TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU SẤY
Tổng quan về nguyên liệu
1.1.1 Giới thiệu chung Để có thể hiểu rõ hơn về nguyên lý sơ chế cà phê cũng như chất lượng và các kiến thức về sấy hầm cà phê thì trước hết cần tìm hiểu về quả cà phê
Hình 1.1 Cấu tạo quả cà phê a Cấu tạo cơ bản của quả cà phê
Quả cà phê gồm những phần sau: Lớp vỏ quả bên ngoài, lớp thịt quả bên trong, lớp nhầy, lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa và nhân quả Trong đó có thể chia thành 2 phần chính:
Phần vỏ quả (Skin): Gồm vỏ quả bên ngoài và thịt quả
Phần hạt (Seed): Gồm lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa và phần nhân hạt (có chứa nội nhũ và phôi hạt)
“Trong một số tài liệu khác cách phân chia cấu trúc có thể khác như: Lớp vỏ quả sẽ bao gồm ba thành phần Vỏ quả (Exocarp), thịt quả (Mesocarp), vỏ trấu (Endocarp), Trong khi đó phần nhân sẽ bao gồm: Vỏ lụa (Silver Skin) và Nhân (Seed) cà phê có chứa nội nhũ (Endosperm) và phôi” b Tìm hiểu về phần vỏ quả cà phê (Skin)
Phần vỏ gồm 2 lớp chính là lớp vỏ quả và lớp thịt quả
Lớp vỏ quả (Outer Skin)
Phần vỏ quả được tạo thành bởi một lớp tế bào nhu mô nhỏ (đây là các tế bào sơ cấp có chứa lục lạp và có khả năng hấp thụ nước) Ban đầu khi quả cà phê bắt đầu hình thành thì cà phê chín Màu sắc của quả cà phê khi chín sẽ phụ thuộc vào từng giống cà phê Tuy nhiên màu quả cà phê phổ biến khi trưởng thành thường là màu đỏ hoặc màu vàng Màu đỏ (cà phê Robusta) là do các sắc tố anthocyanin có trong quả cà phê trong khi màu vàng đến từ luteolin (cà phê Bourbon).
Lớp vỏ thịt quả cà phê (Pulp or Mucilage) Ở những quả cà phê chưa chín, lớp vỏ thịt chính là các mô cứng gắn liền với vỏ quả và khi quả cà phê chín, các enzym proteolytic sẽ phá vỡ các chuỗi pectin tạo nên các hợp chất đường Lúc này chuỗi pectin sẽ làm nên một cấu trúc mềm, mọng nước và có độ nhớt cao nên thường được gọi là chất nhầy (Mucilage)
Theo phương pháp chế biến ướt, lớp chất nhầy này sẽ được loại bỏ thông qua quá trình lên men có kiểm soát Trong khi đó, khi chế biến theo phương pháp khô thì chất nhầy sẽ được giữ lại cùng với bỏ bên ngoài trong quá trình sấy khô c Tìm hiểu về phần hạt trong quả cà phê
Phần hạt quả cà phê cũng gồm 2 phần chính là lớp vỏ và lớp Nhân
Lớp vỏ trấu là lớp ngoài cùng của phần hạt, phần này tiếp xúc trực tiếp với vỏ quả Lớp vỏ trấu được hình thành từ ba đến bảy lớp tế bào xơ cứng (tế bào sợi đóng vai trò chính trong thực vật) Các tế bào cấu thành của vỏ trấu sẽ cứng dần trong quá trình quả cà phê chín và gây ra sự hạn chế về kích thước cuối cùng của hạt nhân cà phê Với cà phê Arabica, trọng lượng trung bình của vỏ trấu có độ ẩm khoảng 11% và nằm trong khoảng 3,8% tổng trọng lượng cà phê (Theo Wilbaux, 1961, as cited in Bremen, 2008)
Lớp vỏ lụa (Silver Skin)
Lớp vỏ lụa của quả cà phê được hình thành từ nucleolus có màu trắng bạc khi phơi khô nên còn được gọi là lớp vỏ bạc Lớp vỏ này rất mỏng nên có thể được bóc tách ra khỏi nhân trong quá trình đánh bóng hạt Tuy nhiên, nhiều nhà chế biến cà phê thường để lại lớp vỏ lụa trên hạt cà phê giúp bảo vệ cà phê, sau cùng lớp vỏ lụa này cũng sẽ tự hủy khi rang xay cà phê Ở một số vùng, tùy thuộc vào các giống cà phê nên lớp vỏ lụa sẽ có màu sẫm hơn màu thông thường
Phần trong cùng và quan trọng nhất của quả cà phê và chịu trách nhiệm trích lũy chất dinh dưỡng cho quá trình nảy mầm của phôi thai được gọi là nhân cà phê Một quả cà phê thông thường sẽ tồn tại 2 nhân (có thể có quả có 1 hoặc 3 nhân) Thành phần hóa học của nhân cà phê được xem là rất quan trọng bởi nó tác động trực tiếp đến hương vị và mùi thơm của cà phê trong quá trình rang Các hợp chất hóa học được tìm thấy trong nhân cà phê:
Các hợp chất tan trong nước: caffeine, trigonelline, axit nicotinic (niacin), ít nhất
18 axit chlorogenic, các thành phần Carbohydrate (Mono-, di- và oligosaccarit) một số protein các khoáng chất và axit cacboxylic…
Các thành phần không hòa tan trong nước như: cellulose, polisaccarit, lignin và hemicellulose, cũng như một số protein, khoáng chất và lipid (Borem, 2008).
Trong lớp nhân cà phê còn có Phôi (Embryo) gồm một trục phôi (hypocotyl) và hai lá mầm dài từ 3-4 mm (Wintgens, 2009) Các lá mầm này ban đầu ở dưới lòng đất sau đó các lá mầm mới sẽ dần dần hình thành
Bảng 1: Thành phần hóa học của hạt (nhân) cà phê
Nhiệt dung riêng của cà phê khô: C = 0,37 kcal/kgđộ = 1,54912 kJ/kgđộ Đặc trưng các chất có trong nhân cà phê:
Nước: Khi sấy khô, cà phê đạt chuẩn phải có từ 10 – 12% nước ở dạng liên kết Sau khi rang con số này khoảng 2 – 3% Khi lượng nước nhiều hơn, việc bảo quản sẽ vô cùng khó khăn Nhân cà phê sẽ bị ẩm mốc ảnh hưởng rất nặng đến chất lượng.
Lipid: Trong 10 – 13% Lipid của nhân cà phê thì có đến 90% là chất dầu, còn lại là sáp Đây là thành phần tạo nên độ thơm và sệt của cà phê, sau khi chế biến, lượng Lipid còn lại rất ít và bám trên bã cà phê Dùng bã này để dưỡng da rất tốt.
Protein: Protein trong cà phê tuy thấp nhưng lại có rất nhiều các loại axit amin tốt Khi rang, lượng Protein này sẽ bị cháy và tạo ra mùi thơm đặc trưng và mùi vị của cafe có rất nhiều đóng góp của thành phần này.
Các chất khoáng: Hàm lượng chất khoáng trong nhân cà phê chiếm từ 3 – 5% chủ yếu là các loại như Magie, Kali, Nito, Photpho, Clo, Sắt, lưu huỳnh,… Những loại cà phê ngon thường có rất ít hàm lượng chất khoáng vì chúng ảnh hưởng không tốt cho mùi vị cả cà phê.
Caffeine: Đây chính là đặc trưng khiến cà phê khác biệt với những loại quả và hạt khác Caffeine chính là nguồn gốc của những lợi ích từ việc uống cà phê, giúp tinh nhau, trong đó Robusta có hàm lượng caffeine cao nhất.
1.1.2 Quy trình sản xuất cà phê nhân
Trong kĩ thuật sản xuất cà phê có 2 phương pháp chính là: phương pháp sản xuất ướt và phương pháp sản xuất khô.
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SẤY
Mục đích và yêu cầu quá trình sấy
Tách nước ra khỏi vật liệu rắn hay dung dịch là một quá trình kĩ thuật rất phổ biến và rất quan trọng đối với nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là các ngành hóa chất và công nghiệp thực phẩm Mục đích của quá trình sấy là:
- Giảm chi phí vận chuyển, đồng thời nó cũng làm tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm như: độ dẻo, giòn, dai, màu sắc, hương vị và độ bóng sáng của sản phẩm, không nứt nẻ, cong vênh
- Ngăn cản vi sinh vật như nấm mốc, nấm men, vi khuẩn phát triển, tăng thời gian bảo quản sản phẩm thực phẩm.
- Loại bỏ phần nước tự do trong sản phẩm, làm giảm hoạt độ của nước, chậm bớt các quá trình sinh học giúp bảo quản thực phẩm được lâu hơn - Là công đoạn sơ chế cho các bước chế biến tiếp theo.
Các biến đổi của vật liệu trong quá trình sấy
Tất cả các sản phẩm thực phẩm đều chịu sự biến đổi trong quá trình sấy và bảo quản sau Yêu cầu đặt ra đối với quá trình sấy là bảo vệ tới mức tốt nhất chất lượng và hạn chế những hư hại trong quá trình sấy và bảo quản đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế.
Xét theo bản chất thì những thay đổi có thể chia ra:
- Thay đổi về lý học: sứt mẻ, gãy vỡ…
- Thay đổi về hóa lý: trạng thái tính chất của các keo phân tử bị thay đổi.
- Thay đổi về hóa sinh: do sự oxy hóa của chất béo, phản ứng enzyme…
- Thay đổi do vi sinh vật.
Phân loại phương pháp sấy
Quá trình sấy bao gồm 2 phương thức:
- Sấy tự nhiên: là phương pháp sử dụng trực tiếp năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng gió… để làm bay hơi nước Phương pháp này đơn giản, không tốn năng lượng, rẻ tiền tuy nhiên không điều chỉnh được tốc độ sấy theo yêu cầu kỹ thuật nên năng suất thấp, phụ thuộc vào thời tiết, cần diện tích bề mặt lớn, điều kiện vệ sinh kém… Do đó phương pháp này được áp dụng cho sản xuất quy mô nhỏ lẻ, hộ gia đình.
- Sấy nhân tạo: là phương pháp sấy được sử dụng các nguồn năng lượng do còn người tạo ra, thường được tiến hành trong các thiết bị sấy, 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 làm các dạng:
Sấy đối lưu: là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với không khí nóng, khói lò… (gọi là tác nhân sấy).
Sấy tiếp xúc: là phương pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc với nhiệt độ sấy mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một vách ngăn.
Sấy bằng tia hồng ngoại: là phương thức sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn điện phát ra truyền cho vật liệu sấy.
Quạt Calorifer Thiết bị sấy
Sấy bằng dòng điện cao tần: là phương pháp sấy dùng năng lượng điện trường có tần số cao để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu.
Sấy thăng hoa: là phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không rất cao, nhiệt độ rất thấp nên ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi trừ trạng thái rắn thành hơi mà không qua trạng thái lỏng.
Sơ đồ nguyên lý của quá trình sấy đối lưu
Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn rất phức tạp vì nó bao gồm cả quá trình khuếch tán bên trong và cả bên ngoài vật liệu rắn đồng thời với quá trình truyền nhiệt Đây là một quá trình nối tiếp nghĩa là quá trình chuyển lượng nước trong vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi sau đó tách pha hơi ra khỏi vật liệu ban đầu Động lực của quá trình là sự chênh lệch độ ẩm ở trong lòng vật liệu và bên trên bề mặt vật liệu Quá trình khuếch tán chuyển pha này chỉ xảy ra khi áp suất hơi trên bề mặt vật liệu lớn hơn áp suất hơi riêng phần của hơi nước trong môi trường không khí xung quanh Vận tốc của toàn bộ quá trình được quy định bởi giai đoạn nào là chậm nhất Ngoài ra tùy theo phương pháp sấy mà nhiệt độ là yếu tố thúc đẩy hoặc cản trở quá trình di chuyển ẩm từ trong vật liệu sấy ra ngoài bền mặt vật liệu sấy.
Trong quá trình sấy thì môi trường không khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng rất lớn và trực tiếp đến vận tốc sấy Do vậy cần nghiên cứu tính chất là thông số cơ bản của quá trình sấy.
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy
Tác nhân sấy
Tác nhân sấy là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy. Trong quá trình sấy, môi trường buồng sấy luôn được bổ sung ẩm thoát ra từ vật liệu sấy Nếu độ ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối trong buồng sấy tăng lên đến một lúc nào đó sẽ đạt được sự cân bằng giữa vật liệu sấy và môi trường trong buồng sấy, quá trình thoát ẩm của vật liệu sấy sẽ ngừng lại.
Vì vậy nhiệm vụ của tác nhân sấy:
- Gia nhiệt cho vật liệu sấy.
- Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường - Bảo vệ vật liệu sấy khỏi bị hỏng do quá nhiệt.
Tùy theo phương pháp sấy mà các tác nhân sấy có thể thực hiện một hay nhiều các nhiệm vụ trên Các loại tác nhân sấy:
- Là loại tác nhân sấy thông dụng nhất, có thể dùng cho hầu hết các loại sản phẩm.
+ Không khí có sẵn trong tự nhiên
+ Không độc, không làm sản phẩm sau khi sấy ô nhiễm và thay đổi mùi vị.
Tuy nhiên, dùng không khí ẩm làm tác nhân sấy cần trang bị thêm bộ gia nhiệt không khí (caloripher điện, khí –hơi hay khí – khói), nhiệt độ sấy không quá cao. Thường nhỏ hơn 5000 o C vì nếu nhiệt độ cao quá thiết bị trao đổi nhiệt phải được chế tạo bằng thép hợp kim hay gốm sứ với chi phí đắt.
Khói lò này được dùng cho các loại sản phẩm dễ bị cháy nổ và có khả năng chịu được nhiệt độ cao Dùng làm tác nhân sấy có thể nâng nhiệt độ sấy lên 1000 o C mà không cần thiết bị gia nhiệt, tuy nhiên làm vật liệu sấy bị ô nhiễm do bụi và các chất có hại như CO2, SO2
Tác nhân sấy nhiệt độ cao, hỗn hợp không khí và hơi nước Tác nhân sấy này chỉ dùng khi độ ẩm tương đối cao.
Thiết bị sấy
Buồng sấy có hình dạng khối lập phương chữ nhật đứng hay nằm, hình trụ đứng hoặc nằm Thành buống sấy được bọc cách nhiệt và cách ẩm, có cửa để nạp và lấy sản phẩm Vật sấy được rải đểu thành lớp trên các tầng khay đặt gác lên khung giá trong buồng sấy Bộ phận gia nhiệt cho tác nhân sấy có thể đặt trong hoặc ngoài buồng sấy.
