Bản chất của quá trình sấy Sấy là sự bốc hơi nước của sản phẩm bằng nhiệt ở nhiệt độ thích hợp, là quá trìnhkhuếch tán do chênh lệch ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu, hay nói cách khác
TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SẤY
Đặc điểm hoa đậu biếc
Cây hoa đậu biếc còn gọi đậu hoa tím hay bông biếc, tên khoa học Clitoria ternatean, thuộc chi Đậu biếc (danh pháp: Clitoria), họ Đậu (Fabaceae) Đậu biếc là cây thân thảo, leo, thân và cành mảnh có lông Cây đậu biếc được trồng nhiều ở Nam và Đông Nam Á, nơi có khí hậu nóng ẩm, rất dễ trồng và cho rất nhiều hoa.
Hoa đậu biếc có màu xanh tím, xanh lam đậm hoặc màu trắng, nhưng phổ biến nhất là màu xanh tím, dài 4 cm và rộng 3cm khi nở rộ Cánh hoa mỏng, dễ phai màu nên thường được dùng làm màu thực phẩm
Hoa đậu biếc (dùng tươi, sấy khô hay tán thành bột) khi ngâm trong nước khoảng 5 phút sẽ được một loại nước có màu xanh biếc, không mùi vị Lọc xác hoa lấy phần nước Sau đó đổ vào hỗn hợp đường (mật ong), đá hoặc sinh tố, cocktail (có thêm trái cây khác như dâu tây, táo…), thêm một chút hương vani thì sẽ thành thức uống có màu sắc tuyệt đẹp Màu này biến đổi từ xanh biếc, hồng đến tím tùy theo lượng hoa và nguyên liệu pha chế.
Hình 2: Trà hoa đậu biếc
Bên cạnh màu sắc bắt mắt, khi phân tích thành phần hoa đậu biếc người ta thu nhiều hợp chất hóa học hữu cơ, đáng chú ý là 2 hoạt chất: anthocyanin (một loại flavonoid) tạo nên màu xanh rực rỡ của hoa và cliotide Anthocyanin là một chất chống oxi hóa, mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe như ngăn ngừa gốc tự do, phòng ngừa ung thư, làm chậm quá trình lão hóa, tăng cường sức khỏe tim mạch Mặt khác, nghiên cứu cho thấy cliotide trong hoa đậu biếc có khả năng kháng khuẩn in vitro chống lại E coli , K pneumoniae, và P aeruginosa Do đó nên hoa đậu biếc còn được dùng để rửa vết thương và trị sưng viêm.
Chuẩn bị nguyên liệu để sấy – Yêu cầu sản phẩm đầu ra
Hoa đậu biếc khi nở tầm 80% sẽ được đem thu hoạch và được đưa vào tủ sấy
Sau khi sấy xong, hoa cần giữ được hình dạng (không bị dập nát cánh hoa), màu sắc không bị phai và giữ được hoạt chất anthocyanine và clotide.
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SẤY
Công nghệ sấy
2.1.1 Bản chất của quá trình sấy
Sấy là sự bốc hơi nước của sản phẩm bằng nhiệt ở nhiệt độ thích hợp, là quá trình khuếch tán do chênh lệch ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu, hay nói cách khác do chênh lệch áp suất ở bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh. Đối tượng của quá trình sấy và các vật chứa ẩm, là những vật có chứa một lượng chất lỏng nhất định thường là nước, một số ít là dung môi hữu cơ.
Mục đích sấy là tăng năng suất, giảm chi phí vận chuyển, giảm thiểu tối đa vốn đầu tư, giữ được những đặc tính tót nhất của sản phẩm: độ dẻo, giòn, dai, màu sắc, hương vị, độ bóng sáng, không sứt mẻ, cong vênh, tăng khả năng bảo quản
2.1.2 Phân loại quá trình sấy
- Sấy tự nhiên: nhờ tác nhân chính là nắng, gió… Phương pháp này thời gian sấy dài, tốn diện tích sân phơi, khó điều chỉnh và độ ẩm cuối cùng của vật liệu còn khá lớn và phụ thuộc vào điều kiện thời tiết khí hậu.
- Sấy nhân tạo: quá trình cần cung cấp nhiệt, nghĩa là phải dùng đến tác nhân sấy như khói lò, không khí nóng, hơi quá nhiệt… và nó được hút ra khỏi thiết bị khi sấy xong Quá trình sấy nhanh, dễ điều khiển và triệt để hơn sấy tự nhiên.
- Phân loại phương pháp sấy nhân tạo:
Phân loại theo phương thức truyền nhiệt:
Phương pháp sấy đối lưu: nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy là nhiệt truyền từ môi chất sấy đến vật liệu sấy bằng cách truyền nhiệt đối lưu Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi hơn cả cho sấy hoa quả và sấy hạt;
Phương pháp sấy bức xạ: nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy là thực hiện từ 1 bề mặt nào đó đến vật sấy, có thể dùng bức xạ thường, bức xạ hồng ngoại;
Phương pháp sấy tiếp xúc: nguồn cung cấp nhiệt cho vật sấy bằng cách cho tiếp xúc trực tiếp vật sấy với bề mặt nguồn nhiệt;
Phương pháp sấy bằng điện trường dòng cao tần: nguồn nhiệt cung cấp cho vật sấy nhờ dòng điện cao tần tạo nên điện trường cao tần trong vật sấy làm vật nóng lên;
Phương pháp sấy thăng hoa: được thực hiện bằng cách làm lạnh vật sấy đồng thời hút chân không để cho vật sấy đạt đến trạng thái thăng hoa của nước, nước thoát ra khỏi vật sấy nhờ quá trình thăng hoa;
Phương pháp sấy tầng sôi: nguồn nhiệt từ không khí nóng nhờ quạt thổi vào buồng sấy đủ mạnh và làm sôi lớp hạt sau 1 thời gian nhất định hạt khô và được tháo ra ngoài;
Phương pháp sấy phun: được dùng để sấy các sản phẩm dạng lỏng.
Phân loại theo tính chất xử lý vật liệu ẩm qua buồng sấy:
Sấy mẻ: vật liệu đứng yên hoặc chuyển động qua buồng sấy nhiều lần, đến khi hoàn tất sẽ được tháo ra;
Sấy liên tục: vật liệu được cung cấp liên tục và sự chuyển động của vật liệu ẩm qua buồng sấy cũng xảy ra liên tục.
Phân loại theo sự chuyển động tương đối giữa dòng khí và vật liệu ẩm:
Loại thổi qua bề mặt;
Loại thổi xuyên vuông góc với vật liệu.
Kết luận: Từ đề bài và điều kiện chọn phương pháp sấy đối lưu.
Là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật sấy
- Gia nhiệt cho vật sấy;
- Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vào môi trường;
- Bảo vệ vật sấy khỏi bị hỏng do quá nhiệt.
2.1.3.3 Các loại tác nhân sấy
- Không khí nóng: là loại tác nhân sấy thông dụng nhất
Rẻ, có sẵn trong tự nhiên, có thể dùng hầu hét cho các loại sản phẩm;
Không làm ô nhiễm sản phẩm.
Cần trang bị thêm bộ phận gia nhiệt không khí (calorife khí – hơi hoặc khí- khói);
Không để nhiệt độ không khí quá cao (thường 200 thì Nu = 0.610Re 0.67
2.2.5 Thiết bị sấy thùng quay
- Thiết bị sấy thùng quay cũng là 1 thiết bị sấy chuyên dụng để sấy các vật liệu dạng hạt hoặc bột nhão , cục nhưng có thể có độ ẩm ban đầu hớn và khó tự dịch chuyển nếu dùng thiết bị sấy tháp
- Phần chính của thiết bị sấy thùng quay là 1 trụ tròn đặt nằm nghiêng 1 góc với mặt phẳng
- Độ điền đầy của vật liệu sấy trong thùng tùy theo cấu tạo và vật liệu sấy
- Tác nhân sấy chủ yếu trong thiết bị sấy thùng quay thường là không khí nóng hoặc khói lò Nó có thể chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều với vật liệu sấy
- Tốc độ tác nhân sấy không vượt quá 2-3m/ seek
- Thiết bị thùng quay không nên làm việc ở áp suất dương
2.2.6 Thiết bị sấy khí động
- Thường dùng để sấy các vật liệu dạng hạt bé, nhẹ, xốp như than cám cỏ, hoặc rau băm nhỏ,các tinh thể….
- Tác nhân sấy chủ yếu là không khí nóng và khói lò
- Phần chính là 1 ống thẳng , vật liệu sấy được không khí nóng hoặc khói lò cuốn từ dưới lên trên và dọc theo ống
- Tốc độ tác nhân phụ thuộc vào chủng loại vật liệu sấy,kích thước, khối lượng riêng của hạt, có thể đạt tơi 10-40m/ seek
- Nhược điểm: tiêu tốn năng lượng lớn, nhất là điện dùng cho quạt, điều kiện vệ sinh công nghiệp khó thực hiện tốt và có khả năng gấy nguy hiểm nếu vật liệu có thể gây cháy nổ
2.2.7 Thiết bị sấy tầng sôi
- Thường dùng sấy các vật liệu dạng hạt, cục
- Ưu điểm: cường độ sấy rất lớn, có thể đạt hàng trăm kg ẩm/m 3 ; dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ sấy và vật liệu sấy khá đồng đều
- Nhược điểm: tiêu tốn năng lượng rất lớn để tạo ra áp lực đáng kể duy trì trạng thái
“sôi” của vật liệu, cấu tạo phức tạp
- Chuyên dùng để sấy cá dịch thể Sản phẩm sấy dùng để sấy các dạng bột hòa tan như sữa bò, sữa đậu nành, bột trứng, café hòa tan…
- Bộ phận cơ bản của thiết bị sất phun là buồng sấy, là 1 tháp hình trụ
- Dịch thể được nén bằng 1 bơm cao áp đưa vào qua vòi phun cùng với tác nhân tạo thành sương mù và quá trình sấy được thực hiện
- Được ứng dụng để sấy hầu hết các laoij nông sản thực phẩm như hải sản, rau củ quả với nhiều hình dạng khác nhau: mảnh, cắt lát , dạng hạt,…
- Làm việc sấy theo mẻ và năng suất nhỏ
- Nhiệt độ sấy không quá cao
- Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, dễ vận hành, chi phí đầu tư thấp
Kết luận: Từ đề bài và điều kiện chọn thiết bị sấy buồng
ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY
Những biến đổi cơ bản trong quá trình sấy
Trong quá trình sấy xảy ra hai quá trình cơ bản:
- Quá trình trao đổi nhiệt: vật liệu sấy sẽ nhận nhiệt để tăng nhiệt độ và để ẩm bay hơi vào môi trường.
- Quá trình trao đổi ẩm: quá trình này diễn ra do sự chênh lệch độ ẩm tương đối của vật ẩm và độ ẩm tương đối của môi trường không khí xung quanh Động lực của quá trình này là do sự chênh lệch áp suất hơi trên bề mặt của vật liệu sấy và áp suất riêng phẩn của hơi nước trong môi trường không khí Quá trình thải ẩm diễn ra cho đến khi độ ẩm của vật ẩm cân bằng với môi trường không khí xung quanh Do đó,trong quá trình sấy ta không thể sấy đến độ ẩm nhỏ hơn độ ẩm cân bằng Độ ẩm của môi trường không khí xung quanh càng nhỏ thì quá trình sấy càng nhanh và độ ẩm cuối của vật liệu càng thấp Qua đó có thể kết luận độ ẩm tườn đối của môi trường không khí xung quanh là động lực cho quá trình sấy, đây cũng là nguyên nhân tại sao khi sấy bằng bơm nhiệt (sấy lạnh) thì thời gian sấy giảm đi rất nhiều
Cơ chế thoát ẩm ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy Gồm hai quá trình:
- Quá trình khuếch tán nội (trong lòng vật liệu sấy)
Quá trình khuếch tán nội là quá trình chuyển dịch ẩm từ các lớp bên trong ra lớp bề mặt của vật ẩm Động lực của quá trình này là do sự chênh lệch nồng độ ẩm giữa các lớp bên trong và các lớp bề mặt Qua nghiên cứu ta thấy rằng ẩm dịch chuyển từ nơi có phân áp suất cao đến nơi có phân áp suất thấp Do đó tùy thuộc vào phương pháp sấy và thiết bị sấy mà dòng ẩm dịch chuyển dưới tác dụng của nồng độ ẩm và dòng ẩm dịch chuyển dưới tác dụng của nhiệt độ có thể cùng chiều hoặc ngược chiều nhau.
Ta có thể biểu thị tốc độ khuếch tán nội bằng phương trình như sau: dW dτ =k F dc dx
Trong đó: W là lượng nước khuếch tán, kg dτ là thời gian khuếch tán, giờ
F là diện tích bề mặt khuếch tán, m 2 k là hệ số khuếch tán
Nếu hai dòng ẩm dịch chuyển cùng chiều với nhau sẽ làm thúc đẩy quá trình thoát ẩm, rút ngắn thời gian sấy.Nếu hai dòng ẩm dịch chuyển ngược chiều nhau sẽ kìm hãm sự thoát ẩm, kéo dài thời gian sấy.
- Quá trình khuếch tán ngoại
Quá trình khuếch tán ngoại là quá trình chuyển ẩm từ lớp bề mặt của vật liệu sấy vào môi trường không khí xung quanh Động lực của quá trình này là do sự chệnh lệch áp suất hơi trên bề mặt của vật ẩm và phân áp suất hơi trong môi trường không khí
Lượng hơi nước bay hơi trong quá trình khuếch tán ngoại thực hiện được dưới điều kiện áp suất hơi nước trên bề mặt (Pbm) lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí (Pkk) Sự chênh lệch đó là ∆P= Pbm – Pkk Lượng hơi nước bay hơi tỷ lệ thuận với ∆P, với bề mặt bay hơi và thời gian làm khô ta có: dW = B(Pbm – Pkk).F.dτ Tốc độ bay hơi nước được biểu diễn như sau: dW dτ =B ¿ bm – Pkk).F Trong đó: W là lượng nước bay hơi, kg
F là diện tích bề mặt bay hơi, m 2 dτ là thời gian bay hơi, giờ
B là hệ số bay hơi
- Mối quan hệ giữa khuếch tán nội và khuếch tán ngoại
Khuếch tán nội và khuếch tán ngoại có một mối quan hệ chặt chẽ với nhau, quá trình khuếch tan nội là động lực của quá trình khuếch tán ngoại và ngược lại Tức là khi khuếch tán ngoại được tiến hành thì khuếch tán nội mới có thể được tiếp tục và như thế độ ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần Tuy nhiên trong quá trình sấy ta phải làm sao cho hai quá trình này ngang bằng với nhau, tránh trường hợp khuếch tán ngoại lớn hơn khuếch tán nội vì khi đó sẽ làm cho sự bay hơi ở lớp bề mặt diễn ra mãnh liệt làm cho bề mặt của sản phẩm bị khô cứng, hạn chế sự thoát hơi ẩm Khi xảy ra hiện tượng đó ta khắc phục bằng cách sấy gián đoạn (quá trình sấy - ủ liên tiếp) mục đích là để thúc đẩy quá trình khuếch tán nội.
