ky-thuat-say: Nội dung: Chương 2: Tính Toán Nhiệt Thiết Bị Sấy

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

Trình bày được nguyên tắc cân bằng chất (mass balance) và cân bằng nhiệt (heat balance) cho toàn bộ hệ thống sấy.
Biểu diễn quá trình sấy trên đồ thị $I-d$ (đồ thị không khí ẩm) và xác định các thông số trạng thái.
Tính toán được các thông số kỹ thuật chính của hệ thống sấy, bao gồm lưu lượng tác nhân sấy, năng suất nhiệt cần cung cấp, và hiệu suất nhiệt của thiết bị.

Phương pháp sấy được phân loại dựa trên cách cung cấp nhiệt:

Sấy đối lưu (Convective Drying): Nhiệt được truyền từ tác nhân sấy (không khí nóng, khói nóng) đến vật liệu thông qua sự tiếp xúc và đối lưu. (Phương pháp phổ biến nhất).
Sấy dẫn nhiệt (Conductive Drying): Vật liệu tiếp xúc trực tiếp với bề mặt nóng (ví dụ: sấy thùng quay có gia nhiệt).
Sấy bức xạ (Radiative Drying): Sử dụng bức xạ hồng ngoại hoặc vi sóng.
Sấy thăng hoa (Freeze Drying): Sấy ở điều kiện chân không và nhiệt độ thấp (chuyển từ đá sang hơi), dùng cho thực phẩm cao cấp.

Thiết bị sấy được phân loại dựa trên nguyên lý hoạt động:

Sấy buồng (Chamber Dryers): Sấy gián đoạn (Batch), vật liệu đứng yên.
Sấy hầm (Tunnel Dryers): Sấy liên tục (Continuous), vật liệu di chuyển trên xe goòng.
Sấy băng tải (Conveyor Dryers): Sấy liên tục, vật liệu di chuyển trên băng tải.
Sấy thùng quay (Rotary Dryers): Vật liệu và tác nhân sấy tiếp xúc trực tiếp, quay để đảo trộn vật liệu.

Quy trình thiết kế hệ thống sấy gồm các bước chính:

Xác định yêu cầu: Xác định khối lượng, độ ẩm ban đầu ($W_1$) và độ ẩm cuối ($W_2$) của vật liệu.
Tính toán Cân bằng Chất: Xác định khối lượng nước cần loại bỏ ($M_w$).
Lựa chọn Tác nhân sấy và Phương pháp sấy.
Tính toán Cân bằng Nhiệt: Xác định lưu lượng tác nhân sấy ($G_k$) và năng suất nhiệt ($Q$) cần cung cấp.
Thiết kế Sơ đồ sấy và Chọn thiết bị.

Mục đích là xác định khối lượng nước cần loại bỏ ($M_w$) và lưu lượng vật liệu khô ($M_k$).

$$M_w = M_k \cdot (W_1 - W_2) \quad (\text{kg nước/giờ})$$

Trong đó: $M_k$ là khối lượng vật liệu khô tuyệt đối ($\text{kg/h}$), $W_1$ và $W_2$ là độ ẩm ban đầu và cuối (cơ sở khô).

Cân bằng nhiệt được thiết lập theo nguyên tắc: Nhiệt cấp vào = Nhiệt thoát ra.

$$Q_{\text{cấp}} = Q_{\text{vật\ liệu}} + Q_{\text{thoát\ ẩm}} + Q_{\text{mất\ mát}}$$

$Q_{\text{cấp}}$: Nhiệt lượng do buồng đốt/bộ gia nhiệt cung cấp.
$Q_{\text{vật\ liệu}}$: Nhiệt làm nóng vật liệu.
$Q_{\text{thoát\ ẩm}}$: Nhiệt làm bay hơi lượng ẩm $M_w$ (chính là $\Delta I$ của tác nhân sấy).
$Q_{\text{mất\ mát}}$: Nhiệt mất qua vách, ống dẫn, v.v.

Hiệu suất nhiệt đánh giá mức độ sử dụng nhiệt hiệu quả của hệ thống sấy.

$$\eta = \frac{Q_{\text{có\ ích}}}{Q_{\text{cấp}}} = \frac{Q_{\text{thoát\ ẩm}}}{Q_{\text{cấp}}}$$

Trong đó, $Q_{\text{có\ ích}}$ là nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi lượng ẩm $M_w$ (nhiệt ẩn hóa hơi).

Quá trình sấy đoạn nhiệt (Adiabatic Drying) – không khí mang nhiệt và ẩm đi mà không nhận thêm nhiệt từ bên ngoài (chỉ xét buồng sấy).

Trạng thái 1 ($t_1, d_1, I_1$): Trạng thái không khí đi vào buồng sấy (sau khi qua bộ gia nhiệt).
Trạng thái 2 ($t_2, d_2, I_2$): Trạng thái không khí đi ra khỏi buồng sấy.

Biểu diễn trên $I-d$: Quá trình sấy 1 $\to$ 2 là quá trình Tăng ẩm và Giảm nhiệt độ, gần như đi theo đường Đẳng Entanpy ($I \approx \text{const}$) (hoặc tăng $I$ nhẹ do nhiệt mất).
Tính toán Lưu lượng Tác nhân sấy ($G_k$):
$$G_k = \frac{M_w}{d_2 - d_1} \quad (\text{kg không khí khô/giờ})$$
Trong đó, $M_w$ là lượng nước cần loại bỏ ($\text{kg/h}$).

Khi sử dụng Khói nóng (Gas cháy) làm tác nhân sấy, cần lưu ý:

Trạng thái: Khói nóng được coi như không khí khô có nhiệt độ cao, nên quá trình tính toán trên $I-d$ vẫn tương tự (tuy nhiên, phải tính toán entapin của khói và hàm ẩm của khói).
Đồ thị $I-d$ mở rộng: Đôi khi cần sử dụng đồ thị $I-d$ mở rộng cho nhiệt độ cao (ví dụ: $300^\circ\text{C}$ - $500^\circ\text{C}$) hoặc sử dụng công thức giải tích vì đồ thị tiêu chuẩn thường chỉ dừng lại ở $100^\circ\text{C}$.

Các sơ đồ sấy cơ bản dựa trên cách luân chuyển tác nhân sấy:

Sơ đồ Thẳng (Flow-through): Toàn bộ tác nhân sấy sau khi qua buồng sấy được thải ra ngoài. (Đơn giản, tiêu hao năng lượng lớn).
Sơ đồ Tuần hoàn (Recirculation): Một phần tác nhân sấy sau khi ra khỏi buồng sấy được hồi về, hòa trộn với không khí tươi và được tái sử dụng (tiết kiệm năng lượng).
Sơ đồ Khép kín (Closed Loop): Sử dụng cho vật liệu nhạy cảm hoặc đắt tiền, tác nhân sấy được sấy khô trở lại bằng dàn lạnh (khử ẩm) và tái sử dụng hoàn toàn (áp dụng cho sấy bơm nhiệt).