Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

84
Chơng 4

Thiết bị sấy bức xạ
4.1.Khái niệm
Sấy bức xạ là phơng pháp sấy dùng tia bức xạ chiếu vào đối tợng cần làm khô.
Nguồn nhiệt bức xạ thờng dùng đèn hồng ngoại, điện trở, chất lỏng hay khí, tấm đợc đốt
nóng tới nhiệt độ nhất định, để vật nóng phát ra bức xạ hồng ngoại. Tia hồng ngoại chiếu vào
vật liệu sấy(gồm nớc và hợp chất hữu cơ). Nớc trở thành vật đen, hấp phụ đa số năng lợng;
hợp chất hữu cơ trở thành vật trong suốt, tia xuyên qua không sinh nhiệt. Hiện tợng này chỉ
xảy ra ở giai đoạn sóng có bớc nhất định( bớc sóng

= 0,4
ữ
40
à
m).

u điểm nổi bật của
thiết bị sấy bức xạ là cờng độ bay hơi ẩm lớn hơn vài lần so với phơng pháp sấy đối lu và
tiếp xúc. Sở dĩ vậy là vì nguồn nhiệt có thể chọn rất cao(500
ữ
600
o
C), dòng nhiệt tới vật sấy có
thể tới 22500 Kcal/m
2
h( gấp 30 lần)
4.2.Nguyên tắc cấu tạo

4.2.1 Thiết bị gia nhiệt bằng điện:
Thiết bị loại này có thể dùng đèn hồng ngoại, hoặc dây
điện trở lồng trong ống gốm hoặc tấm điện trở làm bằng bức xạ nhiệt.
a/ Thiết bị dùng đèn hồng ngoại.
Đèn hồng ngoại đợc sản xuất với các công suất khác nhau: 125, 250, 500W và lớn
hơn. Trên 1m
2
có thể bố trí nhiều bóng. Thuỷ tinh làm đèn hồng ngoại phải cho các tia hồng
ngoại xuyên qua dễ dàng.Dùng đèn hồng ngoại có u điểm là quán tính nhiệt không đáng kể,
điều khiển dễ dàng. Nhợc điểm là toàn bộ sóng hồng ngoại phát ra có bớc sóng khá rộng từ
0,76
ữ
400
à
m, khi dùng sấy nông sản để tách nớc lại cần bớc sóng thấp từ 0,4
ữ
40
à
m (trùng
một phần với ánh sáng trắng), do đó tiêu hao năng lợng cao, hiệu suất thiết bị thấp. Bố trí đèn
cần lu ý chó dòng nhiệt bức xạ phân bố đều trên sản phẩm. Khoảng cách này lớn hơn 300mm.


















Hình 4.1. Các kiểu đèn hồng ngoại dùng để sấy hiện đợc sử dụng ở Pháp
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

85
Bảng 4.1. Các kiểu đèn hồng ngoại của Pháp
Kích thớc(mm) Dạng Watt Vôn
Đờng kính Chiều dài
Cầu- parabôn 250 115 , 125 125 195
Cầu- parabôn 375 Hoặc 220 125 195
Cầu 250 120 225
Cầu 375 120 225
Trụ 100 46 310



































Hình4.2. Thiết bị sấy bức xạ dùng thanh điện trở.
1- Thanh điện trở 2- Giá treo vật liệu
3- Cách nhiệt 4- Khung máy

Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn


86






















Hình 4.3. Thiết bị sấy bằng đèn hồng ngoại 250W để sấy ôxít kim loại.

b/ Thiết bị sấy bằng điện trở (hình 4.2).
n
guồn nhiệt là dây điện trở đặt trong ống kim loại, thanh điện trở hay điện trở tấm.
Công suất riêng trên đơn vị diện tích bề mặt khá lớn. Ví dụ tấm bức xạ nhiệt điện trở do nhà
máy Ulianiôp sản xuất có nhiệt độ bề mặt nung 460

o
C, công suất riêng 20-30KW/m
2
.
4.2.2. Thiết bị sấy bức xạ gia nhiệt bằng hơi đốt.
Phơng pháp này rẻ tiền hơn sử dụng điện nhng gây ô nhiễm môi trờng. Bề mặt bức
xạ là các tấm gạch chịu lửa, đốt nóng bằng khí ga. Thiết bị này dùng để sấy giấy (ngời ta có
thể dùng máy sấy lô).
4.3. Lý thuyết tính toán
4.3.1 Đặc tính tối u của vật liệu khi sấy bằng bức xạ hồng ngoại .
Nhiều tác giả đ nghiên cứu đặc tính phổ của các vật liệu khác nhau khi gia công bằng
bức xạ( quả, rau, chè lá, bánh kẹo, giấy, vải ) đ đa tới nhận xét rằng: đặc tính phổ của tia
hồng ngoại có bớc sóng 0,4
ữ
15
à
m là khoảng tốt nhất để gia công vật liệu bằng bức xạ.
Thực nghiệm cho thấy tính chất phổ tối u của các vật liệu khác nhau, có tính riêng
biệt. Do đó đối với các vật liệu khác nhau và quá trình công nghệ khác nhau cần thiết phải có
nguồn với tính chất khác nhau. Ví dụ rau, quả, lúa mì vùng phổ có chiều dài sóng 1,2
ữ
2,4
à
m.
Sự phụ thuộc của đờng đặc tính vào hàm lợng ẩm rất phức tạp, ảnh hởng của nhiều
yếu tố: tính chất chất khô, dạng liên kết của ẩm trong vật liệu, cấu trúc của vật liệu, trạng thái
bề mặt của nó vv
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

87

4.3.2. Các tính toán cơ bản.
Năng lợng của tia hồng ngoại đi sâu vào trong vật liệu, lan truyền trong thể tích của
nó, ảnh hởng tới đặc điểm của trờng nhiệt độ bên trong vật liệu, thực hiện việc trao đổi
nhiệt. Ta có phơng trình dẫn nhiệt đối với bài toán một kích thớc, đa vào thành phần bổ
xung năng lợng.

( )
TxQ
c
x
T
a
T
v
,
1
2
2


+


=


(4.1)

ở
đây: Q

v
(x,T) là năng lợng của tia lan toả trong một đơn vị thể tích của vật liệu
trong mặt phẳng x(W/m
3
), đại lợng có dạng
Q
v
(x,T) =
( )
2
1
, ,
q x T d




v
(4.2)

ở
đây q
v
(x,

,T) năng lợng tia đơn sắc xuyên sâu vào vật liệu và lan toả trong đơn vị
thời gian, đơn vị thể tích với toạ độ x, tính cho 1 đơn vị khoảng chiều dài sóng.
Giả sử biết qui luật lan truyền có dạng
q
A

(x,

,T) = A(x,

,T).q
n
(

) (4.3)
ở
đây : q
A
(x,

,T) - phần hấp thụ của mật độ dòng bức xạ đơn sắc.
A(x,

,T) - khả năng hấp thụ phổ của vật liệu, là hàm của chiều dày lớp trong mặt
phẳng x; T- nhiệt độ vật liệu,

- chiều dài sóng.
q
n
(

) mật độ phổ của dòng trên mặt vật liệu, tính cho 1 đơn vị chiều dài sóng của
phổ (W/m
2
.
à

m).
Khi độ lớn q
v
(x,

,T) bằng đạo hàm bậc nhất của q
A
(x,

,T)
q
v
(x,

,T) =
( )
( )
(
)
, ,
, ,
A x T
n
q
A x T
q
x x






=

(4.4)
Thay (4.4) vào (4.3) ta có
Q
v
=
(
)
2
1
, ,
n
A x T
q d
x








Khi đó phơng trình dẫn nhiệt đối với bài toán 1 kích thớc, có thành phần bổ xung sẽ là

( )
( )

2
2
, ,
1
2
1
A x T
T T
a q d
n
c x
x







= +



(4.5)
Độ lớn A(x,

,T) xác định theo công thức của C.T iliacôva( khi tác động về một phía)
A(x,

,T) = 1 -

( )
( )
( )
2
1
,
1
1 exp , exp ,
1
2
1
q T
x
x x
q o
x













= +


=


(4.6)
Trong đó:
a s
s





+ +
=

Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

88

(
)
( )
l
saa
=
+=





exp
2
hệ số hiệu dụng tình trạng suy yếu
Trong đó : a

- hệ số hấp phụ
S


- hệ số phân tán
l - chiều dày của tấm
K


= a

+ S


- hệ số tổng quát tình trạng suy yếu
Giới hạn

phụ thuộc vào hình dạng cụ thể phổ của tia. Theo Pha- bri(Anh)


1
=0,5

max

;

2
= 4,3

max
. Các nhà khoa học khuyên nên tính đối với giới hạn 0,4

max
<

<4,0

max

Đờng cong của

max
có dạng (

max
= f(T))


max
= 0,666 + 0,509exp
[
(2100 T).9,64.10
-4
]

(
à
m) (4.7)
Trong giới hạn: 1200K

T

3200K
Trong thiết kế, đa tới hai bài toán:
- Khi biết mật độ bề mặt dòng bức xạ(W/m
2
), chọn nguồn phát( phù hợp với yêu cầu
chế độ công nghệ gia công tối u của sản phẩm), ta xác định thời gian của quá trình.
- Khi biết thời gian của quá trình, xác định nhu cầu năng lợng. Cơ sở của phơng pháp
là xây dựng phơng trình cân bằng năng lợng của thiết bị. Đặc điểm của thiết bị là vật liệu
chịu tác động trực tiếp của bức xạ trong buồng, ta có phơng trình
dQ
bx
= dQ
v


dQ
mt
(4.8)
ở
đây: dQ
bx
năng lợng bức xạ chiếu vào vật liệu (J)
dQ

v
năng lợng hấp thụ trong thể tích vật liệu
dQ
mt
năng lợng trao đổi giữa bề mặt vật liệu và môi trờng( dấu phụ thuộc vào nhiệt
độ tơng đối của bề mặt vật liệu t
b.m
)
Tính từng thành phần của phơng trình: dQ
bx
= q
n
(T
t
,S,h
o
)F
bx
.
vl
A (T,

)d

(4.9)
Trong đó: q
n
(T
t
,S,h

o
) - mật độ dòng tia phụ thuộc nhiệt độ T
t
, bớc(khoảng cách
giữa bộ phát tia) S và khoảng cách giữa bộ phát tia và đối tợng h
o
(W/m
2
)
F
bx
diện tích tiếp nhận bức xạ của vật liệu(m
2
)

vl
A (T,

) - khả năng hấp thụ của bề mặt vật liệu, trung bình theo phổ
bộ phận bức xạ (khi nhiệt độ T), trờng hợp chung là hàm thời gian

mật độ dùng bức xạ xác
định theo số liệu thực nghiệm hoặc theo giải tích.
Khi T= const và q
n
=const,
vl
A thay đổi nhiều theo thời gian; thì tính toán cần tiến
hành theo thời gian và trung bình
vl

A theo thời gian tiến hành trong vùng giới hạn. Nếu máy
phát tia cung cấp bộ phận phản xạ dùng phân bố trong không gian dòng tia và khả năng sử
dụng hợp lý nó, thì:
dQ
bx
=
[
q
n
(T
t
,S,h
o
)
vl
A + q
p
(T
t
,S,h
p
)
vl
A
]
F
bx
d

(4.10)


ở
đây: q
p
mật độ dòng phản xạ
h
p
khoảng cách giữa bộ phận phản xạ và đối tợng

vl
A khả năng hấp thụ của vật liệu, trung bình theo phổ của năng lợng tia,
phản xạ từ bộ phận phản xạ.
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

89
Để tính sự phản xạ lặp lại giữa bức xạ và phản xạ của đối tợng, cũng nh tính đối với môi
trờng hấp phụ của buồng làm việc, độ lớn dQ
bx
tăng thêm 5 10%.
k
í hiệu
q
n
(T
t,
,S,h
o
).
vl
A + q

p
(T
t
,S,h
o
)
vl
A = q
bx
(4.11)
Khi đó: dQ
bx
= q
bx
.F
bx.
d

(4.12)
Năng lợng vật liệu hấp thụ chi phí để đốt nóng và bốc hơi ẩm
dQ
v
= dQ
vl
+dQ
bh
( 4.13)
Năng lơng(nhiệt) chi phí đốt nóng vật liệu
dQ
vl

= G
vl
C
vl
.dt
vl
(4.14)
Trong đó: G
vl
khối lợng vật liệu đợc chiếu xạ(Kg/s)
C
vl
nhiệt dung riêng của nó( trờng hợp chung là hàm của độ ẩm)(J/Kg
o
K).
dt
vl
Sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu (
0
C)
Năng lợng (nhiệt) chi phí để bốc hơi ẩm: dQ
bh
= q
tb
.r.Fd

