Đồ án quá trình thiết bị thiết kế hệ thống sấy ngô bằng hệ thống sấy thùng quay

Thiết kế máy sấy thùng quay sấy ngô năng suất 1200 kgh MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 3 Phần I TỔNG QUAN 5 1 1 Giới thiệu về nguyên liệu ngô 5 1 2 Khái niệm chung về sấy 5 1 2 1 Định nghĩa 5 1 2 2 Phân loại 5 1 2 3 Nguyên lý của quá trình sấy 6 1 3 Tác nhân sấy 7 1 4 Thiết bị sấy 9 1 5 Giới thiệu về hệ thống sấy thùng quay 10 Phần II TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ SẤY NGÔ 12 2 1 Tính cân bằng vật liệu 12 2 2 Thời gian sấy 13 2 3 Tính kích thước và các thông số của thùng.

TỔNG QUAN

Giới thiệu về nguyên liệu ngô

Ngô là cây lương thực và thức ăn gia súc quan trọng, đứng thứ ba thế giới với diện tích trồng khoảng 125 triệu ha và năng suất bình quân 3.8 triệu tấn/ha, tổng sản lượng đạt trên 525 triệu tấn Tại các nước tiên tiến, 100% diện tích ngô được trồng bằng giống ngô lai, cho năng suất bình quân từ 7 đến 9.4 tấn/ha Ở Việt Nam, diện tích trồng ngô đã tăng từ 119.000 ha năm 1939 lên 392.000 ha năm 1985 và khoảng 730.000 ha năm 1998, với năng suất đạt 26.7 tạ/ha vào năm 1998.

Khi thu hoạch, hạt ngô được sử dụng làm thực phẩm, bao gồm 4 bộ phận chính: vỏ hạt (6-9%), lớp aleron (6-8%), phôi (8-15%) và nội nhũ (70-85%) Ngô là nguồn nguyên liệu giàu tinh bột, và quy trình sấy tinh bột phụ thuộc vào nhiệt độ hồ hóa sản phẩm, thường khoảng 65℃ Do đó, việc chọn nhiệt độ tác nhân sấy phù hợp là rất quan trọng để tăng tốc độ sấy mà không làm vượt quá nhiệt độ hồ hóa của nguyên liệu.

Khái niệm chung về sấy

Sấy là quá trình loại bỏ độ ẩm khỏi bề mặt vật liệu bằng nhiệt năng, nhằm giảm khối lượng và tăng độ bền cho vật liệu Quá trình này giúp bảo quản sản phẩm nông sản, lương thực và thực phẩm lâu dài, đồng thời giảm năng lượng tiêu thụ trong vận chuyển Ngoài ra, sấy còn đảm bảo các thông số kỹ thuật cần thiết cho các quy trình gia công vật liệu tiếp theo.

Quá trình sấy bao gồm hai phương thức:

Sấy tự nhiên là phương pháp sử dụng năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời và gió để làm bay hơi nước trong vật liệu Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp Tuy nhiên, nó không cho phép kiểm soát thời gian và tốc độ sấy theo yêu cầu kỹ thuật, dẫn đến năng suất thấp và phụ thuộc vào thời tiết Ngoài ra, phương pháp này cần diện tích bề mặt lớn và điều kiện vệ sinh không đảm bảo, do đó thường được áp dụng cho quy mô nhỏ và hộ gia đình.

Sấy nhân tạo là phương pháp sử dụng nguồn năng lượng do con người tạo ra để sấy khô các vật liệu ẩm, thường được thực hiện trong các thiết bị sấy Phương pháp này có nhiều hình thức khác nhau, tùy thuộc vào cách thức truyền nhiệt, và trong kỹ thuật sấy, có thể phân loại thành nhiều dạng khác nhau.

1 Sấy đối lưu: là phương pháp sấy cho tác nhân tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy, mà tác nhân truyền nhiệt là không khí nóng, khói lò,… (gọi là tác nhân sấy)

2 Sấy tiếp xúc: là phương pháp sấy không cho tác nhân tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một vách ngăn

3 Sấy bằng tia hồng ngoại: là phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn điên phát ra truyền cho vật liệu sấy

4 Sấy bằng dòng điện cao tầng: là phương pháp sấy dùng năng lượng điện trường có tần số cao để đốt nóng toàn bộ chiều dày của vật liệu sây

5 Sấy thăng hoa: là phương pháp sấy trong môi trường cố độ chân không rất cao, nhiệt độ rất thấp, nên độ ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từ trạng thái rắn thành hơi không qua trạng thái lỏng

1.2.3 Nguyên lý của quá trình sấy

Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối phức tạp, liên quan đến sự khuyếch tán bên trong và bên ngoài vật liệu rắn cùng với truyền nhiệt Đây là quá trình nối tiếp, trong đó nước trong vật liệu chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và sau đó được tách ra khỏi vật liệu Động lực chính của quá trình này là sự chênh lệch độ ẩm giữa bên trong và bề mặt vật liệu Quá trình khuyếch tán chỉ diễn ra khi áp suất hơi trên bề mặt lớn hơn áp suất hơi riêng phần của hơi nước trong không khí xung quanh Vận tốc của quá trình xác định giai đoạn chậm nhất, và nhiệt độ có thể là yếu tố thúc đẩy hoặc cản trở việc di chuyển ẩm từ bên trong ra bề mặt vật liệu.

Trong quá trình sấy, môi trường không khí ẩm xung quanh ảnh hưởng lớn đến tốc độ sấy Vì vậy, việc nghiên cứu các tính chất và thông số cơ bản của quá trình sấy là rất cần thiết.

➢ Tóm lại nghiên cứu quá trình sấy thì phải nghiên cứu hai mặt của quá trình sấy:

Mặt tĩnh lực học giúp xác định mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy cũng như các tác nhân sấy thông qua cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng Từ đó, chúng ta có thể tính toán thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy và nhiệt cần thiết cho quá trình sấy hiệu quả.

Mặt động lực học nghiên cứu mối quan hệ giữa sự biến thiên độ ẩm của vật liệu và thời gian sấy, cùng với các thông số như tính chất, cấu trúc, kích thước của vật liệu sấy và điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy Qua đó, có thể xác định chế độ sấy và thời gian sấy phù hợp.

Tác nhân sấy

Tác nhân sấy là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy

Trong quá trình sấy, độ ẩm từ vật sấy luôn được bổ sung vào môi trường buồng sấy Nếu không được loại bỏ kịp thời, độ ẩm tương đối trong buồng sấy sẽ tăng lên, dẫn đến sự cân bằng giữa vật sấy và môi trường, làm ngừng quá trình thoát ẩm của vật liệu.

Vì vậy nhiệm vụ của tác nhân sấy:

• Gia nhiệt cho vật liệu sấy

• Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường

• Bảo vệ vật liệu sấy khỏi bị hỏng do quá nhiệt

Tùy theo phương pháp sấy mà tác nhân sấy có thể thực hiện một trong các nhiệm vụ trên

Quá trình sấy diễn ra qua hai giai đoạn chính: đầu tiên, gia nhiệt vật liệu để làm ẩm hóa hơi và mang hơi ẩm ra khỏi bề mặt vật Nếu hơi ẩm không được thoát kịp thời, nó có thể ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình bốc ẩm và thậm chí làm ngừng trệ quá trình này Để đưa hơi ẩm đã bay hơi từ vật liệu ra môi trường, có thể áp dụng nhiều biện pháp khác nhau.

• Dùng tác nhân sấy làm chất tải nhiệt

• Dùng bơm chân không để hút ẩm từ vật sấy thải ra ngoài

Trong quá trình sấy đối lưu, tác nhân sấy giữ vai trò quan trọng, vừa đảm nhận chức năng tải nhiệt, vừa tải ẩm Những tác nhân sấy phổ biến bao gồm không khí nóng, khói lò, hơi quá nhiệt và các chất lỏng khác.

Các loại tác nhân sấy:

Không khí ẩm là tác nhân sấy phổ biến, phù hợp cho hầu hết các sản phẩm mà không làm ô nhiễm hay thay đổi mùi vị Để sử dụng không khí ẩm, cần trang bị bộ gia nhiệt không khí, với nhiệt độ sấy không vượt quá 500℃ để tránh chi phí cao cho thiết bị trao đổi nhiệt Trong quá trình sấy bằng thiết bị thùng quay, không khí ẩm được điều chỉnh dựa trên ba yếu tố: độ ẩm tương đối, nhiệt độ không khí trước khi vào thùng (t1) và nhiệt độ không khí ra khỏi thùng (t2), với mục tiêu giảm thiểu tổn thất năng lượng.

Khói lò là một tác nhân sấy hiệu quả, có khả năng nâng nhiệt độ sấy lên đến 1000℃ mà không cần thiết bị gia nhiệt Tuy nhiên, việc sử dụng khói lò trong quá trình sấy có thể dẫn đến ô nhiễm vật liệu sấy do bụi và các chất gây hại như CO2 và SO2.

• Hơi quá nhiệt: tác nhân sấy này được dùng cho các loại sản phẩm đễ bị cháy nổ và có khả năng chịu được nhiệt độ cao

• Hỗn hợp không khí và hơi nước: tác nhân sấy này chỉ dùng khi độ ẩm tương đối cao.

Thiết bị sấy

Do sự khác biệt trong điều kiện sấy của từng loại vật liệu, có nhiều kiểu thiết bị sấy đa dạng để phù hợp với từng loại vật liệu cụ thể Việc phân loại thiết bị sấy có thể được thực hiện theo nhiều tiêu chí khác nhau.

Dựa vào tác nhân sấy, có nhiều loại thiết bị sấy khác nhau như thiết bị sấy bằng không khí, thiết bị sấy bằng khói lò, và các phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng tia hồng ngoại, hay sấy bằng dòng điện cao tần.

• Dựa vào áp suất làm việc: thiết bị sấy chân không hay thiết bị sấy ở áp suất thường

• Dựa vào phương thức và chế độ làm việc: sấy liên tục hay sấy gián đoạn

• Dựa vào phương pháp cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy tiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu hay thiết bị sấy bức xạ,…

• Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải,…

• Dựa vào chiều chuyển động của tác nhân sấy: cùng chiều hay ngược chiều

➢ Chọn thiết bị, tác nhân và phương án sấy

Khi chọn thiết bị sấy, cần căn cứ vào ưu, nhược điểm của các loại thiết bị và đặc điểm của vật liệu sấy, trong trường hợp này là ngô Hệ thống sấy thùng quay được lựa chọn vì đây là thiết bị chuyên dụng cho việc sấy các vật liệu dạng hạt và cục nhỏ Thiết bị này được sử dụng phổ biến trong công nghệ sau thu hoạch để sấy các vật liệu ẩm có kích thước nhỏ, đảm bảo hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

Trong quá trình sấy ngô, việc chọn tác nhân sấy rất quan trọng, có thể là khói lò hoặc không khí nóng Để đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm, quá trình sấy cần phải sạch và không bị ô nhiễm Nguyên liệu ngô chứa nhiều tinh bột, vì vậy nhiệt độ sấy không nên quá cao, mà phải phù hợp với nhiệt độ hồ hóa tinh bột Do đó, không khí nóng là lựa chọn tối ưu cho quá trình sấy ngô.

Ngô được sấy liên tục bằng không khí nóng, với vật liệu và tác nhân sấy di chuyển cùng chiều Sau khi quá trình sấy hoàn tất, ngô sẽ được tháo ra qua cửa tháo sản phẩm, trong khi tác nhân sấy sẽ được xử lý qua xyclon để thu hồi bụi và thải khí ra môi trường.

Giới thiệu về hệ thống sấy thùng quay

Hệ thống sấy thùng quay bao gồm một thùng sấy hình trụ nghiêng từ 1-5° so với mặt phẳng ngang, với hai vành đai trượt trên các con lăn đỡ Khoảng cách giữa các con lăn có thể điều chỉnh để thay đổi góc nghiêng của thùng Thùng quay hoạt động với tốc độ từ 1,5-8 vòng/phút nhờ động cơ điện kết hợp với hộp giảm tốc Bên trong thùng có cánh đảo để xáo trộn vật liệu, nâng cao hiệu suất sấy, và ở cuối thùng có hộp tháo sản phẩm.

Hệ thống sấy thùng quay hoạt động ở áp suất khí quyển, sử dụng tác nhân sấy là không khí sạch hoặc khói lò Tác nhân sấy và vật liệu có thể di chuyển cùng chiều hoặc ngược chiều Để đảm bảo hiệu quả sấy, vận tốc của tác nhân sấy trong thùng không vượt quá 3m/s, nhằm tránh tình trạng vật liệu bị cuốn ra ngoài quá nhanh.

Vật liệu ướt được đưa vào thùng sấy qua phễu nạp liệu ở đầu cao, trong khi thân thùng quay tròn giúp vật liệu vừa được xáo trộn vừa di chuyển từ đầu cao xuống đầu thấp Chuyển động này được hỗ trợ bởi các đệm chắn, không chỉ phân bố đều vật liệu theo tiết diện thùng mà còn tăng cường sự tiếp xúc của vật liệu với tác nhân sấy, từ đó cải thiện hiệu quả sấy.

Trong quá trình sấy, vật liệu và tác nhân sấy trao đổi nhiệt và ẩm trong thùng quay Sau khi vật liệu di chuyển hết chiều dài thùng sấy, nó sẽ được lấy ra và chuyển vào kho thông qua băng tải Đồng thời, tác nhân sấy sẽ được thu hồi qua xyclon, trong khi khí thải sẽ được thải ra môi trường.

• Sơ đồ nguyên lí của hệ thống thiết bị sấy thùng quay:

Sấy bằng không khí là quá trình sử dụng không khí nóng làm chất tải nhiệt để loại bỏ độ ẩm trong vật liệu Khi không khí nóng tiếp xúc với bề mặt vật liệu ẩm, nước trong vật liệu sẽ bốc hơi, tạo ra hỗn hợp không khí ẩm được thải ra ngoài.

➢ Ưu, nhược điểm của hệ thống sấy thùng quay:

- Qúa trình sấy được đều đặn và mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy

- Cường độ làm việc tính theo độ ẩm khá cao, có thể lên tới 100 kg/m 3 h

- Thiết bị đơn giản, dễ vận hành, chiếm diện tích mặt bằng nhỏ

- Vật liệu dễ bị vỡ vụn, làm giảm chất lượng sản phẩm

- Cần có xyclon để lọc bụi nếu vật liệu sấy ra nhiều bụi

- Tiếng ồn lớn do quạt tạo ra.

TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ SẤY NGÔ

Tính cân bằng vật liệu

• Lượng ẩm cần bốc hơi trong 1h của vật liệu sấy:

𝟏𝟎𝟎−𝑾 𝟏 , kg/h (Công thức VII.18 – trang 102 – [2]) Trong đó:

W: Lượng ẩm của vật liệu sấy bốc hơi trong 1 giờ, (kg/h)

𝑊 1 : Độ ẩm của vật liệu sấy trước khi sấy, tính theo giá trị thực

𝑊 2 : Độ ẩm của vật liệu sấy sau khi sấy, tính theo giá trị thực

• Khối lượng vật liệu ẩm vào thùng sấy:

𝑮 𝟏 = 𝑮 𝟐 + 𝑾, kg/h (Công thức VII.17 - trang 102 - [2])

• Khối lượng vật liệu khô tuyệt đối:

Thời gian sấy

𝑨.[𝟐𝟎𝟎−(𝑾 𝟏 +𝑾 𝟐 )], phút (Công thức VII.53-trang 123-[2]) Trong đó:

𝛽: Hệ số điền đầy, chọn = 0,1

𝜌: Khối lượng riêng xốp trung bình của vật liệu trong thùng quay ( 𝜌y5 kg/m 3 ) A: Cường độ bốc hơi ẩm (A= 30 kg/m 3 h)

𝑊 1 , 𝑊 2 : Độ ẩm ban đầu và cuối của vật liệu, %

Tính kích thước và các thông số của thùng sấy

2.3.1 Thể tích của thùng sấy(V):

𝑽, kg ẩm/𝑚 3 h, (Công thức 10.2 – trang 207 – [1]) Trong đó:

V: là thể tích của thùng sấy, (m 3 )

W: là lượng ẩm bay hơi trong 1h của vật liệu sấy, (kg/h)

A: là cường độ bốc hơi ẩm

2.3.2 Tính chiều dài (L) và đường kính(D) của thùng quay:

.𝑫 𝟐 , m (Công Thức VII.51 - trang 121 - [2]) Trong đó:

L: Chiều dài cuả thùng sấy, (m)

D: Là đường kính của thùng sấy, (m)

V: Là thể tích của thùng sấy, (m 3 )

Theo kinh nghiệm người ta lấy quan hệ giữa chiều dài và đường kính thùng sấy là: L/D = (3,5 ÷7)

Có thể làm tròn 𝐷 = 1,25 (𝑚) Nên L = 3,5 D = 3,5.1,25 = 4,4 (m)

2.3.3 Số vòng quay của thùng sấy: n = 𝒎.𝒌.𝑳

𝝉.𝑫.𝒕𝒈𝜶 , vòng/phút (Công thức VII.52 – trang 122 – [2])

Trong đó: n: số vòng quay của thùng

L: là chiều dài của thùng, (m)

Góc nghiêng của thùng quay thường nằm trong khoảng 2.5-3 độ cho thùng dài và lên đến 6 độ cho thùng ngắn, với lựa chọn góc nghiêng α = 3 độ, dẫn đến tgα = 0,0524 Hệ số m phụ thuộc vào cấu tạo cánh trong thùng, với giá trị m = 0,5 cho cánh nâng Hệ số k phụ thuộc vào chiều chuyển động của khí, trong trường hợp sấy xuôi chiều, chọn k = 0,65.

