44 MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Để áp ứng yêu cầu sử dụng nước, chất lượng sản phẩm đặc biệt loại nông sản lâm sản sấy khô cần phải tuân theo nguyên tắc thương mại quốc tế Đó u cầu chất lượng khắt khe hình dáng kích thước thể tích sản phẩm; màu sắc sản phẩm; nồng độ vị, chất thơm chất khác; thấm nước thấm khí trở lại sản phẩm sấy; độ ẩm cuối đạt tùy theo nhu cầu sử dụng bảo quản sản phẩm So với nhiều phương pháp sấy khác, phương pháp sấy chân không phương pháp đáp ứng đầy đủ yêu cầu chất lượng phương pháp rút ngắn thời gian sấy cách đáng kể, phương pháp áp dụng cho sấy vật liệu khơ chậm, khó sấy, có u cầu chất lượng sấy cao Bởi động lực suốt q trình sấy chân khơng độ chênh áp suất, tạo bơm chân không thiết bị kèm theo khác thiết bị ngưng tụ, vật liệu chân không đặc biệt dụng cụ đo, kiểm tra chân khơng cho phép tính tốn chọn lựa để đạt độ chân không sâu, tạo nên độ chênh áp suất lớn áp suất nước bão hòa bề mặt vật phân áp suất nước môi trường đặt vật sấy Mặt khác, điều kiện chân khơng thấp, nhiệt độ hóa nước thấp, làm tăng cường q trình ẩm vật, phương pháp sấy chân khơng tiến hành sấy nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ mơi trường Vì sản phẩm sấy chân khơng khơng bị tác động gây biến tính nhiệt độ cao giữ gần đầy đủ tính chất đặc trưng ban đầu Do sản phẩm sấy khô phương pháp giữ lâu dài bị tác động điều kiện bên ngồi Trong thực tế, phương pháp sấy chân khơng áp dụng phổ biến nước tiên tiến Châu Âu Châu Á Tuy nhiên giá thành thiết bị cao vận hành phức tạp, phương pháp sấy chưa áp dụng rộng cho công nghiệp nước ta Điều kiện tiếp thu cơng nghệ sinh viên thể bị hạn chế nhiều, đặc biệt điều kiện thực hành, tiếp xúc thực tế cịn ít, việc học tập nghiên cứu chủ yếu lý thuyết Xuất phát từ yêu cầu thực tế, đề tài thực với mục đích xây dựng nên mơ hình thí nghiệm thiết bị sấy chân khơng, phục vụ cho nhu cầu học tập, thí nghiệm nghiên cứu bạn sinh viên khoa, trường Với mong muốn từ mơ hình thí nghiệm, bạn thấy phần thực tiễn, thực thí nghiệm, để từ thêm yêu thích hiểu cặn kẽ chuyên 45 ngành sấy Đó tiền đề cho các bạn sau trường áp dụng kiến thức kỹ thuật sấy nói chung phương pháp sấy chân không vào ngành sản xuất nước ta PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài nghiên cứu theo phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU + Các tài liệu kỹ thuật chân không + Các tài liệu kỹ thuật sấy sấy chân không + Các tài liệu vật liệu ẩm + Tạp chí Khoa học Cơng Nghệ Nhiệt Ý NGHĨA THỰC TIỄN + Phục vụ cho nhu cầu học tập, thí nghiệm nghiên cứu bạn sinh viên khoa, trường + Xác định thời gian sấy cho ba loại vật liệu đặc trưng cho số loại vật liệu ẩm + Sản phẩm sấy phương pháp sấy chân không cho chất lượng tốt, mở triển vọng ứng dụng vào thực tế Việt Nam CHƯƠNG VẬT LIỆU ẨM 1.1 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ẨM LIÊN QUAN ĐẾN QUÁ TRÌNH SẤY 1.1.1 Đặc trưng trạng thái ẩm vật liệu Đối tượng trình sấy vật liệu ẩm, vật ẩm ln có chứa lượng ẩm định Vật liệu ẩm chia làm nhóm chính: + Nhóm 1: Vật keo đặt trưng_ Vật liệu nhóm tách ẩm cịn giữ ngun kích thước tính đàn hồi dẻo (Vd: Zêlatin, aga, ) 46 + Nhóm 2: Vật xốp mao dẫn _ Vật liệu nhóm tách ẩm trở nên giịn (Vd: Thạch cao, gốm sứ, ) + Nhóm 3: Vật keo xốp mao dẫn _ Vật liệu nhóm có thành mao dẫn dẻo đàn hồi, thấm nước trương nở (Vd: gỗ, loại ngũ cốc ) Vật keo mao dẫn xốp có tính chất tổng hợp hai nhóm Trong thực tế hầu hết vật liệu ẩm thuộc nhóm Trạng thái vật liệu ẩm xác định nhiệt độ độ ẩm Độ ẩm vật biểu diễn qua độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm toàn phần, độ chứa ẩm nồng độ ẩm a Độ ẩm tuyệt đối_ Kí hiệu:WO [ %] Là tỷ số khối lượng ẩm chứa vật với khối lượng vật khô tuyệt đối Được xác định theo công thức: wo= Gn ⋅ 100[ %] Gk (1-1) Trong đó: Gn- Khối lượng ẩm chứa vật liệu, [kg] Gk- Khối lượng vật khơ tuyệt đối, [kg] b Độ ẩm tồn phần_ Kí hiệu: W [ %] Là tỷ số khối lượng ẩm chứa vật với khối lượng vật ẩm Được xác định theo công thức: w= Gn ⋅ 100[ %] G (1-2) Trong đó: G = Gn + Gk , [kg] khối lượng vật ẩm Từ biểu thức (1-1) (1-2) ta có mối quan hệ độ ẩm tuyệt đối độ ẩm toàn phần: wo = Gn w ⋅ 100 = 100% Gk 100 − w (1-3) c Độ chứa ẩm_ Kí hiệu: u, [kg ẩm/ kg vật khơ] Là tỷ số lượng chứa ẩm vật với khối lượng vật khơ tuyệt đối Được tính theo cơng thức: u= Gn , [kg ẩm/kg vật khô] Gk (1-4) 47 Nếu độ chứa ẩm phân bố toàn vật thể ta có quan hệ sau: wo = 100 u [%] Hay u = wo , [kg/kg] (1-5) 100 d Nồng độ ẩm_ Kí hiệu: N, [kg/m3 ] Là khối lượng ẩm chứa 1m3 vật thể Ta có: N= Gn , [kg/m3] V (1-6) Trong đó: V- Thể tích vật Nếu gọi ρ k khối lượng riêng vật khơ tuyệt đối từ (1-4) (1-6) ta có: N = u ρ k Nếu giả thiết thể tích vật khơng thay đổi q trình sấy, tức V = V k, Vk thể tích vật khơ tuyệt đối, ta có: N = u ρo Trong đó: ρ = Gk khối lượng vật khô tuyệt đối V e Độ ẩm cân bằng_ Kí hiệu: Wcb , ucb Là độ ẩm vật trạng thái cân với mơi trường xung quanh vật Khi độ chứa ẩm vật đồng phân áp suất nước bề mặt vật ẩm phân áp suất nước có mơi trường tác nhân sấy Trong kỹ thuật sấy, độ ẩm cân có ý nghĩa lớn, xác định giới hạn q trình sấy dùng để xác định giới hạn trình sấy độ ẩm cuối trình sấy loại vật liệu điều kiện môi trường khác 1.1.2 Các dạng liên kết ẩm vật liệu Khi nghiên cứu trình sấy cần phải xác định dạng tồn hình thức liên kết ẩm với vật khô Vật ẩm thường tập hợp pha : rắn, lỏng Các vật rắn đem sấy thường vật xốp mao dẫn Trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể gồm phần rắn khô ẩm lỏng, (bỏ qua thành phần hỗn hợp khí - vật) Diễn biến trình sấy vật ẩm bị chi phối dạng liên kết ẩm vật Có nhiều cách phân loại dạng liên kết ẩm cách phân loại P.H Rơbinde sử dụng rộng rãi nêu chất hình thành dạng liên kết ẩm vật 48 liệu Theo cách này, tất dạng liên kết ẩm chia thành nhóm là: Liên kết hố học, liên kết hoá lý liên kết lý a Liên kết hoá học Thể dạng liên kết ion hay liên kết phân tử Lượng ẩm liên kết hoá học chiếm tỉ lệ định Liên kết ion hình thành phản ứng hố học bền vững Muốn phá vỡ liên kết phải dùng phản ứng hoá học nung đến nhiệt độ cao Còn liên kết phân tử ta quan sát qua q trình kết tủa dung dịch Vật liệu bị tách ẩm liên kết hố học tính chất thay đổi Nói chung q trình sấy (nhiệt độ từ 120÷1500C) khơng tách ẩm liên kết hố học, q trình sấy u cầu giữ ngun tính chất hố lý vật b Liên kết hoá lý Thể dạng liên kết hấp thụ liên kết thẩm thấu Lượng ẩm liên kết hố lý khơng theo tỉ lệ định Liên kết hấp thụ Trong vật ẩm ta gặp vật keo Vật keo có cấu tạo dạng hạt Bán kính tương đương ht t 0,001ữ0,1à Do cu to ht nờn vt keo có bề mặt bên lớn, có lượng bề mặt tự đáng kể Khi tiếp xúc với khơng khí ẩm hay trực tiếp với nước, ẩm xâm nhập vào vật theo bề mặt tự tạo thành liên kết hấp thụ nước bề mặt Xét tượng phân tử nằm khối lỏng cân lực phía, phân tử nằm bề mặt khối lỏng không cân lực nên bị hút vào bên Nhờ lượng tự mà phân tử lớp ngồi vật có khả hút phân tử môi trường xung quanh Nếu mối liên kết phân tử môi trường xung quanh yếu tiếp xúc với vật, số phân tử môi trường bị hút lên bề mặt vật hình thành nên mối liên kết hấp thu bề mặt Hiện tượng hấp thu xảy lịng vật ẩm Xét vật đặt mơi φ (%) trường khơng khí ẩm Mơi trường khơng khí ẩm đánh giá nhiều yếu tố: nhiệt độ t, độ ẩm wcb = 100 tương đối φ Nếu vật chưa bão hồ diễn q trình hấp thu ẩm từ mơi trường vào vật Quá trình hấp thu ban đầu diễn mạnh mẽ, sau giảm dần đạt đến trạng thái cân bằng, nghĩa độ ẩm vật tăng dần đến độ ẩm cân Đường cong hấp thu đẳng nhiệt wcb = f(ϕ)t = const wcbgh wcb (%) 49 wcb, ứng với thơng số mơi trường (t,φ) Liên kết thẩm thấu Liên kết thẩm thấu liên kết hố lý nước vật rắn có chênh lệch nồng độ chất hòa tan ngồi tế bào, tức có chênh lệch áp suất nước Q trình thẩm thấu khơng kèm theo tượng tỏa nhiệt không làm cho vật biến dạng Về chất, ẩm thẩm thấu tế bào khơng khác với bình thường khơng chứa chất hịa tan chất hồ tan khuếch tán vào tế bào với nước c Liên kết lý Đây mối liên kết vật nước với tỉ lệ không hạn định, hình thành sức căng bề mặt nước mao dẫn hay bề mặt vật Được chia làm ba dạng: liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn, liên kết thấm ướt Liên kết cấu trúc Được hình thành trình hình thành vật (ví dụ q trình đơng đặc ) Để tách nước trường hợp dùng phương pháp nén ép, làm cho nước bay phá vỡ cấu trúc vật Sau tách nước, vật bị biến dạng nhiều, thay đổi tính chất chí thay đổi trạng thái pha Liên kết mao dẫn Nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản, ví dụ gỗ, vải Trong vật thể có vơ số mơ quản Các vật thể để khơng khí, nước theo mao quản xâm nhập vào vật thể Khi vật thể đặt mơi trường khơng khí ẩm nước ngưng tụ bề mặt mao dẫn theo mao quản xâm nhập vào vật thể Tách ẩm liên kết mao dẫn phương pháp làm cho ẩm bay đẩy ẩm áp suất lớn áp suất mao dẫn Vật sau tách ẩm mao dẫn nói chung giữ kích thước, hình dáng tính chất hố lý Liên kết dính ướt Được hình thành nước bám dính vào bề mặt vật với góc dính ướt