3.1.1 Đặc điểm diễn biến của quá trình sấy
Quá trình sấy xảy ra 3 giai đoạn:
- Giai đoạn làm nóng vật;
- Giai đoạn sấy tốc độ không đổi;
- Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần
3.1.1.1 Giai đoạn làm nóng vật
Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho đến khi nhiệt độ đạt đến bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt (tư) Trong quá trình này, toàn bộ vật sấy được gia nhiệt Ẩm longrtrong vật cũng được gia nhiệt cho đến khi đạt được nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất hơi nước trong môi trường không khí buồng sấy (tư) Do được làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm chút ít do bay hơi ẩm còn nhiệt độ không đồng đều ở phần ngoài và phần trong vật Vùng trong vật đạt tới tư Đối với những vật dễ sấy thì giai đoạn làm nóng vật xảy ra rất nhanh
3.1.1.2 Giai đoạn tốc độ sấy không đổi
Kết thúc giai đoạn làm nóng vật, nhiệt độ của vật bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ hóa hơi còn nhệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉ để làm hóa hơi nước Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi Do nhiệt độ không khí nóng không đổi, nhiệt độ của vật không đổi, nên chênh lệch nhiệt độ vật và môi trường cũng không đổi Do vậy tốc độ bay hơi ẩm của vaath cũng không thay đổi Điều này sẽ làm cho tốc độ giảm của độ chứa ẩm của vật liệu theo thời gian ( ∂u ∂ τ ) không đổi, cũng có nghĩa là tốc độ sấy không đổi:
Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi biến thiên của độ chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính Ẩm được thoát ra trong giai đoạn này là ẩm tự do Khi độ ẩm của vật đạt đến trị số giới hạn uk = ucbmax thì giai đoạn có tốc độ sấy không đổi kết thúc đồng thời cũng chấm dứt giai đoạn thoát ẩm tự do chuyển sang giai đoạn tốc độ sấy giảm
3.1.1.3 Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần
Kết thúc giai đoạn sấy tốc dộ không đổi , ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại trong vật là ẩm liên kết Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ ( liên kết càng chặt) Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn trong giai đoạn có tốc độ sấy không đổi, có nghĩa là tốc dộ sấy trong giai đoạn này nhỏ hơn và càng giảm theo thời gian sấy. Quá trình sấy càng tiếp diễn độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm dần cho đến khi đọ của vật giảm dần đến bằng độ ẩm cân bằng ứng với điều kiện môi trường không khí ẩm trong buồng sấy ( ucb, wcb )) thì quá trình thoát ẩm của vật ngừng lại có nghĩa là tốc độ sấy bằng không Trong giai đoạn sấy tốc độ giảm nhiệt độ sấy tăng lên lớn hơn nhiệt độ của nhiệt kế ướt Nhiệt độ ở các lớp bên ngoài mặt tăng nhanh hơn còn càng vào sâu bên trong vật nhiệt độ tăng chậm do đó hình thành gradient nhiệt độ trong vật sấy Khi độ ẩm của vật đã đến độ ẩm cân bằng thì lúc này giữa vật sấy và môi trường có sự cân bằng nhiệt và ẩm Ở cuối quá trình sấy do tốc độ sấy nhỏ nên thời gian sấy kéo dài Người ta sấy đến độ ẩm cuối u2 (w2) lớn hơn độ ẩm cân bằng.
3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ sấy
3.1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí
Trong các điều kiện khác không đổi như: độ ẩm không khí, tốc độ gió,…nâng cao nhiệt độ của không khí sẽ làm tăng nhanh quá trình làm khô Như vậy ở nhiệt độ sấy cao tốc độ làm khô sẽ nhanh hơn Tuy nhiên nhiệt độ tăng cao cũng phải trong giới hạn cho phép, vì nhiệt độ cao sẽ ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm Mặt khác, sự cân bằng giữa quá trình khuếch tán nội và khuếch tán ngoại bị phá vỡ, khuếch ngoại thì lớn còn khuếch tan nội thì nhỏ dẫn đến hiện tượng vỏ cứng ảnh hưởng sự di chuyển của nước từ trong ra Nhưng nếu nhiệt độ làm khô thấp quá, dưới giới hạn cho phép thì quá trình làm khô sẽ chậm lại dẫn đến sự thối rữa, hủy hoại thịt cá Nhiệt độ làm khô tùy thuộc vào loại nguyên liệu, kết cấu tổ chức cơ thịt, phương pháp chế biến và nhiều phương pháp khác.
3.1.2.2 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối không khí Độ ẩm tương đối của không khí cũng là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình làm khô Độ ẩm tương đối không khí càng lớn quá trình làm khô sẽ càng chậm Khi không khí càng khô tức là độ ẩm càng thấp, quá trình khuếch tán tăng, ẩm càng dễ thoát ra hơn Tuy nhiên, cần chú ý đến hiện tượng mất cân bằng trong quá trình khuếch tán nội và khuếch tán ngoại, gây hiện tượng tạo màng cứng Để tránh hiện tượng này người ta áp dụng phương pháp làm khi gián đoạn (vừa sấy vừa ủ ẩm).
3.1.2.3 Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động không khí
Tốc độ chuyển động của không khí có ảnh hưởng lớn đến quá trình làm khô Tốc độ không khí quá lớn hoặc quá nhỏ đều không có lợi cho quá trình sấy Nếu tốc độ quá lớn sẽ làm bay sản phẩm hay khó giữ được nhiệt lượng trên nguyên liệu để cân bằng quá trình sấy, còn tốc độ quá nhỏ làm cho quá trình sấy lâu, dẫn đến sự hư hỏng sản phẩm Khi đó, ngoài sản phẩm sẽ lên mốc gây thối rữa tạo thành lớp dịch nhầy có mày sắc và mùi vị khó chịu Vì vậy cần phải có một tốc độ gió thích hợp, nhất là giai đoạn đầu của quá trình làm khô
3.1.2.4 Ảnh hưởng của áp suất tác nhân sấy
Tốc độ sấy trong khí quyển ở một nhiệt độ nhất định được bểu thị : dW dτ =B¿1 – P2)
P1 – phân áp suất hơi nước trên bề mặt nguyên liệu (mmHg)
P2 – phân áp suất riêng phần hơi nước trong không khí (mmHg)
B – hệ số bay hơi nước trong khí quyển.
B phụ thuộc vào tốc độ gió, hướng gió và cấu tạo của nguyên liệu Khi sấy ở áp lực thường có tốc độ gió không đổi thì B là một hằng số phụ thuộc vào sự truyền dẫn ẩm trong nguyên liệu và sự trao đổi chất trong máy sấy, lúc đó hệ số bay hơi
B được đặc trưng bằng hệ số K, tức là : dW dτ =K¿ 1 – P2)
Như vậy khi sấy trong chân không có nhiệt độ không đổi, thì tốc độ sấy tỉ lệ với hiệu số áp suất trên bề mặt nguyên liệu và trong hệ thống sấy Áp suất P2 trong máy sấy giảm thì tốc độ sẫy sẽ tăng nhưng quan hệ đó không phải là quan hệ bậc nhất.
3.1.2.5 Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THIẾT BỊ BUỒNG SẤY HOA ĐẬU BIẾC
Tính toán các thông số cơ bản của vật liệu
- Lượng sản phẩm sau khi sấy là:
G2 = G1 100−W 100−W 1 2 = 200 100−85 100−15 = 35.3 (kg) Trong đó: W1, W2 là độ ẩm vật liệu trước và sau khi sấy (%)
G1, G2 là khối lượng hoa đậu biếc trước và sau khi sấy (kg)
- Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu sấy trong quá trình sấy:
- Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ:
Tính toán quá trình sấy lý thuyết
Hình 4: Đồ thị I-d của không khí ẩm
4.2.1 Trạng thái không khí bên ngoài (điểm A)
Không khí bên ngoài có nhiệt độ và độ ẩm tương ứng là t0% o C, φ0%
- Áp suất hơi nước bão hòa ở 25 o C:
- Lượng chứa ẩm d0 (là lượng hơi nước chứa trong 1kg không khí khô): d0=0,621 Pkq−φ φ 0 P b 0 P b = 0,621 0,85.0,0315
- Nhiệt dung riêng dẫn xuất Cdx(d0):
Cdx(d0) = Cpk+Cph.d0 = 1,004 + 1,82.0,0172 =1,0534 kJ/kgkk
I0 = Cpk.t0+ d0(r + Cph.t0) Trong đó: Cpk = 1,004 kJ/kgkk: nhiệt dung riêng không khí khô
Cph = 1,842 kJ/kgkk: nhiệt dung riêng hơi nước r = 2500kJ/kg: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước
- Khối lượng riêng của không khí: ρk0 = Pkq−φ Rk (273+t 0 Pbh 0) 10 5 = 0,9933−0,85.0,0315
4.2.2 Trạng thái không khí vào buồng sấy (điểm B) t1e 0 C, d1 = d0= 0,0172 (kg/kg kkk)
- Áp suất hơi nước bão hòa ở 65 o C:
- Khối lượng riêng của không khí: ρk1 = Pkq−φ Rk (273 1 +t Pbh1 1) 10 5 = 0,9933−0,087.0,247
4.2.3 Trạng thái không khí ra khỏi buồng sấy (điểm C)
- Entanpy của không khí không đổi: I2 = I1 = 110,32 (kJ/kgkk)
- Chọn nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi buồng sấy là 40 o C
- Áp suất hơi nước bão hòa ở 40 o C:
- Lượng chứa ẩm d2 là: d2 = I r 2−Cpk t +Cph t 2 2 = 110,32−1,004.40
- Khối lượng riêng: ρk2 = Pkq−φ Rk (273 2 +t Pbh2 2) 10 5 = 0,9933−0,567.0,073
4.2.4 Lưu lượng không khí khô lý thuyết
- Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm tương ứng là: l0 = d 2−d 1 1 = ¿ 1/ (0,027 - 0,0172) 0,034−0,01621 = 102,04 kgkk/kg ẩm
- Lượng không khí cần thiết để làm bốc hơi ẩm trong vật liệu sấy trong 1h là: L= l0.W1h2,04*16,57 = 1680,6 (kgkk)
- Lưu lượng tác nhân sấy là:
Vtb = 0,5.( ρ k L 1+ ρ k 2) = 0,5.(1,002 1680,6 +1,06) = 1630,07 (kg/m 3 ) Điểm Nhiệt độ( 0 C) Độ ẩm tương đối kkk
Lượng chứa ẩm d(kg/kgkk)
Bảng 1: Quá trình sấy lý thuyết
4.2.5 Tiêu hao nhiệt lý thuyết
- Cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy lý tưởng:
Thời gian của một mẻ sấy là 10 tiếng do đó Q0h = 19,57 Kw
- Nếu viết cho một kg ẩm cần bốc hơi của vật liệu sấy thì:
Trong đó: Q’0: nhiệt do không khí đưa vào
4.2.6.2 Nhiệt đưa ra khỏi hệ thống
Trong đó: Q2: nhiệt hữu ích
Q’2: tổn thất nhiệt do khí thoát ra
Hiệu suất sử dụng nhiệt của hệ thống là: Q2 Q0 = 696104,023 401854,8 = 57,73%
Xác định kích thước của thiết bị sấy
- Khối lượng riêng của hoa đậu biếc là 1010 kg/m 3
- Thể tích của 200kg hoa cần sấy là 0,198 m 3 nhưng do các bông hoa không xếp khít nhau nên thể tích là 0,250 m 3
Xem chiều dày lớp nguyên liệu là 0,02m
- Do đó tổng diện tích khay sấy để sấy 200kg hoa là 0,250 0,02 ,5 m 2
- Khay làm bằng inox, thiết kế dạng lưới để nâng cao hiệu suất sấy Ta chọn kích thước khay sấy như sau:
Chiều dài khay: Lk= 800 mm
Chiều rộng khay: Bk= 550 mm
Chiều cao khay: Hk= 30 mm
Chiều dày thành khay, đáy khay: 1,5 mm
- Khay làm bằng inox có ρinox= 7930 kg/m 3 Cinox= 0,5 kJ/kg.K, có gia công lỗ sẵn
- Các lỗ có ∅ = 5 mm, khoảng cách giữa 2 tâm lỗ là 16 mm
- Gọi x là số lỗ trong một hàng
- Gọi y là số lỗ trên một cột 0,55 = 0,004.2 + 0,0015.2 + 0,008 y + (y - 1).0,008
0,008+0,008 = 34 lỗ Vậy số lỗ trên 1 khay là: 50.34 = 1700 lỗ
- Thể tích làm việc của khay
- Thể tích vật liệu làm 1 khay khi chưa đột lỗ ở đáy là: Vk = V – V1
- Thể tích vật liệu làm 1 khay sau khi đột lỗ là: Vinox= Vk – V2
- Khối lượng inox cần làm 1 khay là mk = Vinox Ρ inox = 6,72.10 −4 7930 = 5,3 kg
- Chọn kích thước của xe goong:
- Chọn vật liệu làm xe là thép CT3: ρ = 7850 kg/m 3 , Gt = 1,9 kg/m,
- Thép làm khung là thép đều cạnh có kích thước 20 × 20 mm Độ dày d
- Khung xe được hàn bởi
- Vậy khối lượng khung là mkhung = (4 1,3 + 4.0,85 + 4 0,6) 1,9 = 20,9 kg
- chiều cao của khay là 0,03 m, hai giá đỡ khay cách nhau 0,07 m
- Tính khối lượng giá đỡ
Giá đỡ làm bằng thanh thép CT3: ρ = 7850 kg/m, Gt = 1,9 kg/m, Ct
Mỗi xe đặt 14 khay, theo đó là 56 thanh chữ L 30×30×5mm để 2 bên để có thể giữ cho khay được cân bằng Mỗi thanh có chiều dài là 0,6 m (vì ta hàn vào phần chiều rộng của khung xe để tiết kiệm vật liệu hơn so với hàn vào phần chiều dài của khung xe)
→ khối lượng của giá đỡ là: mg = 0,6.56.1,9 = 63,84 kg
- Bánh xe goong: chiều cao của phần bánh xe là 0,15 m
- Mỗi xe goong gồm 4 bánh xe làm bằng thép tròn đặc có bán kính r = 0,05m và chiều dày l = 0,03m
- Khối lượng 4 bánh xe là: mbx = 4 (0,05 2 3,14 0,03) 7850 = 7,5kg
