1
MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Vải thiều là loại cây ăn quả quý có giá trị kinh tế và dinh dưỡng cao, được coi
là vua trái cây ở các nước nhiệt đới. Ở nước ta cây vải được coi là cây chủ lực
trong vườn và vải quả được xếp vào danh mục đặc sản thiên nhiên nổi tiếng của
Việt Nam [105]. Sản phẩm vải quả của nước ta được tiêu thụ dưới dạng quả tươi
và vải sấy khô là chủ yếu
Vải là loại quả có thời gian thu hoạch rất ngắn (35- 40 ngày), dễ bị hư hỏng
bởi thời tiết nắng nóng trong vụ thu hoạch đã tạo ra áp lực tiêu thụ rất lớn đặc biệt
vào đỉnh vụ, khối lượng sản phẩm lớn, gây ứ đọng, giá bán rất thấp đã gây thiệt hại
nhiều cho nông dân. Một số vùng trồng vải như Bắc Giang, Lạng Sơn, Thỏi
Nguyờn, Hoà Bỡnh,…nhất là các địa phương vùng cao đã xuất hiện tình trạng vải
quả không tiêu thụ được, để rụng thối quanh gốc cây, gây lãng phí rất lớn. Vì vậy,
để giảm tổn thất vải quả sau thu hoạch, một trong những biện pháp có hiệu quả mà
các hộ nông dân vùng trồng vải đã và đang thực hiện là sấy khô để kéo dài thời hạn
bảo quản, sau đó lựa chọn thời điểm và thị trường thích hợp để tiêu thụ. Để nâng
cao chất lượng vải quả khô xuất khẩu, một số cơ sở sản xuất, Viện và các trường Đại
học đã nghiên cứu nhiều mẫu thiết bị sấy vải quả như: thiết bị sấy vải quả dùng tác
nhân sấy là không khí đốt nóng gián tiếp từ lò đốt than hoặc lò hơi, thiết bị sấy sử
dụng bức xạ hồng ngoại, thiết bị dùng năng lượng mặt trời, Qua sử dụng cho
thấy, về cơ bản các thiết bị sấy trên đã tạo ra sản phẩm sấy có chất lượng cao
nhưng chi phí năng lượng, chi phí đầu tư mua sắm thiết bị, bảo trì và sửa chữa lớn
nờn cỏc cơ sở sản xuất khó chấp nhận. Thực tế hiện nay, phần lớn vải quả vẫn
được làm khô trong hàng ngàn lò sấy thủ công do các hộ nông dân tự xây dựng
(dùng trực tiếp khúi lũ làm tác nhân sấy nên chất lượng sản phẩm không cao và
không ổn định, nhiều mẻ sấy có chất lượng rất kém không tiêu thụ được và cũng
có nhiều lô hàng xuất khẩu do không đạt tiêu chuẩn chất lượng phải trả về hoặc
chịu chấp nhận giá bán thấp gây thiệt hại rất lớn cho người sản xuất. Vì vậy, việc
nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị sấy vải quả phù hợp nhằm tạo ra sản
phẩm sấy có chaất lượng cao với giá thành chế tạo và chi phí sấy thấp để có thể triển

dụng năng lượng khí sinh học (biogas). Kết quả nghiên cứu làm cơ sở cho việc
nghiên cứu thiết kế máy và hoàn thiện qui trình công nghệ.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài đã mở ra triển vọng mới trong việc ứng dụng
khí sinh học để làm khô vải quả nói riêng và các loại nông sản thực phẩm nói
chung, góp phần tiết kiệm năng lượng hoá thạch, giảm thiểu ô nhiễm môi trường
nông nghiệp và nông thôn Việt Nam.
6. Những đóng góp mới
- Đã thiết kế chế tạo thiết bị sấy vải quả sử dụng nguồn năng lượng khí sinh
học (biogas). Đõy là thiết bị sấy có cấu tạo đơn giản, hoàn toàn có thể chế tạo được
ở trong nước thay cho thiết bị sấy nhập ngoại đắt tiền, sử dụng năng lượng khí sinh
học, góp phần tiết kiệm năng lượng hoá thạch và giảm thiểu ô nhiễm môi trường,
có thể sử dụng để sấy nông sản thực phẩm khác nhau.
- Bằng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng đã xây dựng được mô hình toán
biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ ẩm tác nhân sấy, nhiệt độ và độ ẩm của vải
quả theo không gian và thời gian, làm cơ sở khoa học cho việc xác định các thông số
hình học và chế độ làm việc của hệ thống thiết bị sấy.
- Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn và đa yếu tố đã xác định
được giá trị tối ưu của các yếu tố vào như nhiệt độ tác nhân sấy, tốc độ chuyển động
của tác nhân sấy, khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy đến giá trị tối ưu của
các thông số ra như: đụ̣ khô không đều của sản phẩm sṍy, điờ̉m tổng hợp chất lượng
sản phẩm sấy, thời gian sấy, chi phí nhiên liệu riêng. Đõy là cơ sở quan trọng để
hoàn thiện thiết kế và chế tạo các cỡ thiết bị sấy vải quả có năng suất khác nhau phù
hợp với qui mô của các cơ sở sản xuất.
7. Cấu trúc nội dung luận án
Tóm tắt luận án được trình bầy trong 24 trang, ngoài phần mở đầu, kết luận,
kiến nghị bố cục luận án gồm 4 chương: Chương 1, Tổng quan nghiên cứu;
Chương 2, Đối tượng và phương pháp nghiên cứu; Chương 3, Mô hình hóa và mô
phỏng quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy; Chương 4, Kết quả nghiên cứu
thực nghiệm.
3

1.2.1. Tình hình sản suất và tiêu thụ vải quả trên thế giới
Cây vải có nguồn gốc từ miền nam Trung Quốc. Hiện nay vải được trồng chủ
yếu ở các nước nhiệt đới, á nhiệt đới như Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan,
Bangladesh, Úc, Mỹ và Nam Phi. Sản xuất ở châu Á chiếm hơn 95 % cỏc vựng
canh tác trên thế giới (khoảng 2 triệu tấn) tập trung chủ yếu ở Trung Quốc
(1.300.000 tấn), Ấn Độ (430.000 tấn), Thái Lan (80.000 tấn), Bangladesh (13.000
tấn) và Nepal (14.000 tấn), Tại Trung Quốc, vải sấy khô chủ yếu được bán tại địa
phương, còn lại xuất khẩu sang các nước khác như Hồng Kụng, Nhật Bản và
Singapore. Trong khi đó vải quả sấy khô của Thái Lan đã có mặt ở hầu hết thị
trường của các Châu Lục trên thế giới với tổng sản lượng xuất khẩu là 6.770 tấn gấp 4,5
lần sản lượng vải xuất khẩu của Việt Nam.
1.2.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ vải ở trong nước
Ở nước ta cây vải được trồng cách đây 2000 năm và được thương mại hóa ở
Việt Nam từ năm 1980. Cây vải được trồng chủ yếu ở các tỉnh phía Bắc như: Lục
4
Ngạn (Bắc Giang),Chí Linh, Thanh Hà (Hải Dương),… Đây là một trong những
cây ăn quả có giá trị kinh tế cao, giúp nông dân xoỏ đúi giảm nghèo, do đó diện
tích trồng vải và sản lượng của nước ta không ngừng tăng lên hàng năm, khoảng
70-75% sản lượng vải được tiêu thụ dưới dạng quả tươi, 25-30% còn lại được sấy
khô và đưa vào chế biến ở các dạng nước quả, vải hộp. Giá vải giữa vụ thu hoạch
thưởng chỉ bằng 1/3 so với giá đầu và cuối vụ.
Thị trường xuất khẩu: Hiện nay, tỷ trọng xuất khẩu của quả vải chưa
lớn(chiếm khoảng gần 30% sản lượng), trong đú ắ là xuất khẩu ở dạng sấy khô.
Vải quả tươi, vải pure, vải hộp và nước ép vải của nước ta được ưa chuộng và tiêu
thụ ở một số thị trường thế giới như:Trung Quốc, Áo, Nga, Còn vải quả khô chủ
yếu được xuất khẩu sang Hà Lan, Singapore, Hồng Kụng, Đài Loan, Trung Quốc
khoảng 15.000 tấn/năm.
1.3. Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả
1.3.1. Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả trên thế giới
Để nâng cao chất lượng vải quả khô, đã có nhiều công trình nghiên cứu lý

là giải pháp tích cực để triển khai hệ thống thiết bị sấy vải quả trong sản xuất là rất
cần thiết và cũng là một trong nội dung nghiên cứu của đề tài.
c. Thiết bị sấy vải quả bằng năng lượng mặt trời
Trong công trình nghiên cứu của tác giả Phạm Ngọc Trinh và các cộng sự
(Trường ĐH Xây dựng Hà Nội) [51] đã nghiên cứu lò sấy vải quả bằng năng lượng
mặt trời tại Bắc Giang. Nguyên lý hoạt động chung của thiết bị sấy này dựa trên
nguyên tắc bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng nhà kính, năng lượng mặt trời được hấp thụ trực
tiếp hoặc gián tiếp đến vật liệu sấy, lượng ẩm thoát ra từ vật liệu sấy bằng cách đối
lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức. Hệ thống sấy này đã khắc phục những nhược điểm
của lò sấy vải thủ công đốt bằng than là tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, không ô
nhiễm môi trường, tiết kiệm được nhiên liệu hoá thạch nhưng chi phí đầu tư mua sắm
thiết bị cao, thời gian sấy kéo dài do thiết bị làm việc gián đoạn và luôn phụ thuộc vào
thời tiết, vì vậy hệ thống thiết bị này chưa được triển khai ứng dụng phổ biến trong
sản xuất.
1.3.2.3 Năng lượng sử dụng trong quá trình sấy vải quả
Vải quả là một trong những loại vật liệu khó sấy do hàm lượng ẩm trong cùi
vải rất cao và luôn bị cản trở bởi lớp vỏ cứng bao bọc bên ngoài. Để đảm bảo chất
lượng vải quả khô thì thời gian sấy thường kéo dài và chi phí nhiên liệu cao. Vì vậy,
việc lựa chọn dạng năng lượng để sấy vải quả đang được nhiều nhà khoa học trong và
ngoài nước quan tâm nghiên cứu vỡ nú có liên quan trực tiếp đến giá thành sản phẩm
sấy, kết cấu thiết bị sấy và điều kiện áp dụng.
Ở nước ta hiện nay, để sấy vải quả người ta sử dụng năng lượng điện, năng
lượng bức xạ hồng ngoại, nhưng do giá thành cao nờn cỏc dạng năng lượng này
chỉ dùng trong phòng thí nghiệm, rất ít dùng trong sản xuất.
Ngoài các dạng năng lượng trên, người ta còn sử dụng một số dạng năng lượng
như: năng lượng hoá thạch (than đá, dầu, khí gas ), năng lượng tái tạo (năng lượng
mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng khí sinh học, )
a. Năng lượng hoá thạch
Đây là nguồn năng lượng truyền thống được dùng trong các thiết bị sấy vải
quả, trong đó năng lượng than đá là chủ yếu vì giá thành rẻ hơn rất nhiều so với dầu