 : Thời gian lưu lại của vật liệu trong thùng quay, phút n = 0,5.0,65.4,4 19,88.1,25.0,0524= 1,01 (vòng/phút)

Có thể làm tròn n = 1 (vòng/phút)

Tính toán quá trình sấy lí thuyết

Nhiệt độ đốt nóng hạt cho phép:

𝟎,𝟑𝟕.(𝟏𝟎𝟎− 𝑾 𝒕𝒃 ) + 𝑾 𝒕𝒃 ; (Công thức 10.9 - trang 210 - [1]) Trong đó:

𝜏 là thời gian sấy, (phút)

𝑊 𝑡𝑏 là độ ẩm trung bình của vật liệu trước và sau khi sấy, (%)

Quá trình sấy lý thuyết không có hồi lưu được biểu diễn trên đồ thị I – d (hình vẽ)

❖ Tính toán trạng thái không khí bên ngoài:

Chọn không khí bên ngoài được xác định bởi cặp thông số nhiệt độ và độ ẩm tương đối (𝑡 0 ,𝜑 0 ) = (25℃, 85%), có áp suất B= 745mmHg

✓ Công thức tính áp suất hơi bão hòa 𝑃 𝑏𝑜 :

𝟐𝟑𝟓,𝟓𝟎𝟎+𝒕 𝟎 }, bar (Công thức 2.31- trang31- [1]) Áp suất hơi bão hòa ứng với 𝑡 0 %℃ là:

✓ Công thức tính lượng chứa ẩm 𝑑 𝑜 :

𝐁−𝛗 𝟎 𝐏 𝐛𝟎 , kg ẩm/kgkk (Công thức 2.18 - trang 28 - [1])

✓ Entanpy 𝐼 0 : Entanpy của không khí trước khi đi vào caloripher:

𝑰 𝟎 = 1,004.𝒕 𝟎 + 𝒅 𝟎 (2500 + 1,842.𝒕 𝟎 ), kJ/kgkk (Công thức 2.25 - trang 29 - [1])

❖ Tính toán trạng thái không khí vào thùng sấy (không khí sau khi qua caloripher hay trước khi vào thiết bị sấy)

Không khí được đưa vào thùng sấy được qua caloripher để đốt nóng không khí tăng ẩm đến nhiệt độ 𝑡 1 = 70℃, lượng chứa ẩm 𝑑 1 = 𝑑 0 = 0,0172 kg ẩm/kg kk

✓ Áp suất hơi bão hòa 𝑃 𝑏1 = exp{12,00 - 4026,420

✓ Độ ẩm tương đối 𝜑 1 của không khí sau khi đi qua caloripher:

✓ Entanpy 𝐼 1 : Entanpy của không khí sau khi đi vào caloripher:

➢ Vậy nhiệt lượng mà calorifer cần cung cấp để đốt nóng không khí từ trạng thái (𝑡 0 ,

❖ Tính toán trạng thái không khí sau quá trình sấy lý thuyết:

✓ Lượng chứa ẩm 𝑑 2 sau quá trình sấy lý thuyết:

2500+1,842.t 2 , kg ẩm/kgkk (Công thức 2.26 trang 29 – [1])

✓ Áp suất hơi nước bão hòa ứng với 𝑡 2 = 40℃:

✓ Độ ẩm tương đối 𝜑 2 sau quá trình sấy lý thuyết là:

✓ Lượng ẩm mà không khí nhận từ vật liệu :

Gbc0 = d20 −d1 = 0,0311−0,0172 = 0,0139 (kg ẩm/kg kk)

Ta có bảng thông số của quá trình sấy:

Không khí trước khi đi qua caloripher

Không khí sau khi đi qua caloripher

Không khí sau khi sấy t0 = 25C t1 = 70C t2 = 40C

I0 = 68,892 kJ/kg kk I1 = 115,498 kJ/kg kk I2 = 115,498 J/Kg kk d0 = 0,0172 kg ẩm/kg kk d1 = 0,0172 kg ẩm/kg kk d2 = 0,0311 kg ẩm/kg kk

Lượng ẩm tác nhân sấy lý thuyết cần thiết

✓ Lượng không khí khô cần thiết 𝑙 0 để bốc hơi 1 kg ẩm bằng:

W = 1 d 2 − d 0 , kgkk/kg ẩm (Công thức 7.14 – trang 131 – [1])

✓ Vậy lượng tác nhân sấy vào calorifer là:

Theo phụ lục 5 – trang 349 – [1], thể tích không khí ẩm chứa 1kg không khí khô trước và sau quá trình sấy là: 𝑣 1 = 1,016 𝑚 3 /kgkk và 𝑣 2 = 0,95 𝑚 3 /kgkk

✓ Lượng thể tích của tác nhân sấy trước quá trình sấy lý thuyết 𝑉 1 :

✓ Lượng thể tích của tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết 𝑉 2 :

✓ Lượng thể tích trung bình của quá trình sấy lý thuyết 𝑉 𝑡𝑏 :

• Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy lý thuyết:

✓ Cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy lý tưởng ta có:

✓ Nếu viết cho một kg ẩm cần bốc hơi của VLS thì:

Tính toán nhiệt quá trình sấy thực

Trong quá trình sấy thực phẩm, ngoài tổn thất nhiệt do tác nhân sấy (TNS) gây ra, còn có tổn thất nhiệt do vật liệu lót sấy (VLS) và tổn thất nhiệt ra môi trường qua các kết cấu bao che.

