Quá trình sấy lý thuyết
Khái quát
Sấy là quá trình làm giảm lượng nước trong vật liệu bằng các làm cho nước trong vật liệu này bốc hơi. Điều đó thường được thực hiện bằng cách thổi qua vật liệu sấy một dòng không khí có nhiệt độ cao và độ ẩm tương đối thấp. Sự tiếp xúc của vật liệu với dòng không khí này làm vật liệu nóng lên. Nhờ đó nước trong vật sẽ hóa hơi, thoát ra và được dòng không khí mang đi. Theo nguyên tắc này, sự bay hơi nước được thực hiện nhờ tác dụng phối hợp của nhiệt độ cao và sự lưu chuyển của không khí. Sơ đồ cơ bản của một hệ thống sấy như vậy được trình bày trên Hình 5.
Hình 5 Sơ đồ hệ thống sấy
Một hệ thống sấy thường gồm ba phần chính sau:
- Buồng sấy : là nơi ta đặt vật liệu sấy và cũng là nơi xẩy ra quá trình bay hơi nước từ vật liệu sấy.
- Quạt : cung cấp dòng không khí thổi qua buồng sấy.
- Bộ phận gia nhiệt : làm nóng không khí.
Quá trình sấy
Quá trình sấy diễn tiến qua hai giai đoạn sau: (Hình 6)
- Không khí ngoài trời ở trạng thái 1, được quạt hút vào và thổi qua bộ phận gia nhiệt. Không khí được cấp nhiệt, nóng lên đến trạng thái 2 . Trong quá trình gia nhiệt này, độ chứa hơi của không khí không thay đổi, `d_1 = d_2`. Do vậy quá trình ấy được biểu diễn bằng một đoạn thẳng nằm ngang 12 trên đồ thị không khí ẩm.
- Không khí nóng được thổi qua buồng sấy, gia nhiệt cho vật, làm cho nước bay hơi, và không khí sẽ mang theo nước ấy, thoát ra buồng sấy ở trạng thái 3. Vì thế nhiệt độ không khí giảm đi `(t_3 < t_2)` và độ chứa hơi tăng lên `(d_3 > d_2)`. Không khí mất một phần năng lượng cho vật nhưng nhận lại năng lượng chứa trong nước từ vật bốc hơi. Trong quá trình sấy lý thuyết, ta xem hai lượng năng lượng này tương đương nhau nên trong giai đoạn sấy, entanpy không đổi: `h_2 = h_3`. Vì thế, trên đồ thị không khí ẩm, giai đoạn này được biểu diễn bằng đoạn thẳng nghiêng 23, theo đường entanpy không đổi.
Hình 6 Quá trình sấy trên đồ thị không khí ẩm
Lượng nhiệt và không khí cần cung cấp
Đối với một hệ thống sấy, hai đại lượng cơ bản nhất cần xác định là lượng không khí cần thiết và lượng nhiệt cung cấp để lấy đi 1 kg nước từ vật sấy. Các đại lượng này được xác định bằng cách lý luận như sau:
Nếu ta đưa 1 kg không khí khô qua hệ thống thì nó nhận lượng nhiệt là `h_2 – h_1` và lấy đi từ vật sấy một lượng nước là `d_3 – d_1`.
Vậy để lấy đi 1 kg nước từ vật sấy thì lượng không khí khô cần thiết là:
| `M_k=1/(d_3-d_1)` | (13) |
Và lượng không khí ẩm cần là:
`M=M_k(1+d_1)`(14)
Đơn vị của `M_k` và `M` là kg/kg n.
Và lượng nhiệt cần cung cấp là :
`Q=M_k(h_2-h_1)`(15)
Đơn vị của `Q` thường là kJ/kg n.
Thí dụ
Trong một quá trình sấy, người ta sử dụng khí trời ở 30ºC và ẩm độ tương đối là 70%. Không khí này được gia nhiệt đến 70ºC, đưa qua buồng sấy và rời khỏi nơi này ở 45ºC.
1. Sử dụng giản đồ trắc ẩm để xác định các thông số và điền thêm vào những vị trí còn thiếu trong bảng sau:
| Thông số | Trạng thái 1 | Trạng thái 2 | Trạng thái 3 |
|---|---|---|---|
| `t` (ºC) | 34 | 70 | 45 |
| `varphi` (%) | 70 | ||
| `d` (kg/kg k) | |||
| `h` (kJ/kg k) |
Lời giải
Sử dụng đồ thị không khí ẩm để tra cứu, ta thu được:
- `d_1 = 0,019` kg/kg k
- `h_1 = 79` kJ/kg k
- `varphi_2 = 9,5%`
- `d_2 = d_1 = 0,019` kg/kg k
- `h_2 = 123` kJ/kg k
- `varphi_3 = 50%`
- `d_3 = 0,031` kg/kg k
- `h_3 = h_2 = 0,031` kJ/kg k
2. Xác định lượng nhiệt và không khí cần cung cấp để lấy đi 1 kg nước từ vật sấy.
Lời giải
Để lấy đi 1 kg nước từ vật sấy, thì :
- Lượng không khí khô cần dùng :
`M_k=1/(d_3-d_1)=1/(0,031-0,019)=83,33\ "kg/kg k"` - Lượng không khí ẩm cần dùng :
`M = M_k(1 + d_1) = 83,33xx(1 + 0,019) = 84,91` kg/kg n - Lượng nhiệt cần cung cấp :
`Q = M_k(h_2 - h_1) = 83,33xx(123 - 79) = 3667` kJ/kg n
Quá trình giảm ẩm
Quá trình này dùng để làm giảm lượng hơi nước có trong không khí (giảm độ ẩm tuyệt đối). Một trong các phương pháp thường dùng trong kỹ thuật là làm cho một phần hơi nước ấy ngưng tụ lại. Điều này có thể đạt được khi hạ nhiệt độ của không khí. Trong kỹ thuật, việc này thường được thực hiện bằng cách thổi không khí qua dàn lạnh (bộ bốc hơi) của một thiết bị lạnh (Hình 7).
Hình 7 Sơ đồ bộ phận giảm ẩm
Khi không khí (chưa bão hòa) tiếp xúc với dàn lạnh, nhiệt độ không khí giảm dần nhưng độ chứa hơi `d_1` vẫn không thay đổi, vì thế độ ẩm tương đối của không khí tăng dần (Hình 8). Đến một lúc nào đấy, không khí trở thành bão hòa, trạng thái này được gọi là điểm sương (điểm S trên Hình 8). Nếu nhiệt độ vẫn tiếp tục giảm, hơi nước trong không khí ngưng tụ, lượng nước trong không khí giảm xuống `(d_2 < d_1)`.
Hình 8 Quá trình giảm ẩm trên đồ thị không khí ẩm
Với mỗi kg không khí khô, bộ giảm ẩm đã lấy đi một lượng nước là:
`Delta d=d_1-d_2 `(16)
Và lượng nhiệt cần phải lấy đi là:
`Delta h=h_2-h_1`(17)
Lưu ý là `Delta h` có giá trị âm.
Thí dụ
Một thiết bị giảm ẩm mỗi giờ xử lý được 6000 m3 khí trời có nhiệt độ là 30ºC và độ ẩm tương đối là 80%. Sau khi rời bộ phận giảm ẩm, nhiệt độ của không khí là 20ºC.
1. Nhiệt độ điểm sương của quá trình này là bao nhiêu?
Lời giải
Sử dụng đồ thị trắc ẩm, ta có `t_S = 26`ºC.
2. Mỗi giờ thiết bị này ngưng tụ được bao nhiêu kg nước ?
Lời giải
Với mỗi kg không khí khô, lượng nước ngưng tụ là `Delta d = d_1 - d_2`.
Sử dụng giản đồ không khí ẩm ta có: `d_1 = 0,0215\ "kg/kg k"` ; `d_2 = 0,015\ "kg/kg k"`
Khối lượng không khí khô vào thiết bị giảm ẩm mỗi giờ là:
`M_k=(p_kV)/(R_kT)=(100.000xx6000) / (287xx(30+273))=6900\ "kg"`
Vậy lượng nước thiết bị này tách được mỗi giờ là:
`Delta M_n = M_k Deltad = 6900xx(0,0215 - 0,015) = 44,85\ "kg"`
3. Nếu thiết bị lạnh dùng trong hệ thống giảm ẩm này có hệ số làm lạnh là 5,2 thì công suất của động cơ kéo máy nén của thiết bị lạnh là bao nhiêu kW ?
Lời giải
Với mỗi kg không khí khô, lượng nhiệt cần lấy đi là `Delta h = h_2 - h_1`.
Sử dụng giản đồ không khí ẩm ta có: `h_1 = 85\ "kJ/kg k"` ; `d_2 = 57\ "kJ/kg k"`
Vậy mỗi giờ cần lấy đi một lượng nhiệt là:
`Q = M_k Delta h = 6900xx(57 - 85) = - 186.300\ "kJ"`
Từ : `epsilon=|q_1/w|=|Q_1/W|` thì : `|W|=|Q|/epsilon`
Vậy : `|W| = 186.300 / (5,2) = 35.827` kJ
Công suất của động cơ dùng để kéo máy nén của thiết bị lạnh là:
`N = 35.827 / 3600 = 9,952\ "kW"`