(4.15)

ở
đây: q

tb
mật độ trung bình dòng ẩm(Kg/m
2
s)
r - nhiệt ẩm hoá hơi (coi bằng hằng số) (J/Kg)
F - diện tích hoàn toàn của bề mặt vật liệu( giả thiết, bốc hơi xảy ra trên tất cả
bề mặt vật liệu) (m
2
)
Năng lợng( nhiệt) của vật liệu nóng đa vào môi trờng.
dQ
mt
=

đl
(t
vl
t
kk
)F.d

+ 4,9

qd

dF
TT
btvl























44
100100

(4.16)
Trong đó:

đl
hệ số trao đổi nhiệt đối lu(W/m
2 o
K)

t
vl
nhiệt độ trung bình bề mặt vật liệu trong khoảng thời gian d


t
kk
nhiệt độ không khí
T
bt
nhiệt độ bề mặt giữ bên trong (
o
K)


qd
- độ đen qui dẫn của vật liệu 4,8

qd
= C
qd

C
qd
hệ số qui dẫn của bức xạ
Công thức (4.16) có thể trình bày dới dạng:
dQ
mt
=


đl
(t
vl
t
kk
)Fd

+

bx
(t
vl
t
kk
)Fd

= (

bx
+

đl
)(t
vl
t
kk
)Fd


=


c
(t
vl
t
kk
)Fd

(4.17)

ở
đây:

c
=

đl
+

bx
=

đl
+C
qd
.10
-8
(T
vl
2

+T
bt
2
)(T
vl
+T
bt
)
Theo

.D. Lêbêđep khuyên nên lấy

c


18,6
ữ
23,2(W/m
2 o
K)
Khi xác định các thành phần của phơng trình (4.8) đó là phơng trình dạng khai triển
q
bx
F
bx
d

= G
vl
C

vl
dt
vl
+ q
tb
.r.Fd

+

c
(t
vl
t
kk
)Fd

(4.18)
Nếu G
vl
= V
vl
.

vl
và kí hiệu
K
f
=
bx
F

F
và m=
vl
V
F

Ta có thể viết
Trng ủi hc Nụng nghip 1 Giỏo trỡnh K thut synụng sn

90
q
bx
d

=
( )


dKttdKrqdtK
m
C
fkkvlcftbvlf
vlvl
++

(4.19)
ta có phơng trình cuối cùng

( )
kkvl

vl
ttD
dt
d
+
=
B

(4.20)
Trong đó:

(
)
vlvl
c
fvlvl
ftbbx
C
m
D
KC
mKrqq
B





=


=

Giả thiết nhiệt độ bề mặt của vật liệu là t
vl
, quan hệ với nhiệt độ trung bình của vật liệu t
tb
, ta có
t
vl
= Kt
tb
(4.21)
ở
đây hệ số K phụ thuộc vào tính chất quay và nhiệt vật lý của vật liệu cũng nh vào thời gian:
khi đốt nóng K

1; trờng hợp riêng khi sấy đối lu vật liệu mỏng trong thời kì tốc độ không
đổi có thể nhận K = 1.
Trong phơng pháp tính toán theo vùng có thể nhận K
h
= const, khi đó ta có:







+
=

K
t
tDKB
dt
d
kk
tb
vl

(4.22)
Tích phân trong giới hạn thay đổi của nhiệt độ vật liệu từ t
đầu
đến t
cuối
; ta xác định thời đốt nóng
khi sấy bằng bức xạ đối lu









+







+
=
K
t
tDKB
K
t
tDKB
DK
KK
dau
KK
cuoi
1

(4.23)
Trờng hợp nếu q
bx
>>q
đl
, thành phần

c
(t
vl
t
KK
)K

f
d

có thể bỏ qua, và cho phép (với B= const)


=
B
1
(t
cuối
t
đầu
)
Trờng hợp chung, hợp lý tính toán theo chuẩn Rêbinđe. Giải quyết vấn đề sấy khá phức tạp,
nên sử dụng công thức tính toán thông thờng trên cơ sở số liệu thực nghiệm.


câu hỏi ôn tập chơng iv

1. Trình bày nguyên tắc làm việc của thiết bị sấy bức xạ.
2. Cơ sở lý thuyết về sấy bức xạ hồng ngoại.