đồ án môn học quá trình thiết bị thiết kế thiết bị sấy thùng quay sấy cà phê hạt năng suất 2000kgh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINHKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

- -ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY THÙNGQUAY SẤY CÀ PHÊ HẠT NĂNG

SUẤT 2000KG/H

GVHD: TS Phạm Hoàng Huy Phước Lợi

Tp Hồ Chí Minh, tháng … năm 20

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn đến khoa Công nghệ Hoá học và Thực phẩmtrường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã đưa môn Đồ án quá trình thiết bị vàogiảng dạy để em có thể tự mình thiết kế được một hệ thống sấy quy mô công nghiệp.Mặc dù, chỉ là tính toán trên lý thuyết nhưng đây là một môn học rất hay và cho emnhiều kiến thức bổ ích Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm HoàngHuy Phước Lợi - thầy là người đã hướng dẫn trực tiếp và hỗ trợ em rất nhiều trong đồán lần này.

Trong quá trình làm đồ án, do hiểu biết của em về đề tài Thiết kế thiết bị sấy thùngquay sấy cà phê hạt năng suất 2000kg/h còn nhiều hạn chế nên bài làm khó tránh khỏinhững thiếu sót Mong thầy, cô xem và góp ý thêm cho em để bài làm ngày càng hoànthiện Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM 2

1.1 Giới thiệu về hạt cà phê 2

1.2 Vai trò của cà phê 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUY TRÌNH THIẾT BỊ SẤY 5

2.1 Cơ sở lý thuyết 5

2.2 Tổng quan về quy trình sấy 5

2.3 Phương pháp và thiết bị sấy 6

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH 10

3.1 Chọn thiết bị sấy và phương thức sấy 10

3.1.1 Thiết bị sấy 10

3.1.2 Chọn phương thức sấy 10

3.2 Hệ thống sấy thùng quay 11

3.2.1 Sơ đồ hệ thống sấy thùng quay 11

3.2.2 Thuyết minh sơ đồ 12

3.3 Biến đổi của nguyên liệu sau quá trình sấy 12

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 14

4.1 Tính toán cân bằng vật chất 14

4.1.1 Các thông số ban đầu 14

4.1.2 Lượng sản phẩm vào thùng sấy 14

4.1.3 Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu 14

4.1.4 Lượng vật liệu khô tuyệt đối 14

4.1.5 Tính toán các thông số của không khí 15

4.2 Tính toán cân bằng nhiệt lượng 20

4.2.1 Nhiệt lượng cần đưa vào thiết bị sấy 21

4.2.2 Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy 21

4.3 Tính toán quá trình sấy thực tế 30

4.3.1 Nhiệt lượng bổ sung thực tế 30

4.3.2 Xác định các thông số của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực 31

4.3.3 Phương trình cân bằng nhiệt lượng: ∑qv = ∑qr 32

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CẤU TẠO CỦA THIẾT BỊ CHÍNH 34

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ CÓ TRONG QUY TRÌNH 36

6.1 Calorifer 36

MỞ ĐẦU

Trên thế giới hiện nay, nhu cầu tiêu dùng cà phê ngày càng nhiều hơn và liên tục tăngtrong những năm gần đây Cà phê hiện đang là đồ uống phổ biến trong nhiều tầng lớpbởi nhu cầu tiêu dùng của nó vượt xa hai loại đồ uống truyền thống là chè và ca cao.Điều này đã thúc đẩy nhiều nước trồng cà phê để xuất khẩu Ở Việt Nam, thị trườngxuất khẩu cà phê ngày càng mở rộng với mốt số thương hiệu cà phê tiêu biểu như càphê Trung Nguyên, Vinacafe, … Cà phê là một trong những mặt hàng xuất khẩu chủlực của Việt Nam, là mặt hàng nông sản đứng thứ 2 về kim ngạch sau gạo Ngành càphê đã đóng góp một phần rất lớn vào nguồn thu ngân sách nhà nước, chiếm 10% kimngạch xuất khẩu cả nước Vì là một trong những mặt hàng xuất khẩu chủ lực nênlượng cà phê cần để xuất khẩu phải nhiều, kéo theo đó là nhu cầu về thiết bị sấy thíchhợ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM.

1.1 Giới thiệu về hạt cà phê.

Cà phê là loại quả hạch còn được gọi là một quả mọng bên trong quả có màu đỏ hoặctím Nó cũng giống như những quả mọng bình thường, mặc dù có hình thức là các hạtcà phê Hai giống cà phê Arabica và Robusta có vị trí quan trọng nhất của các loại câycà phê.

Cà phê Arabica chiếm 65-70% lượng cà phê được sản xuất trên toàn thế giới và 30%còn lại là cà phê Robusta Hạt Arabica gồm 0,8-1,4% caffeine và hạt Robusta bao gồm1,7-4% caffeine.

Ở Việt Nam, phần lớn cà phê được trồng và xuất khẩu là cà phê Robusta.

Quả cà phê gồm: lớp vỏ quả, lớp vỏ thịt, lớp nhớt, lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa và nhân.

Hình 1.1 Cấu tạo quả cà phê.

- Lớp vỏ quả: là lớp màng mỏng, mềm, dai Vỏ quả cà phê chè mềm hơn vối và mít.Trong vỏ quả có alkaloid, tannin, cafein, các loại enzyme.

- Lớp vỏ thịt: là phần dưới lớp vỏ quả, gồm những tế bào mềm, không có cafein,tannin, chưa nhiều đường và pectin.

- Lớp nhớt: nằm sát nhân, khó tách ra Thành phần chính là pectin, các loại đường khử,cellulose, enzyme pectase Đặc tính của lớp này là không hòa tan trong nước, hút ẩmrất mạnh vì vậy trở ngại khi phơi sấy khô và bảo quản hạt.

- Lớp vỏ trấu: là lớp kế tiếp lớp vỏ thịt, chứa nhiều cellulose nên khá cứng, là mộtmàng bán thấm thô có nhiệm vụ bảo vệ cho nhân.

- Lớp vỏ lụa: khi loại bỏ lớp vỏ trấu còn một lớp vỏ mỏng, mềm gọi là vỏ lụa Đặc tínhkhác nhau tùy vào mỗi loại cà phê Với vỏ lụa cà phê chè màu trắng bạc, dễ bong rakhỏi hạt trong quá trình chế biến.

- Nhân cà phê: là phần nằm trong cùng của hạt Một quả cà phê thường có từ 1, 2 hoặc3 nhân Thường chỉ có 2 nhân, trong nhân có chứa phôi và mô dinh dưỡng.

Cà phê nhân được bóc ra từ cà phê thóc Cà phê nhân có hình bầu dục, chiều dàikhoảng 1 cm, chiều rộng khoảng 0,5 cm.

Hình 1.2 Cà phê nhân.- Khối lượng riêng:  = 650 Kg/m3.

- Nhiệt dung riêng: c = 1,547 KJ/Kg.K.

1.2 Vai trò của cà phê.

Vài trò nổi bật nhất của cà phê là cà phê có thể giúp mọi người cảm thấy bớt mệt mỏivà tăng mức năng lượng Đó là do trong cà phê có chứa một chất kích thích gọi làcaffeine – một loại chất kích thích được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới Caffeineđược hấp thụ trực tiếp vào máu sau khi uống rồi di chuyển lên não Tại não, caffeinengăn chặn sự xuất hiện của một loại chất ức chế dẫn truyền thần kinh có tên làadenosine Khi adenosine bị ngăn chặn, nồng độ các chất hỗ trợ dẫn truyền thần kinhlà norepinephrine và dopamine tăng lên khiến cho các tế bào thần kinh tăng cường khảnăng dẫn truyền xung thần kinh đi khắp cơ thể Ngoài ra, cà phê còn rất nhiều cáccông dụng khác: hỗ trợ đốt cháy chất béo, cải thiện hiệu suất thể chất, phòng ngừađược nhiều loại bệnh nguy hiểm,….

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của nhân cà phê.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUY TRÌNH THIẾT BỊ SẤY.

2.1 Cơ sở lý thuyết.

Quá trình sấy là một quá trình truyền khối có sự tham gia của pha rắn rất phức tạp vìnó bao gồm cả quá trình khuếch tán bên trong và cả bên ngoài vật liệu rắn đồng thờivới quá trình truyền nhiệt Đây là một quá trình nối tiếp, nghĩa là quá trình chuyểnlượng nước trong vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi, sau đó tách pha hơi ra khỏi vật liệuban đầu.

Động lực của quá trình là sự chênh lệch độ ẩm ở trong lòng vật liệu và bên trên bề mặtvật liệu Quá trình khuếch tán chuyển pha này chỉ xảy ra khi áp suất hơi trên bề mặtvật liệu lớn hơn áp suất suất riêng phần của hơi nước trong môi trường không khí xungquanh Vận tốc của toàn bộ quá trình được quy định bởi giai đoạn nào chậm nhất.Ngoài ra tùy theo phương pháp sấy mà nhiệt độ là yếu tố thúc đẩy hoặc cản trở quátrình di chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt vật liệu sấy Trong các quátrình sấy thì môi trường không khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng rất lớn và trực tiếpđến vận tốc sấy.

2.2 Tổng quan về quy trình sấy.

Sấy (hay sấy khô) là một quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu bằng phươngpháp nhiệt Nhiệt cung cấp cho vật liệu ẩm bằng cách dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặcbằng năng lượng điện trường có tần số cao Mục đích của quá trình sấy là làm giảmkhối lượng của vật liệu, tăng độ liên kết bề mặt và bảo quản được tốt hơn.

Có 3 phương pháp làm khô vật liệu:

+ Phương pháp cơ học: Ở phương pháp này, chúng ta dùng các máy ép, máy lọc, máyly tâm… để tách nước Phương pháp này thường dùng làm khô sơ bộ, khi không cầnlàm khô triệt để vật liệu, khi lượng nước trong vật liệu rất lớn.

+ Phương pháp hóa lí: Ở phương pháp này, chúng ta dùng các hóa chất có tính hútnước, hút ẩm cao để tách ẩm ra khỏi vật liệu Phương pháp này tách nước khá triệt để,tuy nhiên đắt tiền và phức tạp Do đó, phương pháp này thường được dùng để tách ẩmtrong không khí nhằm bảo quản máy móc, thiết bị Các hóa chất thường được sử dụngnhư CaCl2 khan hoặc thông dụng nhất là Silica-gel,…

+ Phương pháp nhiệt: Ở phương pháp này, chúng ta dùng nhiệt năng để tách ẩm rakhỏi vật liệu Đây là phương pháp phổ biến và được dùng rộng rãi trong các ngànhcông nghiệp, kể cả trong đời sống.

Trong quá trình sấy, nước được bay hơi ở nhiệt độ bất kì do sự khuếch tán bởi sựchênh lệch độ ẩm ở bề mặt vật liệu Đồng thời bên trong vật liệu có sự chênh lệch ápsuất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh.

2.3 Phương pháp và thiết bị sấy.

Sấy có thể được chia ra hai loại : sấy tự nhiên và sấy bằng thiết bị (sấy nhân tạo).+ Sấy tự nhiên : quá trình phơi vật liệu ngoài trời, không có sử dụng thiết bị

+ Sấy nhân tạo: các phương pháp sấy nhân tạo thực hiện trong các thiết bị sấy Căn cứvào phương pháp cung cấp nhiệt có thể chia ra các loại : sấy đối lưu, sấy bức xạ, sấytiếp xúc, sấy thăng hoa, sấy bằng điện trường dòng cao tần, sấy điện trở…

Bảng 1.2 So sánh các phương pháp và thiết bị sấy.Phương pháp và thiết bị

sấy

Phơi và sấy bằng nănglượng mặt trời.

+ Công nghệ đơn giản,chi phí đầu tư và vậnhành thấp.

+ Không đòi hỏi cungcấp năng lượng lớn vànhân công lành nghề+ Có thể sấy lượng lớnvụ mùa với chi phí thấp.

+ Kiểm soát điều kiệnsấy rất kém

+ Tốc độ sấy chậm hơnso với với sấy bằng thiếtbị, do đó chất lượng sảnphẩm cũng kém và daođộng hơn.

+ Quá trình sấy phụthuộc vào thời tiết vàthời gian trong ngày.+ Đòi hỏi nhiều nhâncông.

Sấy đối lưu + Sức chứa lớn.

+ Giá thành và chi phíhoạt động thấp.

+ Dùng chủ yếu để sấykết thúc sau khi sảnphẩm được sấy trướcbằng các thiết bị sấykhác.

+ Do thiết bị có thể caođến vài mét nên cầnnguyên liệu có đủ độcứng cơ học để chống lạisức ép và duy trì khoảngcách giữa các hạt đểkhông khí nóng có thểlưu thông.

Hầm sấy + Có khả năng sấy lượnglớn nguyên liệu trongmột thời gian tương đốingắn.

+ Bị thay thế bằng sấytầng sôi do hiệu suấtnăng lượng của sấy hầmthấp hơn.

+ Chi phí lao động caohơn và chất lượng sảnphẩm không tốt bằng haiphương pháp sấy băng

chuyền và sấy tầng sôi

Sấy băng chuyền + Làm việc liên tục.+ Kiểm soát điều kiệnsấy tốt.

+ Năng suất cao, thườngđược dùng ở quy mô lớn(đến 5,5 tấn/h).

+ Diện tích và thiết bịlớn.

Sấy tầng sôi + Độ ẩm sản phẩm đồngnhất.

+ Dùng trong sản xuấtnhỏ theo mẻ.

Sấy phun + Quá trình sấy nhanh.+ Sản xuất liên tục ở quymô lớn.

+ Chi phí nhân côngthấp.

+ Vận hành bảo dưỡngđơn giản.

+ Chi phí đầu tư cao.+ Yêu cầu độ ẩm vật liệuban đầu cao.

+ Chi phí năng lượngcao.

+ Thiết bị sấy băngchuyền và sấy tầng sôiđang bắt đầu thay chổsấy phun do gọn hơn vàcó hiệu quả sử dụngnăng lượng tốt hơnSấy thăng hoa + Giúp cho sản phẩm

không chỉ giữ được màusắc, mùi vị, chất dinhdưỡng mà còn giữnguyên cấu trúc giúp sảnphẩm có độ xốp, giữhình dạng ban đầu saukhi sấy xong (là côngnghệ sấy tiên tiến nhất

+ Tốn kém.

+ Hoạt động theo mẻ.+ Chi phí vận hành cao.+ Yêu cầu nguyên liệuphải chịu được quá trìnhlạnh đông.

hiện nay, thường dùngcho các nguyên liệu đắttiền).

Sấy thùng quay + Diện tích bề mặt củanguyên liệu được phơibày tối đa trong khôngkhí nên tốc độ sấy caovà chất lượng sản phẩmsấy đồng đều

+ Đặc biệt thích hợp chocác loại nguyên liệu cókhuynh hướng bị rốihoặc dính vào nhautrong băng chuyền hoặckhay sấy.

+ Thiết bị chuyên dụngdùng để sấy hạt.

+ Nguyên liệu bị hư hạido va đập, cọ xát trongmáy, nên dùng cho cácloại hạt: đậu, cacao, càphê,…

CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH.

3.1 Chọn thiết bị sấy và phương thức sấy.

Trong hệ thống này, vật liệu sấy được đảo trộn mạnh, tiếp xúc với tác nhân sấy Do đótrao đổi nhiệt mạnh tốc độ sấy nhanh và độ đồng đều của sản phẩm cao Ngoài ra thiếtbị làm việc với năng suất cao và làm việc ở áp suất khí quyển.

Dây chuyền sấy cà phê bằng máy sấy thùng quay này rất phù hợp cho quy trình côngnghệ chế biến sản xuất cà phê hạt, độ ổn định cao, chất lượng cà phê đạt các yêu cầukỹ thuật

3.1.2 Chọn phương thức sấy

Để sấy cà phê hạt người ta dùng phương pháp sấy nóng và đối với cà phê thóc chỉ cònlớp vỏ trấu bên ngoài nên trong quá trình sấy bảo đảm không bị nhiễm bụi bẩn, nhiễmđộc và yêu cầu nhiệt độ sấy không quá cao nên ta chọn tác nhân sấy là không khí nóngvà tác nhân tải nhiệt là hơi nước để tiện cho việc điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy khicần thiết.

Thông thường chiều chuyển động của tác nhân sấy có thể cùng chiều, ngược chiều haychéo dòng Dựa vào tính chất vật liệu của cà phê nên ta chọn phương thức sấy cùngchiều vì tốc độ sấy ban đầu cao, ít bị co ngót, sản phẩm ít bị biến tính, giảm nguy cơhư hỏng do vi sinh vật, tránh sấy quá khô và tác nhân sấy khỏi mang theo vật liệu sấynhư sấy ngược chiều Mặt khác với nhiệt độ tác nhân sấy ban đầu không cao lắm thìkhi sấy cùng chiều vật liệu sấy và tác nhân sấy sẽ tiếp xúc tốt hơn, quá trình sấy diễnra nhanh hơn.

Chọn thiết bị làm việc gián đoạn vì sau một thời gian sấy sản phẩm đủ độ ẩm yêu cầuthì bắt đầu dừng thiết bị và tháo lắp ra Như vậy có thể điều chỉnh được lượng sảnphẩm ra nếu không đảm bảo chất lượng.

3.2 Hệ thống sấy thùng quay.

3.2.1 Sơ đồ hệ thống sấy thùng quay.

Sơ đồ 1: Sơ đồ hệ thống sấy thùng quay để sấy cà phê thóc.

Chú thích sơ đồ: (1): Quạt đẩy, (2): Calorifer, (3): Thùng sấy, (4): Băng tải, (5):Cyclone, (6): Quạt hút.

3.2.2 Thuyết minh sơ đồ.

Vật liệu sấy là cà phê thóc đã qua phân loại, tách vỏ và qua hệ thống sấy tĩnh để nângnhiệt độ lên gần nhiệt độ tác nhân sấy, để tránh hiện tượng chênh lệch nhiệt độ quá caogiữa tác nhân sấy và cà phê gây ra hiện tượng cháy cà phê Độ ẩm của cà phê lúc nàylà 25%.

Tác nhân sấy là không khí được quạt đẩy đưa vào calorifer gia nhiệt để nâng nhiệt độlên 80oC Tác nhân sấy vào cùng chiều với cà phê làm cho diện tích tiếp xúc giữa vậtliệu sấy và tác nhân sấy lớn, lúc này lượng nhiệt cung cấp cho tác nhân sấy và vật liệusấy cao làm cho lượng ẩm trên bề mặt vật liệu thoát ra nhanh hơn nên tốc độ sấy nhanhhơn Nhiệt độ tác nhân sấy sẽ giảm dần và khi ra khỏi thùng sấy thì nhiệt độ còn 40oC.Tại thùng sấy, cà phê sẽ đi sâu vào thùng sấy, được xáo trộn bởi các cánh đảo trộn đểnâng và đảo trộn vật liệu sấy do đó tăng cường bề mặt trao đổi nhiệt giữa vật liệu sấyvà tác nhân sấy.

Trong thùng, cà phê thóc được nâng lên ở độ cao nhất định rồi rơi xuống Trong quátrình đó vật liệu sấy được trao đổi nhiệt với tác nhân sấy và làm bay hơi ẩm Khi đi hếtchiều dài thùng sấy thì cà phê đảm bảo độ ẩm yêu cầu cần thiết cho quá trình bảoquản.