Năng lượng khí sinh học (biogas) là một trong những dạng năng lượng tái tạo
được sản sinh ra từ sự phân huỷ các chất hữu cơ (chủ yếu từ các chất thải trong
chăn nuôi) dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí [10],[11],[22],
[23], [48]. Đõy là nguồn năng lượng quý vỡ cú nhiệt trị khá cao (4700 -
6500kcal/m
3
) và rất dễ sử dụng. Thành phần chủ yếu là CH
4
(50-70%), CO2 (30 -
40%), còn lại là các tạp chất như H
2
S, N
2 .
[9], [10],[11].
Ở nước ta theo số liệu tổng cục thống kê [42] tính đến năm 2011 cả nước có
150.000 công trình KSH, riêng Dự án “Chương trình Khí sinh học cho ngành chăn
nuôi Việt Nam” đến năm 2011 đã xây dựng được 102.000 công trình, trong đó tổng
số các công trình KSH của 9 tỉnh đồng bằng Sông Hồng tính từ năm 2008 đến nay
được ghi trong bảng 1.6.
. Một số công trình nghiên cứu ứng dụng khí Biogas để sấy nông sản thực
phẩm tiêu biểu như: Công ty cổ phần thực phẩm Đức Việt (Hà Nội) [101] đang
triển khai dự án tổ hợp chăn nuôi gắn với hệ thống xử lý chất thải bằng công nghệ
KSH tạo ra nguồn biogas dùng để sấy thức ăn chăn nuôi, Nhà máy chế biến tinh
bột sắn Hướng Hoá (Quảng Ngãi) [103] đã tiến hành xử lý nước thải chế biến bằng
bể CIGAR tạo ra nguồn biogas để sấy tinh bột thay thế một phần nhiên liệu than đá
hoặc dầu đốt; Hội Liên hiệp Phụ nữ tỉnh Ninh Bình đã thực hiện dự án "Triển khai
mô hình hộ gia đình sử dụng thiết bị KSH tiết kiệm năng lượng” trong đó đã sử
dụng khí sinh học để sấy nấm [103].
Nhìn chung trong cả nước, số lượng công trình biogas có rất nhiều và phân bố
hầu hết các địa phương trong cả nước. Tuy nhiên các công trình KSH được xây

3. Về năng lượng sử dụng trong quá trình sấy: Sử dụng nguồn năng lượng
biogas vì không mất tiền mua, lại sẵn có ngay các địa phương sản xuất vải quả, có ưu
điểm hơn so với năng lượng mặt trời là có thể sử dụng liên tục trong ngày không chịu
sự ảnh hưởng của thời tiết.
4. Về nghiên cứu lý thuyết: Áp dụng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng để
nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vật liệu sấy và quá trình trao đổi nhiệt ẩm
giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy để xác định một số thông số về cấu tạo và chế độ sấy
nhằm định hướng cho việc thiết kế.
5. Về nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trong phòng
thí nghiệm và nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình máy đã chế tạo để xác định ảnh
hưởng của một số thông số chính đến chất lượng sản phẩm, năng suất máy và chi phí
năng lượng riêng làm cơ sở cho việc hoàn thiện công nghệ, thiết kế cải tiến thiết bị
sấy nhằm triển khai áp dụng rộng rãi trong sản xuất.
Chương 2: NGUYÊN VẬT LIỆU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nguyên vật liệu nghiên cứu
Chúng tôi tiến hành lấy các mẫu vải quả thí nghiệm là vải Chũ (Kim Động –
Hưng Yên), Thanh Hà (Hải Dương) và Lục Ngạn (Bắc Giang).
Hoá chất dùng để xử lý vải quả trước khi đưa vào sấy là SO
2
(sunfit) có hàm
lượng tối thiểu là 0,02% (so với khối lượng vải quả).
8
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thông số về cấu tạo và chế độ làm việc
của thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khí sinh học Biogas (ký hiệu SBOG-
150), năng suất 150 ữ 200kg quả tươi/mẻ.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
Qua kết quả tìm hiểu thông tin từ nhiều nguồn tài liệu và kết quả thực nghiệm
thăm dò, chúng tôi sơ bộ chọn ra các yếu tố ảnh hưởng lớn tới quá trình sấy như

Nhật Bản.
- Hàm lượng Vitamin C được xác định bằng máy đo sắc ký lỏng mã SPD –
H10AVP – Nhật Bản.
- Đo lưu lượng và áp xuất khí gas bằng thiết bị đo không điện ứng dụng PLC mó
7mf 1564- 3bg00.
- Độ khô không đồng đều của sản phẩm sấy được xác định theo phương sai đo
đạc của các mẫu sản phẩm sấy ở các vị trí khác nhau trong buồng sấy.
- Phương pháp xử lý và gia công số liệu thí nghiệm áp dụng qui tắc của lý thuyết
xác xuất và thống kê toán học.
- Sử dụng chương trình phần mềm thiết kế Autodesk Inventor 8 để mô phỏng
hình học các kết cấu trên máy tính.
Chương 3: MÔ HÌNH HểA VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT ẨM
TRONG BUỒNG SẤY
3.1. Mụ hỡnh húa quá trình trao Ðổi nhiệt ẩm trong buồng sấy
Quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy vải quả là quá trình truyền nhiệt và truyền
chất phức tạp giữa vật liệu sấy và dũng khớ chuyển động trong không gian của buồng sấy. Tuy
nhiên có thể mô phỏng quy luật biến đổi các thông số trong quá trình sấy bằng các hàm toán học
dựa trên các định lý về trao đổi nhiệt ẩm giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy. Thông qua các hàm
toán học biểu diễn mối quan hệ toán học của các thông số vật lý trong quá trình sấy ta có thể xác
định một số thông số về cấu tạo và chế độ sấy nhằm định hướng cho việc thiết kế hệ thống thiết
bị sấy.
9
3.1.1. Mô hình kết cấu hệ thống thiết bị sấy
Theo sơ đồ nguyên lý cấu tạo của thiết bị sấy SBOG -150 đã được thiết kế,
không gian buồng sấy được phân thành hai vùng có chức năng khác nhau: vùng
chứa vải quả tương ứng với chiều cao h
1
và vùng biên tương ứng với chiều cao h
2
(hình 3.1).

3.1.2. Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiợ̀t õ̉m trong vật liệu sấy
Có hai dạng mô hình cơ bản có thể mô tả tính chất làm khô từng phần tử riêng lẻ của vật
liệu sấy (như các loại hạt, trỏi cõy,…) là mô hình khuếch tán và mô hình động học. Sự khác nhau
cơ bản của hai mô hình này là mô hình khuếch tán tính đến sức cản vận chuyển ẩm bên trong
phần tử vật liệu sấy còn mô hình động học bỏ qua sức cản vận chuyển trong và hợp tất cả sức
cản ngoài thành một hệ số chung. Mặt khác với mô hình khuếch tán có thể tính toán gradient
nhiệt độ và độ ẩm bên trong phần tử vật liệu còn mô hình động học chỉ tính toán sự thay đổi ẩm
trung bình của phần tử vật liệu theo thời gian.
3.1.2.1. Mô hình khuếch tán
Các mô hình khuếch tán dựa trên các công thức chung về vận chuyển nhiệt
ẩm bên trong vật liệu sấy.
A
A
A - A
h
2
h
1
10
Luikov(1966) và đồng nghiệp ở Liờn Xụ cũ đã phát triển mô hình toán cho
việc mô tả sấy vật liệu dựa trên kỹ thuật vật lý và kỹ thuật nhiệt [79]. Hai công
thức đã được viết cho sự dịch chuyển ẩm và năng lượng:

m th
M
m D D
x x
∂ ∂θ
 
= −ρ +

k- hệ số dịch chuyển năng lượng
M- độ ẩm trung bình của vật liệu sấy (%)
θ- nhiệt độ vật liệu sấy (°C)
m - chỉ số liên quan đến gradient ẩm
th- chỉ số liên quan đến gradient nhiệt.
Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng, từ phương trình (3.1)
và (3.2) ta có hệ phương trình vi phân riêng đối với quá trình trao đổi nhiệt ẩm:
2 2
11 12
M
K M K
t
∂
= ∇ + ∇ θ
∂
(3.3)
2 2
21 22
K M K
t
∂θ
= ∇ + ∇ θ
∂
(3.4)
Trong đó: K
11
, K
22
- hệ số khuếch tán ẩm và khuếch tán nhiệt.
K

sấy (Haghighi and Segevlind 1988). Tuy nhiên trong thực tế, do khả năng dẫn
nhiệt độ của hạt ngũ cốc nhỏ hơn rất nhiều so với khả năng dẫn ẩm K
11
<< K
22
, cho
phép bỏ qua

gradient nhiệt độ, ta có công thức đơn giản hóa của giai đoạn sấy
không ổn định của Luikov:
2
11
M
K M
t
∂
= ∇
∂
hoặc
2
M
DM
t
∂
= ∇
∂
(3.7)
11
Công thức (3.7) được áp dụng cho nhiều điều kiện và hình dáng của vật liệu
được xác định bởi Crank (1975). Tuy nhiên, khi áp dụng cho loại quả và hạt nào

,t) = M
e
cho t > 0 (3.10)
Giải phương trình (3.8) sẽ xác định được độ ẩm trung bình của nhiều vật liệu
có hình dáng thông thường, có thể tìm thấy trong tài liệu truyền nhiệt và khuếch
tán (Crank 1975) [59]:
Với quả hình cầu:
2 2
2
2 2
n 1
6 1 n
MR exp X
n 9
∞
=
 
π
= −
 
π
 
∑
(3.11)
Với quả hình trụ:
2
2
n
2
n 1

o
là độ ẩm vật liệu ban đầu (%) và M
e
là độ ẩm cân bằng (%).
1
2
A
X (Dt)
V
=
(3.14)
Trong đó:
A- Diện tích bề mặt hạt, (m
2
)
V- Thể tích của phần tử vật liệu (m
3
). Với vật liệu hình cầu
A/V = 3/bỏn kớnh, với vật liệu hình trụ A/V = 2/bỏn kớnh.
Công thức (3.11) và (3.12) giả thiết rằng hệ số khuếch tán của hạt D là cố
định trong quá trình sấy. Trong thực tế giá trị D là một hàm của nhiệt độ và độ ẩm
và được xác định theo các công thức sau:
12
ab
B
D Aexp C
 
= −
 ÷
θ

thể được dùng để mô tả quá trình sấy khô hoa quả được tìm thấy trong kết quả
nghiên cứu của (Bala, 1998) [57]:
M
Div(DgradM)
t
∂
=
∂
(3.17)
Trong đó:
D- độ khuếch tán ẩm của quả vải (m
2
/s)
M- độ ẩm của vật liệu (%)
Lời giải phương trình (3.17) được ứng dụng cho các loại vật liệu sấy có hình
dạng và cấu trúc khác nhau.
Đối với quả vải: thân quả được coi là dạng hình cầu, cuống ở đầu quả và hạt
được coi là hình trụ, vỏ quả được coi là dạng tấm (hình 3.2).

Hình 3.2. Cấu tạo của quả vải
Đối với vật liệu dạng hình trụ :
Vỏ quả
Cuống hạt
Cùi
Hạt
Vỏ hạt
13
2
e
2 2 2

− π
 
∑
(3.20)
Đối với vật liệu dạng tấm:
2
e
2 2 2
n 1
0 e
M M 8 4 Dt
exp (2n 1)
M M (2n 1) z
∞
=
−
 
= − −
 
− π −
 
∑
(3.19)
Trong đó:
α- hợ̀ số;
r- bán kính của quả vải (m)
z- nửa độ dày tấm (m).
Phương trình 3.18ữ3.20 là những chuỗi hội tụ nhanh nên nghiệm gần đúng
có thể lấy với n =1.
Độ khuếch tán ẩm từ bên trong của quả đi qua các phõ̀n khác nhau của quả

(m
3
)
Vì vậy, khi tính toán độ ẩm khuếch tán của quả vải, khác với hạt ngũ cốc là
phải kể đến độ khuếch tán ẩm ở khoảng không khí được hình thành do hiện tượng
co ngót trong quá trình sṍy. Nờ́u bỏ qua độ khuếch tán của vỏ quả và hạt (vì rất
nhỏ), độ khuếch tán ẩm chung của vải quả D bằng tụ̉ng đụ̣ khuếch tán ẩm của cùi
và khoảng không khí giữa vỏ và cùi theo công thức:
flesh fr air ar
fr ar
[(D x ) (D x )]
D
x x
∆ + ∆
=
∆ + ∆
(3.23)
D- độ khuếch tán chung của quả vải (m
2
/s)
D
flesh
- độ khuếch tán của cùi vải (m
2
/s)
D
air
- độ khuếch tán của không khí (m
2
/s)

−
(3.25)
Trong đó: k - hệ số thoát ẩm có thứ nguyên h
-1
hoặc s
-1
.
Công thức (3.18), (3.19), (3.20) và (3.25) được gọi là “hàm sấy” biểu diễn
sự thay đổi độ ẩm vật liệu sấy theo thời gian. Giải các phương trình trên ta có thể
xác định được độ ẩm của vật liệu sấy ở thời điểm bất kỳ của quá trình sấy.
Mô hình động học không phân biệt độ dẫn ẩm bên trong và bên ngoài nên
chúng tôi sử dụng để mô tả quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm trong quá trình sấy.
3.1.3. Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy
3.1.3.1. Quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vùng chứa vải quả
Những giả thiết đơn giản sau có thể thích hợp cho việc phát triển phương
trình vi phân của mô hình sấy khối vải quả có bề dày lớn tương tự như sấy vỉ
ngang hoặc sấy tháp:
1. Sự co rút thể tích của quả vải là không đáng kể trong quá trình sấy.
2. Gradient nhiệt độ trong lòng quả vải là không đáng kể
3. Sự truyền nhiệt giữa các quả vải với nhau là không đáng kể do vải quả
được treo thành tỳm trờn sào nờn ớt tiếp xúc trực tiếp với nhau.
4. Nhiệt dung riêng của không khí ẩm và quả vải là cố định trong giai đoạn
ngắn.
5. Bốc hơi ẩm xảy ra ở nhiệt độ sấy.
Với các giả thiết nêu trên, có 4 phương trình cân bằng mô tả quá trình trao
đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy:
a. Phương trình cân bằng năng lượng của không khí
b. Phương trình cân bằng khối lượng không khí
c. Phương trình cân bằng năng lượng của sản phẩm sấy
d. Phương trình cân bằng khối lượng của sản phẩm sấy

1
và h
2
.
Dòng tác nhân sấy thổi vào phân tố thể tích cú cỏc thông số trạng thái: nhiệt
độ T , độ chứa ẩm W, khối lượng riêng ρ
a
và nhiệt dung riêng C
a
. Vải quả ở trong
phân tố thể tích cú cỏc thông số trạng thái: nhiệt độ θ, độ ẩm M, khối lượng riêng
ρ
q
, nhiệt dung riêng C
q
.
Mô hình cân bằng khối lượng và năng lượng trong một đơn vị thể tích của vùng chứa vật
liệu sấy được mô tả trờn hỡnh 3.3.
Sơ đồ 3.3. Mô hình cân bằng năng lượng và khối lượng dũng khớ và vải quả
a. Phương trình cân bằng năng lượng của không khí
Năng lượng truyền bởi đối lưu là cân bằng với sự chênh lệch entanpy mang
đi bởi không khí ra và vào của thể tích cho (Sdz), cộng với thay đổi entanpy theo
thời gian của không khí trong lỗ hổng. Lượng khí thổi qua bề mặt z trong Sdz
trong thời gian dt là:
( )
a a a a
v v W Sdt
ρ + ρ
(3.27)
Entanpy của không khí thổi vào Sdz trong thời gian dt là:

W, T, V
a
, ρ
a
, C
a
θ, M, C
p
, ρ
p
, ε
∆z
z
z+dz
16
( )
a a a v
T
C WC Sdz dt
t
∂
ρ + ρ ε
∂
(3.31)
Tổng thay đổi nhiệt của không khí theo thời gian dt là:
( )
a a a v a
T T
C WC Sdz v
z t

) có thể giả thiết là không đáng kể so với v
a
(
T
z
∂
∂
) nên
phương trình cõn bằng năng lượng của không khí trở thành:
q
a a a v
h.S
T
(T )
z v . (C C W)
∂
= − − θ
∂ ρ +
(3.35)
b. Phương trình cân bằng khối lượng của không khí
Nước bốc hơi mang đi bởi khí trong Sdz, trừ đi lượng mang đi, cộng với
thay đổi trong tỉ số độ ẩm của không khí trong khoảng trống, cân bằng với ẩm mất
bởi vật liệu sấy trong thể tích Sdz.
Lượng nước bốc hơi trong dt qua mặt ngang z và ở z +dz tương ứng cân
bằng với:
a a
v . .SWdt
ρ
(3.36)
a a

∂
ρ
∂
(3.40)
Phương trình cân bằng khối lượng dũng khớ là:
q a a a a a
M W W
Sdz dt v . .S(W dz)dt v . .SWdt Sdz dt
t z t
∂ ∂ ∂
ρ = ρ + − ρ + ε ρ
∂ ∂ ∂
(3.41)
17
Nếu bỏ qua
W
t
∂
∂
, ta có phương trình biểu diễn sự thay đổi độ ẩm không khí
theo trục toạ độ :
q
a a
W M
z v . . t
ρ
∂ ∂
= −
∂ ρ ∂
(3.42)

(3.45)
Entanpy đòi hỏi cho việc bay hơi nước trong vật liệu sấy trong thời gian dt:
fg a a
W
h v . Sdzdt
z
∂
ρ
∂
(3.46)
Entanpy làm cho nóng nước bốc hơi từ vật liệu sấy có nhiệt độ θ tới nhiệt
độ không khí T trong thời gian dt là:
v a a
W
C (T )v . Sdzdt
z
∂
− θ ρ
∂
(3.47)
Năng lượng vải quả nhận được từ không khí
q
q h.S (T )Sdzdt
= − θ
(3.48)
Entanpy cân bằng trong sản phẩm, do đó:
q q q q w fg v a a
W
h.S .Sdz(T )dt ( C C M)Sdz dt h C (T ) v . . Sdzdt
t z

wb
fg
h.S
dM
T T
dt h
∞
= −
(3.51)
Trong đó:
S
xq
- diện tích bề mặt vải quả, m
2
;
h - hệ số truyền nhiệt đối lưu, (J/m
2
.h.
o
C)
h
fg
- nhiệt hoá hơi, (J/kg)
T
∞
và T
wb
- tương ứng là nhiệt độ bầu khô và bầu ướt (
o
C)

(
o
C) phải đồng đều theo tiết diện mặt cắt ngang của
vùng chứa vải quả
3.2. Mô phỏng quá trình nhiệt ẩm trong vùng chứa vải quả
Tính toán mô phỏng các thông số của quá trình nhiệt ẩm trong vùng chứa
vải quả được thực hiện trên mô hình nhằm tìm ra các thông số cơ bản làm cơ sở
cho việc thiết kế hệ thống thiết bị sấy cũng như thiết bị điều khiển tự động.
3.2.1. Giai đoạn tốc độ sấy giảm
Quá trình thay đổi độ ẩm trong vật liệu sấy được mô phỏng theo công thức
(3.52).
Giả thiết tốc độ gió phân bố đồng đều trên mặt cắt ngang của không gian
chứa vải quả, phân bố của vải quả và độ rỗng của khối vải quả là đồng đều. Do
vậy, nhiệt độ và độ ẩm dũng khớ chỉ phụ thuộc vào tốc độ gió đầu vào, độ rỗng và
chiều dài vùng chứa vải quả.
Hệ phương trình mô tả trạng thái quá trình nhiệt ẩm trong không gian chứa
vải quả được có dạng như sau:
19
e
q fg v
q q w q w
q
a a
q
a a a v
M
k(M M) (3.53a)
t
h. S h C (T )
M

∂

= − − θ

∂ ρ +

Hệ phương trình (3.53) cho thấy: Sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm dũng khớ,
nhiệt độ của vải quả đều phụ thuộc vào tốc độ bay hơi nước của vải quả. Hệ
phương trình này có thể giải bằng phương pháp số [19] dựa trên thông số quan
trọng nhất là tốc độ giảm ẩm trong vải quả.
Các hệ số trong hệ phương trình (3.53) là hàm của các biến trạng thái T, θ,
W và M bao gồm:
- Hệ số thoát ẩm k được xác định bằng thực nghiệm (mục 3.2) theo công thức:
548,89
k 58,22e
−
θ
=
(3.72)
Trong đó:
θ- nhiệt độ vải quả (
o
C)
- Độ ẩm cân bằng M
e
được xác định từ công thức tính hoạt độ của nước trong quả
vải [67],[68]:
2
w
b

ẩm cõn bằng tuyệt đối của vải quả tớnh theo vật chất khô (%). Hoạt độ của nước a
w
được tính bằng độ ẩm tương đối φ của không khí bao quanh lớp vỏ vải quả chia
cho 100. Từ công thức (3.59) ta có thể xác định được độ ẩm cõn bằng tuyệt đối của
vải quả là:
2
o 1
e
1
b
b b T
M
100
1
+
=
 
−
 ÷
ϕ
 
(3.60)
φ- độ ẩm tương đối của không khí (%) được xác định theo công thức
[37]
b
p 100.W
.
p 0,621 W
ϕ =
+

(J/h.m
2
.
o
K) (3.62)
Trong đó:
A, B - là các hằng số: A = 0,2755 ; B = -0,34 ;
r
o
- bán kính tương đương của vải quả (m)
qtd
o
d
0,025
r 0,0125
2 2
= = =
(m) (3.63)
C
a
- nhiệt dung riêng của không khí, (kJ/kg.
o
K)
G
a
- khối lượng không khí chuyển động qua tiết diện cắt ngang buồng sấy
(kg/h.m
2
):
a a a

- Nhiệt dung riêng của không khí:
C
a
= 1,006(1+5.10
-7
.T
2
).10
3
(J/kg.
o
K) (3.67)
- Nhiệt dung riêng của nước :
C
w
= (4,178 + 9.10
-6
.θ
2
).10
3
(J/kg.
o
K) (3.68)
- Nhiệt dung riêng của hơi nước:
C
v
=1,88.(1+2,2.10
-4
.T

ρ =
895 (kg/m
3
) (3.72)
21
- Độ rỗng của vùng không gian chứa vải quả được xác định bằng thực nghiệm [ ]
và tính theo công thức:
qb b qb
b b
V V V
1 0,325
V V
−
ε = − = =
(3.73)
V
b
- thể tích không gian chứa vải quả trong buồng sấy (m
3
)
V
q
- thể tích chiếm chỗ vải quả trong buồng sấy, (m
3
)
- Hệ số trao đổi nhiệt thể tích S
q
của không khí với vải quả có đường kính
tương đương d
qtd

- đường kính tương đương của vải quả (m).
Hệ phương trình vi phân trên được giải bằng phương pháp số dựa trên việc
chuyển các phương trình vi phân theo không gian về trục thời gian t. Hệ phương
trình (3.53) được chuyển về dạng sai phân với các bước tính theo thời gian Δt và
không gian Δz dưới dạng:
e
M
f (M,M , )
t
M
f ( ,M,T, )
t t
W M
f ( )
z t
T
f (W,T, )
z
∆
= θ
∆
∆θ ∆
= θ
∆ ∆
∆ ∆
=
∆ ∆
∆
= θ
∆

 ÷
∆ ∆ ∆ ∆
 
∆ ∆
= θ = θ
∆ ∆
(3.76)
Với thuật giải trên, hệ phương trình (3.76) được chuyển thành hệ phương
trình vi phân toàn phần theo thời gian có dạng như sau:
22
e
q fg v
q q w q w
q
a
q
a a v
M k(M M) (3.77a)
h. S h C (T )
(T ) .M (3.77b)
(C C M) C C M
W .M (3.77c)
h. S
T (T ) (3.77d)
(C C W)
•
• •
• •
•


của giai đoạn sấy với tốc độ giảm. Vì vậy, có thể dùng hệ phương trình vi phõn
(3.76) để mô tả quá trình nhiệt ẩm trong buồng sấy với chú ý là
M
•
= -N:
q
a
M N (3.78a)
0 (3.78b)
W .N (3.78c)
T 0 (3.78d)
•
•
•
•

=


θ =



ρ
=

ρ


=

- T
wb
(
o
C) được xác định
bằng thực nghiệm.
Để giải hệ phương trình vi phân (3.78) ta cần xác định thời gian sấy trong
giai đoạn tốc độ sấy không đổi t
1
ứng với các thông số: độ ẩm của vật liệu sấy là
M
1
, nhiệt độ vật liệu sấy là θ
1
, độ chứa ẩm của không khí là W
1
và nhiệt độ không
khí là T
1
, trong đó M
1
được xác định bằng thực nghiệm.
1 o
M M M
= − ∆
(3.81)
Trong đó:
23
M
o

= 0,18 (hay M
2
= 18%).
Để giải hệ phương trình vi phân (3.77) ta có thể áp dụng thuật giải như sau:
Chia không gian chứa vải quả thành các lớp đủ nhỏ theo chiều chuyển động của
dũng khớ. Giá trị tính toán ở đầu ra của lớp này được lấy làm giá trị đầu vào cho
các lớp tiếp theo. Thời gian tính cho mỗi một lớp phụ thuộc vào tốc độ chuyển
động của dũng khớ v
o
, bề dày lớp h
z
và độ rỗng của lớp ε:
z
o
h
t
. v
=
ε
(3.83)
Việc tính toán mô phỏng có thể áp dụng cho thiết bị sấy có chiều cao và tốc
độ gió đầu vào tùy ý. Dựa trên kết quả mô phỏng có thể lựa chọn chiều cao buụ̀ng
sṍy thích hợp. Ở đây ta có thể áp dụng tính toán đối với thiết bị sấy có chiều cao
vùng chứa vải quả h
2z
, bước tính bằng đường kính trung bình của vải quả d
q
=
0,025m, độ rỗng của khối vải quả trong vùng sấy theo tính toán ε = 0,325.
3.3. Thí nghiệm xác định một số thông số phương trình

ta có thể xác định được mô hình toán học biểu diễn quá trình giảm ẩm của vật thể
sấy theo thời gian.
3.3.2. Xác định độ hệ số thoát ẩm k
Giả thiết k không đổi, từ phương trình 3.77a, ta có:
kt
e
0 e
M M
e
M M
−
−
=
−
(3.59)
Đối với các loại hạt hoặc quả có dạng hình cầu hệ số k được xác định theo
công thức của (Pabis and Henderson, 1961) có dạng như sau:
b /
k a.e
− θ
=
(3.60)
Các hệ số a và b được xác định bằng thực nghiệm từ hai chế độ nhiệt T
1
và
T
2
trong các khoảng thời gian giống nhau. Xột cỏc chế độ làm việc với nhiệt độ T
= T
1

12
o e1
1 12
M M
MR e
M M
−
−
= =
−
(3.62)
Với nhiệt độ T = T
2
, tại thời điểm t
21
và t
22
ta có:
k .t
21 e2
21
o e2
2 21
M M
MR e
M M
−
−
= =
−

12 12 e1
1 12 11
MR M M
R e
MR M M
−
−
= = =
−
(3.65)
k (t t )
21 21 e2
2
22 22 e2
2 22 21
MR M M
R e
MR M M
−
−
= = =
−
(3.66)
25
Logarit hai vế các phương trình (3.65) và (3.66) và chia hai vế của hai
phương trình:
( )
( )
1 12 11
1

lnR k e
− θ
− θ
= =
(3.68)
Giải phương trình (3.68) xác định được:
1 2 1
1 2 2
. lnR
b ln
lnR
 
θ θ
=
 ÷
θ − θ
 
(3.69)
Thay các giá trị:
b
1
1
k a.e
−
θ
=
và
b
2
2

1
+
=
 
−
 ÷
ϕ
 
(3.71)
Trong đó: b
0
= 98,6643, b
1
= -0,829739, b
2
= 3,091631. T - nhiệt độ không
khí (
0
C),
φ- độ ẩm tương đối của không khí (%)
Tiến hành thí nghiệm sấy vải quả trong tủ sấy thí nghiệm ứng với độ ẩm ban
đầu M
o
= 80,1%. Ở nhiệt độ T
1
=75
o
C, φ
1
= 5,2%, θ

64 giờ, M
22
= 24,4%.
Từ các giá trị trên ta tớnh được các hệ số a và b. Thay a và b vào công thức
3.71 ta xác định được hệ số thoát ẩm k:
548,89
k 58,22e
−
θ
=
(3.72)
3.3.3. Xác định thời gian sấy ở giai đoạn tốc độ sấy không đổi
Căn cứ vào số liệu thí nghiệm ở bảng 3.1, ta xác định được mối quan hệ giữa
thời gian sấy ở giai đoạn tốc độ sấy không đổi và vận tốc dũng khớ như sau:
Bảng 3.1. Thông số vào của chế độ tính toán mô phỏng
Chế độ mô
phỏng
Độ ẩm vật
liệu sấy M
(kg/kg)
Độ ẩm của
không khí sấy
W (kg/kg)
Nhiệt độ
không khí sấy
T (
o
C)
Nhiệt độ vật
liệu sấy