TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA KHỐI HẠT

TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA KHỐI HẠT

Nhiệt dung riêng

·  Theo định nghĩa, nhiệt dung riêng (NDR) là nhiệt lượng cần cung cấp cho 1 đơn vị vật chất để nó tăng lên 1 đơn vị nhiệt độ, hay nhiệt lượng do 1 đơn vị vật chất tỏa ra khi nhiệt độ của nó giảm đi 1 đơn vị. Đơn vị thông dụng của NDR là KJ/kg.độ (độ = K hay ^oC, tùy thang đo nhiệt độ mà thí nghiệm đã sử dụng).

Về lý thuyết, nhiệt dung riêng là hàm của nhiệt độ, áp suất và ẩm độ hạt. Nhưng trong lãnh vực sơ chế hay bảo quản nông sản, thường tiến hành trong khoảng áp suất và nhiệt độ không cao ( » 1 ÷ 2 bar & < 100 ^oC ), nên NDR của các lọai ngũ cốc chủ yếu phụ thuộc vào ẩm độ hạt. Và trong thực tế, giá trị NDR của nước thường cao gấp 2 lần so với NDR của bản thân các loại hạt, nên hạt có hàm lượng nước hay ẩm độ càng cao, NDR của chúng sẽ càng lớn.

·  Giá trị NDR phụ thuộc ẩm độ hạt đã được nhiều tác giả xác lập bằng thực nghiệm, với dụng cụ đo là Calorimeter. Kết quả thường trình bày dưới dạng phương trình hồi qui, một số được thể hiện ở bảng (2.3).

  Bảng 2.3: Nhiệt dung riêng một số hạt

Bảng này cho thấy, cùng loại hạt, giá trị ẩm độ nhận được thường có sự khác biệt giữa các tác giả (đôi lúc khá lớn), do vậy khi sử dụng cần ghi rõ nguồn gốc hay tác giả của phương trình được trích dẫn. Ví dụ:

• Bắp ở 15% M_w  có NDR tính theo Kazarian & Hall  (1965) là 2,06  kJ/kg.^oC, nếu tính theo Vemuganti & Pfost (1980) là 1,845  kJ/kg.^oC.
• Lúa ở 15% M_w  có NDR tính theo Wratten & al  (1969) là 2,74 kJ/kg.^oC, nếu tính theo Bala & al. (1987) giá trị của NDR là 2,09 kJ/kg.^oC. Rõ ràng, có sự chênh lệch đáng kể trong trường hợp này.

·  Trong lãnh vực bảo quản nông sản, NDR của hạt, thường dùng cho mục đích tính lượng nhiệt cần mang đi hoặc cấp vào, để duy trì nhiệt độ cần thiết của khối hạt. Hoặc xác định lượng nhiệt sinh ra trong thời gian bảo quản, từ đó tính được chế độ thông thoáng hay chế độ làm mát thích hợp cho khối hạt.

Ví dụ 2.3: 100 tấn lúa đang bảo quản ở ẩm độ M_w = 13%, vì lý do nào đó nhiệt độ trung bình của khối lúa vượt quá giới hạn cho phép, ví dụ tăng lên 32^oC, để hạ nhiệt độ khối lúa xuống còn 25^oC, cần phải mang ra khỏi khối hạt một lượng nhiệt là bao nhiêu ?

Giải:    Theo lý thuyết, nhiệt lượng cần mang đi tính theo công thức: 

 Để tính được Q, cần biết nhiệt dung riêng C của khối hạt. Với M_w = 13%, sử dụng phương trình  (Bala & al. 1987), ta có:

                   C =  1,620 + 0,03144 M_W               =  1,620 + (0,03144 ´ 13)  kJ/kg.^oC

®     Q = 100.10³ ´ (1,620 + (0,03144 ´ 13)) ´ (32 – 25)         =  1420,1  MJ

Tính dẫn nhiệt

·  Khối hạt là khối vật chất gồm hạt và khoảng không giữa các hạt, nên sự truyền nhiệt trong khối hạt thường xảy ra với 2 hình thức: dẫn nhiệt và đối lưu. Dẫn nhiệt là do sự tiếp xúc trực tiếp giữa các hạt, còn đối lưu là do sự hiện diện của không khí giữa khoảng không các hạt, cả 2 đồng thời xảy ra khi có sự chênh lệch về nhiệt độ.

