Thiết kế sấy thóc

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế sấy thóc

Chương 1Vật Liệu Sấy

1.1 Giới thệu sơ lược về vật liệu cần sấy - thóc:1 1.1 Cấu tạo của hạt thóc:

Hạt thóc nhìn từ ngoài vào có các bộ phận chính: mày thóc , vỏ trấu, vỏ hạt, nội nhủ, phôi.

Cấu tạo hạt thóc

- Mày thóc: trong quá trình sấy, bảo quan, mày thóc rụng ra làm tăng lượng tạp chất trong thóc.

- Vỏ trấu: có tác dụng bảo vệ hạt thóc, chống các ảnh hướng của môi trường và sự phá hoại của sinh vật, nấm mốc

- Vỏ hạt: bao bọc nội nhủ, thành phần cấu tạo chủ yếu là lipit va protit.

- Nội nhũ: là thành phần chính và chủ yếu nhất của hạt thóc, 90% là gluxit.

- Phôi: nằm ở góc dưới nội nhũ, làm nhiệm vụ biến các chất dinh dưỡng trong nội nhũ đẻ nuôi mộng khi hạt thóc nảy mầm.

1.1.2 Các thành phần hoá học của thóc:

Rộng 2,5 ÷ 4,3 mmDài 5 ÷ 12 mm

- Đường kính tương đương của hạt: dtđ = 2,67 mm

- Khối lượng 1000 hạt: (24 ÷ 30) g- ω1 = 22% ; ω2 = 14%

- Nhiệt độ đốt nóng hạt cho phép: < (50 ÷ 60)

1.1.4 Các đặc tính chung của khối thóc:

- Tính tan rời: là đặc tính khi đổ thóc từ trên cao xuống, thóc tự chuyển dịch để tạo thành khối thóc có hình chóp nón, phía đáy rộng, dỉnh nhọn và không có hạt nào dính liền với hạt nào Khi đó sẽ tạo nên góc nghiêng tự nhiên α giữa đáy và sườn khối thóc Tính tan rời của thóc phụ thuộc vào: kích thước và hình dạng hạt, thuỷ phần, tạp chất Dựa vào độ tan rời này để xác định sơ bộ chất lượng và sự thay đổi chất lượng của thóc trong quá trình sấy và bảo quản.- Tính tự chia loại: Khối hạt có cấu tạo từ

nhiều thành phần (thóc sạch, thóc lép, tạp chất), không đồng nhất (khác nhau về hình dạng, kích thước, tỷ trọng) do đó trong quá trình di chuyển tạo nên những vùng khác nhau về chất lượng, gọi là tính tự chia loại của khối hạt Hiện tượng tự chia loại ảnh hưởng xấu cho việc làm khô, bảo quản Những vùng nhiều hạt lép, tạp chất dễ hút ẩm , dễ bị cuốn lẫn theo tác nhân sấy trong quá trình sấy.

- Độ hổng của khối thóc: là khoảng không nằm trong khe hở giữa các hạt, có chứa đầy không khí Được tính bằng phần trăm thể tích khoảng không gian của khe hở giữa các hạt với thể tích toàn bộ khối hạt chiếm chỗ Trong quá trình sấy, khối thóc cần có lỗ hổng cần thiết để tạo điều kiện cho quá trình truyền và trao đổi nhiệt, ẩm với tác nhân sấy được dễ dàng 1m3 thóc → độ hổng 55%

- Tính dẫn, truyền nhiệt: Quá trình dẫn và truyền nhiệt trong khối thóc thực hiện theo hai phương thức luôn tiến hành song song và có quan hệ chặt chẽ với nhau đó là dẫn nhiệt và đối lưu Đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của thóc là hệ số dẫn nhiệt λ ≈ 0,12 ÷ 0,2 Kcal/mh0C Và sự trao đổi nhiệt đối lưu giữa lớp hạt nóng và lớp hạt nguội mới vào Cả hai đặc tính này của

thóc đều rất nhỏ nhưng củng ảnh hưởng đến quá trình sấy.

- Tính hấp thụ và nhả các chất khí , hơi ẩm: Là khả năng hấp thụ và nhả các chất khí , hơi ẩm của thóc trong quá trình sấy, thường là hiện tượng hấp thụ bề mặt Vì vậy trong quá trình sấy xảy ra nhiều giai đoạn: Sấy → ủ → sấy → ủ để giúp vận chuyển ẩm ra bề mặt thóc đẻ thóc được sấy khô đều

1.2 Sử dụng thóc sau sấy:

Thóc sau khi sấy được dùng đẻ làm lương thực hoặc để làm thóc giống - dự trữ Vì vậy thóc sau khi sấy phải bảo đảm được các yêu cầu:

- Hạt thóc còn nguyên vẹn vỏ trấu bao bọc hạt gạo.

