tính toán thiết kế hệ thống sấy thùng quay để sấy hạt ngô năng suất 180kg h

1.2.3.2 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.Phương phá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊTRONG CNSH & CNTP

LỜI MỞ ĐẦU

Ngô là một loại cây lương thực được thuần canh tại khu vực Trung Mỹ và sau đó lantỏa ra khắp châu Mỹ Ngô lan tỏa ra phần còn lại của thế giới sau khi có tiếp xúc củangười châu Âu với châu Mỹ vào cuối thế kỷ 15, đầu thế kỷ 16 Ngô là cây lương thựcđược gieo trồng nhiều nhất tại châu Mỹ (chỉ riêng tại Hoa Kỳ thì sản lượng đã là khoảng270 triệu tấn mỗi năm) Các giống ngô lai ghép được các nông dân ưa chuộng hơn so vớicác giống ngô thông thường do có năng suất cao vì có ưu thế giống lai Trong khi một vàigiống, thứ ngô có thể cao tới 7 m (23 ft) tại một số nơi, thì các giống ngô thương phẩm đãđược tạo ra với chiều cao chỉ khoảng 2,5 m (8 ft) Ngô ngọt thông thường thấp hơn so vớicác thứ, giống ngô giống đòi hỏi việc bảo quản, chế biến sao cho phù hợp với mục địchvà lợi nhuận Việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào bảo quản, chế biến ngô là rấtcần thiết Vậy nên, công nghệ sấy đóng vai trò quan trọng trong quá trình sau thu hoạchvà bảo quản nông sản.

Trên cơ sở những kiến thức đã học và sự hướng dẫn củacô PhạmThanh Hương, em xinđược trình bày đồ án QTTB với đề tài: “ Tính toán thiết kế hệ thống sấy thùng quay đểsấy hạt ngô năng suất 180kg/h”.

Vì là lần đầu thiết kế đồ án nên trong quá trình thiết kế em còn nhiều thiếu sót, kínhmong thầy cô thông cảm Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ thầy cô đểem traudồi thêm nhiều kinh nghiệm và kiến thức Em xin chân thành cảm ơn GVHD làTS Phan Minh Thụy đã tận tình hướng dẫn để em có thể hoàn thiện bài thiết kế đồ ánnày

1.1 Tổng quan về nguyên liệu sấy 1.1.1 Giới thiệu chung về hạt ngô

Hạt ngô là quả của ngô Ngô là một loại ngũ cốc, và hạt ngô được sử dụngtrong nấu ăn như một loại rau hoặc một nguồn cung cấp tinh bột Hạt ngô baogồm nội nhũ, mầm, màng ngoài (vỏ quả ngoài) và chân hạt.

Một bắp ngô chứa khoảng 800 hạt phân bố thành 16 hàng Hạt ngô với sốlượng lớn trên khắp các khu vực sản xuất ngô Chúng có một số công dụng, baogồm làm thực phẩm và nhiên liệu sinh học.

+ Các đặc điểmcủa ngô:

- Các bộ phận : Hạt ngô bao gồm một lớp vỏ quả ngoài (vách quả) hợp nhất với áohạt Loại quả này là điển hình của các loài thực vật họ Hòa thảo và được gọi làquả thóc Hạt ngô thường được coi một cách sai lầm là một loại hạt Các hạt ngôcó kích thước cỡ như hạt đậu và bám thành các hàng đều đặn quanh một lõi màutrắng, tạo thành bắp ngô.

- Nội nhũ: Khoảng 82% trọng lượng khô của hạt ngô là nội nhũ Tinh bột là nguồnchính và nó là phần được sử dụng rộng rãi nhất của hạt ngô Nó được biết đến

CHƯƠNG I TỔNGQUANVỀNGUYÊ

N LIỆUSẤYCÔNGNGHỆSẤY VÀTHIẾT BỊ

SẤY

như là thành phần chính trong các nhiên liệu, chất làm ngọt, nhựa sinh học và cácsản phẩm khác.

- Mầm: là phần sống duy nhất của hạt ngô và còn được gọi là phôi mầm của nó Nóbao gồm các thông tin di truyền quan trọng, vitamin, enzym và khoáng chất giúpcho cây phát triển Mầm chiếm 25 phần trăm dầu ngô và nó là phần có giá trị củahạt ngô.

- Vỏ quả ngoài: là lớp vỏ bên ngoài bảo vệ hạt và nó cũng duy trì giá trị dinhdưỡng và độ ẩm của hạt Nó có tới 91% là chất xơ Nếu hạt ngô được nghiền ướtthì phần lớn vỏ quả ngoài chuyển thành thức ăn gia súc gluten ngô.

- Chân hạt: là điểm gắn của hạt ngô với lõi ngô, nơi có mạch vận chuyển dinhdưỡng và nước, và đây là phần duy nhất không được bao phủ bởi vỏ quả ngoài.Nó chứa chất xơ.

1.1.2 Thành phần hóa học

Thông tin về tổng thành phần hóa học của bắp rất phong phú Sự thay đổi của từng thành phần dinh dưỡng chính là rất lớn Bảng 1 tóm tắt dữ liệu về các loại bắp khác nhau được lấy từ một số ấn phẩm

Sự biến đổi quan sát được là cả di truyền và môi trường Nó có thể ảnh hưởngđến sự phân bố trọng lượng và thành phần hóa học riêng lẻ của nội nhũ, mầm vàvỏ của hạt.

Loại bắp

Sợi thôCarbohydrate

1.2

1.1.3 Thành phần dinh dưỡng

Ngô là một loại ngũ cốc nguyên hạt rất giàu chất xơ, carbs, vitamin và các loạikhoáng chất Thông thường, trong 164 gram ngô ngọt vàng (một cốc) sẽ cung cấpcác chất dinh dưỡng sau:

Thành phần dinhdưỡng của ngô

của các loạibắp (%)12.3

1.1.4 Công dụng

Hạt ngô ngọt, thơm ngon, bổ dưỡng, thích hợp cho những người táo bón, huyết

áp cao và xơ vữa động mạch Ngoài đường, đạm, chất xơ, chất béo và các khoángchất như Can xi, Phốt pho, Ka li, Na tri, Ma giê, Sắt, Kẽm…, trong hạt ngô màuvàng (“hoàng ngọc mễ”) cũng như màu trắng (“bạch ngọc mễ”) còn chứa cácvitamin như A, B1, B2, E…

Bên cạnh công dụng giảm cân, ăn ngô còn giúp:

Giảm táo bón, ngăn ngừa viêm ruột và ung thư, đồng thời ức chế tác dụng phụ củathuốc điều trị ung thư.

Làm chậm lão hóa da, chống lão hóa mắt, tăng cường thị lực và trí nhớ.Hạ huyết áp, làm giảm mỡ máu và xơ vữa động mạch.

1.1.5 Tình hình sản xuất và tiêu thụ

Tại Việt Nam, số liệu thống kê từ năm 2014 đến năm 2020 cho thấy diện tích

trồng ngô ở nước ta giảm liên tục giảm trong giai đoạn này Năng suất ngô tăngtừ năm 2014 đến năm 2020 trong khi sản lượng ngô giảm mạnh từ năm 2016đến năm 2020 Số liệu thống kê đến năm 2020 cho thấy khu vực Trung du vàmiền núi phía Bắc có diện tích và sản lượng ngô lớn nhất cả nước (426,4 nghìnha), năng suất đạt cao nhất ở khu vực Đông Nam Bộ (6,96 tấn/ha) (Tổng cụcthống kê, 2020) Tỉnh Sơn La ở vùng trung du phía Bắc và tỉnh Đắk Lắk ở TâyNguyên có diện tích trồng lớn nhất cũng như khối lượng sản xuất lớn nhất Năngsuất ngô các tỉnh An Giang (7,81 tấn/ha), Đồng Tháp (9,02 tấn/ha) và Long An(6,25 tấn/ha) thuộc vùng.

