- Tác giả Trần Thị Thu Hằng iiiMỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY PHUN CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG SẤY PHUN Giới thiệu công nghệ sấy phun Phân loại và nguyên lý hoạt động của các loại thiết bị sấy phun SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG THIẾT BỊ SẤY PHUN CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG SẤY PHUN Các nghiên cứu lý thuyết Các nghiên cứu thực nghiệm CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MỤC ĐÍCH CỦA NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM Mục đích và yêu cầu của thiết bị thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm IC40D Kiểm tra, cải tạo thiết bị LỰA CHỌN VẬT LIỆU SẤY Giới thiệu về sản phẩm Tính chất vậy lý của vật liệu sấy CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG VÀ LỰA CHỌN HÀM MỤC TIÊU Lựa chọn các yếu tố ảnh hưởng Lựa chọn hàm mục tiêu QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM Khái niệm Trình tự tiến hành PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM Các chế độ thí nghiệm Chuẩn bị nguyên liệu sấy Quy trình sấy và lấy số liệu ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM Xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích theo số liệu thực nghiệm Xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích theo công thức của Luikov KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Hệ số trao đổi nhiệt thể tích của cà chua Hệ số trao đổi nhiệt thể tích chung cho các sản phẩm giàu đường CHƯƠNG III XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÔ TẢ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT – TRUYỀN CHẤT TRONG THIẾT BỊ SẤY PHUN CÙNG CHIỀU MỤC ĐÍCH VÀ CÁC GIẢ THIẾT CỦA MÔ HÌNH TOÁN HỌC Mục đích của việc xây dựng mô hình toán học Các giả thiết khi xây dựng mô hình MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA GIAI ĐOẠN SẤY TỐC ĐỘ KHÔNG ĐỔI Cân bằng nhiệt và cân bằng chất Quá trình dịch chuyển pha lỏng iv3.3 MÔ HÌNH TOÁN GIAI ĐOẠN SẤY GIẢM DẦN Truyền nhiệt Truyền chất CÂN BẰNG NHIỆT, CÂN BẰNG CHẤT VÀ CÂN BẰNG MOMEN GIỮA CÁC HẠT VÀ TÁC NHÂN SẤY Cân bằng momen Cân bằng chất Cân bằng nhiệt CHƯƠNG IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ĐÁNH GIÁ GIẢI THUẬT VÀ LỰA CHỌN CÔNG CỤ ĐỂ TÍNH TOÁN BIẾN THIÊN TỐC ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG CỦA HẠT TRONG KHÔNG GIAN BUỒNG SẤY NGHIÊN CỨU GIAI ĐOẠN SẤY CÓ TỐC ĐỘ SẤY KHÔNG ĐỔI Ảnh hưởng của kích thước ban đầu của hạt Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của tác nhân sấy Ảnh hưởng của thành phần thể tích chất rắn ban đầu NGHIÊN CỨU GIAI ĐOẠN SẤY CÓ TỐC ĐỘ GIẢM DẦN VÀ TOÀN BỘ QUÁ TRÌNH SẤY Biến thiên nhiệt độ bề mặt hạt và tâm hạt theo thời gian Phân khối lượng hơi trong vỏ xốp Tốc độ bay hơi của hạt Biến thiên khối lượng, độ ẩm hạt Biến thiên nhiệt độ và độ chứa hơi của tác nhân sấy CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ vDANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Giá trị đo nhiệt độ không khí cấp Bảng 2.2: Giá trị đo kiểm tra tốc độ không khí cấp Bảng 2.3: Thành phần của cà chua Bảng 2.5: Giá trị nhiệt độ vỏ máy nén và thời gian máy nghỉ Bảng 2.6: Giá trị trung tâm và khoảng biến thiên của các biến viDANH MỤC ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các giai đoạn chính trong quá trình sấy phun Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của hệ thống sấy phun Hình 1.3: Chu trình hệ thống sấy phun hở Hình 1.4: Chu trình hệ thống sấy phun kiểu kín Hình 1.5: Chu trình hệ thống sấy phun kiểu nửa kín Hình 1.6: Đường cong tốc độ sấy Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của máy sấy phun IC40D Hình 2.2: Vị trí các điểm đo để kiểm tra nhiệt độ không khí cấp Hình 2.3: Vị trí đo kiểm tra tốc độ Hình 2.4: Hình ảnh của một loại cà chua Hình 2.5: Quy trình chuẩn bị vật liệu sấy Hình 2.6: Sơ đồ lắp đặt thiết bị Hình 2.7: So sánh hệ số trao đổi nhiệt thể tích tính theo Luikov và thực nghiệm Hình 2.8: So sánh giữa αv thực nghiệm và αv tính theo phương trình hồi quy Hình 2.9: So sánh Vα hồi quy và Vα thực nghiệm Hình 3.1: Mô hình của sự giảm ẩm của hạt trong giai đoạn sấy thứ nhất Hình 3.2: Hạt vật liệu sấy trong giai đoạn sấy Hình 3.3: Mô hình ống mao dẫn bên trong vỏ hạt Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán Hình 4.2: Biến thiên tốc độ ở điều kiện Utns = 1 m/s, Rdo = 2mm Hình 4.4: Phân bố phân thể tích chất rắn bên trong hạt có cùng kích thước ban đầu là 0,2 mm ở các thời điểm khác nhau Hình 4.5: Cường độ bay hơi của hạt Hình 4.6: Phân thể tích chất rắn ở bên trong hạt tại các thời điểm khác nhau Hình 4.7: Phân thể tích chất rắn ở bên trong hạt tại các thời điểm khác nhau Hình 4.8: Biến thiên nhiệt độ bề mặt và tâm hạt Hình 4.9: Thành phần khối lượng của hơi trong vỏ xốp khi độ ẩm của hạt X = 0,6, bán kính hạt ban đầu Rdo = 2(mm Hình 4.10: Dòng hơi từ 1 hạt ứng ở các thời điểm khác nhau của hạt có cùng kích thước ban đầu Rdo = 2mm Hình 4.11: Biến thiên khối lượng hạt trong quá trình sấy Hình 4.12: Biến thiên độ ẩm tương đối của hạt trong quá trình sấy Hình 4.13: Biến thiên nhiệt độ tác nhân sấy Hình 4.14: Biến thiên độ chứa hơi của tác nhân sấy viiDANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT Ký hiệu Đơn vị đo Tên gọi 1 C kJ/kgK Nhiệt dung riêng 2 R m Bán kính hạt 3 d kg/kg Độ chứa hơi của tác nhân sấy 4 F m2 Diện tích 5 G g/h Lưu lượng khối lượng 6 m kg Khối lượng 7 T oC Nhiệt độ 8 z m Tọa độ 9 P bar Áp suất 10 X % Thành phần chất phụ gia Maltodextrin 11 µ Pa.s Độ nhớt động lực 12 λ J/kg Nhiệt ẩn hóa hơi 13 h W/m2K Hệ số trao đổi nhiệt 14 Dv m2/s Hệ số bay hơi 15 Ld m Chiều dài hang xốp 16 Vα W/m3K Hệ số trao đổi nhiệt thể tích 17 ϕ - Thành phần thể tích chất rắn 18 ε - Độ xốp 19 U m/s Tốc độ 20 t s Thời gian 21 D m Đường kính buồng sấy 22 k W/mK Hệ số dẫn nhiệt 23 ρ kg/m3 Khối lượng riêng 24 v m/s Tốc độ dịch chuyển ẩm 25 ω - Phân khối lượng viii26 σ N/m Sức căng bề mặt 27 Q W Dòng nhiệt 28 M kg/kmol Khối lượng kilomol 29 x % Độ ẩm hạt KÝ HIỆU CHÂN Ký hiệu Ý nghĩa kn Khí nén v Hơi a Không khí khô cr Vỏ xốp wc Nhân ướt l Lỏng sat Bão hòa d Hạt g Môi trường tác nhân sấy 1LỜI MỞ ĐẦU Trải qua nhiều thập kỉ nghiên cứu và phát triển, sấy phun đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau từ việc sản xuất các sản phẩm đòi hỏi yêu cầu chất lượng và vệ sinh cao như sản xuất thuốc, bột của một số loại hoa quả tới công nghiệp khai khoáng, sản xuất thuốc trừ sâu. - Công nghệ sấy phun được sử dụng nhiều như vậy là do đây là một phương pháp tiên tiến, tạo thành sản phẩm bột có chất lượng cao, thời gian sấy nhanh, có thể áp dụng cho cả vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ và vật liệu chịu được nhiệt. - Mục đích của cuốn luận văn chính là nghiên cứu quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun nói chung và trong quá trình sấy phun các sản phẩm giàu đường nói riêng. - Phần thứ nhất là nghiên cứu thực nghiệm về quá trình sấy phun một sản phẩm nông nghiệp của Việt Nam là cà chua. - Phần thứ hai là tiến hành xây dựng mô hình toán học nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất trong thiết bị sấy phun cùng chiều. - Hình 1.2 là sơ đồ cấu tạo của hệ thống sấy phun tương ứng với 4 giai đoạn nói trên. - Sau đó không khí được lọc Hình 1.1: Các giai đoạn chính trong quá trình sấy phun Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của hệ thống sấy phun 5qua bộ lọc. - Thời gian sấy ngắn - Có thể áp dụng cho cả vật liệu sấy nhạy cảm nhiệt độ và có khả năng chịu được nhiệt, vật liệu dễ cháy nổ, độc hại…mà không nguy hại tới môi trường. - Quá trình bay hơi của các hạt bắt đầu bằng sự dịch chuyển ẩm với tốc độ gần như không đổi và nhiệt độ bề mặt hạt không đổi (giai đoạn sấy 1), tiếp theo là giai đoạn tốc độ bay hơi giảm dần cho tới khi hoàn tất quá trình sấy (giai đoạn sấy 2 hay giai đoạn sấy giảm dần). - Trong quá trình sấy phun, sự bay hơi của các hạt bắt đầu ngay thời điểm hạt tiếp xúc với tác nhân sấy, và sự truyền ẩm rất nhanh vào môi trường có liên quan tới sự giảm nhiệt độ của tác nhân sấy. - Sư giảm nhiệt độ của môi trường làm giảm động lực của quá trình truyền nhiệt, và tốc độ bay hơi có thể giảm ngay cả khi bề mặt vẫn ở trạng thái bão hòa. - Tốc độ dịch chuyển ẩm phụ thuộc vào nhiệt độ của tác nhân sấy. - Nếu nhiệt độ tác nhân sấy quá cao đến nỗi sự bay hơi từ bề mặt hạt ra ngoài môi trường ở ngay thời điểm bắt đầu đã lớn hơn tốc độ dịch chuyển ẩm từ bên trong hạt ra ngoài bề mặt. - Lớp vỏ khô này là một lớp ngăn cản sự truyền ẩm, vì vậy nhiệt độ tác nhân sấy có thể ảnh hưởng tới tính chất của sản phẩm. - Sự tăng nhiệt độ buồng sấy có thể dẫn đến sự tạo thành vỏ khô nhanh hơn làm cho nhiệt độ bề mặt hạt tăng. - Thời gian bay hơi của hạt ở cùng điều kiện nhiệt độ tác nhân sấy phụ thuộc vào hình dạng hạt, tính chất hóa lý và hàm lượng chất rắn không tan trong hạt. - Nhiệt độ bề mặt hạt tăng nhẹ, và tốc độ sấy tăng trong một khoảng thời gian rất ngắn đến khi sự truyền nhiệt qua bề mặt hạt – không khí đạt giá trị cân bằng Giai đoạn sấy có tốc độ không đổi Giai đoạn này được biểu diễn bằng đoạn BC, đây là giai đoạn có tốc độ bay hơi nhanh nhất trong toàn bộ quá trình sấy. - Hình 1.6: Đường cong tốc độ sấy 1.3 CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG SẤY PHUN Hệ thống sấy phun có những ưu điểm riêng mà các hệ thống sấy khác không có được. - Ngoài ra còn các kết quả tính toán khác về thời gian tăng nhiệt độ hạt và ảnh hưởng của các thông số ban đầu (áp suất tác nhân sấy, độ ẩm ban đầu của tác nhân sấy,… Do các tác giả đã sử dụng nhiều hệ số thực nghiệm trong khi xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả quá trình truyền nhiệt truyền chất nên tính khái quát của mô hình bị giới hạn. - Các tác giả tiến hành 11 chế độ sấy với 3 biến đầu vào biến thiên trong các khoảng: lưu lượng vật liệu g/phút), nhiệt độ tác nhân sấy (200 – 220oC) và tốc độ phun rpm) để đánh giá ảnh hưởng của chúng tới: độ ẩm, độ hòa tan, khả năng nhiễm ẩm và màu sắc của sản phẩm. - Hiệu suất thu hồi sản phẩm tăng khi lưu lượng tác nhân sấy, nhiệt độ tác nhân sấy vào và áp suất khí nén tăng. - 13- Khi nhiệt độ và độ ẩm tác nhân sấy trong hệ thống sấy cải tiến càng giảm thì tạo thành vỏ khô trên bề mặt hạt càng nhanh và kết quả là, làm giảm thời gian lưu trú của hạt nên làm tối thiểu hóa sự bám dính bề mặt của hạt. - J.Grabowski, C.R.Daubert và V.D.Truong của Mỹ [6] thì tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của Amylase, Maltodetrin và nhiệt độ không khí vào tới tính chất của bột khoai lang đã thành công trong việc nghiên cứu sản xuất bộ khoai lang chất lượng cao từ dung dịch khoai lang nghiền qua đó mở ra một cơ hội mới cho ngành sản xuất khoai lang. - Trong nghiên cứu này, trao đổi nhiệt bằng bức xạ được sử dụng thay cho trao đổi nhiệt bằng đối lưu và tốc độ sấy hay quá trình khuếch tán được duy trì không đổi bằng cách tăng nhiệt độ rất nhanh. - Tốc độ làm dày của vỏ khô là hàm của hàm lượng protein và nhiệt độ hạt. - Nguyễn Đức Quang [4] cũng tiến hành nghiên cứu thực nghiệm quá trình sấy phun với vật liệu sấy là sữa tươi và đã xây dựng được công thức thực nghiệm tính toán hệ số trao đổi nhiệt thể tích theo 3 thông số đầu vào là: lưu lượng không khí, áp suất khí nén, nhiệt độ không khí vào. - Theo một hướng khác, Phan Tiến Hùng [16] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm sấy chanh và gừng trên thiết bị ∃Y-6 để xây dựng công thức thực nghiệm cho các thông số: tỷ lệ hao hụt sản phẩm, tiêu hao điện năng, độ ẩm của sản phẩm, năng suất sấy dựa trên 4 thông số đầu vào là: Nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu, áp suất phun sương, áp suất đẩy dịch sấy, tỷ lệ chất phụ gia. - Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm trong luận văn này là tiến hành tính toán từ số liệu thực nghiệm hệ số trao đổi nhiệt thể tích trong quá trình sấy phun nước ép cà chua. - Đo và hiển thị các thông số cần thiết với độ chính xác tin cậy như: nhiệt độ không khí cấp, nhiệt độ môi trường, áp suất và lưu lượng khí nén, nhiệt độ vào và ra của vật liệu sấy, lưu lượng vật liệu và tác nhân sấy. - 1 Cấu tạo Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của máy sấy phun IC40D 1. - Đầu cảm biến nhiệt độ không khí cấp 7. - Đầu cảm biến nhiệt độ không khí ra 8. - Đầu cảm biến nhiệt độ không khí vào 9. - Buồng sấy 172 Các đặc tính kỹ thuật - Tốc độ tác nhân sấy: 10 – 40 l/s. - Tại đây không khí được gia nhiệt đến nhiệt độ yêu cầu và đi qua bộ phận phân phối không khí vào buồng sấy. - Buồng sấy được thay bằng buồng sấy mới, buồng này làm bằng inox, có thể đục lỗ để đưa cặp nhiệt vào để kiểm tra trường nhiệt độ trong buồng sấy. - 1 Đánh giá lại về tổn thất nhiệt Tiến hành chạy thử và đo nhiệt độ bề mặt ngoài buồng sấy và bộ gia nhiệt, kết quả cho thấy độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt ngoài buồng sấy và môi trường là rất nhỏ tức là tổn thất nhiệt nhỏ, ta có thể bỏ qua. - 2 Đánh giá sự ổn định của chế độ nhiệt Nhiệt độ không khí cấp khi vào buồng sấy ổn định và sai lệch ± 50C, sai lệch này có thể chấp nhận được 3 Đánh giá độ chính xác của thiết bị đo Để kiểm tra lại độ chính xác của đầu đo nhiệt độ không khí cấp của thiết bị, tiến hành đo 5 lần, mỗi lần đo 8 điểm, mỗi điểm cách nhau 10 mm. - Hình 2.2: Vị trí các điểm đo để kiểm tra nhiệt độ không khí cấp Bật thiết bị thí nghiệm chờ cho đến khi thiết bị ổn định, thay đầu đo bằng đầu đo Testo chờ 3 phút rồi lấy số liệu. - 19Bảng 2.1: Giá trị đo nhiệt độ không khí cấp Từ bảng số liệu ta thấy sai số lớn nhất giữa giá trị đo bằng đầu đo của IC40D và giá trị trung bình 8 điểm đo bằng đầu đo testo là 1,2 % vì vậy có thể sử dụng đầu cảm biến trên thiết bị để đo mà không cần thay thế. - Nhiệt độ không khí cấp vào buồng sấy (tkk1): nhiệt độ không khí cấp vào buồng sấy được thay đổi trong phạm vi từ 180 0C đến 240 0C. - Khi tiến hành ở nhiệt độ dưới 180 0C thì sản phẩm thu được có độ ẩm khá cao bám dính thành bình làm giảm hiệu suất thu hồi. - Nếu nhiệt độ lớn hơn 240 0C tuy sản phẩm có độ ẩm tốt nhưng lại bị biến chất làm giảm chất lượng sản phẩm. - nhiệt độ không khí vào kkCt C. - Lắp đặt hệ thống như trên hình 2.6 28Bảng 2.4: Các chế độ thí nghiệm Tỷ lệ phụ gia hòa trộn Lưu lượng không khí cấp Áp suất khí nén Nhiệt độ không khí vào Chế độ thí nghiệm X. - Chuẩn bị sẵn sàng các thiết bị đo ngoài như: thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường, thiết bị đo nhiệt độ bề mặt, đồng hồ bấm giây. - Cà chua Rửa sạch Tách hạt Xay nhỏ Lọc Phối trộn Maltodetrin Dung dịch vật liệu sấy 30- Bật bộ gia nhiệt không khí và điều chỉnh điện áp để đạt được nhiệt độ không khí ứng với mỗi chế độ thí nghiệm. - Dùng đồng hồ bấm giây để đo thời gian chạy thí nghiệm kể từ lúc bật bơm đến khi tắt bơm - Sau khi bật bơm thì nhiệt độ không khí giảm, chờ cho đến khi nhiệt độ đầu ra ổn định thì bắt đầu lấy số liệu, khoảng 10 phút ghi một lần. - Độ ẩm của sản phẩm được xác định bằng máy phân tích độ ẩm, sử dụng nguyên lý sấy hồng ngoại - Do hệ thống không đo được nhiệt độ và lưu lượng khí nén nên phải sử dụng thiết bị đo nhiệt độ để xác định nhiệt độ bề mặt và đồng hồ bấm giây để đo nhiệt độ vỏ bình chứa khí và thời gian nghỉ của máy nén. - Nhiệt độ khí nén được lấy gần bằng nhiệt độ vỏ bình chứa. - -Ở mỗi áp suất khí nén khác nhau nhiệt độ bề mặt vỏ bình chứa và thời gian máy nén nghỉ thay đổi rất ít. - Các giá trị nhiệt độ và thời gian máy nén nghỉ được cho trong bảng 2.5 - Sau mỗi chế độ thí nghiệm tiến hành tháo rời buồng sấy, xyclone, mũi phun để vệ sinh và chuẩn bị cho chế độ thí nghiệm tiếp theo. - Bảng 2.5: Giá trị nhiệt độ vỏ máy nén và thời gian máy nghỉ Áp suất 2,5 bar Áp suất 3 bar Áp suất 3,5 bar Lần đo Nhiệt độ vỏ bình chứa (0C) Thời gian máy nén nghỉ (s) Nhiệt độ vỏ bình chứa (0C) Thời gian máy nén nghỉ (s) Nhiệt độ vỏ bình chứa (0C) Thời gian máy nén nghỉ (s Kết quả tính toán lưu lượng khí cấp và khí nén được ghi vào bảng số liệu thí nghiệm (phụ lục 2) 32 Hình 2.6: Sơ đồ lắp đặt thiết bị Ghi chú: 1. - lượng nhiệt vật liệu sấy nhận được: ()()vls kk2 sp1 sp2 sp2 sp2 sp1= W t - 4,186t + G C t - tQ (2.19) Độ chênh nhiệt độ trung bình giữa vật liệu sấy và vật liệu sấy lnkk sp kk ukk spkk