- Hạt thóc còn giữ nguyên kích thước và màu sắc.

- Có mùi vị đặc trưng của thóc, không có mùi lạ khác ( của tác nhân sấy )

- Thóc không bị rạn nứt, gãy vụn, đặc biệt là thóc giống phải đảm bảo được khả năng sống của hạt sau sấy.

- Có độ ẩm đạt độ ẩm bảo quản, không là môi trường cho mối mọt

1.3 Giới thiệu quy trình công nghệ: Lúa

Thu Hoạch

Loại tạp chất - phân loại Sấy

Kho bảo quản Đóng bao Xay xát

Kho bao quản GạoKho bao quản

1.4 Công nghệ sấy thóc:

Thóc là vật liệu dạng hạt, có thể tổ chức sấy dưới nhiều loại thiết bị sấy khác nhau Ở đây, ta sử dụng thiết bị sấy tháp để sấy thóc Tác nhân

sấy là hỗn hợp khói và không khí nóng được dẫn qua các kênh dẫn, trao đổi nhiệt ẩm với thóc được chảy từ trên xuống, và chuyển động đi vào các kênh thải đẻ ra ngoài môi trường Đây là thiết bị chuyên dùng để sấy hạt, với tác nhân sấy là không khí nóng sẽ đảm bảo yêu cầu vệ sinh cho thóc sấy, và chế độ sấy không quá cao do đó đáp ứng được yêu cầu sử dụng thóc để làm thức phẩm, bảo quản hoặc làm thóc giống.

Chương 2

Tính Toán Thiết Bị Sấy

Năng suất thiết bị sấy: G2 = 1500 kg khô/h

Thời gian sấy: T = 2 h

2.1 Phương pháp sấy:

2.1.1 Giới thiệu phương pháp sấy nóng:

Để sấy thóc , ta dùng phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy được đốt nóng nên độ ẩm tương đối ϕ giảm dẫn đến phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy giảm Mặt khác, do nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên nên mật độ hơi trong các mao quản tăng lên do đó phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy củng tăng theo Nghĩa là ở đây có sự chênh lệch phân áp suất giữa bề mặt vật liệu sấy và môi trường, nhờ đó mà có sự dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường.

Có 2 cách để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường:

- Giảm phân áp suất của tác nhân sấy bằng cách đốt nóng nó.

- Tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy.

2.1.2 Sơ đồ thiết bị và trạng thái tác nhân sấy:2

3`

1- Quạt.2- Calorife.

3- Thiết bị sấy.

A- Trạng thái không khí ngoài trời (t0,ϕ0).

B- Trạng thái không khí sau đốt nóng ở calorife (d1,t1).

C0 - Trạng thái không khí sau quá trình sấy lý thuyết.

AB - Quá trình đốt nóng không khí đẳng ẩm (d= const) trong calorife.

BC0 - Quá trình sấy lý thuyết.

Sấy thóc ăn, t1 có thể bằng 90 0C, sấy thóc

giống t1 thường nhỏ hơn Nhiệt độ ra t2 tuỳ chọn sao cho tổn thất ra môi trường là bé nhất nhưng vẫn đảm bảo tránh được hiện tượng đọng sương (t2>t0).

- Calorife: Dùng để đốt nóng không khí đến

nhiệt độ yêu cầu nhằm cung cấp nhiệt cho vật liêul sấy và đồng thời giảm độ ẩm ϕ để tăng khả năng nhận ẩm.

- Thiết bị sấy: Để chứa vật liệu sấy và là nơi xảy ra quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy.

- Quạt: Dùng để đưa không khí qua calorife vào thiết bị sấy thực hiện quá trình sấy và thải ẩm ra ngoài môi trường.

2.2 Sơ bộ về thiết bị sấy tháp:

2.2.1 Kết cấu tháp sấy:

Tháp gồm 2 vùng sấy và một vùng làm mát Bên trong tháp là các kênh gió nóng và kênh thải ẩm (gọilà kênh dẫn và kênh thải) được bố trí xem kẽ nhau Khoảng cách giữa các kênh khoảng 70 đến 90 mm để đảm bảo cho thóc chuyển động dễ dàng từ trên xuống dưới tháp.

