thiết kế thiết bị sấy cà phê dạng thùng quay năng suất 2 tấngiờ

Phân loại quá trình sấy Có thể chia làm hai loại cơ bản:  Sấy tự nhiên: Sấy tự nhiên phơi nắng, vật liệu sấy được phơi ngoài trời, dưới tác dụng nhiệt của mặt trời vật liệu sẽ đạt đến

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Việt Nam là một nước có nền nông nghiệp khá phát triển Xuất khẩu nông sản luôn thu nhiều ngoại tệ về cho nước nhà Theo thống kê sơ bộ của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (NN&PTNT), tính đến 20/12/2009, tổng kim ngạch xuất khẩu các mặt hàng nông, lâm, thuỷ sản ước đạt khoảng 15 tỷ USD, trong đó nông sản đạt trên 8

tỷ USD, thuỷ sản trên 4 tỷ USD, lâm sản trên 2 tỷ USD Trong đó, nhóm hàng nông sản như: gạo, cà phê, cao su…luôn là nhóm hàng chiếm tỷ trọng cao trong xuất khẩu nông sản Cùng với các mặt hàng nông sản khác cà phê là một trong những mặt hàng xuất khẩu chủ lực của Việt Nam Giá trị xuát khẩu hàng năm đạt trên 1 tỷ USD Theo http://www.sggp.org.vn ra ngày 07/11/2009, trong 9 tháng đầu năm 2009, xuất khẩu

cà phê đạt 880.000 tấn, kim ngạch xuất khẩu đạt 1,3 tỷ USD Dự kiến cả năm 2009, xuất khẩu đạt 1,15 triệu tấn, kim ngạch xuất khẩu đạt khoảng 1,75 tỷ USD Việt Nam

đã xuất khẩu cà phê đến 88 quốc gia và vùng lãnh thổ, đứng thứ 2 thế giới Tuy nhiên, theo báo cáo ngày 1-9-2009 của Tổ chức Cà phê thế giới (ICO) thì 75% cà phê Việt Nam không đạt chuẩn CQP (Coffee Quality-Improbement Program), trong khi Indonesia chỉ có 9% Điều này ảnh hưởng đến uy tín và có cớ để người mua trả giá thấp Để lấy lại uy tín của cà phê Việt Nam trên thị trường xuất khẩu, các đơn vị sản xuất kinh doanh cà phê cần không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm; quan tâm đầy

đủ vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm, mở rộng diện tích sản xuất cà phê theo chuẩn và quy tắc chung của cộng đồng cà phê quốc tế; thực hành nông nghiệp tốt (GAP), quản

lý cây trồng tổng hợp (ICM), phòng trừ sâu bệnh tổng hợp (IPM) và thực hành chế biến tốt (GMP) Để sản xuất cà phê vừa đáp ứng được thị trường xuất khẩu vừa có khả năng cạnh tranh cần đòi hỏi chất lượng cà phê cao và giá thành hợp lý Trong thời kỳ cạnh tranh như hiện nay thì vấn đề tìm ra giải pháp nhằm nâng cao chất lượng cà phê luôn được quan tâm Trong đó, việc thiết kế hệ thống sấy, lựa chọn thiết bị sấy và tính toán nhiệt cho quá trình sấy đóng vai trò quyết định chất lượng cà phê Từ đó, đề tài

“thiết kế thiết bị sấy cà phê dạng thùng quay năng suất 2 tấn/giờ” được thực hiện

nhằm góp phần giải quyết tình trạng trên và đáp ứng nhu cầu thị trường

1.2 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

 Nghiên cứu, tính toán thiết kế, đưa ra quy trình sấy cà phê bằng thùng quay góp phần cải thiện chất lượng cà phê, nâng cao giá trị kinh tế.

 Giải quyết tình trạng ứ đọng nguyên liệu và ổn định giá cả

1.3 YÊU CẦU

 Xác định các thông số đầu vào và dầu ra của nguyên liệu: độ ẩm, nhiệt độ…

 Xác định nhiệt độ sấy, thời gian sấy

 Xác định lưu lượng khí sấy và lượng nhiệt cần thiết

 Xác định hiệu suất sấy

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU

2.1 Giới thiệu về cây cà phê

2.1.1 Nguồn gốc cây cà phê Việt Nam

Theo http://thegioicafe.com.vn thì cà phê được sử dụng lần đầu tiên vào thế kỉ thứ 9, khi nó được khám phá ra từ vùng cao nguyên Ethiopia Từ đó, nó lan ra Ai Cập

và Yemen, và tới thế kỉ thứ 15 thì đến Armenia, Persia, Thổ Nhĩ Kỳ và phía bắc Châu Phi Từ thế giới Hồi giáo, cà phê đến Ý, sau đó là phần còn lại của Châu Âu, Indonesia

