Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- -----------------------------------------
84
Ch−¬ng 4
ThiÕt bÞ sÊy bøc x¹
4.1.Kh¸i niÖm
SÊy bøc x¹ lµ ph−¬ng ph¸p sÊy dïng tia bøc x¹ chiÕu vµo ®èi t−îng cÇn lµm kh«.
Nguån nhiÖt bøc x¹ th−êng dïng ®Ìn hång ngo¹i, ®iÖn trë, chÊt láng hay khÝ, tÊm ®−îc ®èt
nãng tíi nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh, ®Ó vËt nãng ph¸t ra bøc x¹ hång ngo¹i. Tia hång ngo¹i chiÕu vµo
vËt liÖu sÊy(gåm n−íc vµ hîp chÊt h÷u c¬). N−íc trë thµnh vËt ®en, hÊp phô ®a sè n¨ng l−îng;
hîp chÊt h÷u c¬ trë thµnh vËt trong suèt, tia xuyªn qua kh«ng sinh nhiÖt. HiÖn t−îng nµy chØ
x¶y ra ë giai ®o¹n sãng cã b−íc nhÊt ®Þnh( b−íc sãng
λ
= 0,4
÷
40
µ
m).
−
u ®iÓm næi bËt cña
thiÕt bÞ sÊy bøc x¹ lµ c−êng ®é bay h¬i Èm lín h¬n vµi lÇn so víi ph−¬ng ph¸p sÊy ®èi l−u vµ
tiÕp xóc. Së dÜ vËy lµ v× nguån nhiÖt cã thÓ chän rÊt cao(500
÷
600
o
C), dßng nhiÖt tíi vËt sÊy cã
thÓ tíi 22500 Kcal/m
2
h( gÊp 30 lÇn)
4.2.Nguyªn t¾c cÊu t¹o
4.2.1 ThiÕt bÞ gia nhiÖt b»ng ®iÖn:
ThiÕt bÞ lo¹i nµy cã thÓ dïng ®Ìn hång ngo¹i, hoÆc d©y
®iÖn trë lång trong èng gèm hoÆc tÊm ®iÖn trë lµm b»ng bøc x¹ nhiÖt.
a/ ThiÕt bÞ dïng ®Ìn hång ngo¹i.
§Ìn hång ngo¹i ®−îc s¶n xuÊt víi c¸c c«ng suÊt kh¸c nhau: 125, 250, 500W vµ lín
h¬n. Trªn 1m
2
cã thÓ bè trÝ nhiÒu bãng. Thuû tinh lµm ®Ìn hång ngo¹i ph¶i cho c¸c tia hång
ngo¹i xuyªn qua dÔ dµng.Dïng ®Ìn hång ngo¹i cã −u ®iÓm lµ qu¸n tÝnh nhiÖt kh«ng ®¸ng kÓ,
®iÒu khiÓn dÔ dµng. Nh−îc ®iÓm lµ toµn bé sãng hång ngo¹i ph¸t ra cã b−íc sãng kh¸ réng tõ
0,76
÷
400
µ
m, khi dïng sÊy n«ng s¶n ®Ó t¸ch n−íc l¹i cÇn b−íc sãng thÊp tõ 0,4
÷
40
µ
m (trïng
mét phÇn víi ¸nh s¸ng tr¾ng), do ®ã tiªu hao n¨ng l−îng cao, hiÖu suÊt thiÕt bÞ thÊp. Bè trÝ ®Ìn
cÇn l−u ý chã dßng nhiÖt bøc x¹ ph©n bè ®Òu trªn s¶n phÈm. Kho¶ng c¸ch nµy lín h¬n 300mm.
H×nh 4.1. C¸c kiÓu ®Ìn hång ngo¹i dïng ®Ó sÊy hiÖn ®−îc sö dông ë Ph¸p
Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- -----------------------------------------
85
B¶ng 4.1. C¸c kiÓu ®Ìn hång ngo¹i cña Ph¸p
KÝch th−íc(mm) D¹ng Watt V«n
§−êng kÝnh ChiÒu dµi
CÇu- parab«n 250 115 , 125 125 195
CÇu- parab«n 375 HoÆc 220 125 195
CÇu 250 120 225
CÇu 375 120 225
Trô 100 46 310
H×nh4.2. ThiÕt bÞ sÊy bøc x¹ dïng thanh ®iÖn trë.
