Đồ án thiết kế hệ thống sấy đề tài thiết kế hệ thống sấy buồng để sấy củ sắn thái lát

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NHIỆT – LẠNH ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY BUỒNG ĐỂ SẤY CỦ SẮN THÁI LÁT Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Đức Quang Sinh viên thực : Đôn Thị Thu Huyền MSSV : 20183350 Hà Nội – 2021 MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN .4 1.1 VẬT LIỆU SẤY 1.1.1 Khái niệm phân loại 1.1.2 Thông số nhiệt vật lý củ sắn 1.1.3 Vai trò củ sắn 1.1.4 Tình hình sản xuất, chế biến củ sắn trên giới Việt Nam 10 1.2 CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ SẤY 12 1.2.1 Công nghệ sấy củ sắn thái lát .12 1.2.2 Các hệ thống, thiết bị sấy củ sắn thái lát phổ biến .14 1.3 LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ CHẾ ĐỘ SẤY 18 1.3.1 Phân tích lựa chọn cơng nghệ, thiết bị sấy 18 1.3.2 Lựa chọn, xác định chế độ sấy .20 CHƯƠNG II TÍNH QUÁ TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT 21 2.1 TÍNH LƯỢNG ẨM BAY HƠI 21 2.2 XÂY DỰNG QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ SẤY CỦ SẮN THÁI LÁT 21 2.2.1 Giai đoạn 1: Chuẩn bị vật liệu sấy .21 2.2.2 Giai đoạn 2: Thực hiện quá trình sấy 22 2.2.3 Giai đoạn 3: Lấy vật liệu sấy đóng gói .23 2.3 XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA TÁC NHÂN SẤY 23 2.3.1 Trạng thái khơng khí ngồi trời 24 2.3.2 Trạng thái khơng khí sau gia nhiệt 24 2.3.3 Trạng thái khơng khí sau sấy 25 2.3.4 Quá trình sấy lý thuyết 25 2.4 TÍNH LƯỢNG KHƠNG KHÍ, LƯỢNG NHIỆT CẤP VÀO HTS 26 2.4.1 Lượng khơng khí ẩm cần cấp .26 2.4.2 Lượng nhiệt cần cấp .26 CHƯƠNG III TÍNH TỐN Q TRÌNH SẤY THỰC 27 3.1 TÍNH TỐN KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ 27 3.2 TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT CHO THIẾT BỊ SẤY 28 3.2.1 Nhiệt tổn thất vật liệu sấy .30 3.2.2 Nhiệt tổn thất thiết bị chuyền tải .31 3.2.3 Nhiệt tổn thất môi trường qua kết cấu bao che 32 3.3 TÍNH TỐN Q TRÌNH SẤY THỰC TẾ 34 3.4 KIỂM TRA VÀ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC KẾT CẤU THIẾT BỊ SẤY .35 CHƯƠNG IV TÍNH TỐN THIẾT KẾ, LỰA CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 37 4.1 THIẾT KẾ CALORIFE .37 4.2 TÍNH TỐN KHÍ ĐỘNG, CHỌN QUẠT GIÓ 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO .45 CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 VẬT LIỆU SẤY 1.1.1 Khái niệm phân loại a Khái niệm Sắn (phương ngữ miền Bắc) hay khoai mì (củ mì - phương ngữ miền Nam) lương thực ăn củ sống lâu năm, thuộc họ Đại kích Cây sắn có nguồn gốc vùng nhiệt đới châu Mỹ La tinh (Crantz, 1976) trồng cách khoảng 5.000 năm Cây sắn người Bồ Đào Nha đưa đến Congo của châu Phi vào thế kỷ XVI Ở châu Á, khoai mì du nhập vào Ấn Độ khoảng thế kỷ XVII và Sri Lanka đầu thế kỷ XVIII Sau đó, khoai mì trồng ở Trung Quốc, Myanma và nước châu Á khác cuối kỷ XVIII, đầu thế kỷ XIX Cây khoai mì du nhập vào Việt Nam khoảng kỷ XVIII) Hiện chưa có tài liệu chắn nơi trồng năm trồng Cây sắn cao 2–3 m, khía thành nhiều thùy, rễ ngang phát triển thành củ tích luỹ tinh bột, thời gian sinh trưởng đến 12 tháng, có nơi tới 18 tháng, tùy giống, vụ trồng, địa bàn trồng mục đích sử dụng Hình 1.1 Hình ảnh sắn Việt Nam b Phân loại Hiện nay, những giống sắn phổ biến sản xuất ở Việt Nam KM94, KM140, KM98-5, KM98-1, SM937-26, KM98-7, HL23, Xanh Vĩnh Phú số giống khác Những số liệu giống sắn thống kê bảng Bảng 1.1 Những loại sắn phổ biến Việt Nam  Giống sắn KM94 - Được nhập nội từ CIAT/Thái Lan Bộ Nông nghiệp PTNT công nhận giống quốc gia năm 1995 toàn quốc KM94 giống sắn chủ lực Việt Nam có diện tích thu hoạch năm 2008 chiếm 75, 54% tổng diện tích sắn tồn quốc - Đặc điểm giống: + Thân xanh, cong, tím, khơng phân nhánh + Năng suất củ tươi: 33,0 tấn/ha, tỷ lệ chất khô: 35,1- 39.0% + Hàm lượng tinh bột: 28,7%, suất tinh bột: 7,6-9,5 tấn/ + Thời gian thu hoạch: 9-11 tháng, số thu hoạch: 58 % Hình 1.2 Giống sắn KM94  Giống sắn KM140 - Giống sắn KM140 Bộ Nông nghiệp PTNT công nhận giống quốc gia năm 2009 toàn quốc đoạt giải Nhất Hội thi sáng tạo kỹ thuật toàn quốc năm 2010 Giống KM140 trồng nhiều tỉnh phía Nam với diện tích thu hoạch năm 2008 30.000 ha, ước trồng 150.000 - Đặc điểm giống: + Thân xanh, thẳng, cao vừa phải không phân nhánh + Năng suất củ tươi: 33,4 - 35,0 tấn/ha, tỷ lệ chất khô: 34,8 - 40,2% + Hàm lượng tinh bột: 26,1 - 28,7%, suất bột : 9,5 - 10,0 tấn/ha + Thời gian thu hoạch: -10 tháng, số thu hoạch: 58 - 65 % + Thời gian giữ bột ngắn KM94 Hình 1.3 Giống sắn KM140  Giống sắn KM 98-5 - Giống sắn KM98-5 lai tổ hợp KM 98-1 x Rayong 90 Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp miền Nam tuyển chọn giới thiệu Giống UBND tỉnh Tây Ninh UBND tỉnh Đồng Nai công nhận kết đề tài ứng dụng KHKT cấp Tỉnh năm 2006 Bộ Nông nghiệp PTNT công nhận giống năm 2009 cho các vùng Đông Nam Bộ, Duyên hải miền Trung và Tây Nguyên Giống KM98-5 trồng nhiều tỉnh phía Nam với diện tích thu hoạch năm 2008 25.000 ha, hiện ước trờng 100.000 Hình 1.4 Giống sắn KM 98-5 Đặc điểm giống: + Thân xanh, cong gốc, xanh, phân nhánh + Giống sắn KM98-5 có cao và dạng lá dài so với KM419 + Năng suất củ tươi: 34,5 tấn/ha + Tỷ lệ chất khô: 39,2% + Hàm lượng tinh bột: 28,5% + Năng suất bột : 9,8 tấn/ha + Chỉ số thu hoạch: 63 % + Thời gian thu hoạch: 8-10 tháng + Thời gian giữ bột tương đương KM94 + Nhiễm nhẹ bệnh cháy  Giống sắn SM 937-26 - Giống SM 937-26 trồng nhiều tỉnh Bình Định, Quảng Ngãi với diện tích thu hoạch năm 2008 15.000 ha, trồng 20.000 - Đặc điểm giống: + Thân nâu đỏ, thẳng, không phân nhánh + Năng suất củ tươi: 32,5 tấn/ha, tỷ lệ chất khô: 37,9% + Hàm lượng tinh bột: 28,9%, suất bột : 9,4 tấn/ha + Thời gian thu hoạch: 8-10 tháng, số thu hoạch: 61 % + Vỏ củ dày cứng KM94 - Hình 1.4 Giống sắn SM 937-26 1.1.2 Thông số nhiệt vật lý củ sắn Theo [1] giá trị dinh dưỡng có 100 gram củ sắn thể bảng 1.2 Bảng 1.2 Thành phần dinh dưỡng có 100gram củ sắn STT Thành phần Khối lượng Đơn vị Protein 1,1 g Chất béo 0,2 g Carbohydrates 36,9 g Chất xơ 1,5 g Tro 0,8 g Ẩm 59,5 g 7 10 11 12 13 Canxi Kali Sắt Phốt Natri Vitamin PP Vitamin C 25 394 1,2 30 600 34 mg mg mg mg mg mg mg Thông số nhiệt vật lý theo thành phần dinh dưỡng có củ sắn tính theo công thức liệt kê bảng 1.3 Bảng 1.3 Công thức tính thơng số nhiệt vật lý số thành phần Thông số Thành phần Carbohydrates Cp = 2,0082.10 + 1,2089.t - 1,3129.10-3.t2 Cp = 1,9842.103 + 1,4733.t - 4,8008.10-3.t2 Cp = 1,5488.103 + 1,9625.t - 5,9399.10-3.t2 Chất xơ Cp = 1,8459.103 + 1,8306.t - 4,6509.10-3.t2 Tro Cp = 1,0926.103 + 1,8896.t - 3,6817.10-3.t2 Protein Chất béo Nhiệt dung riêng Cp (J/kg.K) Ẩm Protein Chất béo Khối lượng riêng ρ (kg/m3) Hệ số dẫn nhiệt k (W/m.K) Công thức Carbohydrates Cp = 4,1289.103 - 9,0864.10-2.t + 5,4731.10-3.t2 ρ = 1,3299.103 - 5,1840.10-1.t ρ = 9,2559.102 - 4,1757.10-1.t ρ = 1,5991.103 - 3,1046.10-1.t Chất xơ ρ = 1,3115.103 - 3,6589.10-1.t Tro ρ = 2,4238.103 - 2,8063.10-1.t Ẩm Protein Chất béo Carbohydrates ρ = 9,9718.102 - 3,1439.10-3.t - 3,7574.10-3.t2 k=1,7881.10-1+1,1958.10-3.t - 2,7178.10-6.t2 k=1,8071.10-1+2,7604.10-3.t – 1,7749.10-6.t2 k=2,0141.10-1+1,3874.10-3.t – 4,3312.10-6.t2 Chất xơ k=1,8331.10-1+1,2497.10-3.t – 3,1683.10-6.t2 Tro k=3,2962.10-1+1,4011.10-3.t - 2,9069.10-6.t2 Ẩm k=5,7109.10-1+1,7625.10-3.t – 6,7036.10-6.t2 Với nhiệt độ củ sắn ban đầu chọn t = 26°C, ta thu kết thông số vật lý sau: - Hệ số dẫn nhiệt k = 0,46 (W/m.K) - Khối lượng riêng ρ = 1234 (kg/m3) - Nhiệt dung riêng Cp = 3,110 (kJ/kg.K) 1.1.3 Vai trò củ sắn Sắn loại lương thực quan trọng thứ nông nghiệp giới sau lúa gạo lúa mì Tại châu Phi, châu Á Mỹ Latin, hàng triệu người sử dụng sắn nguồn lương thực chủ yếu nhằm đảm bảo an ninh lương thực Đồng thời, sắn thức ăn gia súc, nhiên liệu sinh học, hàng hóa xuất quan trọng giới Việt Nam Dưới số lợi ích tuyệt vời củ sắn:  Hỗ trợ điều trị bệnh tiểu đường: Củ sắn có số đường huyết thấp so với loại ngũ cốc khác gạo trắng, ngơ, củ từ, Ngồi ra, thành phần củ sắn cịn có vitamin C, chất xơ thành phần có lợi cho người bị tiểu đường Chính vậy, chúng bác sĩ khuyến cáo thêm vào chế độ ăn cho người bệnh tiểu đường.   Tăng cường chức hệ tiêu hố: Củ sắn có chứa nhiều chất xơ khơng hịa tan nên cải thiện đáng kể chức tiêu hoá thể cách hấp thu chất lắng đọng ruột.   Hỗ trợ giảm cân: Mặc dù lượng calo sắn cao thành phần chất xơ chiếm tỉ lệ lớn Các chất xơ có tác dụng tăng tốc q trình tiêu hóa giảm mức cholesterol. Hơn nữa, chất xơ nhóm chất mà người ăn kiêng giảm cân cần tăng cường bổ sung giúp thể cảm thấy no lâu, giảm nhu cầu ăn vặt liên tục, hỗ trợ giảm cân hiệu  Giúp cải thiện thị lực: Một tác dụng bổ ích khác mà củ sắn đem lại bảo vệ sức khỏe cho đôi mắt bạn Củ sắn cung cấp đầy đủ vitamin A khoáng chất cần thiết giúp cải thiện thị lực, ngăn ngừa tình trạng khơ mắt, qng gà  Bổ sung lượng: Củ sắn thực phẩm giàu carbohydrate Vì vậy, cung cấp nhanh lượng cho thể, qua giúp cải thiện chức não bộ, xóa tan trạng thái lờ đờ, mệt mỏi  Giảm nguy mắc bệnh tim mạch: Như giải thích trên, sắn làm giảm cholesterol thủ phạm bệnh tim chất xơ trì sức khoẻ động mạch tuần hồn máu  Giảm huyết áp: Ngồi lợi ích nêu trên, củ sắn thực phẩm tốt cho hệ thần kinh, trì bắp khỏe, giảm huyết áp thành phần giàu protein chất xơ củ sắn  Ngăn ngừa ung thư: Sắn có chứa số chất chống oxy hố đóng vai trò quan trọng việc ngăn ngừa gốc tự xâm nhập vào thể thúc đẩy ung thư Chất chống oxy hoá mạnh mẽ bao gồm Vitamin C, beta carotene Saponins Những chất chống oxy hoá giúp thể bảo vệ tế bào khỏi bị tổn thương gốc tự sửa chữa DNA bị hỏng Một nghiên cứu Fitoterapia nhà khoa học từ Đại học Thiên Tân cho thấy saponin chứa thực vật giúp ngăn ngừa ung thư Nghiên cứu công bố vào tháng 10 năm 2010  Giúp giảm căng thẳng lo lắng: Các vitamin khoáng chất củ sắn giúp thể giảm bớt căng thẳng lo lắng cách thúc đẩy tâm trạng thoải mái Magiê sắn biết thuốc giảm căng thẳng đóng vai trị làm dịu hệ thần kinh 1.1.4 Tình hình sản xuất, chế biến củ sắn trên giới Việt Nam a) Tình hình sản xuất và chế biến củ sắn trên thế giới  Hiện nay, giới sắn trồng khoảng 100 quốc gia với quy mô canh tác khác nhau, sản lượng sắn toàn giới năm trở lại trì mức tương đối ổn định 230 triệu Hình 1.5 Đồ thị thể diễn biến sản lượng sắn giới giai đoạn 2005-2010 Năm 2011, toàn giới đạt tổng sản lượng 250,2 triệu củ tươi, tăng 6% so với năm trước Nguyên nhân đến từ phát triển ngành chế biến công nghiệp nhiên liệu sinh học ethanol sử dụng sắn làm nguyên liệu đầu vào quốc gia Đông Nam Á, nhu cầu lương thực tăng châu Phi Trong đó, Nigeria quốc gia sản xuất sắn hàng đầu giới Quốc gia có sản lượng sắn lớn thứ hai giới Brazil Indonesia, Cộng hịa Cơng gơ Thái Lan ba quốc gia có sản lượng  sắn  lớn giới Ngồi cịn số nước có sản lượng sắn lớn như: Angola, Ghana, Việt Nam, Ấn Độ, Mozambic Sắn có nhiều cơng dụng chế biến cơng nghiệp, thức ăn gia súc lương thực thực phẩm Củ sắn dùng để ăn tươi, làm thức ăn gia súc, chế biến sắn lát khô, bột sắn nghiền, tinh bột sắn, tinh bột sắn biến tính, sản phẩm từ tinh bột sắn như bột ngọt, cồn, maltodextrin, lysine, acid citric, xiro glucose đường glucose tinh thể, mạch nha giàu maltose, hồ vải, hồ giấy, colender, phủ giấy, bìa tơng, bánh kẹo, mì ăn liền, bún, miến, mì ống, mì sợi, bột khoai, bánh tráng, hạt trân châu (tapioca), phụ gia thực phẩm, phụ gia dược phẩm, sản xuất màng phủ sinh học, chất giữ ẩm 10 t 1+t 65+32 = =48,5 °C ; 2  Nhiệt độ VLS ban đầu trước vào buồng sấy: t f 2=t0=20℃  Nhiệt độ VLS khỏi thiết bị sấy: t f 1= Thay thông số vào công thức (3-4) ta có nhiệt lượng tổn thất trình sau: Qv =18,75.3,21 ( 48,5−20 )=1715,34 [kJ/h] Ta có lượng ẩm bay sấy: W = 38,125 [kg/h] Thay vào cơng thức (3.3) ta có nhiệt tổn thất vật liệu sấy mang sau: q v= [ ] Q v 1715,34 kJ = =45 W 38,125 kg 3.2.2 Nhiệt tổn thất thiết bị chuyền tải Thiết bị chuyền tải cho hệ thống sấy buồng xe goong Ta lựa chọn vật liệu làm xe goong khay sấy inox 304 với thông số sau:  Nhiệt dung riêng inox 304: Ci = 0,5 kJ/kgK  Khối lượng riêng inox 304: I = 7930 kg/m3 Theo [3], ta có nhiệt tổn thất thiết bị chuyền tải sau: q ct = Q ct W (3-5) Trong đó:  W lượng ẩm bay [kga/h];  Qct nhiệt lượng tổn thất thiết bị chuyền tải trình sấy Qct = Qxe + Qkhay a Nhiệt lượng tổn thất xe goong mang Nguyên liệu cần để làm khung xe goong:  hộp đứng 0,79m  hộp ngang 0,50m  hộp ngang 1,14m  16 chữ V để làm giá đỡ khay 0,50 m Các làm inox có kích thước 25 x 25 x 1,5 mm Khối lượng thực tế 1m inox nặng 0,8 kg Khối lượng thực tế 1m inox chữ V nặng 0,75 kg Tổng khối lượng xe goong: Gxe = 0,8 (4.0,79 + 4.0,50 + 4.1,14) + 0,75.16.0,50 = 13,776[kg] Nhiệt lượng tổn thất xe goong mang đi: Qxe = n Gxe Ci (tf1-tf2) = 8.13,776.0,5.(48,5-20) = 1570,46[kJ] Trong đó:  n số xe goong hầm sấy;  Gxe khối lượng xe goong [kg]; 32  Ci nhiệt dung riêng inox dùng để làm xe goong [kJ/kgK];  tf1 nhiệt độ xe goong khỏi thiết bị sấy [℃];  tf2 nhiệt độ xe goong trước vào thiết bị sấy [℃] b Nhiệt lượng tổn thất khay mang Nguyên liệu cần đề làm khung khay sấy:  0,45m  1,10m Các làm inox có kích thước 20x20x2 mm Khối lượng thực tế 1m inox nặng 0,8 kg Tổng khối lượng khung khay: G1 = 0,8 (2.0,45 + 2.1,1) = 2,48 [kg] Khối lượng lưới khay 0,7 kg Khối lượng khay: G2 = 2,48 + 0,7 = 3,18 [kg] Tổng khối lượng khay sấy xe goong: Gkhay = 8.3,18 = 25,44 [kg] Nhiệt lượng tổn thất khay sấy mang đi: Qkhay = n Gkhay Ci (tf1-tf2) = 25,44 0,5 (48,5-20) = 2900,16 [kJ] Trong đó:  n số xe goong hầm sấy;  Gkhay khối lượng khay sấy xe goong [kg];  Ci nhiệt dung riêng inox dùng để làm xe goong [kJ/kgK];  tf1 nhiệt độ xe goong khỏi thiết bị sấy [℃];  tf2 nhiệt độ xe goong trước vào thiết bị sấy [℃] Nhiệt lượng tổn thất thiết bị truyền tải trình sấy: Qct = Qxe + Qkhay = 1570,46+ 2900,16 = 4470,62 [kJ] Ta có lượng ẩm bay mẻ sấy là: W =610 [ kg ] Nhiệt tổn thất thiết bị chuyền tải: q ct = [ ] Q ct 4470,62 kJ = =7,33 W 610 kg 3.2.3 Nhiệt tổn thất môi trường qua kết cấu bao che Theo [2], nhiệt tổn thất ngồi mơi trường xác định theo cơng thức: (3-6) Q = k × F × Δt mt ∑ Trong đó:  F xq diện tích kết cấu bao che  Δ t độ chênh nhiệt độ buồng sấy: Δ t=t f 1−t f 2=48,5−2 0=28,5[¿o C]¿  k hệ số truyền nhiệt 33 ( ) −1 δ k= + + [ W / m2 K ] α1 λ α2 với α , α hệ số tỏa nhiệt từ tác nhân sấy đến vách buồng sấy hệ số tỏa nhiệt từ vách ngồi buồng sấy tới khơng khí [W/m2K] a Tổn thất nhiệt qua tường Tường bao xung quanh cửa buồng làm tôn tráng kẽm có lớp cách nhiệt làm sợi thủy tinh dày δ cn=0,07 m có hệ số dẫn nhiệt λ cn=0,1 W/mK Ta coi mật độ dòng nhiệt qua cửa tường bao Tốc độ tác nhân sấy buồng sấy v = m/s Khi v < m/s hệ số toả nhiệt α đối lưu cưỡng xác định theo công thức kinh nghiệm sau: α 1=6,15+ 4,18 v=6,15+ 4,18.2=14,51 [ ] W m K Trao đổi nhiệt từ tường bao đến môi trường xung quanh đối lưu tự nhiên với hệ số trao đổi nhiệt α Muốn xác định đượcα trước tiên ta cần xác định nhiệt độ bề mặt tường t w Ta giả thiết t w sau tính tốn kiểm tra lại Việc tính tốn theo phương pháp lặp sai số nhỏ trị số cho phép Giả thiết t w ¿ 8o C ta có: α 2=1,715 ¿ [ ] W m2 K q 2=α ( t w 2−t )=3,43 ( 28−20 )=27,44 Kiểm tra lại giả thiết ta có: ( ) [ ] W m ( ) δ 0,07 ' + =¿ 48,5−¿ 27,44 + =27,40o C t w2 = t f 1−q2 α1 λ 14,51 0,1 So sánh t w 2và t ' w2 ta có: |t w 2−t ' w2|=|28−27,40| = 2,1 %