Tác nhân sấy được đối lưu tự nhiên hay cưỡng bức nhờ hệ thống quạt Quá trình sấy là gián đoạn hoặc theo chu kì Nạp và tháo sản phẩm bằngthủ công hay cơ giới.
- Buồng sấy được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp chế biến các nông sản, lâm sản, thủy hải sản và các chế biến thực phẩm, dược phẩm, thức ăn chăn nuôi
- Nó có thể sấy các vật liệu ở bất cứ dạng nào: hạt, miếng mảnh nhỏ xếp lớp, dạng bột nhão…
- Buồng sấy có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt, dễ vận hành, vốn đầu tư ít.
Do quá trình sấy là gián đoạn và có chu kì nên lượng nhiệt tiêu tốn để nung nóng thành và giá đỡ trong buồng sấy giữa các lần sấy rất đáng kể.
Vật liệu sấy được đặt cố định trong suốt quá trình sấy Do đó quá trình sấy không được đồng đều Để khắc phục thì người ta bố trí cách đưa tác nhân sấy theo đường dích dắc tạo nên sự đồng đều cho sản phẩm sấy Hệ thống sấy này chỉ phù hợp với các vật liệu sấy mà ta khó làm cho nó bị xáo chộn được trong quá trình sấy.
Hầm sấy có cấu tạo khác với buồng sấy là chiều dài có kích thước lớn gấp nhiều lần chiều rộng và chiều cao (thường dài khoảng 15 – 20 m).
- Hầm sấy được dùng để sấy các vật liệu kém chịu nhiệt và khó khô Vật liệu sấy thường ở dạng rời xếp lớp như các loại hạt, củ, quả cắt lát, rau, chè …
- Các khay được xếp trên xe goong, xe treo, trên băng tải Vật sấy cùng phương tiện vận chuyển đi vào đầu hầm và đi ra ở cuối hầm.
- Người công nhân đẩy các xe gông vào hầm sấy hoặc sử dụng các xích tải hay là tời kéo.
- Tác nhân sấy (TNS) chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều với vật liệu sấy Để tác nhân sấy không tràn ra ngoài, hay không khí ở ngoài không bị hút vào hầm thì ở đầu và cuối hầm sấy có khoang xép để nạp và lấy từng xe một.
- Hệ thống quạt vận chuyển tác nhân và bộ phận gia nhiệt được lắp bên ngoài hoăc ngay trên nóc hầm, calorife cũng có thể lắp trong hầm. a) Hầm sấy có xe goong
Chiều dài của hầm bằng tổng chiều dài của các xe goong xếp trong hầm, cộng với chiều dài nơi nắp cửa hút, đấy tác nhân sấy, cộng với chiều dài khoang xép ở 2 đầu nếu có để nạp và lấy xe ra.
Nếu hầm ngắn thì nạp và lấy xe ra có thể dùng sức người đẩy và kéo, khi hầm dài thì phải có hệ thống cơ giới như xích tải, cơ cấu thủy lực để nạp và lấy xe. b) Hầm sấy có xe treo Được dùng để sấy các loại vật liệu rời xếp lớp như hạt, mảnh cắt nhỏ Cấu tạo của loại hầm sấy này gồm: hầm sấy có kết cấu ngắn và rộng, cao, bên trong chia thành nhiều khoang phù hợp với hệ thống xích vận chuyển các xe và chuyển động của tác nhân sấy Chiều dài của xích nằm trong buồng sấy phụ thuộc vào thời gian sấy, tốc độ của xích Chiều dài tổng cộng của xích bằng chiều dài phần nằm trong hầm sấy cộng với phần để tháo sản phẩm sấy và nạp mới sản phẩm.
Nếu mỗi xe chỉ có 1 khay thì việc nạp và tháo sản phẩm sấy dễ tự động hóa, quá trình sấy là liên tục Nếu mỗi xe có nhiều khay thì theo nguyên tắc sấy lien tục nhưng các xe được treo lên xích hay lấy ra lần lượt từng chiếc một Các móc treo xe phải có bánh lăn trên ray treo. c) Máy sấy băng tải
Nguyên tắc cấu tạo của máy sấy băng tải gồm có hầm hoặc buồng sấy, băng tải lien tục chuyển động trong buồng Vật sấy được rải đều trên băng tải nhờ cơ cấu nạp liệu Sản phẩm liên tục được lấy ra ở cuối băng tải Tác nhân sấy là không khí nóng hay khói lò chuyển động cắt ngang qua chiều chuyển động của băng tải Chiều dài và tốc độ của băng tải phụ thuộc vào thời gian sấy Chiều rộng băng, chiều dày lớp vật liệu và tốc độ băng phụ thuộc vào năng suất của máy.
Băng tải có cấu tạo rất da dạng: có thể là băng được chế tạo từ hang dệt, lưới thép, băng thép đục lỗ, các khay đục lỗ hoặc không, lắp trên trục quay, hai đầu trục lắp vào xích tải Hai đầu khay về phía xích được kéo trượt trên lòng thanh thép góc Đến vị trí thanh thép góc đỡ không còn, đó là lúc khay xoay và đổ vật sấy xuống các khay dưới Đây cũng là biện pháp đảo trộn vật sấy
Hệ thống sấy hầm có năng suất lớn hơn nhiều so với hệ thống sấy buồng Quá trình sấy không theo chu kì như hệ thống sấy buồng mà nó hoạt động liên tục Do vậy hệ thống này rất phù hợp để sấy hành với năng suất lớn.
Sấy tháp là quá trình sấy diễn ra trong buồng sấy có chiều cao lớn Quá trình sấy diễn ra trong tháp cũng là quá trình sấy đối lưu Vật sấy được gầu tải đưa lên và rót vào đỉnh tháp rồi chảy xuống đáy tháp dưới tác dụng của trọng lực, tác nhân sấy được quạt thổi vào tháp từ dưới theo kênh dẫn đi lên Tác nhân sấy tiếp xúc với các vật sấy và làm bay hơi ẩm từ vật sấy.
Phương pháp thực hiện
Để nâng cao giá trị sử dụng nhiều mặt của cà phê thì các công đoạn sau thu hoạch như làm khô, bảo quản và chế biến nhằm làm giảm tổn thất cũng như duy trì chất lượng tiêu là việc làm vô cùng quan trọng và cần thiết.
Mục tiêu của bảo quản: giữ được đến mức tối đa số lượng và chất lượng của đối tượng bảo quản trong suốt quá trình bảo quản Cà phê hạt trong điều kiện bảo quản không tốt (tiêu chưa chín già, phơi chưa thật khô, dụng cụ chứa đựng không kín )thì chim, chuột, mốc, mọt có thể phá hỏng hoàn toàn cả kho tiêu trong vòng vài ba tháng Vì vậy cần làm cà phê khô đến độ ẩm 9% - 12,5% để có thể bảo quản an toàn, đảm bảo chất lượng.
Có thể làm khô tiêu bằng hai cách: Phơi nắng hoặc sấy Tuy nhiên, phơi nắng làm khô dưới tác dụng nhiệt của mặt trời không đảm bảo khối nguyên liệu được làm khô đồng đều đến độ ẩm theo yêu cầu, việc sử dụng phương pháp sấy sẽ giải quyết được vấn đề này, không những thế còn tiết kiệm thời gian và sức lao động Để thực hiện quá trình sấy có thể sử dụng nhiều hệ thống như buồng sấy, hầm sấy, tháp sấy, thùng sấy…Mỗi hệ thống đều có những ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng khác nhau Chế độ sấy có ảnh hưởng rất lớn chất lượng sản phẩm vì sấy là quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất phức tạp và không những làm thay đổi cấu trúc vật lý mà còn cả thành phần hóa học của nguyện liệu Để sấy cà phê là nông sản dạng hạt, người ta thường dùng thiết bị sấy tháp hoặc sấy thùng quay.
Hệ thống sấy thùng quay là một hệ thống sấy đối lưu Cấu tạo chính là một thùng sấy hình trụ tròn được đặt nghiêng với mặt phẳng nằm ngang một khoảng 1÷5 độ Có hai vành đai trượt trên các con lăn đỡ khi thùng quay Khoảng cách giữa các với tốc độ 0,5÷8 vòng/phút nhờ một động cơ điện thông qua một hộp giảm tốc Bên trong thùng sấy có lắp cánh đảo để xáo trộn vật liệu làm cho hiệu suất đạt cao hơn, phía cuối thùng có hộp tháo sản phẩm Hệ thống sấy thùng quay làm việc ở áp suất khí quyển Tác nhân sấy có thể là không khí sạch hay khói lò Tác nhân sấy và vật liệu sấy có thể chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều Vận tốc của tác nhân sấy đi trong thùng không quá 3 m/s để tránh vật liệu bị cuốn nhanh ra khỏi thùng.
Tác nhân sấy sử dụng cho quá trình sấy có thể là không khí nóng hoặc khói lò Quá trình sấy cà phê đòi hỏi đảm bảo tính vệ sinh an toàn cho thực phẩm nên ở đây ta chọn tác nhân sấy là không khí, được đun nóng bởi caloriphe, nhiệt cung cấp cho không khí trong caloriphe là từ lò hơi Nhiệt độ tác nhân sấy phụ thuộc vào bản của hạt nhân Cà phê được sấy liên tục với tác nhân là không khí nóng Dựa vào tính chất vật liệu của cà phê nên ta chọn phương thức sấy cùng chiều vì tốc độ sấy ban đầu cao, 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 Sau khi sấy, cà phê được tháo ra qua cửa tháo sản phẩm, còn tác nhân sấy sẽ đi qua ống thải khí và thải khí ra ngoài môi trường. Để giảm thời gian sấy ta phải tăng tốc độ tác nhân sấy bằng hệ thống quạt ly tâm hay hướng trục Dựa vào nguyên liệu là cà phê ta chọn chế độ sấy cùng chiều vì phương pháp này có cường độ cao, thời gian sấy giảm, sản phẩm ra khỏi hầm đã nguội, kinh tế hơn, áp dụng cho các sản phẩm không cần để ý tới cong vênh, nứt nẻ, còn sấy ngược chiều thì thành phẩm phải có chất lương cao nhưng không được không cong vênh và nứt nẻ.
Các cánh trộn trong thùng chứa có tác dụng phân phối đều cho vật liệu theo tiết diện thùng, đảo trộn vật liệu để tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy, cấu tạo của cánh trộn phụ thuộc vào kích thước vật liệu sấy và độ ẩm của nó.
Các loại cánh đảo phổ biến như:
- Cánh đảo nâng, đổ: dùng để sấy vật liệu có kích thước lớn, dễ bám dính vào thùng thì dùng cánh nâng vật sấy lên cao rồi đổ xuống tạo mưa hạt.
- Cánh đảo phân chia (phân phối): dùng với vật sấy có kích thước nhỏ hơn, dễ chảy.
- Cánh đảo hình quạt: được dùng cho trường hợp vật sấy có kích thước lớn và có trọng lượng riêng lớn.
- Cánh đảo trộn: dùng cho vật sấy có kích thước nhỏ như bột. a) b) c) d) e)
Hình 1: Các dạng cánh đảo a-Cánh nâng, đổ; b,c-Cánh phân chia; d-Cánh hình quạt; e-Cánh đảo trộn. Ưu điểm:
+ Quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy + Cường độ sấy lớn, có thể đạt 100kg ẩm bay hơi/m 3 h.
+ Thiết bị có thể cơ khí và tự động hóa hoàn toàn.
+ Vật liệu bị đảo trộn nhiều nên dễ tạo bụi do vỡ vụn Do đó trong nhiều trường hợp sẽ làm giảm chất lượng sản phẩm sấy.
+ Thiết bị cồng kềnh, chiềm nhiều diện tích.
Quy trình công nghệ
Vật liệu sấy là cà phê hạt sau khi được rửa sạch, đề cho ráo nước tuốt ra khỏi cùi, được cho vào buồng chứa, sau đó được nhập liệu vào thùng sấy bằng hệ thống gầu tải Cà phê hạt khi vào thùng sấy có độ ẩm ban đầu là 25%, chuyển động cùng chiều với tác nhân sấy Tác nhân sấy sử dụng là không khí được gia nhiêt bằng lò hơi qua hệ thống caloriphe khí - hơi Dòng tác nhân sấy được gia tốc bằng quạt đẩy đặt ở trước thiết bị, và quạt hút đặt cuối thiết bị.Thùng sấy có dạng hình trụ đặt nằm nghiêng một góc 3.5 0 C so với mặt phẳng ngang, được đặt trên một hệ thống các con lăn đỡ và chặn 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, cà phê 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 9 - 12,5% Sản phẩm cà phê hạt sau khi sấy được đưa vào buồng tháo liệu, sau khi qua cửa tháo liệu sẽ được băng tải đưa ra ngoài và vào hệ thống 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 bằng cyclon đơn Không khí sau khi lọc bụi sẽ được thải vào môi trường Phần bụi lắng sẽ được thu hồi qua cửa thu bụi của cyclon và được xử lý riêng.
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
Các thông số tác nhân sấy và công thức sử dụng
Ta kí hiệu các đại lượng như sau:
G1,G2:Lượng vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi mấy sấy (kg/h).
1,2: Độ ẩm của vật liệu trước và sau khi sấy tính theo % khối lượng vật liệu ướt
W:Độ ẩm được tách ra khỏi vật liệu khi đi qua máy sấy (kg/h).
Gk:Lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua mấy sấy (kg/h) d0:Hàm ẩm của không khí ngoài trời(kg ẩm/kg kkk) d1:Hàm ẩm của không khí trước khi vào buồng sấy (kg ẩm/kg kkk) d2: Hàm ẩm của không khí sau khi sấy (kg ẩm/kg kkk)
Dùng tác nhân sấy là không khí
Áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí ẩm theo nhiệt độ: p b =exp ( 12−235,5+t 4026,42 o C ) [bar] (CT 2.11/14-[1])
Độ chứa ẩm d d =0,621 B −ϕ p ϕ p b b [kg/kgkkk] (CT 2.15/15-[1])
Với B: áp suất khí trời B t5mmHg = 745 750 bar
Enthapy của không khí ẩm
Cpk: nhiệt dung riêng của không khí khô, Cpk = 1,004 kJ/kg o K
Cpa: nhiệt dung riêng của hơi nước, Cpa = 1,842 kJ/kg o K
r : ần nhiệt hóa hơi của nước r %00 kJ/kg
Thể tích riêng của không khí ẩm v= RT
M: khối lượng không khí, M= 29 kg/kmol
B,pb: áp suất khí trời và phân áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí, N/m 2
T: nhiệt độ của không khí, 0 K
Tính thông số của tác nhân sấy
3.2.1 Thông số trạng thái của không khí ngoài trời (A)
Trạng thái không khí ngoải trời được biểu diễn bằng trạng thái A, xác định bằng cặp thông số (to, 0)
Chọn A có: to & 0 C và 0 = 85% Áp suất hơi bảo hòa p b o =exp( 12− 235,5+t 4026,42 o ) =exp ( 12− 235,5 4026,42 + 26 ) = 0,0335 (bar)
3.2.2 Thông số trạng thái không khí sau khi đi qua caloriphe (B)
Không khí được quạt đưa vào caloriphe và được đốt nóng đẳng ẩm(d1 đến trạng thái B (d1,t1) Trạng thái B cũng là trạng thái của tác nhân sấy vào thùng quay.
Do đó, chọn điểm B: t10 C và d1 = 0,0183(kg/kgkkk)
Áp suất hơi bảo hòa p b 1 =exp( 12− 235,5 4026,42 +t 1 ) =exp ( 12− 235,5+ 4026,42 80 ) =0,4667 ¯ ¿
Từ độ chứa ẩm suy ra độ ẩm tương đối φ1 = 0,0183 ×
3.2.3 Thông số trạng thái không khí ra khỏi thiết bị sấy(C)
Không khí ở trạng thái B được đẩy vào thiết bị để thực hiện quá trình sấy lý thuyết(I1= I2), trạng thái không khí ở đầu ra của thiết bị sấy là C(t2,ᵩ2).
Nhiệt của tác nhân sấy ra khỏi thiết bị sấy t2 tùy chọn sao cho tổn thất do tác nhân sấy mang đi là bé nhất, nhưng phải tránh hiện tượng đọng sương, nghĩa là tránh trạng thái C nằm trên đường bảo hòa Đồng thời, độ chứa ẩm của tác nhân sấy tại C phải nhỏ hơn độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy tại điểm đó để vật liệu sấy không hút ẩm trở lại.
Chọn nhiệt độ đầu ra của thiết bị sấy là t250C
Áp suất hơi bảo hòa p b 2=exp( 12− 235,5 4026,42 +t 2 ) =exp ( 12− 235,5+ 4026,42 35 ) =0,0558 ¿
Bảng 1: Trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết Đại lượng Trạng thái không khí ban đầu(A) Trạng thái không khí vào thiết bị sấy (B) Trạng thái không khí ra khỏi thiết bị sấy (C) t ( o C) 26 80 35
I (kJ/kgkk) 72,73 128,767 127,767 pb (bar) 0,0335 0,4667 0,0558 v (m 3 /kgkk) 0,890 1,05 0,945
Tính cân bằng vật chất
Phương trình cân bằng vật chất
Lượng hơi ẩm bốc trong 1 giờ
Lượng vật liệu khô tuyệt đối:
Năng suất của sản phẩm sấy:
Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy lý thuyết
Người ta gọi thiết bị sấy lý tưởng là thiết bị sấy thỏa mản các điều kiện sau đây:
Nhiệt lượng bổ sung QBS=0
Tổn thất nhiệt qua các kết cấu bao che QBC=0
Tổn thất nhiệt do thiết bị truyền tải QCt=0
Tổn thất do vật liệu sấy mang đi QV=0
Chỉ có tổn thất do tác nhân sấy mang đi
Do không có nhiệt lượng bổ sung và các loại tổn thất nên nhiệt lượng cần thiết để bốc hơi ẩm trong vật liệu sấy được lấy ngay chính nhiệt lượng của tác nhân sấy và sau đó ẩm dưới dạng hơi lại quay trở lại tác nhân và mang trả lại cho tác nhân một nhiệt lượng đúng bằng thế, nhiệt lượng này thể hiện dưới dạng nhiệt ẩn hóa hơi và nhiệt vật lý của hơi nước Vì vậy người ta xem quá trình sấy lý tưởng là quá trình đẳng entanpy Đây là đặc trưng cơ bản của quá trình sấy lý thuyết.
Giả sử lượng khí vào ra thiết bị sấy là không đổi, kí hiệu là : L0 (kg/h)
Theo phương trình cân bằng vật chất ta có:
Lượng không khí khô cần thiết
Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi một kg ẩm: l 0=L 0
Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy lý thuyết
Nhiệt lượng tiêu hao riêng: q 0 =Q 0
Hình 1: Đồ thị I – d quá trình sấy lý thuyết
Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy thực
Một thiết bị sấy ngoài tổn thất do tác nhân sấy mang đi còn có thề có nhiệt lượng bổ sung QBS và luôn luôn tồn tại tổn thất nhiệt ra môi trường qua kết cấu bao che QBC, tồn thất nhiệt do thiết bị sấy chuyển tải và tổn thất nhiệt lượng do vật liệu sấy mang đi QV.
Trong thiết bị sấy thùng quay, không sử dụng nhiệt bổ sung và thiết bị không có thiết bị chuyển tải, dó đó QBS=0, QCT=0.
Nhiệt lượng đưa vào hệ thống sấy gồm:
Nhiệt lượng do tác nhân sấy nhận được trong calorifer: L(I1-I2)
Nhiệt lượng bổ sung QBS
Nhiệt vật lý do thiết bị chuyển tải mang vào : GCTCCTtCT1
Nhiệt vật lý do vật liệu sấy mang vào: [(G1-W)CV1+WCa]tV1
Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy gồm:
Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi L(I2-I0)
Nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che: QBC
Nhiệt vật lý do thiết bị chuyển tải mang ra : GCTCCTtCT2
Nhiệt vật lý do vật liệu sấy mang ra: G2CV2tV2.
tV1 : nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy, thường lấy bằng nhiệt độ môi trường: tv1 = to 26 o C
tV2: nhiệt độ cuối cùa vật liệu sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy: tv2 = 30 o C
Cv1 = Cv2 = Cv: nhiệt dung riêng của vật liệu sấy vào và ra khỏi thiết bị sấy là như nhau Ở đây nhiệt dung riêng của vật liệu sấy ở 2 ,5% :
Cv = Cvk(1-2) + Ca 2,kJ/kg o K (CT 7.40/141-[1])
Với: Ca: nhiệt dung riêng của ẩm, Ca=Cn=4,18KJ/kg 0 K
Cvk=1,54912(kJ/kg.K): nhiệt dung riêng của vật kiêu khô.
=> Cv = Cvk(1-2) + Ca 2= 1,54912.(1 - 0,125) + 4,18.0,125=1,87883(kJ/kg.K)
- Cân bằng nhiệt lượng vào ra tiết bị sấy, ta có:
L(I1-I0)+Q BS + GCTCCTtCT1+ [(G1-W)CV1+WCa]tV1
- Vậy nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy thực:
Q = L(I1-I0)= L(I2-I0) - Q BS +QBC + GCTCCT (tCT2-tCT1)+ G2CV2 (tV2 –t V1 ) -WCatV1 Đặt QCT= GCTCCT (tCT2-tCT1), QV= G2CV2 (tV2 –t V1 ) tương ứng là tổn thất do thiết bị chuyển tải và tổn thất do vật liệu sấy mang đi ta được:
- Xét cho 1 kg ẩm cần bốc hơi: q = l(I1 – Io) = l(I2 – Io) + qBC + qv – Catv1
Qv = G2Cv(tv2 – tv1) = 240.1,87883.(30– 26) = 1803,67 (kJ/h) q v =Q v
Tổn thất nhiệt qua cơ cấu bao che
Tổn thất nhiêt qua cơ cấu bao che hay qua môi trường QBC thường chiếm khoảng 3- 5% nhiệt lượng tiêu hao hữu ích QBC = (0,03-0,05).Qhi
Trong đó : Qhi: là nhiệt hữu ích cần thiết để làm bay hơi ẩm trong vật liệu:
Với rtv1: ẩn nhiệt hóa hơi chủa nước trong vật liệu sấy ở nhiệt độ vảo, rtv1%00 kJ/kg
QBC = 0,05.Qhi= 0,05.451115,36 "555,77(kj/h) q BC =Q BC
180 5,31 (kj/kg ẩm) Đặt Δ=C a t V 1 −q BC −q V :nhiệt lượng riêng cần bổ sung cho quá trình sấy thực, là đại lượng đặc trưng cho sự sai khác giữa quá trình sấy thực tế và sấy lý thuyết
Quá trình sấy lý thuyết: Δ=0
Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy lý thuyết:
Q = L(I2 – Io) 90,1(128,767-72,73)= 554211,53 (KJ/h) q = l(I1 – Io)T,945(128,767-72,73)078,95(KJ/kg ẩm)
Quá trình sấy thực tế: Δ≠ 0 Δ=C a t V 1 −q BC −q V =4,18.26-125,31-10,02= -26,65(kJ/kg ẩm)
=> Trạng thái tác nhân sấy sau quá trình sấy thực nằm dưới đường I1 (vậy đường sấy thực tế nằm dưới đường sấy lý thuyết)
Từ đó ta xác định lại các tính chất của tác nhân sấy khi ra khỏi thùng sấy
Tuy nhên vì chưa biết l nên ta xác định độ chứa ẩm d2 trước thông qua t2 đã biết:
Độ chứa ẩm của tác nhân sấy d 2 =C pk (t 1 −t 2 )+d o (i 1 −Δ)
(i 2 −Δ) (CT 7.31/138–[1]) Trong đó i1%00+1,842.80&47,36KJ/kg) i2%00+ 1,842.35%64,47(kJ/kg)
Áp suất hơi bảo hòa p b 2 =exp( 12− 235,5 4026,42 +t 2 ) =exp ( 12− 235,5+ 4026,42 35 ) =0,0558 ¿
=>Lượng tác nhân khô cần thiết:
Lượng tác nhân tiêu hao riêng: l= L
Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình sấy thực:
Bảng 2: Trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực Đại lượng Trạng thái không khí ban đầu(A) Trạng thái không khí vào thiết bị sấy (B) Trạng thái không khí ra khỏi thiết bị sấy (C) t ( o C) 26 80 35 d (kg/kgkk) 0,0183 0,0183 0,0363
I (kJ/kgkk) 72,73 128,767 128,23 pb (bar) 0,0335 0,4667 0,0558 v (m 3 /kgkk) 0,89 1,05 0,926
Hình 2: Đồ thị I - d biểu diễn cho quá trình sấy thực
Tính toán thiết bị chính
3.6.1 Đường kính của thùng sấy
√1− β ∗ √ V ω (CTVII.49-trang 121-[5]) Trong đó: + β : Hệ số chứa, giá trị từ 10% ÷ 25%
+ω : Vận tốc của khí ra khỏi thùng sấy, ω=2m/s ÷3m/s
+V: lưu lượng của khí ẩm ra khỏi thùng sấy (m 3 /h)
Chọn: hệ số chứa β = 20%, vận tốc ω =3m/s
Dựa vào kích thước chuẩn ta chọn D t =1,2(m).
Kiểm tra lại tốc độ tác nhân sấy
Ta có t1 = 80 0 C => ρ 1=1,000(Kg/m 3 ) (Tra bảng I.255 trang 318-[3])
Lượng tác nhân sấy trung bình trong thùng sấy:
Tiết diện tự do của thùng sấy
Vận tốc tác nhân sấy: v ' k =V
Sai số so với vận tốc chọn ε=v k ' −v k v ' k 100 %=2,96−2,84
2,96 100 %=4,05 % Sai số nhỏ nên ta vẫn chấp nhận vẫn tốc ban đầu là: ω=2,84 (m /s)
Chọn tỉ lệ D L =¿3,5-7, ta chọn D L =5 (trang 121-[5])
3.6.4 Cường độ bay hơi ẩm
Trong đó hệ số M phụ thuộc vào đường kính trung bình của hạt cho bảng sau:
Ta có d = 10mm, theo bảng trên ta có M=0,38.10 -2
Nhận thấy thời gian chưa phù hợp sấy liên tục nên chọn τ=6,5h
3.6.6 Nhiệt độ đốt nóng cho phép t h −10.lgτ+ 2350
0,37.(100−ω tb )+ω tb (CT 10.9/210 – [2]) Trong đó: τ là thời gian sấy ω tb là độ ẩm trung bình vật liệu trước và sau khi sấy (%) ω tb =ω 1 +ω 2
3.6.7 Số vòng quay của thùng
Ta có: n , = τ D m k L t tgα ( CTVII.52/122 –[5]) Trong đó :
+ n ’ : số vòng quay của thùng.
+ L: là chiều dài của thùng.
+ : Góc nghiêng của thùng quay, độ Thường góc nghiêng của thùng dài là 2.5-3 0 , chọn
+ m : Hệ số phụ thuộc vào cấu tạo cánh trong thùng, m = 0,5
+ k : Hệ số phụ thuộc vào chiều chuyển động của khí, k =2
+ : Thời gian lưu lại của vật liệu trong thùng quay, phút
3.6.8 Tính bề dày cách nhiệt của thùng
Máy sấy có thề có hay không lớp cách nhiệt,để tránh nhiệt trong máy sấy mất mát nhiều và để đảm bảo nhiệt độ bên ngoài thùng sấy có thể cho phép công nhân làm việc bên cạnh được thì thường bọc lớp cách nhiệt cho máy sấy
3.6.8.1 Hệ số cấp nhiệt từ dòng tác nhân sấy đến bên trong của thùng sấy
Bảng 4: Các hệ số của không khí bên trong thùng sấy.
STT Thông số Kí hiệu Đơn vị Tài liệu tham khaỏ Giá trị
2 Nhiệt độ trung bình tk oC 57,5
3 Hệ số dẩn nhiệt k W/m o K Phụ lục 6/350[2] 0,0288
4 Độ nhớt k Ns/m 2 Phụ lục 6/350[2] 19,975.10 -6
5 Khối lượng riêng k kg/m 3 Phụ lục 6/350[2] 1,068
Chế độ chảy của tác nhân trong thiết bị:
Re> 10 4 => dòng tác nhân chảy rối trong thùng sấy Quá trình truyền nhiệt trong quá trình trong thùng xem như là quá trình truyền nhiệt trong ống có dòng chảy xoáy (rối), là quá trình truyền nhiệt do sự trộn lẫn của các lớp lưu chất trong và ngoài xa trục của dòng chảy Có thể bỏ qua sự truyền nhiệt do đối lưu tự nhiên Vậy, quá trình truyền nhiệt giữa tác nhân sấy và thành thiết bị là truyền nhiệt do đối lưu cưỡng bức, dòng chảy trong ống có D L là nhiệt độ thích hợp để nhiệt từ tác nhân sấy sau khi truyền nhiệt qua vách thùng và lớp cách nhiệt đến phía thành ngoài của thùng thì không còn nóng, an toàn cho người làm việc.