Kết cấu bên trong và cách bố trí các kênh dẫn kênh thải:

t0 A ϕ0

ϕ=100%

2.2.2 Xác định kích thước sơ bộ của tháp sấy:Thể tích thóc chứa trong tháp:

Vth = ρτ∗

= 750

B, L, H - là chiều rộng, chiều dài, chiều cao của thiết bị sấy.

Chọn L = 1,2 m

B = 1m Vtrống = n * L * FK

n - số kênh dẫn và kênh thải.

L - chiều dài kênh = chiều dài của thiết bị sấy.

FK - tiết diện kênh.Ta có:

B * L * H = Vth + n *L * FK + 0,31,2 *1 * H = 3,1 +

* 1,2 ( 0,1 * 0,125 - 2 * 2

) + 0,3

=−

Thiết bị sấy tháp gồm: Tháp sấy, bên trong đặt các kênh dẫn và thải tác nhân sấy, calorife, quạt, và một số thiết bị phụ khác.

Vật liệu sấy được gầu tải hoặc băng tải đổ

vào từ đỉnh tháp và di chuyển xuống phía dưới nhờ tính tự chảy của nó do trọng lực bản thân.

Tác nhân sấy có nhiệt độ sấy thích hợp t1 được phân bố vào các kênh dẫn, luồn lách qua các lớp vật liệu để thực hiện quá trình truyền nhiệt, nhận ẩm từ vật liệu sấy rồi đi vào các kênh thải ra ngoài Như vậy, trong thiết bị sấy tháp, vật liệu sấy nhận nhiệt nhờ truyền nhiệt đối lưu của dòng tác nhân và nhờ dẫn nhiệt từ bề mặt kênh dẫn, kênh thải qua lớp vật liệu nằm ngang trên những bề mặt đó.

Do yêu cầu sử dụng vật liệu sau sấy, nhiệt độ đốt nóng hạt cho phép thấp ( khoảng 50 đến 60

0C ) Vì vậy trong thiết bị sấy tháp ta tổ chức sấy phân vùng ( 2 vùng ) và sau cùng là một vùng làm mát đến nhiệt độ gần bằng nhiệt độ môi

trường để đưa vào kho bảo quản hay chế biến.

2.3 Chọn chế độ sấy:

2.3.1 Nhiệt độ tác nhân sấy trong thiết bị sấy tháp:

Nhiệt độ tác nhân sấy trong thiết bị sấy tháp dùng sấy thóc khoảng 80 ÷ 140 0C, do yêu cầu sử dụng ta chọn t1 như sau:

+ Đối với vùng sấy thứ nhất: t11 = 80 0C+ Đối với vùng sấy thứ hai: t12 = 100 0C.2.3.2 Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi 2 vùng sấy và vùng làm mát:

Chọn theo kinh nghiệm, dựa trên nhiệt độ đốt nóng hạt cho phép: < 50 ÷ 60 0C.

2.3.3.Nhiệt độ vật liệu sấy ra khỏi 2 vùng sấy và vùng làm mát:

Chọn theo kinh nghiệm, và nhiệt độ đốt nóng hạt cho phép: < 50 ÷ 60 0C chọn:

+ Nhiệt độ thóc vào vùng sấy 1: θ11 = 20 0C+ Nhiệt độ thóc ra khỏi vùng sấy 1: θ12 = 40

2.3.4 Chọn độ ẩm vật liệu sấy tương ứng cho các vùng:

Chọn theo kinh nghiệm:

+ Khi vào vùng 1: ω11 = 22 % Ra khỏi vùng 1: ω12 = 18 %+ Khi vào vùng 2: ω21 = 18 % Ra khỏi vùng 2: ω22 = 15 %+ Khi vào vùng 3: ω31 = 15 % Ra khỏi vùng 3: ω32 = 14 %

2.3.5 Chọn nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi các vùng:

Nhiệt độ ra của vật liệu sấy ở các vùng thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy ở đó 5 ÷ 10 0C.

Chọn : Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi vùng 1: 40

Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt ẩm của thiết bị sấy là tìm ra lượng tác nhân sấy ( l ) và nhiệt lượng cần thiết ( q ) trong 1 giờ để chọn quạt và tính calorife từ đó tính đuợc lượng nước cần tiêu thụ.

3.1 Lượng chứa ẩm d0 và entanpi I0 :

Dựa vào điều kiện khí hậu của Việt Nam, lấy nhiệt độ không khí ngoài trời t0 = 20 0C , ϕ0 = 85 % Nhờ vào các thông số này ta xác định được trạng thái điểm A( 260, 86%) Tra đồ thị I - d ta tìm được: d0 = 12,5 g / kgKK

I0 = 52 kJ / kgKK.

Vì đây là quá trình sấy lý thuyết nên quá trình gia nhiệt không khí trong calorife được tiến hành trong điều kiện d = const, nên d1 = d0 = 12,5 g / kgKK.

3.2 Tính toán tác nhân sấy:

Theo kinh nghiệm, nhiệt độ đem vào sấy ở công nghệ này thường từ 80 ÷ 140 0C Do đó ta chọn nhiệt độ tác nhân sấy vào vùng sấy 1, 2 là 80 0C và 100

0C Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi vùng 1, 2 là 40

0C và 45 0C Thật ra chọn t2 càng thấp càng tốt vì t2

càng nhỏ thì tổn thất do tác nhân sấy mang đi càng nhỏ, nhưng không được quá thấp vì gây ra hiện tượng đọng sương làm ăn mòn thiết bị.

Entanpi của tác nhân sấy sau calorife: ( điểm B )Ta có công thức:

I1= 1,004 t1 + d1 ( 2500 + 1,842 t1 )

Với t11= 80 0C: I11= 1,004 * 80 + 12,5 /1000 ( 2500 + 1,842 * 80 )

= 113,41 ( kJ/kg )

Với t12= 100 0C: I12= 1,004 * 100 + 12,5 /1000 ( 2500 + 1,842 * 100 )

+ )

=0,999 barĐộ ẩm tương đối ϕ1 :

ϕ1 = ( 0 )

Với t11= 80 0C: ϕ11 =

(0,621 0,0125 )

t12= 100 0C: ϕ12 = 0,999(0,621 0,0125 )

Trạng thái tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết được xác định bởi cặp thông số ( I2=I1, t=t2 ) điểm C0(I2, t2 ) Dựa vào đồ thị I - d ta tìm được d2, ϕ2 là :

Với C01(I21, t21 ) = C01(113,41 ; 40 ) ta có d21= 31,4 g/kgKKâ

ϕ21= 65%

C02(I22, t22 ) = C01(133,95 ; 45 ) ta có d21= 31,4 g/kgKKâ

ϕ21= 65%

3.3 Lượng ẩm cần bốc hơi trong 1 giờ cho từng vùng:

3.3.1 Buồng làm mát:Ta có: W3 = G2

100 ωωω

= 1500*

− = 17,65 kg/h

Vậy G2’ = G2 + W3 = 1500 + 17,65 = 1517,65 kg/h.3.3.2 Trong vùng sấy 2:

Ta có: W2 = G2’

100 ωωω

= 1517,65*

− = 55,52 kg/h

Vậy G1’ = G2’ + W2 = 1517,65 + 55,52 = 1573,17 kg/h.3.3.3 Trong vùng sấy 1:

Ta có: W1 = G1’

100 ωωω

= 1573,17 *

− = 80,68 kg/h

Vậy G1 = G1’ + W1 = 1573,17 + 80,68 = 1653,5 kg/h.

3.4 Xác định các tổn thất nhiệt:

3.4.1 Xác định các tổn thất do vật liệu sấy mang đi:

( ii ) vii

θθ −=

Với: Cvi= Ck + (Ca - Ck )ω1i

Cv1= 1,55 + ( 4,19 -1,55 )* 0,18 = 2,02 kJ/kg Cv2= 1,55 + ( 4,19 -1,55 )* 0,15 = 1,945 kJ/kg.Vậy: ()(40 20)*2,02

'1

( )(55 40) 1,94552

- Diện tích bề mặt bao quanh tháp: F

F = 2* ( B*H + H*L ) = 2 ( 1*5 + 1,2*5 ) = 22 m2

Khi tính tổn thất ra môi trường ta có thể phân chia sơ bộ diện tích bề mặt vùng sấy thứnhất, thứ hai, buồng làm mát theo tỉ lệ 1,5/1/1.Ở đây, diện tích tương ứng của từng vùng:

F2 = F3 = 6,3 m2.

- Hệ số truyền nhiệt k :

Tường thiết bị sấy gồm có :

+ Bên trong cùng là lớp thép Cacbon dày δ = 0,005 m, λ = 45,5 w/mK.

+ Tiếp đến là lớp cách nhiệt amiăng sợi dày δ, λ = 0,115 w/mK.

