Giáo trình kỹ thuật sấy nông sản - Chương 1

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:51

Thêm vào BST

Báo xấu

373
lượt xem 147
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình “Kỹ thuật sấy nông sản” đề cập tới nguyên lý làm việc, lý thuyết tính toán các quá trình kỹ thuật sấy, làm cơ sở cho việc thiết kế các thiết bị sấy. Mặt khác sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng rộng rãi trong các ngành của sản xuất nông nghiệp. Sấy là công đoạn quan trọng của công nghệ sau thu hoạch trước khi thực hiện bảo quản sản phẩm. Đối tượng sử dụng là sinh viên năm cuối của ngành cơ khí bảo quản chế biến của trường đại học Nông Nghiệp. Đồng thời cũng có thể...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình kỹ thuật sấy nông sản - Chương 1

bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o tr−êng ®¹i häc n«ng nghiÖp i - h 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 H néi – 2006 1 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
lêi nãi ®Çu Gi¸o tr×nh “Kü thuËt sÊy n«ng s¶n” ®Ò cËp tíi nguyªn lý l m viÖc, lý thuyÕt tÝnh to¸n c¸c qu¸ tr×nh kü thuËt sÊy, l m c¬ së cho viÖc thiÕt kÕ c¸c thiÕt bÞ sÊy. MÆt kh¸c sÊy l mét qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ®−îc sö dông réng r i trong c¸c ng nh cña s¶n xuÊt n«ng nghiÖp. SÊy l 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 l sinh viªn n¨m cuèi cña ng nh 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. v c¸c kü s− l m viÖc liªn quan tíi lÜnh vùc n y. Sinh viªn trong qu¸ tr×nh häc cÇn n¾m v÷ng qu¸ tr×nh sÊy l mét qu¸ tr×nh c«ng nghÖ, kh«ng ®¬n thuÇn l 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 b y trong 6 ch−¬ng. - Ch−¬ng 1 C¬ së lý thuyÕt qu¸ tr×nh sÊy. Trong ch−¬ng n y tr×nh b y c¸c kh¸i niÖm v 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 ® ®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 d ng. Sau mçi ch−¬ng cã c©u hái «n tËp v mét sè b i tËp øng dông. Trong qu¸ tr×nh biªn so¹n t¸c gi¶ ® ®−îc ®ång nghiÖp gãp ý. T¸c gi¶ ch©n th nh c¶m ¬n Bé m«n M¸y n«ng nghiÖp v khoa C¬ §iÖn tr−êng §¹i häc N«ng NghiÖp I - H 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 ® o t¹o, khoa C¬ §iÖn tr−êng ®¹i häc N«ng NghiÖp I. Chñ biªn GS.TS. Ph¹m Xu©n V−îng 2 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
Ch−¬ng 1 C¬ së lý thuyÕt cña qu¸ tr×nh sÊy SÊy l qu¸ tr×nh lo¹i bá bÊt kú chÊt láng n o ra khái vËt liÖu, kÕt qu¶ l t¨ng tû lÖ h m l−îng chÊt kh«. Thùc tÕ sÊy ®èi víi l−¬ng thùc v thùc phÈm l 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 l 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 l m thay ®æi tr¹ng th¸i liªn kÕt: VÉn ë d¹ng láng. - Lo¹i bá Èm khi thay ®æi tr¹ng th¸i liªn kÕt: Láng biÕn th nh 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 v l m s«i láng bªn trong vËt liÖu v dÇn tho¸t ra ngo i. 1.1. VËt liÖu Èm §a sè n«ng s¶n l vËt liÖu Èm, chøa mét l−îng n−íc ®¸ng kÓ. N−íc l th nh phÇn cña tæ chøc ®éng vËt v thùc vËt. §éng vËt l¹i l 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 v nhiÖt ®é cña nã. TÝnh chÊt cña vËt liÖu Èm ®−îc ®Æc tr−ng bëi tÝnh chÊt nhiÖt – vËt lý v 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 th nh ®é Èm t−¬ng ®èi v ®é Èm tuyÖt ®èi. 1.1.1. §é Èm t−¬ng ®èi. §é Èm t−¬ng ®èi cßn gäi l ®é Èm to n phÇn, l 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). g §é Èm t−¬ng ®èi sÏ l : W = a ⋅ 100% g Tr−êng hîp W = 0 ta cã vËt liÖu kh« tuyÖt ®èi. 1.1.2. §é Èm tuyÖt ®èi. §é Èm tuyÖt ®èi l sè phÇn tr¨m khèi l−îng n−íc chia trong 1kg vËt liÖu kh«. g WK = a ⋅ 100% gK C«ng thøc chuyÓn ®æi WK W= ⋅ 100% 100 + WK 4 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