Sản phẩm sau khi sấy xong đi qua cửa tháo liệu trên thùng sấy và được tháo ra ngoàiqua cửa nhờ cơ cấu băng tải vận chuyển đi đóng gói Cơ cấu băng tải còn có tác dụnglàm nguội cà phê một cách tự nhiên trước khi đóng gói Còn tác nhân sấy đi quacyclone thu hồi bụi và được thải ra ngoài môi trường nhờ quạt hút

3.3 Biến đổi của nguyên liệu sau quá trình sấy.

Biến đổi vật lý

+ Khối lượng của vật liệu giảm.

+ Vật liệu chuyển từ trạng thái ẩm sang trạng thái khô.

+ Nhiệt độ vật liệu tăng.Biến đổi hóa học

+ Ở nhiệt độ cao, protein của hạt cà phê bị biến tính và keo tụ lại.

+ Chất béo trong hạt bị phân giải ở nhiệt độ cao, do đó làm hàm lượng axit béo tronghạt tăng lên.

+ Tinh bột trong hạt tạo thành dextrin dưới ảnh hưởng của nhiệt độ.+ Ở nhiệt độ cao, vitamin bị tổn thất nhiều.

Biến đổi hóa lý

Việc bốc hơi ẩm từ bề mặt tạo ra sự chênh lệch ẩm giữa lớp bề mặt và các lớp bêntrong vật liệu, kết quả là có sự khuếch tán ẩm từ các lớp bên trong ra lớp bề mặt củavật liệu.

Biến đổi cảm quan

Cà phê thóc ướt sau khi sấy đạt độ ẩm là 10% có màu sẫm hơn so với lúc trước khi vàomáy sấy độ ẩm là 25%.

Biến đổi sinh học

Biến đổi sinh học chủ yếu diễn ra trong quá trình sấy là sự ức chế và tiêu diệt các visinh vật trên bề mặt vật liệu.

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

4.1 Tính toán cân bằng vật chất.

4.1.1 Các thông số ban đầu.

Chọn các thông số cho tính toán như sau:

- Năng suất sấy: G2 = 2000 Kg/h- Độ ẩm vật liệu vào: W1 = 25%- Độ ẩm vật liệu ra: W2 =10%- Nhiệt độ của không khí: t0 = 300C- Độ ẩm tương đối của không khí:φ0 = 85%- Nhiệt độ TNS vào: t1 = 800C- Nhiệt độ TNS ra: t2 = 400C

4.1.2 Lượng sản phẩm vào thùng sấy.

100 −W2 = G2×W1−W2

100 −W1 (CT VII.27, Tr289, [1])<=> G1×25 −10

100 −10 = 2000 ×25 −10100− 25

Gk = G1×100 −W1

100 = G2×100 −W2

100= 2000 ×100− 10

4.1.5 Tính toán các thông số của không khí.

4.1.5.1 Tính toán các thông số của không khí ngoài trời.

Phân áp suất bão hoà của hơi nước theo nhiệt độPb = exp(233,59+t17 ×t0

x0: hàm ẩm ban đầu (Kg/KgKKK).

φ0: độ ẩm tương đối của không khí.

Pb: phân áp suất bão hòa của hơi nước (bar).Pkq: áp suất khí quyển (bar).

Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm

I0 = (1000 + 1,97 ×103× x0) ×t0+2493 ×103× x0 (CT VII.5, Tr273, [1])I0 = (1000 + 1,97 ×103× 0,0238) ×30+2493× 103× 0,0238

I0 = 90739,98 (J/KgKKK) = 90,74 (KJ/KgKKK)Thể tích riêng của không khí ẩm

R: hằng số khí, đối với không khí thì R = 287 (J/Kg.K)V0: thể tích riêng của không khí ẩm (m3/KgKKK)t0: nhiệt độ không khí (0C)

φ0: độ ẩm tương đối của không khí

Pkq = 0,981 ×105: áp suất khí quyển (N/m2)Pb: phân áp suất bão hòa của hơi nước (bar)

4.1.5.2 Tính toán thông số của không khí khi ra khỏi calorifer.

Hàm ẩm của không khí là không thay đổit1 = 80ºC

x1 = x0 = 0,0238 (Kg/KgKKK)

Phân áp suất bão hoà của hơi nước theo nhiệt độPb1 = exp(233,59+t17 ×t1

1 - 5,093)

Pb1 = exp(233,59+8017 ×80 - 5,093) = 0,469 (bar) (CT II.30, Tr31,[2])

Ta có: x1 = x0 = 0,0238 (Kg/KgKKK)Suy ra: 0,622×ω1× Pb 1

Pkq−ω1× Pb 1 = 0,0238<=> 0,622×ω1×0,469

0,981− ω1×0,469 = 0,0238<=> ω1 = 7,71%

Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm

I1 = (1000 + 1,97 ×103× x1) ×t1+2493 ×103× x1 (CT VII.5, Tr273, [1])I1 = (1000 + 1,97 ×103× 0,0238) × 80+2493× 103×0,0238

I1 = 143084,28 (J/KgKKK) = 143,084 (KJ/KgKKK)Thể tích riêng của không khí ẩm

4.1.5.3 Tính toán thông số của không khí khi ra khỏi buồng sấy.

Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm không đổi: I1 = I2 = 143,084 (KJ/KgKKK)Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi máy sấy: t2 = 40ºC

Phân áp suất bão hoà của hơi nước theo nhiệt độPb2 = exp(233,59+t17 ×t2

Pb2 = exp(233,59+4017 × 40 - 5,093) = 0,0737 (bar)Ta có: I1 = I2 = 143,084 (KJ/KgKKK)

Suy ra:

I2 = (1000 + 1,97 ×103× x2) ×t2+2493 ×103× x2 (CT VII.5, Tr273, [1])<=> I2 = (1000 + 1,97 ×103× x2) × 40+2493 ×103× x2 = 143084,28=> x2 = 0,04 (Kg/KgKKK)

Ta có:

x2 = 0,622×ω2× Pb 2

Pkq−ω2× Pb 2 = 0,04 (CT VII.3, Tr273, [1])<=> x2 = 0,622×ω2×0,0737

0,981− ω2×0,0737 = 0,04=> ω2 = 80,43%

Thể tích riêng của không khí ẩmv2 = R × (t¿¿2+273)

v2 = 287 ×(40+273)

0,981× 105− 0,8043 ×0,0737 ×105=¿0,9746 (m3/KgKKK)

4.1.5.4 Kiểm tra nhiệt độ đọng sương.

Tại nhiệt độ đọng sương ta có: ω=1

Áp suất hơi bão hoà tại nhiệt độ đọng sươngTa có:

x2 = 0,622×ω2× Pb

=> Chênh lệch nhiệt độ này là hợp lí, vậy thông số đã chọn là chính xác.

4.1.5.5 Cân bằng vật liệu cho tác nhân sấy (theo lượng ẩm).

Coi không khí khô đi qua máy sấy không bị mất đi trong quá trình sấyLượng không khí khô tiêu tốn trong quá trình sấy: L (KgKKK/h)

Khi làm việc ổn định thì không khí sấy mang theo lượng ẩm: L.x1 (Kg/h)Sau khi sấy lượng ẩm bốc ra từ vật liệu: W (Kg/h)

Lượng ẩm không khí ra khỏi máy sấy: L.x2 (Kg/h)

Lúc này ta có phương trình cân bằng vật liệu theo lượng ẩm:

V1 = v1× L = 1,072 × 24691,4 = 26469,2 (m3/h)

Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy đi ra khỏi máy sấy

V2 = v2× L = 0,9746 × 24691,4 = 24064,2 (m3/h)Lưu lượng thể tích trung bình

Vtb = V1+V2

2 = 26469,2+ 24064,22 = 25266,7 (m3/h)

Bảng 4.1 Tổng kết cho vật liệu sấy.

G1: khối lượng vật liệu vào thùng sấy (Kg/h) 2400G2: khối lượng vật liệu ra khỏi thùng sấy (Kg/h) 2000Gk: khối lượng vật liệu khô tuyệt đối (Kg/h) 1800

Bảng 4.2 Tổng kết cho tác nhân sấy.

t0 (ºC) x (Kg/KgKKK) ϕ (%) I (KJ/KgKKK)Trước khi vào calorifer 30 0,0238 85 90,70

Sau khi ra khỏi calorifer 80 0,0238 7,71 143,0379Sau khi ra khỏi buồng sấy 40 0,04 80,43 143,0379

4.2 Tính toán cân bằng nhiệt lượng.

Gọi: tvl1: nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy, thường lấy bằng nhiệt độ môi trườngtvl1 = to = 30oC

tvl2: nhiệt độ cuối của vật liệu sấy khi ra khỏi thiết bị sấy lấy nhỏ hơn tác nhân sấy từ(5°C ÷10oC)

Cvlk là nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối Cvlk = 1,547 ( kJ/kg.K)Cvl = 1,547.(1 – 0,1) + 4,1816.0,1 = 1,81046 (kJ/kg.K)

Trong quá trình sấy lý thuyết thì không bổ sung nhiệt lượng thêm, không tổn thất nhiệtqua kết cấu bao che cũng như là tổn thất nhiệt do thiết bị chuyển tải:

QBS = QBC = QCT = 0

4.2.1 Nhiệt lượng cần đưa vào thiết bị sấy.

+ Nhiệt lượng do tác nhân sấy mang vào: qkkv

qkkv = 61,73×90,70 = 5598,6207 (kJ/kgkk ẩm) + Nhiệt lượng do calorifer cung cấp: qs

qs = l.(I1 - I0) (CT 7.16, Tr131, [2])qs = 61,73.(143,0379 – 90,70) = 316,8305 (kJ/kgkk ẩm)

+ Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: qvls

qvls = (G2× Cvl×tvl 1+W ×Cn× tvl 1)÷W (Tr135, [2])= (2000×1,81046×30 + 4,1816×30×400)÷400 = 397,017 (kJ/kgkk ẩm)+ Tổng lượng nhiệt vào:

åqv = qkkv + qs + qvls =5598,6207+316,8305+397,017= 9226,74483 (kJ/kg)

4.2.2 Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy

Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi: qkkr

qkkr = l.I2 =61,73.143,0379= 8829,72783 (kJ/kg) (CT7.16,Tr131,[2])Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: qvlr

qvlr =G2 Cvl tvl 2w (Tr135,[2])= 2000.1,81046.35400 = 316,8305 (kJ/kg)

Nhiệt lượng tổn thất qua vỏ thiết bị ra môi trường xung quanh: qm

qm= K F Δttw (CT7.41,Tr142,[2])

Với: F: diện tích bề mặt xung quanh máy sấy

∆t: hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy với môi trường xung quanhw: lượng ẩm bay hơi

K: hệ số truyền nhiệt Tính toán hệ số truyền nhiệt

K =11

λ: tổng nhiệt trở của máy sấy

α2: hệ số cấp nhiệt của thành thùng ra môi trường xung quanhTính hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến bề mặt trong của thùng sấyTa có: α1 = k.(α1’ + α1’’)

+ Nhiệt độ trung bình của không khí vào máy sấy: ttb=t1+t2

Trong đó M’ = 10e-2×M , với M là hệ số phụ thuộc vào đường kính trung bình củahạt.

Chọn đường kính trung bình hạt cà phê là d = 650 mmTra bảng 10.3 (Tr210, [2]), ta có:

M = 0,53 -> M’ = 5,3.10-3

Suy ra: τ = ((ω1− ω2)

M ' -3)×11,11 = ((0,25 − 0,1)

5,3.1 0− 3 -3)×11,11 = 2,279 (giờ) = 136,77 (phút)+ Thể tích thùng sấy: V = G1.t

Gv b = G1 t

r b (CT10.3,Tr208,[2])Trong đó:

+ Tính đường kính và chiều dài thùng sấy:

Theo kinh nghiệm người ta lấy quan hệ giữa chiều dài và đường kính:

Chọn tỉ lệ: DL= 5 hay L = 5D

Khi đó đường kính thùng sấy được xác định:V =π D2 L

4 = π D2.5 D4D =3

√4 V5 π = 3

√4.33,6665 π = 2,0466 (m)L = 5D = 5×2,0466 = 10,2332(m)+ Tiết diện tự do của thùng sấy:Ftđ=(1 − β)π D

Vtb= 25142,06 m3/h = 6,9839 m3/sωlt = VtbFtd ¿6,9839

2,467 = 2,831 (m/s) (Tr219,[2])+ Chế độ chảy của tác nhân sấy trong thiết bị:

Chuẩn số Reynolds:Re = ω¿ D ρ

m =ω¿ D

Với

V = 1,897e-5 (m2/s) là độ nhớt động học của không khí

D: kích thước hình học xác định theo đường kính tương đươngNên: Re= 2,8305.2,0466

1,897.10− 5 = 305377,5979

Chuẩn số Nusselt đối với chất khí:

Vì Re > 104 nên tác nhân sấy chuyển động tương ứng với chế độ chảy rối (Tr13,[4])Khi đó: Nu = 0,018.ε1.Re0,8 (CTV.42,Tr16,[4])Với: ε1 là hệ số phụ thuộc vào tỉ lệ L/D và Re

Mà L/D = 5 và Re = 305377,5979; nên: ε1 = 1,134 (BảngV.2,Tr15,[4])Nên: Nu = 0,018×1,134×305377,59790,8 = 498,6035

D

λ (Tr15,[4])Hệ số cấp nhiệt α1’¿0,01816.498,6035

2,0466 = 4,4235 (W/m2.độ)Tính α1”:

+ Chuẩn số Gratkov: đặc trưng cho chế độ chuyển động trong đối lưu tự nhiên Gr¿g D3 β ∆ t

Trong đó:

g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s2)

β: hệ số dãn nở thể tích theo nhiệt độ của chất tải nhiệt (độ-1)

∆t: hiệu số nhiệt độ giữa tác nhân sấy vào và tác nhân sấy ra v: độ nhớt động lực học (m2/s)

Nên: Gr = 9,81.2,0466

3.(80− 40)

(1,897.10− 5)2 = 3,4e10+ Chuẩn số Nusselt:

= 0,47×3,4e100,25 = 202,29 Hệ số cấp nhiệt α1”:

α1’’ = λ NuD = 0,01816.202,29142,0466 = 1,79466(W/m2.độ)Vậy: α1 = k.(α1’ + α1’’)

Tính α2’:

Chọn nhiệt độ thành ngoài của máy sấy (phần tiếp xúc với không khí) là t3= 340C.Đây là nhiệt độ an toàn thích hợp để tác nhân sấy sau khi truyền qua thành thùng vàlớp cách nhiệt không quá nóng cho người lao động.

Thùng đặt nằm ngang với góc nghiêng nhỏ nên xem như là hệ số cấp nhiệt của ốngnằm ngang khi không khí có thể tích lớn nhất và chuyển động tự do.

Xem như nhiệt độ trong quá trình truyền qua bề dày thân thùng là không đổi.

Chọn vật liệu làm thùng sấy là thép CT5 (hệ số kéo giãn và hệ số dẫn nhiệt ở mức kháthấp) và vật liệu cách nhiệt là bông thủy tinh

Tra bảng I.126 (Tr128, [3]) ta có được 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 và bảng XII.7(Tr313,[4]) ta được hệ số dẫn nhiệt của CT5 là 50(W/m.độ), ta được bảng sau:

Bảng 4.4 Các thông số của tác nhân sấy bên ngoài thùng sấyThông số Ký hiệu Đơn vị Nguồn công thức Giá trị

Hệ số dẫn nhiệt λ0 W/m.độ Bảng I.255,Tr318,[3] 0,0267Độ nhớt μ0 N.s/m2 Bảng I.255,Tr318,[3] 1,865e-5Áp suất tuyệt đối ptd At Bảng I.250,Tr312,[3] 0,0433Khối lượng riêng ρ0 Kg/m3 Bảng I.255,Tr318,[3] 1,165Độ nhớt động v0 m2/s Bảng I.255,Tr318,[3] 1,6e-5

+ Chuẩn số Gratkov:Gr = g Dng3 β ∆ t

Dng =0,0267 ×124,992,1466 = 1,55463 (W/m2.độ).Tính α2”:

[4])Trong đó:

T1: nhiệt độ tuyệt đối của thành máy sấy (K), T1 = 34 + 273,15=307,15T2: nhiệt độ của môi trường (K), T2 = 30 + 273,15=303,15

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 thểnên độ đen của hệ xem như bằng độ đen của vật thể:

Suy ra: α2” =5,7×0,8

[(307,15100 )¿¿4 −(303,15100 )4](307,15 −303,15) ¿

= 5,18302 (W/m2.độ)

Vậy: α2=α2'+α' '2 = 1,55463 + 5,18302 = 6,73765 (W/m2.độ)Hệ số truyền nhiệt K:

Hệ số truyền nhiệt K đối với tường hình ống có chiều dày không dày lắm so với đườngkính, khi bỏ qua nhiệt trở của lớp cách nhiệt:

K =

α 1+∑δnλn+

α 2 =

50 +0,0360,0372+

0,00650 +

6,7377 = 0,7997 (W/m2.K) (CT7.42,Tr142,[3])

Tính bề mặt truyền nhiệt F:Đường kính trung bình máy sấy: Dtb = D+ Dng

Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình:

∆tc: Hiệu số nhiệt độ của không khí tác nhân sấy ra và nhiệt độ môi trường, ∆tc = t2 – t0

∑qr = qkkr + qvlr + qm

= 8829,7278 + 316,8305 + 3,6923 = 9150,2506 (kJ/kg ẩm)Suy ra:

Sai số trong quá trình sấy lí thuyết:

∆q=∑qv− ∑qr∑qv

.100= 9226,7448− 9150,25069226,7448 100 = 0,829 % < 5%

Sai số này là cho phép trong tính toán nên các lựa chọn thông số là chính xác.

4.3 Tính toán quá trình sấy thực tế

4.3.1 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 = G2×Cvl×(tvl 2−tvl 1)

w = 2000× 1,81046 ×(35 − 30)400 = 45,2615 (kJ/kg)Suy ra:

Δ = 4,1816×30 – (45,2615 + 3,6923) = 76,494 (kJ/kg)

4.3.2 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, [2])Trong đó : Cpk : nhiệt dung riêng của không khí khô.

Cpa : nhiệt dung riêng của hơi nước.Chọn Cpk = 1,004 ; Cpa = 1,842.

Suy ra: Cdx(x1) = 1,004 + 1,842.0,0238 = 1,0478 (kJ/kgkkk) + Lượng ẩm chứa x2 của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực:i'2 = 2500 + 1,842.t2 (CT7.10,Tr138,[6])

= 2500 + 1,842.40 = 2573,68 (kJ/kg)Ta có: x2'= x1+Cxd.(x1).(t1−t2)

i2' (CT 7.9, Tr130, [2]) =0,0238+1,0 478 (80 − 40)

25 73,68 = 0,04 (kg ẩm/kgkkk)+ Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm:

I2'= Cpk.t2 + x2'.i'2 (CT 7.33, Tr138, [2]) = 1,004.40 + 0,04 2573,68 = 143,3 (kg/kgkkk)

Trong đó:

Pb2 = 0,0737 (bar)

qs' = l'.(I2'− I0)

= 61,73.(143,3– 90,7) = 3247 (kJ/kg ẩm)+ Tổng lượng nhiệt mang vào:

∑qv' = qkkv + qvls + qs'

= 5598,6207 + 397,017 + 3247 = 9242,6377 (kJ/kg ẩm) Nhiệt ra

+ Nhiệt do không khí mang ra: