Để có 1 cái nhìn cụ thể và nắm rõ hơn về vấn đề này, em đã được giao đề tài đồ án là: “Tính toán, thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy cà phê nhân năng suất 600kg/h” Đây là lần đầu tiê
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ
2.1, Tổng quan về công nghệ
Sấy là quá trình loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu thông qua nhiệt, diễn ra nhờ sự khuếch tán do chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt và bên trong vật liệu Quá trình này cũng liên quan đến sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần giữa bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh.
2.1.2, Phân loại các quá trình sấy
Quá trình sấy gồm 2 phương thức :
Sấy tự nhiên là phương pháp sử dụng năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời và gió để bay hơi nước Mặc dù phương pháp này đơn giản, tiết kiệm chi phí và không tiêu tốn năng lượng, nhưng nó có nhược điểm như không điều chỉnh được tốc độ sấy theo yêu cầu kỹ thuật, dẫn đến năng suất thấp và phụ thuộc vào thời tiết Ngoài ra, phương pháp này cần diện tích bề mặt lớn và điều kiện vệ sinh kém, nên thường được áp dụng cho sản xuất quy mô nhỏ và hộ gia đình.
Sấy nhân tạo là phương pháp sử dụng nguồn năng lượng do con người tạo ra để làm khô các vật liệu ẩm, thường được thực hiện trong các thiết bị sấy chuyên dụng.
Sấy nhân tạo có nhiều dạng tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà trong kỹ thuật sấy có thể chia ra làm các dạng :
Sấy đối lưu là phương pháp sấy mà trong đó vật liệu sấy tiếp xúc trực tiếp với không khí nóng hoặc các tác nhân sấy khác như khói lò, hệ thống sấy phun, tầng sôi, và hầm.
Sấy tiếp xúc là phương pháp sấy trong đó tác nhân sấy không tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ sấy Thay vào đó, nhiệt được truyền gián tiếp từ tác nhân sấy đến vật liệu thông qua một vách ngăn.
• Sấy bằng tia hồng ngoại : là phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn điện phát ra truyền cho vật liệu sấy
Sấy bằng dòng điện cao tần là phương pháp sử dụng năng lượng điện trường tần số cao để làm nóng đồng đều toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu.
Sấy thăng hoa là một phương pháp sấy hiệu quả, diễn ra trong môi trường chân không cao và nhiệt độ thấp Quá trình này giúp ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi trực tiếp từ trạng thái rắn thành hơi mà không cần qua trạng thái lỏng.
Phân loại theo tính chất xử lý vật liệu ẩm qua buồng sấy :
• Sấy mẻ : vật liệu đứng yên hoặc chuyển động qua buồng sấy nhiều lần, đến khi hoàn tát sẽ được tháo ra
• Sấy liên tục : vật liệu được cung cấp liên tục và sự chuyển động của vật liệu ẩm qua buồng sây cũng xảy ra liên tục
Phân loại theo sự chuyển động tương đối giữa dòng khí và vật liệu ẩm :
• Loại thổi qua bề mặt
• Loại thổi xuyên vuông góc với vật liệụ
Kết luận : Từ đề bài và điều kiện chọn phương pháp sấy đối lưu
2.1.3, Nguyên lý quá trình sấy
Trong quá trình sấy, môi trường không khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng lớn đến tốc độ sấy Do đó, việc nghiên cứu các tính chất của không khí ẩm là yếu tố cơ bản trong quá trình này.
Tác nhân sấy là những chất chuyên chở ẩm tách ra từ vật liệu trong quá trình sấy Khi sấy, độ ẩm từ vật liệu sẽ được bổ sung vào môi trường buồng sấy Nếu độ ẩm này không được loại bỏ, độ ẩm tương đối trong buồng sấy sẽ tăng lên, dẫn đến sự cân bằng giữa vật liệu sấy và môi trường, khiến quá trình thoát ẩm ngừng lại khi áp suất hơi nước từ vật liệu bằng với áp suất hơi nước trong buồng sấy.
