ky-thuat-say: Nội dung: Chương 1: Vật Liệu Ẩm, Tác Nhân Sấy

Sau khi hoàn thành chương này, người học có thể:

Trình bày được các khái niệm cơ bản về vật liệu ẩm, tác nhân sấy và các đặc trưng trạng thái ẩm của vật liệu.
Mô tả được các dạng liên kết ẩm và vai trò của năng lượng liên kết ẩm.

Vật liệu Ẩm (VLA): Là vật liệu có chứa chất lỏng (thường là nước) liên kết với vật liệu ở các dạng khác nhau.
Độ ẩm ($W$): Lượng chất lỏng chứa trong vật liệu.
- Độ ẩm Cơ sở Khô ($W_k$): Lượng nước tính theo khối lượng vật liệu khô tuyệt đối. Đây là thông số thường dùng nhất trong kỹ thuật sấy.
  $$W_k = \frac{m_w}{m_k} \quad (\text{kg nước/kg vật liệu khô})$$
- Độ ẩm Cơ sở Ướt ($W_u$): Lượng nước tính theo khối lượng vật liệu ẩm ban đầu.
  $$W_u = \frac{m_w}{m_a} \quad (\text{kg nước/kg vật liệu ẩm})$$
- Độ ẩm Cân bằng ($W_c$): Độ ẩm mà vật liệu đạt được khi nằm trong môi trường có trạng thái nhiệt ẩm ổn định (vật liệu không trao đổi ẩm thêm với môi trường).
- Độ ẩm Tự do ($W_{td}$): Phần ẩm mà tác nhân sấy có thể loại bỏ. $W_{td} = W - W_c$.

Các dạng liên kết quyết định độ khó của quá trình tách ẩm:

Ẩm Hóa học (Chemical Bond): Nước liên kết chặt chẽ ở dạng hydrat tinh thể. Rất khó tách, cần nhiệt độ cao, thường không tách bằng sấy thông thường.
Ẩm Hấp phụ (Adsorption Bond): Nước liên kết trên bề mặt mao quản, bề mặt bên trong vật liệu bằng lực phân tử (Vander Waals). Tách ẩm cần nhiệt độ cao hơn độ ẩm cân bằng.
Ẩm Cơ học (Mechanical Bond): Nước nằm trong các mao quản lớn, khe hở, hoặc bám trên bề mặt ngoài của vật liệu. Đây là phần ẩm dễ tách nhất.

Vật liệu ẩm được chia thành hai loại chính dựa trên đặc tính liên kết ẩm:

Vật liệu Keo (Colloidal Materials): Vật liệu hữu cơ (gỗ, da, giấy, thực phẩm). Phần lớn ẩm là ẩm liên kết vật lý-hóa học (hấp phụ, mao dẫn) và độ ẩm cân bằng cao.
Vật liệu Không Keo (Non-Colloidal Materials): Vật liệu vô cơ (cát, gạch, đá). Phần lớn ẩm là ẩm cơ học (nước tự do trong mao quản) và độ ẩm cân bằng thấp.

Là hiện tượng nước (hoặc chất khí) bám dính trên bề mặt vật liệu rắn do lực liên kết phân tử (lực bề mặt).
Hấp thụ (Absorption): Hiện tượng nước xâm nhập và phân tán vào toàn bộ thể tích vật liệu (ví dụ: bọt biển hút nước).
Hấp phụ (Adsorption): Là cơ chế liên kết chính của nước trong các vật liệu xốp, đặc biệt là ở độ ẩm thấp.

Là năng lượng cần thiết để phá vỡ các liên kết giữa nước và vật liệu (hóa học, vật lý).
Độ ẩm càng thấp, liên kết càng chặt, năng lượng liên kết ẩm càng lớn, quá trình tách ẩm càng khó khăn và tốn năng lượng hơn.

Các đặc trưng này quyết định lượng nhiệt cần cung cấp và tốc độ truyền nhiệt:

Nhiệt dung riêng ($c$): Khả năng hấp thụ nhiệt của VLA. $c_{\text{VLA}}$ là hàm của độ ẩm.
Hệ số dẫn nhiệt ($\lambda$): Khả năng truyền nhiệt qua VLA. $\lambda_{\text{VLA}}$ tăng khi độ ẩm tăng.
Khối lượng riêng ($\rho$): Khối lượng vật liệu trên một đơn vị thể tích.

Tác nhân Sấy (Drying Agent): Là môi chất mang nhiệt và mang ẩm đi, thường là chất khí nóng.
Yêu cầu: Có khả năng mang nhiệt cao, có khả năng hấp thụ hơi ẩm lớn, giá thành rẻ, và an toàn.

Là tác nhân sấy phổ biến nhất do tính sẵn có và chi phí thấp.
Các thông số quan trọng (Đồ thị $I-d$):
- Nhiệt độ ($t$): Cung cấp nhiệt để bay hơi ẩm.
- Độ ẩm tương đối ($\varphi$)/Hàm ẩm ($d$): Quyết định khả năng nhận ẩm của không khí. $\varphi$ càng thấp, khả năng nhận ẩm càng cao.

Shutterstock

Là tác nhân sấy được tạo ra từ quá trình đốt nhiên liệu (củi, than, dầu, gas).
Ưu điểm: Nhiệt độ rất cao, hiệu suất nhiệt lớn.
Nhược điểm: Có thể chứa tro, bụi, khí độc hại (cần bộ lọc) nên chỉ dùng cho các vật liệu không yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm.

Quá trình sấy được chia làm các giai đoạn:

Giai đoạn Làm nóng: Vật liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ bay hơi.
Giai đoạn Tốc độ sấy không đổi ($W > W_{kh}$): Ẩm tự do bay hơi, tốc độ bay hơi chỉ phụ thuộc vào tác nhân sấy. Nhiệt độ bề mặt vật liệu $\approx$ nhiệt độ bầu ướt.
Giai đoạn Tốc độ sấy giảm dần ($W < W_{kh}$): Ẩm liên kết bay hơi. Tốc độ sấy giảm vì tốc độ truyền ẩm từ bên trong ra bề mặt giảm dần. Nhiệt độ vật liệu tăng dần.