2.5.1.Tổn thất nhiệt do VLS mang đi:

Nhiệt dung riêng của ngô ở độ ẩm 𝑤 2 = 15%

𝑪 𝒗 = 𝑪 𝒗𝒌 (1 - 𝒘 𝟐 ) + 𝑪 𝒂 𝑾 𝟐 , kJ/kg độ (Công thức 7.40 – trang 141 – [1])

𝐶 𝑣𝑘 : Nhiệt dung riêng của VLS khô, 𝐶 𝑣𝑘 = 1,5 kJ/kg độ

𝐶 𝑎 : Nhiệt dung riêng của hơi nước, 𝐶 𝑎 = 4,1868 kJ/kg độ

Suy ra: 𝐶 𝑣 = 1,5.(1 – 15 10 −2 ) + 4,1868.15× 10 −2 = 1,903 kJ/kg độ

Vậy tổn thất nhiệt do VLS mang đi là:

𝐖 , kJ/kg độ ( Công thức 7.19 – trang 135 – [1]) Trong đó:

𝑡 𝑣1 ,𝑡 𝑣2 ,: Nhiệt độ của vật liệu sấy trước và sau khi sấy

𝐶 𝑣 : Nhiệt dung riêng của VLS ở độ ẩm 𝑊 2 , (kJ/kg độ)

2.5.2 Tổn thất nhiệt ra môi trường do các kết cấu bao che Để tính tổn thất nhiệt ra môi trường do các kết cấu bao che ta phải giả thiết tốc độ sấy của TNS là w(m/s) Sau khi tính toán xong lượng tác nhân quá trình sấy thực ta sẽ kiểm tra lại giả thiết này

Cơ sở để giả thiết tốc độ TNS trong thiết bị sấy thực tế là tốc độ sấy lý thuyết

Tốc độ 𝑤 0 (m/s) được xác định là tỷ số giữa lưu lượng thể tích trung bình 𝑉 𝑡𝑏0 và tiết diện tự do 𝑭 𝒕𝒅 của thùng Với giá trị 𝛽= 0,1, tiết diện tự do của thùng sấy có thể được tính gần đúng.

4 = 1,105 ( 𝑚 2 ) Khi đó tốc độ TNS lý thuyết 𝑤 0 bằng:

1,105 = 2,84 (m/s) Chúng ta giả thiết tốc độ TNS trong quá trình sấy thực là: w = 3,2 (m/s)

Như vậy, các dữ liệu để tính mật độ dòng nhiệt gồm:

• Nhiệt độ dịch thể nóng trong trường hợp này là nhiệt độ trung bình của TNS vào và ra khỏi thùng sấy:

• Nhiệt độ dịch thể lạnh: nhiệt độ này chính bằng nhiệt độ môi trường:

Thùng được cấu tạo từ 3 lớp từ trong ra ngoài như sau:

STT lớp Tên lớp Chất liệu Kí hiệu độ dày Độ dày

1 Lớp thùng quay Thép 𝐶𝑇 3 𝛿 1 5 mm

2 Lớp bảo ôn Bông thủy tinh 𝛿 2 50 mm

3 Lớp bảo vệ Thép 𝐶𝑇 3 𝛿 3 1 mm

Các quá trình truyền nhiệt xảy ra:

• Quá trình cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành thiết bị sấy

• Quá trình dẫn nhiệt từ thành trong ra thành ngoài thiết bị

• Quá trình cấp nhiệt từ thành ngoài thiết bị đến không khí

Lớp thép bọc bên ngoài lớp cách nhiệt dày 1mm chủ yếu có tác dụng bảo vệ và tổn thất nhiệt qua lớp này là rất nhỏ, do đó có thể bỏ qua khi tính toán.

Hệ số truyền nhiệt từ tác nhân sấy ra ngoài môi trường xung quanh K được tính theo công thức:

➢ Đồ thị quá trình truyền nhiệt:

𝛼 1 : hệ số trao đổi nhiệt giữa TNS với mặt trong của thiết bị sấy, W/𝑚 2 độ

𝛼 2 : hệ số trao đổi nhiệt giữa mặt ngoài của kết cấu bao che với môi trường, W/𝑚 2 độ

𝛾 𝑛 : hệ số dẫn nhiệt của các lớp trong kết cấu bao che

𝛿 𝑛 : chiều dày của các kết cấu bao che, (m) a) Quá trình cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành thiết bị sấy

Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt giữa tác nhân sấy và thành trong của thùng sấy được xác định bằng công thức q1 = α1 (tf1 − tw1), trong đó tw1 là nhiệt độ thành trong của thiết bị sấy.

Tính chuẩn số Reynolds Re được xác định theo công thức:

𝛝 , (Công thức V.36 - trang 13 - [2]) Trong đó:

Re: Chuẩn số Reynolds đặc trưng cho chế độ chảy của dòng wtb: Vận tốc tác nhân sấy trung bình,(m/s) D: Đường kính thùng sấy, (m)

𝜗: Độ nhớt động học của tác nhân sấy, (m 2 /s) Tra phụ lục 6 – [1], ở 55℃ có 𝜗 = 18,46 (m 2 /s)

Vì Re >10 5 , trao đổi nhiệt giữa tác nhân sấy và mặt trong thiết bị là đối lưu cưỡng bức nên:

Chọn D và m theo bảng 7.3 - trang 143 – [1], ta có:

: Hệ số dẫn nhiệt của tác nhân sấy, tra phu lục 6 - trang 350 - [1]

Giả thiết nhiệt độ mặt trong của thùng sấy là 𝑡 𝑤1 = 50℃

Vậy 𝑞 1 = 𝛼 1 (𝑡 𝑓1 − 𝑡 𝑤1 ) = 13,67.(55−50) = 68,35 (W/𝑚 2 ) b) Quá trình cấp nhiệt từ thành ngoài thiết bị đến không khí (𝜶 𝟐 )

Xác định 𝛼 2 bằng công thức sau:

𝛼 2 ′ : hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiên, W/𝑚 2 độ

𝛼 2 ′′ : hệ số cấp nhiệt do bức xạ, W/𝑚 2 độ

• Xác định 𝜶 ′ : o Tính chuẩn số Gratkov:

𝛝 𝟐 Trong đó: g: Gia tốc trọng trường, g = 9,81 𝑚 2 /s

𝛽: Hệ số dãn nở thể tích, 𝛽 = 1

∆𝑡: Hiệu số nhiệt độ độ giữa bề mặt trao đổi nhiệt và dòng, (℃)

𝑙: Kích thước hình học chủ yếu, (m)

𝜗: Độ nhớt động học của tác nhân sấy, (𝑚 2 /s)

Giả sử nhiệt độ mặt ngoài của thùng sấy là 𝑡 𝑤4 = 32,5℃

Nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và bề mặt ngoài của thùng sấy là:

Hệ số dãn nở thể tích là:

298 (độ -1 ) Tra phụ lục 6 – trang 350 – [1], tại 28,5℃ có:

Tiêu chuẩn Nu trong truyền nhiệt đối lưu tự nhiên:

Nu = C.(𝐺𝑟 Pr) 𝑛 , (Công thức 7.44 - trang 143 – [1])

Chọn C, n theo Bảng 7.2 – trang 143 – [1] ta có: C = 0,135, n = 0,333

𝜀 𝑛 : Mức độ đen của hệ, tra bảng v4 – trang 36 – [2], 𝜀 𝑛 = 0,95

𝐶 0 : Hệ số của vật đen tuyệt đối, 𝐶 0 = 5,76 W/𝑚 2 °𝐾 4

𝑇 1 ,𝑇 2 : Nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt thiết bị sấy và môi trường xung quanh, °K Thay số vào ta được: α 2 ′′ =0,95.5,76 [(32,5 + 273

Với sai số này thì chấp nhận được c) Tính hệ số truyền nhiệt

Do đó mật độ dòng nhiệt là

Diện tích bao quanh thùng sấy F được tính dựa trên nguyên lý truyền nhiệt qua vách phẳng, tương tự như cách truyền nhiệt qua hình trụ Do đó, diện tích này được xác định bằng diện tích bề mặt của hình trụ theo đường kính trung bình.

𝐷 𝑡𝑏 là đường kính trung bình của thùng sấy

L là chiều dài thùng sấy, L= 4.4 m

Do đó, tổn thất nhiệt ra môi trường 𝑄 𝑚𝑡 bằng:

160 = 9,77 (kJ/kg ẩm) Vậy tổng tổn thất nhiệt là:

Xây dựng quá trình sấy thực

𝐶 𝑎 : nhiệt dung riêng của hơi nước, 𝐶 𝑎 = 4,1868 (kJ/kg.độ)

𝑡 0 : nhiệt độ bên ngoài môi trường, 𝑡 0 = 25℃

2.6.2.Xác định các thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực

➢ Xác định lượng chứa ẩm 𝑑 2 :

𝐢 𝟐 − ∆ , (Công thức 7.31 – trang 138 – [1]) Trong đó:

𝐶 𝑝𝑘 : Nhiệt dung riêng của không khí khô, 𝐶 𝑝𝑘 = 1,004 kJ/kg.K

𝑖 1 , 𝑖 2 : Entanpy của 1 kg hơi nước ở nhiệt độ 𝑡 1 , 𝑡 2 , kJ/kg

Với r là ẩn nhiệt hóa hơi, r = 2500 (kJ/kg)

𝐶 𝑝𝑎 : Nhiệt dung riêng của hơi nước, 𝐶 𝑝𝑎 = 1,842 (kJ/kg.K) Ở 70℃ có 𝑖 1 = 2500 + 1,842.70 = 2628,94 (kJ/kg) Ở 40℃ có 𝑖 2 = 2500 + 1,842.40 = 2573,68 (kJ/kg)

𝑰 𝟐 = 𝑪 𝒑𝒌 𝒕 𝟐 + 𝒅 𝟐 𝒊 𝟐 , kJ/kg kk (Công thức 7.33 – trang 138 – [1])

➢ Xác định độ ẩm tương đối 𝜑 2 :

➢ Xác định lượng tác nhân sấy thực tế:

Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi một kg ẩm vật liệu sấy là: l = 1 d 2 − d 0 = 1

0,0291−0,0172 = 84,033 (kgkk/kg ẩm) Vậy lượng tác nhân sấy vào thiết bị là:

Theo phụ lục 5 – trang 349 – [1], thể tích không khí khô trước và sau quá trình sấy là 𝑣 1 = 1,016 𝑚 3 /kgkk, và 𝑣 2 = 0,95 𝑚 3 /kgkk

• Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trước quá trình sấy 𝑉: Đồ thị biểu diễn quá trình sấy thực

• Lưu lương thể tích của tác nhân sấY sau quá trình sấy 𝑉 2 :

• Lưu lượng thể tích trung bình của quá trình sấy thực 𝑉 𝑡𝑏 :

Tốc độ của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực bằng:

𝐹 𝑡𝑑 = 3,67 1,105 = 3,3(m/s) Vậy giả thiết tốc độ sấy là 3,2 m/s chấp nhận được

2.6.3.Tính toán cân bằng nhiệt:

• Nhiệt lượng tiêu hao q: q = l (𝐼 1 - 𝐼 0 ) = 84,033.(115,48 – 68,892) = 3914,93 (kJ/kg ẩm)

• Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi 𝑞 2 :

𝐶 𝑑𝑥 (𝑑 0 ) là nhiệt dung riêng dẫn xuất của tác nhân sấy trước quá trình sấy [𝐶 𝑑𝑥 (𝑑 0 ) = 𝐶 𝑝𝑘 + 𝐶 𝑝𝑎 𝑑 0 = 1,004 + 1,842.0,0172 = 1,0357 (kJ/kgkk)] Vậy: 𝑞 2 = 84,033.1,0357.(40 – 25) = 1305,49 (kJ/kg ẩm)

• Tổng nhiệt lượng có ích và các tổn thất là:

Về nguyên tắc thì nhiệt lượng tiêu hao q và tổng nhiệt lượng có ích với các tổn thất

𝑞 ′ phải bằng nhau Trong quá trình tính toán, do làm tròn hoặc sai số do tra đồ thị… nên có thể dẫn đến sai số

Với sai số này trong tính toán là cho phép

Ta có bảng cân bằng nhiệt:

STT Đại lượng Kí hiệu kJ/Kg ẩm

2 Tổn thất do tác nhân sấy 𝑞 2 1305,49

3 Tổn thất do vật liệu sấy 𝑞 𝑣 142,7

4 Tổn thất ra môi trường 𝑞 𝑚𝑡 9,77

5 Tổng nhiệt lượng có ích và tổn thất 𝑞 ′ 3926,97

7 Tổng nhiệt lượng tiêu hao q 3914,93

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

Calorifer

Trong kỹ thuật sấy thường sử dụng hai loại calorifer để đốt nóng không khí là calorifer khí – hơi và calorifer khí – khói

Tuy nhiên trong công nghệ sấy thường sử dụng caloripher khí – hơi

Caloripher khí – hơi là thiết bị trao đổi nhiệt có vách ngăn, với hơi bão hòa ngưng tụ bên trong ống và không khí chuyển động bên ngoài Hệ số trao đổi nhiệt của hơi nước (𝛼 𝑛) lớn hơn nhiều so với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ngoài ống và không khí (𝛼 𝑘) Để cải thiện hiệu quả truyền nhiệt, phía không khí thường được thiết kế với cánh Do đó, trong kỹ thuật sấy, caloripher khí – hơi thường là loại ống chùm có cánh khuấy nằm ngang Nhiệt lượng cần cung cấp cho tác nhân sấy (Q) là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.

L: Là lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy thực tế (kg/h)

𝐼 0 , 𝐼 1 : Entanpy của tác nhân sấy trước và sau khi ra khỏi caloripher (kJ/kgkk) Vậy Q = 13445,28.(115,498−68,892) = 626630,72 (kJ/h) b) Công suất nhiệt của calorifer:

Q: Nhiệt lượng đưa vào buồng sấy, kW hay kJ/h

𝑛 𝑐𝑎𝑙 : Hiệu suất nhiệt của calorifer, 0,95 ÷ 0,97

Do nhiệt độ tác nhân sấy không quá cao nên ta chọn lò hơi có áp suất bão hòa là 5 bar

Tra bảng nước và hơi nước bão hòa theo áp suất ta có ẩn nhiệt hóa 2114 (kJ/kg độ) Nhiệt độ hơi nước bão hòa là 152℃

Lưu lượng hơi cần cung cấp:

Bề mặt truyền nhiệt của caloripher F được tính theo công thức:

K ∆t tb n cal , (Công thức 17.23 – trang 326 – [1])

F: Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, bề mặt phía có cánh (𝑚 2 )

∆t tb : Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hơi và không khí, ℃

𝑘: Hệ số truyền nhiệt của thiết bị, W/𝑚 2 K n cal : Hiệu suất của caloripher

Hệ số truyền nhiệt k được xác định theo bảng 4 – phụ lục 1- trang 181- [5] Để xác định trị số k, cần giả thiết lưu tốc của không khí qua caloripher là ρ.v (kg/m² s) và kiểm tra lại Giả thiết lưu tốc của không khí là 5 (kg/m² s), do đó hệ số truyền nhiệt k = 22,9 (W/m² K) Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình ∆𝑡𝑏 giữa không khí và hơi cũng cần được tính toán.

, (Công thức 17.25 – trang 327 – [1]) Trong đó:

Với 𝑡 𝑏 là nhiệt độ bão hòa của hơi nước, tra bảng nước và hơi nước bão hòa theo áp suất ta có ẩn nhiệt hóa hơi r = 2114 (kJ/kg.độ)

Nhiệt độ hơi bão hòa của hơi nước: 𝑡 𝑏 = 152℃

Bề mặt truyền nhiệt của caloripher:

Dựa vào phụ lục I - trang182 - bảng 5 – [5], ta chọn calorifer 𝐾∅12 kiểu II Tiết diện thông khí của caloriher này là 𝑓 𝑘 = 0,72 (𝑚 2 ) Kiểm tra lại lưu tốc của không khí:

Ta có lưu tốc của không khí: 𝜌 𝑣 = 𝐿

Vậy chọn caloripher 𝐾∅12 là chấp nhận được

Các thông số của caloripher được cho dưới bảng sau:

Diện tích tiết diện khí đi qua (𝑚 2 )

Diện tích tiết diện môi chất đi qua (𝑚 2 )

Kích thước (mm) Đường kính ống môi chất vào (mm) Dài

Tính trở lực và chọn quạt

Trong hệ thống sấy, quạt đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển không khí và tạo áp suất cho dòng khí đi qua các thiết bị như caloripher, máy sấy, đường ống và xyclon Nhiệm vụ chính của quạt là tạo ra dòng chảy của tác nhân sấy qua thùng sấy với lưu lượng phù hợp theo yêu cầu của quá trình sấy.

Năng suất của quạt được đặc trưng bởi thể tích khí đi vào hay đi ra thiết bị sấy

Trong thiết bị sấy, việc vận chuyển tác nhân sấy thường sử dụng hai loại quạt chính là quạt ly tâm và quạt hướng trục Dựa trên áp suất tạo ra, quạt được phân chia thành ba loại khác nhau.

- Quạt áp suất thấp, tổng cột áp tạo ra đến 100 mmH2O

- Quạt trung cấp, tổng cột áp tạo ra là 100 đến 300 mmH2O

- Quạt cao áp, tổng cột áp tạo ra là 300 đến 1500 mmH2O

Việc lựa chọn loại quạt và số hiệu phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống sấy, trở lực cần khắc phục ∆p, năng suất mà quạt phải tải đi V, cùng với nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy.

Khi chọn quạt, giá trị cần xác định là hiệu suất của quạt

• Tính tiêu chuẩn Re: Đường kính trung bình của ngô lấy bằng d = 7,5 mm Ở nhiệt độ trung bình của TNS t = 55℃, có thể lấy gần đúng 𝜗 theo phụ lục 6 – trang 350 – [1], 𝜗 = 18,46 10 −6 (m 2 /s)

• Hệ số thuỷ động a (Theo công thức 10.20 – trang 213 - [1]), ta có:

• Khối lượng riêng dẫn xuất 𝜌 𝑑𝑥 (Theo công thức 10.23 – trang 213 – [1]), ta có:

G1: Khối lượng VLS đi vào thùng sấy, (kg/h)

G2: Khối lượng VLS ra khỏi thùng sấy, (kg/h)

𝑉: Thể tích của thùng sấy, (m 3 )

• 𝐻ệ số 𝜉 nếu lấy khối lượng riêng của ngô 𝜌 𝑣 = 1200 kg/𝑚 3 (Theo công thức 10.22-

• Hệ số 𝐶 1 đặc trưng cho độ chặt của lớp hạt (Theo công thức 10.21- trang 312 - [1]), ta có:

❖ Như vậy trở lực của tác nhân sấy qua lớp hạt (Theo 10.9 - trang 213 - [1]), ta có:

Trong đó: a: Hệ số thủy động

L: Chiều dài thân thùng, (m) w: Tốc độ tác nhân sấy đi trong thùng, (m/s) g: gia tốc trọng trường, g = 9,8 (m 2 /s) d: Đường kính trung bình của ngô, d = 0,0075 (m)

𝜌 𝑘 : Khối lượng riêng của TNS, (kg/m 3 )

(Ở đây chúng ta lấy khối lượng riêng 𝜌 𝑘 của TNS như là khối lượng riêng không khí ở nhiệt độ 55℃ và bằng 𝜌 𝑘 = 1,0765 (kg/m 3 )

❖ Trở lực xyclon và buồng đốt Theo kinh nghiệm trở lực qua xyclon

∆𝑝 𝑥 mm𝐻 2 0, trở lực buồng đốt ∆𝑝 𝑏𝑑 = 3 𝑚𝑚𝐻 2 0, trở lục cục bộ và các tổn thất phụ lấy 5% Vậy tổng trở lực quạt phải khắc phục bằng:

❖ Áp suất động của khí thoát

∆pd: Áp suất động của khí thoát ra, mmH2O ρk: Khối lượng riêng của khí, ρk = 1,0765 (kg/m 3 ) w: Tốc độ khí thải ra môi trường, chọn w = 20m/s

➢ Chọn quạt cho hệ thống sấy thùng quay

Dựa vào cột áp ∆𝑝 = 67,287 mm𝐻 2 0 và lưu lượng 𝑉 𝑡𝑏 = 13216,71 𝑚 3 /h, chúng tôi đã chọn quạt ly tâm II 4-70 𝑁 0 7 theo biểu đồ ở phụ lục 2 – trang 197 – [5] Chế độ làm việc của quạt đạt hiệu suất ɳ 𝑞 = 0,77, với tốc độ quay 𝜔 = 100 𝑟𝑎𝑑/𝑠 tương đương 1051 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡.

Trong đó: k: Hệ số dự phòng, 𝑘 = (1,1 − 1,2), chọn 𝑘 = 1,2

V: Lưu lượng ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy, m 3 /h

𝜌 0 : Khối lượng riêng của không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn (𝑡 0 = 0, 𝑝 0 760 𝑚𝑚𝐻𝑔)

∆𝑝: Tổng cột áp mà quạt phải thực hiện, mm𝐻 2 𝑂

𝜌: Là số kg không khí khô trên 1𝑚 3 không khí ẩm

Vì thể tích không khí ẩm tương đương với thể tích không khí khô ở cùng nhiệt độ, nên khối lượng riêng 𝜌 trong công thức là khối lượng riêng của không khí khô tại nhiệt độ trung bình của TNS Cụ thể, ở nhiệt độ 55℃, 𝜌 có giá trị là 1,0765 kg/m³ (theo Phụ lục 6 – trang 350 – [1]) Hiệu suất của quạt được ký hiệu là ɳ 𝑞.

Tính toán công suất của động cơ quay

Công suất cần thiết để quay thiết bị được xác định theo thực nghiệm:

N = 0,13 10 −2 D 3 L a n ρ, [kW] (Công thức VII 54 − trang 123 − [2]) Trong đó:

D: Đường kính trong của thùng sấy, m

Khối lượng riêng của vật liệu sấy ẩm được ký hiệu là 𝜌, tính bằng kg/m³ Tốc độ quay của thùng được ký hiệu là n, đo bằng vòng/phút Hệ số công suất, ký hiệu là a, phụ thuộc vào hình dạng của cánh và hệ số chưa đầy.

LỜI KẾT

Thông qua đồ án thiết kế hệ thống sấy thùng quay, tôi đã ôn lại kiến thức lý thuyết từ các môn học liên quan và học cách tính toán, thiết kế một hệ thống thực tế Đồ án giúp tôi làm quen với việc tìm tài liệu, tra cứu và nắm bắt mối quan hệ giữa lý thuyết và thực tiễn Việc thiết kế hệ thống này dựa trên nhiều công thức thực nghiệm từ các tài liệu khác nhau, tuy nhiên, do nguyên liệu sấy là ngô nên tài liệu tham khảo hạn chế, buộc tôi phải sử dụng số liệu thay thế, dẫn đến sai số trong thiết kế Để đạt được độ chính xác cao hơn, cần thiết lập hệ thống thử nghiệm để kiểm tra và tối ưu chế độ làm việc Tôi cũng nhận thấy rằng thiết kế dựa vào lý thuyết mà thiếu kinh nghiệm thực tế còn nhiều điều chưa hợp lý, vì vậy tôi rất mong nhận được sự hướng dẫn và góp ý từ các thầy cô để hoàn thiện hệ thống hơn.

Em xin chân thành cám ơn!