utt t tttttt. - Giải hệ phương trình vi phân gồm 8 phương trình (hệ 3.51) với các điều kiên biên tương ứng với từng phương trình, trình bày cụ thể ở chương 3 và điều kiện ban đầu: nhiệt độ tác nhân sấy 200oC, kích thước ban đầu bằng 2mm, tốc độ tác nhân sấy là 1 m/s với các tốc độ ban đầu của hạt: Uvo và 50 m/s cho kết quả như trên hình 4.2. - Quá trình sấy này sẽ 59kết thúc khi phân thể tích chất rắn trên bề mặt hạt bằng 0,6 [1]. - Nhưng ở đây cần lưu ý rằng do trong giai đoạn sấy với tốc độ không đổi phân áp suất của hơi ở trên bề mặt hạt bằng phân áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ bề mặt hạt nên trong mô hình toán học 3.51 không cần sử dụng 2 phương trình cuối là các phương trình xác định phân áp suất của hơi. - Nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu ở cả 2 trường hợp tính toán này bằng 200oC còn phân thể tích chất rắn ban đầu của hạt bằng 0,32. - 60Trong trường hợp bán kính ban đầu của hạt bằng 2 mm, thành phần thể tích chất rắn trong hạt và trên bề mặt hạt tăng với tốc độ gần bằng nhau. - Hình 4.3: Phân bố phân thể tích chất rắn bên trong hạt có cùng kích thước ban đầu là 2 mm ở các thời điểm khác nhau 61 Hình 4.4: Phân bố phân thể tích chất rắn bên trong hạt có cùng kích thước ban đầu là 0,2 mm ở các thời điểm khác nhau 4.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của tác nhân sấy Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu tác nhân sấy được xác định thông qua việc tính toán sự thay đổi cường độ bay hơi trên bề mặt các hạt vật liệu sấy. - Trên hình 4.5 trình bày kết quả tính toán về ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của tác nhân sấy tới cường độ bay hơi, xét với 2 trường hợp kích thước ban đầu của hạt là 2mm và 0,2mm. - Từ hình 4.5, nhận thấy rằng khi nhiệt độ ban đầu của tác nhân sấy tăng còn các điều kiện khác không đổi thì cường độ bay hơi của “hạt” tăng. - Điều này là do khi nhiệt độ tăng thì hệ số khuếch tán ẩm từ bề mặt “hạt” tới môi trường tăng. - Quá trình tính toán được thực hiện với 2 thành phần thể tích ban đầu khác nhau ooϕϕ. - 63 Hình 4.6: Phân thể tích chất rắn ở bên trong hạt tại các thời điểm khác nhau với 0,15oϕ= Hình 4.7: Phân thể tích chất rắn ở bên trong hạt tại các thời điểm khác nhau với 0,25oϕ= 644.4 NGHIÊN CỨU GIAI ĐOẠN SẤY CÓ TỐC ĐỘ GIẢM DẦN VÀ TOÀN BỘ QUÁ TRÌNH SẤY Về mặt lý thuyết thì giai đoạn sấy II bắt đầu khi phân áp suất của hơi trên bề mặt hạt nhỏ hơn phân áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ bề mặt hạt. - 4.4.1 Biến thiên nhiệt độ bề mặt hạt và tâm hạt theo thời gian Với giai đoạn sấy II, do có sự hình thành vỏ khô ở bên ngoài hạt, vỏ khô này đóng vai trò như một lớp cản trở sự truyền nhiệt và truyền chất giữa tác nhân sấy và nhân ướt nên không thể bỏ qua sự sai khác về nhiệt độ giữa các điểm tại cùng thời điểm. - Nhiệt độ bề mặt và tâm hạt là hai đối tượng đáng quan tâm nhất. - Kết quả tính toán 2 giá trị nhiệt độ này đối với 2 loại hạt có kích thước khác nhau (2mm và 0,2 mm) ở nhiệt độ ban đầu của tác nhân sấy khác nhau (150 và 200oC) được trình bày trên hình 4.8. - Từ đồ thị thấy rằng, ở chế độ nhiệt độ sấy ban đầu bằng 150oC độ chênh lệch nhiệt độ bề mặt hạt và tâm hạt tăng dần theo thời gian. - Trong