1- Thanh ®iÖn trë 2- Gi¸ treo vËt liÖu
3- C¸ch nhiÖt 4- Khung m¸y
Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- -----------------------------------------
86
H×nh 4.3. ThiÕt bÞ sÊy b»ng ®Ìn hång ngo¹i 250W ®Ó sÊy «xÝt kim lo¹i.
b/ ThiÕt bÞ sÊy b»ng ®iÖn trë (h×nh 4.2).
n
guån nhiÖt lµ d©y ®iÖn trë ®Æt trong èng kim lo¹i, thanh ®iÖn trë hay ®iÖn trë tÊm.
C«ng suÊt riªng trªn ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt kh¸ lín. VÝ dô tÊm bøc x¹ nhiÖt ®iÖn trë do nhµ
m¸y Uliani«p s¶n xuÊt cã nhiÖt ®é bÒ mÆt nung 460
o
C, c«ng suÊt riªng 20-30KW/m
2
.
4.2.2. ThiÕt bÞ sÊy bøc x¹ gia nhiÖt b»ng h¬i ®èt.
Ph−¬ng ph¸p nµy rÎ tiÒn h¬n sö dông ®iÖn nh−ng g©y « nhiÔm m«i tr−êng. BÒ mÆt bøc
x¹ lµ c¸c tÊm g¹ch chÞu löa, ®èt nãng b»ng khÝ ga. ThiÕt bÞ nµy dïng ®Ó sÊy giÊy (ng−êi ta cã
thÓ dïng m¸y sÊy l«).
4.3. Lý thuyÕt tÝnh to¸n
4.3.1 §Æc tÝnh tèi −u cña vËt liÖu khi sÊy b»ng bøc x¹ hång ngo¹i .
NhiÒu t¸c gi¶ ®7 nghiªn cøu ®Æc tÝnh phæ cña c¸c vËt liÖu kh¸c nhau khi gia c«ng b»ng
bøc x¹( qu¶, rau, chÌ l¸, b¸nh kÑo, giÊy, v¶i...) ®7 ®−a tíi nhËn xÐt r»ng: ®Æc tÝnh phæ cña tia
hång ngo¹i cã b−íc sãng 0,4
÷
15
µ
m lµ kho¶ng tèt nhÊt ®Ó gia c«ng vËt liÖu b»ng bøc x¹.
Thùc nghiÖm cho thÊy tÝnh chÊt phæ tèi −u cña c¸c vËt liÖu kh¸c nhau, cã tÝnh riªng
biÖt. Do ®ã ®èi víi c¸c vËt liÖu kh¸c nhau vµ qu¸ tr×nh c«ng nghÖ kh¸c nhau cÇn thiÕt ph¶i cã
nguån víi tÝnh chÊt kh¸c nhau. VÝ dô rau, qu¶, lóa m× vïng phæ cã chiÒu dµi sãng 1,2
÷
2,4
µ
m.
Sù phô thuéc cña ®−êng ®Æc tÝnh vµo hµm l−îng Èm rÊt phøc t¹p, ¶nh h−ëng cña nhiÒu
yÕu tè: tÝnh chÊt chÊt kh«, d¹ng liªn kÕt cña Èm trong vËt liÖu, cÊu tróc cña vËt liÖu, tr¹ng th¸i
bÒ mÆt cña nã....vv
Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- -----------------------------------------
87
4.3.2. C¸c tÝnh to¸n c¬ b¶n.
N¨ng l−îng cña tia hång ngo¹i ®i s©u vµo trong vËt liÖu, lan truyÒn trong thÓ tÝch cña
nã, ¶nh h−ëng tíi ®Æc ®iÓm cña tr−êng nhiÖt ®é bªn trong vËt liÖu, thùc hiÖn viÖc trao ®æi
nhiÖt. Ta cã ph−¬ng tr×nh dÉn nhiÖt ®èi víi bµi to¸n mét kÝch th−íc, ®−a vµo thµnh phÇn bæ
xung n¨ng l−îng.
( )
TxQ
c
x
T
a
T
v
,
1
2
2
ρτ
⋅
+
∂
∂
⋅=
∂
∂ (4.1)
ë
®©y: Q
v
(x,T) lµ n¨ng l−îng cña tia lan to¶ trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch cña vËt liÖu
trong mÆt ph¼ng x(W/m
3
), ®¹i l−îng cã d¹ng
Q
v
(x,T) =
( )
2
1
, ,
q x T d
λ
λ
λ λ
∫
v
(4.2)
ë
®©y q
v
(x,
λ
,T) n¨ng l−îng tia ®¬n s¾c xuyªn s©u vµo vËt liÖu vµ lan to¶ trong ®¬n vÞ
thêi gian, ®¬n vÞ thÓ tÝch víi to¹ ®é x, tÝnh cho 1 ®¬n vÞ kho¶ng chiÒu dµi sãng.
Gi¶ sö biÕt qui luËt lan truyÒn cã d¹ng
q
A
(x,
λ
,T) = A(x,
λ
,T).q
n
(
λ
) (4.3)
ë
®©y : q
A
(x,
λ
,T) - phÇn hÊp thô cña mËt ®é dßng bøc x¹ ®¬n s¾c.
A(x,
λ
,T) - kh¶ n¨ng hÊp thô phæ cña vËt liÖu, lµ hµm cña chiÒu dµy líp trong mÆt
ph¼ng x; T- nhiÖt ®é vËt liÖu,
λ
- chiÒu dµi sãng.
q
n
(
λ
) – mËt ®é phæ cña dßng trªn mÆt vËt liÖu, tÝnh cho 1 ®¬n vÞ chiÒu dµi sãng cña
phæ (W/m
2
.
µ
m).
Khi ®é lín q
v
(x,
λ
,T) b»ng ®¹o hµm bËc nhÊt cña q
A
(x,
λ
,T)
q
v
(x,
λ
,T) =
( )
( )
(
)
, ,
, ,
A x T
n
q
A x T
q
x x
λ
λ
λ
∂
∂
=
∂ ∂
(4.4)
Thay (4.4) vµo (4.3) ta cã
Q
v
=
)
2
1
, ,
n
A x T
q d
x
λ
λ
λ
λ
∂
∂
∫
Khi ®ã ph−¬ng tr×nh dÉn nhiÖt ®èi víi bµi to¸n 1 kÝch th−íc, cã thµnh phÇn bæ xung sÏ lµ
( ) ( )
22, ,
1
21
A x T
T T
a q d
n
c x
x
λλ
λ λ
τ ρ λ
∂
∂ ∂
= ⋅ +
∫
∂ ∂
∂
(4.5)
§é lín A(x,
λ
,T) x¸c ®Þnh theo c«ng thøc cña C.T iliac«va( khi t¸c ®éng vÒ mét phÝa)
A(x,
λ
,T) = 1 -
( )
( )
( )
2
1
,1
1 exp , exp ,
1
2
1
q T
x
x x
q o
x
ηψ
λλσ σ λ
η
ψλ
λ
−
= − − +
=−
(4.6)
Trong ®ã:
a s
s
λ λ λ
λ
λ
σ
η
+ +
=
Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- -----------------------------------------
88
(
)
( )
l
saa
⋅−=
+=
λλλ
λλλλ
σηψ
σ
exp
2
hÖ sè hiÖu dông t×nh tr¹ng suy yÕu
Trong ®ã : a
λ
- hÖ sè hÊp phô
S
λ
- hÖ sè ph©n t¸n
l - chiÒu dµy cña tÊm
K
λ
= a
λ
+ S
λ
- hÖ sè tæng qu¸t t×nh tr¹ng suy yÕu
Giíi h¹n
λ
phô thuéc vµo h×nh d¹ng cô thÓ phæ cña tia. Theo Pha- bri(Anh)
λ
1
=0,5
λ
max
;
λ
2
= 4,3
λ
max
. C¸c nhµ khoa häc khuyªn nªn tÝnh ®èi víi giíi h¹n 0,4
λ
max
<
λ
<4,0
λ
max
§−êng cong cña
λ
max
cã d¹ng (
λ
max
= f(T))
λ
max
= 0,666 + 0,509exp
[
(2100 – T).9,64.10
-4
]
(
µ
m) (4.7)
Trong giíi h¹n: 1200K
≤
T
≤
3200K
Trong thiÕt kÕ, ®−a tíi hai bµi to¸n:
- Khi biÕt mËt ®é bÒ mÆt dßng bøc x¹(W/m
2
), chän nguån ph¸t( phï hîp víi yªu cÇu
chÕ ®é c«ng nghÖ gia c«ng tèi −u cña s¶n phÈm), ta x¸c ®Þnh thêi gian cña qu¸ tr×nh.
