Để tính toán được các vấn đề về cân bằng năng lượng, cân bằng vậtchất cần phải tra các thông số cần thiết dựa trên nguyên liệu được chỉ định là tinh bộtgạo nếp, các dữ liệu ban đầu được
TỔNG QUAN
Tổng quan về nguyên liệu
1.1.1 Giới thiệu về gạo nếp
Gạo nếp là một loại gạo có hạt tròn, màu trắng sữa, có độ dẻo cao sau khi nấu chín Khác với gạo thường, gạo nếp có hàm lượng tinh bột cao hơn, tạo nên cảm giác dẻo và nhờn Gạo nếp thường được sử dụng để làm các món ăn truyền thống như xôi, bánh chưng, bánh giầy, và nhiều món ăn khác.
Nguồn gốc của gạo nếp có thể được tìm thấy ở các nước Đông Nam Á như Việt Nam, Thái Lan, Lào, Campuchia và Myanmar Gạo nếp là loại cây trồng thích nghi với khí hậu nhiệt đới và đất đai phù hợp Nó được trồng chủ yếu để thu hoạch hạt gạo nếp, mà sau đó được chế biến thành các sản phẩm ăn được. Để phân biệt gạo nếp với gạo thường, có một số đặc điểm nhận dạng Gạo nếp thường có hạt tròn và nhỏ hơn so với gạo thường Khi nấu chín, gạo nếp có cảm giác nhờn và dẻo hơn, trong khi gạo thường có cảm giác hạt cơ bản Màu sắc của gạo nếp cũng thường là màu trắng sữa, trong khi gạo thường có thể có màu trắng hoặc vàng nhạt.
Nhờ vào những đặc điểm trên, người ta có thể phân biệt gạo nếp và gạo thường để sử dụng phù hợp trong các món ăn Gạo nếp thường được ưa chuộng trong các món xôi ngọt và mặn, trong khi gạo thường thích hợp cho các món ăn như cơm rang, cơm chiên, hay cháo.
1.1.2 Cấu trúc và thành phần của gạo nếp a Cấu trúc của gạo nếp
Cấu trúc của hạt gạo nếp bao gồm ba phần chính: lớp vỏ, lớp nồi và lõi.
Lớp vỏ là phần bên ngoài của hạt gạo nếp, có màu nâu hoặc nâu sẫm Lớp vỏ bảo vệ hạt gạo khỏi sự tác động của môi trường bên ngoài Nó chứa nhiều chất xơ và các chất dinh dưỡng quan trọng như vitamin B.
Tiếp theo là lớp nồi, nằm ngay dưới lớp vỏ Lớp nồi có màu trắng và là phần chính chứa tinh bột trong hạt gạo nếp Tinh bột là chất chính cung cấp năng lượng và tạo nên đặc tính nhão, mềm của gạo nếp.
Cuối cùng, lõi là phần giữa của hạt gạo nếp Lõi có màu vàng nhạt và chứa nhiều dinh dưỡng như protein, chất xơ, lipid và các chất khoáng Lõi cũng cung cấp hương vị và mùi thơm đặc trưng cho gạo nếp. b Thành phần chính của gạo nếp
Protein: Gạo nếp cũng chứa một lượng nhất định protein Protein trong gạo nếp cung cấp các axit amin cần thiết cho cơ thể, giúp xây dựng và sửa chữa các tế bào, mô cơ và mô xương.
Chất xơ: Gạo nếp cũng cung cấp một lượng nhất định chất xơ Chất xơ làm tăng sự no căng, giúp duy trì sự tiêu hóa đều đặn và giúp kiểm soát đường huyết.
Lipit: Lipit là thành phần chứa chất béo trong gạo nếp Mặc dù lượng lipit trong gạo nếp không cao, nhưng chúng cung cấp năng lượng và giúp hấp thụ các vitamin trong hạt gạo nếp.
Các chất khoáng: Gạo nếp cũng chứa các chất khoáng như sắt, mangan, kẽm và các chất khoáng khác Các chất khoáng này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự hoạt động của cơ thể, hỗ trợ quá trình trao đổi chất và tăng cường hệ thống miễn dịch.
Tinh bột trong gạo nếp:
Là thành phần chính và quan trọng trong hạt gạo nếp Nó là một loại polysaccharide tụ điều đặc biệt, gồm nhiều đơn đường glucose liên kết với nhau Tinh bột có thể tạo thành mạng lưới trong hạt gạo nếp, tạo nên độ nhão và độ dẻo của gạo nếp chín. Để có được gạo nếp mềm và nhão, cần nấu chín tinh bột trong hạt gạo nếp Quá trình nấu chín tinh bột trong gạo nếp yêu cầu thời gian và nhiệt độ phù hợp Khi nấu, tinh bột sẽ hấp thụ nước và phồng lên, tạo ra sự mềm mịn và nhão của gạo nếp.
Quá trình nấu chín tinh bột trong gạo nếp cần đảm bảo đủ nhiệt độ và thời gian để tinh bột hoàn toàn chín Nếu không nấu chín kỹ, gạo nếp có thể còn cứng và khó tiêu hóa. Ngược lại, nấu quá lâu có thể làm mất đi độ nhão và độ dẻo của gạo nếp.
1.1.3 Thành phần dinh dưỡng có trong gạo nếp
Gạo nếp là nguồn nguyên liệu chứa nhiều vitamin bao gồm vitamin A, C hay
D, vitamin B-1, vitamin B-2, vitamin E; các chất khoáng Mg, P, K, Ca cùng lượng protein dồi dào Đây là những thành tố hết sức quan trọng trong việc cung cấp các dinh dưỡng để cơ thể hoạt động khỏe mạnh.
Gạo nếp không chứa gluten tiêu hóa (nghĩa là không chứa glutenin và gliadin), do vậy an toàn cho chế độ ăn không có gluten Điểm phân biệt gạo nếp với các loại gạo khác là gạo nếp không chứa amyloza hoặc chứa không đáng kể, ngược lại chứa hàm lượng amylopectin rất cao Chính amylopectin tạo ra tính chất dính của hạt gạo nếp.
Giá trị dinh dưỡng có trong 100g gạo nếp:
Carbonhydrate 74,9g trong đó có 0,6g chất xơ
1.1.4 Ứng dụng của tinh bột gạo nếp Ứng dụng trong giặt là: Từ rất lâu người ta đã sử dụng tinh bột gạo để làm chất tẩy trắng cho quần áo giúp sợi vải được mềm, tạo khả năng chống bám đất và loại bỏ vi khuẩn khỏi quần áo và giúp việc phơi quần áo dễ dàng hơn Ứng dụng trong chế biến thực phẩm: Là một nguyên liệu cần thiết cho đời sống, gạo từ xa xưa đã là món ăn chính cho chúng ta đặc biệt là các nước châu Á, nó được sử dụng đầu tiên là nấu gạo thành cơm làm món chính cho tất cả món ăn cho gia đình Bây giờ người ta đã chế biến món mới hơn với tinh bột gạo, cũng là góp phần xây dựng nên những món ngon như: bánh cuốn, bánh canh, bánh xèo, bánh đậu, bánh xèo,
Tổng quan về phương pháp sấy
1.2.1 Khái niệm quá trình sấy
Sấy là quá trình dùng nhiệt năng làm bay hơi nước khỏi vật liệu Có hai phương pháp sấy: tự nhiên và nhân tạo Sấy tự nhiên tận dụng năng lượng mặt trời, gió, ít tốn nhiệt nhưng không chủ động điều chỉnh tốc độ quá trình Ngược lại, sấy nhân tạo sử dụng năng lượng do con người tạo ra, chủ động kiểm soát tốc độ và năng suất cao hơn.
Trong quá trình sấy nước được cho bay hơi ở nhiệt độ bất kỳ do sự khuếch tán bởi sự chênh lệch độ ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu và bởi sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh Sấy là quá trình không ổn định, độ ẩm của vật liệu thay đổi theo không gian và thời gian.
1.2.2 Các biến đổi của quá trình sấy
Biến đổi vật lý: thể tích, khối lượng riêng tăng, giảm khối lượng do nước bay hơi.
Biến đổi hóa lý: khuếch tán ẩm Trong giai đoạn đầu, ẩm khuếch tán từ lớp ngoài nguyên liệu vào bên trong nguyên liệu do giãn nở vì nhiệt Đây là sự dời ẩm gây lên sự chêch lệch nhiệt độ các thành phần khác nhau của nguyên liệu sấy.
Biến đổi hóa học: tốc độ phản ứng hóa học tăng lên Do nhiệt độ nguyên liệu tăng như phản ứng oxy hóa khử Tốc độ phản ứng hóa học chậm đi do môi trường nước bị giảm dần Hàm ẩm giảm dần trong quá trình sấy.
Biến đổi sinh họá: giai đoạn đầu của quá trình sấy Nhiệt độ tăng dần và chậm tạo ra sự hoạt động mạnh mẽ của các hệ enzyme oxy hóa khử Gây ảnh hưởng xấu đến nguyên liệu Giai đoạn sấy, hoạt độ enzyme giảm vì lượng nước giảm Giai đoạn cuối, enzyme oxy hóa khử tiếp tục hoạt động yếu trong thời gian bảo quản Đến giai đoạn nào đó có thể phục hồi khả năng hoạt động.
Biến đổi sinh học: cấu tạo tế bào thường xảy ra hiện tượng tế bào sống biến thành tế bào chết Do nhiệt độ làm biến tính không thuận nghịch chất nguyên sinh và nước.
Tổng quan về sấy khí thổi
Máy sấy bằng khí thổi thuộc loại máy sấy đối lưu với vật liệu được vận chuyển. Máy sấy khí thổi dùng để sấy các vật liệu dạng hạt hay tinh thể dễ tách ẩm.
1.3.2 Các thiết bị và chi tiết
Thiết bị chủ yếu của hệ thống sấy khí động gồm phễu chứa nguyên liệu, bộ phận cấp liệu, ống sấy, cyclon, quạt Tác nhân sấy có tốc độ cao đi vào một đầu ống sấy và kéo theo dòng vật chất cần sấy từ bộ phận cấp liệu Quá trình trao đổi nhiệt ẩm được tiến hành giữa dòng vật liệu sấy cùng chuyển động với dòng tác nhân sấy từ đầu này đến đầu kia của một ống hình trụ tròn Vì vậy hệ thống sấy khí thổi còn gọi là hệ thống sấy ống
Thiết bị chính của hệ thống sấy khí thổi là hệ thống ống sấy Hệ thống ống sấy gồm các ống hình trụ tròn, được ghép với nhau nhờ các bích ống sấy Tùy vào năng suất mà người ta thiết kế các hệ thống đường ống có chiều dài phù hợp Ngày nay hệ thống ống sấy được thiết kế với nhiều hình dạng, nhưng ống sấy dạng hình chữ U ngược được ứng dụng nhiều nhất vì cho hiệu quả kinh tế cao.
Caloriphe khí-hơi 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 Do hệ số trao đổi nhiệt khí ngưng của hơi nước rất lớn so với hệ thống trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ngoài của ống với không khí Theo lý thuyết truyền nhiệt, phía không khí thường được làm cánh để tăng cường truyền nhiệt Như vậy caloriphe khí - hơi trong kỹ thuật sấy thường là loại vách ngăn có cánh.
Cyclone được sử dụng để thu hồi sản phẩm sấy bay theo tác nhân hoặc khử bụi trước khi thải tác nhân sấy ra môi trường trong hệ thống sấy khí thổi Cyclon hoạt động theo nguyên lý ly tâm với kích thước diện tích tiết diện ống chính giữa bằng (3 ÷ 4) lần tiết diện của kênh dẫn Tốc độ tác nhân sấy trong kênh dẫn không vượt quá (20 ÷ 25)m/s Thể tích cyclone tính theo lưu lượng tác nhân sấy nên lấy xấp xỉ 0,6m3 cho một m3/s tác nhân sấy đưa vào Tùy vào lưu lượng tác nhân sấy ra khỏi thiết bị sấy mà ta bố trí 1 hoặc nhiều cyclone dựa trên số liệu thực nghiệm này.
Quạt: Để vận chuyển tác nhân sấy trong các hệ thống sấy thường dùng 2 loại quạt là quạt ly tâm và quạt hướng trục Chọn loại quạt nào tùy thuộc vào đặc trưng của hệ thống sấy, trở lực mà quạt phải khắc phục và năng suất mà quạt cần tải đi cũng như nhiệt độ, độ ẩm của tác nhân sấy Khi chọn quạt thì giá trị cần xác định là hiệu suất quạt.
Vít tải thuộc bộ phận vận chuyển không có thiết bị kéo Chi tiết chính của vít tải là vít tải xoắn chuyển động quay một vỏ kính có tiết diện tròn ở dưới Khi vít chuyển động, cánh xoắn đẩy vật liệu di chuyển trong vỏ Vật liệu vận chuyển không bán vào cánh xoắn là nhờ trọng lượng của nó và lực ma sát giữa vật liệu và vỏ máng, do đó vật liệu chuyển động trong mang theo nguyên lý truyền động vít-đai ốc.
Vít tải dùng để vận chuyển vật liệu tơi vụn theo phương nằm ngang, thẳng đứng hoặc nằm nghiêng.
Tác nhân sấy là không khí nóng.
Không khí được gia nhiệt bằng caloriphe hơi nước bão hòa: hơi nước (hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt) được dẫn từ lò hơi đến sẽ đi trong các ống trao đổi nhiệt Bên ngoài không khí sẽ được hệ thống quạt lưu lượng cấp vào đi qua hệ thống ống trao đổi nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt caloriphe, dàn ống trao đổi nhiệt được bố trí sao cho không khí nhận được nhiệt lượng lớn nhất có thể khi đi qua bộ trao đổi nhiệt calorifer.
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy khí thổi
3 Ống dẫn tác nhân sấy
6 Hệ thống đỡ thiết bị
Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng
Các thông số ban đầu
Độ ẩm ban đầu: w 1 = 25% (kg ẩm/kg vật liệu ướt) Độ ẩm cuối: w 2 = 12% (kg ẩm/kg vật liệu ướt)
Năng suất xuất liệu: 2000 kg/h Đường kính trung bình của khối hạt: d tb = 25.10 −5 m.
Nhiệt dung riêng (vật liệu khô): C= 1,5 kJ/kg.K
Nhiệt dung riêng của nước: 4,187 kJ/kg.K
Chọn thời gian sấy tinh bột gạo nếp là 6 giây vì thời gian sấy tinh bột thường rất ngắn, thông thường chỉ từ 5÷7 giây.
Các thông số ứng với trạng thái sấy được trình bày dưới đây:
Trạng thái A: không khí trước khi vào calorife:
Áp suất khí trời B= 745mmHg= 745 750 bar
Ta tính các thông số còn lại của không khí trước khi vào calorife:
-Áp suất hơi bão hòa:
-Hàm ẩm không khí d 0 =0,621× φ 0 P bh 0
Với P là áp suất khí quyển
Trạng thái B: không khí sau khi qua calorife, trước khi vào tháp sấy
Chọn nhiệt độ tác nhân sấy trước khi vào tháp sấy t1 = 100 o C.
