Để thực hiện quá trình sấy người ta sử dụng thiết bị sấy như: buồng sấy, thùng sấy, hầm sấy,… Đặc biệt hơn, sấy bằng thùng quay là một trong các phương pháp khá phổ biến do mang lại hiệu
TỔNG QUAN
Mục tiêu đồ án
Thiết kế máy sấy thùng quay làm việc với năng suất và độ ẩm của vật liệu bắp hạt sau khi sấy đạt yêu cầu đề ra.
Thiết kế máy sấy thùng quay dùng để sấy bắp hạt, năng suất 400kg/mẻ.
- Tác nhân sấy là không khí được gia nhiệt bằng caloriphe hơi nước bão hòa
- Cần phải mô tả hệ thống thiết bị (bao gồm các thiết bị khác) phù hợp với yêu cầu của đặc tính nguyên liệu và sản phẩm
- Các thông số công nghệ khác tự chọn.
Bắp là một loại cây lương thực được thuần canh tại khu vực Trung Mỹ và sau đó lan tỏa ra khắp châu Mỹ Bắp lan tỏa ra phần còn lại của thế giới sau khi có tiếp xúc của người châu Âu với châu Mỹ vào cuối thế kỷ 15, đầu thế kỷ 16.
Bắp là cây lương thực được gieo trồng nhiều nhất tại châu Mỹ (chỉ riêng tại Hoa Kỳ thì sản lượng đã là khoảng 270 triệu tấn mỗi năm) Các giống bắp lai ghép được các nông dân ưa chuộng hơn so với các giống, thứ bắp thông thường do có năng suất cao
Hình 1.1 Nguyên liệu bắp vì có ưu thế giống lai.
Cây bắp được du nhập vào Việt Nam từ Trung Quốc Ban đầu bắp được gọi là “lúa ngô”, về sau được gọi tắt thành “ngô” Chữ “Ngô” là để chỉ Trung Quốc Người Việt vào thế kỷ 15-17 từng gọi Trung Quốc là “Ngô”, bởi nhà Minh cai trị Trung Quốc khi đó vốn dựng nghiệp tại đất Ngô (nay là Nam Kinh và các vùng phụ cận).
Các giống bắp ở Việt Nam chúng ta hiện nay:
Bắp nếp có lẽ là đã vô cùng quen thuộc với người Việt Sở dĩ nó được gọi là bắp nếp vì độ dẻo của hạt bắp nó khá là tương đồng với độ dẻo của gạo nếp Ở Việt Nam thì bắp nếp được sử dụng để nướng, luộc ăn chơi chơi; hay là nấu với xôi bắp thành món ăn sáng no; hoặc thử là xào với tép đậm đà lên, dùng ăn cơm cũng ngon.
Bắp “lõm” còn được gọi là bắp đồng, nó được đặt tên theo vết lõm hình thành trên các hạt bắp khi bắp bắt đầu trưởng thành và khô lại Loại bắp này thường có hai màu là vàng và trắng bắp “lõm” thường được sử dụng để làm thức ăn chăn nuôi hoặc được nấu thành siro bắp hay lên men tạo thành các sản phẩm nhiên liệu công nghiệp như ethanol (dùng để khử trùng).
Bắp ngọt là loại bắp tiêu chuẩn, và là loại bắpthực phẩm của khá nhiều nước Giống bắp này sẽ được thu hoạch lúc chưa trưởng thành, ngay trước khi đường trong bắp được chuyển thành tinh bột Ở Việt Nam, bắp ngọt thường sẽ luộc hoặc ăn lẩu nước/ lẩu nướng.
Bắp để làm pop corn là một loại bắp riêng, chứ không phải loại bắp nào cũng phù hợp để làm Hạt bắp của giống bắp nổ này sẽ tròn như hạt ngọc trai, có lớp vỏ khá là mỏng trong khi các giống khác lại có vỏ khá là dày.
Bắp là loại hạt ngũ cốc giàu tinh bột, chất xơ, nhiều vitamin, khoáng chất và chất chống oxy hóa Bắp thường có màu vàng, một số loại có màu khác như đỏ, cam, tím, xanh, trắng và màu đen.
-Tinh bột: Là thành phần chính tìm thấy trong bắp, chiếm 28-80% trọng lượng khô.
-Đường: Bắp cũng chứa một lượng đường nhỏ (1-3%) Bắp đường chứa tinh bột đặc biệt thấp (28%) có hàm lượng đường cao (18%), hầu hết trong số đó là sucrose.
-Chất xơ: Hàm lượng chất xơ của các loại bắp khác nhau, nhưng nhìn chung chất xơ chiếm khoảng 9-15% Chất xơ chủ yêu trong bắp là chất xơ không hòa tan, như hemicellulose, cellulose và lignin.
-Protein: Bắp là một nguồn phong phú của protein Tùy thuộc vào giống bắp nhưng hầu hết các hàm lượng protein trong bắp khoảng 10-15% Các protein có nhiều nhất trong bắp được biết đến như zeins, chiếm 44-79% tổng lượng protein Nhìn chung, chất lượng protein của zeins là nghèo vì nó thiếu một số axit amin thiết yếu, chủ yếu là lysine và tryptophan.
-Lipid: Hàm lượng chất béo trong bắp rất ít Tuy nhiên, bắp non một nguyên liệu dồi dào, rất giàu chất béo và được sử dụng để làm cho dầu bắp thường được sử dụng để nấu ăn Dầu bắp cũng chứa một lượng đáng kể vitamin E và phytosterol, hiệu quả cho việc giảm mức cholesterol.
-Vitamin và khoáng chất: Mangan, Photpho, Magie, Kẽm, Đồng Axit pantothenic,
- Các hợp chất khác: Axit ferulic, Anthocyanins, Zeaxanthin, Lutein, Axit phytic.
Sấy là một quá trình làm bay hơi nước khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt Nhiệt được cung cấp cho vật liệu bằng cách dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ … Hoặc bằng năng lượng điện trường với tần suất rất cao Khối lượng của vật sẽ giảm đi sau quá trình sấy Từ đó tăng liên kết bề mặt và bảo quản được hiệu quả hơn.
Dưa vào trạng thái tác nhân sấy hay cách tạo ra động lực quá trình dịch chuyển ẩm mà chúng ta có hai phương pháp sấy: Phương pháp sấy nóng và phương pháp sấy lạnh [1]
Sấy đối lưu: Trong phương pháp này, vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng mà thông thường là không khí nóng hoặc khói lò Đây là phương pháp sấy phổ biến hơn cả Trong phương pháp sấy đối lưu người ta phân ra các loại hệ thống sấy: HTS buồng, HTS hầm, HTS thùng quay, HTS tháp… [1]
Sấy tiếp xúc: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng Như vậy, trong các HTS tiếp xúc người ta tạo ra độ chênh phân áp suất nhờ tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy [1]
Quá trình sấy
Nguyên liệu bắp là một nguyên liệu chứa nhiều tinh bột Chế độ công nghệ sấy tinh bột lại phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ hồ hóa tinh bột Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột khoảng 65 o C, do đó ta cần chọn nhiệt độ không khí phù hợp, không cao nhưng cũng không quá thấp, mục đích là đẩy nhanh quá trình sấy cũng như là không làm cho nhiệt độ của nguyên liệu vượt quá nhiệt độ hồ hóa.
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BẮP HẠT
Thuyết minh quy trình
Vật liệu sấy là bắp hạt sau khi được rửa sạch, tuốc ra khỏi cùi được cho vào buồng chứa sau đó nhập vật liệu vào thùng sấy Bắp hạt khi vào thùng sấy có độ ẩm là 30%. Tác nhân sấy là không khí được gia nhiệt bằng calorifer hơi nước bão hòa Trên đường ống dẫn không khí và đường ống dẫn không khí từ môi trường vào calorifer đều có các van, dùng để điều chỉnh lưu lượng các dòng Đặt nhiệt kế ở sau calorifer để xác định nhiệt độ của tác nhân sấy trước khi vào thùng sấy, nếu nhiệt độ quá cao ta sẽ mở van để tháo bớt hơi nước bão hoà ra ngoài, giảm lượng hơi vào calorifer để giảm bớt nhiệt
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ độ, ngược lại nếu nhiệt độ chưa đủ, ta khóa mở van dẫn hơi để vào calorifer Chuyển động quay của thùng được thực hiện nhờ bộ truyền động từ động cơ sang hộp giảm tốc đến bánh răng 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 Trong thùng sấy, bắp hạt được nâng lên đến độ cao nhất định, sau đó rơi xuống Trong quá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy, thực hiện các quá trình truyền nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm Nhờ độ nghiêng của thùng mà vật liệu sẽ được vận chuyển đi dọc theo chiều dài thùng Khi đi hết chiều dài thùng sấy, vật liệu sấy sẽ đạt được độ ẩm cần thiết cho quá trình bảo quản là 12% Sản phẩm bắp hạt sau khi sấy được đưa vào buồng tháo liệu, sau khi qua cửa tháo liệu sẽ được bao gói, để bảo quản hay dùng vào các mục đích chế biến khác Dòng tác nhân sấy sau khi qua buồng sấy chứa nhiều bụi, do đó cần phải đưa qua một hệ thống lọc bụi để tránh thải bụi bẩn vào không khí gây ô nhiễm Ở đây, ta sử dụng hệ thống lọc bụi cyclone đơn,sau khi lọc bụi sẽ được thải vào môi trường Phần bụi lắng sẽ được thu hồi qua cửa thu bụi của cyclone và được xử lý riêng.
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
Dữ kiện ban đầu
T Thông số Ký hiệu Đơn vị
1 Lượng vật liệu vào máy sấy G1 kg/mẻ
2 Lượng vật liệu ra khỏi máy sấy G2 kg/mẻ
3 Lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua máy sấy Gk kg/mẻ
4 Độ ẩm đầu của vật liệu sấy w1 %
5 Độ ẩm cuối của vật liệu sấy w2 %
6 Lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ W kg/h
7 Lượng không khí khô tuyệt đối đi qua máy sấy L kg/h
8 Hàm ẩm của không khí trước khi đốt nóng do kg/kg kkk
9 Hàm ẩm của không khí trước và sau khi sấy d1, d2 kg/kg kkk Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy (theo vật liệu ướt): w1 = 30 % Độ ẩm cuối của vật liệu sấy (theo vật liệu ướt): w2 = 12 %
Lượng vật liệu ra khỏi máy sấy: G2 = 400 kg/mẻ
Tác nhân sấy là không khí
Thông số của hạt bắp:
- Khối lượng riêng hạt bắp: (Bảng 2.4/47 – [4]) ro = 1253 kg/m 3
- Mật độ/ Khối lượng riêng khối hạt: (Phụ lục 4/230 – [5]) γ v = ρ v = 850 kg/m 3
- Nhiệt dung riêng của vật liệu khô: (Trang 20 – [1])
- Kích thước hạt bắp: (Phụ lục 7/351 – [1])
Bảng 3.1 Ký hiệu các thông số
+ Đường kính tương đương: dtđ = 7,5 mm
Xác định các thông số của không khí trong quá trình sấy lý thuyết
Trong quá trình sấy lý thuyết coi các đại lượng nhiệt bổ sung và nhiệt tổn thất đều bằng không hoặc nhiệt lượng bổ sung chung đủ bù nhiệt lượng tổn thất chung
Quá trình từ điểm 0 1: không khí được gia nhiệt trong Calorifier
Quá trình từ điểm 1 2: không khí tách ẩm của vật liệu trong phòng sấy.
Trạng thái không khí bên ngoài (chọn địa điểm sấy ở TP HCM): to = 26,8 o C; φ 0= 83% (Bảng VII.1/97) [2].
3.2.1 Tính toán trạng thái không khí ngoài trời
Tra bảng hơi nước với t0 = 26,8 o C ⟹ Pbh (0) = 0,0342 bar
- Thể tích riêng của không khí ẩm (CT VII.8/94 –
1,013×10 5 −0,83×0,0342×10 5 = 0,8801 m 3 /kg kkk Trong đó: Pt và Pbh tính theo đơn vị N/m 2
Khi đã có được 2 thông số t 0 = 26,8 o C và φ 0 % ta có thể tra giản đồ I – d để tìm được các thông số còn lại được trình bày trong Bảng 1.
3.2.2 Tính toán trạng thái không khí sau khi vào calorifer
Khi không khí ở trạng thái tại điểm 1 được đẩy vào thiết bị sấy để thực hiện quá trình sấy lý thuyết.
Nhiệt độ tại điểm 1 (t1) là nhiệt độ cao nhất của tác nhân sấy trong thùng sấy, do tính chất của vật liệu sấy và chế độ công nghệ quy trình Nhiệt độ của tác nhân sấy ở điểm
1 được chọn phải thấp hơn nhiệt độ hồ hóa của tinh bột (do bắp là loạt hạt giàu tinh bột), ban đầu khi độ ẩm của vật liệu sấy còn cao, nếu vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy nhiệt độ cao thì lớp bề mặt của hạt tinh bột bị hồ hóa và tạo thành một lớp keo mỏng bịt kín bề mặt thoát ẩm từ trong lòng vật liệu ra ngoài.
Quy tắc sấy đối với loại nguyên liệu chứa lượng tinh bột và lượng đạm cao thì nên sấy ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ hồ hóa tinh bột bắp trong khoảng 62 – 70 o C, vì vậy ta cần sấy ở nhiệt độ < 60 o C Vậy ta chọn t1 = 55 o C Hàm ẩm tại điểm 1 bằng với điểm 0 (d0 = d1)
Chọn điểm 1: { d 1=d 0 =0,018(kg ẩm t 1 U o C /kg kkk)
- Áp suất hơi bão hòa của không khí sau khi qua calorifer:
Tra bảng hơi nước với t1 = 55 o C ⟹ Pbh (1) = 0,1576 bar
- Độ ẩm không khí sau khi qua calorifer:
Trong đó: Pt là áp suất khí quyển = 1,013 bar
- Thể tích riêng của không khí ẩm (CT VII.8/94 – [2]) ν 1 = 288T 1
1,013×10 5 −0,18×0,1576×10 5 = 0,9916 m 3 /kg kkk Trong đó: Pt và Pbh tính theo đơn vị N/m 2
Khi đã có được 2 thông số t 1 = 55 o C và φ 1 % ta có thể tra giản đồ I – d để tìm được các thông số còn lại được trình bày trong Bảng 1.
3.2.3 Tính toán trạng thái không khí cuối quá trình sấy
- Áp suất hơi bão hòa của không khí sau khi qua calorifer:
Tra bảng hơi nước với t2 = 32 o C ⟹ Pbh (2) = 0,0476 bar
- Độ ẩm không khí sau khi qua calorifer:
- Thể tích riêng của không khí ẩm (CT VII.8/94 – [2]) ν 2 = 288T 2
1,013×10 5 −0,87×0,0476×10 5 = 0,9349 m 3 /kg kkk Trong đó: Pt và Pbh tính theo đơn vị N/m 2
Bảng 3.2 Thông số của không khí ẩm
Thông số Trạng thái không khí ban đầu (0)
Trạng thái không khí vào thiết bị sấy (1)
Trạng thái không khí ra khỏi thiết bị sấy (2) t ( o C) 26,8 55 32 φ 83 18 87 d (kg ẩm/kg kkk) 0,018 0,018 0,027
3.2.4 Kiểm tra nhiệt độ đọng sương
Nhiệt độ của tác nhân sấy ra khỏi thiết bị sấy t2 tùy chọn sao cho tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi là bé nhất, nhưng phải tránh hiện tượng đọng sương, nghĩa là tránh trạng thái tại điểm 2 nằm trên đường bão hòa Đồng thời, hàm ẩm của tác nhân sấy tại điểm 2 phải nhỏ hơn độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy tại điểm đó để vật liệu sấy không hút ẩm trở lại.
Hình 3.1 Ví trí của 3 điểm trong quá trình sấy
Tại nhiệt độ đọng sương có φ = 1
⟹ Áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ đọng sương:
Ta có: Pbh = exp (12 - 235,3 4026,42 +t s ) ⟺ 0,041 = exp (12 - 235,3+ 4026,42 t s ) ⟹ ts = 29,7 o C Chênh lệch nhiệt độ đọng sương với nhiệt độ không khí đi ra khỏi thiết bị sấy:
⟹ Chênh lệch này là hợp lý, vậy các thông số đã chọn là chính xác
3.2.5 Tính cân bằng vật chất
- Lượng nhập liệu vào máy sấy:
- Lượng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy:
- Thời gian sấy: ω 1 −ω 2 =M ' (11,1τ+3) (CT 10.13/210 - [1]) M’ = 10 -2 M (Do đường kính bắp dbắp = 7,5 mm tra bảng 2 ta được M = 0,5)
10 −2 ×0,5−3 11,1 =2,97(giờ)≈3(giờ) Trong đó: τ : Thời gian sấy (giờ) ω 1 và ω 2: Độ ẩm của bắp trước và sau khi sấy (%)
M phụ thuộc vào đường kính hạt bắp
Bảng 3.3 Quan hệ giữa M và đường kính hạt [1] d (mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
- Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ:
- Lượng vật liệu khô tuyệt đối ra khỏi máy sấy là:
- Lượng không khí khô cần trong quá trình sấy lý thuyết:
- Lượng không khí khô cần thiết để tách 1 kg ẩm: l = d 1
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trước khi vào buồng sấy:
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy vào máy:
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ra khỏi máy:
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trung bình:
Tính cân bằng năng lượng
3.3.1 Quá trình sấy lý thuyết
- Lượng nhiệt cần thiết để để làm bay hơi 1kg ẩm qo = l (I1 – Io) (CT 2.6/47 [3])
- Tổng nhiệt lượng cần trong quá trình sấy
3.3.2 Quá trình sấy thực tế
Nguyên tắc cân bằng nhiệt là nhiệt lượng đưa vào thiết bị phải bằng nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị [7]
- Nhiệt lượng đưa vào hệ thống sấy gồm:
+ Nhiệt lượng do TNS nhận được trong calorifer: L (I1 – I0)
+ Nhiệt lượng bổ sung: Qbs = 0
+ Nhiệt vật lý do thiết bị chuyền tải mang vào Qct = 0
+ Nhiệt vật lý do vật liệu sấy mang vào: [(G1 – W) Cv1+WCn]tv1
- Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy gồm:
+ Nhiệt lượng tổn thất do TNS mang đi: L (I2 – I0)
+ Nhiệt lượng tổn thất qua kết cấu bao che: Qmt
+ Nhiệt vật lý của thiết bị chuyền tải mang ra: Qct = 0
+ Nhiệt vật lý của vật liệu sấy mang ra: G2Cv2tv2
Cân bằng nhiệt lượng vào ra hệ thống sấy ta được:
L (I1 – I0) + [(G1 – W) Cv1+WCn]tv1 = L (I2 – I0) + Qmt + G2Cv2tv2
Mà G2 = G1 – W và xem gần đúng Cv2 = Cv1 = Cv.
⇒ Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy thực Q = L (I1 – I0) = L (I2 – I0) + Qmt +
G2Cv(tv2 - tv1) – WCntv1 Đặt Qv = G2Cv (tv2 - tv1) là tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi
Ta được: Q = L (I1 – I0) = L (I2 – I0) + Qmt + Qv – WCntv1
⇒ Chia 2 vế cho W ta được: q = l (I1 – I0) = l (I2 – I0) + qmt + qv – Cntv1 Đặt Δ = Cntv1 – qv – qmt ta được: q = l (I1 – I0) = l (I2 – I0) – Δ
3.3.2.1 Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang đi
- Nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy thường lấy bằng nhiệt độ của không khí: tv1 = to = 26,8 o C
- Nhiệt độ cuối của vật liệu sấy, theo kinh nghiệm thì lấy nhỏ hơn nhiệt độ tác nhân cùng vị trí từ 5 – 10 o C (Chọn 5 o C) tv2 = t2 – 5 o C = 32 – 5 = 27 o C
- Nhiệt dung riêng của vật liệu khô ra khỏi thiết bị sấy (Cv):
Ck: Nhiệt dung riêng của vật liệu khô (Xem 4.1)
Cn: Nhiệt dung riêng của nước ω 2 : Độ ẩm của vật liệu cuối
- Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang đi (qv): qv = W Q v
3.3.2.2 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường
Tổn thất nhiệt ra môi trường qua kết cấu bao che thường chiếm khoảng 3 – 5% nhiệt lượng tiêu hao hữu ích
- Nhiệt lượng tiêu hao hữu ích được xác định: qhi = i2 – Cn tv1 (CT tr 123 – [7])
Cn: Nhiệt dung riêng của nước
- Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường: qmt = (0,03 ÷ 0,05) qhi
- Tổng nhiệt lượng tổn thất trong quá trình sấy thực: Δ = Cntv1 – qv – qmt (CT 5.15/61 – [7])
Về nguyên tắc, có thể có các quá trình sấy thực có các giá trị ∆ 0 Tuy nhiên trong thực tế khi không có nhiệt lượng bổ sung (qbs = 0) thì các quá trình sấy thực chỉ xảy ra ∆ Chọn D L = 4 hay L = 4D CT 10.1 Tr 207-[1])
Do đó, chiều dài thùng sấy L = 4D = 4 ×1,4 = 5,6 m
4.1.3 Thể tích thực của thùng
4.1.4 Cường độ bay hơi ẩm
4.1.5 Thời gian lưu lại vật liệu trong thùng quay τ = A 120 βρ (ω 1 − ω 2 ) [200−( ω 1+ω 2 )] (CT VII.53/122 – [2])
A: Cường độ bay hơi ẩm, kg ẩm/m 3 h β: Độ điền đầy ρ: Khối lượng riêng bắp hạt, kg/m 3 (Xem mục 4.1) ω 1 , ω 2 : Độ ẩm đầu và cuối của vật liệu sấy
Chọn bề dày và vật liệu làm thùng sấy
Thùng sấy được chế tạo bằng thép không gỉ SUS430 có các thông số sau:
Bảng 4.1 Các thông số của thép SUS430
Thông số Kí hiệu và giá trị Chỗ tra
Hệ số dẫn nhiệt λ = 26,1 W/mK Ứng suất cho phép tiêu chuẩn [ σ] ¿ = 200 N/mm 2
Giới hạn bền kéo σ bk = 490 N/mm 2
Giới hạn bền chảy σ ch = 320 N/mm 2
Thùng sấy có dạng hình trụ nằm ngang, được chế tạo bằng phương pháp hàn, thùng làm ở áp suất khí quyển.
Hệ số bền mối hàn φ h (Bảng 1–8/19 - [9]):
- Chọn dạng mối ghép: Tự động hàn dưới lớp thuốc
- Chọn dạng mối hàn: Giáp mối hàn hai phía
- Áp dụng mối hàn: Có khả năng hàn hai phía thân có D ≥ 700 mm
Trong đó: η: Hệ số điều chỉnh, chọn η = 1
[σ] ¿ : Ứng suất cho phép tiêu chuẩn, N/mm 2
- Bề dày tối thiểu của thùng sấy:
P t φ h = 0,1013 200 × 0,95 = 1875 ≥ 25 nên có thể bỏ qua Pt ở mẫu số trong công thức sau [2]:
D: Đường kính thùng sấy, mm
Pt: Áp suất khí quyển, N/mm 2
[σ]: Ứng suất cho phép, N/mm 2 φ h : Hệ số bền mối hàn
- Hệ số bổ sung bề dày tính toán:
C = Ca + Cb + Cc + Co (CT 1-10/20 – [9])
Ca: Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường, mm Đối với môi trường chứa vật liệu là bắp, hầu như không có ăn mòn hóa học, do đó Ca = 0
Cb: Hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường Do môi trường chứa nhiều hạt rắn, chọn Cb = 1 mm
Cc: Hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp Chọn Cc = 1 mm
Co: Hệ số bổ sung để quy tròn kích thước.
- Bề dày thực của thùng:
S = S’+ C = 0,37 + 2 = 2,39 mm → Làm tròn kích thước thành 5 mm
- Kiểm tra bề dày của thùng:
1400≤0,1(Thỏa điều kiện) (CT tr 98 – [9]) + Áp suất tính toán cho phép bên trong thiết bị:
Chiều cao lớp vật liệu chứa trong thùng
- Phần tiết diện chứa vật liệu:
Trong đó: β: Hệ số chứa đầy
Hình 4.1 Chiều cao lớp hạt
- Chiều cao lớp vật liệu chứa trong thùng: hv = R (1 – cos α ) = ( 1,42 ) [ 1 – cos (30,12)] = 0,51 m
Tính toán chọn cánh đảo trộn
- Chiều cao rơi trung bình của hạt vật liệu: h r
- Diện tích bề mặt chứa vật liệu của cánh:
Fc = a × c + b × c = (a+b) × cHình 4.2 Thông số cánh đảo trộn
Trong đó: a: Chiều cao cánh đảo, m b: Chiều rộng cánh đảo, m c: Chiều dài cánh đảo, m
- Vật liệu chế tạo cánh là thép không gỉ SUS430, ρ = 7700 kg/m 3
- Số cánh trên một mặt cắt: 12 cánh
- Số cánh cần lắp: z = 12 × L c = 12 × 0,828 5,6 = 81,15 cánh ⟶ Lấy 82 cánh
- Khối lượng một cánh đảo trộn: m = ρ ν c = ρ× Fc × d = 7700 × 0,24 × 0,002 = 3,696 kg
- Khối lượng cánh trong thùng: mcánh = z × m = 82 × 3,696 = 303 kg
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Calorifer
L: Lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy thực tế, kg/h
I1, I0: Enthalpy của tác nhân sấy trước và sau khi ra khỏi calorifer, kJ/kg
Qcal = η Q cal = 113190 0,95 = 119147 kJ/h = 33,1 kW (CT tr 85 – [3])
Q: Nhiệt lượng tiêu hao cho calorifer, kJ/h η cal: Hiệu suất nhiệt của calorifer, ncal = 0,95 ÷ 0,97, chọn 0,95
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 của nước ngưng lớn hơn nhiều so với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ống với không khí.
Chất tải nhiệt là hơi nước bão hòa có áp suất 5 bar.
Trong đó: ih: Enthalpy của hơi vào calorifer Hơi ở đây là hơi nước bão hòa khô ở áp suất 5 bar, vậy ih = 2749 kJ/kg i': Enthalpy của nước bão hòa, i' = 640 kJ/kg
5.1.4 Bề mặt trao đổi nhiệt
- Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình:
Trong đó: th: Nhiệt độ bão hòa của hơi nước ở áp suất 3 bar, tra bảng hơi nước th 120,2 o C t0 = tk1: Nhiệt độ không khí vào calorifer, tk1 = 26,8 o C t1 = tk2: Nhiệt độ không khí ra khỏi calorifer, tk2 = 55 o C
- Bề mặt truyền nhiệt của calorifer:
Qcal: Nhiệt lượng tiêu hao cho calorifer, W η cal : Hiệu suất nhiệt của calorifer
∆ t tb : Độ chênh nhiệt độ trung bình, o C
K: Hệ số truyền nhiệt, W/m 2 K Giả thiết lưu tốc không khí là 4 kg/m 2 s ta xác định được K = 20,8 W/m 2 K (tra bảng 4 phụ lục 1 trang 181 – [3]) Sau đó kiểm tra lại.
- Từ giá trị diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F = 19,4 m 2 Chọn Calorifer kiểu I ký hiệu K Φ5 → Diện tích tiện diện khí đi qua fk = 0,244 m 2 (Tra bảng 4 phụ lục 1 trang 182 – [3])
- Lưu tốc không khí: v ρ = f L k = 0,244 3430 ×3600 = 3,9 kg/m 2 s (CT tr 139 – [3])
Ta thấy lưu tốc không khí tính toán so với trị số chọn sai khác nhỏ khoảng 2,5% Vậy chọn calorifer K Φ 5 là chấp nhận được.
Dựa vào bảng phụ lục 1, bảng 5, trang 182 ta có được các thông số của calorifer K Φ 4 được trình bày trong bảng 5 dưới đây.
Bảng 5.1 Thông số của calorifer
STT Thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị
1 Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt F 19,4 m 2
2 Diện tích tiết diện khí đi qua fk 0,244 m 2
3 Diện tích tiết diện môi chất đi qua fm 0,007 m 2
7 Đường kính môi chất ống vào 2 dm
Tính trở lực
5.2.1 Trở lực qua lớp hạt
Trong hệ thống sấy thùng quay, tác nhân sấy không những đi qua lớp hạt nằm trên cánh và trên mặt thùng sấy mà còn đi qua dòng hạt rơi từ đỉnh thùng và các cánh từ trênxuống Do đó, trở lực của tác nhân sấy có những đặc thù riêng và được tính theo công thức kinh nghiệm Δp1 = a L w
L: Chiều dài thùng sấy, m w: Tốc độ TNS, m/s ρ k = 1,116 kg/m 3 : Khối lượng riêng của không khí ở ttb = t 1 +t 2
2 = 55+32 2 43,5 o C, tra bảng phụ lục 6 – [7]. g = 9,81 m/s 2 : Gia tốc trọng trường. dtđ: Đường kính tương đương của hạt bắp (Xem mục 4.1)
C1: Hệ số đặc trưng cho độ chặt của lớp hạt a: Hệ số thủy động
5.2.1.1 Tốc độ trung bình của không khí trong thiết bị
- Tiết diện tự do của thùng sấy:
- Tốc độ không khí trong thùng sấy: w = V F tb td = 0,92 1,15 = 0,8 m/s
Vtb: Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trung bình thực tế (Xem mục 4.2.3)
Ftd: Tiết diện tự do của thùng sấy.
Trong đó: ν = 17,31 × 10 -6 (m 2 /s) là độ nhớt động học của không khí ở ttb = t 1 +t 2
2 = 55+32 2 43,5 o C, tra bảng và nội suy ở bảng I.255 trang 318 – [6].
- Hệ số thủy động: a = 5,85 + 490 ℜ = 5,85 + 64702 490 = 6,25 (CT 10.20/213 – [1])
5.2.1.3 Hệ số đặc trưng cho độ chặt của lớp hạt
- Khối lượng riêng dẫn xuất của khối hạt chuyển động trong thùng sấy: ρ dx =0,25(G 0,75 × 1 2×V +G 2 ) β t
- Hệ số đặc trưng cho độ chặt của lớp hạt:
5.2.2 Trở lực cyclone và calorifer
Theo kinh nghiệm, trở lực của cyclone Δ px = 20 mmH 2 O, trở lực calorifer Δ pc = 3 mmH 2 O (vì lưu tốc không khí là 4 m/s – đã tính ở phần calorifer).
- Tổn thất cục bộ và tổn thất phụ lấy thêm 5%, vậy cột áp tĩnh là
Giả sử tốc độ dòng chảy v = 10 m/s ρ k = 1,116 kg/m 3 : Khối lượng riêng của không khí ở ttb = t 1 +t 2
2 = 55+32 2 43,5 o C, tra bảng phụ lục 6 – [7]. g = 9,81 m/s 2 : Gia tốc trọng trường.
Chọn quạt
Trong hệ thống sấy, quạt là bộ phận vận chuyển không khí và tạo ra áp suất cho dòng khí đi qua các thiết bị như calorifer, thùng sấy, cyclone Nhiệm vụ của hệ thống quạt là tạo ra dòng chảy của không khí qua thùng sấy có lưu lượng đúng như quá trình sấy yêu cầu
Trong thiết bị sấy, thường để vận chuyển tác nhân sấy thường dùng 2 loại quạt là quạt ly tâm và quạt hương trục Để chọn quạt phù hợp, phụ thuộc vào thông số đặc trưng của hệ thống sấy, trở lực mà quạt phải khắc phục.
Dựa vào cột áp toàn phần ∆ p = 310 N/m 2 và lưu lượng tác nhân sấy trung bình Vtb 3305,5 m 3 /h theo phần D phụ lục 2 trang 194 [3]
Ta chọn quạt ly tâm II 4-70 N 0 4 có hiệu suất η = 0,8, tốc độ quay ω = 110 rad/s ⟹ Số vòng quay n = ω 2 60 π = 110 2 × π 60 = 1050 vòng/phút
Trong đó: k: Hệ số dự phòng, k = 1,1 ÷ 1,2 Chọn k = 1,15
Vtb: Lưu lượng không khí khô ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy, m 3 /h ρ o: Khối lượng riêng của không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn, ρ o = 1,293 kg/ m 3
∆p: Cột áp toàn phần mà quạt phải khắc phục, mmH2O ρ: Số kg không khí khô/m 3 không khí ẩm η: Hiệu suất quạt
- Công suất động cơ chạy quạt:
Nđc = η N td φ = 0,47 1 × 1,5 = 0,705 kW (CT tr 97 – [3])
N: Công suất quạt, kW η td : Hiệu suất của cơ cấu truyền từ động cơ tới quạt, chọn η td = 1 φ: Hệ số dự phòng của quạt ly tâm, tra bảng 2.1 trang 97 – [3] Đối với N = 0,47 < 0,5 nên chọn φ = 1,5
Cyclone
- Khi tác nhân sấy không khí nóng đi qua máy sấy thường mang theo rất nhiều hạt bụi nhỏ, chúng cần được thu hồi để làm sạch môi trường không khí thải bằng cách sử dụng cyclone.
- Lưu lượng khí vào cyclone chính bằng lượng tác nhân sấy khi ra khỏi thùng sấy:
- Từ Vc = 3210 m 3 /h, tra bảng III.5/524 – [6] ta được đường kính cyclone đơn D = 600 mm
- Với D = 600 mm, ta chọn cyclone loại H.15 Loại cyclone đơn H.15 với góc nghiêng cửa vào σ = 15 o được sử dụng nhiều nhất Loại này đảm bảo độ làm sạch lớn nhất với hệ số thủy lực nhỏ nhất [6]
+ Thể tích làm việc của bunke, tra bảng III.5a/525 – [6] với đường kính cyclone đơn
Bảng 5.2 Thông số của cyclone STT Kích thước của Cyclone II.H-15 Kí hiệu Công thức Giá trị Đơn vị
1 Đường kính trong của Cyclone D 600 mm
2 Chiều cao cửa vào α 0,66D 396 mm
3 Chiều cao ống tâm mặt bích h1 1,74D 1044 mm
4 Chiều cao phần hình trụ h2 2,26D 1356 mm
5 Chiều cao phần hình nón h3 2D 1200 mm
6 Chiều cao phần bên ngoài ống tâm h4 0,3D 180 mm
8 Đường kính ngoài của đường ống d1 0,6D 360 mm
9 Đường kính trong của cửa tháo bụi d2 0,3D 180 mm
10 Chiều cao cửa vào b1/b 0,26D/0,2D 156/120 mm
11 Chiều cao của ống cửa vào l 0,6D 360 mm
12 Khoảng cách từ tận cùng Cyclone đến mặt bích h5 0,32D 192 mm
13 Góc nghiêng giữa nắp và ống vào α 15 Độ
Thiết kế bộ phận truyền động
5.5.1.1 Số vòng quay của thùng n = τ D tg m k L (α) = 7 0,5× ×1,4 0,6 ×tg(3) ×5,6 = 3,27 vòng/phút (CT VII.52/122 – [2])
D: Đường kính thùng sấy, m α: Góc nghiêng của thùng quay, độ (thường góc nghiêng của thùng dài là 2,5 ÷
3 o , còn thùng ngắn đến 6 o , chọn α = 3 o m và k: Hệ số phụ thuộc vào cấu tạo cánh và chiều chuyển động của khí Chọn theo loại cánh nâng và chuyển động khí ngược chiều Dựa vào bảng VII.4 → m = 0,5; k = 0,6 τ: Thời gian lưu lại vật liệu trong thùng quay, phút
5.5.1.2 Công suất cần thiết để quay thùng
D: Đường kính thùng sấy, m a: Hệ số phụ thuộc vào dạng cánh, chọn loại cánh nâng, dựa vào bảng VII.5 ta chọn a = 0,071. n: Số vòng quay của thùng, vòng/phút ρ: Khối lượng riêng bắp hạt, kg/m 3 (Xem mục 4.1)
Chọn động cơ loại A02 – 61 – 8, có các thông số sau:
- Công suất động cơ: Nđc = 7,5 kW
- Tốc độ quay: nđc = 750 vòng/phút
Công suất làm việc của động cơ:
⟹ Vậy N’ > N, do đó thỏa điều kiện để quay thùng.
Chọn nhóm bánh răng có độ rắn HB ≤ 350, được gọt cắt chính xác sau nhiệt luyện. Bánh răng có khả năng chạy mòn tốt Để tránh dính bề mặt làm việc của bánh răng, lấy độ rắn của bánh nhỏ lớn hơn độ rắn của bánh răng lớn 30 – 50 HB
+ Vật liệu: Thép (35 thường hóa)
+ Giới hạn bền kéo: σ bk = 480 N/mm 2
+ Giới hạn bền chảy: σ ch = 240 N/mm 2
+ Vật liệu: Thép (45 thường hóa)
+ Giới hạn bền kéo: σ bk = 580 N/mm 2
+ Giới hạn bền chảy: σ ch = 290 N/mm 2
5.5.2.1 Ứng suất uốn cho phép Đối với răng làm việc một mặt:
Trong đó: σ -1: Giới hạn mỏi uốn trong chu kỳ đối xứng, N/mm 2
K σ : Hệ số tập trung ứng suất ở chân răng Đối với bánh răng bằng thép thường hóa K σ =1,8 (Trang 44 – [10]). n = Hệ số an toàn Đối với bánh răng bằng thép thường hóa, chọn n = 1,5 (Trang 42 – [10]). kN: Hệ số chu kỳ ứng suất tiếp xúc, chọn kN = 1.
- Ứng suất uốn cho phép với bánh răng lớn:
[σ] u(lớn) = 1,5.σ n K −1(lớn) k N σ = 1,5 1,5× × 216 1,8 × 1 = 120 N/mm 2 Trong đó: σ – 1(lớn) = (0,4÷0,45).σ bk = 0,45 × 480 = 216 N/mm 2
- Ứng suất uốn cho phép với bánh răng nhỏ:
[σ] u(nhỏ) = 1,5.σ n K −1(nhỏ) k N σ = 1,5× 1,5 261× × 1,8 1 = 145 N/mm 2 Trong đó: σ – 1(nhỏ) = (0,4 ÷ 0,45) σ bk = 0,45 × 580 = 261 N/mm 2
5.5.2.2 Chọn hệ số tải trọng
Có thể chọn hệ số tải trọng K = 1,3 ÷ 1,5, chọn hệ số tải trọng K = 1,3 do sử dụng vật liệu có khả năng chạy mòn, vận tốc thấp.
5.5.2.3 Chiều dài tương đối của bánh răng
Chọn loại truyền động: Bộ truyền thông thường trong hộp giảm tốc, trục và ổ tương đối cứng Với HB ≤ 350, chọn ψ m = 20.
5.5.2.4 Chọn số răng và hệ số dạng răng
Chọn số răng của bánh răng nhỏ (bánh răng dẫn động) Z1 = 36 răng.
Theo bảng 3-18/52 – [10], chọn hệ số dạng răng y1 = 0,4135.
5.5.2.5 Tính modun bánh răng m ≥ √ 3 y 1 × Z 19,1× 1 × n× ψ 10 6 × K × N m × [ σ ] u(nhỏ) (CT 3 – 29/49 – [10])
Chọn modun của bánh răng trụ theo tiêu chuẩn (Bảng 3 – 1/34 – [10])
5.5.2.6 Xác định khoảng cách trục A, số răng và chiều rộng bánh răng
- Khoảng cách trục được xác định theo công thức sau: m = (0,01÷0,02)×A (CT 3 – 22/49 – [10])
- Số răng bánh dẫn (nhỏ):
- Số bánh răng bị dẫn (lớn):
- Chiều rộng bánh răng dẫn: b = ψ m × m = 20 × 10 = 200 mm Đối với chiều rộng bánh răng trụ, nên lấy chiều rộng b của bánh răng nhỏ lớn hơn của bánh răng lớn khoảng 5 ÷ 10 mm.
- Chiều rộng bánh răng bị dẫn: b' = 200 – 10 = 190 mm
5.5.2.7 Kiểm nghiệm sức bền uốn răng
- Hệ số dạng răng y được xác định theo bảng 3 – 18/52 – [10]:
- Ứng suất uốn tại chân răng bánh nhỏ:
- Ứng suất uốn tại chân răng bánh lớn:
⟹ Vậy bánh răng thỏa điều kiện bền uốn của răng.
Bảng 5.3 Thông số của bánh răng
T Thông số Kí hiệu-đơn vị Công thức tính
Bánh răng dẫn (nhỏ) Bánh răng bị dẫn (lớn)
6 Đường kính vòng đỉnh răng De (mm) D e =d 1 +2m
7 Đường kính vòng chân răng Di (mm) D i =d 1 −2.5m
8 Chiều cao đầu răng hđ (mm) h đ =m
10 Chiều dày răng St (mm) St = m/2 5
5.5.2.8 Khối lượng bánh răng lớn
Bánh răng được chế tạo bằng thép không gỉ SUS430, ρ = 7700 kg/m 3
- Đường kính ngoài của thùng sấy:
Dng = Dt + 2δ = 1400 + 2×5 = 1410 mm = 1,41 m mbánh răng = ρ V = ρ × π 4(d 1 2 −D 2 ng ¿× b’ = 7700 × π 4(1,6 2 – 1,41 2 ) × 0,19 = 657 kg
Vành đai
Chọn sơ bộ các thông số của vành đai như sau:
- Bề rộng vành đai: B = 100 mm
- Bề dày vành đai đối với thùng tải trọng nặng h = 2,6 B = 100 2,6 = 38,46 mm ⟹ Chọn h = 40 mm
- Vành đai được chế tạo bằng thép không gỉ JFE409L, ρ = 7740 kg/m 3
- Gân để lắp vành đai:
- Đường kính ngoài của vành đai:
- Khối lượng vành đai: mvành đai = 2 × ρ× V = 2 × ρ × π 4(D đai 2 −D ng 2 ¿× B
Con lăn đỡ
- Khối lượng thùng: mthùng = 2 × ρ × π 4(D ng 2 −D t 2 ¿× Lt = 2 × 7700 × π 4(1,41 2 – 1,4 2 ) × 5,6 = 1903 kg
Q = (mthùng + mcánh + mbánh răng + mvành đai + mvật liệu) g
- Chọn góc giữa 2 con lăn đỡ là 2φ = 60 o ⟹φ = 30 o
- Phản lực T của mỗi con lăn đỡ lên vành đai:
- Phản lực T gồm 2 thành phần:
+ Lực đẩy con lăn trượt theo phương ngang:
S = T × sin φ = 25181,28 × sin (30) = 12590,64 N + Lực ép gối đỡ con lăn lên bệ
- Bề rộng con lăn đỡ:
B: Bề rộng vành đai, cm
- Đường kính con lăn đỡ: dc ≥ T
(300÷400)× B c = (300 25181,28 ÷ 400)× 15 = 4,2 ÷ 5,6 cm Chọn dc = 5 cm = 500 mm
⟺ 424 ≤ dc ≤ 559Vậy chọn dc = 500 mm là hợp lý
Con lăn chặn
Trong đó: α: Góc nghiêng của thùng sấy
Lực U có khuynh hướng kéo thùng tuột xuống, do đó ta đặt con lăn chặn sát vành đai để giữa thùng ở vị trí ổn định Trên thùng quay, ta lắp con lăn chặn nằm về hai phía của vành đai đặt gần bánh răng vòng. Đối với thùng có kích thước lớn và nặng, ta làm con lăn chặn mặt nón.
Khi lắp đặt, lắp sao cho trục con lăn vuông góc với mặt đất.
- Đường kính của con lăn chặn:
⟹ d = sin α × Dđai = sin (3) × 1696 = 88,76 mm Chọn d = 90 mm
Trong đó: α: Góc nghiêng của thùng sấy
Dđai: Đường kính vành đai, mm
- Lực tác dụng lên con lăn:
Trong đó: f: Hệ số ma sát giữa vành đai và con lăn, chọn f = 0,1 δ