- Khi biÕt thêi gian cña qu¸ tr×nh, x¸c ®Þnh nhu cÇu n¨ng l−îng. C¬ së cña ph−¬ng ph¸p
lµ x©y dùng ph−¬ng tr×nh c©n b»ng n¨ng l−îng cña thiÕt bÞ. §Æc ®iÓm cña thiÕt bÞ lµ vËt liÖu
chÞu t¸c ®éng trùc tiÕp cña bøc x¹ trong buång, ta cã ph−¬ng tr×nh
dQ
bx
= dQ
v
±
dQ
mt
(4.8)
ë
®©y: dQ
bx
– n¨ng l−îng bøc x¹ chiÕu vµo vËt liÖu (J)
dQ
v
– n¨ng l−îng hÊp thô trong thÓ tÝch vËt liÖu
dQ
mt
– n¨ng l−îng trao ®æi gi÷a bÒ mÆt vËt liÖu vµ m«i tr−êng( dÊu phô thuéc vµo nhiÖt
®é t−¬ng ®èi cña bÒ mÆt vËt liÖu t
b.m
)
TÝnh tõng thµnh phÇn cña ph−¬ng tr×nh: dQ
bx
= q
n
(T
t
,S,h
o
)F
bx
.
vl
A(T,
τ
)d
τ
(4.9)
Trong ®ã: q
n
(T
t
,S,h
o
) - mËt ®é dßng tia phô thuéc nhiÖt ®é T
t
, b−íc(kho¶ng c¸ch
gi÷a bé ph¸t tia) S vµ kho¶ng c¸ch gi÷a bé ph¸t tia vµ ®èi t−îng h
o
(W/m
2
)
F
bx
– diÖn tÝch tiÕp nhËn bøc x¹ cña vËt liÖu(m
2
)
vl
A(T,
τ
) - kh¶ n¨ng hÊp thô cña bÒ mÆt vËt liÖu, trung b×nh theo phæ
bé phËn bøc x¹ (khi nhiÖt ®é T), tr−êng hîp chung lµ hµm thêi gian
τ
mËt ®é dïng bøc x¹ x¸c
®Þnh theo sè liÖu thùc nghiÖm hoÆc theo gi¶i tÝch.
Khi T= const vµ q
n
=const,
vl
A thay ®æi nhiÒu theo thêi gian; th× tÝnh to¸n cÇn tiÕn
hµnh theo thêi gian vµ trung b×nh
vl
A theo thêi gian tiÕn hµnh trong vïng giíi h¹n. NÕu m¸y
ph¸t tia cung cÊp bé phËn ph¶n x¹ dïng ph©n bè trong kh«ng gian dßng tia vµ kh¶ n¨ng sö
dông hîp lý nã, th×:
dQ
bx
=
[
q
n
(T
t
,S,h
o
)
vl
A + q
p
(T
t
,S,h
p
)
vl
A’
]
F
bx
d
τ
(4.10)
ë
®©y: q
p
– mËt ®é dßng ph¶n x¹
h
p
– kho¶ng c¸ch gi÷a bé phËn ph¶n x¹ vµ ®èi t−îng
vl
A’ – kh¶ n¨ng hÊp thô cña vËt liÖu, trung b×nh theo phæ cña n¨ng l−îng tia,
ph¶n x¹ tõ bé phËn ph¶n x¹.