và Mĩ Ngày nay, cà phê là một trong những thức uống thông dụng toàn cầu Cây cà phê lần dầu tiên đưa vào Việt Nam từ năm 1897 và được trồng thử từ năm 1888 Giai đoạn đầu, cà phê chủ yếu trồng ở Ninh Bình, Quảng Bình… đến đầu thế kỷ 20 mới được trồng ở Nghệ An và một số nơi ở Tây Nguyên Từ 1920 trở đi, cây cà phê mới có diện tích đáng kể đặc biệt ở Buôn Ma Thuật, Đăklăk Khi mới bắt đầu, qui mô các đồn điền từ 200-300ha và năng suất chỉ đạt từ 400-600kg/ha Cho đến nay, diện tích cà phê trên cả nước khoảng 500.000 ha và sản lượng có khi lên đến 900.000 tấn Hiện nay Việt Nam là nước xuất khẩu cà phê đứng thứ 2 trên thế giới

2.1.2 Phân loại

Hiện nay, các nước trên thế giới cũng như ở nước ta đều trồng ba loại cà phê là: arabica (cà phê chè), canephora (cà phê vối), excelsa (cà phê mít)

 Cà phê chè (arabica): là loại cà phê được trồng và tiêu thụ nhiều nhất trên thế giới,

chiếm 9/10 tổng sản lượng cà phê Cây cao 3 ÷ 5 m, có khi 7 ÷ 10 m, độc thân hoặc nhiều thân, vỏ mốc trắng, gỗ vàng ngà, hoa mọc thành từng chùm gồm 5 cánh màu trắng, thời gian ra hoa ở nước ta từ tháng 2 đến tháng 4 Quả hình trứng hay hình tròn, khi chín có màu đỏ tươi, kích thước quả: dài 17 ÷ 18 mm, đường kính tiết diện 10 ÷ 15 mm, 500 ÷700 quả/kg, thời gian từ lúc có quả đến lúc chín 6 ÷7 tháng, thời vụ thu hoạch từ tháng 9 đến tháng 2 Hạt có vỏ lụa màu bạc, ít bám vào nhân, kích thước: dài 5 ÷ 10 mm, rộng 4 ÷ 7

mm, dày 2 ÷ 4 mm, kích thước này thay đổi theo từng loại và theo điều kiện môi trường Khối lượng 500 ÷ 700 hạt/100g, hàm lượng cafein 1,3 %, hạt có màu xám xanh, xanh lục

tùy theo chủng và cách chế biến, năng suất 400 ÷ 500kg cà phê nhân/ha Tỉ lệ thành phẩm (cà phê nhân) so với nguyên liệu (cà phê quả tươi) là 14 ÷ 20 %.

Cà phê chè là loại cà phê được ưa chuộng nhất do hương thơm và mùi vị tốt Trong đồ án này ta tiến hành sấy cà phê thóc của loại cà phê này

 Cà phê vối (canephora): Cây cao từ 3 ÷ 8 m, vỏ cây mốc trắng, gỗ vàng hoặc trắng ngà, hoa màu trắng mọc thành cụm có 5 ÷7 cánh, mùa hoa từ tháng 4 đến tháng 6 Quả hình tròn hoặc hình trứng, khi chín có màu đỏ hoặc hồng, trên quả thường có đường gân dọc, vỏ quả mỏng so với cà phê chè, thời gian từ khi có quả đến lúc chín

10 ÷ 12 tháng, thời vụ thu hoạch từ tháng 1 đến tháng 4 Hạt hình bầu dục hay tròn, vỏ lụa trắng dễ bong, khoảng 600 ÷ 900 hạt/100g, hạt dài 5 ÷ 8 mm, hạt có màu xanh bạc, xanh lục hoặc xanh nâu tùy theo chủng và cách chế biến, hàm lượng cafein 2 ÷ 3

%, đây là loại cà phê có nhiều cafein nhất Năng suất trồng trọt 500 ÷ 600 kg cà phê nhân/ha, ít hương thơm, thường dùng để pha trộn với cà phê chè hay để chế biến cà phê hòa tan và bánh kẹo cà phê Loại cà phê này giá trị thương phẩm kém nhưng lại chịu được hạn, ít kén đất và ít bị sâu bệnh

 Cà phê mít (excelsa): Cây cao từ 6 ÷ 15 m, nếu đất tốt có thể cao đến20m Hoa màu trắng có 5 cánh, quả hình trứng hơi ép ngang, quả chín có màu đỏ, to và dày Khối lượng 500 ÷ 700 quả/kg Hình dạng hạt cà phê mít giống như hạt cà phê chè, màu vàng xanh hay màu vàng rạ, vỏ lụa dính sát vào nhân, khó bong, khoảng 700 ÷ 1000 hạt/100g, hàm lượng 1 ÷ 1,2 %.cafein Năng suất 500 ÷ 600 kg cà phê nhân/ha, tỉ lệ thành phẩm (cà phê nhân) so với cà phê quả tươi khoảng 10 ÷ 15 % Giá trị thương phẩm không cao do hạt không đều, khó chế biến, hương vị thất thường, tuy nhiên đây là loại cà phê chịu được hạn, ít kén đất và ít bị sâu bệnh

2.1.3 Đặc tính chung của cà phê

2.1.3.1 Cấu tạo giải phẫu của quả cà phê

Quả cà phê đưa vào chế biến gồm có các phần sau: lớp vỏ quả, lớp nhớt (vỏ nhớt), lớp vỏ trấu (lớp vỏ thóc), lớp vỏ lụa và nhân

Hình 1: Cấu tạo giải phẫu của quả cà phê

 Lớp vỏ quả: là lớp vỏ ngoài, mềm, ngoài bì có màu đỏ, vỏ của quả cà phê chè

(arabica) mềm hơn cà phê vối (canephora) và cà phê mít (excelsa)

 Lớp vỏ thịt: là phần dưới lớp vỏ mỏng còn gọi là trung bì, vỏ thịt cà phê chè mềm, chứa nhiều chất ngọt và dễ xay xát hơn Vỏ thịt cà phê mít cứng và dày hơn

 Lớp vỏ trấu: hạt cà phê sau khi loại vỏ quả, vỏ thịt và phơi khô gọi là cà phê thóc, vì bao bọc nhân là một lớp vỏ cứng nhiều chất xơ gọi là vỏ trấu hay còn gọi là nội bì Vỏ trấu của cà phê chè mỏng và dễ dập hơn cà phê vối và cà phê mít

 Lớp vỏ lụa: xát cà phê thóc còn một lớp vỏ mỏng, mềm gọi là vỏ lụa Chúng có màu sắc và đặc tính khác nhau tùy theo loại cà phê Vỏ lụa cà phê chè có màu trắng bạc rất mỏng và dễ bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến Vỏ cà phê vối có màu nâu nhạt

Vỏ lụa cà phê mít màu vàng nhạt bám sát vào nhân và phê

 Nhân cà phê: nằm ở phần trong cùng Một quả cà phê thường có 1, 2 hoặc 3 nhân Thông thường thì chỉ có 2 nhân

Bảng 1: Tỉ lệ giữa các thành phần cấu tạo của quả cà phê: (tính theo %?? quả

2.1.3.2 Cấu tạo của nhân cà phê

Hình 2: Cấu tạo của nhân cà phê

Nhân cà phê bao gồm: phôi và mô dinh dưỡng

2.1.3.3 Thành phần hóa học của nhân cà phê

Bảng 2: Thành phần hóa học của nhân cà phê

Nhiệt dung riêng: c = 0,37 kcal/kg oC;

Độ ảm: ω1 = 20%; ω2 = 12%; ????

2.1.4 Tình hình sản xuất, tiêu thụ và xuất khẩu cà phê ở nước ta

Theo trang báo điện tử http://www.bnm.vn, Việt Nam là một nước có sản lượng

cà phê lớn thứ hai trên thế giới chỉ sau Braxin Hàng năm chúng ta làm ra tới 1 triệu tấn cà phê nhân Tuy nhiên về tiêu dùng cà phê, mỗi năm chúng ta chỉ tiêu dùng trong nước chừng 938.000 bao (bao 60kg) tức là khoảng 56.000 tấn, chiếm chưa đầy 6% sản lượng cà phê hàng năm Trong các nước sản xuất cà phê, Việt Nam xếp hàng thứ 8 sau

7 nước Braxin, Mexico, Indonesia, Ethiopia, Colombia, India và Philipines Nếu tình lượng tiêu dùng bình quân trên đầu người hàng năm của Việt Nam chỉ có 0,64 kg, xếp thứ 19 trong các nước sản xuất cà phê Có thể thấy việc mở rộng thị trường tiêu thụ cà phê trong nước ở Việt Nam là hoàn toàn có nhiều khả năng mặc dầu người Việt Nam

có truyền thống uống trà từ lâu đời Để phát triển thị trường tiêu thụ cà phê trong nước, nhất là thời kỳ khủng hoảng tài chính trên phạm vi toàn thế giới, việc mở rộng thị trường trong nước là một hương đi cần thiết, chúng ra cần có sự hỗ trợ của nhà nước thông qua chương trình xúc tiến thương mại nội địa với việc sử dụng nguồn tài chính kích cầu cuả Chính phủ Tính đến năm 2009 Việt Nam đã xuất khẩu cà phê đến

88 quốc gia và vùng lãnh thổ, đứng thứ 2 thế giới, hàng năm thu về cho nước về cho nước nhà trên 1 tỷ USD Tuy nhiên, theo báo cáo ngày 1-9-2009 của Tổ chức Cà phê thế giới (ICO) thì 75% cà phê Việt Nam không đạt chuẩn CQP (Coffee Quanlity-Improbement Program), trong khi Indonesia chỉ có 9% Điều này ảnh hưởng đến uy tín và có cớ để người mua trả giá thấp Để lấy lại uy tín của cà phê Việt Nam trên thị trường xuất khẩu, các đơn vị sản xuất kinh doanh cà phê cần không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm; quan tâm đầy đủ vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm, mở rộng diện tích sản xuất cà phê theo chuẩn và quy tắc chung của cộng đồng cà phê quốc tế; thực hành nông nghiệp tốt (GAP), quản lý cây trồng tổng hợp (ICM), phòng trừ sâu bệnh tổng hợp (IPM) và thực hành chế biến tốt (GMP)

2.2 Quy trình sản xuất cà phê

Để sản xuất cà phê nhân, người ta sử dụng hai phương pháp sau:

- Phương pháp khô: điều kiện chế biến đơn giản nhưng phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết, thời gian chế biến kéo dài

- Phương pháp ướt: sản xuất chủ động hơn nhưng tốn nhiều thiết bị, nước và năng lượng Tuy nhiên, sản xuất theo phương pháp này rút ngắn được thời gian chế biến và cho sản phẩm có chất lượng cao hơn Thông thường người ta kết hợp cả hai phương pháp, sau đây là sơ đồ công nghệ sản xuất cà phê nhân bằng phương pháp kết hợp:

Thuyết minh các công đoạn của quy trình:

Ủ chín

Phân loại:

Phân loại nhằm mục đích tách các chất tạp chất lẫn trong nguyên liệu, làm cho kích thước nguyên liệu đồng đều, tạo điều kiện cho việc bóc vỏ được triệt để, đảm bảo chất lượng của sản phẩm

Bóc vỏ quả, vỏ thịt (xát tươi):

Mục đích: Thành phần chủ yếu của lớp vỏ quả là nước, gluxit và protein, các chất này không tham gia vào quá trình hình thành chất lượng sản phẩm mà còn gây khó khăn như thối rữa, làm kéo dài thời gian phơi sấy Do đó vỏ quả cần phải loại bỏ Ngoài ra, lớp vỏ thịt, thành phần chủ yếu là pectin, cũng không có lợi cho các quá trình chế biến tiếp theo nên cũng cần phải loại bỏ

Rửa:

Mục đích: loại bỏ những phẩm vật tạo thành trong quá trình lên men, loại bỏ các vết của lớp vỏ nhớt, đây là công đoạn quan trọng vì nếu còn các phẩm vật kể trên bám vào hạt cà phê , không những chúng làm cho màu sắc của hạt, mùi vị của hạt bị ảnh hưởng mà còn kéo dài thời gian phơi sấy nữa

Làm ráo, phơi sấy:

Làm ráo:

Mục đích: làm mất phần nước tự do ở hạt cà phê sau khi rữa, nếu không làm ráo mà đem sấy ngay sẽ sinh ra hiện tượng "luộc" nguyên liệu tạo ra một màng cứng bên ngoài hạt cà phê làm kéo dài thời gian sấy và sấy không đều làm ảnh hưởng đến chất lượng thành phẩm

Làm ráo có thể rút ngắn thời gian phơi sấy, độ ẩm của nguyên liệu có thể giảm từ 7 ÷

10 % sau công đoạn này

Bóc vỏ thóc (xát khô):

Hạt cà phê được bao bọc bởi một lớp vỏ trấu tương đối dày và chắc chắn, thành phần chủ yếu là xenlulo, không có ích cho quá trình tiêu hóa của cơ thể và cũng không có ích cho sự hình thành chất lượng sản phẩm, do đó cần phải loại chúng ra

Bóc vỏ lụa (đánh bóng):

Cũng như lớp vỏ thóc, lớp vỏ lụa không có giá trị cho người tiêu dùng nên cần phải bóc vỏ lụa cho hạt cà phê được bóng, tăng giá trị cảm quan và tránh vi sinh vật xâm nhập

Phân loại:

Cà phê sau khi đánh bóng là một hỗn hợp gồm: cà phê tốt, cà phê xấu, vỏ trấu, vỏ lụa, cà phê vụn do đó cầ̀n phải phân loại để đảm bảo được yêu cầu của khách hàng và tiêu chuẩn của nhà máy

Đấu trộn:

Cà phê nhân được đấu trộn theo một tỉ lệ nhất định để đảm bảo hiệu quả kinh tế cho cơ sở sản xuất hoặc đảm bảo theo yêu cầu của khách hàng

CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Tóm tắt lý thuyết qúa trình sấy

3.1.1 Khái niệm

Sấy là quá trình làm khô một vật thể bằng phương pháp bay hơi Đôi tượng của quá trình sấy là các vật ẩm là những vật thể có chứa một lượng chất lỏng nhất định Chất lỏng chứa trong vật ẩm thường là nước Một số ít vật ẩm chứa chất lỏng khác là dung môi hữu cơ, ví dụ: sơn, vecni…

3.1.2 Phân loại quá trình sấy

Có thể chia làm hai loại cơ bản:

 Sấy tự nhiên: Sấy tự nhiên (phơi nắng), vật liệu sấy được phơi ngoài trời, dưới tác

dụng nhiệt của mặt trời vật liệu sẽ đạt đến độ ẩm cân bằng Quá trình này ít tốn kém tuy nhiên không thể thực hiện được vào những ngày mưa dầm, thời gian sấy quá dài

Ở các vùng nhiệt đới thì vật liệu sấy thu được có độ ẩm khá cao

 Sấy nhân tạo: Sấy nhân tạo là quá trình sấy sử dụng tác nhân sấy: không khí nóng, khói lò, hơi quá nhiệt…để làm khô vật liệu sấy Quá trình sấy nhân tạo gồm có ba giai đoạn: đốt nóng vật liệu, tốc độ sấy không đổi (sấy đẳng tốc), tốc độ sấy giảm dần Ưu điểm của sấy nhân tạo là không phụ vào thời tiết, thời gian sấy kéo dài và có thể đạt được độ ẩm mong muốn

3.1.3 Hỗn hợp không khí ẩm

Hỗn hợp không khí khô và hơi nước được gọi là không khí ẩm

3.1.3.1 Các loại không khi ẩm

Tùy theo lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm mà người ta chia làm ba loại:

Không khí ẩm chưa bão hòa: Là không khí còn có thể cho thêm lượng hơi nước vào Do

đó có thể sử dụng không khí ẩm chưa bão hòa làm tác nhân sấy

Không khí ẩm bão hòa: là không khí mà hơi nước chứa trong nó đạt giá trị cực đại Nếu ta

tiếp tục thêm lượng hơi nước vào không khí ẩm bão hòa thì hơi nước ngưng tụ lại thành những hạt nhỏ li ti

Không khí ẩm quá bão hòa: là không khí ẩm mà hơi nước chứa trong đó là hơi bão hòa

ẩm Không khí ẩm quá bão hòa là trạng thái không bền vững vì một lượng hơi nước sẽ ngưng

Gh: khối lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm, kgV: thể tích không khí ẩm, m3

Nếu không khí khô tuyệt đối P h =0⇒ϕ =0

Nếu không khí bão hòa ẩm P h =P bh ⇒ϕ =1

3.1.3.2.3 Độ chứa ẩm (độ chứa hơi, độ ẩm riêng)

Là trọng lượng nước (hơi ẩm) chứa trong 1kg không khí khô

k

h G

Gh: khối lượng hơi nước chứa trong không khí, kg

Gk: khối lượng không khí khô, kg

3.1.3.2.4 Thể tích riêng của không khí ẩm

Là thể tích của một 1kg không khí ẩm

T P

P M

RT v

Trong đó v : thể tích riêng của không khí ẩm, m3 kk ẩm/ kg kk khô

R; hằng số khí, R = 8314 J/kmol độM: khối lượng riêng của không khí, M =29 kg/kmol

ϕ: độ ẩm tương đối của không khí

P, Pbh: áp suất khí quyển và áp suất hơi bão hòa, N/m2

3.1.3.2.5 Nhiệt độ của không khí

Nhiệt độ bầu khô: là nhiệt độ đo bằng một một nhiệt kế hay một cặp nhiệt độ

thông thường

Nhiệt độ bầu ướt: là nhiệt độ mà tại đó nước, do bốc hơi thành không khí ẩm, có

thể đưa không khí đến trạng thái bão hòa trong điều kiện ổn định

Nhiệt độ điểm sương: là nhiệt độ tại đó hơi ẩm trong không khí bắt đầu ngưng tụ

thành sương hay còn gọi là đọng sương

3.1.3.2.6 Entanpi của không khí:

Là lượng nhiệt năng chứa trong hỗn hợp hơi nước – không khí

d t c r t c

I = k +( 0 + h )Trong đó ck: nhiệt dung riêng của không khí khô, ck = 1,004kJ/kg độ

r0: nhiệt hóa hơi của hơi nước, r0 = 2493 kJ/kg

ch: nhiệt dung riêng của hơi nước, ch = 1,842 kJ/kg độ

d t t

I =1,004 +(2493+1,842 )

⇒

Ta có thể lấy gần đúng I =1,004t +(2500+1,842t)d

3.1.4 Các bộ phận cơ bản của hệ thống sấy

Hệ thống sấy bao gồm các bộ phận cơ bản sau:

Buồng sấy: là không gian thực hiện quá trình sấy khô vật liệu, là bộ phận quan trọng nhất của hệ thống sấy Có hình dạng khác nhau tùy thuộc vào phương pháp sấy và thiết bị sấy

Bộ phận cung cấp nhiệt: tùy theo hệ thống sấy khác nhau mà bộ phận cung cấp nhiệt cũng khác nhau Thiết bị sấy đối lưu dùng môi chất sấy là không khí, chất tải nhiệt là hơi nước thì bộ phận cung cấp nhiệt là calorifer khí – hơi nếu chất tải nhiệt là khói thì bộ phận cung cấp nhiệt là calorifer khí – khói

Bộ phận thông gió và tải ẩm: bộ phận bày có nhiệm vụ tải ẩm từ vật sấy vào môi trường Khi sấy bức xạ việc thông gió còn có nhiệm vụ bảo vệ vật sấy khỏi quá nhiệt

Bộ phận cấp vật liệu và lấy sản phẩm: bộ phận này khác nhau tùy thuộc vào thiết bị sấy.

Hệ thống đo lường, điều khiển: dùng đo nhiệt độ, độ ẩm tương đối của môi chất sấy tại các vị trí cần thiết Tự động điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm môi chất vào thiết bị nhằm duy trì chế độ sấy theo đúng yêu cầu

3.2 Vật ẩm

Những vật liệu ẩm đem đi sấy đều có chứa một lượng nước nhất định Trạng thái của vậ liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ

3.2.1 Độ ẩm của vật

3.2.1.1 Độ ẩm tuyệt đối (độ ẩm theo cơ sở khô)

Là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật liệu với khối lượng khô tuyệt đối

%100

×

=

k

a o

G

G w

Trong đó

Ga: Khối lượng ẩm chứa trong vật liệu, kg

Gk: Khối lượng khô tuyệt đối, kg

3.2.1.2 Độ ẩm toàn phần (độ ẩm tương đối, độ ẩm theo cơ sở ướt)

Là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật liệu với khối lượng của vật liệu ẩm

%100

độ ẩm cân bằng Độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào trạng thái của không khí (môi trường) xung quanh vật

3.2.2 Phân loại vật liệu ẩm

Vật liệu ẩm là nhữn vạt liệu có khả năng hấp thụ nước, do đó vật liệu ẩm phải là những vật liệu có cáu trúc xốp, mao dẫn Tùy theo cấu trúc người ta chia vật liệu ẩm ra làm

ba nhóm chính:

 Vật keo: là những vật xốp, khi hút ẩm hoặc khử ẩm kích thước các hang xốp của vật

thay đổi Keo của độn vật có thể xem là vật keo điển hình

 Vật xốp mao dẫn: là những vật mà kích thước hang xốp không thay đổi hoặc thay đổi

rất ít khi hút ẩm hoặc thải ẩm Than gỗ là một trong những vật xốp mao dẫn đặc trưng

 Vật keo xốp mao dẫn: những vật vừa có tính keo vừa có tính mao dẫn thì được gọi là

vật keo xốp mao dẫn, như: gỗ, vải, giấy, các nông sản…

3.2.3 Các tính chất cơ lý của vật liệu

Vật liệu sấy là đối tượng của quá trình sấy Các tính chất cơ lý của vật liệu sấy có ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến việc tính toán thiết bị sấy Các tính chất đó bao gồm: thành phần cỡ hạt, kích thước vật liệu, độ xốp, khối lượng riêng, khối lượng riêng thể tích, nhiệt dung, nồng độ chất khô, góc nghiêng tự nhiên (góc trong ma sát), cấu trúc của vật liệu… Các tính chất này có thể tra cứu trong tài liệu Trong trường hợp cần thiết nên xác định bằng thực nghiệm

3.3 Đặc trưng cơ bản của quá trình làm khô vật liệu trong thiết bị sấy

 Tác nhân sấy: độ ẩm, nhiệt độ đầu và cuối, loại tác nhân sấy, vận tốc của tác nhân điều kiện tiếp xúc giữa vật liệu sấy và táv nhân sấy ( trực tiếp hay gián tiếp)

Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào phương thức sấy, chế độ sấy, thiết bị sấy…

3.3.2 Thời gian sấy

Thời gian sấy là khoảng thời gian cần thiết để làm khô vật liệu sấy đến độ ẩm yêu cầu Thời gian sấy phụ thuộc vào các yếu tố: kích thước vật liệu sấy, độ ẩm cân bằng của vật liệu, tác nhân sấy, thiết bị sấy và chế độ sấy

Việc xác định thời gian sấy đối với mỗi vật liệu là rất phức tạp Ta có thể tính toán thời gian sấy dựa vào kết quả thí nghiệm trong phòng thí nghiệm hoặc tính theo công thức thực nghiệm

3.3.3 Chế độ sấy

Chế độ sấy quyết định chất lượng sản phẩm, năng lượng tiêu hao và kích thước của thiết bị Chế độ sấy thông thường gồm các thông số: nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ sấy của tác nhân sấy

3.3.3.1 Nhiệt độ sấy

Khi chọn nhiệt độ của tác nhân sấy ta cần lưu ý đến nhiệt độ cho phép của vật liệu sấy Mỗi loại vật liệu có nhiệt độ cho phép khác nhau Nhiệt độ sấy là nhiệt độ của tác nhân sấy từ lúc bắt đầu đi vào thiết bị sấy đến khi đi ra khỏi thiết bị Nhiệt độ sấy thể hiện mức độ đốt nóng của vật liệu, có ảnh hưởng đến tính dẫn ẩm trong vật liệu và các tính chất lý – hóa của vật liệu sấy

Nhiệt độ càng cao thì thời gian sấy càng nhanh Tuy nhiên nếu nhiệt độ sấy quá cao sẽ làm thay đổi tính chất của vật liệu, làm hư hỏng sản phẩm cho nên ta cần chọn nhiệt độ sấy phù hợp với mỗi loại vật liệu sấy

3.3.3.2 Độ ẩm của tác nhân sấy

Độ ẩm tương đối thể hiện khả năng thải ẩm của vật liệu sấy vào môi trường Nếu tác nhân sấy là không khí nóng thì độ ẩm của nó là độ ẩm của không khí Nếu tác nhân sấy là khói lò thì độ ẩm của nó được bổ sung thêm độ ẩm của nhiên liệu cháy

3.3.3.3 Tốc độ tác nhân sấy

Tốc độ sấy có ảnh hưởng đến thời gian sấy, chất lượng và tính đồng nhất của sản phẩm Nếu tốc độ tác nhân sấy quá nhỏ thì thời gian sấy sẽ kéo dài và vật liệu sấy khô không đồng đều Nếu tốc độ tác nhân sấy quá lớn thì có thể làm mất mát vật liệu, tiêu tốn nhiều năng lượng… Vì vậy khi chọn tốc độ tác nhân sấy cần chú ý đến kích thước, hình dạng, tính chất của vật liệu sấy, thiết bị sấy và khả năng sử dụng nhiệt lượng cho quá trình sấy

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY 4.1 Chọn phương pháp sấy

4.1.1 Chọn thiết bị sấy

Thuyết bị sấy thùng quay là thiết bị chuyên dùng để sấy hạt Loại thiết bị này được dùng rộng rãi trong công nghệ sau thu hoạch để sấy vật ẩm dạng hạt có kích thước nhỏ Trong

hệ thống này, vật liệu sấy được đảo trộn mạnh, tiếp xúc nhiều với tác nhân sấy, do đó trao đổi nhiệt mạnh, tốc độ sấy nhanh và độ đồng đều của sản phẩm cao Ngoài ra thiết bị còn có thể làm việc với năng suất lớn

4.1.2 Giới thiệu phương pháp sấy nóng

Sấy nóng là phương pháp sấy rất phổ biến dùng để sấy các loại nông sản, phân bón…Trong phương pháp này độ ẩm tương đối của tác nhân sấy giảm dẫn đến phân áp suất của tác nhân sấy cũng giảm theo Mặt khác nhiệt độ trong vật liệu sấy tăng nên mật độ hơi trong mao dẫn tăng lên do đó phân áp suất trên bề mặt vật liêu sấy cũng tăng theo Nghĩa là ở đây có sự chênh lệch phân áp suất giữa bề mặt vật liệu sấy với môi trường, nhờ đó có sự dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và vào môi trường

Có hai cách tạo ra độ chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy với môi trường:

 Giảm phân áp suất của tác nhân sấy bằng cách đốt nónh nó

 Tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy

Ở thiết bị sấy thùng quay các giai đoạn trong quá trình sấy được phân bố ổn định theo chiều dài thùng, trong thùng sấy, các hạt phân NH4NO3 được nâng lên độ cao nhất định, sau đó rơi xuống Trong quá đó vật liệu sấy tiếp xúc với tác nhân sấy, thực hiện các quá trình truyền nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm Nhờ độ nghiên và những cánh trong thung mà vật liêu

sẽ được vận chuyển đi dọc theo chiều dài thùng Khi đi hết chiều dài thùng, vật liệu sấy sẽ đạt

Chế độ sấy quyết định chất lượng sản phẩm, năng lượng tiêu hao, kích thước thiết

bị Chế độ sấy thông thường gồm các thông số cơ bản: nhiệt độ tác nhân sấy vào, nhiệt độ ra thùng sấy, độ ẩm và tốc độ tác nhân sấy, không hồi lưu khí thải

Sơ đồ nguyên lý của thiết bị:

4.2 Tính toán thiết bị chính

4.2.1 Tính toán quá trình sấy lý thuyết

Quá trình sấy lý thuyết biểu diễn trên đồ thị I – d:

Điểm O(to, φo) là trạng thái không khí bên ngoài

Điểm 1(t1, φ1) là không khí vào buồng sấy

Điểm 2(t2, φ2) là trạng thái không khi ra sau quá trình sấy lý thuyết

4.2.1.1 Các thông số của tác nhân sấy

Bảng 2: Trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết

Các thông số Trạng thái không khí

ngoài trời

Trạng thái không khí vào thùng sấy

4.2.1.2 Lượng tác nhân sấy lý thuyết cần thiết

- Năng suất thiết bị sấy theo sản phẩm:

182,181812

,01

2,0120001

1

2

1 1

,0032,0

182,181

10 20

W

- Lượng không khí khô cần thiết để bốc 1kg ẩm:

524,59182,181

5,10822

B M

RT v

.288)

.( −ϕ = −ϕ

)27380.(

288)

273.(

288

5 1

t v

940,010.07375,0.675,03,133.757

)27340.(

288)

273.(

288

5 2

t v

- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trước quá trình sấy:

82,111685

,10822.032,1 0

,10822.940,0 0

15,1017382

,11168.(

5,0).(

5,

4.2.1.3 Lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy lý thuyết

Lượng nhiệt tiêu tốn để làm bay hơi 1 kg ẩm :

G1: khối lượng vật liệu đi vào thùng quay (kg/h);

τ: thời gian sấy (phút);

β: hệ số điền đầy;

ρ: khôi lượng riêng vật liệu (kg/m3);

Tính thời gian sấy hạt:

Theo kinh nghiệm động học quá trình sấy hạt trong hệ thống sấy thùng quay có thể được biểu diễn:

85,0

33

.85,0

2 1

=

ωωττ

Đường kính trung bình của hạt cà phê thóc: d tb 6,5mm

2

5,55,7

=+

=

M

606,5985

,0

357,0

1220

57,0

60.2000

D L

D

14,3.5

385,15.4

5

.44

.5

4

3 3

3 2

W

385,15

818,

h: chiều cao rơi trung bình của vật liệu, m

DT: đường kính trong của thùng sấy, m

Chiều dài một cánh: 0,89

35,0

312,

T

= , vòng/phútTrong đó:

L : chiều dài của trong thùng, m.

τ : thời gian sấy, phút

0437,0.6,1

60

8.5,0.5,

=

4.2.3 Cân bằng nhiệt của hệ thống sấy thực

Một thiết bị sấy thực tế ngoài tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi còn có thể có nhiệt lượng bổ sung QBS và đương nhiên luôn luôn tồn tại tổn thất nhiệt ra môi trường Qxq, tổn thất nhiệt do thiết bị chuyển tải QCT và tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi QV

Đối với hệ thống sấy thùng quay được thiết kế trong bai:

- Không có bổ sung nhiệt lượng: QBS = 0

- Không có tổn thất chuyển tải: QCT = 0

C : nhiệt dung riêng của vật liệu sấy (tính theo vật liệu với độ ẩm ω2), kj/kh.độ

2

2) 1

,0.18,4)12,01.(

184,4.37,

tv1: nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy, 0C

tv2: nhiệt độ ra khỏi thùng sấy của vật liệu sấy theo kinh nghiệm lấy nhỏ hơn nhiệt độ tác nhân sấy cùng vị trí từ (5÷100C) hay tv2 = t2 – (5 ÷100C) = 40 – 5 = 350C

368,39652)

3,2335.(

864,1.182,

,181

368,39652

4.2.3.1.3 Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh

Nhiệt lượng hữu ích:

Ta có: q hi =i2 −C a.t vl1

Trong đó:

i2: năng lượng riêng của không khí ở nhiệt độ t2, kJ/kg

qhi: nhiệt lượng hữu ích, kJ/kg

Ca: nhiệt dung riêng của ẩm, kJ/kg.độ

qvl: nhiệt lượng dùng để đun nóng vật liệu sấy, kJ/kg

Giá trị chọn (m)

Vật liệu chế tạo

Hệ số dẫn nhiệt (W/m.K)

+ Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và môi trường bên ngoài, ∆t tb

1

1 = =80

C t

2 = = =23,3+ Hiệu số nhiệt độ của 2 dòng lưu chất ở đầu vào và đầu ra của thùng sấy:

C t

t t

t

c d

c d

7,16

7,56ln

7,167,56ln

Dtb: đường kính trung bình của thùng, m

DT: đường kính trong của thùng, m

Chọn: Dtb = 1,0125.DT = 1,0125.1,6 = 1,62 m

Bề mặt truyền nhiệt:

815,444

62,1.14,328.62,1.14,34

.2

2 2

=+

=+

T

tb

D L

, để có thể xem quá trình trao đổi nhiệt giữa tác nhân sấy với môi trường là

quá trình trao đổi nhiệt qua vách phẳng

Theo giả thiết trên thì ta có:

W

t F K

818,181.051,99

W q K

W/m2.độ

Độ dày lớp cách nhiệt:

Ta có: ∑

=

++

1

11

1

i i i K

αλ

ν : độ nhớt động của tác nhân sấy, m2/s

Tốc độ tác nhân sấy trong thùng sấy:

td

tbo k F

V

=ωVới: Ftd: là tiết diện tự do của thùng sấy, m2

2

608,14

6,1.14,3.2,014

1

Giả sử tốc độ tác nhân sấy trong thùng sấy: ωk =1,843m/s

Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy trong thùng sấy:

C t

t

2

4080

Chuẩn số Nusselt đối với không khí:

8 , 0 1

,1

10.9,2.91,296

' 1 '

Tb

k D

Nu λ

α '' 1''.

1 =Chuẩn số Grashof:

tb k

Tb

k

Tb r

T

T D g T

D g G

2

3 2

2 3

νµ

Chọn nhiệt độ vách trong của thùng sấy: tw1 = 550C

Các thông số vật lý tính trong công thức Grashof lấy theo nhiệt độ xác định tm:

C t