Kỹ thuật sấy là một ngành khoa học phát triển mãi từ những năm 50 đến 60 ở các Viện và các trường đại học trên thế giới, chủ yếu giải quyết những vấn đề kỹ thuật sấy các vật liệu cho công nghiệp và nông nghiệp. Trong những năm 70 trở lại đây người ta đã đưa kỹ nghệ sấy các nông sản thành những sản phẩm khô, không những kéo dài thời gian bảo quản mà còn làm phong phú thêm các mặt hàng sản phẩm như: trái cây, cà phê, sữa, bột, cá khô, thịt khô. Đối với nước ta là nước nhiệt đới ẩm, việc nghiên cứu công nghệ sấy để sấy các nguyên vật liệu có ý nghĩa đặc biệt: kết hợp phơi sấy để tiết kiệm năng lượng, nghiên cứu công nghệ sấy và thiết bị sấy phù hợp với từng loại nguyên vật liệu để đạt được chất lượng cao nhất. Đặc biệt là sấy cà phê nhân, đó là thành phẩm để chế biến cà phê bột, cà phê sữa, các loại bánh cao cấp v..v.
TỔNG QUAN VỀ CÀ PHÊ VÀ PHƯƠNG PHÁP SẤY
TỔNG QUAN VỀ CÀ PHÊ
1.1.1 Đặc tính chung của quả cà phê
1.1.1.1 Cấu tạo giải phẫu của quả cà phê:
Quả cà phê gồm có những phần sau : lớp vỏ quả, lớp nhớt, lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa, nhân
Hình 1 Cấu tạo quả cà phê
+ Lớp vỏ quả: Vỏ quả được hình thành bởi một lớp tế bào nhu mô nhỏ (các tế bào sơ cấp có chứa lục lạp và có khả năng hấp thụ nước) Màu sắc của vỏ quả khi bắt đầu hình thành có màu xanh lá cây do sự hiện diện của lục lạp sau đó biến mất khi quả chín Màu sắc khi trưởng thành còn phụ thuộc vào từng giống cà phê, nhưng phổ biến nhất là màu đỏ hoặc màu vàng.
+ Lớp vỏ thịt: Trong quả cà phê chưa chín, đây là các mô cứng gắn liền với vỏ quả, gọi là trung bì, khi quả trưởng thành, các enzyme pectolytic sẽ phá vỡ các chuỗi pectic tạo thành các hợp chất đường và pectin làm nên một cấu trúc mềm, mọng nước có độ nhớt cao nên thường được gọi là chất nhầy
+ Lớp vỏ trấu: là lớp ngoài cùng của phần hạt, tiếp xúc trực tiếp với phần vỏ quả, được hình thành từ ba đến bảy lớp tế bào xơ cứng (tế bào sợi đóng vai trò chính trong thực vật) nên còn được gọi là vỏ trấu Các tế bào cấu thành vỏ trấu sẽ cứng dần trong quá trình trưởng thành của quả cà phê, do đó hạn chế kích thước cuối cùng của hạt nhân cà phê.
Trước đây phần vỏ trấu không được sử dụng, do không có giá trị kinh tế Nhưng gần đây, dự án Huskee đã sử dụng vỏ trấu để làm cốc uống cà phê, tận dụng được tối đa hạt cà phê và giúp bảo vệ môi trường.
+ Lớp vỏ lụa: Vỏ lụa được hình thành từ nucellus có màu trắng bạc sau khi phơi khô, nên còn được gọi là vỏ bạc Lớp vỏ này rất mỏng và có thể được bóc ra khỏi nhân trong quá trình đánh bóng hạt Tuy nhiên, một số nhà chế biến cà phê thường để lại vỏ lụa trên hạt cà phê như một lớp bảo vệ tự nhiên, lớp vỏ này sau đó sẽ tự hủy trong quá trình rang cà phê
+ Nhân cà phê: Phần trong cùng và là quan trọng nhất của quả, chịu trách nhiệm tích lũy chất dinh dưỡng cho quá trình nẩy mầm của phôi Một quả cà phê thông thường có 2 nhân ( cá biệt có 1 hoặc 3 nhân)
Bảng 1: Tỷ lệ các phần cấu tạo của quả cà phê (tính theo % quả tươi)
Các loại vỏ và nhân Cà phê chè (%) Cà phê vối (%)
1.1.1.2 Thành phần hóa học của nhân cà phê
Bảng 2: Thành phần hóa học của nhân cà phê
Thành phần hóa học Tính bằng g/100g Tính bằng mg/100g
1.1.1.3 Tính chất vật lý của cà phê
Cà phê có hình dáng bầu dục,có chiều dài khoảng 1cm, chiều rộng khoảng0,5cm
Hình 2: Tính chất vật lý hạt cà phê
- Nhiệt dung riêng: c = 0,37 kcal/kg o C
TỔNG QUAN VỀ SẤY
Sấy là một phương pháp bảo quản thực phẩm đơn giản, an toàn và dễ dàng Sấy làm giảm độ ẩm của thực phẩm đến mức cần thiết do đó vi khuẩn, nấm mốc và nấm men bị ức chế hoặc không phát triển và hoạt động được, giảm hoạt động các enzyme, giảm kích thước và trọng lượng của sản phẩm.
Có nhiều cách để cung cấp nhiệt cho vật liệu: bằng dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt, bức xạ hoặc bằng năng lượng điện trường có tần số cao Trong đồ án này, ta sử dụng phương pháp sấy đối lưu Đây cũng là phương pháp rất thông dụng trong công nghiệp sấy.
1.2.2 Phân loại phương pháp sấy
Tiến hành bay hơi bằng năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng gió… (gọi là quá trình bay hơi tự nhiên).
+ Ưu điểm của phương pháp này là:
*Tiến hành một cách đơn giản, dễ dàng, không đòi hỏi kĩ thuật cao.
* Chi phí đầu tư thấp.
+ Nhưng bên cạnh đó phương pháp này lại đem theo rất nhiều nhược điểm:
* Khó điều chỉnh các thông số kĩ thuật khi sấy, phụ thuộc vào khí hậu.
* Cần diện tích lớn để thực hiện quá trình sấy.
* Độ ẩm sau khi sấy không điều chỉnh được để đảm bảo yêu cầu.
* Sản phẩm sấy không đều, dễ bị nhiễm bẩn, nhiễm vi sinh vật.
* Đòi hỏi sức lao động, nhân công lớn.
* Tốn thời gian, năng suất thấp.
Thường được tiến hành trong các thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho các vật liệu ẩm Sấy nhân tạo có nhiều dạng, tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà trong kỹ thuật sấy có thể chia ra thành nhiều dạng:
+ Sấy đối lưu: phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy, mà tác nhân truyền nhiệt là không khí nóng, khói lò,…
+ Sấy tiếp xúc: 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.
+ Sấy bằng tia hồng ngoại: phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn điện phát ra truyền cho vật liệu sấy.
+ Sấy bằng dòng điện cao tần: phương pháp dùng dòng điện cao tần để đốt nóng toàn bộ chiều dày của vât liệu sấy.
+ Sấy thăng hoa: phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không 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.
Ngoài ra còn có sấy lạnh, sấy phun,… Ưu điểm của sấy nhân tạo đó là khắc phục được những nhược điểm của phương pháp sấy tự nhiên Nhưng cũng kéo theo những nhược điểm không tránh khỏi đó là tốn chi phí đầu tư trang thiết bị và chi phí để vận hành, hoạt động thiết bị đó thực hiện quá trình sấy.
1.2.3 Mục đích và ý nghĩa của quá trình sấy
Mục đích của quá trình sấy là quá trình làm khô các vật thể, các vật liệu, các sản phẩm bằng phương pháp bay hơi nước.
Như vậy, quá trình sấy khô một vật thể diễn biến như sau: Vật thể được gia nhiệt để đưa nhiệt độ lên đến nhiệt độ bão hòa ứng với phân áp suất của hơi nước trên bề mặt vật thể Vật thể được cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm.
Tóm lại, trong quá trình sấy xảy ra các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất cụ thể là quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt cho vật sấy, quá trình truyền ẩm từ trong vật sấy ra ngoài bề mặt sấy, quá trình truyền ẩm từ bề mặt vật sấy ra ngoài môi trường Các quá trình truyền nhiệt truyền chất trên xảy ra đồng thời trên vật sấy, chúng có tác động qua lại lẫn nhau.
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT
Giới thiệu các phương pháp sản xuất cà phê thóc
Sản xuất cà phê thóc nhằm mục đích loại bỏ các lớp bao vỏ cơm bọc quanh hạt nhân cà phê để thu được cà phê thóc Để cà phê sống có một giá trị thương phẩm cao chúng ta phải sấy khô đến mức độ nhất định (độ ẩm mà nhà chế biến yêu cầu) Rồi sau đó tiếp tục các quá trình chế biến tinh khiết hơn như chế biến cà phê rang, cà phê bột thô, cà phê hòa tan Hoặc các sản phẩm khác có phối chế như: cà phê sữa, các loại bánh kẹo cà phê Trong kỹ thuật sản xuất cà phê thóc có 2 phương pháp chính:
- Phương pháp sản xuất khô
- Phương pháp sản xuất ướt
+ Phương pháp sản xuất khô: cà phê tươi sau khi thu hoạch sẽ được rửa sạch, phân loại, sau đó mang đi phơi - sấy ngay, tiếp theo sẽ tiến hành xát vỏ trấu để tạo ra sản phẩm cà phê thóc, và sau cùng là quá trình đóng gói và bảo quản.
+ Phương pháp sản xuất ướt: cà phê tươi sau khi thu hoạch sẽ được rửa sạch, phân loại, sau đó sẽ tiến hành xát vỏ ướt để loại bỏ các lớp vỏ, tiếp đó là quá trình phơi – sấy và sau cùng là quá trình đóng gói và bảo quản
Sự khác biệt trong 2 phương pháp là thứ tự thực hiện của 2 công đoạn phơi – sấy và tách vỏ:
- Phương pháp sản xuất khô: phơi – sấy trước khi xát vỏ: do các lớp vỏ còn một lượng ẩm lớn nên việc làm khô sẽ rất tốn thời gian và năng lượng Ngoài ra, do quá trình phơi quá lâu nên còn chịu ảnh hưởng của điều kiện thời tiết, dẫn đến việc chất lượng không đồng đều.
- Phương pháp ướt: xát vỏ trước khi phơi – sấy: các lớp vỏ đã bị loại giúp thời gian làm khô diễn ra nhanh hơn Do ban đầu hạt cà phê có độ ẩm còn cao, nếu mang đi sấy ngay đến độ ẩm yêu cầu để bảo quản là < 12,5% thì sẽ tiêu tốn rất nhiều năng lượng Vì vậy để tiết kiệm chi phí ta sẽ tiến hành phơi trước, đến khi độ ẩm còn khoảng 20% thì sẽ bắt đầu tiến hành quá trình sấy.
So sánh 2 phương pháp ta thấy:
Phương pháp chế biến khô tuy đơn giản, ít tốn năng lượng, nhân công nhưng phương pháp này có nhiều hạn chế là phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Nó chỉ phù hợp với nơi có điều khiện khí hậu nắng nhiều mưa ít, không đáp ứng được những yêu cầu về mặt chất lượng.
Phương pháp chế biến ướt phức tạp hơn, tốn nhiều thiết bị và năng lượng hơn, đồng thời đòi hỏi dây chuyền công nghệ cũng như thao tác kỹ thuật cao hơn Nhưng phương pháp này thích hợp với mọi hoàn cảnh, mọi điều kiện khí hậu thời tiết Đồng thời rút ngắn được thời gian sản xuất, tăng năng suất của nhà máy và nâng cao chất lượng sản phẩm cà phê thóc.Hiện nay ở nước ta, các nhà máy, xí nghiệp sản xuất cà phê nhân chủ yếu sử dụng phương pháp khô (phương pháp cổ điển).
Lựa chọn thiết bị sấy và phương thức sấy
Căn cứ vào dạng vật sấy, đặc điểm cấu tạo của vật liệu sấy mà người ta chọn hệ thống sấy cho phù hợp Thiết bị sấy thùng quay là thiết bị chuyên dùng để sấy hạt.
Quá trình sấy trong máy sấy thùng quay cũng là hệ thống sấy đối lưu Loại thiết bị này được dùng để sấy các vật ẩm dạng hạt có kích thước nhỏ
Hình 3: Thiết bị sấy thùng quay
Trong đó: (1) Thùng quay (9) Con lăn chặn
(2) Vành đai đỡ (10) Mô tơ quạt chuyển động
(3) Con lăn đỡ (11) Bệ đỡ bê tông
(5) Phễu hứng sản phẩm (13) Phễu tiếp liệu
(6) Quạt hút (14) Van điều chỉnh
Trọng lượng của thùng sấy hình trụ (1) được đặt nằm ngang nghiên một góc 3 ÷ 5 o so với mặt phẳng ngang, được chịu bởi hai bánh đai đỡ (2) Bánh đai được đặt trên bốn con lăn đỡ (3) Khoảng cách giữa hai con lăn trên cùng một bệ đỡ (11) có thể thay đổi để điều chỉnh góc nghiêng của thùng
Vật liệu sấy được nạp liên tục vào đầu cao của thùng thông qua phễu tiếp liệu (13) đi vào thùng sấy (1) Quạt thổi (15) đưa không khí đã được gia nhiệt qua thiết bị đốt nóng (8) vào thùng sấy cùng lúc với vật liệu sấy Chuyển động quay của thùng được thực hiện nhờ bộ truyền động từ động cơ (10) sang hộp giảm tốc đến bánh răng (4) gắn trên thùng Bên trong thùng có gắn các cánh nâng, dùng để nâng và đảo trộn vật liệu sấy, mục đích là tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy, do đó tăng bề mặt truyền nhiệt, tăng cường trao đổi nhiệt để quá trình sấy diễn ra triệt để Thùng sấy quay tròn, vật liệu sấy vừa bị xáo trộn vừa đi dần từ đầu cao xuống đầu thấp của thùng sấy
Trong quá trình này, vật liệu sấy và tác nhân sấy sẽ trao đổi nhiệt ẩm cho nhau Sau khi đi hết chiều dài thùng sấy, vật liệu sẽ đạt độ ẩm cần thiết theo yêu cầu Lúc này, vật liệu sấy sẽ được thu nhận bằng phễu hứng sản phẩm (5) và vận chuyển vào kho chứa nhờ băng tải (12) Còn tác nhân sấy sẽ được quạt hút (6) hút vào hệ thống xyclon (7) để lọc bụi và các mảnh nhỏ của vật liệu sấy bị cuốn theo, cuối cùng sẽ thải khí sạch ra môi trường.
2.2.1.3 Đánh giá ưu – nhược điểm
- Ưu điểm: quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy Cường độ sấy lớn có thể làm bay hơi 100kg ẩm/m3.h Thiết bị gọn, có thể cơ khí hóa và tự động hóa cho toàn bộ khâu sấy.(Nguyễn Bin, 2008)
- Nhược điểm: vật liệu bị đảo lộn nhiều dễ tạo bụi do vỡ vụn nên sẽ làm giảm chất lượng của sản phẩm trong một số trường hợp.(Nguyễn Bin, 2008).
Cấu tạo chính của hệ thống sấy thùng quay là một thùng sấy hình trụ tròn. Thùng sấy làm bằng thép, được đặt nghiêng với mặt phẳng nằm ngang theo tỷ lệ 1/15 ÷ 1/50 Thùng sấy quay với tốc độ 1,5 ÷ 8 vòng/phút nhờ một động cơ điện thông qua hộp giảm tốc Thùng sấy là nơi trao đổi nhiệt ẩm của tác nhân sấy và vật liệu sấy.
Hình 4: Cấu tạo thùng sấy
Ngoài ra, để tăng cường quá trình xáo trộn và trao đổi nhiệt ẩm mà người ta còn bố trí thêm vào bên trong thùng sấy các cánh khuấy Có rất nhiều cách bố trí cánh khuấy.
Hình 5:Cấu tạo và kích thước cánh khuấy đơn
Hình 6:Cấu tạo và kích thước cánh khuấy kép
Trong hệ thống sấy thùng quay, quá trình đảo trộn và sấy cà phê nhân có thể làm vỡ cà phê, tạo ra những mảnh nhỏ và chúng có thể bay theo tác nhân sấy Theo kinh nghiệm, vật liệu sấy bay theo tác nhân sấy có thể đạt 2 ÷ 30 g/m3 Vì vậy, xyclon được sử dụng để lọc sạch bụi trước khi thải khí ra môi trường. Để đánh giá độ sạch của không khí, hay hiệu quả khử bụi của xyclon, người ta đặt ra một khái niệm gọi là độ làm sạch ηS được tính theo công thức sau: η s = a 1−a a1 2
Trong đó: a1 (μg/m3): nồng độ bụi trước khi được làm sạch a2 (μg/m3): nồng độ bụi sau khi được làm sạch.