→Vậy khối lượng một xe goong là: mxe = mkhung + mg + mbx = 20,9 + 63,84 + 7,5= 92,24kg
- Khối lượng vật liệu sấy trên mỗi xe goong là (mỗi khay chứa được 7,14kg) => G = 99,96kg
- Số xe goong cần cần thiết cho cả quá trình sấy là: N = 99.96 200 ¿ 2 xe
Trong đó: ∆L1: khoảng cách từ thành buồng đến xe
∆x: khoảng cách giữa hai xe
Trong đó: ∆B là khoảng cách từ thành buồng đến xe theo chiều dài
Trong đó: ∆H là khoảng cách từ trần buồng đến xe gòong
- Kích thước phủ bì của tủ sấy:
Chiều dài phủ bì của buồng sấy:
L = Lb+ 2 δ 1+2 δ 2+2 δ p 00 + 2.5+2.5+2.70 + 300 = 2000 mm = 2 m Chiều rộng phủ bì của buồng
- Với δ 1 = 5mm là chiều dày lớp thép bao ngoài, δ 2 =5 mm là chiều dày lớp thép bên trong thành buồng, δ p = 70mm là lớp bông thủy tinh cách nhiệt, δ g = 90mm là chiều dày lớp nền
Khối lượng vật liệu trên xe: 99,96kg
Số lượng khay là 14.2 = 28 khay Khối lượng xe: 92,24kg
Khối lượng xe đã chất vật liệu là: 199,2 kg
- Như vậy, nếu bỏ qua cửa để đưa vật liệu sấy vào ra thì tổng diện tích F bao quanh và diện tích nền Fn của buồng sấy là:
Quá trình sấy thực tế
4.4.1 Xác định các tổn thất nhiệt trong hệ thống sấy
4.4.1.1 Tổn thất do vật liệu mang đi q m
Chọn nhiệt độ vật liệu ra khỏi thiết bị sấy là: 55 o C
Qm=Gm.Cm(tm2-tm1) Trong đó: Gm: lượng vật liệu ra khỏi thiết bị
Cm: nhiệt dung riêng của vật liệu ra khỏi thiết bị tm1; tm2: nhiệt độ ra và vào của vật liệu sấy
Cn: nhiệt dung riêng của nước (Cn = 4,18kJ/kg.K)
W2: độ ẩm tuyệt đối của vật liệu ra khỏi thiết bị
Ck: nhiệt dung riêng của vật khô tuyệt đối (kJ/kg.k)
Cm = Ck.(1-W2) + Cn.W2 = 1,5.(1-0,1)+4,18.0,1 = 1,768 kJ/kg
Qm5,3.1,768.(55 - 25)72,3 kJ qm= Qm W = 1872,3 164,7 =¿11,4 kJ/kg ẩm
4.4.1.2 Tổn thất do thiết bị vận chuyển q vc
- Nhiệt độ của khay sấy và xe goong khi đi vào buồng sấy lấy bằng nhiệt độ môi trường: tk1 = t0 = tx1 = 25 o C
- Nhiệt độ của khay sấy và xe goong khi ra khỏi buồng sấy: tk2=tx2= 65 o C
- Nhiệt dung riêng của vật liệu chế tạo xe thép (thép CT3) và khay inox là:
Cx = 0,5 (kJ/kg.K); Ck = 0,5 (kJ/kg.K)
- Tổn thất qua xe goong q xe =n τ
- Tổn thất qua thiết bị vận chuyển q vc =q k +q xe ",09+35,54W,63 (kJ/ kg ẩm)
4.4.1.3 Tổn thất do nhiệt vào môi trường
- Nhiệt độ bên ngoài buồng sấy: tf2 = t0 = 25 o C
- Nhiệt độ bên trong buồng sấy: tf1 = 0,5.(65+40) = 52,5 o C
- Vỏ tủ được làm bằng 2 loại vật liệu: hệ số dẫn nhiệt của thép là λa 46,5W/m.K; bông thủy tinh là λb = 0,058 W/m.K
- Nhiệt tổn thất qua tường:
F là diện tích xung quanh của buồng sấy:
∆t: độ chênh lệch nhiệt độ bên trong và ngoài buồng sấy, o C:
- Ta chọn tốc độ của tác nhân sấy là V = 1,5 m/s
- Với V < 5m/s thì hệ số trao đổi nhiệt cưỡng bức giữa tác nhân sấy và mặt trong tủ sấy : α1 = 6,15 +4,17V = 6,15 + 4,17.2,49 (W/m 2 K)
Giả thiết tw23 0 C, nhiệt độ chênh lệch giữa tường và không khí bên ngoài là Δt=8t=8 0 C
Hệ số hiệu đính theo nhiệt độ 𝜑T=0,975
- Kiểm tra lại giả thiết: tw2 = tk – 25,92.(14,49 1 +0,075 0,1 )1,27 0 C sai số so với giả thiết là 5%, vậy giả thiết đúng
- Tổn thất nhiệt qua tường:
Với bề mặt nóng quay lên như trần buồng sấy thì hệ số trao đổi nhiệt đối lưu α 2 tr = 1,3 α 2 = 1,3.3,28 = 4,26 W/m 2 K.
Trần buồng sấy gồm lớp thép bao ngoài, ở giữa là lớp bông thủy tinh dày δ 2 = 70 mm có hệ số dẫn nhiệt λ 2= 0,058 W/m.K
- Tổn thất nhiệt qua nền:
Mật độ dòng nhiệt tổn thất qua nền lấy theo kinh nghiệm q n WW/m2
Qn=3,6 F q n =3,6.2,4.57I2,48kJ/h → qn = Qn W = 2,95 kJ/kg
Cửa tủ sấy được làm bằng thép CT3, tiếp đến là lớp bông thủy tinh cách nhiệt dày δ 1 = 70 mm và hệ số dẫn nhiệt λ1 = 0,058 W/m.K
Tổng tổn thất vào môi trường
Q mt = Qt + Qn +2Qc + Q tr
Tổng các tổn thất nhiệt đã tính được: q = qbc + qvl + qvc = 15,09+10,6 +57,63,3 (kJ/ kg)
4.4.2 Tính toán quá trình sấy thực tế
Với : i2 : entanpy của hơi nước
Cph : Nhiệt dung riêng của hơi nước Cph=1,9 kJ/kgK
Cpk : Nhiệt dung riêng của không khí khô.Cpk=1 kJ/kgK
∆=C n t m −q tổng =4,18.25−84,1 ,4( kg ẩm kJ ) i 1 =r+C ph t 1 %00+1,9.65&23,5( kJ kg ) i 2 =r+C ph t 1C %00+1,9.40%76( kJ kg ) d 2 =1.004(65−40)+0,0172.(2623,5−20,4)
- Khối lượng riêng: ρk2 = Rk (273+t P−φ 2 Pbh 2) 2 10 5 = 0,9933−0,565.0,073
- Lượng không khí khô cần thiết bốc hơi 1kg ẩm vật liệu sấy là : l 0 = 1 d 2 −d 1 = 1
- Lượng không khí khô bốc hơi trong 1 giờ là :
Quá trình sấy lý thuyết Quá trình sấy thực tế
Không khí vào trong buồng sấy
Không khí ra khỏi buồng sấy
Bảng 2: So sánh quá trình sấy lý thuyết và quá trình sấy thực tế
4.4.3 Tính toán cân bằng nhiệt
- Nhiệt lượng cung cấp: q v =l 0 ( I 1−I 0 )2,04.(110,32−68,9)B26,5 kJ kg ẩm
- Nhiệt lượng ra khỏi hệ thống:
- Nhiệt lượng có ích Q(i) : q (i) =i 2 −C n t m1 %76−4,18.25$71, 5( kg ẩm kJ )
- Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi : q ( TNS ) =l 0 C pk ( t 2−t 0 )2,04.1 004(40−25)42( kg ẩm kJ )
- Tổng lượng nhiệt có ích và các tổn thất là : q r =Q(i)+Q ( TNS ) +Q tổng $71,5+1542+84,1@97,6( kg ẩm kJ )
=> thỏa mãn điều kiện sai số.
- Hiệu suất của thiết bị sấy là : H= Qv Q = 2471,5 4226,5.100 %X,5%
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ TRỢ CALORIPHE
Tính chọn calorife (Calorifer khí – hơi)
Nhận thấy giai đoạn 1 có nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy là lớn nhất. Vậy, ta sẽ tính chọn calorifer theo giai đoạn này
- Nhiệt lượng mà calorifer cần cung cấp cho tác nhân sấy Q là:
L: là lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy thực tế, kg/h
I 0 , I 1: Entanpy của tác nhân sấy trước và sau khi ra khỏi calorifer, kJ/kgkk Vậy Q 010 (110,32– 68,9)p4554,2 kJ/h ,57kW
- Công suất nhiệt của calorifer:
Q cal = n Q cal , kJ/h Trong đó: Q: nhiệt lượng đưa vào buồng sấy, kW hay kJ/h n cal : hiệu suất nhiệt của calorifer, 0,95 ÷ 0,97
- Tiêu hao hơi nước ở Calorifer
Do nhiệt độ tác nhân sấy không quá cao nên ta chọn lò hơi có áp suất bão hòa là 5 bar
Tiêu hao hơi nước ở calorifer D= Q cal i h −i '
Trong đó: i h −¿entanpi của hơi vào calorifer Đây là hơi bão hòa khô ở 5 bar Vậy ih'49 kJ/kg i ' −¿entanpi của nước bão hòa, i ' d0 kJ/kg
- Bề mặt truyền nhiệt của calorifer F được tính theo công thức:
F= Q k × ∆ t cal × n cal tb , m 2 (công thức trang 138– [1])
F: diện tích trao đổi nhiệt, bề mặt phía có cánh, m 2
∆ t tb : độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hơi và không khí, ℃ k: hệ số truyền nhiệt của thiết bị, W/m 2 K chọn k = 20,8W/m 2 k với lưu tốc không khí là 4 kg/m 2 s và trở lực phía không khí là 3,0 mmHg.
- Tính chênh lệch nhiệt độ trug bình ∆ t tb :
Với t s là nhiệt độ bão hòa của hơi nước, tra bảng nước và hơi nước bão hòa theo áp suất 5 bar ta có:
Nhiệt độ hơi bão hòa của hơi nước: t s = 152℃.
- Bề mặt truyền nhiệt của calorifer:
20.8×105,7 = 8,9 m 2 Dựa vào phụ lục I - bảng 4 – trang 182 - [1], ta chọn caloriferK ∅ 10- Kiểu II
Theo bảng 5, PL1 ta chọn 2 calorife K ∅ 1−¿ kiểu 2 với diện tích bề mặt trao đổi nhiệt là: 9,3 m 2 Tiết diện không khí của calorife này là f k = 0,084 m 2
Kiểm tra lại lưu tốc không khí: ρ v = L f 1 k
= 1701 3600.0,084 = 5,63 kg/m 2 s Sai số 10,7% nên chọn calorife K ∅ 1 kiểu 2 là chấp nhận được
BMTĐN(m 2 ) Diện tích tiết diện khí đi qua(m 2 )
Diện tích tiết diện môi chất đi qua(m 2 )
Kích thước(mm) Đường kính ống môi chất vào(dm) Dài