Do hệ số dẩn nhiệt của thép lớn nên nhiệt độ xem như không đổi khi truyền qua bề dày thân thùng và lớp bảo vệ.
Hình 3: Sơ đổ truyền nhiệt qua vách thùng δ 1 : bề dày thân thùng δ 2 : bề dày lớp cách nhiệt δ 3 : bề dày lớp bảo vệ
Bảng 6: Các bề dày thùng và vật liệu
STT Đại lượng Kí hiệu Giá trị chọn(m) Vật liệu Hệ số dẫn nhiệt
2 Bề dày lớp cách nhiệt 2 0,03 Bông thủy tinh 0,05
3 Bề dày lớp bảo vệ 3 0,001 CT3 50
-Đường kính ngoài của thùng sấy: to tw
- Hệ số cấp nhiệt α 2 ' : α 2 ' =Nu λ o
- Hệ số cấp nhiệt do bức xạ nhiệt α 2 ¿: α 2 ″ = Q bx F(T 1 −T 2 )=5,7.ε 1−2 [ ( 100 T 1 ) 4 − ( 100 T 2 ) 4 ]
+ Qbx: nhiệt trao đổi do bức xạ, W
+ T1: nhiệt độ của vật thề nóng, 0K, T1= Tw4
+ T2: nhiệt độ của vật thể nguội là nhiệt độ không khí bao quanh thùng,0K,T2=T0
+ ε 1−2: độ đen của hệ. Đối với bức xạ giữa khí và bề mặt vật thề, do bề mặt của khí lớn hơn bề mặt vật thể nên độ đen của hệ xem như bằng độ đen của vật thề : ε 1−2=0,8-1
- Hệ số cấp nhiệt chung:
- Hệ số truyền nhiêt K đối với tường hình ống có chiều dày không dày lắm so với đường kính:
3.6.8.4 Tính bề mặt truyền nhiệt F
- Đường kính trung bình của máy sấy:
- Bề mặt truyền nhiệt: gồm diện tích xung quanh thùng và diện tích hai mặt đầu của thùng:
3.6.8.5 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhâ sấy và không khí bên ngoài
+t1đ, t1c: nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của tác nhân sấy khi qua thùng sấy tđ1 = t1 = 80 o C tc1 = t2 = 35 o C +t2đ, t2c: nhiệt độ môi trường xung quanh, , t2đ = t2c = to = 26 o C
- Hiệu số nhiệt độ của 2 dòng lưu chất ở đầu vào và ra của thùng sấy: Δt đ = t1đ – t2đ = 80 – 26 T ( o C) Δt c = t1c – t2c = 35 – 26 = 9 ( o C)
- Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và không khí bên ngoài: Δt tb =Δt đ −Δt c ln Δt đ Δt c
3.6.8.6 Tính nhiệt lượng mất mát ra xung quanh
- Xem nhiệt truyền tử bên trong thùng sấy qua lớp cách nhiệt, đến môi trường bên ngoải là ổn định Lượng nhiệt đó chính là nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh khi bốc hơi 1 kg ẩm qxq Đối với máy sấy thùng quay thì lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh này cũng là nhiệt tồn thất qua cơ cấu bao che qBC
- Theo phương trình truyền nhiệt: qxq = K F ∆ t tb
3.6.9 Chọn kích thước cánh đảo trong thùng
Sử dụng cánh nâng có các thông số đặc trưng như sau:
+Góc gấp của cánh nâng: 0 0
+Thông số đặc trưng cho cấu trúc cánh: h
- Chiều cao rơi trung bình của hạt vật liệu: h
- Diện tích bề mặt chứa vật liệu của cánh:
Hình 4: Dạng cánh đảo trộn.
+Chiều cao cánh đảo: a= 80 mm
+Vật liệu chế tạo cánh là thép không rỉ X18H10T, y00(kg/m 3 )
+Số cánh trên một mặt cắt: 16 cánh
- Khối lượng 1 cánh đảo: m=ρ V C =ρ F C dy00.0,1728 4 1 0 −3 =5,46(kg)
- Khối lượng của cánh trong thùng: m cánh =z m8.5,46i8,88(kg) Chiều cao lớp vật liệu chứa trong thùng
Hình 5: Diện tích phần chứa vật liệu trong thùng
- Tỷ lệ chứa đầy vật liệu trong thùng: β=F cd
Trong đó: F1:tiết diện ngang của thùng (m 2 )
Fcđ:Tiết diện chứa đầy (m 2 )
- Chiều cao chứa đầy vật liệu trong thùng: h=R(1−cosα)=0,6¿
3.6.10 Chọn kích thước của các chi trong thiết bị thùng quay
Thân thùng trước và sau của thùng quay:
- Chiều dài thùng trước d45mm
- Chiều rộng thùng trước r0mm
- Chiều cao thùng trước h60mm
- Kích thước thùng sau tương tự như thùng trước.
Chân đỡ :làm bằng thép CT3
Phễu nhập liệu:làm bằng thép CT3
- Miệng phễu lớn hình vuông cạnh dài: a= 650mm
- Miệng phễu nhỏ hình vuông cạnh dài: b50mm
Con quay phân phối nguyên liệu:làm bằng thép CT3
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ TRỢ
Trong kỹ thuật sấy thường sử dụng hai loại calorife để đốt nóng không khí calorife khí
- hơi và calorife khí – khói.
Calorife được chọn để gia nhiệt cho tác nhân sấy ở đây là calorife khí – hơi loại thiết bị truyền nhiệt kiểu ống chùm: hơi nước bão hòa ngưng tụ đi trong ống và không khí chuyển động ngoài ống.
Vì hệ số truyền nhiệt của nước ngưng lớn hơn nhiều so với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ngoài của ống với không khí nên bên ngoài ống (phía không khí) được làm thêm cánh tản nhiệt để tăng cường truyền nhiệt.
Vậy calorife sử dụng là loại ống chùm với ống có cánh đặt đứng.
Nhiệt lượng mà calorife cần cung cấp cho tác nhân sấy là:
Q = L(I1 – Io) = 10000.(128,767– 72,73) = 560370(KJ/h) = 155,66(kw) Trong đó:
L – là lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy (kg/h)
I1, I0 – là entanpy của tác nhân sấy trước và sau khi ra khỏi calorife
Công suất nhiệt của calorife là:
Do nhiệt độ của tác nhân sấy không quá cao nên ta chọn lò hơi có áp suất bão hòa là 2 bar Tra bảng nước và hơi nước bão hòa theo áp suất và ẩn nhiệt hóa hơi r = 2207 kJ/kg.độ Nhiệt độ hơi nước bão hòa là 120 o C.
Lưu lượng hơi cần cung cấp là:
Tiêu hao hơi cho một calorife là:
Bề mặt truyền nhiệt calorife F được tính theo công thức:
Hiệu nhiệt độ ở vị trí đầu calorife: Δt 1=t s −t v1 0−26 o C
Hiệu nhiệt độ ở vị trí cuối calorife: Δt 2=t s −t r 2 0−80@ o C Δt tb = Δt 1 −Δt 2 ln Δt 1 Δt 2
C k : Hệ số truyền nhiệt của caloriphe (W/m 2 ) Ta chọn k= 30,5 W/m 2 K (bảng 17.5, TT và TK HTS) với lưu tốc không khí là 10 kg/m 2 s (tra bảng 4 - Phụ lục 1- [6])
Từ F= 142,75 m 2 ta tra bảng 4 - Phụ lục 1 – [2], ta chọn caloriphe KΦ13 kiểu II có:
Diện tích bề mặt truyền nhiệt (m2)
Diện tích tiết diện khí qua (m2)
Diện tích tiết diện môi chất đi qua (m2)
Kích thước (mm) Đường kính ống môi chất vào (m)
Tính xyclone
Khi tác nhân sấy không khí nóng đi qua máy sấy hường có mang theo rất nhiều hạt bụi nhỏ, chúng cần được thu hồi đề làm sạch môi trường không khí thải
Trong hệ thống này sấy thùng quay dùng xyclon đơn Chọn loại xyclon đơn ЦH-15H-15 với góc nghiên cửa vào δ 0 Loại này đảm bảo độ làm sạch bụi lớn nhât với hệ số sức cản thủy lực nhỏ nhất. Đối với xyclon ЦH-15H-15 thì chọn đường kính từ 40 800mm Hệ này làm sạch bụi càng tăng nếu bán kính xyclon càng bé, vì vậy nên dùng xyclon có bán kính nhỏ Năng suất của xyclon đơn của xyclon đơn khá lớ, muốn tăng năng suất có thể ghép nhiều xyclon làm việc song song.
Lưu lượng khí vào xyclon chính là lượng tác nhân sấy ra khỏi thùng sấy:
Đường kính xyclon: Chòn 1 xyclon, đường kính Dp0mm, dùng khi năng suất của xyclon ЦH-15H-15 từ 8800 10400 m 3 /h (bảng III.5/524-[3])
Kích thước cơ bản của xyclon ЦH-15H-15
Bảng 8: Kích thước cơ bản của xyclon đơn loại ЦH-15 H-15
STT Kích thước của xyclon ЦH-15H-15 Kí hiệu Công thức Giá trị Đơn vị
1 Đường kính trong của xyclon D 700 mm
3 Chiều cao ống tâm có mặt bích h1 1,74D 1218
4 Chiều cao phần hình trụ h2 2,26D 1582
5 Chiều cao phần hình nón h3 2,0D 1400
6 Chiêu cao phần bên ngoài ống tâm h4 0,3D 210
8 Đường kính ngoài của ống d1 0,6D 420
9 Đường kính trong của cửa tháo d 0,3D 210
11 Chiều dài của ống cửa vào l 0,6D 420
12 Khoảng cách từ tận cùng xyclon đến mặt bích h5 0,32D 224
13 Góc nghiên giửa nắp và ống vào α 15 Độ h2 h5 h3 h4 a h1 a l
Tính 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: caloriphe, thùng sấy, đường ống, xyclon Nhiệm vụ của hệ thống quạt là tạo ra dòng chảy của tác nhân sấy qua thùng sấy có lưu lượng đúng như quá trình sấy yêu cầu Năng suất của quạt đặc trưng bởi thể tích khí đi vào hay đi ra thiết bị sấy.Trong thiết bị sấy thường, để vận chuyển tác nhân sấy thường dùng 2 loại quạt ly tâm và hướng trục Theo áp suất tạo ra có thể chia làm 3 loại:
- Quạt áp suất thấp, tổng cột áp tạo ra đến 100 mmH2O.
- Quạt trung áp, tổng cột áp tạo ra 100 - 300 mmH2O.
- Quạt áp cao, tổng cột áp tạo ra đến 300 - 1500 mmH2O. Để chọn loại quạt nào phụ thuộc vào thông số đăc trưng của hệ thống sấy, trở lực mà quạt phải khắc phục.
Trở lực qua thùng sấy
Trong hệ thống sấy thùng quay, tác nhân sấy không những đi qua lớp hạt nằm trên cánh và trên mặt thùng mà còn đi qua dòng hạt rơi từ đỉnh thùng và các cánh từ trên xuống
Do đó, trở lực của tác nhân sấy trong thùng sấy có những đặc thù riêng và được tính theo các công thức thực nghiệm:
Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy t f 1+35
2 W,5 o C ,các thông số của không khí nóng như sau: Độ nhớt động học: k ,975.10 -6 m 2 /s
Khối lượng riêng: k=1,068kg/m 3 Độ nhớt: μ k = 1,87.10 -5 Ns/m 3
Khối lượng riêng dẫn xuất của khối hạt chuyển động trong thùng sấy: G1+G2 ρ=0,25.(G1+G2) β
0,75.2.6,78 =6,49 kg/m 3 (CT 10.2/213 – [2]) Trở lực của dòng tác nhân đi qua lớp vật liệu trong thùng sấy: Δ P ¿= ^ a L v k 2 ρ k C
Trong đó: a: hệ số thủy động a=5,85+490
C: hệ số đặc trưng cho độ chặt của lớp hạt
Trở lực xyclon và buồng đốt Theo kinh nghiệm trở lực của Xyclon Δ p x mm H 2 O, trở lực qua Caloriphe Δ p c mm H 2 O Trở lực cục bộ và các trở lực phụ lấy 5% Tổng trở lực quạt phải khắc phục:
∆ p t =1,05.( ∆ p h ạ t +∆ p x +∆ p c ) = 1,05.( 2,28+ 20 + 14) = 38,094mm H 2 O Áp suất động của khí thoát
Chọn quạt cho hệ thống sấy thùng quay
Dựa vào năng suất Vtb= 9880m 3 /h và cột áp Δ pA,577 (mm H 2 O) theo phụ lục 3, trang 197-[6], dựa vào đồ thị đặc tuyến của quạt ly tâm ta chọn quạt Π 4−70, N ° 7có hiệu suất 0,7.
N= k × 3600 V × ρ × 102 0 × ∆ p × ρ ×n q , kW (CT 17.38 – 334 – [2]) Trong đó: k: hệ số dự phòng, có thể lấy k= 1,1 ÷ 1,2; chọn k= 1,2.
V: lưu lượng ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy, m 3 /h. n q : hiệu suất của quạt, n q = 0,7.
∆ p: tổng cột áp mà quạt phải khắc phục, mmH2O. ρ 0 :khối lượng riêng của không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn, ρ 0= 1,293 kg/m 3
Thông qua đồ án thiết kế hệ thống sấy thùng quay, em đã được ôn lại các kiến thức lý thuyết đã học trong học phần Quá trình và thiết bị chuyển khối và các môn học khác, đã học được cách tính toán và thiết kế một hệ thống sấy thùng quay thực tế Đồ án đã giúp em làm quen với việc tìm tài liệu và tra cứu, học cách tính toán cơ khí và giúp em nắm được mối quan hệ giữa lý thuyết và thực tế. Đối với hệ thống sấy thùng quay này, việc thiết kế, tính toán dựa trên nhiều vào các công thức thực nghiệm, được cho trong nhiều tài liệu khác nhau. Mặt khác do không có nhiều tài liệu tham khảo, nên trong quá trình tính toán em không tránh khỏi sai số trong quá trình thiết kế. Để có thể thiết kế được chính xác, ta cần lập hệ thống hoạt động thử để kiểm tra và chọn chế độ làm việc tối ưu Đồng thời, việc thiết kế hệ thống dựa trên nhiều tài liệu lý thuyết chứ không có trong thực tế kinh nghiệm, nên có nhiều điều chưa thật hợp lý, em rất mong nhận được sự hướng dẫn, góp ý thêm của các thầy cô để hệ thống hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