Trên thế giới, báo cáo của Bộ nông nghiệp Mỹ, niên vụ 2019/2020 diện tíchngô trên toàn cầu đạt 192,55 triệu ha, năng suất trung bình đạt 5,79 tấn/ha và sảnlượng đạt 1.113,50 triệu tấn (USDA, 2020b) [163] Mỹ vẫn là quốc gia đứng đầutrong nhóm các nước có sản lượng ngô cao nhất thế giới với sản lượng đạt360,233 triệu tấn Trung Quốc, Indonesia và Philipin ở khu vực Châu Á cũngnằm trong nhóm các quốc gia có sản lượng ngô cao nhất thế giới.

1.1.6 Quy trình công nghệ

Bóc vỏ,

Sâấy (ở

Đêấn đ ộ

ẩĐóng ói à

1.2 Tổng quan về công nghệ sấy

• Đảm bảo các thông số kỹ thuật cho các quá trình gia công vật liệu tiếptheo

1.2.3 Phân loại phương pháp sấy 1.2.3.1 Sấy tự nhiên:

Là phương pháp sử dụng trực tiếp năng lượng tự nhiên như năng lượng mặttrời, năng lượng gió… để làm bay hơi nước Phương pháp này đơn giản, khôngtốn năng lượng, rẻ tiền tuy nhiên không điều ch nh được tốc độ sấy theo yêu cầukỹ 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 quymô nhỏ lẻ, họ gia đình

1.2.3.2 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.Phương pháp này tốn năng lượng và chi phí nhưng điều ch nh được nhiệt độ vàtốc độ gió, thời gian sấy nhanh, năng suất cao, đảm bảo được vệ sinh Sấy nhân tạo có nhiều dạng, tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà trong kỹthuật sấy có thể chia ra làm các dạng:

• Sấy đối lưu: là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy vớikhông khí nóng, khói lò… (gọi là tác nhân sấy)

• Sấy tiếp xúc: là phương pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc vớinhiệt độ sấy mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếpqua một vách ngăn

ên li uệ(Ngô)

sạch để ráo nước

lo i ạngô

h t ạngô

vào t ng ừkhay

nhi t ệđ 70 ộđ C) ộ

m ẩyêu câầu

gói và b o ảqu n ả

• Sấy bằng tia hồng ngoại: là phương thức sấy dùng năng lượng của tiahồng ngoại do nguồn điện phát ra truyền cho vật liệu sấy

• Sấy bằng dòng điện cao tần: là phương pháp sấy dùng năng lượngđiện trường có tần số cao để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớpvật liệu

• Sấy thăng hoa: là phương pháp sấy trong môi trường có độ chânkhông rất cao, nhiệt độ rất thấp nên ẩm tự do trong vật liệu đóng băngvà bay hơi trừ trạng thái rắn thành hơi mà không qua trạng thái lỏng

1.2.4 Nguyên lý của quá trình sấy

Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắnrất phức tạp vì nó bao gồm cả quá trình khuếch tán bên trong và cả bênngoài vật liệu rắn đồng thời với quá trình truyền nhiệt Đây là một quátrình nối tiếp nghĩa là quá trình chuyển lượng nước trong vật liệu từ phalỏng 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 vàbên trên bề mặt vật liệu Quá trình khuếch tán chuyển pha này ch xảy rakhi áp suất hơi trên bề mặt vật liệu lớn hơn áp suất hơi riêng phần của hơinước trong môi trường không khí xung quanh Vận tốc của toàn bộ quátrình được quy định bởi giai đoạn nào là chậm nhất

Tùy theo phương pháp sấy mà nhiệt độ là yếu tố thúc đẩy hoặc cản trở quá trìnhdi 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 ảnhhưởng rất lớn và trực tiếp đến vận tốc sấy Do vậy cần nghiên cứu tínhchất là thông số cơ bản của quá trình sấy

trìnhsấy

1.2.5 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 được 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 haynhiều các nhiệm vụ trên Các loại tác nhân sấy:

• Không khí ẩm: là loại tác nhân sấy thông dụng nhất, có thể dùng cho hầuhết các loại sản phẩm Dùng không khí ẩm sẽ có nhiều ưu điểm : khôngkhí có sẵn trong tự nhiên, không độc, không làm sản phẩm sau khi sấy ônhiễm và thay đổi mùi vị Tuy nhiên, dùng không khí ẩm làm tác nhânsấy cần trang bị thêm bộ gia nhiệt không khí (caloripher điện, khí - hơihay khí - khói), nhiệt độ sấy không quá cao

Thường nhỏ hơn 500 C vì nếu nhiệt độ cao quá thiết bị trao đổi nhiệt phải0được chế tạo bằng thép hợp kim hay gốm sứ với chi phí đắt

• Khói lò:

- Ưu điểm: Phạm vi nhiệt độ rộng từ hàng chục đến hàng nghìn độ C,

không cần calorife

- Nhược điểm: Có thể làm ô nhiễm sản phẩm sấy nên ch thích hợp cho các

vật liệu sấy như hạt có vỏ

• Hơi quá nhiệt: tác nhân sấy này được dùng cho các loại sản phẩm dễ bịcháy nổ và có khả năng chịu được nhiệt độ cao

• Hỗn hợp không khí và hơi nước: tác nhân này ch dùng khi độ ẩm tươngđối cao

1.2.6 Ưu điểm và nh ợc điểm của quá trình sấy ƣ

1.2.6.1 Ưu điểm

• Hàm lượng nước còn lại trong sản phẩm còn rất ít • Không làm thay đổi các tố chất tự nhiên của sản phẩm • Bảo quản thực phẩm sấy khô lâu

• Ứng dụng rộng rãi, rẻ tiền

• Áp dụng cho nhiều vật liệu sấy, dải nhiệt độ nóng rộng dễ điều ch nh chomỗi loại vật liệu sấy.nguồn nhiệt phong phú và chi phí cho thiết bị khôngcao

1.2.6.2 Nhược điểm

• Yêu cầu kĩ thuật chế tạo máy, công nghệ sấy khắt khe

• Kĩ thuật đóng gói phải đảm bảo môi trường đóng gói có độ ẩm thấp(<30%) và nhiệt độ thấp (<20 C) 0

• Bao bì phải dùng là polyetylen, bao lớp nhôm và có chứa nitơ

1.3 Tổng quan về thiết bị sấy thùng quay1.3.1 Hệ thống sấy thùng quay

Quá trình sấy trong máy sấy thùng quay c ng là sấy đối lưu Sấy thùng quayđược áp dụng rộng rãi để sấy các vật ẩm dạng hạt, mảnh vụn có kích thước nhỏnhư đậu đỗ, cà phê, ngô hạt, đường kính, muối ăn, củ cắt nhỏ, gỗ mảnh, cát…Máy sấy thùng quay có những ưu điểm lớn như làm việc ổn định, năng suất cao,rất kinh tế.

Bên trong thùng sấy có các cánh đảo trộn Vật ẩm được nạp vào đầu cao, sảnphẩm lấy ra ở đầu thấp của thùng Tác nhân sấy có thể là không khí được đốtnóng nhờ calorife, khói lò Chiều chuyển động của tác nhân sấy có thể cùngchiều, ngược chiều hoặc cắt ngang dòng vật sấy.

Các cánh đảo: đối với vật sấy có kích thước lớn, dễ bám dính vào thùngthì dùng cánh nâng vật sấy lên cao rồi đổ xuống tạo mưa hạt Đối với vậtsấycó kích thước nhỏ hơn, dễ chảy thì dùng dạng cánh phân phối Vật sấy

có kích thước lớn hơn và khối lượng riêng lớn thì dùng cánh hình quạt,cánh đảo trộn dùng cho vật sấy có kích thước nhỏ như bột.

Bộ phận bịt kín ở đầu và cuối thùng quay có nhiêm vụ bịt kín khe hở giữathùng quay và bộ phận đứng yên ở 2 đầu thùng nhằm chống lại sự xâmnhập của không khí khi áp suất trong thùng nhỏ hơn áp suất khí quyển vàkhông cho tác nhân sấy xì ra ngoài khi áo suất trong thùng lớn hơn ápsuất khí quyển.

Hệ thống quạt vận chuyển tác nhân có nhiệm vụ tạo ra dòng chảy của tácnhân sấy có lưu lượng đúng như yêu cầu Thông thường chọn dòng chảycủa tác nhân sấy có chiều ngược với dòng vật sấy vì như vậy các hạt vậtsây nhỏ và bụi không bị cuốn theo nhiều.

Hệ thống dẫn động quay cho thùng sấy Trọng lượng thùng quaygồm trọng lượng thùng (vỏ + các cánh đảo), trọng lượng vật sấy.Mômen cản quay gồm mômen do trọng lượng của khối vật sấy bị nânglên, do lực ma sát của các con lăn đỡ, con lăn chặn ma sát giữa cặp bánhrăng bị dẫn lắp bên ngoài thùng và bánh răng dẫn nhận truyền động từhộp giảm tốc Công suất động cơ phải thắng được các mômen cản quaycủa thùng sấy và mômen cản do ma sát của gối đỡ bánh răng dẫn, bù tổnthất do hộp giảm tốc và truyền động gây lên.

1.3.2 Ưu điểm của máy sấy thùng quay.

Máy sấy thùng quay có tính tự động hóa cao, quy trình hợp lý, hiệu suấtổn định, hoạt động đơn giản, khả năng ứng dụng rộng.

Hiệu suất trao đổi nhiệt – trao đổi độ ẩm cao giúp vật liệu khô nhanhCông nghệ biến tần dễ dàng điều chỉnh công suất sấy và lượng tiêu haonhiên liệu.

Hệ thống vận hành dễ dàng, hoạt động ổn định, độ bền cao, chi phí sấythấp.

Máy sấy thùng quay được thiết kế với cơ cấu hợp lý, hoạt động thân thiệnvới môi trường, ít tạo ô nhiễm.

Được cung cấp với giá cả cạnh tranh so với các máy cùng loại, đồng thờicó hiệu suất cao hơn.

1.3.3 Quy trình hoạt động

Vật liệu của máy sàng phải sấy được ở áp suất cao, có khả năng chịu được nhiệtđộ cao, công suất lớn, máy được vận hành liên tục nên phải đảm bảo 1 đầu vàovà 1 đầu ra.

Thân thùng quay: là một thùng hình trụ tròn với độ nghiêng từ 1-6 , thùng0quay được nhờ sử dụng cơ cấu chuyển động vành lăn và con lăn nhậntruyền động của động cơ qua bộ phận giảm tốc Việc sử dụng cơ cấuchuyển động này sẽ giúp cho việc bảo trì và xử lý những sự cố dễ dànghơn.

Hệ thống cấp liệu: Vật liệu ướt được nạp liên tục vào đầu cao của thùng thông qua hệ thống băng tải và phễu chứa.

Hệ thống hút bụi: trong quá trình sấy vật liệu khô sẽ sinh ra nhiều bụi, việc sử dụng hệ thống hút bụi nhằm thu lại năng suất cho người tiêu dùng và tránh tình trạng gây ô nhiễm môi trường.

Hệ thống ra liệu: Sau khi được sấy khô liệu sẽ được chất đống hoặc là đóng bao nhờ cơ cấu băng tải, vít tải,…

Hệ thống lò đốt: Lò được sử dụng là ống hình trụ được xây bao bọc một lớp gạch chịu nhiệt với cường độ lớn, vật liệu đốt thường dùng là gas, dầu khí được đốt trựctiếp vào thùng quay.

1.3.4 Ứng dụng

Hệ thống thùng quay được sử dụng rộng rãi trong việc sấy khô các nguyên liệu như hèm bia, mùn cưa, cát, dăm gỗ, bùn thải,phân bón… và các sinh khối khác có năng suất từ 3 – 15 tấn/ giờ

Thiết kế của máy sấy thùng quay do công ty Cơ khí Kiến Thức chế tạo ra dựa theonhu cầu của khách hàng, cường độ sấy có thể đạt đến 100kg, công suất sấy có thể đạt 1 đến 10 tấn/h.