Hình 2 SEQ Hình_2 \* ARABIC 1 Sơ đồ quy trình công nghệ
Vật liệu sấy là bắp hạt sau khi được rửa sạch, tuốc ra khỏi cùi được cho vào buồng chứa sau đó nhập vật liệu vào thùng sấy Bắp hạt khi vào thùng sấy có độ ẩm là 30%.
Tác nhân sấy là không khí được gia nhiệt bằng calorifer hơi nước bão hòa Trên đường ống dẫn không khí và đường ống dẫn không khí từ môi trường vào calorifer đều có các van, dùng để điều chỉnh lưu lượng các dòng Đặt nhiệt kế ở sau calorifer để xác định nhiệt độ của tác nhân sấy trước khi vào thùng sấy, nếu nhiệt độ quá cao ta sẽ mở van để tháo bớt hơi nước bão hoà ra ngoài, giảm lượng hơi vào calorifer để giảm bớt nhiệt độ, ngược lại nếu nhiệt độ chưa đủ, ta khóa mở van dẫn hơi để vào calorifer Chuyển động quay của thùng được thực hiện nhờ bộ truyền động từ động cơ sang hộp giảm tốc đến bánh răng gắn trên thùng Bên trong thùng có gắn các cánh nâng, dùng để nâng và đảo trộn vật liệu sấy, mục đích là tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy, do đó tăng bề mặt truyền nhiệt, tăng cường trao đổi nhiệt để quá trình sấy diễn ra triệt để Trong thùng sấy, bắp hạt được nâng lên đến độ cao nhất định, sau đó rơi xuống Trong quá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy, thực hiện các quá trình truyền nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm Nhờ độ nghiêng của thùng mà vật liệu sẽ được vận chuyển đi dọc theo chiều dài thùng Khi đi hết chiều dài thùng sấy, vật liệu sấy sẽ đạt được độ ẩm cần thiết cho quá trình bảo quản là 12% Sản phẩm bắp hạt sau khi sấy được đưa vào buồng tháo liệu, sau khi qua cửa tháo liệu sẽ được bao gói, để bảo quản hay dùng vào các mục đích chế biến khác Dòng tác nhân sấy sau khi qua buồng sấy chứa nhiều bụi, do đó cần phải đưa qua một hệ thống lọc bụi để tránh thải bụi bẩn vào không khí gây ô nhiễm Ở đây, ta sử dụng hệ thống lọc bụi cyclone đơn,sau khi lọc bụi sẽ được thải vào môi trường Phần bụi lắng sẽ được thu hồi qua cửa thu bụi của cyclone và được xử lý riêng.
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNGBảng 3.1 Ký hiệu các thông số
STT Thông số Ký hiệu Đơn vị
1 Lượng vật liệu vào máy sấy G1 kg/mẻ
2 Lượng vật liệu ra khỏi máy sấy G2 kg/mẻ
3 Lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua máy sấy Gk kg/mẻ
4 Độ ẩm đầu của vật liệu sấy ω1 %
5 Độ ẩm cuối của vật liệu sấy ω2 %
6 Lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ W kg/h
7 Lượng không khí khô tuyệt đối đi qua máy sấy L kg/h 8 Hàm ẩm của không khí trước khi đốt nóng do kg/kg kkk 9 Hàm ẩm của không khí trước và sau khi sấy d1, d2 kg/kg kkk Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy (theo vật liệu ướt): ω1 = 30 % Độ ẩm cuối của vật liệu sấy (theo vật liệu ướt): ω2 = 12 % Lượng vật liệu ra khỏi máy sấy: G2 = 400 kg/mẻ
Tác nhân sấy là không khí Thông số của hạt bắp:
- Khối lượng riêng hạt bắp: (Bảng 2.4/47 – [4]) ρo = 1253 kg/m 3
- Mật độ/ Khối lượng riêng khối hạt: (Phụ lục 4/230 – [5]) γ v = ρ v = 850 kg/m 3
- Nhiệt dung riêng của vật liệu khô: (Trang 20 – [1])
Ck = 1,2 – 1,7 kJ/kgK Chọn Ck = 1,5 kJ/kgK - Kích thước hạt bắp:
(Phụ lục 7/351 – [1]) + Chiều dài: l = 5,2 – 14 mm
+ Chiều rộng: b = 5 – 11mm + Bề dày: δ = 3 – 8 mm + Đường kính tương đương: dtđ = 7,5 mm
3.2 Xác định các thông số của không khí trong quá trình sấy lý thuyết
Trong quá trình sấy lý thuyết coi các đại lượng nhiệt bổ sung và nhiệt tổn thất đều bằng không hoặc nhiệt lượng bổ sung chung đủ bù nhiệt lượng tổn thất chung
⟹∆ = 0 ⟹ d 0 = d 1 và I 2=I 1 Quá trình từ điểm 0 🡪 1: không khí được gia nhiệt trong Calorifier Quá trình từ điểm 1 🡪 2: không khí tách ẩm của vật liệu trong phòng sấy.
Trạng thái không khí bên ngoài (chọn địa điểm sấy ở TP HCM): to = 26,8 o C; φ 0= 83%
3.2.1 Tính toán trạng thái không khí ngoài trời
Chọn điểm 0: {t 0 &,8 o C φ 0 % Tra bảng hơi nước với t0 = 26,8 o C ⟹ Pbh (0) = 0,0342 bar - Thể tích riêng của không khí ẩm
1,013×10 5 −0,83×0,0342×10 5 = 0,8801 m 3 /kg kkk Trong đó: Pt và Pbh tính theo đơn vị N/m 2
Khi đã có được 2 thông số t 0 = 26,8 o C và φ 0 % ta có thể tra giản đồ I – d để tìm được các thông số còn lại được trình bày trong Bảng 1.
3.2.2 Tính toán trạng thái không khí sau khi vào calorifer
Khi không khí ở trạng thái tại điểm 1 được đẩy vào thiết bị sấy để thực hiện quá trình sấy lý thuyết.
Nhiệt độ tại điểm 1 (t1) là nhiệt độ cao nhất của tác nhân sấy trong thùng sấy, do tính chất của vật liệu sấy và chế độ công nghệ quy trình Nhiệt độ của tác nhân sấy ở điểm 1 được chọn phải thấp hơn nhiệt độ hồ hóa của tinh bột (do bắp là loạt hạt giàu tinh bột), ban đầu khi độ ẩm của vật liệu sấy còn cao, nếu vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy nhiệt độ cao thì lớp bề mặt của hạt tinh bột bị hồ hóa và tạo thành một lớp keo mỏng bịt kín bề mặt thoát ẩm từ trong lòng vật liệu ra ngoài.
Đối với nguyên liệu có hàm lượng tinh bột và đạm cao, cần sấy ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hồ hóa tinh bột (62 - 70 độ C) Do vậy, để tránh hồ hóa, nhiệt độ sấy nên chọn nhỏ hơn 60 độ C Cụ thể, nhiệt độ đầu vào t1 được chọn là 55 độ C, tương ứng với hàm ẩm tại điểm 1 (d1) bằng với hàm ẩm tại điểm 0 (d0).
Chọn điểm 1: {t 1 U o C d 1 =d 0 =0,018(kg ẩm/kg kkk) - Áp suất hơi bão hòa của không khí sau khi qua calorifer:
Tra bảng hơi nước với t1 = 55 o C ⟹ Pbh (1) = 0,1576 bar - Độ ẩm không khí sau khi qua calorifer:
Trong đó: Pt là áp suất khí quyển = 1,013 bar- Thể tích riêng của không khí ẩm (CT VII.8/94 – [2]) ν 1 = 288T 1 P t −φ 1 × P bh(1 ) = 288×(273+55)
1,013×10 5 −0,18×0,1576×10 5 = 0,9916 m 3 /kg kkk Trong đó: Pt và Pbh tính theo đơn vị N/m 2
Khi đã có được 2 thông số t 1 = 55 o C và φ 1 % ta có thể tra giản đồ I – d để tìm được các thông số còn lại được trình bày trong Bảng 1.
