Kỹ thuật sản xuất chè đen Chè đen thuộc loại chè mà trong quá trình chế biến người ta đã sử dụng tối đa hoạt tính của hệ enzim men có trong lá chè tươi và thông qua nhiều giaiđoạn: làm h
TỔNG QUAN
Tổng quan về nguyên liệu chè
1.1.1 Giới thiệu sợ bộ về chè
Chè (trà) là một loại đồ uống phổ biến và quen thuộc trên toàn thế giới, đặc biệt là trong văn hóa và thực đơn hàng ngày của người Á Đông Chè (trà) có tên khoa học là Camellia sinensis
Chè được tin là đã xuất hiện từ khoảng 2700 TCN tại Trung Quốc, nhưng lịch sử cụ thể về nguồn gốc của nó vẫn còn mơ hồ Theo truyền thống, vị hoàng đế Trung Hoa Thần Nông là người đầu tiên phát hiện ra chè Từ Trung Quốc, nó đã lan rộng sang các nước khác trong khu vực châu Á và sau đó là toàn cầu Việt Nam cũng được xem là một cái nôi của trà, và được trồng nhiều nhất ở phía bắc nước ta Ngày nay, chè được phát triển và trồng ở nhiều vùng đất với nhiều giống loài khác nhau như giống chè Trung du (trồng nhiều ở trung du và miền núi thấp), chè Shan (vùng thượng du, cao nguyên), chè Ấn Độ (vùng Tây
Nguyên) và giống chè PH
Chè là sản phẩm được chế biến từ lá chè non & búp chè (đọt chè) của cây chè Là những búp chè có 1 tôm, 2-3 lá non, hái trên những đọt chè có từ 4-5 lá,vào đúng độ trưởng thành kỹ thuật Yêu cầu của chè nguyên liệu là hàm lượng tanin cao, hàm lượng protein và clorophin thấp
Hình 1.1 Búp(đọt) chè nguyên liệu
1.1.2 Các thành phần chính có trong chè nguyên liệu
Bảng 1.1 Thành phần hóa học chính trong búp chè
- Nước: Nước là một thành phần hóa học chiếm hàm lượng lớn trong cây. Nước là dung môi hòa tan các chất dinh dưỡng, là môi trường cho enzyme hoạt động Thiếu nước các hoạt động sống của cây bị suy giảm, cây không hô hấp được và có thể bị chết.
Hàm lượng nước trong chè có thể thay đổi từ 67% đến 85%, phụ thuộc vào giống, điều khiện canh tác và tự nhiên
Bảng 1.2 Sự thay đổi thủy phần của chè theo giống và thời gian (B2/T11, [6 ] )
Bảng 1.3 Thủy phần của búp chè một tôm ba lá (B3/T12, [6 ] )
Vị trí trên búp Thủy phần các giống chè (%)
Việt Nam Liên Xô Trung Quốc
- Chất chiết ( chất hòa tan ): Một trong những chỉ tiêu quang trọng nhất về chất lượng của chè chính là hàm lượng các chất chiết được Hàm lượng các chất chiết trong nước chè phụ thuộc vào vào loại chè, phẩm cấp của chè, bộ phận của chè Trong chè đen sản phẩm, hàm lượng các chất chiết giảm đi so với nguyên liệu ban đầu
Bảng 1.4 Hàm lượng các chất chiết được ở loại búp chè một tôm hai lá , một tôm ba lá và trong BPT thu được của cùng một loại nguyên liệu(% chất khô)
Tháng Búp chè một tôm hai lá Búp chè một tôm ba lá
Lá chè xanh Bán thành phẩm Lá chè xanh Bán thành phẩm
Qua bảng ta thấy rõ, nếu nguyên liệu càng non thì hàm lượng các chất chiết được càng cao hơn chè già và bán thành phẩm của các loại thu được cũng tương tự như vậy Hàm lượng chất chiết của đầu và cuốc vụ đều giảm so với giữa vụ
- Tanin: là chất quyết định đến tính chất và chất lượng của nguyên liệu chè búp tươi cũng như chè sản phẩm.trong chè tanin tồn tại ở 2 dạng: hòa tan và không hòa tan, hạm lượng tanin trong chè phụ thuộc vào: giống chè, điều kiện khí hậu, đất đai, canh tác Hàm lượng tanin trong chè trung bình từ 32-40% ( theo chất khô ) và trong búp chè nhiều nhất ở tôm sau đó đến lá 1, lá 2 Nó không những tạo nên hương vị độc đáo của trà mà còn tham gia quá trình biến đổi hóa học dưới sự tác dụng của các enzyme oxy hóa để tạo hương thơm và màu sắc nước pha đặc trưng cho mỗi loại trà Đặc biệt, trong búp chè non có hàm lượng tanin cao EGCG thấp nên có vị chát dịu, ít đắng.
Bảng 1.5 Sự biến đổi của tanin theo vị trí của lé chè (B6/T13, [6 ] )
Vị trí Hàm lượng tanin/ tổng lượng (%)
Bảng 1.6 Sự biến đổi của tanin theo giống (B7/T14, [6 ] )
Bảng 1.7 Sự biến đổi của tanin theo thời tiết (B8/T14, [6 ] ) tháng Hàm lượng tanin (%)
Trong quá trình chế biến, hàm lượng tanin bị biến đổi theo chiều hướng giảm, tùy thuộc vào các loại chè, cụ thể:
+ Chè xanh: Hàm lượng tanin ít thay đổi, bị tổn thất khoảng 10% qua các công đoạn: Bảo quản, diệt men tạo vị chè dịu đi
+ Chè đen: Hàm lượng tanin giảm đi khoảng 50% do quá trình oxi hóa tanin để tạo ra sản phẩm chè có màu, mùi, vị đặc trưng
- Caffein: là chất alkaloit chủ yếu và quan trọng nhất trong lá trà, có vị đắng, không mùi Trong lá trà càng non thì hàm lượng cafein càng nhiều và có sự khác nhau ở mỗi lá (nõn tôm và lá 1 có 4-7%, lá thứ 2 có 4-5%, lá thứ 3 có 3-7% ) khi cafein tác dụng với tanin trà sẽ tạo thành váng khi để nguội nước trà, gọi là hợp chất tanat cafein Cafein trong trà có khả năng kích thích hệ thần kinh trung ương, kích thích vỏ đại não làm cho tinh thần minh mẫn, giảm stress và những mệt mỏi trong lao động Trong chè hàm lượng cafein chiếm khoảng 2 - 5% chất khô Trong quá trình chế biến hàm lượng cafein ít thay đổi, chè càng tốt thì hàm lượng cafein càng cao.
Bảng 1.8 Sự thay đổi hàm lượng cafein theo giống ( % chất khô) (B9/T14, [6 ] )
Bảng 1.9 Sự thay đổi hàm lượng cafein theo vị trí của lá chè (B11/T15, [6 ] )
Vị trí Hàm lượng cafein (%)
Bảng 1.10 Sự thay đổi của cafein qua các công đoạn sản xuất (B12/T15, [6 ] )
Công đoạn chế biến Hàm lượng cafein
- Protein và các axitamin: Trong chè, hợp chất chứa nitơ chiếm tương đối nhiều, riêng protein có hàm lượng từ 25-30% chất khô, protein tham gia thành phần cấu tạo enzim Trong quá trình chế biến, protein phân huy thành các a.a và dưới tác dụng của nhiệt độ cao, hoặc với men tạo thành các sản phẩm có mùi thơm.
Bảng 1.11 Sự thay đổi hàm lượng protein theo giống (B13/T15, [6 ] )
Giống Hàm lượng protein(%) Ấn Độ 27,62
Bảng 1.12 Sự thay đổi hàm lượng protein theo vị trí lá trên búp chè( số liệu của
Các thành phần của búp chè
Chè chọn giống số 3 Chè chọn giống số 4 Nito tổng số
Nito của các a.a tự do
Nito của các a.a tính theo Nito tổng
Nito của các a.a tự do
Nito của các a.a tính theo Nito tổng
Lá thứ nhất và tôm
- Enzyme: Trong cây chè enzim đóng vai trò rất quan trọng, enzim tham gia vào các hoạt động sống của cây và các enzim tồn tại ở trong lá chè tươi ở hai dạng: dạng tự do ( hoà tan) có trong dịch bào và dạng liên kết ( hấp phụ hoặc không hòa tan) ở ngoài dịch bào.Trong quá trình chế biến tuỳ thuộc vào mức độ sử dụng hoạt tính của enzim, đặc biệt là nhóm men oxy hoa, mà từ cùng một loại nguyên liệu ban đầu sẽ cho ta nhiều loai chè sản phẩm khác nhau: chè xanh, chè đẹn, chè vàng, chè đỏ Có 4 nhóm enzyme chính trong chè là enzyme oxi hóa khử, enzyme phân hủy, enzyme thủy phân, enzyme đồng phân
- Peptin:hàm lượng trung bình từ 3-5% chất khô gồm 2 loại là pectin hòa tan và protopectin Pectin hòa tan trong nước có vị ngọt dịu, làm cho độ nhớt dung dịch chè tăng, làm tăng chất lượng của chè Ngoài ra pectin tham gia vào việc tạo hương vị cho chè, tạo cho chè có vị táo chín khi làm héo, ở mức độ vừa phải làm cho chè xoắn lại nhưng cũng dễ hút ẩm gây khó khăn trong bảo quản làm giảm chất lượng của chè.
- Dầu thơm: Trong chè hàm lượng đầu thơm không nhiêu, chỉ từ 0,0072 đến 0,021%, chủ yếu là các molu và Aldehit thơm (Para izobutilic và izovaleniamic, a - B hexenola và rượu B, ô hexenola, hai họp chất sau này có hương thơm của cây xanh mạnh), este của rượu metilic và axit xalixilic, rượu C,H,20 Tuy nhiên lại có tính chất quyết định đến việc tạo hương cho chè nguyên liệu và sản phẩm, tăng khả năng chịu rét của cây chè.
- Đường ( gluxit): Trong chè có chứa nhiều loại đường khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp và tồn tại ở 2 dạng: đường không tan và đường hòa tan, trong đó đường hòa tan chiếm khoảng 4 % tổng lượng Tổng lượng đường chiếm khoảng 20% tổng lượng chất khô Đường không tan có tác dụng làm tăng khả năng chịu rét của cây chè Trọng quá trình chế biến chè, đường dưới tác dụng của nhiệt và men tạo hương thơm cho sản phẩm ( quá trình caramen hóá ).
- Sinh tố và các chất khác
+ Trong chè có đầy đủ các sinh tố: B1, B2, PP, C, riêng sinh tố C có hàm lượng tương đối cao
+ Ngoài ra trong chè còn có các chất khác như: chất tro, muối khoáng, sắc tố
Chè là sản phẩm được chế biến từ búp (tôm), cuộng và các lá non thu hái từ cây chè Với những phương pháp chế biến khác nhau, sản phẩm chè ngày nay rất đa dạng và phong phú, người ta phân ra nhiều loại chè như sau:
Cơ sở lý thuyết của quý trình sấy
Sấy là quá trình tách nước hoặc ẩm trong vật liệu sấy Kết quả của quá trình sấy làm làm giảm lượng nước và từ đó tăng tỷ lệ chất khô trong vật liệu Do đó, sấy xuất hiện hầu hết trong các hoạt động bảo quản chế biến nông sản-thực phẩm với các hiện tượng vật lý khác nhau (sự truyền dẫn, đối lưu, bức xạ ).
Bản chất của quá trình sấy là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái pha lỏng trong vật liệu thành hơi Đối với công nghệ sấy thăng hoa, trạng thái pha lỏng trong vật liệu sẽ chuyển thành rắn rồi mới hóa hơi, đây là một quá trình nối tiếp Hầu hết các vật liệu trong quá trình sản xuất đều chứa pha lỏng là nước và người ta thường gọi là ẩm.
-Quá trình sấy chia thành 2 giai đoạn:
+ Quá trình khuếch tán ẩm từ bên trong ra bề mặt bên ngoài của vật liệu và quá trình chuyển hơi nước từ bề mặt ngoài vật liệu ra môi trường xung quanh. Quá trình này xảy ra do sự chênh lệch độ ẩm giữa vật liệu và môi trường.
+ Quá trình chuyển pha chỉ xảy ra khi áp suất hơi trên bề mặt vật liệu lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí xung quanh [3].
-Mục đích của quá trình sấy:
Sấy là quá trình dùng năng lượng để làm bay hơi nước ra khỏi vật liệu rắn hay lỏng, chính vì vậy giúp làm giảm khối lượng vật liệu, giảm được cả công
Lên menSàng vò viên chuyên chở, đồng thơi tăng thời gian bảo quản do loại được ẩm ra khỏi nguyên liệu bởi nước là môi trường cho vi sinh vật dễ phát triển, hạn chế được các phản ứng sinh hóa xảy ra Ngoài ra, sấy giúp tăng tính cảm quan cho sản phẩm, giúp sản phẩm có mùi vị, màu sắc đặc trưng, tạo hình dạng đặc biệt cho mỗi loại.
- Nguyên tắc sấy chè đen:
+ Dùng không khí nóng có nhiệt độ Độ ẩm và tốc độ phù hợp để nhanh chóng đình chỉ hoàn toàn hoạt tính của men và làm khô chè
Trong thời gian sấy, lá chè thoát ra một lượng ẩm Có thể chia lượng ẩm này thành ẩm tự do và ẩm liên kết, trong đó tốc độ thoát ẩm của ẩm liên kết nhỏ hơn tốc độ thoát ẩm tự do
Lá chè thuộc loại nguyên liệu háo nước, do vậy nó biểu hiện đặc tính ( khi độ ẩm và nhiệt độ không khí không đổi) bằng tốc độ bốc hơi giảm xuống Trong thời gian khử ẩm, nhiệt độ trong lá chè tăng lên và cuối quá trình đạt tới nhiệt độ cân bằng của không khí nóng Nhân tố này rất quan trọng tới việc xác lập nhiệt độ sấy tối ưu Đối với sấy, điều quan trọng nhất là làm thế nào để sự chuyển dịch của ẩm từ bộ phận bên trong nguyên liệu ra bề mặt và sự bốc hơi của nó từ bề mặt luôn luôn nhịp nhàng với nhau Ngược lại, sự chuyển dịch của ẩm ra bề mặt của lá có thể chậm hon so với sự bốc hơi của ẩm từ bề mặt Khi sấy như thế quan sát thấy có sự tạo thành một lớp màng cứng trên lá ( cuộng chè), do đó ẩm ở bên trong nguyên liệu bị giữ lại, điều này có thể dẫn đến làm phồng cuộng và sau này làm nát, mốc chè hoặc gây ra những biến đổi hoa học không có lợi.
1.2.2 phân loại quá trình sấy
Quá trình sấy gồm 02 phương thức: sấy tự nhiên và sấy nhân tạọ
- Sấy tự nhiên: Tiến hành bay hơi bằng năng lượng tự nhiên như mặt trời, năng lượng gió…còn gọi là phơi sấy tự nhiên Phương pháp này đỡ tốn nhiệt năng, nhưng không chủ động điều chỉnh được vận tốc quá trình theo yêu cầu kỹ thuật, năng suất thấp,…
- Sấy nhân tạo: Thường được tiến hành trong các loại thiết bị sấy để 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 được phân loại như sau:
+ Sấy đối lưu là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với tác nhân sấy là không khí nóng, khói lò,… Đặc trưng của công nghệ sấy đối lưu chính là sự chuyển động của luồng không khí Chúng được dùng làm tác nhân sấy nhưng với điều kiện không khí trong buồng sấy luôn phải nóng, chuyển động theo vòng tuần hoàn trong buồng sấy.
Chúng sẽ tác động tới vật phẩm cần sấy và làm bốc hơi nước, độ ẩm còn dư trong vật phẩm sấy đó Chính luồng không khí nóng sẽ đưa lượng hơi ẩm này thoát ra ngoài Từ đó, vật phẩm được sấy khô hoàn toàn Đây cũng là nguyên lý làm việc của những sản phẩm máy sấy đối lưu, hệ thống sấy nông sản hiện nay.
Lượng hơi ẩm sẽ được thoát ra ngoài theo luồng khí nóng từng đợt, hoặc mẻ sấy Người ta có thể sử dụng rất nhiều nguồn nhiệt để vận hành quy trình sấy theo công nghệ sấy này mà không tốn quá nhiều chi phí.
Công nghệ sấy đối lưu cũng cho chất lượng nông sản, thành phẩm sấy đạt yêu cầu, không dễ bị biến chất hoặc hư hại, có thể để dùng dần hoặc cung cấp cho những nhà máy chế biến, hoặc đóng gói bán ra thị trường.
Công nghệ sấy đối lưu có thể ứng dụng để sấy cho nhiều loại vật phẩm sấy khác nhau Bên cạnh đó, dải nhiệt độ sấy nóng rộng hơn nhiều công nghệ sấy khác và dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ sấy khô theo ý muốn Chính vì thế mà công nghệ sấy đối lưu ngày càng ứng dụng rộng rãi hơn.
Chọn thiết bị sấy, tác nhân sấy, chế độ sấy cho quá trình sấy chè
Việc sản xuất các sản phẩm từ chè có giá trị rất lớn, đặc biệt là các sản phẩm sấy khô và nó có thể được sấy với nhiều thiết bị khác nhau như sấy thùng quay sấy tầng sôi, sấy vĩ ngang, sấy băng tải Đối với kiểu sấy tầng sôi, không phải loại vật chất nào cũng làm sôi được, chỉ có chè đã khô hoặc khô một phần thì mới dễ dàng áp dụng nguyên lý sấy tầng sôi trong quá trình sấy Vì vậy, thiết bị sấy băng tải được sử dụng rộng rãi nhất bởi những đặc tính sấy dành cho sản phẩm này.
Hình 1.9 Thiết bị sấy băng tải
2 Băng tải 6 Phễu nạp liệu
3 Tang quay 7 Cửa khí vào
4 Con lăn 8.Cửa nạp liệu
- Thiết bị sấy băng tải dựa trên nguyên lý sấy đối lưu, có những ưu điểm nổi trội như:
+ Khi qua một băng tải vật liệu được đảo trộn và sắp xếp lại nên tăng bề mặt tiếp xúc pha nên tăng tốc độ sấy.
+ Có thể đốt nóng giữa chừng, điều khiển dòng khí.
+ Phù hợp với vật liệu sấy dạng sợi như chè.
+ Có thể thực hiện sấy cùng chiều, ngược chiều hay chéo dòng
Dựa vào yêu cầu sản phẩm, phù hợp với chế độ công nghệ, quá trình sấy chè lên men đảm bảo các tính chất yêu cầu cho sản phẩm vì thế tác nhân sấy nên chọn là không khí, được làm nóng bởi calorifer, nhiệt cung cấp cho không khí trong calorifer là từ quá trình ngưng tụ hơi nước bão hòa.
1.3.3 Chọn chế độ sấy Để đảm bảo giữ được các tính chất về màu sắc và thành phần hóa học trong chè tươi, ta chọn chế độ sấy như sau:
+ Nhiệt độ tác nhân sấy vào : t1 = 85C
+ Nhiệt độ tác nhân sấy ra : t2 = 40C
+ Độ ẩm tương đối của môi trường : 0 = 83%
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Sơ đồ công nghệ
Phá vỡ tế bào và tạo hình
Sản phẩm chè đen Đấu trộnPhân loạiSấy khô Lên men
Thuyết minh quy trình
Các công đoạn chủ yếu của sản xuất chè đen này gồm làm héo, vò và sàng chè vò, lên men, sấy khô, tinh chế (gồm sàng phân loại và đấu trộn) Nguyên liệu dùng để chế biến chè đen là búp chè một tôm hai, ba lá non được thu hái từ các nương chè Nguyên liệu sau khi thu hái về có độ ẩm 75-80%, được làm héo cho lượng nước trong chè bốc bớt đi, lá chè nguyên liệu trở nên mềm và dẻo dai hơn Đồng thời hàm lượng chất khô tăng lên, tăng cường khả năng hoạt động của các enzyme trong nguyên liệu chè.
Sau đó, lá chè được đem đi vò để làm dập các tổ chức tế bào các mô làm các thành phần trong lá chè thoát ra bề mặt của lá chè để sau khi sấy các dịch bào sẽ bám lên bề mặt lá làm cho cánh chè óng ánh hơn và dễ dàng hòa tan vào nước pha tạo hương vị đặc trưng của chè đen Tanin và các hợp chất khác có điều kiện tiếp xúc không khí xảy ra quá trình oxy hóa tạo ra mùi vị, hương và màu sắc cho sản phẩm.
Tiếp theo là giai đoạn lên men chè vò, đây là giai đoạn rất quan trọng trong quy trình sản xuất chè đen Mục đích của giai đoạn này là tạo ra những biến đổi sinh hóa, chủ yếu là oxy hóa tanin dưới tác dụng của men để tạo ra màu sắc, hương vị của nước pha chè đen Sau khi chè đã được lên men đúng mức, người ta dùng nhiệt độ cao để đình chỉ hoạt động của các enzyme để chất lượng sản phẩm ở mức tốt nhất ở giai đoạn này, độ ẩm của chè được làm giảm xuống mức yêu cầu 3-5% , thuận lợi cho việc bảo quản chè sản phẩm Từ đó làm cho cánh chè xoăn kết và đen bóng.
Sau khi sấy xong, chè được phân loại thành những sản phẩm có phẩm chất tốt xấu khác nhau về kích thước, khối lượng, hình dạng sau đó, người ta tiến hành đấu trộn theo một tỉ lệ nhất định theo yêu cầu của khách hàng hoặc theo tiêu chuẩn của nhà máy Cuối cùng, chè được đóng gói vào hộp, để bảo quản và tiêu thụ trên thị trường.
Lưu trình công nghệ của quá trình sấy
Hình 2.1 Lưu trình công nghệ của quá trình Sấy
Do yêu cầu về độ khô của chè nên tác nhân sấy được sử dụng ở đây là không khí nóng.
Tác nhân sấy: không khí bên ngoài có nhiệt độ 25,3 o C, được quạt đẩy vào calorifer, ở đây không khí nhận nhiệt gián tiếp từ hơi bão hòa qua thành ống trao đổi nhiệt Hơi bão hòa đi trong ống, không khí đi ngoài ống Không khí sau khi được gia nhiệt tới nhiệt độ thích hợp 85 o C theo đường ống đi vào buồng sấy. Trong buồng sấy, không khí đi qua lưới phân phối khí (phân phối khí đều), qua các băng tải, tiếp xúc với chè, cung cấp nhiệt để hơi nước trong chè bốc ra ngoài Dòng không khí nóng đi cùng chiều với nguyên liệu.
Chè có độ ẩm ban đầu là 60% trong bồn chứa nguyên liệu, được gầu tải đưa vào bộ phận nhập liệu Bộ phận nhập liệu có tang quay gắn với động cơ, giúp chè được đưa vào sấy liên tục, không bị nghẽn lại ở đầu băng tải Sau đó tay gạt sẽ điều chỉnh độ dày của lớp chè trên băng tải.
Khi vào buồng sấy, chè sẽ chuyển động cùng với băng tải đến cuối băng tải thứ nhất xuống băng tải thứ hai và chuyển động ngược lại, và theo băng tải lấy sản phẩm ra ngoài, chứa trong bồn chứa sản phẩm, độ ẩm của sản phẩm sau sấy là 5% Ta chọn nhiệt độ đầu ra của tác nhân sấy là 40˚C để tránh thất thoát nhiệt và tránh trên mặt sản phẩm không bị đọng sương.
Trong quá trình sấy, không khí di chuyển với vận tốc lớn nên có một phần chè sẽ bị lôi cuốn theo ra khỏi buồng sấy Để thu hồi khí thải và chè, người ta đặt tại đường ống khí ra một cyclon để tách chè và làm sạch Sau đó một phần khí thải được quạt hút ra bằng đường ống dẫn khí được thải ra ngoài môi trường
Với những ưu, nhược của của chè, ta sử dụng thiết bị sấy kiểu băng tải với nhiều băng tải làm việc liên tục với tác nhân sấy là không khí nóng Vật liệu sấy được cung cấp nhiệt bằng phương pháp đối lưu.
- Ưu điểm của phương thức sấy này là:
+ Thiết bị đơn giản, rẻ tiền
+ Vật liệu được đảo trộn nhờ hệ thống băng tải do tốc độ sấy nhanh
+ Sản phẩm được sấy đều
+ Có thể đốt nóng giữa chừng, điều khiển dòng khí, hoạt động liên tục, có thể sấy cùng chiều, ngược chiều hay chéo dòng
+ Có thể khống chế chiều dày của lớp chè trong quá trình sấy dễ dàng. Bên cạnh những ưu điểm trên thì thiết bị sấy băng tải cũng có một số hạn chế: + Thiết bị cồng kềnh, vận hành phức tạp
+ Hiệu suất sấy chưa cao
+ Sản phẩm sấy dễ bị gãy vỡ do thiết bị có nhiều tầng , ban đầu vật liệu còn ẩm nên không bị vỡ , nhưng còn ở gần cửa ra sản phẩm thì vật liệu càng khô nên độ dẻo và độ đàn hồi giảm đi , vì vậy dễ bị vỡ nát
TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Các ký hiệu sử dụng
G1: Lượng vật liệu được đưa vào máy sấy (kg/h)
G2: Lượng vật liệu sau khi ra khỏi máy sấy (kg/h)
Gk: Lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua máy sấy (kg/h)
W1: Độ ẩm của vật liệu trước khi sấy, tính theo % khối lượng vật liệu ướt
W2: Độ ẩm của vật liệu 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)
L: Lượng không khí khô tuyệt đối đi qua máy sấy (kg/h) t1: Nhiệt độ tác nhân sấy vào ( o C) t2: Nhiệt độ tác nhân sấy ra ( o C) x0: Hàm ẩm của không khí trước khi vào calorifer sưởi (kg/kgkkk) x1, x2: Hàm ẩm của không khí trước khi vào máy sấy (sau khi đi qua calorifer sưởi) và sau khi ra khỏi máy sấy (kg/kgkkk)
I0, I1, I2: Enthalpy của không khí khô ở trạng thái ban đầu, trước khi vào và ra thiết bị sấy (kJ/kg kkk).
Các số liệu ban đầu
“ Thiết kế hệ thống thiết bị sấy băng tải để sấy chè lên men với năng suất 280 kg sản phẩm/h”
Vật liệu : Chè lên men
Năng suất tính theo sản phẩm : G2= 280 kg/h Độ ẩm vật liệu vào : W1= 60% Độ ẩm vật liệu ra : W2= 5%
Nhiệt độ tác nhân sấy calorife vào : t1= 85ºC
Nhiệt độ tác nhân sấy calorife ra : t2= 40ºC
Nơi đặt thiết bị ở Thừa Thiên Huế nên ta chọn:
+ Nhiệt độ môi trường : t0= 25.3ºC
+ Độ ẩm tương đối : 0%=0,81 ( Bảng VII.I/Tr.99-[2]) + Áp suất chung của môi trường : p=1,033at
+ Áp suất hơi bão hòa : pbh0= 0,0329at (Bảng I.250/Tr.312- [1]) Địa điểm nhà máy đặt tại Thừa Thiên Huế
Cân bằng vật chất
3.3.1 Tác nhân sấy ban đầu, khi chưa qua calorifer:
Hàm ẩm của không khí ẩm: x0 x 0 = 0,622× o× P 0bh
P kq - o× P 0bh (kg ẩm/kg kkk) (CT VII.11/T95, [2])
Thay số vào ta được x 0 = 0,622×0,81×0,0329
Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm trước khi vào calorifer:
I0 = t 0 +(2493+1,97× t 0 )× x 0 (kJ/kg kkk) (CT VII.13 /T9, [2] )
Trong đó : r0 ($93 kJ/kg) là nhiệt hóa hơi của nước ch: là nhiệt dung riêng của hơi nước (=1.97 kJ/kg.độ) t0: nhiệt độ của không khí ( o C) Thay số vào ta được:
3.3.2 Tác nhân sấy sau khi qua calorifer và trước khi vào buồng sấy:
Trạng thái không khí sau khi qua calorifer: t1 = 85 o C Pbh1 = 0.590 (at) (Bảng I.250/Tr.312-[1])
Khi đó qua calorifer không khí chỉ thay đổi nhiệt độ còn hàm ẩm không thay đổi Do đó x0 = x1 = 0,0157 (kg ẩm/kg kkk), nên ta có:
Nhiệt lượng riêng của không khí vào calorifer:
I1 = t 1 +(2493+1,97× t 1 ) × x 1 (kJ/kg kkk) (CT VII.13/T96, [1])
3.3.3 Trạng thái không khí sau khi ra khỏi phòng sấy:
Hàm ẩm của tác nhân sấy sau khi sấy: x2 Đặc trưng của sấy lý thuyết là enthanpy của tác nhân sấy trước và sau quá trình sấy là không đổi Nên I1 = I2 = 128.8204(kJ/kg kkk)
Mặt khác ta lại có:
I2 = t 2 +(2493+1,97× t 2 ) × x 2 (kJ/kg kkk) (CT VII.14/Tr96-[2])
Từ đó hàm ẩm của không khí sau khi ra khỏi phòng sấy là: x 2 = I 1 - t 2
- Tính nhiệt độ điểm sương:
Nhiệt độ điểm sương là nhiệt độ mà không khí bị lạnh đến mức trở nên bão hòa hơi nước, độ ẩm tương đối đạt 100% Kí hiệu: ts
Tại nhiệt độ điểm sương thì =1 , nên : p’bh2 = x 2 × p x 2 + 0,622 ×φ = 0,0346×1,033
Với p’bh2 = 0,0543(at) , tra bảng I.250/Tr.312-[1] , dung phương pháp nội suy , ta có ts = 35,8× (0,0543 -0,05) + 32,5× (0,06-0,0543)
Do đó ta có : tại t2 = 40 ( ) , tra bảng I.250/Tr.312-[1] dung phương℃) pháp nôi suy ta được áp suất hơi bão hòa là : pbh2 = 0,0752 Đổ ẩm tương đối của không khí tại nhiệt độ t2@( )℃)
Bảng 3.1 Các thông số của không khí
Tác nhân sấy t ( o C) x (kg/kgkkk) (%) I
Sau khi ra khỏi thiết bị sấy 40 0,0346 72.26 128.8204
Cân bằng vật liệu
3.4.1 Cân bằng vật liệu cho vật liệu sấy
Trong quá trình sấy ta xem như không có hiện tượng mất mát vật liệu, lượng không khí khô tuyệt đối coi như không bị biến đổi trong suốt quá trình sấy
G1: lượng vật liệu trước khi sấy
G2: lượng vật liệu sau khi sấy
Gk: lượng vật liệu khô tuyệt đối
Lượng vật liệu khô tuyệt đối
Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy
100- 60 85 (kg/h) (CT VII.18/T102, [3]) Lượng vật liệu trước khi vào phòng sấy:
3.4.2 Cân bằng vật liệu cho tác nhân sấy
Trong quá trình sấy ta coi như lượng kh6ông khí khô tuyệt đối đi qua máy sấy không bị mất mát trong suốt quá trình sấy Khi quá trình làm việc ổn định lượng không khí khô đi vào máy sấy mang theo một lượng ẩm là Lx1.
Kết thúc quá trình sấy, từ vật liệu ẩm bốc ra một lượng ẩm là W, dẫn đến lượng ẩm chứa trong không khí khô sau quá trình sấy là Lx2.
Ta có phương trình cân bằng vật liệu theo lượng ẩm là:
Từ phương trình cân bằng ẩm trên, ta xác định được lượng không khí khô cần thiết để làm bốc hơi ẩm trong vật liệu là:
Lượng không khí khô cần thiết để làm bốc hơi 1kg ẩm vật liệu: l = L w = 1 x 2 -x 1 = l
0,0346-0,0165 = 55.3549 (kg kkk/kg ẩm bay hơi)
3.4.3 Tính toán thời gian sấy
Ta có: t 1 = t k = 65°C, 1 = 4,52% Tra đồ thị I-d, ta được nhiệt độ từ ~ 30,68°C. Cường độ bay hơi:
Với B: áp suất khí trời, B = 760 mmHg a m : hệ số bay hơi, kg/m 2 h mà ta có J m nhân r= a ( t k- t ư) với r: ẩn nhiệt hóá hơi, kJ/kg a: hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (W/m 2 K)
Với hệ số ẩm kế.A= a a m × r
Chọn vận tốc tác nhân trong hầm sấy là v = 0,5 m/s (T5,
Vì v ≥ 0,5 m/s nên theo thực nghiệm: A = (65 + 6,75 v ) × 10 -5 (CT2,37b/T31, [5])
Khi tốc độ dòng khí v ≤ 5 m/s: a = 6,15 + 4,17 v, W/m 2 K (CT7,46/T144, [5])
- Tốc độ sấy đắng tốc
Diện tích bề mặt vật liệu: f = 0,019
N = 100 × 163,68 × 0,019 = 311 Độ ẩm cân bằng W cb = 4% Độ ẩm tới hạn: W th= W cb+ W 1
1 ( W 2 - W cb) ] ( CT 5,25 ) suy ra t = 60-37,3 311 - 1,8 311 60 ln [ 1,8 60 (5-4) ] = 0.45h
Thực tế không khí chuyển động trên vật liệu không được động đều, vì vậy thời gian sấy lý thuyết cần phải kéo dài thêm
Suy ra thời gian sấy t = 0,45 + 0,05 =0,5h
Bảng 3.2 Tổng hợp các thông số của vật liệu Đại lượng Giá trị Đơn vị
Lượng vật liệu trước khi vào máy sấy (G1) 665 kg/h
Lượng vật liệu ra khỏi máy sấy (G2) 280 kg/h
Lượng vật liệu khô tuyệt đối (Gk) 266 kg/h Độ ẩm ban đầu của vật liệu (W1) 60 % Độ ẩm cuối của vật liệu (W2) 5 %
Lượng ẩm bay hơi (W) 385 kg/h
Lượng không khí khô tiêu tốn riêng để bốc hơi
1 kg ẩm khỏi vật liệu (l) 55.3549 kg kkk/kg ẩm
Lượng không khí tiêu tốn để làm bốc hơi 34,89 kg ẩm trong vật liệu (L) 21311,6569 kg kkk/h
PHẦN 4: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG VÀ TÍNH TOÁN
Các thông số thiết bị chính
4.1.1 Chọn kích thước của băng tải
Gọi Br: chiều rộng lớp băng tải (m) h: chiều dày lớp nguyên liệu (m), lấy h = 60 (mm) = 0.06 (m)
: vận tốc băng tải, ta chọn = 0,4 (m/phút)
: Khối lượng riêng của chè, = 350 (kg/m 3 )
- Năng suất của quá trình sấy:
- Chiều rộng thực tế của băng tải:
( với là hệ số hiệu chỉnh )
Gọi Lb: chiều dài của băng tải (m) ls: chiều dài phụ thêm, chọn ls = 0.5 (m)
- Chiều dài của băng tải là:
Ta chia băng tải thành nhiều băng tải ngắn, khi chia hệ thống băng tải thành nhiều tầng có thể tiết kiệm không gian hơn , đông cơ đảo chiều linh hoạt , giúp giải phóng sức người trong công việc di chuyển đến các vị trí , số băng tải ta chọn là i = 5 chiều dài mỗi băng tải là L b = 12
5 = 2,4 (m) Đường kính băng tải dbăng = 0,3 (m)
- Các băng tải có chức năng sấy để làm khô vật liệu sấy.
4.1.2 Chọn vật liệu làm phòng sấy
Phòng sấy được xây dựng bằng thép CT3
+ Chiều dày lớp vật liệu cách nhiệt: 0,02 (m)
- Trần phòng được làm bằng thép CT3 có :
- Cửa phòng sấy được làm bằng tấm nhôm mỏng, giữa có lớp cách nhiệt dày 0,025 (m) và hai lớp nhôm mỗi lớp dày 0,005 (m).
- Chiều dài làm việc của phòng sấy:
Với Lbs là khoảng cách từ giữa băng tải tới lớp thép, chọn Lbs = 0,75 (m) Vậy chiều dài làm việc của phòng sấy là: Lp = 2,4+2 ×0,75 = 3,9 (m)
- Chiều cao làm việc của phòng sấy:
Trong đó: d: là khoảng cách giữa các băng tải, chọn d = 0,35 (m) dbs: là khoảng cách giữa băng tải đến trần, chọn dbs = 0,5 (m) dn: là khoảng cáh từ băng tải đến nền, chọn dn = 0,5 (m)
- Chiều rộng làm việc của phòng:
Với Bbs là khoảng cách giữa các băng tải đến lớp thép, chọn Bbs = 0,5 (m) Vậy: Bp = 1,466+2 × 0,5 = 2,466 (m)
- Kích thước phòng sấy kể cả tường là:
+ Chiều dài của phòng kể cả tường:
+ Chiều rộng của phòng kể cả tường:
+ Chiều cao của phòng kể cả trần:
Bảng 4.1 Tổng kết các kích thước của băng tải và phòng sấy Đại lượng Ký hiệu Đơn vị Giá trị
Chiều rộng băng tải Btt m 1,466
Chiều dài băng tải (mỗi băng ) Lb m 2,4
Chiều cao làm việc phòng sấy Hp m 3,9
Chiều dài làm việc phòng sấy Lp m 3,9
Chiều rộng làm việc phòng sấy Bp m 2,466
Chiều dài phòng kể cả tường Lph m 3,97
Chiều cao phòng kể cả tường Hph m 4,06
Chiều rộng phòng kể cả tường Bph m 2,536
- Thể tích riêng của không khí ẩm tính theo 1 kg không khí khô sau khi ra khỏi calorifer là: v 1 = R× T 1
R= 8314J/kmol.độ p = 1,033 (at)/ p1bh = 0,590 (at)
-Vậy thể tích riêng của không khí tính theo 1kg không khí khô vào phòng sấy là: v 1 = R×T 1
- Thể tích không khí vào phòng sấy là:
- Thể tích riêng của không khí tính theo 1kg không khí khô sau khi ra khỏi phòng sấy: v 2 = 288× T 2
P- 2× P 2bh (m 3 /kg kkk) (CT VII.8/T94, [2])
- Vậy thể tích riêng của không khí ẩm tính theo 1kg không khí khô sau khi ra khỏi phòng sấy là: v 2 = R × T 2
- Thể tích không khí ra khỏi phòng sấy:
- Thể tích trung bình của không khí trong phòng sấy:
4.1.4 Vận tốc chuyển động của không khí và chế độ chuyển động của không khí trong phòng sấy
Vận tốc của không khí trong phòng sấy: kk = V tb
Chế độ chuyển động của không khí
Re: Là hằng số Reynol đặc trưng cho chế độ chảy của dòng ltđ: Đường kính tương đương l tđ = 2× H p × B p
Nhiệt độ trung bình của không khí trong phòng sấy t tb = 85+40
Từ nhiệt độ trung bình này tra bảng (I.255/T318, [1]) ta có:
Dùng phương pháp nội suy ta có :
Re = 95459,5882 >10 4 chế độ chuyển động của không khí trong phòng sấy là chuyển động xoáy
- Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và môi trường xung quanh
Với ∆ t1: Hiệu số nhiệt độ giữa tác nhân sấy vào phòng sấy với không khí bên ngoài
∆ t2 : Hiệu số nhiệt độ giữa tác nhân sấy đi ra khỏi phòng sấy với tác nhân sấy bên ngoài
Tổn thất nhiệt lượng
4.2.1 Tổn thất qua tường Thép CT3
Lượng nhiệt tổn thất qua tường q t = k t ×F t × ∆t tb ×3600
Trong đó: t1 = 85 o C: nhiệt độ tác nhân sấy trong thiết bị t2 = 40 o C: nhiệt độ không khí thải ra ngoài môi trường
W = 385 (kg/h): lượng ẩm bay hơi kt: Hệ số truyền nhiệt qua tường k t = 1
2 = 0,02 (m): Chiều dày lớp cách nhiệt
1 = 0,15 (W/m.độ): Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách nhiệt
2 = 35 (W/m.độ): Hệ số dẫn nhiệt của thép
1: Hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến tường
2: Hệ số cấp nhiệt từ tường đến môi trường
Lưu thể nóng (không khí nóng) chuyển động trong phòng do đối lưu tự nhiên (vì có sự chênh lệch nhiệt độ) và cưỡng bức (quạt) Không khí chuyển động theo chế độ xoáy do Re > 10 4
Trong đó : k: Hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc chế độ chuyển động của không khí Khi chuyển động xoáy và tường nhám thì k = 1,2-1,3 Ta chọn k = 1,2
1: Hệ số cấp nhiệt của không khí nóng đến thành máy sấy do đối lưu cưỡng bức (W/m 2 độ).
1: Hệ số cấp nhiệt của không khí nóng đến thành máy sấy do đối lưu tự nhiên (W/m 2 độ).
Trong đó: ttb: Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy trong thiết bị t tb k = 85+40
tb: Hệ số dẫn nhiệt của tác nhân sấy ở nhiệt độ trung bình
Nu 1: Chuẩn số Nusselt Đối với không khí ta có:
Re: Chuẩn số Reynol, Re = 95459,5882
1 phụ thuộc vào tỷ số L p l tđ và Re
Tra bảng và tính toán ta được 1 = 1,1435 (CT V.2/T15, [2]) Vậy Nu 1 = 0,018 × 1,1435 × (95459,5882) 0,8 8,319
Hp: Chiều cao phòng sấy Hp = 3,9 (m)
tb: Hệ số dẫn nhiệt của tác nhân sấy ở nhiệt độ trung bình.
tb = 2,8993×10 -2 (W/m.độ) (bảng I.255/T318, [1]) tb =1 8.9598× 10 -6 (m 2 /s) (bảng I.255/T318, [1])
Nu1: Chuẩn số Nuselt. Đối với không khí ta có công thức sau:
Gr: Chuẩn số Gratkov đặc trưng cho tác dụng tương hỗ của lực ma sát phân tử và lực nâng do chênh lệch khối lượng riêng ở các điểm có nhiệt độ khác nhau của dòng.
Trong đó: g: Gia tốc trọng trường, g = 9,8 (m/s 2 )
Hp: Chiều cao phòng sấy (m)
Mà chuẩn số Nuselt là:
Vậy hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến tường là:
2: Hệ số cấp nhiệt do bức xạ nhiệt từ mặt ngoài của tường phòng sấy ra môi trường ngoài (W/m 2 độ).
2: Hệ số cấp nhiệt do không khí đối lưu tự nhiên (W/m 2 độ).
2: Hệ số cấp nhiệt do không khí đối lưu cưỡng bức (W/m 2 độ).
Ta có nhiệt tải riêng của không khí từ phòng sấy đến môi trường xung quanh: q1 = 1× ∆ t 1= 3,927 ×14,3 = 56,1598 (KJ/kg ẩm) (CT V2, [2]) Trong quá trình truyền nhiệt ổn định thì: q 1 = t T1 - t T2 δ 1
1, 2, 3: Bề dày các lớp tường (m)
1, 2, 3: Hệ số dẫn nhiệt tương ứng (W/m.độ)
1 = 2 = 0,02 (m): Bề dày lớp vạt liệu cách nhiệt có 1 = 2 = 0,15 (W/m.độ)
3 = 0,015 (m): Bề dày thép có 3 = 35 (W/m.độ)
3 ) = 60,7723 × 0,2764 = 16.8 o C tT2: Nhiệt độ tường ngoài phòng sấy, o C tT2 = tT1 -20.08= 50,1-16.8= 33.3 o C Nhiệt độ lớp biên giới giữa tường ngoài phòng sấy và không khí ngoài trời:
Tại nhiệt độ Tbg = 29.3 o C ta tra (bảng I.255/T318, [1]) được:
Nhiệt độ tường ngoài và nhiệt độ không khí có độ lệch là:
(CT V39/T13, [2]) Chuẩn số Nuselt là:
Hệ số cấp nhiệt do bức xạ 2
v: Độ đen của vữa lấy v = 0,91
C0: Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối, lấy C0 = 5,8
Nhiệt tải riêng từ bề mặt của tường ngoài đến môi trường không khí q2 = 2 × ∆ t2 = 7,4113 × 7,3774 = 54,6764(kJ/kg ẩm)
Vậy tổn thất qua tường là:
Mà Ft = 2 × Lp ×Hp+2 × Bp ×Hp = 2× 3,9× 3,9 +2×2,466×3,9 = 49,6 (m 2 ) k t = 1
Lớp cách nhiệt(bông) dày: 3 = 0,15 (m), 3 = 0,058 (W/m.độ) Để tính tổn thất qua trần ta cần xác định:
Do đó hệ số truyền nhiệt qua trần:
Trong đó Ftr = Lp×Bp = 3,9×2,466= 9,6176 (m 2 )
Vậy tổn thất nhiệt qua trần:
Qtr = 3,6×Ktr×Ftr×t = 3,6× 0.3379 ×9,6176 ×(62.5-25.3) = 435,17(kJ/h) Nhiệt tải riêng: q tr = Q tr
Hai đầu phòng sấy có cửa làm bằng nhôm dày 4 = 0,005 (m), có hệ số dẫn nhiệt của thép 4 = 0,5 (W/m.độ) và lớp cách nhiệt dày 5 = 0,025 (m) có 5
Do đó hệ số dẫn nhiệt của Kc là:
Cửa phía tác nhân sấy vào có độ chênh lệch nhiệt độ (t1- t0) còn đầu kia có độ chênh lệch bằng (t2- t0)
Do đó: Qc = 3,6× Kc×Fc×[(t1-t0)+(t2-t0 )]
Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy bằng 62.5 o C, giả sử tường và phòng sấy cách tường bao che của phân xưởng 2 (m) Theo bảng 7.1 của sách tính toán và thiết kế hệ thống sấy (bảng 7.1/T142, [4])
Do đó tổn thất qua nền là:
Như vậy tổng tổn thất nhiệt truyền qua kết cấu bao che ra môi trường xung quanh là: qtt = qt+qc+qtr+qn
4.2.5 Tổn thất để làm nóng vật liệu sấy
Trong sấy nông sản, nhiệt độ vật liệu sấy ra khỏi thiết bị sấy lấy thấp hơn nhiệt độ sấy tương ứng từ (5-10) o C nên tvl2 = t2-(5-10) o C vì vậy ta lấy tvl2 = 40-8 = 32 o C
Nhiệt dung riêng của nguyên liệu ra khỏi phòng sấy:
Cvl = Cvlk×(1-W2)+Cẩm×W2 ([T191, [5]) Trong đó:
Cvlk: Nhiệt dung riêng của rau gia vị khô, Cvlk = 1,5 (kJ/kg.độ)
Cẩm = Cn = 4,18 (kJ/kg.độ) (ẩm chính là nước)
Vậy tổn thất do vật liệu mang đi:
Các thông số của quá trình sấy thực
4.3.1 Nhiệt lượng bổ sung thực tế
Ta xác định các thông số của quá trình sấy thực bằng phương pháp giải tích vì nó dựa trên các công thức tính toán nên chính xác hơn.
Nhiệt lượng bổ sung thực tế:
Trong đó: qb = 0 (do không sử dụng calorifer bổ sung). tvl1: Nhiệt độ của vật liệu trước khi đưa vào máy sấy (bằng nhiệt độ môi trường).
∑ q : Tổng nhiệt tổn thất trong quá trình sấy.
∑ q = q vl +q tt = 7,962+36,6226 = 44,5846 (kJ/kg ẩm)
4.3.2 Không khí sau khi ra khỏi phòng sấy
Hàm ẩm của không khí ra khỏi phòng sấy trong quá trình sấy thực là: x 2 = -I 1 +∆× x 0 + C k× t 2
Nhiệt dung riêng của không khí khi ra khỏi phòng sấy:
= 129,997 (kJ/kg kkk) Độ ẩm của không khí ra khỏi phòng sấy : φ2’= (0,622+ x 2’ × p x 2’ )× pbh 2 = (0,622+0,0345) 0,035 × 1,033 ×0,0752 =0,7316s.16%
4.3.3 Không khí trước khi vào calorifer và sau khi ra khỏi calorifer
Do = 63,5199 > 0 nên ta có I 2 > I 1 và I 2-I 1 = ∆ l' = ×( x 2- x 0 )
= 63,5199 (kJ/kg ẩm) x2 = 0,035 (kg/kg kkk) t1 = 85 o C
Thay số vào và giải hệ phương trình ta được :
I1 = 128,82 (kJ/kg kkk) x0 = x1 = 0,0045 (kg/kg kkk)
I1 = 128,82 (kJ/kg kkk), x1 = 0,0165 (kg/kg kkk)
I2 = 129,997(kJ/kg kkk), x2 = 0,035 (kg/kg kkk)
I0 = 67.2569 ( kJ/kg kkk), x0 = 0,0165 (kg/kg kkk)
Lượng không khí cần thiết để bay hơi 1kg ẩm trong quá trình sấy thực là: l = 1 x' 2 - x' 0 = 1
Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Nhiệt lượng do calorifer cung cấp qs = l×(I2-I0) = 54.0465×(129,997-67.2569) = 3392,498(kJ/kg ẩm)
Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào q vlv = G 2 ×C vl × t vl1
Nhiệt lượng do không khí mang vào qkkv = l× I0 = 54.0464×67.2569 = 3634.9968 (kJ/kg ẩm)
Vậy tổng nhiệt lượng vào là:
Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra q vlr = G 2 × C vl × t vl2
Nhiệt lượng do không khí mang ra qkkr = l×I2 = 54.0465 × 130.02 = 7029,2268 (kJ/kg ẩm)
Nhiệt lượng do tổn thất qtt = 34,272 (kJ/kg ẩm)
Vậy tổng nhiệt lượng ra là:
So sánh tổng nhiệt lượng vào và tổng nhiệt lượng ra:
Vậy các giả thiết và các quá trình tính toán trên đều có thể chấp nhận được.
Bảng 4.2 Tổng hợp tính toán cân bằng nhiệt lượng Đại lượng Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Lưu lương tác nhân sấy thực tế L’ 20817,8025 kgkkk/h Nhiệt lượng do calorifer cung cấp qs 3392,4985 kJ/kg ẩm
Nhiệt lượng bổ sung thực tế 61,1693 kJ/kg ẩm
Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy qkkr 7029,2268 kJ/kg ẩm Tổn thất nhiệt do vật liệu qvlr 38,0276 kJ/kg ẩm Tổn thất nhiệt ra môi trường qtt 34,272 kJ/kg ẩm
Tổng nhiệt lượng ra qr 7101,5264 kJ/kg ẩm
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Calorifer
Không khí là loại tác nhân sấy có sẵn trong tự nhiên, không gây độc hại và không gây bẩn cho sản phẩm sấy Chính vì vậy, để đảm bảo chất lượng của sản phẩm chè sau khi sấy nên dùng tác nhân sấy là không khí nóng Không khí nóng đi qua calorifer sưởi và nhận nhiệt gián tiếp từ hơi nước bão hòa qua thành ống.
Không khí dùng để sấy có nhiệt độ theo yêu cầu là 85 o C, chất truyền nhiệt là hơi nước bão hòa.
Thiết bị chọn là loại ống chùm Không khí nóng đi ngoài ống, hai lưu thể chuyển động chéo dòng.
5.1.1.Chọn kích thước ống truyền nhiệt
Chọn ống truyền nhiệt bằng đồng có gân để nâng hệ số truyền nhiệt, hệ số dẫn nhiệt của đồng là = 385 W/m.độ (T125, [1])
Đường kính ngoài ống: dng = 0,045(m)
Đường kính trong của ống: dtr = 0,04 (m)
Chiều dày của ống: = d ng -d tr
Đường kính của gân: Dg = 1,4 dng = 0,063 (m)
Chiều cao của gân: h g = D g -d ng
Số gân trong trên một ống: m = l b g = 130
Tổng chiều dài của gân: Lg = b×m = 0,002×130 = 0.26 (m)
Tổng chiều dài không gân: Lkg = l - Lg = 1,3-0,26 = 1.04 (m)
Lượng không khí cần thiết cho quá trình sấy (theo tính toán thực tế ở trên): l = 54,0722 (kg/kg ẩm)
Nhiệt độ không khí ban đầu là: t0 = 25,3 o C 25,3C = 1.1838 (kg/m 3 ) (bảng I,255/T318, [1]) Nhiệt độ không khí khi ra khỏi calorifer là: t1 = 85 o C 85C = 0.986 (kg/m 3 )
Nhiệt độ không khí sau khi ra khỏi thiết bị sấy là: t2 = 40 o C 40C = 1,128(kg/m 3 )
Thể tích riêng của không khí:
Lượng không khí khô đi vào calorifer là:
5.1.2.1 Tính toán diện tích ống truyền nhiệt
Diện tích bề mặt của một ống (phía trong của ống):
Diện tích mặt ngoài của ống:
Diện tích phần bề mặt ngoài của một ống:
Diện tích phần có gân:
Diện tích phần không gân:
Chọn số ống xếp trên một hàng là: i = 20 Khoảng cách giữa ống này với ống kia là: d = 0,007 (m) Khoảng cách giữa ống ngoài cùng đến calorifer là: x = 0,01 (m) Diện tích tự do của calorifer Ftd:
Chiều dài của cả calorifer là:
Chọn chiều cao ống là: hcao = 1,2 (m)
Diện tích tiết diện của cả calorifer là:
Diện tích cản của gân là:
Diện tích cản của ống là:
Vậy diện tích phần tự do là:
Ftd = Fx-Fc/ống-Fcg = 1,6956-0,936-0,3276 = 0,432 (m 2 )
5.1.2.2 Hệ số cấp nhiệt từ mặt ngoài của ống ra không khí
5.1.2.2.1 Nhiệt độ trung bình của không khí trong calorifer ttb t tb1 = t hnd - t tb mà t tb = ∆t d - ∆t c ln ∆t d
Chọn nhiệt độ hơi nước bão hòa khi vào là thnd = 130 o C
Chọn nhiệt độ nước ngưng tụ ra là thnc = 120 o C
Thay số vào ta có: t tb = ∆t d - ∆t c ln ∆t d
ttb1 = thnd - ttb = 130 – 63,32 = 66,39 o C Ứng với giá trị ttb tra bảng (I.255/T318, [1]) ta có:
Pr = 0,694664 5.1.2.2.2 Hệ số cấp nhiệt từ hơi nước bão hòa đến mặt ngang của ống:
H = 1,2 (m): Chiều cao ống r: Ẩn nhiệt hóa hơi J/kg
Từ thnd = 130 o C (tra bảng I.250/T312, [1]) ta có r = 2,179 × 10 6 (J/kg)
Hệ số A có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ màng nước ngưng tụ tm
Chọn tT = 129,85 o C: Nhiệt độ thành ống trong của ống
Sử dụng phương pháp nội suy, tra bảng (T29, [2]) ta có: tm = 129,925 o C A = 190,146
t: Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ và nhiệt độ thành calorifer:
Vậy thay số vào ta có:
Vậy nhiệt lượng riêng q1: q1 = 1 ×t = 24299,44×0,15 = 3644,916 (kJ/kg ẩm)
5.1.2.2.3 Tính hệ số cấp nhiệt từ mặt ngoài ống đến không khí chuyển động trong calorifer 2
Nhiệt độ trung bình của không khí cần sấy trong calorifer
Từ t tb2 tra (bảng I.255/T318, [1]) ta có:
Lưu thể chảy qua bên ngoài ống chùm ống có gân:
C,n: là đại lượng phụ thuộc vào cách xếp ống Đối với ống xếp thẳng hàng: C = 0,116; n = 0,72 dng: Đường kính ngoài của ống, dng = 0,04 (m) bg: Bước của gân, bg = 0,01(m) lg: Chiều dài của gân, lg = 0,012 (m)
Trong đó: kk là vận tốc không khí: kk = V
Thì không khí chảy theo chế độ chảy quá độ và (3 < d b ng g
Hệ số cấp nhiệt đối lưu:
Hệ số cấp nhiệt đối lưu thực tế, dùng phương pháp ngoại kết hợp nội suy ta có:
Vậy nhiệt lượng riêng là q2 = k × ttb = 52,7716 × 66,39 = 3503,5053(kJ/kg ẩm)
Vậy tất cả các thông số đã chọn có thể chấp nhận được.
5.1.2.3 Xác định bề mặt truyền nhiệt
Ta có: qs = 3392,4985 (kJ/kg ẩm) (Tính toán ở chương 4)
Lượng nhiệt thực tế do calorifer cung cấp:
Lượng nhiệt thực tế truyền từ hơi nước trong ống đến thành ống:
Bề mặt truyền nhiệt là:
Bề mặt truyền nhiệt thực:
Bề mặt truyền nhiệt trung bình :
Số ống truyền nhiệt trong calorifer: n = F t
Số ống sắp xếp theo chiều ngang: m = n i = 359
Với a: Bề dày lớp chắn, chọn a = 0,15 (m)
Bảng 5.1 Kích thước của Calorifer
Số ống theo chiều ngang Chiều dài Chiều rộng Chiều cao
Cyclon
Khi tác nhân sấy (không khí nóng) đi qua máy sấy thường có mang theo rất nhiều hạt bụi nhỏ, chúng cần được thu hồi để làm sạch môi trường không khí thải thông qua một cyclon đặt ngoài đường không khí.
5.2.2 Tính toán Ở nhiệt độ t2 = 40 o C Tra bảng I.255 trang 318-[2] ta được ρ
40℃)=1,128 (kg/m 3 ) Ở nhiệt độ này thể tích riêng của không khí là : v 40 o C= 1 ρ kk = 1
Lưu lượng không khí ra khỏi phòng sấy:
- Gọi ∆ P là trở lực của cyclon thì :
Từ đó , trở lực của cyclone là :
Chọn kiểu cyclon LIH – 24 là loại cyclon đơn với góc nghiêng của cửa vào là 24 o Cyclon này có hệ số sức của thủy lực và có độ làm sạch nhỏ hơn so với LIH – 60 , dùng để tách sơ bộ bụi có kích thước hạt và nồng độ cao.
Tốc độ quy ước q q = √ 2×∆P 40℃) × (CT III.48/T522, [1])
Dựa vào đường kính D = 0,9604 (m) ≈ 1,000, ta chọn cyclon đơn loại LIH-24 nằm trong khoảng 400-1000 mm.
Bảng 5.2 Kích thước cơ bản của cyclon LIH-124 (T524, [3])
Các thông số Kí hiệu CT Giá trị
Chiều cao cửa vào a (mm) 1,11D 1110
Chiều cao ống tâm có mặt bích h1 (mm) 2,11D 2110
Chiều cao phần hình trụ h2 (mm) 2,11D 2110
Chiều cao phần hình nón h3 (mm) 1,75D 1750
Chiều cao phần bên ngoài ống tâm h4 (mm) 0,4D 400
Chiều cao chung H (mm) 4,26D 4260 Đường kính ngoài ống ra d1 (mm) 0,6D 600 Đường kính trong của cửa tháo bụi d2 (mm) 0,4D 400
Chiều rộng của cửa vào b1/b 0,26D/0,2D 260/220
Chiều dài của ống cửa vào l (mm) 0,6D 600
Khoảng cách từ tận cùng cyclon đến mặt bích h5 (mm) 0,32D 320
Góc nghiêng giữa nắp và ống vào 24 24 Đường kính trong của cyclon D (mm) D00 mm 1000
Hệ số trở lực của cyclon 60 60