Xyclon hoạt động theo nguyên lý ly tâm, cấu tạo và các cách thước cơ bản được biểu diễn theo hình sau:
Hình 7:Cấu tạo và các kích thước cơ bản của xyclon
Trong đó: H: Chiều cao của xyclon
D: Đường kính xyclon d: Đường kính ống trung tâm d2: Đường kính trong của cửa tháo bụi h1: Chiều cao phễu h2: Chiều cao phần hình trụ của xyclon h3: Chiều cao phần bên ngoài ống tâm h4: Chiều dài phần ống có mặt bích h5: Khoảng cách từ tận cùng xyclon đến mặt bích b: Chiều rộng cửa vào h: Chiều cao tiết diện kênh dẫn vào xyclon l: Chiều dài ống dẫn khí vào
Ta chọn loại calorife khí – hơi để đốt nóng không khí.
Calorife khí – hơi là loại thiết bị trao đổi nhiệt qua vách ngăn Hơi bão hòa ngưng tụ sẽ đi bên trong ống, còn bên ngoài là không khí nhận nhiệt từ hơi bão hoà để tăng nhiệt độ đạt đến mức yêu cầu Ngoài ra, phía không khí còn được làm thêm cánh để tăng cường khả năng truyền nhiệt Như vậy trong kỹ thuật sấy, calorife khí – hơi là loại vách ngăn có cánh.
Hình 8:Cấu tạo và kích thước cơ bản của calorife khí – hơi
(4): ống hơi vào và nước ngưng ra
Dùng để vận chuyển tác nhân sấy trong hệ thống sấy Loại quạt được sử dụng trong phạm vi bài báo cáo này là quạt ly tâm Các tiêu chí dùng để chọn quạt: đặc trưng của HTS, trở lực mà quạt phải khắc phục (Δp), năng suất mà quạt cần tải đi (V), nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy Cần phải xác định được hiệu suất của quạt khi chọn quạt.
Quạt ly tâm được sản xuất có hai chiều quay khác nhau với các giá đỡ khác nhau để tiện lợi khi lắp đặt theo yêu cầu sử dụng.
Hình 9:Các dạng quạt ly tâm theo chiều quay và giá đỡ
Quạt ly tâm có thể gắn trực tiếp với động cơ điện hoặc nối với động cơ điện qua một bánh đai.
Hình 10:Cấu tạo và các kích thước cơ bản của quạt ly tâm U3-57 do Liên Xô sản xuất
2.2.2 Lựa chọn phương pháp sấy Để sấy cà phê thóc người ta dùng phương pháp sấy nóng và đối với cà phê thóc chỉ còn lớp vỏ trấu bên ngoài nên trong quá trình sấy bảo đảm không bị nhiễm bụi bẩn, nhiễm độc và yêu cầu nhiệt độ sấy không quá cao nên ta chọn tác nhân sấy là không khí nóng và tác nhân tải nhiệt là hơi nước để tiện cho việc điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy khi cần thiết.
Thông thường chiều chuyển động của tác nhân sấy có thể cùng chiều, ngược chiều hay chéo dòng Dựa vào tính chất vật liệu của cà phê nên ta chọn phương thức sấy cùng chiều vì tốc độ sấy ban đầu cao, ít bị co ngót, sản phẩm ít bị biến tính, giảm nguy cơ hư hỏng do vi sinh vật, tránh sấy quá khô và tác nhân sấy khỏi mang theo vật liệu sấy như sấy ngược chiều Mặt khác với nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu không cao lắm thì khi sấy cùng chiều vật liệu sấy và tác nhân sấy sẽ tiếp xúc tốt hơn, quá trình sấy diễn ra nhanh hơn.
Quy trình công nghệ sấy cà phê thóc bằng hệ thống sấy thùng quay
Hình 11: Quy trình công nghệ sấy cà phê
Vật liệu sấy là cà phê thóc đã qua phân loại, tách vỏ và qua hệ thống sấy tĩnh để nâng nhiệt độ lên gần nhiệt độ tác nhân sấy, để tránh hiện tượng chênh lệch nhiệt độ quá cao giữa tác nhân sấy và cà phê gây ra hiện tượng cháy cà phê Độ ẩm của cà phê lúc này là 25%.
Tác nhân sấy là không khí được quạt đẩy đưa vào calorifer gia nhiệt để nâng nhiệt độ lên 80 ℃ Tác nhân sấy vào cùng chiều với cà phê làm cho diện cấp cho tác nhân sấy và vật liệu sấy cao làm cho lượng ẩm trên bề mặt vật liệu thoát ra nhanh hơn nên tốc độ sấy nhanh hơn Nhiệt độ tác nhân sấy sẽ giảm dần và khi vật liệu ra khỏi thùng sấy thì nhiệt độ còn 38 o C.
Tại thùng sấy, cà phê sẽ đi sâu vào thùng sấy, được xáo trộn bởi các cánh đảo trộn để nâng và đảo trộn vật liệu sấy do đó tăng cường bề mặt trao đổi nhiệt giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy.
Trong thùng, cà phê thóc được nâng lên ở độ cao nhất định rồi rơi xuống. Trong quá trình đó vật liệu sấy được trao đổi nhiệt với tác nhân sấy và làm bay hơi ẩm Khi đi hết chiều dài thùng sấy thì cà phê đảm bảo độ ẩm yêu cầu cần thiết cho quá trình bảo quản.
Sản phẩm sau khi sấy xong đi qua cửa tháo liệu trên thùng sấy và được tháo ra ngoài qua cửa nhờ cơ cấu băng tải vận chuyển đi đóng gói Cơ cấu băng tải còn có tác dụng làm nguội cà phê một cách tự nhiên trước khi đóng gói Còn tác nhân sấy đi qua cyclon thu hồi bụi và được thải ra ngoài môi trường nhờ quạt hút.
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
Các thông số ban đầu
Trong đồ án này, em có nhiệm vụ là tính toán thiết kế hệ thống sấy thùng quay để sấy cà phê thóc Chọn các thông số cho tính toán như sau:
- Độ ẩm vật liệu vào: ω 1 = 64%
- Độ ẩm vật liệu ra: ω 2 %
Lượng ẩm được tách ra
W: lượng ẩm được tách ra (%)
G1,G2: lượng vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi máy sấy (kg/h)
W1: độ ẩm của vật liệu trước khi sấy, tính theo % khối lượng vật liệu ướt W2: độ ẩm của vật liệu sau khi sấy, tính theo % khối lượng vật liệu ướt
Khối lượng vật liệu vào thùng sấy
Lượng vật liệu khô tuyệt đối
Tính các thông số của không khí
3.5.1 Tính trạng thái không khí ngoài trời
+ Phân áp bão hòa theo nhiệt độ:
Trong đó: Pb : phân áp suất bão hòa của hơi nước (bar) t0: nhiệt độ không khí ( 0 C)
Suy ra: Pb = exp ( 12 - 235,5 4026,42 +25 ) = 0,0315 (bar)
+ Hàm ẩm ban đầu: x0 = 0,622 P − j 0 j 0 Pb Pb (CT VII.11,Tr95, [3])
Trong đó: x0: hàm ẩm ban đầu (kg/kgkkk) j0: độ ẩm tương đối của không khí
Pb: phân áp suất bão hòa của hơi nước (bar)
P: áp suất khí quyển (bar)
0,981−0,81 0,0315 = 0,0166 (kg/kgkkk) + Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm:
I0 = t0 + ( 2493 + 1,97 t0) x0 (CT VII.14,Tr96, [3]) = 25 + (2493 + 1,97.25) 0,0166 = 67,2014 (Kj/kgkkk)
+ Thể tích riêng của không khí ẩm:
Với: v0: thể tích riêng của không khí ẩm (m 3 /kgkkk)
J: độ ẩm tương đối của không khí
Pb: phân áp suất bão hòa của hơi nước (N/m 2 )
3.5.2 Tính toán không khí đưa ra khỏi calorifer
+ Hàm ẩm của không khí là không thay đổi: t1 = 80 0 C, x1 = x0 =0,0166 (kg/kgkkk)
+ Phân áp bão hòa hơi nước theo nhiệt độ:
Pbh1 = exp ( 12 - 235,5+ 4026,42 t 1 ) = Pb = exp ( 12 - 235,5+80 4026,42 ) = 0,4667 (bar) + Ta có: x1 = x0 = 0,0166 (kg/kgkkk)
+ Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm:
+ Thể tích riêng của không khí ẩm:
3.5.3 Tính toán không khí ra khỏi buồng sấy
Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm không đổi: I1 = I2 = 124,0257 (kj/kgkkk) Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi máy sấy: t2 = 35 0 C
+ Phân áp suất bão hòa hơi nước theo nhiệt độ:
Pbh2 = exp ( 12 - 235,5+ 4026,42 t 2 ) = Pb = exp ( 12 - 235,5+35 4026,42 ) = 0,0558 (bar)
+ Ta lại có : x2 = 0,622 P − j 2 j 2 Pbh Pbh 2 2
+ Thể tích riêng của không khí ẩm:
3.5.4 Kiểm tra nhiệt độ đọng sương
Tại nhiệt độ đọng sương ta có j = 1
Từ công thức: x2 = 0,622 P− j Pbhts j Pbts
=> Áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ đọng sương:
Tra bảng và tính toán (bảng II.251, Tr314, [2]), ta có nhiệt độ tương ứng với Pbhts = 0,05 là nhiệt độ đọng sương: ts = 32,5 o C
Chênh lệch nhiệt độ đọng sương với nhiệt độ tác nhân sấy khi đi ra khỏi thiết bị sấy là: Dt = t2 – ts = 35 – 32,5 = 2,5 o C
=> Chênh lệch nhiệt độ này là hợp lí, vậy thông số đã chọn là chính xác.
3.5.5 Cân bằng vật liệu cho tác nhân sấy ( cân bằng theo lượng ẩm)
Coi không khí khô đi qua máy sấy không bị mất đi trong quá trình sấy Lượng không khí khô tiêu tốn trong quá trình sấy: L
Khi làm việc ổn định thì không khí sấy mang theo lượng ẩm: L.x1
Sau khi sấy lượng ẩm bốc ra từ vật liệu: w
Lượng ẩm không khí ra khỏi máy sấy: L.x2
L.x1 + w = L.x2 (Suy ra từ công thức 7.13, Tr131, [5])
Vậy lượng không khí khô tiêu tốn cần thiết để làm bốc hơi 1 kg ẩm trong vật liệu: l = w L = x 2− 1 x 1 (CT 7.14, Tr131, [5])
= 0,0347−0,0166 1 = 55,2486 (kgkkk/kg ẩm bay hơi)
Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy đi vào máy:
Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy đi ra khỏi máy sấy:
Lưu lượng thể tích trung bình:
Bảng 3: Bảng tổng kết cho vật liệu sấy Đại lượng(đơn vị đo) Giá trị
G1: khối lượng vật liệu vào thùng sấy (kg/h) 1750
G2: khối lượng vật liệu ra khỏi thùng sấy (kg/h) 700
G : khối lượng vật liệu khô tuyệt đối (kg/h) 630 w1: độ ẩm vật liệu vào (%) 64 w2: độ ẩm vật liệu ra (%) 10 w: lượng ẩm được tách ra (%) 1050 l: lượng không khí khô để bốc hơi 1 kg ẩm (kgkkk/kg ẩm)
55,2486 L: lượng không khí khô để bốc hơi w kg ẩm (kgkkk/h) 58011,0497
Bảng 4:Bảng tổng kết cho tác nhân sấy t
Sau khi ra khỏi calorifer 80º
Sau khi ra khỏi buồng sấy
Tính cân bằng nhiệt lượng
Gọi: tvl1: nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy, thường lấy bằng nhiệt độ môi trường tvl1 = to = 25 o C tvl2: nhiệt độ cuối của vật liệu sấy khi ra khỏi thiết bị sấy tvl2 = t2 – (5÷10 o C) = 35 - 5 = 30 o C (Tr141, [5])
Cvl: nhiệt dung riêng của vật liệu, coi như không đổi trước và sau khi sấy
Cn: nhiệt dung riêng của nước
Ta có, nhiệt dung riêng của vật liệu với w2:
Cvl = Ck.(1 – w2) + Cn.w2 (kJ/kg.K) (CT 7.40, Tr141, [5]) Trong đó:
Ck là nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối Ck = 1,547 ( kJ/kg.K)
Trong quá trình sấy lí thuyết thì không bổ sung nhiệt lượng thêm, không tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che cũng như là tổn thất nhiệt do thiết bị chuyển tải:
3.6.1 Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy
+ Nhiệt lượng do tác nhân sấy mang vào: qkkv qkkv = l.I0 (CT 7.16, Tr131, [5])
+ Nhiệt lượng do calorifer cung cấp: qs qs = l.(I1 - I0) (CT 7.16, Tr131, [5])
+ Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: qvls qvls = G 2 Cvl.tvl 1 w + Cn.tvl1 (Tr206,[8])
3.6.2 Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy
3.6.2.1 Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi : q kkv qkkr = l.I2 (CT 7.16, Tr131, [5])
3.6.2.2 Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: q vlr qvlr = G 2 Cvl.tvl w 2 = 700.1,8105.30
3.6.2.3 Nhiệt lượng tổn thất qua vỏ thiết bị ra môi trường xung quanh: q m qm = K F Dt w (CT 7.41, Tr142, [5])
Với: F: diện tích bề mặt xung quanh máy sấy Δt : hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy với môi trường xung quanh w: lượng ẩm bay hơi
Trong đó: ∝ 1 : hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến bề mặt trong của thùng sấy
⅀ δ λ : tổng nhiệt trở của máy sấy
∝ 2 : hệ số cấp nhiệt của thành thùng ra môi trường xung quanh
=> Tính hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến bề mặt trong của thùng sấy:
∝ 1' là hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu cưỡng bức (W/m 2 độ)
∝ 1 là hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu tự nhiên (W/m 2 độ) k là hệ số điều chỉnh, chọn k = 1,2
+ Nhiệt độ trung bình của không khí vào máy sấy: ttb = t 1+t 2 2 = 80 +35 2 = 57,5 0 C
+ Tra bảng và tính toán độ nhớt động của không khí trong phòng sấy: v = 18,715.10 -6 (m 2 /s) (Bảng I.255, Tr318, [2])
Trong đó M’ = 10 -2 M, với M là hệ số phụ thuộc vào đường kính trung bình của hạt.
Chọn đường kính trung bình hạt cà phê là d=6mm
Tra bảng 10.3 (Tr210, [5]), ta có: M = 0,6 => M’ = 0,6.10 -2
Trong đó: V: thể tích thùng sấy (m 3 )
G1: khối lượng nguyên liệu vào thiết bị sấy (kg/h) t: thời gian sấy (h) gv: mật độ của khối hạt (kg/m 3 ) r: khối lượng riêng của vật liệu sấy (kg/m 3 ) b: hệ số điền đầy, b = 0,2 ÷ 0,3 ta chọn b = 0,2
650.0,2 = 105,5088 (m 3 ) + Tính đường kính và chiều dài thùng sấy:
Khi đó đường kính thùng sấy được xác định:
+ Tiết diện tự do của thùng sấy:
Theo bảng VII.25 (Tr123, [3]): hệ số điền đầy trong hệ thống sấy thùng quay chiếm khoảng từ 10÷25% thể tích thùng sấy Ta chọn: = 0,2
+ Tốc độ tác nhân sấy lý thuyết: ω lt = V F tb td = 16,264 5,6364 = 2,8855 (m/s) (Tr219, [5]) + Chế độ chảy của tác nhân sấy trong thiết bị:
Với v = 18,715.10 -6 (m 2 /s) là độ nhớt động học của không khí
D: kích thước hình học xác định theo đường kính tương đương
- Chuẩn số Nuselt đối với chất khí:
Vì Re > 10 4 nên tác nhân sấy chuyển động tương ứng với chế độ chảy xoáy (rối) (Tr13, [3])
Khi đó: Nu = 0,018 ε 1.Re0,8 (CT V.42, Tr16, [3]) Với: ε 1 là hệ số phụ thuộc vào tỉ lệ L/D và Re
Mà L/D = 5 và Re = 461787,9268; nên ε 1 = 1,1221 (Bảng V.2, Tr15, [3]) Nên Nu = 0,018 1,1221 ( 461787,9268) 0,8 = 686,844
+ Mà ta có: Nu = a' 1 λ D (Tr15, [3])
Trong đó: λ : hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ ở 57,5 0 C λ = λ 0 273+C T +C ( 273 T ¿¿ 1/5 ( CT I.36, Tr124, [2]) λ 0: hệ số dẫn nhiệt ở 0 o C c: hằng số phụ thuộc vào loại khí
T: nhiệt độ tuyệt đối của không khí
Tra bảng I.122, trang 124 Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa học tập 1 ta có c2, λ 0 = 0,0201
Trong đó: g: gia tốc trọng trường, g=9,81 (m/s 2 ) Δt: hiệu số nhiệt độ giữa tác nhân sấy vào và tác nhân sấy ra
+ Chuẩn số Nuselt: Nu = 0,47 Gr0,25 (CT V.78, Tr24, [3])
Hệ số cấp nhiệt ∝ 1 ”: ∝ 1 ” = λ.Nu D = 0,0182.270,6429
=> Tính hệ số cấp nhiệt của thành thùng ra môi trường xung quanh
Trong đó: ∝ 2’ : hệ số cấp nhiệt mặt ngoài của máy sấy do đối lưu tự nhiên ∝ 2”: hệ số cấp nhiệt do bức xạ
Chọn nhiệt độ thành ngoài của máy sấy (phần tiếp xúc với không khí) là t3 = 30 0 C Đây là nhiệt độ thích hợp để tác nhân sấy sau khi truyền qua vách thùng và lớp cách nhiệt phía ngoài thùng sao cho không còn quá nóng, an toàn cho người lao động
Thùng đặt nằm ngang với góc nghiêng nhỏ nên xem như là hệ số cấp nhiệt của ống nằm ngang khi không khí có thể tích lớn và chuyển động tự do.
Xem như nhiệt độ không đổi trong quá trình truyền qua bề dày thân thùng.
Chọn vật liệu làm thùng sấy là CT3 và vật liệu cách nhiệt là bông thủy tinh.
Tra bảng XII.7 (Tr313,[3]) ta được hệ số dẫn nhiệt của CT3 là 50 (W/m.độ) và hệ số dẫn nhiệt của bông thủy tinh là 0,0372 (W/m.độ) Lựa chọn các thông số kích thước bề dày thân thùng sấy, ta được bảng sau:
Bảng 5:Chọn bề dày thùng sấy
STT Đại lượng Kí hiệu Gía trị chọn (m)
Vật liệu Hệ số dẫn nhiệt λ (W/m.độ)
2 Bề dày lớp cách nhiệt δ 2 0,08 Bông thủy tinh
3 Bề dày lớp bảo vệ δ 3 0,006 CT3 50
=> Đường kính ngoài của vỏ thùng sấy:
Bảng 6:Các thông số của tác nhân sấy bên ngoài thùng sấy
STT Thông số Ký hiệu Đơn vị Nguồn công thức Gía trị
2 Hệ số dẫn nhiệt λ0 W/m.độ Bảng I.255,Tr318,
3 Độ nhớt μ 0 Ns/m 2 Bảng I.255,Tr318,
4 Áp suất bão hòa pb At Bảng I.255,Tr318,
5 Khối lượng riêng ρ 0 Kg/m 3 Bảng I.255,Tr318,
6 Độ nhớt động v0 m 2 /s Bảng I.255,Tr318,
C0: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối, C0 = 5,7
T1: nhiệt độ tuyệt đối của thành máy sấy ( 0 K), T1 = t3 + 273
T2: nhiệt độ của môi trường ( 0 K), T2 = t0 + 273 ε : độ đen của bề mặt ngoài máy sấy Đối với bức xạ giữa khí và bề mặt vật thể, do bề mặt của khí lớn hơn bề mặt vật thể nên độ đen của hệ xem như bằng độ đen của vật thể: ε = 0,8 ÷ 1, chọn ε = 0,8
Hệ số truyền nhiệt K đối với tường hình ống có chiều dày không dày lắm so với đường kính, khi bỏ qua nhiệt trở của lớp cách nhiệt:
=> Tính bề mặt truyền nhiệt F: Đường kính trung bình máy sấy:
Bề mặt truyền nhiệt máy sấy bao gồm diện tích xung quanh và diện tích hai đầu của thùng:
=> Tính tổn thất nhiệt qua vỏ máy sấy:
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và không khí bên ngoài:
Trong đó: Δtđ : Hiệu số nhiệt độ của không khí tác nhân sấy vào và nhiệt độ môi trường, Δtđ = t1 - t0 = 80 -25 = 55 0 C Δtc: Hiệu số nhiệt độ của không khí tác nhân sấy ra và nhiệt độ môi trường, Δtc = t2 – t0 = 35 -25 = 10 0 C
10 = 26,397 0 C Vậy: Tổn thất nhiệt từ vỏ máy sấy ra môi trường xung quanh: qm = K F Dt w tb = 0,408.164,433.26,397
1050 = 1,6866( Kj/kg ẩm) Tổng nhiệt ra là;
⅀qr = qkkr + qvlr + qm = 6852,2463 + 36,21 + 1,6866 = 6890,1429 ( Kj/kg ẩm) Suy ra: Sai số trong quá trình sấy lý thuyết:
Sai số này là cho phép trong tính toán nên các lựa chọn thông số là chính xác.
Tính toán quá trình sấy thực tế
3.7.1 Nhiệt lượng bổ sung thực tế
Tìm giá trị Δ (lượng nhiệt bổ sung thực tế): Δ = Cn.t0 – ( qvl + qm)
Nhiệt lượng để làm nóng vật liệu: qvl = G 2 w C vl ( tvl2 – tvl1 )
3.7.2 Xác định các thông số của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực
+ Nhiệt dung riêng dẫn xuất của tác nhân sấy trước khi sấy:
Cdx(x1) = Cpk + Cpa.x1 (CT 7.9, Tr130, [5])
Trong đó: Cpk: nhiệt dung riêng của không khí khô
Cpa: nhiệt dung riêng của hơi nước
Suy ra: Cdx(x1) = 1,004 + 1,842 0,0166 = 1,0346 (Kj/kgkkk)
+ Lượng ẩm chứa x2 của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực: i’2 = 2500 + 1,842.t2 (CT 7.10, Tr138, [4])
Ta có: x’2 = x1 + Cdx ( x i 1) ' 2− (t Δ 1− t 2) (CT 7.9, Tr130, [5])
+ Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm:
+ Lượng tác nhân sấy cần thiết cho quá trình sấy thực tế: l’ = x ' 2− 1 x 1 = 0,0354−0,0166 1 = 53,1915 (kgkkk/ kg ẩm) (CT 7.14, Tr131, [5])
+ Lượng tác nhân sấy thực tế:
3.7.3 Phương trình cân bằng nhiệt lượng: ⅀ q v = ⅀ q r
+ Nhiệt lượng do calorifer sưởi cung cấp: q’s = l’.(I’2 – I0)
+ Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: qvls = 134,715 (Kj/kg ẩm) + Nhiệt lượng do tác nhân sấy mang vào: qkkv = 3712,7832(Kj/kg ẩm) + Tổng lượng nhiệt mang vào:
+ Nhiệt do không khí mang ra: q’kkr = l’.I’2 = 53,1915 125,9222 = 6697,9907 (Kj/kg ẩm)
+ Nhiệt do vật liệu sấy mang ra: qvlr = 36,21(Kj/kg ẩm)
+ Nhiệt do tổn thất qua vỏ máy sấy ra môi trường xung quanh: qm = 1,6866 (Kj/kg ẩm)
+ Tổng lượng nhiệt mang ra:
Vậy sai số nhiệt vào và nhiệt ra:
Sai số này là cho phép nên các thông số đã chọn phù hợp với yêu cầu.
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Theo như đã tính toán lựa chọn ở phần cân bằng nhiệt lượng, ta có các thông số kĩ thuật của thiết bị chính như sau:
+ Tiết diện tự do của thùng: Ftd = 5,6364 m 2
+ Tính số vòng quay của thùng: n = t D.tg m k L ∝ (CT VII.52, Tr122, [3])
+ m, k: hệ số phụ thuộc vào cấu tạo cánh và chiều chuyển động của khí
Dựa vào bảng VII.4 (Tr122, (3)): với dạng cánh nâng m = 0,5 và tác nhân sấy chuyển động cùng chiều, chọn k = 2
+ L,D: đường kính và chiều dài của thùng, (m)
+ ∝ : góc nghiêng của thùng so với mặt phẳng ngang Đối với thùng dài: ∝ = 2,5 ÷ 3, chọn ∝ = 3
+ Công suất cần thiết để quay thùng:
Trong đó: n: số vòng quay của thùng sấy (vòng/phút) a: hệ số phụ thuộc vào dạng cánh, a = 0,063 (Dựa vào bảng VII.5, Tr123,[3]) ρ : khối lượng riêng xốp trung bình, ρ = 650 (kg/m 3 )
D,L: đường kính và chiều dài của thùng, (m)
TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ
Calorifer
Calorifer là thiết bị truyền nhiệt dùng để gia nhiệt gián tiếp cho không khí sấy, vai trò của calorifer là đốt nóng không khí từ nhiệt độ t0 đến t1 để cung cấp nhiệt lượng cho vật liệu sấy, đồng thời giảm độ ẩm tương đối để tăng khả năng nhận ẩm của nó Có 2 loại calorifer để đốt nóng không khí: calorifer khí hơi và calorifer khí khói Ta chọn calorifer khí hơi, đây là loại thiết bị trao đổi nhiệt có vách ngăn Trong ống là hơi nước bão hòa ngưng tụ và ngoài ống là không khí chuyển động Hệ số trao đổi nhiệt và nước ngưng lớn hơn nhiều so với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ống với không khí.
Nhiệt độ không khí vào calorifer bằng nhiệt độ môi trường: t1’ = t0 25 0 C
Chất tải nhiệt đi trong ống là hơi nước bão hòa có Phnbh = 2 (at)
Nhiệt độ không khí ra khỏi calorifer bằng nhiệt độ không khí vào máy sấy: t2’ = t1 = 80 0 C
5.1.1 Số liệu chọn và tính kích thước
Thiết bị được chọn là loại có ống chùm Không khí nóng đi ngoài ống, khói lò đi trong ống và chuyển động chéo dòng.
Chọn ống truyền nhiệt làm bằng đồng có các gân để nâng hệ số truyền nhiệt, hệ số dẫn nhiệt của đồng là l = 384 (W/m.độ) (Bảng 1.1, Tr8, [1])
+ Đường kính ngoài của ống: dng = 0,05 (m)
+ Đường kính trong của ống: dtr = 0,035 (m)
+ Khoảng cách giữa hai gân: bg = 0,01 (m)
+ Chiều cao của gân: h = d g −d 2 ng = 0,07− 2 0,05 = 0,01 (m)
+ Chiều dày của ống: d = d ng −d 2 tr = 0,05−0,035 2 = 0,0075 (m)
+ Bề dày của bước gân: b= 0,006 (m)
+ Chiều cao của ống: lô = 2 (m)
+ Số gân trong một ống: mg = b l ô g = 0,01 2 = 200 (gân) + Tổng chiều dài của gân: Lg = b.mg = 0,006.200 = 1,2 (m)
+ Tổng chiều dài không gân: Lkg = lô - Lg = 2 – 1,2 = 0,8 (m)
5.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt
+ Lượng không khí cần thiết cho quá trình sấy có hồi lưu (theo tính toán thực tế): l’ = 53,1915 (kg/kg ẩm)
+ Nhiệt độ không khí sau khi qua khỏi calorifer là: t1 = 80 0 C
+ Thể tích riêng của không khí:
Tra bảng I.255 Trang 318, (2), ta có:
Khối lượng riêng của không khí ở các nhiệt độ 80 0 C, 35 0 C, 25 0 C lần lượt là: ρ 80 = 1 (kg/m 3 ) ρ 35 = 1,1465 (kg/m 3 ) ρ 25 = 1,185 (kg/m 3 )
Vtb = V 80+ 2 V 25 = 1+ 0,8439 2 = 0,922 (kg/m 3 ) + Lưu lượng không khí đi vào calorifer:
Hiệu số trung bình của không khí trong calorifer: ttb = thnbh + Δttb
Chọn hơi có áp suất bão hoà: Phnbh = 2 (at)
+ Nhiệt độ hóa hơi nước bão hòa: thnbh = 119,6 o C
+ Ẩn nhiệt ngưng tụ: r = 2208.10 3 (J/kg) = 2208 (kJ/kg)
Chọn nhiệt độ hơi nước khi vào: thnđ = 119,6 0 C
Chọn nhiệt độ hơi nước khi ra: thnc = 104,2 0 C Δtđ = thnđ – tmt = 119,6 – 25 = 94,6 o C Δtc = thnc – tc = 104,2 -80 = 24,2 o C
24,2 = 51,6392 o C Suy ra: ttb = 119,6 – 51,6392 = 67,9608 o C Ứng với giá trị ttb = 67,9608 o C ta có bảng giá trị sau:
Bảng 7:Bảng các giá trị tại ttb = 67,9608OC
Hệ số dẫn nhiệt ( λ ) 2,958.10 -2 W/m.độ Độ nhớt động (v) 19,95.10 -6 m 2 /s
+ Diện tích phía trong của ống:
+ Diện tích mặt ngoài của ống không gân:
Fng = π dng.lcalorifer = π 0,05.2 = 0,3141 (m 2 ) (Tr220, [5]) + Diện tích phần bề mặt ngoài của ống có gân:
Ta có: Fg = π dg.Lg + 2m.( π 4 d 2 g - π 4 d ng 2 )
+ Chọn số ống xếp hàng là: i= 39
+ Khoảng cách của ống ngoài cùng đến calorifer: x” = 0,03(m)
+ Diện tích tiết diện ngang của calorifer:
+ Diện tích cản của gân:
+ Diện tích cản của ống:
+ Diện tích của phần tự do:
+ Hệ số cấp nhiệt từ hơi nước bão hòa đến bề mặt ngang của ống:
H: chiều cao ống, H = 2 (m) r: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg), r = 2208.10 3 (J/kg)
Hệ số A có giá trị phụ thuộc vào ttb
Chọn: tT = 119,35 0 C (nhiệt độ thành ống trong của ống)
Dt: Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ và nhiệt độ thành calorifer:
Vậy nhiệt lượng riêng là: q1 = ∝ 1 Δt = 17558,9712 0,25 = 4389,7428 (W/m 2 )
5.1.2.2 Tính hệ số cấp nhiệt ∝ 2
+ Vận tốc của không khí: ω kk = F V tdo = 14,304 1,352 = 10,58 (m/s) (Tr219, [5]) + Chuẩn số Reynolds:
+ Chuẩn số Nuselts (tính cho trường hợp dòng chảy ngang qua bao bên ngoài ống chùm có gân):
Vì 2300 < Re < 10 4 nên không khí trong calorifer chảy theo chế độ quá độ Bên cạnh đó: 3000 < Re < 25000 và dng/bg = 5 (Tr20, [3])
Nên ta có: Nu = C ( d b ng g ) -0,54 ( b h g ) -0,14 Re n Pr 0,4 Trong đó: dng: đường kính ngoài của ống, dng = 0,05 (m) bg: bước của gân, bg = 0,01 (m) h: chiều cao gân, hg = 0,01 (m)
Chọn cách sắp xếp ống theo kiểu thẳng hàng, ta có:
0,01 = 59,7347 (W/m 2 độ) + Hệ số cấp nhiệt thực tế α2tt:
Dựa vào đồ thị hình V.17.b), Trang 20, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa học – Tập 2, ta được: α2tt = 42,6676 o C
5.1.2.3 Tính hệ số truyền nhiệt K
Với d : bề dày của ống, d= 0,0075m l: hệ số dãn nhiệt của đồng, l84 (W/m.độ)
Fbm: bề mặt ngoài toàn bộ của ống kể cả bề mặt gân tính cho một đơn vị chiều dài ống, (m 2 )
Ftr: bề mặt trong của ống tính cho một đơn vị chiều dài ống, (m 2 ) α1: hệ số cấp nhiệt trong ống, (W/m 2 ) α2tt: hệ số cấp nhiệt thực tế, (W/m 2 ) r⅀ t : tổng nhiệt trở của tường và các lớp cặn bẩn, (m 2 độ/W)
0,2199 +1,9531.10−5 = 35,3126 (W/m2.độ) Vậy nhiệt lượng riêng : q2 = K.tm = 35,3126 119,475 B18,979 (W/m2)
Sai số này là cho phép nên các kích thước đã lựa chọn là phù hợp
5.1.3 Tính bề mặt truyền nhiệt
+ Nhiệt lượng calorifer cần cung cấp cho tác nhân sấy:
+ Nhiệt lượng calorifer cần cung cấp:
1,19 = 2666973,312 (kJ/h) + Bề mặt truyền nhiệt :
F = K Δttb Qt (Tr46, [3]) Trong đó:
Qt: lượng nhiệt thực tế calorifer cần cung cấp, (J/s)
K: hệ số truyền nhiệt, (W/m 2 độ) Δttb = 51,6392 o C
5.1.4 Tính các ống truyền nhiệt và kích thước calorifer
+ Diện tích bề mặt trung bình của một ống :
+ Tổng số ống truyền nhiệt trong calorifer: n = Ftb F = 406,2627 0,6817 = 595 ống
+ Số ống xếp theo chiều ngang : m = n i = 595 39 = 15 ống
Vậy các kích thước của calorifer là :
+ Chiều dài của calorifer : Lx = 1,42 (m)
+ Chiều rộng của calorifer : Bx = (m-1).x’ + 2.x’’ + m.dg
Trong đó : m : số ống xếp theo chiều ngang x’ : khoảng cách giữa 2 ống x’’ : khoảng cách giữa ống ngoài cùng đến calorifer dg : đường kính của gân
+ Chiều cao của calorifer : Hx = H + 2.Hch
Trong đó : H : chiều cao ống, H=2 m
Hch : chiều cao của lớp chắn, chọn Hch = 0,2 m
Tính và chọn cyclon
Khi thực hiện quá trình sấy, không khí nóng đi qua máy sấy thường mang theo rất nhiều hạt bụi nhỏ Để thu hồi khí thải và một phần vật liệu sấy bay theo tác nhân sấy trước khi thải ra môi trường người ta dùng cyclon, đặt cyclon ở đường ống ra của không khí.
Không khí vào cyclon chính là không khí sau khi ra khỏi máy sấy, có các thông số như sau:
+ t2 = 35 o C; + Khối lượng riêng: ρ 35= 1,1465 kg/m 3 (Bảng I.255, Tr318, [2]) + Ở nhiệt độ 35 o C thể tích riêng của không khí là:
+ Lưu lượng tác nhân sấy thực tế: L’ = 55851,075 (kgkkk/h)
+ Lưu lượng không khí vào cyclon:
+ Gọi ∆Pcyclon là trở lực của cyclon, ta có:
(CT III.48, Tr522, [2]) Trong đó: ξ là hệ số phụ thuộc vào kiểu cyclon
Chọn loại cyclon là cyclon đơn (LIH – 24) thì ξ = 60 (Bảng III.10, Tr528, [2])
Dựa vào đường kính ta chọn loại cyclon đơn LIH – 24 Đường kính trong D = 0,9314 (m), với các thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 8: Các kích thước cơ bản của cyclon LIH – 24
(Dựa vào bảng III.4, Tr524, [2])
Các thông số Kí hiệu CT Giá trị
Chiều cao cửa vào a (mm) 1,11D 1033,854
Chiều cao ống tâm có mặt bích h1 (mm) 2,11D 1965,254
Chiều cao phần hình trụ h2 (mm) 2,11D 1965,254
Chiều cao phần hình nón h3 (mm) 1,75D 1629,95
Chiều cao phần bên ngoài ống tâm h4 (mm) 0,4D 372,56
Chiều cao chung H (mm) 4,26D 3967,764 Đường kính ngoài ống ra d1 (mm) 0,6D 558,84 Đường kính trong của cửa tháo bụi d2 (mm) 0,4D 372,56
Chiều rộng của cửa vào b1/b (mm) 0,26D/0,2D 1300
Chiều dài của cửa vào l (mm) 0,6D 558,84
Khoảng cách từ tận cùng cyclon đến mặt bích h5 (mm) 0,32D 298,048
Góc nghiêng giữa nắp và ống vào α 24 0 24 0 Đường kính trong của cyclon D (mm) 400 – 1000 931,4
Hệ số trở lực của cyclon 𝜉 60 60
Tính trở lực
Quạt là một bộ phận vận chuyển dòng khí và tạo áp suất cho dòng khí đi vào thiết bị calorifer, máy sấy, đường ống và cyclon.
Năng lượng do quạt tạo ra cung cấp cho dòng khí áp suất động học để di chuyển và một phần khắc phục trở lực trên đường ống.
+ Một quạt dùng để hút khí thải ở cyclon đi ra
+ Một quạt vừa hút khí mới và khí thải hồi lưu đưa vào calorifer
5.3.1 Tính trở lực của quá trình
Ta có: Áp suất do quạt tạo ra:
∆P = ∆Pm +∆Pcb +∆Pcyc + ∆Pc +∆Pqđ + ∆Pqh + ∆Ps
∆Pm: trở lực do ma sát trong từng đoạn ống dẫn (N/m 2 )
∆Pcyc: trở lực cục bộ do cyclon (N/m 2 )
∆Pc : trở lực cục bọ do calorifer (N/m 2 )
∆Pqđ : trở lực do áp suất động ở đầu ra của quạt đẩy (N/m 2 )
∆Pqh : trở lực do áp suất động ở đầu vào của quạt hút (N/m 2 )
∆Ps : trở lực của thùng quay (N/m 2 )
Bảng 9:Các thông số của không khí trên đường ống
Sau khi ra khỏi calorifer
Sau khi ra khỏi buồng sấy t ( 0 C) t0 = 25 t1 = 80 t2 = 35 v (m 3 /kgkkk) v' = 0,8439 = 1 = 0,8722
5.3.1.1 Trở lực do ma sát trên đường ống
Trở lực ống dẫn từ miệng quạt đẩy đến góc khuỷu
+ Chọn đường ống có đường kính: d1 = 0,56 (m)
+ Chọn chiều dài ống dẫn từ miệng quạt đến góc khuỷu: l1 = 0,84 (m)
+ Vận tốc dòng khí trong ống:
V1’: lưu lượng không khí vào quạt đẩy
(CT V.36, Tr13, [3]) Trong đó: ν1: độ nhớt động của không khí ứng với trạng thái không khí ngoài trời t1 = t0 = 25 0 C ν1 = ν’ = 15,53.10 -6 (m 2 /s) ρ1 = ρ’ = 1,185 (kg/m 3 )
Vì Re > 4000 nên không khí trong ống theo chế độ chảy xoáy
+ Ở chế độ chảy xoáy, ta có thể dùng công thức sau để xác định hệ số ma sát cho cả 3 khu vực:
(CT II.65, Tr380, [2]) Trong đó:
∆: độ nhám tương đối, ∆ dtd: đường kính tương đương của ống, d1 = 0,56 (m) ε: độ nhám tuyệt đối, chọn ε = 1,5.10 -3 (m) (Bảng II.15, Tr381,
Vậy trở lực đường ống từ bộ lọc không khí đến quạt đẩy:
Trở lực đường ống từ góc khuỷu đến calorifer
+ Chọn đường ống có đường kính: d2 = 0,56 (m)
+ Chọn chiều dài ống dẫn từ góc khuỷu đến calorifer: l2 = 1,68 (m)
+ Vận tốc dòng khí trong ống: ω1 = ω1 = 53,1563(m/s)
+ Chuẩn số Reynolds: (CT V.36, Tr13, [3]) Trong đó: ν2: độ nhớt động của không khí ứng với trạng thái không khí ngoài trời. t2 = t0 = 25 0 C ν2 = ν’ = 15,53.10 -6 (m 2 /s); ρ2 = ρ’ = 1,185 (kg/m 3 )
Vì Re > 4000 nên không khí trong ống theo chế độ chảy xoáy
Vậy trở lực đường ống từ góc khuỷu đến calorifer:
Trở lực đường ống từ calorifer đến trước thùng nạp liệu
+ Chọn đường ống có đường kính: d3 = 0,56 (m)
+ Chiều dài ống dẫn từ calorifer đến thùng nạp liệu: l3 = 1,68 (m)
+ Vận tốc dòng khí trong ống:
V3’: lưu lượng không khí ra khỏi calorifer
(CT V.36, Tr13, [3]) ν3: độ nhớt động của không khí sau khi ra khỏi calorifer, t3 = t1 = 80 0 C, ν3 = ν” = 19,95.10 -6 (m 2 /s), ρ3 = ρ” = 1 (kg/m 3 )
Vì Re > 4000 nên không khí trong ống theo chế độ chảy xoáy
+ Ở chế độ chảy xoáy, ta có thể dùng công thức sau để xác định hệ số ma sát cho cả 3 khu vực:
∆: độ nhám tương đối, ∆ dtd: đường kính tương đương của ống, d3 = 0,56 (m) ε: độ nhám tuyệt đối, chọn ε =1,5.10 -3 (m) (Bảng II.15, Tr381, [2])
Vậy trở lực đường ống từ calorifer đến trước thùng nạp liệu:
Trở lực đường ống từ thùng chứa sản phẩm đến cyclon
+ Chọn đường ống có đường kính là: d4 = 0,56 (m)
+ Chọn chiều dài đoạn ống: l4 = 1,68 (m)
+ Vận tốc dòng khí trong ống:
(CT V.36, Tr13, [3]) Trong đó: ν4: độ nhớt động của không khí sau khi ra khỏi máy sấy ν4 = ν’’’ = 14,768.10 -6 (m 2 /s); t4 = t2 = 35 0 C; ρ4 = ρ’’’ = 1,465 (kg/m 3 )
Vì Re > 4000 nên không khí trong ống theo chế độ chảy xoáy
+ Ở chế độ chảy xoáy, ta có thể dùng công thức sau để xác định hệ số ma sát cho cả 3 khu vực:
(CT II.65,Tr380, [2]) Trong đó:
∆: độ nhám tương đối, ∆ dtd: đường kính tương đương của ống, d4 = 0,56 (m) ε : độ nhám tuyệt đối, chọn ε = 1,5.10 -3 (m) (Bảng II.15, Tr381, [2])
Vậy trở lực đường ống từ thùng chứa sản phẩm đến cyclon:
Trở lực đường ống từ cyclon đến góc khuỷu
+ Chọn chiều dài ống dẫn là: l5 = 0,84 (m)
+ Lưu lượng không khí sau khi ra khỏi cyclon bằng lưu lượng không khí ra khỏi thùng sấy, nên: ω5 = ω4 = 54,9386 (m/s); ν5 = ν4 = 14,768.10 -6 (m 2 /s); λ5 = λ4 = 0,0254
+ Trở lực đường ống từ cyclon đến góc khuỷu:
Trở lực ống dẫn từ góc co đến quạt hút
+ Chọn chiều dài ống dẫn: l6 = 1,12 (m)
+ Trở lực ống dẫn từ góc co đến quạt hút:
Trở lực do ma sát trong thùng sấy:
+ Lưu lượng thể tích trung bình trong thùng sấy:
+ Vận tốc không khí trong thùng sấy:
+ Ở nhiệt độ trung bình trong thùng sấy 57,5 0 C: ρ7 = 1,06825 (kg/m 3 ); ν7 = 18,715.10 -6 (m 2 /s)
Vì Re > 4000 nên không khí trong ống theo chế độ chảy xoáy
+ Ở chế độ chảy xoáy, ta có thể dùng công thức sau để xác định hệ số ma sát cho cả 3 khu vực:
(CT II.65, Tr380, [2]) Trong đó:
∆: độ nhám tương đối, ∆ d: đường kính của thùng sấy ε: độ nhám tuyệt đối Chọn ε = 1,5.10 -3 (m) (Bảng II.15, Tr381,[2])
+ Trở lực do ma sát trong thùng sấy:
2.2,9951 = 0,3173(N/m 2 ) Vậy trở lực do ma sát:
5.3.1.2 Tính tổng trở lực cục bộ
Trở lực cục bộ do đột mở từ đường ống đến calorifer
+ Diện tích mặt cắt ngang đường ống:
(m 2 ) + Diện tích mặt cắt ngang calorifer:
∏0: chu vi mặt cắt ngang của đường ống
Vì Re > 4000 nên không khí trong ống theo chế độ chảy xoáy
Mặt khác Re > 3,5.10 3 nên giá trị hệ số trở lực tra theo bảng N 0 13 (Tr388, [2]): hệ số trở lực ξ1 = 0,4689
Trở lực cục bộ do đột thu từ calorifer vào đường ống
+ Diện tích mặt cắt ngang đường ống: (m 2 )
+ Diện tích mặt cắt ngang calorifer: F1 = Bx.H = 0,9923.1,2 = 1,1908 (m 2 ) + Tỷ số F0/F1 = 0,1055
Trong đó: ∏0 : chu vi mặt cắt ngang của đường ống
Vì Re > 3,5.10 3 nên giá trị hệ số trở lực tra theo bảng N 0 13 (Tr388, [2]): hệ số trở lực ξ2 = 0,4689
Trở lực cục bộ do đột mở từ đường ống vào thùng tiếp liệu
+ Chiều dài thùng tiếp liệu: 2,8 (m)
+ Chọn chiều rộng thùng tiếp liệu :1,5 (m)
+ Diện tích mặt cắt ngang của thùng tiếp liệu: Ftl = 2,8.1,5 = 4,2 (m 2 )
Vì Re > 3,5.10 3 nên giá trị hệ số trở lực tra theo bảng N 0 13 (Tr388,[2]): hệ số trở lực ξ3 = 0,4934
Trở lực cục bộ do đột thu từ thùng chứa sản phẩm ra ống dẫn:
+ Chọn chiều dài thùng chứa sản phẩm: 2,8 (m)
+ Chiều rộng thùng chứa sản phẩm: 1,5 (m)
+ Diện tích mặt cắt ngang của thùng tiếp sản phẩm: Ftsp = 2,8.1,5 = 4,2 (m 2 )
Vì Re > 3,5.10 3 nên giá trị hệ số trở lực tra theo bảng N 0 13 (Tr388, [2]): hệ số trở lực ξ4 = 0,4934
Tổng trở lực cục bộ:
Trở lực cục bộ do cyclon
Gọi ∆Pcyclon là trở lực của cyclon thì:
+ Nhiệt độ trung bình của không khí nóng trong calorifer: 52,5 0 C
+ Tại nhiệt độ này các thông số của không khí: ρ = 1,0848 kg/m 3 ; λ = 2,8475.10 -2 W/m.độ; ν = 18,205.10 -6 m 2 /s
+ Vận tốc không khí trong calorifer:
Do ống xếp theo kiểu hành lang nên:
Với s là khoảng cách giữa các trục ống theo phương cắt ngang của dòng chuyển động (theo chiều rộng của dòng) s = dng + x’ = 0,035 + 0,007 = 0,042 (m) m là số dãy ống chùm theo phương chuyển động: m = 17 d là đường kính ống: d = dg = 0,049 (m)
- ξ Vậy trở lực do calorifer:
5.3.1.5 Tính trở lực thùng quay
Cho phép lấy ∆Ps = (20 ÷ 30%).∆Pcb
Vậy tổng toàn bộ trở lực quạt phải khắc phục là:
Chọn quạt
Không khí được coi là ít bẩn nên năng suất quạt được lấy bằng lưu lượng thể tích không khí theo tính toán ở điều kiện làm việc:
+ Tổn thất quạt đẩy cần khắc phục:
(N/m 2 ) + Áp suất toàn phần Hđ:
Hp: trở lực tính toán của hệ thống, Hp = 1552,5938 (N/m 2 ) t: nhiệt độ làm việc của khí, t = t0 = 25 0 C
B: áp suất tại chỗ đặt quạt, B = 735,6 (mmHg) ρ: khối lượng riêng của khí ở điều kiện chuẩn, ρ = 1,293 (kg/m 3 ) ρk: khối lượng riêng của không khí ở điều kiện làm việc, ρk=1,185 (kg/m 3 )
+ Chọn loại quạt II.9 – 57 N 0 6 (Hình II.59, Tr489, [2])
+ Công suất trên trục động cơ điện:
Trong đó: ηqđ: hiệu suất của quạt, tra đồ thị đặc tuyến hình II.59, trang 489, [2]: ηqđ = 0,6246 ηtr: hiệu suất truyền động của trục, trục của quạt nối với trục của động cơ bằng khớp trục nên: ηtr = 0,98 (Tr463, [2])
+ Tổn thất quạt hút cần khắc phục:
(N/m 2 ) + Áp suất toàn phần Hh:
Hp: trở lực tính toán của hệ thống, Hp = 1552,5938 (N/m 2 ) t: nhiệt độ làm việc của khí, t = t1 = 38 0 C
B: áp suất tại chỗ đặt quạt, B = 735,6mmHg ρ: khối lượng riêng của khí ở điều kiện chuẩn, ρ = 1,293 kg/m 3 ρk: khối lượng riêng của không khí ở điều kiện làm việc, ρk=1,1354 kg/m 3
+ Chọn loại quạt II.9 – 57 N 0 6 (Hình II.59, Tr489, [2])
+ Công suất trên trục động cơ điện:
Trong đó: ηqđ: hiệu suất của quạt, tra đồ thị đặc tuyến hình II.59, trang 489, [2]: ηqđ = 0,626 ηtr: hiệu suất truyền động của trục, trục của quạt nối với trục của động cơ bằng khớp trục nên: ηtr = 0,98 (Tr463, [2])