khi ở 200oC thì sự chênh nhiệt độ tăng rất nhanh trong khoảng thời gian ngắn ban đầu, sau đó mức chênh lệch gần như không đổi. - Chênh lệch lớn nhất giữa nhiệt độ tâm và bề mặt của các chế độ tính toán này khoảng 7oC. - Điều này là do trong giai đoạn sấy 2, chiều dày vỏ khô tăng theo thời gian làm tăng nhiệt trở nên độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt vỏ và nhân tăng lên. - Mặt khác kết quả tính toán cũng cho thấy khi tăng nhiệt độ tác nhân sấy trong khi các điều kiện khác không thay đổi thì nhiệt độ hạt tăng lên. - Nhiệt độ tác nhân sấy tăng từ 150oC lên 200oC làm nhiệt độ tâm hạt tăng lên 8oC và nhiệt độ bề mặt tăng 6oC sau 5 giây. - 65 Hình 4.8: Biến thiên nhiệt độ bề mặt và tâm hạt 4.4.2 Phân khối lượng hơi trong vỏ xốp Trong quá trình sấy, đến một thời điểm nào đó thì vỏ khô được hình thành bên ngoài hạt và chiều dày lớp vỏ này tăng dần chia hạt thành 2 phần: phần lõi bên trong là nhân ướt, phần vỏ bên ngoài là vỏ xốp. - Hình 4.9 thể hiện sự thay đổi phân khối lượng của hơi trong vỏ xốp tại thời điểm độ ẩm tương đối của hạt là 60% và xét trong 2 trường hơp nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu bằng 200oC và 300oC với kích thước hạt ban đầu bằng 2mm. - Tuy nhiên, gradient phân khối lượng của hơi phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ tác nhân sấy, nhiệt độ càng cao thì gradient càng lớn: Nếu như ở nhiệt độ 200oC thì chênh lệch phân khối lượng giữa trong và ngoài của vỏ là thì ở nhiệt độ300oC độ chênh này là . - Điều này có thể giải thích qua việc tăng phân áp suất bão hòa của hơi nước tại bề mặt trong của lớp vỏ xốp theo nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì cường độ bay hơi càng lớn, kết quả là làm tăng hàm lượng hơi và gradient phân áp suât hơi trong hang xốp. - Điều này cho thấy ảnh hưởng rất lớn của nhiệt độ tác nhân sấy đối với hiệu quả của quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong hệ thống sấy phun. - 674.4.3 Tốc độ bay hơi của hạt Để có thể thấy rõ hơn cường độ của quá trình bay hơi (hay trao đổi chất) và ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy, đã tiến hành tính toán dòng hơi thoát ra từ 1 hạt có kích thước ban đầu Rdo = 2mm ở các thời điểm khác nhau khi nhiệt độ tác nhân sấy bằng 200oC và 400oC. - Hình 4.10: Dòng hơi từ 1 hạt ứng ở các thời điểm khác nhau của hạt có cùng kích thước ban đầu Rdo = 2mm Từ kết quả tính toán trình bày trên hình 4.10 có thể thấy rằng: không chỉ biến thiên của dòng hơi thoát ra từ 1 hạt theo thời gian mà còn ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy chỉ có ý nghĩa trong một khoảng thời gian rất ngắn ban đầu. - sau khoảng 0,06s thì dòng hơi thoát ra từ 1 hạt gần như không thay đổi theo thời gian và không phụ thuộc vào nhiệt độ (bằng khoảng 2,2.10-10 kg/s, trong khi đó ở giai đoạn đầu dòng hơi từ 1 hạt ở 200oC là 10.10-10 và ở 400oC là 12.10-10). - 4.4.5 Biến thiên nhiệt độ và độ chứa hơi của tác nhân sấy Kết quả tính toán biến thiên nhiệt độ và độ chứa hơi của tác nhân sấy có nhiệt độ đầu vào ttnso = 200oC được trình bày trên hình 4.13 và 4.14. - Phù hợp với quy luật biến thiên khối lượng và độ ẩm của hạt, nhiệt độ của tác nhân sấy giảm rất nhanh và độ chứa hơi tăng nhanh trong khoảng thời gian ban đầu. - Điều này môt lần nữa thể hiện cường độ trao đổi nhiệt – trao đổi chất rất lớn của các hạt bé khi tiếp xúc với dòng tác nhân sấy ở nhiệt độ cao. - Hình 4.11: Biến thiên khối lượng hạt trong quá trình sấy (ở chế độ Rdo = 2mm, ttnso = 200oC) 69 Hình 4.12: Biến thiên độ ẩm tương đối của hạt trong quá trình sấy (ở chế độ Rdo = 2mm, ttnso = 200o C) Hình 4.13: Biến thiên nhiệt độ tác nhân sấy 70 Hình 4.14: Biến thiên độ chứa hơi của tác nhân sấy 71CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 KẾT LUẬN Xuất phát từ nhu cầu thực tế là phải có một mô hình tính toán bằng lý thuyết một cách tổng quát cho quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun và cũng góp phần vào việc hoàn thiện những nghiên cứu quá trình sấy phun các sản phẩm nông nghiệp ở Việt Nam, đã tiến hành nghiên cứu cả về mặt thực nghiệm và lý thuyết. - Từ đó thiết lập được phương trình hồi quy thực nghiệm để xác định hệ số trao đổi nhiệt thể tích dựa trên 4 biến đầu vào là: hàm lượng chất phụ gia, lưu lượng vật liệu sấy, áp suất khí nén, nhiệt độ khi vào buồng sấy của tác nhân sấy. - về mặt lý thuyết, đã tiến hành thiết lập mô hình toán học mô tả quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun theo hai giai đoạn: giai đoạn sấy có tốc độ không đổi và giai đoạn sấy có tốc độ giảm dần. - Mô hình toán học xây dựng dựa trên hệ phương trình vi phân truyền nhiệt – truyền chất (hệ 3.51) có thể giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn do tác giả viết trên phần mềm Matlab và cho phép xác định một loạt các thông số quan trọng trong quá trình sấy phun như: biến thiên tốc độ hạt, trường nhiệt độ hạt, biến thiên khối lượng và độ ẩm hạt, nhiệt độ và độ chứa hơi của tác nhân sấy, biến thiên phân thể tích chất rắn của hạt trong giai đoạn sấy 1, độ biến thiên thành phần khối lượng của hơi trong vỏ xốp ở giai đoạn sấy 2. - Mô hình toán học cũng cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố cơ bản như: nhiệt độ ban đầu của tác nhân sấy, kích thước ban đầu của hạt, thành phần thể tích chất rắn ban đầu của hạt,...trong quá trình sấy phun. - Đối với giai đoạn sấy thứ 1 (giai đoạn sấy có tốc độ không đổi. - Mức độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt hạt và tâm hạt trong quá trình sấy ở giai đoạn 2 chỉ thay đổi trong khoảng thời gian ngắn ban đầu. - Sau khoảng thời gian này, độ chênh nhiệt độ có thể xem như không đổi. - nhiệt độ tác nhân sấy càng lớn thì khoảng thời gian xảy ra biến thiên càng ngắn. - Điều này kéo theo sự biến thiên tương tự của khối lượng hạt, độ ẩm hạt cũng như nhiệt độ và độ chứa hơi của tác nhân sấy. - Về mặt lý thuyết, mô hình toán đã khái quát toàn bộ và mô tả được bản chất của quá trình truyền nhiệt – truyền chất giữa hạt và tác nhân sấy trong quá trình sấy phun. - Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố tới chế độ làm việc hiệu quả của thiết bị sấy phun. - Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong thiết bị sấy phun. - Hệ số trao đổi nhiệt thể tích trong thiết bị sấy phun đôi với các sản phẩm giàu đường. - Nghiên cứu thực nghiệm quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong thiết bị sấy phun
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt