªn trong qu¸ tr×nh häc cÇn n¾m v÷ng qu¸ tr×nh sÊy lµ mét qu¸ tr×nh c«ng nghÖ, kh«ng ®¬n thuÇn lµ t¸ch n−íc ra khái vËt liÖu. Yªu cÇu sau khi sÊy vËt liÖu ph¶i ®¹t chÊt l−îng cao, chi phÝ n¨ng l−îng sÊy thÊp. Gi¸o tr×nh ®−îc tr×nh bµy trong 6 ch−¬ng. - Ch−¬ng 1 C¬ së lý thuyÕt qu¸ tr×nh sÊy. Trong ch−¬ng nµy tr×nh bµy c¸c kh¸i niÖm vµ lý thuyÕt chung cña qu¸ tr×nh sÊy. - Ch−¬ng 2: ThiÕt bÞ sÊy ®èi l−u. - Ch−¬ng 3: ThiÕt bÞ sÊy tiÕp xóc. - Ch−¬ng 4: ThiÕt bÞ sÊy bøc x¹. - Ch−¬ng 5: ThiÕt bÞ sÊy th¨ng hoa. - Ch−¬ng 6: C¸c thiÕt bÞ phô trî hÖ thèng sÊy. Trong tõng ch−¬ng ®7 ®Ò cËp tíi mét sè vÊn ®Ò míi cËp nhËt trong thêi gian gÇn ®©y, hÖ thèng ho¸ c¸c kiÕn thøc c¬ b¶n gióp sinh viªn n¾m b¾t dÔ dµng. Sau mçi ch−¬ng cã c©u hái «n tËp vµ mét sè bµi tËp øng dông. Trong qu¸ tr×nh biªn so¹n t¸c gi¶ ®7 ®−îc ®ång nghiÖp gãp ý. T¸c gi¶ ch©n thµnh c¶m ¬n Bé m«n M¸y n«ng nghiÖp vµ khoa C¬ §iÖn tr−êng §¹i häc N«ng NghiÖp I - Hµ Néi. Cuèn s¸ch ch¾c ch¾n kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu xãt, rÊt mong nhËn ®−îc ý kiÕn ®ãng gãp cña b¹n ®äc. C¸c ý kiÕn xin göi vÒ Phßng ®µo t¹o, khoa C¬ §iÖn tr−êng ®¹i häc N«ng NghiÖp I. Chñ biªn GS.TS. Ph¹m Xu©n V−îng Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 4 Ch−¬ng 1 C¬ së lý thuyÕt cña qu¸ tr×nh sÊy SÊy lµ qu¸ tr×nh lo¹i bá bÊt kú chÊt láng nµo ra khái vËt liÖu, kÕt qu¶ lµ t¨ng tû lÖ hµm l−îng chÊt kh«. Thùc tÕ sÊy ®èi víi l−¬ng thùc vµ thùc phÈm lµ lo¹i bá n−íc ra khái s¶n phÈm. SÊy vËt liÖu nh»m môc ®Ých: gi¶m khèi l−îng, t¨ng ®é bÒn (gç) t¨ng nhiÖt ch¸y (nhiªn liÖu), t¨ng æn ®Þnh khi b¶o qu¶n (n«ng s¶n). SÊy lµ qu¸ tr×nh c«ng nghÖ phøc t¹p. VÒ nguyªn t¾c, cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p sÊy vËt liÖu kh¸c nhau. Theo dÊu hiÖu vÒ n¨ng l−îng ta cã hai nguyªn t¾c chÝnh: - Lo¹i bá Èm (n−íc) ra khái vËt liÖu, kh«ng lµm thay ®æi tr¹ng th¸i liªn kÕt: VÉn ë d¹ng láng. - Lo¹i bá Èm khi thay ®æi tr¹ng th¸i liªn kÕt: Láng biÕn thµnh h¬i. Lo¹i ®Çu cã thÓ thùc hiÖn b»ng ph−¬ng ph¸p c¬ häc (Ðp, ly t©m, läc). Lo¹i thø hai liªn quan tíi chi phÝ nhiÖt ®Ó h©m nãng vËt liÖu Èm, bèc h¬i n−íc ë bÒ mÆt vËt liÖu vµ lµm s«i láng bªn trong vËt liÖu vµ dÇn tho¸t ra ngoµi. 1.1. VËt liÖu Èm §a sè n«ng s¶n lµ vËt liÖu Èm, chøa mét l−îng n−íc ®¸ng kÓ. N−íc lµ thµnh phÇn cña tæ chøc ®éng vËt vµ thùc vËt. §éng vËt l¹i lµ nguån thøc ¨n cho con ng−êi. Tuy nhiªn thõa n−íc cã thÓ dÉn ®Õn h− h¹i s¶n phÈm do t¸c ®éng cña vi sinh vËt trong m«i tr−êng n−íc. Do ®ã phÇn lín c¸c s¶n phÈm cÇn ph¶i gi÷ kh«. Tr¹ng th¸i vËt liÖu Èm ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®é Èm vµ nhiÖt ®é cña nã. TÝnh chÊt cña vËt liÖu Èm ®−îc ®Æc tr−ng bëi tÝnh chÊt nhiÖt – vËt lý vµ c¸c th«ng sè vËt lý: nhiÖt dung riªng, hÖ sè dÉn nhiÖt...vv. Trong lý thuyÕt sÊy, ®é Èm cña vËt liÖu ®−îc ph©n chia thµnh ®é Èm t−¬ng ®èi vµ ®é Èm tuyÖt ®èi. 1.1.1. §é Èm t−¬ng ®èi. §é Èm t−¬ng ®èi cßn gäi lµ ®é Èm toµn phÇn, lµ sè phÇn tr¨m khèi l−îng n−íc chøa trong 1kg vËt liÖu Èm. Khèi l−îng chung cña vËt liÖu Èm. g = ga + gk ë ®©y: ga – Khèi l−îng n−íc (kg). gk – Khèi l−îng chÊt kh« tuyÖt ®èi (kg). §é Èm t−¬ng ®èi sÏ lµ: %100⋅= g gW a Tr−êng hîp W = 0 ta cã vËt liÖu kh« tuyÖt ®èi. 1.1.2. §é Èm tuyÖt ®èi. §é Èm tuyÖt ®èi lµ sè phÇn tr¨m khèi l−îng n−íc chia trong 1kg vËt liÖu kh«. %100⋅= K a K g gW C«ng thøc chuyÓn ®æi %100 100 ⋅ + = K K W WW Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 5 %100 100 ⋅ − = W WWK Tõ b¶ng phô lôc cho ta c¸c gi¸ trÞ khi chuyÓn ®æi tõ W ra WK. Do khèi l−îng cña Èm ga chøa trong vËt liÖu cã thÓ lín h¬n khèi l−îng vËt liÖu kh« gK, nªn kh¸c víi ®é Èm t−¬ng ®èi, ®é Èm tuyÖt ®èi WK cã thÓ lín h¬n 100%. Tr−êng hîp tû sè gi÷a khèi l−îng Èm cña vËt liÖu Èm víi khèi l−îng chÊt kh« tÝnh b»ng kg/kg vËt liÖu kh«, ta cã khèi l−îng Èm riªng (®é chøa Èm). K a g g u = Khèi l−îng Èm riªng cã thÓ ®Æc tr−ng ®é Èm kh«ng chØ cho toµn thÓ tÝch cña vËt liÖu mµ cßn lµ ®é Èm ë líp hoÆc ë ®iÓm nµo ®ã. NÕu Èm ph©n bè ®Òu theo tiÕt diÖn th×. WK = 100⋅u hoÆc 100 WK =u MËt ®é Èm trong vËt liÖu C (kg/m3) quan hÖ víi khèi l−îng Èm riªng u theo quan hÖ. 0C u ρ= ⋅ ë ®©y: ρ0 – Khèi l−îng tuyÖt ®èi chÊt kh« trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch vËt liÖu Èm (kg chÊt kh«/m3) NÕu ®é gi¶m thÓ tÝch (gi¶m thÓ tÝch trong qu¸ tr×nh sÊy) nho th× ζ0 ≈ ζK (ζK – mËt ®é chÊt kh« cña vËt liÖu, hoÆc khèi l−îng riªng cña vËt liÖu kh«) 1.1.1. Èm trong vËt liÖu. a) TÝnh chÊt lý ho¸ cña n−íc: N−íc trong vËt liÖu Èm cã thÓ tån t¹i d−íi 3 d¹ng: r¾n, láng, khÝ ë ¸p suÊt khÝ quyÓn n−íc chuyÓn tõ pha nãng sang pha láng, ng−îc l¹i ë 00C n−íc chuyÓn tõ pha r¾n sang pha láng. §èi víi n−íc th«ng th−êng, ë nhiÖt ®é 3,980C cã mËt ®é lín nhÊt 1 g/cm3. Khi t¨ng nhiÖt ®é lªn mËt ®é cña n−íc b¾t ®Çu gi¶m v× chuyÓn ®éng cña c¸c ph©n tö m¹nh lªn. Ph©n tö chÊt láng còng nh− vËt r¾n liªn tôc chuyÓn ®éng dao ®éng phøc t¹p. Ngoµi ra ®èi víi vËt thÓ nhiÒu nguyªn tö, cßn cã chuyÓn ®éng dao ®éng cña nguyªn tö nµy ®èi víi nguyªn tö kh¸c. Trong bÊt kú thêi ®iÓm nµo, n¨ng l−îng chuyÓn ®éng dao ®éng ®−îc x¸c ®Þnh b»ng tæng thÕ n¨ng vµ ®éng n¨ng cña ph©n tö. Khi ph©n tö ë vÞ trÝ trung gian, thÕ n¨ng cña nã nhá nhÊt cßn ®éng n¨ng ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i. Ng−îc l¹i ë c¸c vÞ trÝ tËn cïng cña ph©n tö, ®éng n¨ng b»ng kh«ng, cßn thÕ n¨ng ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i. PhÇn tö n−íc cã 3 nguyªn tö t¹o thµnh cÊu tróc tam gi¸c, 2pr«t«n ë ®¸y vµ nguyªn tö «xy ë ®Ønh ë vÞ trÝ kh«ng kÝch ®éng, nh©n nguyªn tö ë h¬i n−íc cã ®Æc tÝnh sau: H×nh 1.1. S¬ ®å x©y dùng ph©n tö n−íc Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 6 Kho¶ng c¸ch OH – 0,9584 0 A , HH – 1,5150 0 A gãc HOH – 104027’. T−¬ng øng víi møc dao ®éng d−íi; kho¶ng c¸ch OH – 0,4568 0 A HH – 1,5400 0 A vµ gãc HOA – 105003’. N−íc lµ dÞch thÓ dÝnh −ít. Søc c¨ng mÆt ngoµi ë 200C b»ng 0,0727 Pa. C¸c ®Æc tr−ng vËt lý trªn ®©y, còng nh− c¸c ®Æc tr−ng kh¸c cña n−íc ®¸, n−íc vµ h¬i n−íc ®Òu phô thuéc vµo nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt. b) HiÖn t−îng hÊp phô. Nghiªn cøu hiÖn t−îng ph¸t triÓn trªn bÒ mÆt ph©n chia pha (láng – r¾n) ®èi víi vËt liÖu Èm cã mét ý nghÜa quan träng. Qu¸ tr×nh sÊy cung cÊp n¨ng l−îng cho n−íc th¾ng c¸c lùc liªn kÕt gi÷a n−íc vµ vËt liÖu sÊy, ®Ó dÞch chuyÓn n−íc tõ trong lßng vËt sÊy ra bÒ mÆt vµ ®i vµo t¸c nh©n sÊy ®Ó th¶i vµo m«i tr−êng. B¶n chÊt c¸c liªn kÕt gi÷a n−íc vµ vËt liÖu lµ hiÖn t−îng hÊp phô. Th−êng ng−êi ta kh¶o s¸t hÊp phô vËt lý vµ hÊp phô ho¸ häc. HÊp phô ho¸ häc lµ sù liªn kÕt gi÷a ph©n tö n−íc vµ c¸c ph©n tö cña vËt hÊp phô th«ng qua trao ®æi ®iÖn tö vßng ngoµi (tÝnh ngËm n−íc). V× thÕ hÊp phô ho¸ häc rÊt bÒn v÷ng, rÊt khã dïng nhiÖt ®Ó t¸ch n−íc khái hÊp phô ho¸ häc. HÊp phô vËt lý lµ liªn kÕt gi÷a c¸c ph©n tö n−íc víi c¸c ph©n tö vËt hÊp phô kh«ng cã trao ®æi i«n mµ chØ do søc c¨ng mÆt ngoµi. hÊp phô vËt lý x¶y ra kh«ng ®ång ®Òu theo chiÒu dµy líp n−íc vµ rÊt dÔ t¸ch khái vËt liÖu khi sÊy. N−íc cã trong vËt liÖu sÊy chñ yÕu lµ n−íc hÊp phô vËt lý. Nh− ®7 biÕt, øng víi ®Þnh luËt thø 2 cña nhiÖt ®éng häc, khi hÖ tiÕn dÇn ®Õn tr¹ng th¸i c©n b»ng thÕ n¨ng cña hÖ tiÕn dÇn tíi cùc tiÓu, cã nghÜa lµ bÒ mÆt chÊt láng cÇn t¸c ®éng lùc tiÕn tíi gi¶m diÖn tÝch cña nã, ®ã lµ lùc c¨ng bÒ mÆt σ (søc c¨ng bÒ mÆt) ®èi víi mét ®¬n vÞ dµi tiÕp tuyÕn víi bÒ mÆt (®in/cm hoÆc N/m). Søc c¨ng bÒ mÆt tÝnh b»ng n¨ng l−îng tù do cña líp bÒ mÆt trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch (®in – cm/cm2 nghÜa lµ erg/cm2 hoÆc Nm/m2). Nãi c¸ch kh¸c, σ b»ng mËt ®é n¨ng l−îng tù do cña mang máng bÒ mÆt. §èi víi n−íc ë 00C, σ ≈ 75,7 ®in/cm ≈ 75,7erg/cm2 ≈0,0757N/m. Kh¶o s¸t sù t¸c ®éng t−¬ng hç cña chÊt láng víi bÒ mÆt vËt cøng. Trong tr−êng hîp nµy ph©n tö bÒ mÆt vËt cøng sÏ t¸c dông víi lùc x¸c ®Þnh Fc lªn ph©n tö líp biªn chÊt láng vÒ phÝa chÊt còng t¸c dông lùc Fe Cã thÓ tr×nh bµy s¬ ®å t¸c ®éng t−¬ng hç chÊt láng víi vËt cøng, th−êng trong ®ã cã pha thø 3 lµ pha khÝ. KhÝ kh«ng cã t¸c ®éng cña ngo¹i lùc, giät chÊt láng cã d¹ng h×nh cÇu. Trªn bÒ mÆt vËt cøng trong m«i tr−êng kh«ng khÝ cã d¹ng ph©n chia 1,2,3 nh− (h×nh 1.2). D¹ng giät n−íc phô thuéc vµo sù t−¬ng øng gi÷a σ vµ gãc θ. Gãc c«n lµ sù ®o ®é −ít bÒ mÆt cøng; cã thÓ cã 3 tr−êng hîp sau. Tr−êng hîp 1: σ1 -3 > σ2 – 3 + σ1 – 2 cosθ H×nh 1.2. D¹ng giät chÊt láng giíi h¹n ph©n chia 3 pha Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 7 1, 2, 3 – pha khÝ, láng vµ r¾n. ë ®©y σ1 -3, σ2 -3 vµ σ1 -2 lµ søc c¨ng bÒ mÆt giíi h¹n gi÷a pha khÝ – vËt cøng, Láng – vËt cøng vµ khÝ láng. θ - Gãc t¹o thµnh tõ tiÕp tuyÕn víi ®−êng viÒn giät n−íc. Trong tr−êng hîp nµy giät chÊt láng bÞ dÑt trªn mÆt vËt cøng. Tr−êng hîp 2: σ1 -3 < σ2 – 3 + σ1 – 2 cosθ Giät chÊt láng bÞ Ðp vµ cã d¹ng elipx« - it. Tr−êng hîp 3: σ1 -3 = σ2 – 3 + σ1 – 2 cosθ Khi ®ã: 1-3 2 3 1 2 cos σ σθ σ − − − = (1-1) Ro rµng ë tr−êng hîp thø nhÊt 0 < cosθ < 1, gãc 0 < θ < 900 (H×nh 1.2) bÒ mÆt vËt cøngbÞ −ít. DÞch thÓ d¹ng nµy gäi lµ dÞnh thÓ dÝnh −ít (σ1 -3 > σ2 – 3). NÕu hiÖu sè σ1 – 3 - σ2 – 3 = σ1- 2 th× phï hîp víi c«ng thø (1 – 1), cosθ = 1 vµ θ = 0, nghÜa lµ bÒ mÆt vËt r¾n bÞ dÝnh −ít hoµn toµn, gãc θ kh«ng t¹o thµnh, søc c¨ng bÒ mÆt ®Æc tr−ng bëi sù thõa n¨ng l−îng tù do cña líp bÒ mÆt. Phô thuéc vµo nhiÖt ®é t, søc c¨ng bÒ mÆt cña n−íc cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (erg/cm2). σt = 75,7⋅(1 – 0,002⋅t) Trong tr−êng hîp thø hai (- 1) < cosθ < 0, 900 < θ <1800 (h×nh 1 – 3), bÒ mÆt kh«ng bÞ −ít, gäi lµ dÞch thÓ kh«ng dÝnh −ít (σ1 -3 < σ2 -3). TÝnh dÝnh −ít lµ ®éng lùc t¹o ra ¸p suÊt mao dÉn hay chiÒu cao cét dÞch thÓ trong c¸c èng mao dÉn. (H×nh 1.4) Trong mét thêi gian nhÊt ®Þnh dÞch thÓ trong èng mao dÉn d©ng lªn ®é cao h so víi mÆt tho¸ng cña dÞch thÓ. NÕu chÊt láng kh«ng −ít thµnh èng, n−íc trong èng mao sÏ h¹ xuèng. Cét chÊt láng cã mËt ®é ρl, ë ®é cao h, c©n b»ng víi tæng lùc t¸c dông lªn chu vi èng mao b¸n kÝnh r0. 20 02lr h g r cospi ρ pi σ θ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ Tõ ®ã x¸c ®Þnh chiÒu cao chÊt láng d©ng lªn h 0 2 l cosh r g σ θ ρ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ §èi víi n−íc khi −ít hoµn toµn (θ = 0, cosθ = 1), b¸n kÝnh cong cña bÒ mÆt dÞch thÓ: 0 0 r r r cosθ = = H×nh 1.3. D¹ng giät chÊt láng ë biªn giíi gi÷a 3 pha khi 900 < θ <1800 Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 8 Khi t = 200C, σ ≈ 73 erg/cm2 vµ 0 0,15h r = (cm) Trong èng mao b¸n kÝnh r0 = 10 -5 cm, chiÒu cao h = 0,15.105 cm = 150m vµ ¸p lùc cét n−íc b»ng 1,5 MPa. NÕu chiÒu cao h nhá h¬n vµ øng víi r0, th× ®é lâm cña bÒ mÆt cét dÞch thÓ sÏ gi¶m, bÒ mÆt t¹o thµnh ¸p suÊt d−¬ng. §èi víi vËt thÓ dÝnh −ít chiÒu cao cét dÞch thÓ trong èng mao h > 0 so víi chiÒu cao mÆt tho¸ng, ng−îc l¹i víi dÞch thÓ kh«ng dÝnh −ít chiÒu cao cét dÞch thÓ trong èng mao h < 0 so víi chiÒu cao mÆt tho¸ng. ¸p lùc cña èng mao g©y ra gi¶m ¸p suÊt h¬i b7o hoµ phÝa trªn bÒ mÆt cong, n©ng cao ¸p suÊt cña nã trªn mÆt låi so víi ¸p suÊt phÝa trªn bÒ mÆt chÊt láng. Phï hîp víi ®Þnh luËt Ken-Vin, ®é ®µn håi t−¬ng ®èi cña h¬i: 0 0 2 exp . hr l p p p r σ ρϕ ρ  ⋅ ⋅ = = −  ⋅  (1.2) ë ®©y: pr vµ p0 - ¸p suÊt h¬i b7o hoµ trªn mÆt cong vµ mÆt ph¼ng. B¶ng 1.1. Sù phô thuéc gi÷a ®é co d6n t−¬ng ®èi cña h¬i n−íc khi −ít hoµn toµn cña ϕ vµ r0 cña èng mao. ϕ r0.107 cm ϕ r0.107 cm ϕ r0.107 cm 0,05 0,36 0,5 1,56 0,95 21,9 0,1 0,46 0,55 1,8 0,96 26,3 0,15 0,57 0,6 2,11 0,97 25,3 0,20 0,67 0,65 2,50 0,98 53,3 0,25 0,78 0,7 3,01 0,99 107,5 0,30 0,89 0,75 3,73 0,999 1077,0 