3.2.3 Tính toán trạng thái không khí cuối quá trình sấy
- Áp suất hơi bão hòa của không khí sau khi qua calorifer:
Tra bảng hơi nước với t2 = 32 o C ⟹ Pbh (2) = 0,0476 bar - Độ ẩm không khí sau khi qua calorifer:
(0,621+0,027)×0,0476=0,87 % - Thể tích riêng của không khí ẩm (CT VII.8/94 – [2]) ν 2 = 288T 2
1,013×10 5 −0,87×0,0476×10 5 = 0,9349 m 3 /kg kkk Trong đó: Pt và Pbh tính theo đơn vị N/m 2
Hình 3 SEQ Hình_3 \* ARABIC 1 Ví trí của 3 điểm trong quá trình sấy
Bảng 3.2 Thông số của không khí ẩm
Thông số Trạng thái không khí ban đầu (0)
Trạng thái không khí vào thiết bị sấy
Trạng thái không khí ra khỏi thiết bị sấy
3.2.4 Kiểm tra nhiệt độ đọng sương
Nhiệt độ của tác nhân sấy ra khỏi thiết bị sấy t2 tùy chọn sao cho tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi là bé nhất, nhưng phải tránh hiện tượng đọng sương, nghĩa là tránh trạng thái tại điểm 2 nằm trên đường bão hòa Đồng thời, hàm ẩm của tác nhân sấy tại điểm 2 phải nhỏ hơn độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy tại điểm đó để vật liệu sấy không hút ẩm trở lại.
Tại nhiệt độ đọng sương có φ = 1
⟹ Áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ đọng sương:
Ta có: Pbh = exp (12 - 235,3 4026,42 +t s ) ⟺ 0,041 = exp (12 - 235,3+ 4026,42 t s ) ⟹ ts = 29,7 o C Chênh lệch nhiệt độ đọng sương với nhiệt độ không khí đi ra khỏi thiết bị sấy:
⟹ Chênh lệch này là hợp lý, vậy các thông số đã chọn là chính xác
3.2.5 Tính cân bằng vật chất
- Lượng nhập liệu vào máy sấy:
1−0.3 =¿ 503 kg/mẻ - Lượng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy:
W=G 1 −G 2 P3−4003kg/mẻ (CT 7.1/128 – [1]) - Thời gian sấy: ω 1 −ω 2 =M ' (11,1τ+3) (CT 10.13/210 - [1]) M’ = 10 -2 M (Do đường kính bắp dbắp = 7,5 mm tra bảng 2 ta được M = 0,5)
11,1 =2,97(giờ)≈3(giờ) Trong đó: τ : Thời gian sấy (giờ) ω 1 và ω 2: Độ ẩm của bắp trước và sau khi sấy (%) M phụ thuộc vào đường kính hạt bắp
Bảng 3.3 Quan hệ giữa M và đường kính hạt [1] d (mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
- Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ:
W1h = W τ = 103 3 = 34,3 kg/h - Lượng vật liệu khô tuyệt đối ra khỏi máy sấy là:
Gk = G1(1 – ω 1) = 503 x (1 – 0,3) = 352 kg /mẻ - Lượng không khí khô cần trong quá trình sấy lý thuyết:
0,027−0,018 = 3811 kg/h - Lượng không khí khô cần thiết để tách 1 kg ẩm: l = d 1
2−d 0 = 0,027− 1 0,018 = 111,11 kg kkk/ kg ẩm - Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trước khi vào buồng sấy:
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy vào máy:
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ra khỏi máy:
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trung bình:
3.3 Tính cân bằng năng lượng
3.3.1 Quá trình sấy lý thuyết
- Lượng nhiệt cần thiết để để làm bay hơi 1kg ẩm qo = l (I1 – Io) (CT 2.6/47 [3])
= 111,11 (102 – 71) = 3444,41 kJ/kg ẩm - Tổng nhiệt lượng cần trong quá trình sấy
3.3.2 Quá trình sấy thực tế
Nguyên tắc cân bằng nhiệt là nhiệt lượng đưa vào thiết bị phải bằng nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị [7]
- Nhiệt lượng đưa vào hệ thống sấy gồm:
+ Nhiệt lượng do TNS nhận được trong calorifer: L (I1 – I0) + Nhiệt lượng bổ sung: Qbs = 0
+ Nhiệt vật lý do thiết bị chuyền tải mang vào Qct = 0 + Nhiệt vật lý do vật liệu sấy mang vào: [(G1 – W) Cv1+WCn]tv1
- Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy gồm:
+ Nhiệt lượng tổn thất do TNS mang đi: L (I2 – I0) + Nhiệt lượng tổn thất qua kết cấu bao che: Qmt
+ Nhiệt vật lý của thiết bị chuyền tải mang ra: Qct = 0
+ Nhiệt vật lý của vật liệu sấy mang ra: G2Cv2tv2
Cân bằng nhiệt lượng vào ra hệ thống sấy ta được:
L (I1 – I0) + [(G1 – W) Cv1+WCn]tv1 = L (I2 – I0) + Qmt + G2Cv2tv2
Mà G2 = G1 – W và xem gần đúng Cv2 = Cv1 = Cv.
Nhiệt lượng cung cấp cho quá trình sấy thực tế (Q) bằng nhiệt lượng cung cấp cho vật liệu sấy (L.(I2 – I0)) cộng với nhiệt lượng cung cấp cho độ ẩm bay hơi từ vật liệu sấy (Qmt) và nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang đi (Qv), trừ đi nhiệt lượng tổn thất do không khí hấp thụ độ ẩm (WCntv1).
⇒ Chia 2 vế cho W ta được: q = l (I1 – I0) = l (I2 – I0) + qmt + qv – Cntv1 Đặt Δ = Cntv1 – qv – qmt ta được: q = l (I1 – I0) = l (I2 – I0) – Δ
3.3.2.1 Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang đi
- Nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy thường lấy bằng nhiệt độ của không khí: tv1 = to = 26,8 o C
Nhiệt độ cuối của vật liệu sấy được xác định bằng cách trừ 5 độ C khỏi nhiệt độ tác nhân cùng vị trí Do đó, nhiệt độ cuối ước tính là 27 độ C (tv2 = 32 - 5 độ C) Nhiệt dung riêng của vật liệu khô sau khi thoát khỏi thiết bị sấy (Cv) là một thông số cần thiết để ước tính quá trình sấy.
Ck: Nhiệt dung riêng của vật liệu khô (Xem 4.1) Cn: Nhiệt dung riêng của nước ω 2 : Độ ẩm của vật liệu cuối - Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang đi (qv): qv = W Q v
3.3.2.2 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường
Tổn thất nhiệt ra môi trường qua kết cấu bao che thường chiếm khoảng 3 – 5% nhiệt lượng tiêu hao hữu ích
- Nhiệt lượng tiêu hao hữu ích được xác định: qhi = i2 – Cn tv1 (CT tr 123 – [7])
Cn: Nhiệt dung riêng của nước - Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường: qmt = (0,03 ÷ 0,05) qhi
= 0,05 × 2446,92 = 122,346 kJ/kg ẩm - Tổng nhiệt lượng tổn thất trong quá trình sấy thực: Δ = Cntv1 – qv – qmt (CT 5.15/61 – [7])
Về nguyên tắc, có thể có các quá trình sấy thực có các giá trị ∆ 0 Tuy nhiên trong thực tế khi không có nhiệt lượng bổ sung (qbs = 0) thì các quá trình sấy thực chỉ xảy ra ∆ N, do đó thỏa điều kiện để quay thùng.
Chọn nhóm bánh răng có độ rắn HB ≤ 350, được gọt cắt chính xác sau nhiệt luyện.
Bánh răng có khả năng chạy mòn tốt Để tránh dính bề mặt làm việc của bánh răng, lấy độ rắn của bánh nhỏ lớn hơn độ rắn của bánh răng lớn 30 – 50 HB
+ Vật liệu: Thép (35 thường hóa) + Độ rắn: HB = 160
+ Giới hạn bền kéo: σ bk = 480 N/mm 2 + Giới hạn bền chảy: σ ch = 240 N/mm 2 - Bánh răng nhỏ
+ Vật liệu: Thép (45 thường hóa) + Độ rắn: HB = 190
+ Giới hạn bền kéo: σ bk = 580 N/mm 2 + Giới hạn bền chảy: σ ch = 290 N/mm 2
5.5.2.1 Ứng suất uốn cho phép Đối với răng làm việc một mặt:
Trong đó: σ -1: Giới hạn mỏi uốn trong chu kỳ đối xứng, N/mm 2
Con lăn đỡ- Phản lực T của mỗi con lăn đỡ lên vành đai:
- Phản lực T gồm 2 thành phần:
+ Lực đẩy con lăn trượt theo phương ngang:
S = T × sin φ = 25181,28 × sin (30) = 12590,64 N + Lực ép gối đỡ con lăn lên bệ
N = T×cosφ = 25181,28 × cos (30) = 21807,63 N - Bề rộng con lăn đỡ:
B: Bề rộng vành đai, cm - Đường kính con lăn đỡ: dc ≥ T
(300÷400)× B c = (300 25181,28 ÷ 400)× 15 = 4,2÷5,6 cm Chọn dc = 5 cm = 500 mm
⟺ 424 ≤ dc ≤ 559 Vậy chọn dc = 500 mm là hợp lý
Trong đó: α: Góc nghiêng của thùng sấy
Để đảm bảo thùng quay ổn định, lực kéo xuống do trọng lực thùng (lực U) cần được cân bằng Vì vậy, con lăn chặn được đặt tiếp xúc sát vành đai để ngăn thùng trượt xuống Đối với thùng kích thước lớn và khối lượng nặng, con lăn chặn được thiết kế dạng mặt nón để tăng hiệu quả chặn giữ.
Khi lắp đặt, lắp sao cho trục con lăn vuông góc với mặt đất.
- Đường kính của con lăn chặn:
⟹ d = sin α × Dđai = sin (3) × 1696 = 88,76 mm Chọn d = 90 mm
Trong đó: α: Góc nghiêng của thùng sấy Dđai: Đường kính vành đai, mm - Lực tác dụng lên con lăn:
Trong đó: f: Hệ số ma sát giữa vành đai và con lăn, chọn f = 0,1 δ
Thiết bị sấy thùng quay đã thiết kế ở trên có thể làm việc với các thông số kỹ thuật sau:
- Năng suất 400 kg/mẻ - Độ ẩm vật liệu sấy từ 30% xuống 12%
- Thời gian sấy một mẻ là 3 giờ- Nhiệt độ tác nhân sấy vào thiết bị: 55 o C
- Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi thiết bị: 32 o C
Nhìn chung với hệ thống sấy thùng quay, có thể đảm bảo được năng suất cũng như độ ẩm yêu cầu với thời gian sấy phù hợp Tuy nhiên, trong hệ thống vẫn còn một số nhược điểm như chi phí đầu tư lớn, thiết bị cồng kềnh, chi phí chế tạo cao Đối với hệ thống sấy thùng quay này thì việc thiết kế, tính toán dựa trên nhiều công thức thực nghiệm và có những thông số cũng được lựa chọn dựa vào kinh nghiệm Để có thể thiết kế chính xác cần lập hệ thống hoạt động thử để kiểm tra Nhóm em rất mong nhận được sự hướng dẫn, góp ý từ quý thầy cô để hệ thống được hoàn thiện hơn.