-Áp suất hơi bảo hòa của không khí:
Khi đi qua calorife không khí chỉ thay đổi nhiệt độ còn hàm ẩm không thay đổi
d 0 = d 1 = 0,0192 (kg ẩm/kg kk) Độ ẩm của không khí: φ 1 = B d 1
→ Lượng nhiệt calorifer cần cung cấp để đốt nóng một kg kk từ trạng thái A đến
Trạng thái C: không khí sau khi ra khỏi tháp sấy
-Chọn nhiệt độ tác nhân sấy khi ra tháp sấy t2 = 40 o C.
-Áp suất hơi bão hòa của không khí:
=¿0,0732 ¯¿ Entanpi của không khí: I2 =I1 = 151,94 ( kJ/kg kk)
-Độ ẩm tương đối của không khí: φ 2 = B∗d 2
=> Độ ẩm thỏa mãn: 80% ≤ φ 2 ≤90% nên ta lấy t 2@℃ là phù hợp
Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn các trạng thái của quá trình sấy lý thuyết
Nhiệt độ của vật liệu sấy vào thiết bị trong trường hợp bình thường bằng nhiệt độ môi trường: θ 1=t 0 = 27℃
Nhiệt độ ra khỏi thiết bị của vật liệu sấy theo kinh nghiệm lấy nhỏ hơn nhiệt độ tác nhân sấy cùng vị trí từ (5℃ ÷10℃), θ 2 = 35℃
Thông số A (Điểm bđ) B (Điểm 1) C (Điểm 2) t ( o C) 27 100 40 φ (%) 84 3 86,7
Hàm ẩm d (kg/kgkkk) 0,0192 0,0192 0,043Hàm nhiệt I (kj/kgkkk) 76,06 151,94 151,94Bảng 3.1 Bảng thông số của quá trình sấy lý thuyết
Cân bằng vật chất
Dựa vào sách Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm
Tập 4 (tr288) để tính cân bằng vật chất của quá trình sấy.
Sấy tinh bột gạo nếp năng suất 2000 kg/h → Năng suất xuất liệu là G2 = 2000 kg/ h.
Lượng ẩm bay hơi trong quá trình sấy:
Ta tính được năng suất nhập liệu G1:
Máy sấy khí thổi thuộc loại máy sấy đối lưu, do đó cần cân bằng giữa lượng vật liệu sấy và lượng không khí tiêu tốn (L kg/h) Điều này đảm bảo duy trì lượng không khí khô thích hợp để đạt hiệu quả sấy mong muốn Lượng không khí tiêu tốn được coi là không bị mất mát trong quá trình sấy, do đó nó đóng vai trò quan trọng trong việc xác định công suất và hiệu suất của máy sấy.
Lượng không khí khô tiêu tốn chung:
Lượng không khí khô tiêu tốn riêng cho 1 kg ẩm bốc hơi: (lượng tiêu hao riêng) l 0 =L 0
Cân bằng năng lượng
Quá trình sấy lý thuyết
Ta có lượng nhiệt cần thiết để làm bay hơi 1kg ẩm (nhiệt lượng tiêu hao) q 0 =l 0 (I 2 −I 0 )B, 0167.(151,94−76,06)188.2338( kg ẩm kJ )
Nguyên tắc của cân bằng nhiệt là nhiệt lượng đi vào phải bằng nhiệt lượng ra khỏi thiết bị.
Tổng nhiệt lượng đi vào máy sấy (∑Q vào):
Do vật liệu vào: G 1 C vl θ 1 =G 2 C vl θ 1 +W C n ướ c θ 1
Do bộ phận vận chuyển: G vc C vc t đ
Tổng nhiệt lượng đi ra khỏi máy sấy (∑Q ra):
Do vật liệu sấy: G 2 C vl θ 2
Do bộ phận vận chuyển: G vc C vc t c
Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh: Q mt
Ta có phương trình cân bằng nhiệt của hệ thống sấy thực tế
L ( I 1 – I 0 )+G 2 C vl θ 1 +W C nước θ 1 +G vc C vc t đ =L.( I 2 – I 0 )+G 2 C vl θ 2 +G vc C vc t c +Q mt (¿) Chú ý rằng G 2=G 1 −W (theo cân bằng vật chất) và xem gần đúng C v 2=C v1 =C v ta thu được nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy thực bằng Q= L ( I 2 – I 0 )
Tổng năng lượng cần thiết cho quá trình sấy:
Q=L ( I 2 – I 0 )+ G 2 C vl ( θ 2−θ 1 ) – W C nước θ 1 +Q mt +G vc C vc (t c −t đ ) Đặt Q vl =G 2 C vl (θ 2 −θ 1 )
Ta có hệ thống sấy khí khổi GvcCvc.(tc – tđ) = 0
Nếu viết cho một kg ẩm cần bốc hơi thì lấy dạng q=l ( I 2 – I 0 )+ q vl – C nước θ 1 +q mt Đặt ∆=C nước θ 1 –(q vl +q mt )
Vậy ∆ chính là tổng nhiệt lượng bổ sung chung trừ đi nhiệt lượng mất mát chung nên
∆ là nhiệt lượng bổ sung thực tế
Nhiệt dung riêng của vật liệu ra khỏi thết bị sấy (Tính toán và thiết kế hệ thống sấy, trang 141)
C vl =C tinhbột gạo nếp (1−w 2 )+C nước w 2 =1,5×(1−12 %)+4,187×12 %=1,82244kJ/kg K
Tổn thất do vật liệu mang đi:
Trong quá trình sấy, nhiệt bị tổn thất ra môi trường xung quanh
Nhiệt lượng do nước trong vật liệu sấy mang vào
Suy ra tổn thất nhiệt trong quá trình sấy:
Ta có ∆ , tính được hàm ẩm thực tế của vật liệu ra khỏi thiết bị sấy d 2 tt =C pk ( t 1−t 2 )+ d 1 [(2500+C pa t 1 )−∆]
Suy ra hàm nhiệt thực tế của vật liệu ra khỏi thiết bị sấy:
Bảng 3.2 Bảng thông số của quá trình sấy thực tế
Thông số A (Điểm bđ) B (Điểm 1) C (Điểm 2) t ( o C) 27 100 40 φ (%) 84 3 86,7
Hàm ẩm d (kg/kgkkk) 0,0192 0,0192 0,0437 Hàm nhiệt I (kj/kgkkk) 76,06 151,94 152,62 Vậy lượng không khí khô cần thiết thực tế để làm bốc hơi 1kg ẩm (lượng tiêu hao riêng): l tt = 1 d 2 tt −d 1 = 1
Lượng không khí thực tế:
Nhiệt độ trung bình của quá trình sấy: t tb =t 1 +t 2
Tra ở nhiệt độ 70 o C trong phụ lục 6 [2, tr.350]
Vậy thể tích không khí khô:
Nhiệt lượng có ích q 1 q 1 =i 2 −C a t v1 =(2500+ 1,842 t 2)−C nước θ 1 [2] q 1 =(2500+1,842×40)−4,187×27$60,631KJ/kg ẩm
Tổn thất nhiệt do TNS mang đi q 2:
Nhiệt dung riêng của không khí khô ở nhiệt độ 50℃ q 2 =l tt C kkk ( t 2−t 0 )= 40,81× 1,005 × ( 50−27 )3,32 Kj/kg ẩm
Nhiệt lượng tiêu hao q: q=l( I 1−I 0 )@,81 (151,94−76,06)096,6628Kj/kg ẩm
Nếu tính theo phương trình cân bằng ta có: q ' =q 1 +q 2 +q v +q mt $60,631+943,32+84,11+0.4598488,5208kJ/kg ẩm Như thế có thể thấy sai số tương đối do tính toán ¿ q−q ' ∨ ¿ q ∗100 ≈ 12,65 %¿ CHƯƠNG 4: Tính toán và thiết kế thiết bị chính
Ar=g d td 3 (p v −p k ) à 2 k =9,81.(25.10 −5 ) 3 (1200−1,029) ¿ ¿ Trong đó: d td : đường kính tương đương của vật liệu
Tính toán và thiết kế thiết bị chính
Thiết kế ống sấy
W: lượng ẩm cần tách (kg/h)
A: Cường độ bay hơi thể tích trong ống sấy (kg/m 3 h)
Ft: diện tích tiết diện ống (m 2 )
Cường độ bay hơi thể tích trong ống sấy:
Diện tích tiết diện ống:
Ta có chiều dài ống sấy:
14,33.1,03#, 48(m) Vcmax: tốc độ cân bằng của hạt vật liệu (m/s):
Vậy ta chọn chiều dài ống sấy: Ls = 24 m
4.1.3 Chiều dài đoạn nhập liệu v max =w l khi hạt ở trạng thái ban đầu d=2×10 −3 m
D nl : đường kính đoạn nhập liệu
: góc vào của tác nhân (độ) chọn = 90 o
Ar=g d td 3 (p v −p k ) v 2 k p k =9,81.(2.10 −3 ) 3 (1200−1,029) ¿ ¿ v k : độ nhớt động lực học (tra bảng phụ lục 6, Trần Văn Phú, Tính toán và thiết kế hệ thống sấy, NXB Giáo dục, 2002).
Vậy ta có công thức tính vận tốc lắng: v max =3,6.√ d ( p p v − k p k ) =3,6 √ 2.10 −3 0,44.1,029 ( 1200−1,029 ) =8,2 m s
Vận tốc tác nhân sấy ở đây là: v k =(1,3÷1,5)v max =1,3.8,2,66m s Đường kính đoạn nhập liệu:
Chiều dài đoạn nhập liệu:
Tính toán cơ khí cho thiết bị chính
4.2.1 Xác định bề dày ống Áp suất:
Vì Ptt nhỏ nên ta chọn bề dày cho ống sấy = 5 mm Vật liệu làm việc ở nhiệt độ cao môi trường ăn mòn thấp: chọn thép CT3
4.2.2 Tính bích cho ống sấy
4.2.2.1 Chọn bích cho ống sấy
Chọn bích liền không cổ vì áp suất nhỏ
Chọn khoảng cách giữa 2 bích là 1,5 m
Dựa vào đường kính ống sấy chọn kích thước bích: Theo bảng XIII.27/417, Bích liền bằng thép để nối thiết bị [8], chọn bích liền bằng thép CT3 (kiểu 1) như sau: Đường kính bên trong của thiết bị: D t p0mm Đường kính ngoài của thiết bị: D n p6mm, D = 830 mm Đường kính tâm bu lông: D b Đường kính mép vát: D 1 Đường kính bích: D 0
Chiều cao bích: h bích Đường kính bu lông: d b
Bảng kích thước bích cho ống sấy
Kích thước nối Kiểu bích
Các kích thước của bích
Tổng số bích: nbích= 28 cái bích
Tổng số bu lông: nbu lông = 24.28 = 672 cái bu lông
4.2.2.2 Chọn bích cho ống nhập liệu
Chọn bích liền không cổ dựa Dựa vào đường kính ống sấy chọn kích thước bích: Theo bảng XIII.27/417, Bích liền bằng thép để nối thiết bị [8] chọn bích liền bằng thép CT3 (kiểu 1) như sau: Đường kính bên trong của thiết bị: D t P0mm Đường kính ngoài của thiết bị: D n P6mm, D = 650 mm Đường kính tâm bu lông: D b Đường kính mép vát: D 1 Đường kính bích: D 0
Chiều cao bích: h bích Đường kính bu lông: d b
Các kí hiệu kích thước của bích cho ống nhập liệu tương tự như hình 4.1
Bảng kích thước bích cho ống nhập liệu
Kích thước nối Kiểu bích
/mm 2 m m Mm M m c ái mm mm
Tổng số bích: nbích=2 cái bích
Tổng số bu lông: nbu lông = 16.2 = 32 cái bu lông
4.2.3 Tính cách nhiệt cho ống sấy
Ta có nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy t f 1p o C t f 2 =t mt =¿ 27 o C δ= 5 mm
Tính toán thiết bị phụ
Tính toán caloriphe
Dựa vào chương 15 của sách Kỹ thuật sấy để tính toán caloriphe
5.1.1 Tính bề mặt truyền nhiệt
Bảng 5 1 Các thông số của các tác nhân qua calorifer
Tác nhân sấy Không khí Nhiệt độ vào t 2 đ =t 0 27℃
Hơi đốt Hơi nước bão hòa ngưng tụ Áp suất p 2at
Chọn một số kích thước của calorife để sử dụng trong tính toán: kỹ thuật sấy, trang 220
Bảng 5 2 Bảng Một số kích thước của caloriphe Ố ng làm bằng thép
Thông số Kí hiệu Đ ơn vị Giá trị
Chiều dài l mm 1200 Đường kính ngoài d 2 mm 24 Đường kính trong d 1 mm 22
Bước ống ngang dòng lưu chất s 1 mm 80
Bước ống dọc dòng lưu chất ngoài ống s 2 mm 45
Khoảng cách giữa 2 cánh liên tiếp t c mm 3
Bề dày cánh δ c mm 0,5 Đường kính cánh d c mm 40
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm cánh λ c W
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống λ ống W
5.1.1.1 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình
Ta có hơi nước ngưng tụ có nhiệt độ không đổi: t 1 đ = t 1 c = t b = 119,6℃
Hiệu số nhiệt độ của 2 dòng lưu chất ở đầu vào và ra của calorifer:
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa các tác nhân sấy và hơi nước cấp nhiệt:
5.1.1.2 Tính hệ số truyền nhiệt k
Tính số cánh trên một ống n c = t l c +δ c = 1,2
Tốc độ cực đại của không khí chuyển động qua khe hẹp nhất
Giả sử tốc độ không khí vào caloriphe ω=2,5 m /s Chúng ta sẽ kiếm tra giả thiết này khi tính được chiều rộng và chiều cao của caloriphe Khi đó: ω max = ω
Tính diện tích phần ống không làm cánh
Tính diện tích các cánh trên một ống
Tính kích thước xác định: d xđ F 0 d 2 +F c √ 2 F n C c
0,078+0,55 =0,0278(m) Xác định các tiêu chuẩn đồng dạng
Từ nhiệt độ trung bình không khí: ttb=(27+100):2= 63.5 ta tìm được hệ số dẫn nhiệt động và độ nhớt động học là: (phụ lục 9 : KTTP2) λ=2,974 10 −2 W
Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của cánh α c α c =Nu λ d xđ 4,929×2,974 10 −2
Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tương đương α 2 α 2 =α c F c
Tính hệ số trao đổi nhiệt đối lưu hơi ngưng trong ống α 1
Sự cấp nhiệt phía trong ống là cấp nhiệt do hơi nước bão hòa ngưng tụ trong ống đứng.
Hệ số cấp nhiệt khi ngưng tụ hơi nước bão hòa trên ống đứng, khi màng chất ngưng tụ chảy tầng: α 1 =1,13.A ¿ , W/m 2 K
R là ẩm nhiệt ngưng tụ = 2212,7.10 3
Chọn nhiệt độ thành ống phía tiếp xúc hơi nước ngưng tụ t w 4
Với dc/d2=1,67 và β h =0,29, từ biểu đồ ŋ c =f¿dc/d2, β h ) ta tìm được ŋ c =0,96
Vậy ta tính được bề mặt truyền nhiệt:
Tính số ống cần thiết n= F π d 1 l= 10,65 π.22.10 −3 1,28,41 Chọn số ống n= 130
Với kiểu bố trí ống trên mạng ống so le với tổng số ống của thiết bị n¿ 130 ống ,
Số ống trong 1 hàng m Ta chọn số hàng ống z¿12→ số hàng ống m=n z0
Tính cyclone
Chọn cyclon tổ hợp do:
- Thu sản phẩm với khối lượng khá lớn
- Vận tốc dòng khí lớn (nồng độ hạt cao)
- Cyclon này có thể ngăn cản dòng khí lan tràn lên phía trên và hướng nó theo một phía
Lưu lượng khí vào cyclon: v k m 3 /s
Chọn cyclon tổ hợp được ghép bởi 6 cyclon đơn loại πH−15 Loại này hiệu suất làm sạch bụi cao nhất, hệ số sức cản lớn. Đường kính cyclon: CT (III.47) sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất 1.
D=√ 0,785.W V 1 q Để xác định tỉ số qui ước ta chọn: CT (III.48), [7]. Δ P p k p0=¿Δ P=p k 700=1,029 700r0,3(1)
Xác định tốc độ qui ước:
Hệ số trở lực tra bảng (III.10) sách sổ tay thiết bị và quá trình công nghệ và hóa chất ta có hệ số trở lực của cyclon LIH-15 là: ξ¿ 105
Thể tích làm việc của bunke đối với nhóm 6 cyclon: V bunke =7,8m 3 (Bảng III.5a, [8]).
Góc nghiêng của thành bunke: chọn 60 °
Dùng loại cyclon LIH-15 có kích thước sau:
- Chiều cao cửa vào: a¿ 0,66 D= ¿594mm
- Chiều cao ống tâm có mặt bích h 1=1,74D66mm
- Chiều cao phần hình trụ h 2=2,26D 34mm
- Chiều cao phần hình nón h 3=2D00mm
- Chiều cao phần bên ngoài ống tâm h 4=0,3D'0mm
- Chiều cao chung H¿4,56DA04mm
- Đường kính ngoài ống ra d 1=0,6DT0mm
- Đường kính trong của cửa tháo bụi d 2=0,4D60mm
- Chiều dài của ống cửa vào L¿ 0,6 D= ¿540mm
- Khoảng cách từ tận cùng cyclon đến mặt bích h 5=0,3D'0mm
- Góc nghiêng giữa nắp ống và cửa vào α°
Tính trở lực của cyclone
Tính vít tải nhập liệu
Năng suất vít tải nằm ngang:
D: đường kính ngoài cánh vít
S: bước vít → Chọn S¿ D n: số vòng quay của trục vít
Số vòng quay lớn nhất của trục vít: n max = A
Ta chọn: A¿ 30 ρ:khối lượng riêng của vật liệu, ρ=¿ 1200 (kg/m 3 ¿ φ : Hệ số chứa đầy -> Chọn φ =0,4
C: Hệ số tính tới việc giảm năng suất khi vít tải đặt ngang -> C¿ 1
Q: năng suất của vít tải -> Q¿ G 1#46, 67( kg h ) =2,34667 ( T h)
Vậy đường kính ngoài của cánh vít là:
Dựa vào bảng kích thước tiêu chuẩn của đường kính và cánh vít ta chọn:
L: Chiều dài vận chuyển vật liệu theo phương ngang -> Chọn L¿ 1 m
C 0 :Hệ số trở lực xác định bằng thực nghiệm -> C 0=1,2 (đối với vật liệu là bột, cưa, mùn, hạt)
Tính quạt và chọn quạt
5.4.1 Tính năng suất và trở lực toàn phần của quạt
Năng suất của quạt ở điều kiện chuẩn
1,1428 2 009,02 (m 3 /h) Ltt: lượng không khí khô thực tế (kg/h)
Po:klr của kkk ở đkc (kg/m3)
Trong đó ta nội suy khối lượng riêng của không khí khô ở nhiệt độ trung bình 63,5℃ được ρ=1,1428
Tính trở lực toàn phần (hay cột áp toàn phần)
∆ p=∆ p caloriphe +∆ p ống +∆ p thiết bị sấy +∆ p cylon +∆ p khí động
Khi một dịch thể chuyển động, áp suất tĩnh tiêu hao dần để khác phục lực ma sát của dòng với thành ống cũng như trở lực cục bộ do sự thay đổi hướng hoặc bị nén do giản nở ra Tất cả dạng tổn thất áp suất này tỷ lệ với cột áp động Do đó có thể viết:
2.g +∆ p thiết bị sấy +∆ p cyclon +∆ p khí động ¿ Trở lực qua calorifer:
Trở lực cục bộ qua calorifer:
Hệ số tổn thất cột áp cục bộ của dòng chảy qua ống phân kỳ: ξ 1 =¿
Với: f , F: diện tích tiết diện ống nhỏ và ống mở rộng, m 2
Diện tích tiết diện ống mở rộng (hình tròn) R = D 2 = 0,5 2 =0,25 m
Diện tích tiết diện ống nhỏ (hình tròn), cho r =0,1m
Hệ số trở lực ống tròn gập góc 90 o (đoạn nối caloriphe với ống sấy) ξ 2 =1,1 (phụ lục 8, [kỹ thuật sấy])
Hệ số trở lực đoạn cong (ống tròn) ξ 3=0,25
2.9,81 =8,043mm H 2 O¿ Với v là vận tốc của tác nhân sấy trong đường ống
Dùng loại cyclon LIH-15 nên hệ số trở lực qua cyclone ξ ¿105
2 u4.52N/m 2 =¿75,452 mmH2O Trở lực trong thiết bị sấy (ống sấy)
Tra bảng II.11[sổ tay1], ứng với mặt cắt ngang của ống A= 64 (bảng II.10,[9]) và Re00 (đã tính ở phần thiết bị chính) ta được hệ số ma sát λ=0,213
Tính áp suất để khắc phục trở lực ma sát
2 8.10 −12 mm H 2 O ≈0 Áp suất khí động
2.9,81 ,98.10 −12 mm H 2 O ≈0 Vậy trở lực toàn phần
∆ p=¿ ∆ p caloriphe +∆ p ống +∆ p thiết bị sấy +∆ p cylon +∆ p khí động
5.4.2 Tính công suất động cơ điện và chọn quạt
Năng suất của quạt V(m 3 /h¿:đối với không khí ít bẩn thì năng suất quạt lấy bằng lưu lượng không khí theo tính toán ở điều kiện làm việc.
Công suất trên trục động cơ điện, khi vận chuyển không khí ở nhiệt độ cao:
Hiệu suất quạt nằm trong khoảng: η q =(0,4−0,6)
Công suất động cơ điện:
Với: k 3 : hệ số dự trữ Theo bảng II.48 [9] ta có k 3=1,1
Với trở lực toàn phần ∆ P =132,845 mmH2O nằm trong khoảng ∆ P = (100÷300) thuộc loại quạt ly tâm trung áp Vì vậy ta chọn quạt ly tâm trung áp II 9-57,N ° 8 có kích thước [2,tr.332]:
Mặt bích cửa ra: hình vuông, B¿ 560 mm
Mặt bích cửa vào: hình tròn, D¿ 800 mm
Bảng 5 3 Các thông số của quạt
Thông số Ký hiệu Giá trị Ghi chú
Ký hiệu quạt II 9-57, N ° 8 Tra đồ thị đặc tuyến quạt ly tâm
Các thông số cơ bản của quạt:
Hình 5.1 Thông số của quạt II 9-57, N ° 8
Thiết bị sấy khí thổi đã thiết kế trên có thể làm việc với các thông số kỹ thuật như sau:
Nhiệt độ tác nhân sấy vào thiết bị: 100 ℃
Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi thiết bị: 40 ℃
Sấy khí thổi là một phương pháp đơn giản, dễ vận hành, dễ chế tạo, thời gian sấy nhanh.
Sấy khí thổi chủ yếu tách ẩm bề mặt nên trong quá trình sấy đòi hỏi sự xáo trộn vật liệu Do đó, phương pháp này đòi hỏi sự tiêu tốn năng lượng lớn Năng lượng đốt nóng không khí và năng lượng đẩy vật liệu di chuyển lên cao Vì vậy,phương pháp này chỉ thích hợp dùng để sấy các loại vật liệu dạng bột, hạt nhỏ.
Tính toán Bộ phận sấy Đại lượng Kết quả
Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng
Nhiệt lượng tiêu hao q188,2338Kj/kg ẩm
Lượng ẩm cần tách W=346,67kg/h
2 Sấy thực tế Lượng không khí thực tế q ' 488,5208Kj/kg ẩm
4 Tính toán thiết bị chính
Vận tốc tác nhân sấy 3,6 m/s Đường kính ống sấy 1,15m
Chiều dài ống nhập liệu 1,15m
Diện tích tiết diện ống sấy 1,03 m 2 Cường độ bay hơi thể tích trong ống sấy 14,33 kg/m 3 h
5 Tính toán cơ khí cho thiết bị chính
6 Bích cho ống sấy D T = 700 mm
8 Tính toán thiết bị phụ
Cyclon Lưu lượng khí vào cyclon 14m 3 /s
10 Caloriphe Tính hiệu số nhiệt độ trung bình ∆ t tb G,01℃
11 Hệ số cấp nhiệt phía ống α 1 5027,19( m W 2 K )
12 Hệ số cấp nhiệt phía ngoài ống α 2 36,057 (W/m 2 K)
14 Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt 10,65(m 2 )
16 Trở lực qua calorifer 49,35mm H 2 O
Vít tải nhập liệu Đường kính ngoài của cánh vít 13mm
Công suất trên trục động cơ điện 10540W
23 Công suất động cơ điện 11594W
[1] Bùi Đức Hợi và các tác giả, Kỹ thuật Chế biến lương thực Tập 2, xuất bản lần thứ 2 Hà Nội: NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2009.
[2] Trần Văn Phú, Tính toán và thiết kế hệ thống sấy NXB Giáo dục, 2002. [3] Nguyễn Bin, Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 4 Hà Nội: NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2009.
[4] Lê Văn Việt Mẫn và các tác giả, Công nghệ chế biến thực phẩm TP Hồ Chí Minh: NXB Đại học Quốc gia, 2019.
[5] Trần Văn Phú, Kỹ thuật sấy NXB Giáo dục, 2018