0,35 1,02 0,8 4,83 1,000 10770,0 0,40 1,17 0,85 6,61 0,45 1,34 0,9 10,25 Tõ b¶ng trªn cho thÊy khi r0 = 107,5⋅10 -7cm = 1,07⋅10-5cm, th× ϕ ≈ 1 vµ ¸p suÊt h¬i b7o hoµ trªn mÆt dÝnh −ít thùc tÕ b»ng ¸p suÊt h¬i b7o hoµ trªn mÆt ph¼ng chÊt láng. HiÖn t−îng nµy lµ c¬ së ®Ó chia èng mao thµnh lo¹i cùc nhá (r0 < 10 -5cm) vµ èng mao lín (r0 > 10-5cm). Nh− ®7 thÊy ë phÇn trªn, hiÖn t−îng bÒ mÆt ®−îc ph¸t triÓn khi t¸c ®éng t−¬ng hç cña chÊt láng (n−íc) víi vËt cøng, vÒ c¬ b¶n liªn kÕt kh«ng chØ víi t−¬ng t¸c vËt lý mµ c¶ t−¬ng t¸c H×nh 1.4. ChiÒu cao dÞch thÓ dÝnh −ít trong èng mao dÉn Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 9 ho¸ häc. Kh¶o s¸t hiÖn t−îng phøc t¹p trªn lµ mét khã kh¨n rÊt lín; mµ ph¶i ¸p dông ph−¬ng ph¸p hiÖn ®¹i cña c¬ häc l−îng tö. 1.1.2. Ph©n lo¹i d¹ng liªn kÕt Èm trong vËt liÖu. N«ng s¶n lµ mét hÖ trong ®ã Èm cã d¹ng liªn kÕt kh¸c nhau víi vËt r¾n. NhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu cho phÐp ®¬n gi¶n ho¸ viÖc ph©n lo¹i c¸c d¹ng liªn kÕt n−íc, nh−ng hiÖn nay ta chia lµm hai lo¹i: n−íc n−íc tù do vµ n−íc liªn kÕt. C¸c d¹ng liªn kÕt Èm ®−îc chia thµnh ba nhãm chÝnh: liªn kÕt ho¸ häc, liªn kÕt vËt lý vµ liªn kÕt c¬ vËt lý. Trong ®ã Èm liªn kÕt ho¸ - lý kh«ng cã thÓ khö ®−îc b»ng qu¸ tr×nh sÊy. MÆt kh¸c liªn kÕt ho¸ häc cña n−íc víi vËt liÖu chØ ®−îc lo¹i bá nhê t¸c ®éng ho¸ häc hoÆc gia c«ng nhiÖt ®Æc biÖt m¹nh. Khi sÊy lo¹i liªn kÕt nµy khã lo¹i bá. a) N¨ng l−îng liªn kÕt Èm víi vËt liÖu. Π. A. Rªbin®er sö dông quan hÖ nhiÖt ®éng häc c¬ b¶n, cho ®Æc tÝnh sè l−îng n¨ng l−îng liªn kÕt Èm víi vËt liÖu tiÕp nhËn n¨ng l−îng tù do ®¼ng nhiÖt. V× liªn kÕt n−íc víi vËt liÖu lµm gi¶m ¸p suÊt h¬i n−íc trªn bÒ mÆt cña nã, chÝnh v× thÕ n¨ng l−îng tù do t−¬ng −ng sÏ gi¶m. Gi¶m n¨ng l−îng tù do ∆F ë nhiÖt ®é T kh«ng ®æi hoÆc n¨ng l−îng liªn kÕt biÓu diÔn bëi c«ng L cÇn chi phÝ ®Ó t¸ch rêi 1 mol n−íc khái vËt liÖu (kh«ng thay ®æi thanh phÇn), cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (erg/mol). ln lnh u PF L R T R T P ϕ−∆ = = ⋅ ⋅ = − ⋅ ⋅ ë ®©y: Ph - ¸p su©t h¬i b7o hoµ cña n−íc tù do. Pu - ¸p suÊt h¬i n−íc c©n b»ng trªn vËt liÖu víi hµm l−îng Èm u trong m«i tr−êng kh«ng khÝ bÊt kú. Râ rµng: u h P P ϕ = Liªn kÕt gi÷a n−íc víi vËt liÖu cµng ch¾c, cµng lµm gi¶m ®é lín Pu vµ ng−îc l¹i, ®èi víi n−íc tù do Pu ®¹t ®−îc gi¸ trÞ Ph, ϕ = 1 vµ n¨ng l−îng liªn kÕt L = 0. L = R⋅T⋅ln1 = 0 ChØ líp n−íc mét phÇn tö, nghÜa lµ líp n−íc cã chiÒu dÇy mét ph©n tö (®−êng kÝnh ph©n tö n−íc b»ng 3⋅10-8cm) lµ liªn kÕt hÊp thô víi n¨ng l−îng cña liªn kÕt ph©n tö thÊy râ. Liªn kÕt cña líp n−íc x¶y ra gi¶m ®ét ngét víi viÖc t¨ng kho¶ng c¸ch ®èi víi bÒ mÆt hÊp thô t−¬ng øng víi quy luËt cña lùc ph©n tö. V× vËy l−îng n−íc liªn kÕt hÊp thô trong vËt liÖu phô thuéc vµo tæng bÒ mÆt bªn trong cña phÇn tö vµ cã thÓ th−êng (theo thÓ tÝch) chiÕm 1 ÷ 5% ®èi víi thÓ tÝch chung cña vËt. Khi ®−êng kÝnh ph©n tö 10-6cm n−íc hÊp thô cã thÓ chiÕm 18% vµ lín h¬n nÕu ®−êng kÝnh ph©n tö cµng nhá. HiÖu qu¶ nhiÖt liªn kÕt cña n−íc: u hQ Q Q= − hoÆc ur r r∆ = − ë ®©y: Qu - nhiÖt bèc h¬i cña n−íc liªn kÕt víi vËt liÖu ta x¸c ®Þnh ®é Èm (ru). Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 10 Qh - NhiÖt bèc h¬i cña n−íc tù do. Theo ph−¬ng tr×nhGips-Hemlhols, sù thay ®æi n¨ng l−îng bªn trong hoÆc entanpi trong qu¸ tr×nh ®¼ng nhiÖt, ®¼ng tÝch vµ: FI F T T ∂∆∆ = ∆ − ⋅ ∂ Tõ (1.3) suy ra: 2 2 ln ln ;u hh h P PQ R T Q R T T T ∂ ∂ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ∂ ∂ Khi ®ã: 2 2 ln ln lnu hP PQ R T R T T T T ϕ∂ ∂ ∂  = ⋅ − = ⋅ ⋅ ∂ ∂ ∂  (1.4) Bëi v× Qu > Qh vµ Pu < Ph th× ln lnu hP P T T ∂ ∂ > ∂ ∂ BÊt ®¼ng thøc nµy minh ho¹ bëi ®−êng cong (H×nh 1.5) biÓu diÔn sù phô thuéc gi÷a P vµ T. Tõ h×nh ta thÊy, ®−êng cong lnPu = f(T), tang gãc nghiªng cña tiÕp tuyÕn lín h¬n so víi lnPh = f(T). §èi víi kho¶ng nhiÖt ®é kh«ng lín: 2 lnQ R T const T ϕ∂ = ⋅ ⋅ ≈ ∂ vµ 0Q T ∂ = ∂ Ta cã biÓu thøc ®èi víi ¸p suÊt h¬i trªn n−íc liªn kÕt: expu h QP P R T   = −  ⋅  (1.5) Tõ nh÷ng gi¶ thiÕt nhiÖt ®éng ®Æc tr−ng cho ®é lín n¨ng l−îng liªn kÕt. Π.A Rªbin®e ®7 tÝnh nh÷ng d¹ng liªn kÕt n−íc víi vËt liÖu khuÕch t¸n (ДUCПEPCHЫЙ) khi sÊy. + N−íc liªn kÕt ho¸ häc. §èi víi n−íc nµy, n¨ng l−îng liªn kÕt L ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt. ThÝ dô ®èi víi sù kÕt tinh cña sunph¸t ®ång CuSO4 ë 25 0C Pu = 0,11, Ph = 3,2 KPa vµ L = 8,4.10 -3J/mol. + N−íc liªn kÕt hÊp phô. §èi víi n−íc liªn kÕt hÊp phô ¸p lùc h¬i phô thuéc vµo ®é Èm cña vËt liÖu ®−îc gäi lµ hÊp phô ®¼ng nhiÖt. D¹ng liªn kÕt Èm nµy ®Æc tr−ng chØ ®èi víi vËt liÖu cã ®é Èm nhá, nghÜa lµ gi¸ trÞ u h P P ϕ = kh«ng ®¸ng kÓ; t−¬ng øng víi n¨ng l−îng liªn kÕt lín. ThÝ dô khi ϕ = 0,25, L = 3,47.103J/mol. + Liªn kÕt mao dÉn. N¨ng l−îng liªn kÕt ®èi víi n−íc lo¹i nµy g©y ra liªn kÕt hÊp phô cña líp ®a ph©n tö trªn thµnh èng mao vµ gi¶m ¸p suÊt h¬i trªn mÆt cong trong èng mao so víi ¸p suÊt h¬i trªn bÒ mÆt ph¼ng cña n−íc tù do. N−íc cßn l¹i ë bªn trong èng mao kh«ng kh¸c víi n−íc tù do. H×nh 1.5. S¬ ®å sù phô thuéc gi÷a P vµ T trong b¶ng b¸n logarit Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 11 N¨ng l−îng liªn kÕt Èm cña èng mao to kh«ng lín vµ gÇn víi n¨ng l−îng cña Èm tù do. NÕu ¸p suÊt h¬i trªn mÆt cong cña n−íc cã thÓ x¸c ®Þnh gÇn ®óng theo ®Þnh luËt cña Klu-vin: 0 2 expr h VP P r R T σ  = − − ⋅  ⋅  (1.6) N¨ng l−îng liªn kÕt L cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (12) khi thay Pu vµ Ph. 0 2 r L V r σ = ⋅ Víi: V0 - lµ thÓ tÝch riªng cña h¬i n−íc trªn mÆt tho¸ng. Khi ®−êng kÝnh èng mao kh«ng lín, L ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt. ThÝ dô khi 2r = 10-6cm, L = 5,3.102J/mol. b/ Liªn kÕt thÈm thÊu. Liªn kÕt thÈm thÊu ®iÓn h×nh lµ liªn kÕt cña n−íc trong c¸c dung dÞch, ë ®©y khèi l−îng chÝnh liªn kÕt cña nã yÕu - thÈm thÊu, nghÜa lµ ¨ngtr«pi. B¶n chÊt cña liªn kÕt nµy ®−îc biÓu diÔn trong ®ã ¸p suÊt cña h¬i Pu trªn dung dÞch nhá h¬n ¸p suÊt h¬i Ph trªn n−íc. Tõ ph−¬ng tr×nh Gips-Hemlhols. F I T S−∆ = −∆ + ∆ (1.7) ë ®©y: ∆I - §é gi¶m n¨ng l−îng bªn trong (hoÆc entalpi trong qu¸ tr×nh ®¼ng ¸p vµ ®¼ng tÝch). Xem liªn kÕt n−íc khi cã t−¬ng t¸c ph©n tö. ∆S - ®é t¨ng ¨ngtr«pi trong qu¸ tr×nh ®¼ng nhiÖt. Liªn kÕt thÈm thÊu trë lªn râ rÖt khi kh«ng cã nh÷ng liªn kÕt v÷ng ch¾c h¬n nghÜa lµ khi ∆I → 0. Khi ®ã 0lnF T S RT n−∆ = ∆ = − ë ®©y: n0 - lµ phÇn mol cña n−íc trong dung dÞch, 0 u h P n P ϕ= = 1.1.3. C¸c ®Æc tr−ng nhiÖt ®éng cña vËt liÖu Èm. a/ ThÕ dÉn Èm. Kh¸i niÖm vÒ thÕ dÉn Èm còng t−¬ng tù nh− thÕ dÉn nhiÖt. Èm chØ cã thÓ truyÒn tõ vËt hay mét phÇn cña nã cã ®é Èm cao sang vËt hay mét phÇn cña vËt kh¸c cã ®é Èm thÊp h¬n. Gi÷a truyÒn nhiÖt vµ truyÒn chÊt cã nh÷ng tÝnh chÊt t−¬ng tù. ThÝ dô (h×nh 1.6), cho thÊy s¬ ®å ph©n bè thÕ chuyÓn nhiÖt, nghÜa lµ nhiÖt ®é vµ entanpi cña ch× vµ s¾t. ë tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®é cña hai vËt thÓ nh− nhau (500C) vµ trªn giíi h¹n tiÕp xóc cã biÕn chuyÓn ®ét ngét cña entanpi (Tõ I = C.t = 0,127×50 = 6,3 KJ/Kg ®èi víi ch×, ®Õn I = 0,46×50 = 23,0KJ/Kg ®èi víi s¾t). Râ rµng, sù chuyÓn biÕn nµy lµ nguyªn nh©n sù kh¸c nhau cña nhiÖt khèi riªng gi÷a hai vËt thÓ. V× thÕ ®Ó ph©n tÝch hiÖn t−îng chuyÓn chÊt hîp lý, t−¬ng tù nhiÖt khèi riªng cña chÊt láng nãng (n−íc). §−a vµo kh¸i niÖm “nhiÖt khèi riªng ®¼ng nhiÖt” Cm ®èi víi vËt tiªu chuÈn (giÊy läc) b»ng 1/100 UCmax nghÜa lµ: / 1 100mt c Cmax C u= Kg/Kg0M Nh− vËy, t−¬ng tù thÕ chuyÓn nhiÖt-nhiÖt ®é, hµm l−îng Èm riªng cùc ®¹i cña vËt tiªu chuÈn, t−¬ng øng víi thÕ chuyÓn θm trong 100 ®é (0M) trao ®æi khèi. Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 12 Kcal/Kg Kcal/Kg Kg/Kg kg kg Kg/Kg ( ) ( ) / / / / 100t c t c mt c mt c CmaxT T u u C u θ ⋅= = Trong ®ã: ut/c - hµm l−îng Èm tiªu chuÈn, khi ut/c = uCmax, θmt/nghiÖm = 1000M. Trong thÝ dô tiÕp xóc gi÷a than bïn vµ giÊy läc, hµm l−îng Èm c¸c vËt liÖu ®ã ë tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®éng ut/c = 0,5Kg/Kg, thÕ chuyÓn khèi (uCmax)T = 0,277Kg/Kg. 0/ 0,5 100 180 0, 277mt ngh Mθ = ⋅ = . §Ó chuyÓn vËt chÊt (Èm) vµ nhiÖt tõ vËt nµy ®Õn vËt kh¸c cÇn t¹o nªn sù sai kh¸c thÕ t−¬ng øng. §Æc biÖt ta thÊy sù hiÖn diÖn sai kh¸c thÕ Èm vµ nhiÖt truyÒn tõ vËt cã hµm l−îng Èm nhá tíi vËt cã hµm l−îng Èm lín. a/ c/ b/ d/ H×nh 1.6. Ph©n bè Èm, entanpi vµ thÕ chuyÓn trong hÖ vËt. VËt tiªu chuÈn vµ than bïn (a), ch× vµ s¾t (b), chuyÓn Èm vµ nhiÖt khi hiÖn diÖn thÕ (c, d). H µm l −î ng È m u ( K g/ K g) Kho¶ng c¸ch tõ bÒ mÆt tiÕp xóc (cm) T hÕ θ m Èm than bïn c¸t than bïn giÊy läc Kho¶ng c¸ch tõ mÆt tiÕp xóc (cm) E nt an pi I (K C al /K g) ch× ch× nh«m s¾t N hi Öt ® é nhiÖt kg kg Kcal kg Kcal