W WK = ⋅ 100% 100 − W 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). g u= a gK Khèi l−îng Èm riªng cã thÓ ®Æc tr−ng ®é Èm kh«ng chØ cho to n thÓ tÝch cña vËt liÖu m cßn l ®é Èm ë líp hoÆc ë ®iÓm n o ®ã. NÕu Èm ph©n bè ®Òu theo tiÕt diÖn th×. W WK = 100⋅u hoÆc u= K 100 3 MËt ®é Èm trong vËt liÖu C (kg/m ) quan hÖ víi khèi l−îng Èm riªng u theo quan hÖ. C = u ⋅ ρ0 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. Ngo i ra ®èi víi vËt thÓ nhiÒu nguyªn tö, cßn cã chuyÓn ®éng dao ®éng cña nguyªn tö n y ®èi víi nguyªn tö kh¸c. Trong bÊt kú thêi ®iÓm n o, n¨ng l−îng chuyÓn ®éng dao ®éng ®−îc x¸c ®Þnh b»ng tæng thÕ n¨ng v ®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 th nh cÊu tróc tam gi¸c, 2pr«t«n ë ®¸y v 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 5 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
0 0 Kho¶ng c¸ch OH – 0,9584 A , HH – 1,5150 A gãc HOH – 104027’. T−¬ng øng víi 0 0 møc dao ®éng d−íi; kho¶ng c¸ch OH – 0,4568 A HH – 1,5400 A v gãc HOA – 105003’. N−íc l dÞch thÓ dÝnh −ít. Søc c¨ng mÆt ngo i 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 v h¬i n−íc ®Òu phô thuéc v o nhiÖt ®é v ¸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 v vËt liÖu sÊy, ®Ó dÞch chuyÓn n−íc tõ trong lßng vËt sÊy ra bÒ mÆt v ®i v o t¸c nh©n sÊy ®Ó th¶i v o m«i tr−êng. B¶n chÊt c¸c liªn kÕt gi÷a n−íc v vËt liÖu l hiÖn t−îng hÊp phô. Th−êng ng−êi ta kh¶o s¸t hÊp phô vËt lý v hÊp phô ho¸ häc. HÊp phô ho¸ häc l sù liªn kÕt gi÷a ph©n tö n−íc v c¸c ph©n tö cña vËt hÊp phô th«ng qua trao ®æi ®iÖn tö vßng ngo i (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 l 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 m chØ do søc c¨ng mÆt ngo i. hÊp phô vËt lý x¶y ra kh«ng ®ång ®Òu theo chiÒu d y líp n−íc v rÊt dÔ t¸ch khái vËt liÖu khi sÊy. N−íc cã trong vËt liÖu sÊy chñ yÕu l n−íc hÊp phô vËt lý. Nh− ® 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 l bÒ mÆt chÊt láng cÇn t¸c ®éng lùc tiÕn tíi gi¶m diÖn tÝch cña nã, ®ã l lùc c¨ng bÒ mÆt σ (søc c¨ng bÒ mÆt) ®èi víi mét ®¬n vÞ d i 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 l 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 n y 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 b y s¬ ®å t¸c ®éng t−¬ng hç chÊt láng víi vËt cøng, th−êng trong ®ã cã pha thø 3 l 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 v o sù t−¬ng øng gi÷a σ v gãc θ. Gãc c«n l sù H×nh 1.2. D¹ng giät chÊt láng giíi ®o ®é −ít bÒ mÆt cøng; cã thÓ cã 3 tr−êng hîp sau. h¹n ph©n chia 3 pha Tr−êng hîp 1: σ1 -3 > σ2 – 3 + σ1 – 2 cosθ 6 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
1, 2, 3 – pha khÝ, láng v r¾n. ë ®©y σ1 -3, σ2 -3 v σ1 -2 l søc c¨ng bÒ mÆt giíi h¹n gi÷a pha khÝ – vËt cøng, Láng – vËt cøng v khÝ láng. θ - Gãc t¹o th nh tõ tiÕp tuyÕn víi ®−êng viÒn giät n−íc. Trong tr−êng hîp n y 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 v cã d¹ng elipx« - it. Tr−êng hîp 3: σ1 -3 = σ2 – 3 + σ1 – 2 cosθ Khi ®ã: σ − σ 2 −3 (1-1) cos θ = 1-3 σ 1− 2 Ro r ng 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 n y gäi l 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 v θ = 0, nghÜa l bÒ mÆt vËt r¾n bÞ dÝnh −ít ho n to n, gãc θ kh«ng t¹o th nh, søc c¨ng bÒ mÆt ®Æc tr−ng bëi sù thõa n¨ng l−îng tù do cña líp bÒ mÆt. Phô thuéc v o 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
0,15 Khi t = 200C, σ ≈ 73 erg/cm2 v h = (cm) r0 Trong èng mao b¸n kÝnh r0 = 10-5 cm, chiÒu cao h = 0,15.105 cm = 150m v ¸p lùc cét n−íc b»ng 1,5 MPa. NÕu chiÒu cao h nhá h¬n v øng víi r0, th× ®é lâm cña bÒ mÆt cét dÞch thÓ sÏ gi¶m, bÒ mÆt t¹o th nh ¸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 b o ho 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 ® n håi t−¬ng ®èi cña h¬i:  2 ⋅ σ ⋅ ρh  pr (1.2) ϕ= = exp −   p0 ⋅ ρl .r  p0 H×nh 1.4. ChiÒu cao dÞch thÓ dÝnh −ít ë ®©y: pr v p0 - ¸p suÊt h¬i b o ho trªn mÆt trong èng mao dÉn cong v mÆt ph¼ng. B¶ng 1.1. Sù phô thuéc gi÷a ®é co d n t−¬ng ®èi cña h¬i n−íc khi −ít ho n to n cña ϕ v r0 cña èng mao. r0.107 cm r0.107 cm r0.107 cm ϕ ϕ ϕ 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 v ¸p suÊt h¬i b o ho trªn mÆt dÝnh −ít thùc tÕ b»ng ¸p suÊt h¬i b o ho trªn mÆt ph¼ng chÊt láng. HiÖn t−îng n y l c¬ së ®Ó chia èng mao th nh lo¹i cùc nhá (r0 < 10-5cm) v èng mao lín (r0 > 10-5cm). Nh− ® 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 m c¶ t−¬ng t¸c 8 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
ho¸ häc. Kh¶o s¸t hiÖn t−îng phøc t¹p trªn l mét khã kh¨n rÊt lín; m 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 l 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 l m hai lo¹i: n−íc n−íc tù do v n−íc liªn kÕt. C¸c d¹ng liªn kÕt Èm ®−îc chia th nh ba nhãm chÝnh: liªn kÕt ho¸ häc, liªn kÕt vËt lý v 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 n y 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 l m 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). P −∆F = L = R ⋅ T ⋅ ln h = − R ⋅ T ⋅ ln ϕ Pu ë ®©y: Ph - ¸p su©t h¬i b o ho cña n−íc tù do. Pu - ¸p suÊt h¬i n−íc c©n b»ng trªn vËt liÖu víi h m l−îng Èm u trong m«i tr−êng kh«ng khÝ bÊt kú. P Râ r ng: ϕ= u Ph Liªn kÕt gi÷a n−íc víi vËt liÖu c ng ch¾c, c ng l m gi¶m ®é lín Pu v ng−îc l¹i, ®èi víi n−íc tù do Pu ®¹t ®−îc gi¸ trÞ Ph, ϕ = 1 v n¨ng l−îng liªn kÕt L = 0. L = R⋅T⋅ln1 = 0 ChØ líp n−íc mét phÇn tö, nghÜa l líp n−íc cã chiÒu dÇy mét ph©n tö (®−êng kÝnh ph©n tö n−íc b»ng 3⋅10-8cm) l 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 v o tæng bÒ mÆt bªn trong cña phÇn tö v 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% v lín h¬n nÕu ®−êng kÝnh ph©n tö c ng nhá. HiÖu qu¶ nhiÖt liªn kÕt cña n−íc: Q = Qu − Qh hoÆc ∆r = ru − r ë ®©y: Qu - nhiÖt bèc h¬i cña n−íc liªn kÕt víi vËt liÖu ta x¸c ®Þnh ®é Èm (ru). 9 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
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 ∂∆F qu¸ tr×nh ®¼ng nhiÖt, ®¼ng tÝch v : ∆I = ∆F − T ⋅ ∂T ∂ ln Pu ∂ ln Ph Tõ (1.3) suy ra: Qh = R ⋅ T 2 ⋅ ; Qh = R ⋅ T 2 ⋅ ∂T ∂T  ∂ ln Pu ∂ ln Ph  2 ∂ ln ϕ Khi ®ã: Q = R ⋅ T 2  (1.4) −  = R ⋅T ⋅  ∂T ∂T  ∂T ∂ ln Pu ∂ ln Ph Bëi v× Qu > Qh v Pu < Ph th× > ∂T ∂T BÊt ®¼ng thøc n y minh ho¹ bëi ®−êng cong (H×nh 1.5) biÓu diÔn sù phô thuéc gi÷a P v 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: ∂ ln ϕ ∂Q Q = R ⋅T 2 ⋅ ≈ const v =0 ∂T ∂T Ta cã biÓu thøc ®èi víi ¸p suÊt h¬i trªn n−íc liªn kÕt:  Q (1.5) Pu = Ph exp  −   R ⋅T  Tõ nh÷ng gi¶ thiÕt nhiÖt ®éng ®Æc tr−ng cho ®é lín n¨ng l−îng liªn kÕt. Π.A Rªbin®e ® 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 n y, 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 250C Pu = 0,11, Ph = 3,2 KPa v 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 v o ®é Èm cña vËt liÖu ®−îc gäi l hÊp phô ®¼ng nhiÖt. D¹ng liªn kÕt Èm n y ®Æc tr−ng chØ ®èi víi vËt liÖu cã ®é Èm nhá, nghÜa l gi¸ P trÞ ϕ = u kh«ng ®¸ng kÓ; t−¬ng øng víi n¨ng Ph 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 n y g©y ra liªn kÕt hÊp phô cña líp ®a ph©n tö trªn th nh H×nh 1.5. S¬ ®å sù phô thuéc gi÷a P v T èng mao v gi¶m ¸p suÊt h¬i trªn mÆt cong trong b¶ng b¸n logarit 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. 10 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
N¨ng l−îng liªn kÕt Èm cña èng mao to kh«ng lín v 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:  2σ V0  (1.6) Pr = − Ph exp  − ⋅   r R ⋅T  N¨ng l−îng liªn kÕt L cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (12) khi thay Pu v Ph. 2σ Lr = ⋅V0 r Víi: V0 - l 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 l liªn kÕt cña n−íc trong c¸c dung dÞch, ë ®©y khèi l−îng chÝnh liªn kÕt cña nã yÕu - thÈm thÊu, nghÜa l ¨ngtr«pi. B¶n chÊt cña liªn kÕt n y ®−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. (1.7) −∆F = −∆I + T ∆S ë ®©y: ∆I - §é gi¶m n¨ng l−îng bªn trong (hoÆc entalpi trong qu¸ tr×nh ®¼ng ¸p v ®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 l khi ∆I → 0. Khi ®ã −∆F = T ∆S = − RT ln n0 Pu ë ®©y: n0 - l phÇn mol cña n−íc trong dung dÞch, n0 = ϕ = Ph 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 v 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 l nhiÖt ®é v entanpi cña ch× v s¾t. ë tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®é cña hai vËt thÓ nh− nhau (500C) v 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 r ng, sù chuyÓn biÕn n y l 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 v o kh¸i niÖm “nhiÖt khèi riªng ®¼ng nhiÖt” Cm ®èi víi vËt tiªu chuÈn (giÊy läc) b»ng 1/100 UCmax nghÜa l : 1 uCmax Kg/Kg0M Cmt / c = 100 Nh− vËy, t−¬ng tù thÕ chuyÓn nhiÖt-nhiÖt ®é, h m l−îng Èm riªng cùc ®¹i cña vËt tiªu chuÈn, t−¬ng øng víi thÕ chuyÓn θm trong 100 ®é (0M) trao ®æi khèi. 11 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
u ⋅100 ut / c θ mt / c = = t/c ( Cmt / c )T ( uCmax )T Trong ®ã: ut/c - h m l−îng Èm tiªu chuÈn, khi ut/c = uCmax, θmt/nghiÖm = 1000M. Trong thÝ dô tiÕp xóc gi÷a than bïn v giÊy läc, h m 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. 0,5 ⋅100 = 1800 M . θ mt / ngh = 0, 277 §Ó chuyÓn vËt chÊt (Èm) v nhiÖt tõ vËt n y ®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 v nhiÖt truyÒn tõ vËt cã h m l−îng Èm nhá tíi vËt cã h m l−îng Èm lín. than c¸t bïn H m l−îng Èm u (Kg/Kg) Kg/Kg kg kg kg kg than bïn giÊy läc ThÕ θm Kg/Kg Èm Kho¶ng c¸ch tõ mÆt tiÕp xóc (cm) a/ c/ nh«m ch× Kcal/Kg Entanpi I (KCal/Kg) s¾t Kcal Kcal kg kg ch× NhiÖt ®é Kcal/Kg nhiÖt Kho¶ng c¸ch tõ bÒ mÆt tiÕp xóc (cm) b/ d/ H×nh 1.6. Ph©n bè Èm, entanpi v thÕ chuyÓn trong hÖ vËt. VËt tiªu chuÈn v than bïn (a), ch× v s¾t (b), chuyÓn Èm v nhiÖt khi hiÖn diÖn thÕ (c, d). 12 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
§¬n vÞ ®o ®−îc gäi l thÕ dÉn Èm v ký hiÖu l θ. Trong dÉn Èm ®¼ng nhiÖt, ta cã thÓ xem thÕ dÉn Èm θ l mét h m cña ®é chøa Èm u hay θ = f(u). NÕu trong dÉn nhiÖt, tõ kh¸i dq niÖm nhiÖt ®é v nhiÖt l−îng, ng−êi ta ®−a ra kh¸i niÖm nhiÖt dung riªng: C p dt Víi: dq - nhiÖt l−îng cÇn ®Ó h©m nãng hoÆc l m 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 v côc bé. Èm dung riªng trung b×nh ®Æc tr−ng cho sù thay ®æi h m l−îng khèi cña vËt ∆U t−¬ng øng víi sù thay ®æi thÕ chuyÓn khèi trªn mét ®¬n vÞ ®o cña thÕ n y, nghÜa l : ∆u Cm = ∆θ m §èi víi nhiÒu vËt sù phô thuéc θm = f(u) l phi tuyÕn, ®é lín Cm thay ®æi víi sù thay ®æi h m l−îng Èm. ChÝnh v× thÕ ®−a v o kh¸i niÖm Èm dung riªng thùc ®¼ng nhiÖt (khi nhiÖt ®é cña vËt l θ):  ∂u  Cm =    ∂θ m θ 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 l m vËt mÉu v nhiÖt ®é n−íc ®¸ ®ang tan l 00C v nhiÖt ®é n−íc ®ang s«i l 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 - l nhiÖt ®é; h m l−îng Èm riªng cùc ®¹i cña vËt tiªu chuÈn t−¬ng øng víi thÕ chuyÓn θm trong 100 ®é trao ®æi khèi (0M). u ⋅100 u (1.8) θ mt / c = t / c = t / c ( Cmtc )T ( uCmax )T ë ®©y: ut/c - h m l−îng Èm tiªu chuÈn, khi ut/c = uCmax, θmt/c = 1000M. Khi kh¶o s¸t vÝ dô tiÕp xóc cña than bïn v giÊy läc, h m 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. 0,5 ⋅100 = 1800 M θ mt / c = 0, 277 §Ó chuyÓn chÊt (Èm) v nhiÖt tõ vËt n y ®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 v nhiÖt chuyÓn tõ vËt cã h m Èm nhá v o vËt cã h m Èm lín. 13 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
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− l trung b×nh céng ®é lín nhiÖt dung riªng cña chÊt kh« cña vËt liÖu CK v nhiÖt dung riªng cña n−íc Cn b»ng 4,19 (KJ/Kg.0K). C (100 − W ) + Ca ⋅W CM = K (1.9) 100 NhiÖt dung riªng cña chÊt kh« cña c¸c s¶n phÈm thùc phÈm kh¸c nhau tõ 1257 ÷ 1 676 J/Kg. 0 K hoÆc 0,3 ÷ 0 ,4 Kcal/Kg 0 C. C«ng thøc trªn cã thÓ tr×nh b y d−íi d¹ng: C − CK CM = C K + a ⋅W 100 NhiÖt dung riªng cña vËt liÖu Èm ®èi víi sè kilogam chÊt kh«, th× nhiÖt dung qui dÉn J/Kg chÊt kh«.0K. C (100 − W ) + Ca ⋅W Wc C ⋅W CM = K qd (1.10) = CK + a = C K + Ca = C K + Ca ⋅ u 100 − W 100 − W 100 J Kcal Kg.0 K Kg 0 C H×nh 1.7. Sù phô thuéc cña nhiÖt dung riªng h¹t lóa tiÓu m¹ch v o ®é Èm cña nã. 1 - Theo BHИИ; 2 - Theo c«ng thøc hçn hîp; 3 - Theo sè liÖu cña §isnhªa; 4 - Theo sè liÖu cña Г.A £g«R«Va; 5 - Theo sè liÖu cña B.C. ИK«l«va. Phï hîp víi c«ng thøc (1.9, 1.10) th−êng dïng ®Ó tÝnh to¸n thiÕt bÞ sÊy, sù phô thuéc gi÷a nhiÖt dung riªng cña vËt liÖu v ®é Èm cã ®Æc tÝnh tuyÕn tÝnh. Qua thùc nghiÖm cho thÊy 14 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
®èi víi nhiÒu lo¹i vËt liÖu v s¶n phÈm, h m CM = f(W) kh«ng ph¶i l ®¬n ®iÖu v ®å thÞ cña nã th× cã nh÷ng ®iÓm gÉy khóc. Trªn h×nh 1.7 cho thÊy sù phô thuéc nhiÖt dung riªng cña h¹t lóa m¹ch v o ®é Èm cña nã. Sù phô thuéc n y nhËn ®−îc theo sè liÖu cña nhiÒu t¸c gi¶. Theo c«ng thøc (1.9) th× CK = 1548J/Kg0K = 0,37Kcal/Kg0C. b/ HÖ sè dÉn nhiÖt cña vËt liÖu Èm. TruyÒn nhiÖt trong vËt liÖu Èm kh¸c víi truyÒn nhiÖt trong vËt liÖu kh«. HÖ sè dÉn nhiÖt cña vËt liÖu Èm phô thuéc v o b¶n chÊt vËt kh«, ®é Èm cña nã, cÊu tróc c¸c hang xèp, ®−êng kÝnh c¸c mao qu¶n, ... HÖ sè dÉn nhiÖt λ (W/m.0K) l hÖ sè tØ lÖ trong ph−¬ng tr×nh Fua-riª. q = −λ ⋅∇θ ë ®©y: q - mËt ®é dßng nhiÖt trong vËt (W/m2) ∇θ - Gradien nhiÖt ®é 0K/m. NÕu hÖ sè dÉn nhiÖt cña vËt liÖu kh« λK v cña n−íc hoÆc h¬i n−íc trong c¸c hang xèp λn ® biÕt th× hÖ sè dÉn nhiÖt cña vËt liÖu Èm cã thÓ tÝnh: 1 − 1 − 2  ⋅ψ ⋅ V1 λ  λ1  λ = λK ⋅  1 + (ψ − 1) V2 Trong ®ã: λ1, V1; λ2, V2 t−¬ng øng l hÖ sè dÉn nhiÖt v thÓ tÝch cña vËt cøng v pha h¬i. ψ - hÖ sè h×nh d¸ng cña ph©n tö t¹o nªn vËt liÖu Èm. - Ph©n tö h×nh cÇu: 3λ1 ψ= 2λ1 + λ2 - Ph©n tö d¹ng h×nh trô: 5λ1 + λ2 ψ= 3 ( λ1 + λ2 ) - §èi víi h¹t d¹ng tÊm máng: λ + 2λ2 ψ= 1 3λ2 Thùc tÕ ®èi víi vËt liÖu Èm cô thÓ th× hÖ sè dÉn nhiÖt chñ yÕu phô thuéc v o ®é Èm v nhiÖt ®é. Trong kü thuËt, ®Ó tÝnh tíi ¶nh h−ëng n y ta dïng c¸c c«ng thøc thùc nghiÖm. §èi víi lóa m× v h¹t ngò cèc: λ = 0,070 + 0,0233.ωK (W/m0K) ë ®©y: ωK - §é Èm tuyÖt ®èi. 15 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
c/ HÖ sè dÉn nhiÖt ®é. Nh− ta ® biÕt, hÖ sè dÉn nhiÖt ®é a l ®Æc tÝnh quan träng cña vËt liÖu, x¸c ®Þnh qu¸n tÝnh nhiÖt cña nã. a c ng cao, c ng x¶y ra h©m nãng hoÆc l m l¹nh vËt liÖu c ng nhanh, nghÜa l hÖ sè a cÇn ph¶i tÝnh khi nghiªn cøu v tÝnh to¸n qu¸ tr×nh kh«ng æn ®Þnh - h©m nãng, l m l¹nh, sÊy, l m Èm, ... λ (1.11) a= C⋅ρ ë ®©y: λ - hÖ sè dÉn nhiÖt cña vËt liÖu C - nhiÖt dung riªng ρ - mËt ®é (hoÆc khèi l−îng thÓ tÝch). H×nh 1.8. Sù phô thuéc hÖ sè dÉn nhiÖt a v o h m l−îng Èm u I - ®èi víi c¸t; II - ®èi víi ®Êt sÐt; III - ®èi víi than bïn. TÝch C.ρ - l nhiÖt dung ®¬n vÞ cña thÓ tÝch vËt liÖu, nã ®Æc tr−ng cho kh¶ n¨ng tr÷ nhiÖt: C. ρ c ng lín, còng nh− gi¸ trÞ cña λ hÖ sè a sÏ c ng nhá, nghÜa l vËt liÖu cã kh¶ n¨ng tr÷ nhiÖt c ng lín sÏ bÞ h©m nãng v l m l¹nh chËm. Ph−¬ng tr×nh vi ph©n truyÒn nhiÖt bªn trong cã d¹ng: ∂θ = a ⋅ ∇ 2θ (1.12) ∂τ Trªn h×nh 1.8 theo sè liÖu cña A.B.L−kèp tr×nh b y ®−êng cong ®Æc tr−ng phô thuéc cña hÖ sè a v o h m l−îng Èm u ®èi víi c¸t, ®Êt sÐt v than bïn. C¸c ®−êng cong cã ®iÓm cùc trÞ. 1.2. T¸c nh©n sÊy Qu¸ tr×nh sÊy nhiÖt bao gåm chuyÓn Èm cã trong lßng vËt liÖu d−íi d¹ng h¬i v lo¹i bá h¬i Èm ®ã v o m«i tr−êng bªn ngo i. Qu¸ tr×nh ph©n tö Èm nhËn ®−îc nhiÖt l−îng tõ hçn hîp kh«ng khÝ Èm trén lÉn víi s¶n phÈm ch¸y cña nhiªn liÖu (t¸c nh©n sÊy) ®Ó dÞch chuyÓn tõ trong 16 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
vËt thÓ ra bÒ mÆt v tõ bÒ mÆt v o kh«ng gian t¸c nh©n sÊy bao quanh ®Ó th¶i v o m«i tr−êng. Nh− vËy kh«ng khÝ cïng mét lóc l m nhiÖm vô truyÒn nhiÖt v truyÒn Èm. ThiÕt bÞ sÊy gåm hai phÇn tö chÝnh: calorife 1 v buång sÊy 2. Trong calorife kh«ng khÝ ®−îc h©m nãng khi kh«ng thay ®æi h m l−îng Èm. Trong buång vËt liÖu nhËn nhiÖt, kh«ng khÝ bÞ nguéi ®i, ®ång thêi tiÕp nhËn Èm tho¸t ra tõ vËt liÖu Èm. Khi h m l−îng Èm cña kh«ng khÝ t¨ng lªn, kh¶ n¨ng sÊy sÏ gi¶m. Do ®ã t¸c nh©n sÊy cÇn ®−îc c¶i thiÖn, ®−a v o khÝ ® ®−îc h©m nãng míi, kh« h¬n. §Ó l m nhiÖm vô n y ta dïng qu¹t 3. Trong qu¸ tr×nh sÊy, tr¹ng th¸i cña t¸c nh©n sÊy liªn tôc thay ®æi. Kh«ng khÝ Èm l hçn hîp cña kh«ng khÝ kh« víi h¬i n−íc. GÇn ®óng cã thÓ coi kh«ng khÝ kh« nh− l khÝ thuÇn nhÊt víi khèi l−îng ph©n tö hiÖu dông µK ≈ 29. Kh«ng khÝ kh« l hçn hîp cña «xy v nit¬ v mét sè chÊt khÝ kh¸c nh− CO2, SO2 , ... c¸c khÝ n y cã th nh phÇn kh«ng ®¸ng kÓ cã thÓ bá qua. Th nh phÇn «xy v nit¬ trong kh«ng khÝ kh« t−¬ng øng b»ng 21% v 79% theo thÓ tÝch hoÆc 23,3% v 76,7% theo khèi l−îng. B¶ng 1.2. H»ng sè khÝ v khèi l−îng ph©n tö cña khÝ. KhÝ Ri (Kg.m/Kg0C) Ri (J/Kg0K) µK Ri (Kg.m/Kg0C) Ri (J/Kg0K) µK KhÝ CO2 19,30 190 44 CO 30,30 298 28 N2 30,30 298 28 KhÝ kh« 29,30 287 29 O2 26,50 260 32 H¬i n−íc 47,10 462 18 SO2 13,25 130 64 1.2.1. Th«ng sè c¬ b¶n cña kh«ng khÝ Èm. Phï hîp víi ®Þnh luËt §an-T«ng, ¸p suÊt cña hçn hîp khÝ, víi thÓ tÝch x¸c ®Þnh b»ng tæng ¸p suÊt h¬i cña tÊt c¶ c¸c th nh phÇn. B = p1 + p2 + p3 + ... + pn - ¸p suÊt chung cña hçn hîp khÝ. Trong ®ã: B p1, p2, ...pn - ¸p suÊt h¬i cña c¸c khÝ th nh phÇn. T−¬ng øng víi ¸p suÊt phong vò biÓu cña kh«ng khÝ Èm: B = pKK + ph ë ®©y: pKK - ¸p suÊt riªng phÇn cña kh«ng khÝ kh«. ph - ¸p suÊt riªng phÇn cña h¬i n−íc chøa trong kh«ng khÝ. B¶ng 1.3. Sù phô thuéc cña ¸p suÊt h¬i b o ho ph v nhiÖt ®é cña nã. PH, mmHg PH, mmHg PH, mmHg PH, mmHg PH, mmHg pH ,Pa pH ,Pa pH ,Pa pH ,Pa pH ,Pa t, 0C t, 0C t, 0C t, 0C t, 0C -20 0,722 96,5 32 35,66 4,86 58 136,1 18,2 84 416,8 55,7 -19 0,850 113,0 7 7,51 1,02 33 37,73 5,1 59 142,6 19,05 85 433,6 57,6 -18 0,935 124,0 8 8,05 1,07 34 39,90 5,33 60 149,4 19,92 86 450,9 60,2 -17 1,027 137,0 9 8,61 1,15 35 42,18 5,63 61 156,4 20,84 87 468,7 62,4 -16 1,128 151,0 10 9,21 1,23 36 44,56 5,95 62 163,8 21,81 88 487,1 65,0 -15 1,238 164,1 11 9,84 1,31 37 47,07 6,27 63 171,4 22,81 89 506,1 67,5 -14 1,357 181,0 12 10,52 1,40 38 49,69 6,63 64 179,3 23,86 90 525,8 71,0 -13 1,486 199,2 13 11,23 1,5 39 52,44 6,99 65 187,5 25,01 91 546,1 72,7 -12 1,627 218,3 14 11,99 1,59 40 55,32 7,36 66 196,1 26,2 92 567,0 75,7 -11 1,780 238,1 15 12,79 1,71 41 58,34 7,76 67 205,0 27,38 93 588,6 78,4 17 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
-10 1,946 260,0 16 13,63 1,82 42 61,50 8,2 68 214,2 28,31 94 610,9 82,5 -9 2,125 285,1 17 14,53 1,94 43 64,80 8,64 69 223,7 29,8 95 633,9 84,5 -8 2,321 311,2 18 15,48 2,06 44 68,26 9,1 70 233,7 31,1 96 657,6 87,7 -7 2,532 338,0 19 16,48 2,19 45 71,88 9,57 71 243,9 32,45 97 682,1 91,0 -6 2,761 369,0 20 17,54 2,34 46 75,65 10,1 72 254,6 34,1 98 707,3 94,3 -5 3,008 400,0 21 18,65 2,49 47 79,60 10,62 73 265,7 35,45 99 733,2 97,7 -4 3,276 437,0 22 19,33 2,64 48 83,71 11,15 74 277,2 37,0 100 760,0 101,3 -3 3,566 476,2 23 21,07 2,82 49 88,02 11,75 75 289,1 38,45 -2 3,879 509,0 24 22,38 2,98 50 92,51 12,35 76 301,4 40,17 -1 4,216 560,0 25 23,76 3,17 51 97,20 12,99 77 314,1 41,9 0 4,579 612,0 26 25,21 3,36 52 102,1 13,61 78 327,3 43,6 1 4,93 660,2 27 26,74 3,56 53 107,2 14,4 79 341,0 45,5 2 5,29 706,2 28 28,35 3,78 54 112,5 15,01 80 355,1 47,4 3 5,69 760,2 29 30,04 4,00 55 118,0 15,75 81 369,7 49,4 4 6,10 813,4 30 31,82 4,24 56 123,8 16,38 82 384,9 51,49 5 6,54 875,4 31 33,70 4,46 57 129,8 17,3 83 400,6 53,4 6 7,01 936,5 B¶ng trªn cho ta ¸p suÊt h¬i b o ho phô thuéc v o nhiÖt ®é. Theo ®Þnh luËt §an-T«n thÊy r»ng ¸p suÊt riªng phÇn cña h¬i trong kh«ng khÝ Èm ph nhá h¬n ¸p suÊt chung cña hçn hîp B. Tuy nhiªn v× nhiÖt ®é h¬i b»ng nhiÖt ®é hçn hîp, râ r ng h¬i ë trong kh«ng khÝ Èm kh«ng b o ho , cã nhiÖt ®é v−ît qu¸ nhiÖt ®é s«i cña n−íc trong khi ¸p suÊt riªng phÇn cña nã ® cho, nghÜa l nã ë tr¹ng th¸i qu¸ møc. ¸p suÊt phong vò biÓu v ¸p suÊt riªng phÇn cña h¬i l nh÷ng th«ng sè ®Æc tr−ng tr¹ng th¸i kh«ng khÝ Èm. Ngo i nh÷ng th«ng sè n y, tr¹ng th¸i cña kh«ng khÝ Èm ®−îc ®Æc tr−ng bëi h ng lo¹t c¸c th«ng sè kh¸c: ®é Èm tuyÖt ®èi, ®é Èm t−¬ng ®èi, h m l−îng Èm, mËt ®é, thÓ tÝch riªng, nhiÖt ®é v entanpi. Khi biÕt ba th«ng sè cña kh«ng khÝ Èm, cã thÓ t×m ®−îc c¸c gi¸ trÞ th«ng sè cßn l¹i cña nã khi sö dông c¸c quan hÖ sau: - §é Èm tuyÖt ®èi cña kh«ng khÝ ρa l khèi l−îng cña h¬i n−íc chøa trong 1m3 kh«ng khÝ Èm (g/m3), ®ång thêi ρa còng l mËt ®é cña h¬i n−íc chøa trong hçn hîp. - §é Èm t−¬ng ®èi cña kh«ng khÝ l tû sè gi÷a ®é Èm tuyÖt ®èi víi khèi l−îng h¬i n−íc cùc ®¹i cã thÓ (ρmax) chøa trong 1m3 kh«ng khÝ Èm cã cïng mét ®iÒu kiÖn (nhiÖt ®é v ¸p suÊt). ρa ρ hoÆc ϕ = a ⋅100% ϕ= ρ max ρ max §é Èm t−¬ng ®èi l th«ng sè quan träng cña kh«ng khÝ Èm. §é lín cña nã ®Æc tr−ng cho kh¶ n¨ng kh«ng khÝ ®−îc b o ho bëi Èm. Gi¸ trÞ ϕ c ng nhá trong ®iÒu kiÖn ®¬n gi¶n b»ng nhau, kh¶ n¨ng sÊy cña kh«ng khÝ c ng lín. §Æc tÝnh phô thuéc cña ϕ v o nhiÖt ®é, kh¸c nhau: • NÕu nhiÖt ®é cña kh«ng khÝ Èm t, thÊp h¬n nhiÖt ®é s«i cña n−íc tK ë ¸p suÊt phong vò biÓu ® cho, nghÜa l khi t < t K ( khi B = 760mmHg, t K = 1 00 0 C, khi B = 745mmHg, t K = 9 9,4 0 C), ρ max l mËt ®é h¬i b o ho ρ h ë n hiÖt ®é ® cho, nghÜa l ρ ma x = ρ a k hi ®ã: ρa ϕ= ρh 18 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
Gi¸ trÞ cña ρa tr×nh b y trong b¶ng h¬i n−íc. §èi víi tÝnh to¸n kü thuËt cã thÓ dïng c«ng thøc thùc nghiÖm cña Г.K.Phil«nhenc«: 6,9t (1.13) lg ρ h = 0, 686 + 230 + t ë ®©y: ρa tÝnh b»ng (g/m3). TÝnh gÇn ®óng cã thÓ dïng ph−¬ng tr×nh ®Æc tÝnh cña khÝ lý t−ëng, ®èi víi h¬i n−íc cã thÓ viÕt: RT RT (1.14) pa = ρ a ⋅ ; ph = ρ h ⋅ µa µh ë ®©y: µa - ph©n tö l−îng cña h¬i n−íc, µa = 18. pa - ¸p suÊt h¬i b o ho ë nhiÖt ®é ® cho (B¶ng 1.5) R - h»ng sè cña chÊt khÝ, R = 8314,3J/Kmol.0K. Gi¸ trÞ b»ng sè cña ®é lín R b»ng c«ng d n 1Kg - ph©n tö (Kmol) khÝ ë ¸p suÊt kh«ng ®æi v nhiÖt ®é t¨ng lªn 1 ®é. Tõ ph−¬ng tr×nh (1.14) cã: ρ p (1.15) ϕ= a = a ρ h ph §é lín ph phô thuéc v o nhiÖt ®é t, n©ng cao nhiÖt ®é, ¸p suÊt h¬i b o ho t¨ng (B¶ng1.5), chÝnh v× thÕ khi h m l−îng Èm kh«ng ®æi cña khÝ t−¬ng øng víi gi¶m gi¸ trÞ cña ϕ. Khi h©m nãng kh«ng khÝ trong calorife kh¶ n¨ng sÊy cña nã t¨ng lªn, ng−îc l¹i khi l m l¹nh kh«ng khÝ ph sÏ gi¶m xuèng; ®é Èm t−¬ng ®èi khi h m l−îng Èm kh«ng ®æi sÏ n©ng cao, ®¹t ®−îc ph = pa (100%). Kh«ng khÝ trë th nh b o ho v b¾t ®Çu cã ng−ng tô h¬i n−íc. Trong kho¶ng nhiÖt ®é t = 00C ÷ 1000C, ph (mmHg) cã thÓ tÝnh theo c«ng thøc thùc nghiÖm cña Phil«nhenc«: 7, 5t (1.16) lg ph = 0, 622 + 238 + t • NÕu nhiÖt ®é cña kh«ng khÝ Èm cao h¬n tK ë ¸p suÊt ® cho th× b o ho ho n to n cã thÓ chØ khi kh«ng khÝ kh« kh«ng tuyÖt ®èi v ¸p suÊt h¬i b o ho b»ng ¸p suÊt phong vò biÓu ph = B, ta cã: p ϕ= a B 1.2.2. L−îng chøa Èm. L−îng chøa Èm (h m l−îng Èm), l khèi l−îng h¬i n−íc chøa trong 1kg kh«ng khÝ kh«. Th«ng sè n y ®−îc dïng phæ biÕn ®Ó tÝnh thiÕt bÞ sÊy. G d = a Kg Èm/Kg kk. GK 19 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------
Ga hoÆc g Èm/Kg kk. d = 1000 ⋅ GK Sö dông ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i ®èi víi h¬i n−íc v kh«ng khÝ kh« ta cã: R ⋅T pa ⋅V = Ga ⋅ a µa (1.17) RK ⋅ T pK ⋅V = GK ⋅ µK ë ®©y: Ra = 462J/Kg.0K, RK = 287J/Kg.0K. Thay ¸p suÊt cña hçn hîp kh«ng khÝ kh« v h¬i n−íc p b»ng ký hiÖu ¸p suÊt khÝ trêi (¸p suÊt phong vò biÓu) B ta cã: pa pa (g Èm/Kg kk) hoÆc d = 0, 622 ⋅ (Kg Èm/Kg kk). d = 622 ⋅ B − pa B − pa Nh− vËy, biÕt gi¸ trÞ ¸p suÊt riªng phÇn trong kh«ng khÝ, cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc l−îng chøa Èm cña nã, ng−îc l¹i theo l−îng chøa Èm cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc ¸p suÊt riªng phÇn cña h¬i. 1.2.3. MËt ®é kh«ng khÝ Èm (hçn hîp kh«ng khÝ kh« v h¬i n−íc) ρ hh = ρ K + ρ a ë ®©y: ρa, ρK l mËt ®é h¬i n−íc v kh«ng khÝ kh«. Trong ®iÒu kiÖn b×nh th−êng (¸p suÊt pK = B), t = 2730K) ρK = 1,293Kg/m3. Sö dông ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña khÝ, cã thÓ viÕt: pK B = ρ K ⋅ T 1, 293 ⋅ 273 1, 293 ⋅ 273 Suy ra: ρK = ( 273 + t ) B pa BiÕt pK = B − pa v d = 622 ⋅ B − pa 1, 293 ⋅ 273 B − pa  pa  Ta cã: ρ hh = ⋅ 1 + 0, 622 ⋅  273 + t B − pa  B 1, 293 ⋅ 273  B − pa pa  ρ hh = + 0, 622 ⋅   273 + t  B B − pa  HoÆc (1.18) 1, 293 ⋅ 273  pa  3 = 1 − 0,378 ⋅ B  ( Kg / m ) 273 + t   C«ng thøc trªn cho thÊy, mËt ®é kh«ng khÝ Èm phô thuéc v o hai th«ng sè thay ®æi trong qu¸ tr×nh sÊy: nhiÖt ®é v ¸p suÊt riªng phÇn cña h¬i n−íc pa. Khi t¨ng pa trong qu¸ tr×nh 20 Trư ng ñ i h c Nông nghi p 1 – Giáo trình K thu t s ynông s n -------- -----------------------------------------