Sự dẫn nhiệt trong khối hạt được đánh giá bằng hệ số dẫn nhiệt K, là lượng nhiệt qua 1 m² diện tích bề mặt một khối hạt dày 1 m, trong 1 đơn vị thời gian, làm cho tầng trên và tầng dưới sai biệt nhau 1 đơn vị nhiệt độ. Theo định nghĩa này, đơn vị của hệ số dẫn nhiệt là W/m.độ (độ = K hay ^oC tùy thang nhiệt độ mà thí nghiệm sử dụng).

Tương tự NDR, hệ số dẫn nhiệt K cũng phụ thuộc chủ yếu vào ẩm độ hạt. Bằng thực nghiệm, nhiều tác giả đã xác định được hệ số dẫn nhiệt của nhiều loại ngũ cốc thể hiện bằng các phương trình hồi qui, một vài kết quả được trích dẫn ở bảng (2.4). Bảng này cho thấy, ở cùng loại hạt có cùng ẩm độ, giá trị hệ số K có khác nhau tùy phương trình sử dụng. Ví dụ:

                        Lúa 13% M_wb              K  =  0,144  W/m.^oC                (Bala & al. (1987)

                                                            K  =  0,104  W/m.^oC                (Wratten & al  (1969)

            Bảng 2.4: Hệ số dẫn nhiệt của lúa và lúa mì

·  Các kết quả tính toán đều cho thấy, hầu hết các loại hạt ngũ cốc có hệ số dẫn nhiệt khá thấp ( » 0,1 ¸ 0,15 W/m. ^oC ), chỉ bằng » 1/4 so với nước (0,6 W/m.^oC) và chỉ cao hơn khoảng 4 ¸ 6 lần so với không khí (0,026 W/m.^oC). Điều này do bản thân vật liệu ngũ cốc có hệ số dẫn nhiệt thấp và sự truyền nhiệt dưới dạng tỏa nhiệt đối lưu cũng không cao, do khoảng không chứa không khí giữa các hạt rất bé.

Do khả năng dẫn nhiệt thấp, khối hạt ngũ cốc được xem tương đương chất cách nhiệt, nên khả năng lan truyền để tự quân bình nhiệt độ trong khối hạt xảy ra khá chậm. Tính chất này được vận dụng cho các trường hợp sau:

–Khi nhiệt độ môi trường tăng cao, chỉ lớp hạt nằm gần vách kho ảnh hưởng trực tiếp, sự truyền nhiệt vào sâu bên trong khá chậm. Nếu kết cấu kho hợp lý, đóng mở cửa đúng chế độ, sẽ duy trì được tình trạng bình thường của khối hạt. Đặc điểm này đặc biệt có ý nghĩa đối với các kho bảo quản có dung tích lớn.

–Vì lý do nào đó, khối hạt chớm bốc nóng ở vài khu vực nhất định, sự lan truyền dẫn đến gia tăng nhiệt độ trong toàn khối hạt xảy ra rất chậm. Nếu phát hiện kịp thời, việc khắc phục vẫn còn nhiều thời gian để xử lý.

• Điểm bất lợi là trường hợp khối hạt bị bốc nóng ở khu vực nào đó nhưng không phát hiện được, chúng sẽ âm ỉ lan truyền nhiệt độ cao cho vùng lân cận, khi nhận biết được, sự hư hỏng trong khối hạt đã trở nên nghiêm trọng.

·  Để đánh giá tính dẫn nhiệt của khối ngũ cốc, trong kỹ thuật còn dùng hệ số “khuếch tán nhiệt”, định nghĩa qua biểu thức:

    Ở đây:        K  = hệ số dẫn nhiệt của ngũ cốc, W/m. độ

                               C  = nhiệt dung riêng của ngũ cốc, kJ/kg. độ

                              r_bd = khối lượng thể tích của ngũ cốc, kg/m³

Hệ số này phản ánh tốc độ lan truyền nhiệt độ trong khối hạt dưới tác động của nhiệt độ môi trường ngoài qua sự truyền nhiệt.

Ví dụ 2.4: Một khối lúa có khối lượng thể tích r_bd = 660 kg/m³, đang bảo quản ở ẩm độ M_w = 13%. Tính theo phương trình Bala & al. (1987), khối lúa này có hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng là K = 0,144  W/m.^oC và C = 2,03 kJ/kg.^oC. Có hệ số khuếch tán nhiệt xác định theo biểu thức (2.7) là: