Giáo trình kỹ thuật sấy nông sản

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÷40µm). −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 ÷600oC), dßng nhiÖt tíi vËt sÊy cã thÓ tíi 22500 Kcal/m2h( 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.

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 -------- ----------------------------------------- 84

§Ìn hång ngo¹i ®−îc s¶n xuÊt víi c¸c c«ng suÊt kh¸c nhau: 125, 250, 500W vµ lín h¬n. Trªn 1m2 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 ÷400µm, khi dïng sÊy n«ng s¶n ®Ó t¸ch n−íc l¹i cÇn b−íc sãng thÊp tõ 0,4 ÷40µm (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.

B¶ng 4.1. C¸c kiÓu ®Ìn hång ngo¹i cña Ph¸p

D¹ng Watt V«n KÝch th−íc(mm)

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 -------- ----------------------------------------- 85

CÇu- parab«n CÇu- parab«n CÇu CÇu Trô 250 375 250 375 100 115 , 125 HoÆc 220 §−êng kÝnh 125 125 120 120 46 ChiÒu dµi 195 195 225 225 310

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).

nguån 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 460oC, c«ng suÊt riªng 20-30KW/m2. 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 ÷15µm 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÷2,4µm. 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 -------- ----------------------------------------- 86

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.

a ⋅=

)TxQ ( ,

T ∂ ∂ τ

1 ⋅ ρ

T ∂ 2 x ∂

ë ®©y: Qv(x,T) lµ n¨ng l−îng cña tia lan to¶ trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch cña vËt liÖu

(4.1)

2 λ

, λ

trong mÆt ph¼ng x(W/m3), ®¹i l−îng cã d¹ng

) T d

∫ v ( q x

1 λ

ë ®©y qv(x,λ,T) n¨ng l−îng tia ®¬n s¾c xuyªn s©u vµo vËt liÖu vµ lan to¶ trong ®¬n vÞ

(4.2) Qv(x,T) =

Gi¶ sö biÕt qui luËt lan truyÒn cã d¹ng

A(x, λ,T) - kh¶ n¨ng hÊp thô phæ cña vËt liÖu, lµ hµm cña chiÒu dµy líp trong mÆt

q ∂

)

( A x ∂

)

qn(λ) – mËt ®é phæ cña dßng trªn mÆt vËt liÖu, tÝnh cho 1 ®¬n vÞ chiÒu dµi sãng cña

( ) λ

q n

( T A x , , λ x ∂

(4.4) qv(x, λ,T) = thêi gian, ®¬n vÞ thÓ tÝch víi to¹ ®é x, tÝnh cho 1 ®¬n vÞ kho¶ng chiÒu dµi sãng. qA(x, λ,T) = A(x, λ,T).qn(λ) (4.3) ë ®©y : qA(x, λ,T) - phÇn hÊp thô cña mËt ®é dßng bøc x¹ ®¬n s¾c. ph¼ng x; T- nhiÖt ®é vËt liÖu, λ- chiÒu dµi sãng. phæ (W/m2. µm). Khi ®é lín qv (x, λ,T) b»ng ®¹o hµm bËc nhÊt cña qA(x, λ,T) , , λ x ∂

2 λ

( A x ∂

)

Thay (4.4) vµo (4.3) ta cã

q n

∫

, , λ x ∂

1 λ

∂

( A x ∂

)

λ Qv =

d λ

a = ⋅

( ) λ

q n

2 T 2

, , λ x ∂

T ∂ ∂ τ

x ∂

(4.5) Khi ®ã ph−¬ng tr×nh dÉn nhiÖt ®èi víi bµi to¸n 1 kÝch th−íc, cã thµnh phÇn bæ xung sÏ lµ 2 λ 1 ∫ c ρλ 1

§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)

)

1 − q T x x (4.6) exp exp 1 = − + A(x, λ,T) = 1 -

(

)

( σ

)

( , λ x

, − σ 1 , λ x q o = 2 ψ 1 η 1 λ         η λ 2 − ψ λ

Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 87

+ + a λ σ λ Trong ®ã: = η λ s λ s λ

σ λ

( aa λλ ( exp −

) )l

ηψ = λ λ

σ λ

= + hÖ sè hiÖu dông t×nh tr¹ng suy yÕu s λ ⋅

- Khi biÕt mËt ®é bÒ mÆt dßng bøc x¹(W/m2), chän nguån ph¸t( phï hîp víi yªu cÇu

vlA (T,τ)dτ (4.9)

dQbx = dQv ± dQmt (4.8)

Trong ®ã: qn(Tt,S,ho) - mËt ®é dßng tia phô thuéc nhiÖt ®é Tt, b−íc(kho¶ng c¸ch

vlA thay ®æi nhiÒu theo thêi gian; th× tÝnh to¸n cÇn tiÕn vlA theo thêi gian tiÕn hµnh trong vïng giíi h¹n. NÕu m¸y hµnh theo thêi gian vµ trung b×nh 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×:

Trong ®ã : aλ - hÖ sè hÊp phô Sλ - hÖ sè ph©n t¸n l - chiÒu dµy cña tÊm Kλ = aλ + Sλ - 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) λ1 =0,5λmax; λ2 = 4,3λmax . C¸c nhµ khoa häc khuyªn nªn tÝnh ®èi víi giíi h¹n 0,4λmax < λ <4,0 λmax §−êng cong cña λmax cã d¹ng (λmax = f(T)) λmax = 0,666 + 0,509exp[(2100 – T).9,64.10-4] (µm) (4.7) Trong giíi h¹n: 1200K ≤ T ≤ 3200K Trong thiÕt kÕ, ®−a tíi hai bµi to¸n: 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 ë ®©y: dQbx – n¨ng l−îng bøc x¹ chiÕu vµo vËt liÖu (J) dQv – n¨ng l−îng hÊp thô trong thÓ tÝch vËt liÖu dQmt – 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 tb.m) TÝnh tõng thµnh phÇn cña ph−¬ng tr×nh: dQbx = qn(Tt,S,ho)Fbx. gi÷a bé ph¸t tia) S vµ kho¶ng c¸ch gi÷a bé ph¸t tia vµ ®èi t−îng ho(W/m2) Fbx – diÖn tÝch tiÕp nhËn bøc x¹ cña vËt liÖu(m2) vlA (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 qn =const,

vlA ’]Fbxdτ (4.10)

vlA + qp(Tt,S,hp)

ë ®©y: qp – mËt ®é dßng ph¶n x¹

dQbx =[qn(Tt,S,ho)

hp – kho¶ng c¸ch gi÷a bé phËn ph¶n x¹ vµ ®èi t−îng vlA ’ – kh¶ n¨ng hÊp thô cña vËt liÖu, trung b×nh theo phæ cña n¨ng l−îng tia,

Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 88

ph¶n x¹ tõ bé phËn ph¶n x¹.

§Ó tÝnh sù ph¶n x¹ lÆp l¹i gi÷a bøc x¹ vµ ph¶n x¹ cña ®èi t−îng, còng nh− tÝnh ®èi víi m«i tr−êng hÊp phô cña buång lµm viÖc, ®é lín dQbx t¨ng thªm 5 – 10%. kÝ hiÖu

vlA + qp(Tt,S,ho)

qn(Tt,,S,ho).

dQv = dQvl +dQ bh ( 4.13)

dQvl = GvlCvl.dtvl (4.14)

Cvl – nhiÖt dung riªng cña nã( tr−êng hîp chung lµ hµm cña ®é Èm)(J/KgoK). dtvl – Sù thay ®æi nhiÖt ®é cña vËt liÖu (0C)

ë ®©y: qtb – mËt ®é trung b×nh dßng Èm(Kg/m2s)

vlA ’ = qbx (4.11) Khi ®ã: dQbx = qbx.Fbx.dτ (4.12) N¨ng l−îng vËt liÖu hÊp thô chi phÝ ®Ó ®èt nãng vµ bèc h¬i Èm N¨ng l−¬ng(nhiÖt) chi phÝ ®èt nãng vËt liÖu Trong ®ã: Gvl – khèi l−îng vËt liÖu ®−îc chiÕu x¹(Kg/s) N¨ng l−îng (nhiÖt) chi phÝ ®Ó bèc h¬i Èm: dQbh = qtb.r.Fdτ (4.15) bÒ mÆt vËt liÖu) (m2) N¨ng l−îng( nhiÖt) cña vËt liÖu nãng ®−a vµo m«i tr−êng.

r - nhiÖt Èm ho¸ h¬i (coi b»ng h»ng sè) (J/Kg) F - diÖn tÝch hoµn toµn cña bÒ mÆt vËt liÖu( gi¶ thiÕt, bèc h¬i x¶y ra trªn tÊt c¶

(4.16)

τdF ⋅

4  − 

dQmt = α®l(tvl – tkk)F.dτ + 4,9εqd T vl 100 T bt 100                 

2)(Tvl +Tbt)

2 +Tbt

Trong ®ã: α®l – hÖ sè trao ®æi nhiÖt ®èi l−u(W/m2 oK) tvl – nhiÖt ®é trung b×nh bÒ mÆt vËt liÖu trong kho¶ng thêi gian dτ tkk – nhiÖt ®é kh«ng khÝ Tbt – nhiÖt ®é bÒ mÆt gi÷ bªn trong (oK) εqd - ®é ®en qui dÉn cña vËt liÖu 4,8εqd = Cqd Cqd – hÖ sè qui dÉn cña bøc x¹

C«ng thøc (4.16) cã thÓ tr×nh bµy d−íi d¹ng: dQmt = α®l(tvl –tkk)Fdτ +αbx(tvl –tkk)Fdτ = (αbx + α®l)(tvl –tkk)Fdτ = αc(tvl –tkk)Fdτ (4.17) ë ®©y: αc = α®l +αbx =α®l +Cqd.10-8(Tvl Theo Π.D. Lªbª®ep khuyªn nªn lÊy αc ≈18,6 ÷23,2(W/m2 oK)

vµ m= Kf = Khi x¸c ®Þnh c¸c thµnh phÇn cña ph−¬ng tr×nh (4.8) ®ã lµ ph−¬ng tr×nh d¹ng khai triÓn qbxFbxdτ = GvlCvldtvl + qtb.r.Fdτ + αc(tvl – tkk)Fdτ (4.18) NÕu Gvl = Vvl.ρvl vµ kÝ hiÖu F bxF F vlV

Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 89

Ta cã thÓ viÕt

ρ vl

dKr

⋅

−

⋅

( t

ατ + c

) dKt kk f

(4.19) qbxdτ =

d τ

(4.20)

B

−

⋅ m ta cã ph−¬ng tr×nh cuèi cïng dt ( tD

)kk

⋅

−

Trong ®ã:

( q

) mKr f

tb ρ vl

α c C

vl m ⋅ ρ ⋅ vl

tvl = Kttb (4.21)

Gi¶ thiÕt nhiÖt ®é bÒ mÆt cña vËt liÖu lµ tvl, quan hÖ víi nhiÖt ®é trung b×nh cña vËt liÖu ttb, ta cã ë ®©y hÖ sè K phô thuéc vµo tÝnh chÊt quay vµ nhiÖt vËt lý cña vËt liÖu còng nh− vµo thêi gian: khi ®èt nãng K ≥ 1; tr−êng hîp riªng khi sÊy ®èi l−u vËt liÖu máng trong thêi k× tèc ®é kh«ng ®æi cã thÓ nhËn K = 1. Trong ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n theo vïng cã thÓ nhËn Kh = const, khi ®ã ta cã:

(4.22) = d τ

  

B − + t kk K dt   tDK 

TÝch ph©n trong giíi h¹n thay ®æi cña nhiÖt ®é vËt liÖu tõ t®Çu ®Õn tcuèi; ta x¸c ®Þnh thêi ®èt nãng khi sÊy b»ng bøc x¹ ®èi l−u τ

cuoi

KK K

t B + −

1 DK

dau

KK K

  tDK    tDK 

      Tr−êng hîp nÕu qbx >>q®l, thµnh phÇn αc(tvl – tKK)Kfdτ cã thÓ bá qua, vµ cho phÐp (víi B= const)

(4.23) = ⋅ t B − +

1 B

τ = (tcuèi – t®Çu)

Tr−êng hîp chung, hîp lý tÝnh to¸n theo chuÈn Rªbin®e. Gi¶i quyÕt vÊn ®Ò sÊy kh¸ phøc t¹p, nªn sö dông c«ng thøc tÝnh to¸n th«ng th−êng trªn c¬ së sè liÖu thùc nghiÖm.

Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 90

1. Tr×nh bµy nguyªn t¾c lµm viÖc cña thiÕt bÞ sÊy bøc x¹. 2. C¬ së lý thuyÕt vÒ sÊy bøc x¹ hång ngo¹i.