kg Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 13 §¬n vÞ ®o ®−îc gäi lµ thÕ dÉn Èm vµ ký hiÖu lµ θ. Trong dÉn Èm ®¼ng nhiÖt, ta cã thÓ xem thÕ dÉn Èm θ lµ mét hµm cña ®é chøa Èm u hay θ = f(u). NÕu trong dÉn nhiÖt, tõ kh¸i niÖm nhiÖt ®é vµ nhiÖt l−îng, ng−êi ta ®−a ra kh¸i niÖm nhiÖt dung riªng: p dqC dt Víi: dq - nhiÖt l−îng cÇn ®Ó h©m nãng hoÆc lµm nguéi 1Kg vËt chÊt nãng lªn hoÆc l¹nh ®i. dt - biÕn thiªn nhiÖt ®é trong qu¸ tr×nh ®¼ng ¸p. Trong dÉn Èm ta còng ®−a ra kh¸i niÖm Èm dung riªng trung b×nh vµ côc bé. Èm dung riªng trung b×nh ®Æc tr−ng cho sù thay ®æi hµm l−îng khèi cña vËt ∆U t−¬ng øng víi sù thay ®æi thÕ chuyÓn khèi trªn mét ®¬n vÞ ®o cña thÕ nµy, nghÜa lµ: m m uC θ ∆ = ∆ §èi víi nhiÒu vËt sù phô thuéc θm = f(u) lµ phi tuyÕn, ®é lín Cm thay ®æi víi sù thay ®æi hµm l−îng Èm. ChÝnh v× thÕ ®−a vµo kh¸i niÖm Èm dung riªng thùc ®¼ng nhiÖt (khi nhiÖt ®é cña vËt lµ θ): m m uC θθ  ∂ =  ∂  Èm dung riªng thùc (côc bé) ë chÕ ®é ®¼ng nhiÖt Cm = f(u) x¸c ®Þnh b»ng ®å thÞ ®−êng cong vi ph©n θm = f(u) khi θ = const. b/ Èm ®é. §o nhiÖt ®é theo thang b¸ch ph©n, ng−êi ta chän n−íc lµm vËt mÉu vµ nhiÖt ®é n−íc ®¸ ®ang tan lµ 00C vµ nhiÖt ®é n−íc ®ang s«i lµ 1000C ë cïng ¸p suÊt 760mmHg. NÕu nhiÖt l−îng ®o b»ng Kcal th× nhiÖt dung riªng cña n−íc b»ng 1Kcal/Kg.K. T−¬ng tù thÕ dÉn nhiÖt - lµ nhiÖt ®é; hµm l−îng Èm riªng cùc ®¹i cña vËt tiªu chuÈn t−¬ng øng víi thÕ chuyÓn θm trong 100 ®é trao ®æi khèi (0M). ( ) ( ) / / / 100t c t c mt c mtc CmaxT T u u C u θ ⋅= = (1.8) ë ®©y: ut/c - hµm l−îng Èm tiªu chuÈn, khi ut/c = uCmax, θmt/c = 1000M. Khi kh¶o s¸t vÝ dô tiÕp xóc cña than bïn vµ giÊy läc, hµm l−îng Èm trong tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®éng ut/c = 0,5Kg/Kg, thÕ chuyÓn khèi khi (uCmax) = 0,277Kg/Kg. 0 / 0,5 100 180 0,277mt c Mθ = ⋅ = §Ó chuyÓn chÊt (Èm) vµ nhiÖt tõ vËt nµy ®Õn vËt kh¸c cÇn t¹o hiÖu cña thÕ t−¬ng øng (H×nh 1.6c,d). Ta thÊy r»ng khi tån t¹i hiÖu thÕ Èm vµ nhiÖt chuyÓn tõ vËt cã hµm Èm nhá vµo vËt cã hµm Èm lín. Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 14 1.1.4. C¸c th«ng sè nhiÖt - vËt lý cña vËt liÖu Èm. a/ NhiÖt dung riªng cña vËt liÖu Èm. NhiÖt dung riªng cña vËt liÖu Èm (J/Kg.0K) th−êng ®−îc tÝnh nh− lµ trung b×nh céng ®é lín nhiÖt dung riªng cña chÊt kh« cña vËt liÖu CK vµ nhiÖt dung riªng cña n−íc Cn b»ng 4,19 (KJ/Kg. 0K). ( )100 100 K a M C W C W C − + ⋅ = (1.9) NhiÖt dung riªng cña chÊt kh« cña c¸c s¶n phÈm thùc phÈm kh¸c nhau tõ 1257 ÷ 1676 J/Kg.0K hoÆc 0,3 ÷ 0,4 Kcal/Kg0C. C«ng thøc trªn cã thÓ tr×nh bµy d−íi d¹ng: 100 a K M K C CC C W−= + ⋅ NhiÖt dung riªng cña vËt liÖu Èm ®èi víi sè kilogam chÊt kh«, th× nhiÖt dung qui dÉn J/Kg chÊt kh«.0K. ( )100 100 100 100 c K aqd a M K K a K a C W C W C W WC C C C C C u W W − + ⋅ ⋅ = = + = + = + ⋅ − − (1.10) H×nh 1.7. Sù phô thuéc cña nhiÖt dung riªng h¹t lóa tiÓu m¹ch vµo ®é Èm cña n