+ Ngoài cùng là lớp tôn mỏng δ = 0,001m, λ = 22,4 w/mK.

α1 - là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức giữa không khí nóng trong thiết bị sấy và bề mặt trong vách của thiết bị sấy Với v< 5m/s, chọn v = 0,3 m/s ta có:

α1 = 6,15 + 4,17*v = 6,15 + 4,17*0,3 = 7,4 w/m2K.

α2 - là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên giữa mặt ngoài thiết bị sấy và môi trường.

α2 = 1,715 ( tw2 - tf2 )0,333

Chọn nhiệt độ dịch thể nóng: tf1 = 100 0C

Nhiệt độ dịch thể lạnh: tf2 = t0 = 20 0C.Nhiệt độ bề mặt tw1, tw2 được xác định bằng phương pháp lặp, tw1, tw2 thoả mãn các đẳng thức:

q1 = α1 ( tf1 - tw1 )q2 =

( tw1 - tw2 )q3 = α2 ( tw2 - tf2 )q1 = q2 = q3

Với tw1 : nhiệt độ mặt trong thiết bị sấy.q1

tw2 : nhiệt độ bề mặt ngoài thiết bị sấy.Giải hệ phương trình trên ta được:

⇔ Q + Qbs = L( I2 - I0 ) - WCntm1 + G2Cm (tm2-tm1) + GvtCvt

(tm2- tm1) + Q5

⇔ Q + Qbs = Q2 - WCntm1 +Qm +Qvt + Q5 (2)Với:

+ Q2 = L( I2 - I0 ) - Tổn thất nhiệt theo tác nhân sấy.

+ Qm = G2Cm (tm2-tm1) - Tổn thất nhiệt theo vật liệu sấy.

+ Qvt = GvtCvt (tm2- tm1) - Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển.

+ WCntm1 : Nhiệt hữu ích mang vào theo ẩm.Chia 2 vế phương trình (*) cho W ta có:

q +qbs = q2 - Cntm1 + qn + qvt + q5 (3)Theo quá trình sấy lý thuyết:

q = l (I1-I0)

Thay vào phương trình (3):

qbs + l (I1-I0) = l (I2-I0) - Cntm1 + qn + qvt + q5 ⇔ l (I2-I1) = qbs + Cntm1 - qn - qvt - q5

Đặt ∆ = qbs + Cntm1 - qn - qvt - q5: tổn thất nhiệt phụ để làm bay hơi 1 kg ẩm.

()

Nối B ( điểm biểu diễn trạng thái tác nhân sấy trước khi sấy ) và E0 cắt t=t2= const tại điểm C, C chính là điểm biểu diễn trạng thái tác nhân sấy sau quá trình sấy thực.

∆1 = 4,19 * 20 - ( 787,75 + 30,55 ) = -734,5 kJ/kg+ Ở vùng sấy 2:

∆1 = 4,19 * 20 - ( 798 + 41,3 ) = -755,5 kJ/kgTa có: = + − *∆

+ Sau vùng sấy 1:••

d0 d20EC

dI

() ( 1121 )1

= (100 40) 0,0324kgAkgkk

Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm cho vùng sấy 1 và 2 tương ứng:

Do đó lượng không khí khô trong 1 giờ cho từng vùng sấy bằng:

L1= l1*W1 = 80 * 80,68 = 6454,4 kg/h L2= l2*W2 = 58,14 * 55,52 = 3227,93 kg/h

Thể tích không khí ẩm đi vào vùng sấy 1,2 dược xác định bởi công thức:

t12 = 40 0C, ϕ12= 5,7% ⇒ v12= 0,9435 m3/kgkk

+ Vùng sấy 1: t21 = 100 0C, ϕ21= 2,3% ⇒ v21= 1,0999 m3/kgkk

t22 = 45 0C, ϕ22= 55% ⇒ v22= 1,0458 m3/kgkk.

Do đó, thể tích trung bình của tác nhân sấy trong các vùng:

V1= 0,5 L1 ( v11 + v12 ) = 0,5 * 6454,4 ( 1,045+0,9435 ) = 6417,3 m3/h

V2= 0,5 L2 ( v21 + v22 ) = 0,5 * 3227,93 (1,0999+1,0458 ) = 3467,4 m3/h.

Các thông số này dùng làm cơ sở cho việc chọn quat cho hệ thống.

3.6 Nhiệt lượng cần tiêu hao:

Nhiệt lượng cần tiêu hao cho 1 kg ẩm bốc hơi: