ẨM ĐỘ CÂN BẰNG

1. ẨM ĐỘ CÂN BẰNG

1.1 Khái niệm

Hạt có tính hút ẩm hay nhả ẩm tùy thuộc tương quan giữa ẩm độ hạt và ẩm độ không khí môi trường.

·  Nếu để 1 lượng hạt có ẩm độ đầu M_w vào môi trường có ẩm độ tương đối j = const và nhiệt độ T = const, hạt sẽ hút ẩm (nếu khô) hoặc nhả ẩm (nếu ướt) và sau thời gian đủ dài, ẩm độ hạt sẽ tiệm cận về một giá trị nào đó như hình (1).

Hình 1:  Hạt đạt ẩm độ cân bằng ở ẩm độ không khí nhất định sau thời gian dài

Lúc này không còn hiện tượng trao đổi ẩm giữa hạt và môi trường, nghĩa là nước trong vật liệu và hơi nước trong không khí đạt sự cân bằng. Ẩm độ hạt lúc này gọi là ẩm độ cân bằng M_cb và giá trị j của không khí tương ứng gọi là ẩm độ tương đối cân bằng j_cb tại nhiệt độ T.

· Nếu giữ nhiệt độ không khí không đổi, thay đổi ẩm độ tương đối j của không khí, đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ẩm độ cân bằng M_cb của hạt và ẩm độ tương đối j của không khí gọi là đường trao đổi ẩm đẳng nhiệt, có dạng cong chữ S như hình (2).

Hình 2: Quan hệ giữa ẩm độ cân bằng  và ẩm độ tương đối không khíở nhiệt độ không đổi

Gọi là đường hút ẩm đẳng nhiệt nếu thiết lập bằng cách cho hạt tiếp xúc với không khí có độ ẩm tương đối tăng dần. Còn nếu thiết lập bằng cách cho hạt tiếp xúc với không khí có độ ẩm tương đối giảm dần thì gọi là đường nhả ẩm đẳng nhiệt.

Khi sấy, đường cong nhả ẩm được quan tâm nhiều hơn, còn khi bảo quản thì đường cong hút ẩm được chú ý nhiều hơn.

Trong thực tế, đường nhả ẩm đẳng nhiệt luôn nằm trên đường hút ẩm đẳng nhiệt. Sự khác biệt này do phần lớn vật liệu sấy đều có “tính trễ” (hysteresis). Có nhiều giả thuyết nêu ra để giải thích tính trễ, cần nghiên cứu thêm có thể tham khảo (Bruin và Luyben, 1980) hay (Forter & Okos, 1980).

Sự phụ thuộc của ẩm độ cân bằng M_cb vào nhiệt độ T và ẩm độ tương đối j của không khí  đã được khá nhiều tác giả nghiên cứu và tổng kết. Ví dụ, ASAE Yearbook 1994 liệt kê ẩm độ cân bằng của 20 loại hạt, một số được trích dẫn như bảng (1).

   Bảng 1:  Ẩm độ cân bằng của một số hạt (ASAE, 1994)

1.2. Các mô hình toán về ẩm độ cân bằng

Để tổng quát hóa mối quan hệ giữa ẩm độ cân bằng M_cb của hạt và ẩm độ tương đối cân bằng j_cb của không khí, nhiều mô hình thực nghiệm đã được thiết lập. Mỗi mô hình biểu thị bằng 1 phương trình toán học gắn liền với tên tác giả, thỏa mãn cho một vài loại hạt hay thực phẩm nào đó. Mục này giới thiệu một vài mô hình thông dụng.

Bảng 2: Các hệ số mô hình Henderson

Ví dụ 1: Để lúa có ẩm độ M_d = 14% vào môi trường không khí có nhiệt độ T = 25^oC không đổi và ẩm độ tương đối j = 70% không đổi, hạt sẽ hút ẩm đến khi đạt ẩm độ cân bằng M_cb, tính theo công thức (1.6), với K = 1,9187.10^–5, N = 2,4451, C = 51,161, tìm được M_cb ≈ 15,6%.

Bảng 3: Các hệ số mô hình Chung - Pfost

Ví dụ 2: Số liệu tương tự ví dụ 1.4, sử dụng công thức (1.8) từ mô hình Chung - Pfost, với C = 35,703, E = 0,29394, F = 0,046015, tính được ẩm độ cân bằng của lúa ở điều kiện trên là M_cb ≈ 15,3%. So với M_cb = 15,6%, nếu tính theo mô hình Henderson, có khác biệt nhưng không đáng kể.

Bảng 4: Các hệ số mô hình GAB

Ví dụ 3: Đậu phộng ở ẩm độ M_d = 14% đặt ở môi trường không khí ổn định có nhiệt độ T = 30^oC, ẩm độ tương đối j = 75%, sẽ đạt ẩm độ cân bằng là M_cb ≈ 8,8%, tính theo công thức mô hình GAB. Nếu đặt ở môi trường không khí có nhiệt độ T = 30^oC, ẩm độ tương đối j = 80%, sẽ đạt ẩm độ cân bằng M_cb ≈ 10,3%.

Để thuận tiện, các mô hình trên còn được thể hiện dưới dạng đồ thị, ví dụ hình (3) và (4) biểu thị ẩm độ cân bằng của lúa và bắp ở 27, 32 và 43^oC theo mô hình Henderson.

Hình 3: Ẩm độ cân bằng của LÚA (theo mô hình Henderson)

Hình 4: Ẩm độ cân bằng của BẮP (theo mô hình Henderson)

1.3. Cách xác định ẩm độ cân bằng

Ở một nhiệt độ nhất định, không khí trong một lọ kín trên một dung dịch muối bão hòa sẽ giữ được ẩm độ j nhất định. Ví dụ, dung dịch bão hòa NaCl (muối ăn) ở 32 ^oC sẽ giữ j ở 75,6%. Vậy, đặt một nhúm hạt trong không gian kín này, sau thời gian nhất định, nó sẽ đạt được ẩm độ cân bằng. Với phương pháp tĩnh, không khí đứng yên, nên cần vài tuần mới đạt được cân bằng. Với phương pháp động, không khí được khuấy động di chuyển quanh hạt nên nhanh hơn, chỉ cần vài ngày. Đây là ưu điểm khi xác định với j cao hơn 90%, tránh hiện tượng hạt bị thối trước khi đạt cân bằng. Tuy nhiên, phương pháp động đòi hỏi dụng cụ đo phức tạp hơn. 

   Bảng 5: Liệt kê một số muối thường dùng. 

1.4. Ý nghĩa của ẩm độ cân bằng

·    Giả sử không khí trời có nhiệt độ T = 27^oC và ẩm độ j  = 80%. Nếu thổi không khí này qua khối lúa trong thời gian dài, khối lúa sẽ đạt ẩm độ cân bằng M_cb = 16,0% (hình 3), nếu là hạt bắp thì M_cb = 14,8% (hình 4). Như vậy, chỉ thổi không khí thường cũng có thể giảm ẩm độ đáng kể, với điều kiện là thời gian không quá lâu, để nấm mốc chưa có cơ hội phát triển, hạt chưa kịp hư hỏng. Đây là cơ sở của phương pháp sấy bảo quản trong kho.

·    Nếu nung nóng không khí trên đến 43 ^oC (j khi đó là 33%) và thổi qua khối lúa, thì M_cb = 8,5%. Nghĩa là hạt bị sấy quá khô. Thực tế, phải ngừng sấy khi lớp dưới của khối lúa đạt 13 -13,5% và chấp nhận lớp trên khoảng 14-15% ẩm độ.

·    Thí nghiệm cho thấy nấm mốc chậm phát triển khi ẩm độ tương đối của không khí j nhỏ hơn 70%. Vì thế cần hạ ẩm độ xuống mức cân bằng với j này mới bảo quản lâu dài được; với hạt lúa là khoảng 13%.