Nhiệm vụ của tác nhân sấy :
- Gia nhiệt cho vật sấy
- Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vào môi trường
- Bảo vệ vật sấy khỏi bị hỏng do quá nhiệt
Các loại tác nhân sấy:
Không khí ẩm là tác nhân sấy phổ biến nhất, phù hợp cho hầu hết các sản phẩm Ưu điểm của không khí ẩm bao gồm tính sẵn có trong tự nhiên, không độc hại và không làm ô nhiễm hay thay đổi mùi vị sản phẩm Tuy nhiên, để sử dụng không khí ẩm làm tác nhân sấy, cần có bộ phận gia nhiệt như calorife khí hoặc khí- khói Nhiệt độ sấy không nên vượt quá 50 o C, vì nhiệt độ cao có thể gây hại cho thiết bị, do đó cần sử dụng vật liệu như thép hợp kim hoặc gốm sứ, mặc dù chi phí cao.
Khói lò là một tác nhân sấy hiệu quả, có khả năng nâng nhiệt độ sấy lên tới 1000 °C mà không cần thiết bị gia nhiệt Tuy nhiên, việc sử dụng khói lò cũng tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm cho vật liệu sấy do sự hiện diện của bụi và các chất độc hại như CO2 và SO2.
➢ Hơi quá nhiệt: được dùng khi sản phẩm dễ bị cháy nổ và có khả năng chịu được nhiệt độ cao
➢ Hỗn hợp không khí và hơi nước: chỉ dùng khi độ ẩm tương đối cao
2.2, Tổng quan về thiết bị
Do sự khác biệt trong điều kiện sấy, có nhiều loại thiết bị sấy được phát triển để phù hợp với từng loại vật liệu và mục đích sử dụng khác nhau Việc phân loại thiết bị sấy có thể thực hiện theo nhiều tiêu chí khác nhau.
Có nhiều loại thiết bị sấy dựa vào tác nhân sấy, bao gồm sấy bằng không khí, sấy bằng khói lò, và các phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng tia hồng ngoại, hoặc dòng điện cao tần.
➢ Dựa vào áp suất làm việc : Thiết bị sấy chân không hay sấy ở áp suất thường
➢ Dựa vào phương pháp và chế độ làm việc : Thiết bị sấy liên tục hay sấy gián đoạn
➢ Dựa vào phương pháp cấp nhiệt cho quá trình sấy : Thiết bị sấy tiếp xúc, sấy đối lưu hay sấy bức xạ
➢ Dựa vào cấu tạo thiết bị : Phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, …
➢ Dựa vào chiều chuyển động của tác nhân sấy : cùng chiều hay ngược chiều
2.2.2, Chọn thiết bị, tác nhân và phương án sấy
Khi chọn thiết bị sấy cho cà phê, cần xem xét ưu, nhược điểm của các loại thiết bị và đặc điểm của vật liệu Hệ thống sấy thùng quay là lựa chọn lý tưởng, chuyên dùng để sấy các vật liệu dạng hạt cực nhỏ Loại thiết bị này được sử dụng phổ biến trong công nghệ sau thu hoạch để sấy các vật liệu ẩm có kích thước nhỏ.
TÍNH TOÁN THÔNG SỐ THIẾT BỊ
➢ Thiết bị : Hệ thống sấy thùng quay
➢ Phương pháp sấy : xuôi chiều (tác nhân sấy chuyển động cùng chiều với vật liệu sấy)
➢ Tác nhân sấy : Không khí ẩm
• Trước khi vào thiết bị : t1 = 80 o C
• Sau khi ra khỏi thiết bị : t2 = 40 o C
➢ Vật liệu sấy : Cà phê nhân Robusta
• Khối lượng cà phê nhân vào : 600 kg/h
• Độ ẩm cà phê nhân trước khi sấy : W1 = 40%
• Độ ẩm cà phê nhân sau khi sấy : W2 = 15%
3.1, Tính toán cân bằng vật liệu
➢ Lượng ẩm bốc hơi trong 1h của vật liệu sấy :
W: Lượng ẩm bốc hơi trong 1h của vật liệu sấy (kg/h)
W1: Độ ẩm vật liệu trước khi sấy (%)
W2: Độ ẩm vật liệu sau khi sấy (%)
G1: Lượng vật liệu nạp vào thiết bị (kg/h)
➢ Khối lượng vật liệu ra khỏi thiết bị là:
➢ Khối lượng vật liệu khô tuyệt đối là:
Bảng 3.1 Lượng nguyên liệu vào, ra, khô và lượng ẩm bốc hơi
Lượng nguyên liệu vào G1= 600 kg/h
Lượng nguyên liệu ra G2= 7200/17 kg/h
Lượng nguyên liệu khô GK= 360 kg/h
Lượng ẩm bốc hơi W= 3000/17 kg/h
3.2, Tính toán thời gian sấy
(Công thức 10.12 trang 210 – [1]) Trong đó:
𝜏 là thời gian sấy (phút)
M là hệ số phụ thuộc vào đường kính trung bình của hạt (mm)
Ta chọn đường kính trung bình của hạt là 5 mm thì M = 0,7
3.3, Tính các thông số thùng quay
➢ Thể tích của thùng sấy:
(Công thức 8.4 – trang 113 – [8]) Trong đó:
G1 là lượng vật liệu ẩm vào thiết bị sấy (kg/h)
𝜌 ℎ là khối lượng riêng của hạt (kg/m 3 ) với 𝜌 ℎ = 650 𝑘𝑔/𝑚 3
𝛽 là hệ số điền đầy với 𝛽 = 0,3
➢ Đường kính và chiều dài của thùng sấy:
Quan hệ giữa đường kính và chiều dài của thùng quay là:
➢ Tốc độ quay của thùng sấy : n = 𝑚∗𝑘∗𝐿
(Công thức 7.52 – trang 122 –[2] ) Trong đó: n là tốc độ quay của thùng sấy (vòng/phút)
𝜏 là thời gian sấy (phút) α là gó nghiêng của thùng sấy, chọn α = 3 o
L là chiều dài của thùng sấy (m)
D là đường kính thùng sấy (m)
18 m, k là các hệ số, lần lượt phụ thuộc vào cấu tạo cánh, chiều chuyển động của khí, chọn m = 0,5 và k = 2
3.4, Tính toán quá trình sấy lý thuyết
➢ Nhiệt độ đốt nóng cho phép của hạt: th = 2,218 – 4,343*ln 𝜏 + 23,5
Wtb là độ ẩm trung bình của vật liệu trước và sau khi sấy
➢ Quá trình sấy lý thuyết không hồi lưu được biểu diễn trên đồ thị I-d như sau
Hình 3.1 Đồ thị I-d quá trình sấy lý thuyết
• Điểm A (t0, φ0) là trạng thái không khí bên ngoài
• Điểm B (t1, φ1) là trạng thái không khí trước khi vào thùng sấy
• Điểm C (t2, φ2) là trạng thái không khí sau khi ra khỏi thùng sấy
➢ Tính toán trạng thái không khí bên ngoài (điểm A)
Cà phê thường được thu hoạch từ tháng 10 đến tháng 12 hàng năm, trong đó tháng 11 là thời điểm quan trọng tại khu vực Đắk Lắk, cụ thể là Buôn Mê Thuột Theo bảng VII.1 trong sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2, thông số không khí trong giai đoạn này cần được chú ý.
- Nhiệt độ t0 là 23,5 o C, độ ẩm tương đối φ0 là 89%
• Áp suất hơi bão hòa Pbh0:
Công thức tính áp suất hơi bão hòa Pbh = e (12,00−
(Công thức trang 41 – [1]) Trong đó : t là nhiệt độ không khí ( o C)
Công thức tính lượng chứa ẩm d = 0,621* 𝜑 0 ∗P bh0
𝑃− 𝜑 0 ∗P bh0 (kg ẩm/kg không khí)
(Công thức 2.18 - trang 28 – [1]) Trong đó: φ0 là độ ẩm tương đối
Pb0 là áp suất hơi bão hòa (Bar)
750 − 0,89∗0,0288 = 0,0162 (kg ẩm/kg không khí)
I là Entanpy của không khí (kJ/kg không khí) tlà nhiệt độ ( o C) d là lượng chứa ẩm (kg ẩm/kg không khí)
Suy ra I0 = 1,004*23,5 + 0,0162*(2500 + 1,842*23,5) = 64,80 (kJ/kg không khí)
➢ Tính toán trạng thái không khí vào thùng sấy (điểm B – không khí sau khi đi qua caloriphe và trước khi vào thiết bị sấy)
Trước khi không khí vào thùng sấy, nó sẽ được làm nóng qua calorifer, nâng nhiệt độ lên t1 = 80 o C Lượng ẩm trong không khí lúc này là d1 = d0 = 0,0162 (kg ẩm/kg không khí).
• Áp suât hơi bão hòa ứng với t1 = 80 o C:
(Công thức 2.19 - trang 28 – [1]) Độ ẩm tương đối φ1 ứng với nhiệt độ t1 = 80 o C là:
Entanpy I1 tại nhiệt độ t1 = 80 o C là :
• Nhiệt lượng mà calorifer cần cung cấp để đốt nóng không khí từ trạng thái (t0, φ0) đến trạng thái (t1, φ1) là: q = I1 – I0 = 123,21 – 64,80 = 58,41 (kJ/kg không khí)
➢ Tính toán trạng thái không khí sau khi ra khỏi thùng sấy (điểm C):
• Lượng chứa ẩm d2 của không khí sau khi ra khỏi thùng sấy: d2 = 𝐼 2 −1,004∗𝑡 2
2500+1,842∗𝑡 2 (kg ẩm/kg không khí)
Có I2 = I1 = 123,21 (kJ/kg không khí)
2500+1,842∗40 = 0,0323 (kg ẩm/kg không khí)
• Áp suất hơi nước bão hòa ứng với t2 = 40 o C là:
• Độ ẩm tương đối φ2 ứng với t2 = 40 0 Clà: φ2 = 𝑑 2 ∗𝑃
Bảng 3.2 Thông số quá trình sấy lý thuyết
Không khí trước khi qua calorifer
Không khí sau khi qua calorifer
Không khí sau quá trình sấy t0 = 23,5 o C t1 = 80 o C t2 = 40 o C d0 = 0,0162 (kg ẩm/kg không khí) d1 = 0,0162 (kg ẩm/kg không khí) d2 = 0,0323 (kg ẩm/kg không khí)
➢ Lượng không khí cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm:
• Lượng không khí khô cần thiết l 0 để bốc hơi 1 kg ẩm là: l 0 = 𝐿 0
0,0323−0,0162 = 62,11(kg không khí/kg ẩm)
(Công thức 7.14 – trang 131 – [1]) Vậy lượng tác nhân sấy L0 vào calorifer là:
17 = 10960,59 (kg/h) Khối lượng riêng không khí khô trên 1 m 3 không khí ẩm là:
P = 99333 (N/m 2 ) d là lượng chứa ẩm (kg ẩm/kg không khí) t là nhiệt độ ( o C)
Khối lượng riêng không khí khô sau calorifer là :
(287+ 462∗0,0162)∗(273+80) = 0,956 (kg/m 3 ) Khối lượng riêng không khí khô sau khi ra khỏi thiết bị là:
2 = 1,0035 (kg/m 3 ) Thể tích trung bình của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết là:
➢ Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy lý thuyết:
• Cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy lý tưởng:
• Nhiệt lượng cần cung cấp để bốc hơi 1 kg ẩm của vật liệu sấy là: q0 = Q 0
➢ Đặc điểm quá trình sấy lý thuyết :
Thiết bị sấy lý tưởng là thiết bị sấy thỏa mãn các điều kiện sau :
- Nhiệt lượng bổ sung Qbs = 0
- Tổn thất nhiệt qua các kết cấu bao che Qbc = 0
- Tổn thất nhiệt do thiết bị truyền tải Qtt = 0
- Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi Qvl = 0
Trong các thiết bị sấy lý tưởng, tổn thất nhiệt chỉ xảy ra do tác nhân sấy mang đi Quá trình này được gọi là quá trình sấy lý thuyết.
3.5, Tính toán tổn thất nhiệt
Thiết bị sấy không chỉ chịu tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mà còn có nhiệt lượng bổ sung Qbs và tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che Qbc Bên cạnh đó, còn có tổn thất nhiệt do thiết bị sấy truyền tải Qtt và tổn thất do vật liệu sấy mang đi Qvl Đối với thiết bị sấy thùng quay, không sử dụng nhiệt bổ sung và không có thiết bị truyền tải, do đó tổn thất nhiệt chủ yếu đến từ tác nhân sấy, kết cấu bao che và vật liệu sấy mang đi.
3.5.1, Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy
Thông thường, ta lấy nhiệt độ vật liệu sấy bằng nhiệt độ môi trường : tvl = t0 = 23,5 0 C
Nhiệt độ ra khỏi thiết bị sấy của vật liệu thường thấp hơn nhiệt độ của tác nhân sấy tại cùng vị trí từ 5 đến 10 độ C Cụ thể, ta có thể tính toán nhiệt độ ra là tv2 = t2 - (5÷10) độ C Trong trường hợp này, ta chọn tv2 = 35 độ C.
• Nhiệt dung riêng của hạt cà phê ở độ ẩm W2 = 10 % là :
CV = CVK*(1-W2) + Ca*W2 (kJ/kg.độ)
CVK là nhiệt dung riêng của vật liệu khô
Ca là nhiệt dung riêng của hơi nước
Ta chọn CVK = 1,54912 kJ/kg.độ, Ca = 4,1868 kJ/kg.độ
Vậy : CV = 1,54912*(1 – 0,1) + 4,1868*0,1 = 1,8129 (kJ/kg.độ)
➢ Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi ứng với 1 kg ẩm là : qv = 𝑄 𝑉
(Công thức 7.19 – trang 135 – [1]) Trong đó : tv2, tv1 là nhiệt độ của vật liệu sấy trước khi sấy
G2 là lượng vật liệu ra khỏi thùng sấy (kg/h)
CV là nhiệt dung riêng của vật liệu sấy ở độ ẩm W (kJ/kg.độ)
3000 ⁄ 17 = 50,04 (kgJ/kg ẩm) Vậy tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi là :
Để tính toán tổn thất nhiệt ra môi trường do các kết cấu bao che, cần giả thuyết tốc độ của tác nhân sấy là w (m/s) Sau khi hoàn tất tính toán lượng tác nhân trong quá trình sấy thực tế, sẽ kiểm tra lại giả thuyết này Tốc độ tác nhân sấy trong thiết bị sấy thực tế được xác định dựa trên tốc độ sấy lý thuyết w0 (m/s), là tỷ số giữa lưu lượng thể tích trung bình V0 và tiết diện tự do của thùng sấy.
➢ Tốc độ tác nhân sấy lý thuyết w0:
Ta có β = 0,25 thì tiết diện tự do của thùng sấy tính gần đúng là:
4 = 1,026 (m 2 ) Khi đó, tốc độ tác nhân sấy lý thuyết là: w0 = 𝑉 0
➢ Tốc độ tác nhân sấy thực w:
Gỉa thuyết tốc độ tác nhân sấy thực là w = 3 (m/s)
Như vậy, các dữ liệu để tính mật độ dòng nhiệt bao gồm:
- Nhiệt độ dịch thể nóng trong trường hợp này là nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy vào và ra khỏi thùng sấy: tf1 = 𝑡 1 + 𝑡 2
- Nhiệt độ dịch thể lạnh chính là nhiệt độ môi trường: tf2 = t0 = 23,5 o C
Thùng sấy được cấu tạo 3 lớp từ trong ra ngoài như sau:
STT Lớp Chất liệu Độ dày (m) Hệ số dẫn nhiệt (W/m.độ)
2 Lớp bảo ôn Bông thủy tinh δ 2 = 0,035 λ 2 = 0,0372
3 Lớp bảo vệ Thép CT3 δ 3 = 0,002 λ 3 = 50 Đồ thị quá trình truyền nhiệt:
Hình 3.2 Sơ đồ truyền nhiệt qua thành thùng sấy
Các quá trình truyền nhiệt xảy ra:
- Quá trình cấp nhiệt (chế độ đối lưu cưỡng bức) từ tác nhân đến thành trong của thiết bị sấy
- Quá trình dẫn nhiệt từ thành trong ra ngoài thiết bị sấy
- Quá trình cấp nhiệt (chế độ đối lưu tự nhiên) từ thành ngoài của thiết bị sấy đến môi trường
Hệ số truyền nhiệt từ tác nhân sấy ra ngoài môi trường xung quanh K được tính theo công thức:
(Công thức 7.42 – trang 142 – [1]) Trong đó: tw2 tw3 tf1 α1 tw1 tw4 tf2 α2
Hệ số trao đổi nhiệt α1 (W/m².độ) biểu thị khả năng trao đổi nhiệt giữa tác nhân sấy và thành trong của thiết bị sấy, trong khi α2 (W/m².độ) phản ánh khả năng trao đổi nhiệt giữa thành ngoài của kết cấu bao che và môi trường.
𝜆 𝑛 là hệ số dãn nhiệt của các lớp trong kết cấu bao che (W/m.độ)
𝛿 𝑛 là chiều dày của các kết câu bao che (m)
➢ Quá trình trao đổi nhiệt từ tác nhân sấy đến thiết bị sấy:
Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt giữa tác nhân sấy và thành trong của thùng sấy được xác định theo công thức: q1 = α1*(tf1 – tw1) (W/m 2 )
Trong quá trình sấy, nhiệt độ thành trong của thiết bị sấy (tw1) đóng vai trò quan trọng, cùng với hệ số cấp nhiệt từ vật liệu sấy đến thành trong (α1), được đo bằng W/m².độ Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy thường đạt khoảng 60°C (tf1), ảnh hưởng đến hiệu suất và chất lượng của quá trình sấy.
Ta cần phải xác định α 1 :
Hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành trong của thiết bị sấy được phân chia thành hai loại: α 1 ′ cho đối lưu cưỡng bức (W/m².độ) và α 1 ′′ cho đối lưu tự nhiên (W/m².độ) Để đảm bảo tính chính xác trong tính toán, hệ số điều chỉnh k được sử dụng với giá trị k = 1,2, trong khoảng từ 1,2 đến 1,3.
• Chuẩn số Reynolds (Re) được xác định theo công thức:
(Công thức V.36 – trang 13 – [2]) Trong đó: w là vận tốc tác nhân sấy (w = 1 m/s)
D là kích thước hình học chủ yếu (đường kính thùng sấy D = 1,32 m) ϑ là độ nhớt động học của tác nhân sấy (m 2 /s)
Tra phụ lục 6 trang 350, ở 60 o C, không khí có ϑ = 18,97*10 -6 m 2 /s
Vì Re > 10 4 nên dòng khí trong thiết bị là dòng chảy xoáy
• Chuẩn số Nusselt (Nu) được xác định theo công thức :
Trong đó : ε1 là hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số giữa chiều dài và đường kính thùng sấy
Ta có L/D = 5 Tra bảng V.2 – trang 15 - và sử dụng phương pháp nội suy ta có : ε1 = 1,149 Suy ra Nu = 0,018*69583,55 0,8 *1,149 = 154,74
Trong đó : α 1 ′ là hệ số cấp nhiệt (W/m 2 K)
D là kích thước hình học chủ yếu (đường kính thùng sấy D = 1,32 m) λ là hệ số dẫn nhiệt của tác nhân sấy (W/m.độ)
Tra bảng, ta có λ = 0,029 W/m.độ ở 60 o C
Công thức V.39 trên trang 13 mô tả các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy, trong đó g là gia tốc trọng trường với giá trị 9,8 m/s², β là hệ số giãn nở thể tích, Δt là hiệu số nhiệt độ giữa tác nhân sấy vào và ra, l là kích thước hình học chủ yếu (với l = D = 1,32 m), và ϑ là độ nhớt động học của tác nhân sấy.
(18,97∗10 −6 ) 2 = 8,004*10 9 Có: chuẩn số Nusselt: Nu = 0,47*Gr 0,25 = 0,47*(8,004*10 9 ) 0,25 = 140,58
(Công thức V.78 – trang 24 – [2]) Mặt khác: Nu = α 1
➢ Quá trình trao đổi nhiệt từ thành ngoài của thiết bị đến môi trường không khí bên ngoài:
Xác định α2 theo công thức: α2 = 𝛼 2 ′ + 𝛼 2 ′′
Trong đó; α 2 ′ là hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiên (W/m 2 K) α 2 ′′ là hệ số cấp nhiệt do bức xạ (W/m 2 K)
Chọn nhiệt độ thành ngoài của máy sấy (phần tiếp xúc với không khí) là tw4
Thùng được đặt nằm ngang với một góc nghiêng nhỏ, do đó có thể coi đây là hệ số cấp nhiệt của ống nằm ngang Trong điều kiện này, không khí có thể tích lớn và chuyển động tự do, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình truyền nhiệt.
Nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và bề mặt ngoài của thùng sấy là : ttb1 = 𝑡 𝜔4 + 𝑡 𝑓2
Từ phụ lục 6 – trang 350 – [1], cùng với phép nội suy ta có tại 28,25 o C : ϑ = 15,7755*10 -6 (m 2 /s)
Từ bảng, dùng phép nội suy ta có tại 28,25 o C: λ = 2,66*10 -2 (W/m.độ)
Trong đó: εn là độ đen của hệ
C0 là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối, C0 = 5,7 W/m 2 độ 4
Nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt thiết bị sấy (T1) và môi trường xung quanh (T2) được đo bằng Kelvin Khi xem xét bức xạ giữa khí và bề mặt vật thể, do diện tích bề mặt của khí lớn hơn bề mặt vật thể, độ đen của hệ thống được coi như bằng độ đen của vật thể Theo bảng tra, độ đen của vật liệu thép được chọn là εn = 0,8.
➢ Tính hệ số truyền nhiệt:
Mật độ dòng nhiệt từ tác nhân sấy bên trong thiết bị ra ngoài môi trường là: q = k*(tf1 – tf2) = 0,82*(60 – 23,5) = 29,93 (W/m 2 )
➢ Tính lượng nhiệt tổn thất ra môi trường qua các kết cấu bao che:
Trong đó: q là mật độ dòng nhiệt
F là diện tích bao quanh thùng sấy
Việc tính toán truyền nhiệt qua thành thùng sấy được thực hiện như truyền nhiệt qua vách phẳng, vì vậy diện tích xung quanh thùng sấy tương đương với diện tích bề mặt của phần hình trụ có đường kính trung bình.
Dtb là dường kính trung bình của thùng sấy (Dtb = D+D ng
L là chiền dài thùng sấy (L = 6,6 m)
4 = 31,15 (m 2 ) Suy ra: Tổn thất nhiệt ra môi trường là:
Trong hệ thống sấy thùng quay, tổng tổn thất nhiệt bao gồm tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi và tổn thất nhiệt ra môi trường qua các kết cấu bao che Tổng tổn thất nhiệt là yếu tố quan trọng cần được xem xét để tối ưu hóa hiệu suất sấy.
Qtt = QV + Qmt = 8830,59 + 3356,35 = 12186,94 (kJ/h) qtt = qV + qmt = 50,04 + 19,02 = 69,06 (kJ/kg ẩm)
3.6, Tính toán quá trình sấy thực
3.6.1, Các thông số thực tế
➢ Tính giá trị 𝚫 (Nhiệt lượng bổ sung thực tế): Δ = Ca*t0 – qtt (kJ/kg ẩm)
(Công thức trang 221- [1]) Trong đó
Ca là nhiệt dung riêng của hơi nước (Ca = 4,1868 kJ/kg.độ) t0 là nhiệt độ bên ngoài môi trường (t0 = 23,5 o C) qtt là nhiệt tổn thất
➢ Xác định thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực:
• Xác định lượng chứa ẩm d2: d2 = 𝐶 𝑝𝑘 ∗(𝑡 1 − 𝑡 2 ) + 𝑑 0 ∗(𝑖 1 − Δ)
𝑖 2 − Δ (kg ẩm/kg không khí)
Cpk là nhiệt dung riêng của không khí khô (Cpk = 1,004 kJ/kg.độ) i1, i2 lần lượt là entanpy của 1 kg hơi nước ở nhiệt độ t1, t2 (kJ/kg)
Theo công thức 2,24-trang 29 ta có: iα = r*Cpα*t
Trong đó: r là ẩn nhiệt hóa hơi (r = 2500 kJ/kg)
Cpα là nhiệt dung riêng của hơi nước (Cpα = 1,842 kJ/kg.độ)
Suy ra: i1= r*Cpα*t1 = 2500 + 1,842*80 = 2647,36 (kJ/kg) i2= r*Cpα*t1 = 2500 + 1,842*40 = 2573,68 (kJ/kg)
2573,68 − 25,62 = 0,0322 (kg ẩm/kg không khí)
I2 = Cpk*t2 + d2*i2 = 1,004*40 + 0,032*2573,68 = 122,52 (kJ/kg không khí)
• Xác định độ ẩm tương đối φ2:
(Công thức 7.34 – trang 138 –[1]) Đồ thị biểu diễn quá trình sấy thực:
Hình 3.3 Đồ thị I-d quá trình sấy thực tế
• Xác định lượng tác nhân sấy thực tế:
Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm vật liệu sấy là: l = 1
0,0322 − 0,0162 = 62,5 (kg không khí/kg ẩm) Lượng tác nhân sấy vào thiết bị là:
TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ
4.1, Tính toán và chọn calorifer
Trong kỹ thuật sấy, có hai loại calorifer phổ biến được sử dụng để làm nóng không khí: calorifer khí – hơi và calorifer khí – khói Đặc biệt, trong công nghệ sấy cà phê, calorifer khí – hơi thường được ưa chuộng hơn.
Calorifer khí – hơi là thiết bị trao đổi nhiệt với vách ngăn, nơi bên trong ống chứa hơi bão hòa ngưng tụ và bên ngoài là không khí chuyển động Hệ số trao đổi nhiệt của khí ngưng từ hơi nước cao hơn nhiều so với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa bề mặt ống và không khí Để nâng cao hiệu quả truyền nhiệt, phía không khí thường được thiết kế với cánh Do đó, calorifer trong thiết bị sấy thường là loại vách ngăn có cánh.
• Nhiệt lượng mà calorifer cần cung cấp cho tác nhân sấy là:
(Công thức 17.22 – trang 326 – [1]) Trong đó:
L là lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy thực tế (kg/h)
I0, I1 lần lượt là Entanpy của tác nhân sấy trước và sau khi ra khỏi calorifer (kJ/kg không khí)
• Công suất nhiệt của calorifer là:
Q là nhiệt lượng đưa vào buồng sấy (kJ/h) ncal là hiệu suất nhiệt của calorifer Chọn ncal = 0,95
• Lưu lượng hơi cần cung cấp
Để đảm bảo nhiệt độ tác nhân sấy không quá cao, lò hơi được chọn có áp suất bão hòa là 5 bar Theo bảng nước và hơi nước bão hòa, nhiệt hóa hơi đạt 2117 kJ/kg và nhiệt độ của hơi nước bão hòa là 151°C.
Lưu lượng hơi cần cung cấp là: D = Q cal n cal ∗𝑟 (kg/h) Trong đó : r là ẩn nhiệt hóa hơi (kJ/kg.độ)
• Bề mặt truyền nhiệt của calorifer
(Công thức 17.23 – trang 326 – [1]) Trong đó:
F là diện tích trao đổi nhiệt bề mặt phía có cánh (m 2 )
Nhiệt lượng cần cung cấp cho tác nhân sấy (Q) được tính bằng công thức liên quan đến độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hơi và không khí (Δt tb) và hệ số truyền nhiệt của thiết bị (k) Hiệu suất của calorifer (ncal) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hiệu quả của quá trình sấy.
Tra bảng 17.5 – trang 327 - , chọn k = 29,191 (W/m 2 độ) với lưu lượng không khí bằng 9 kg/m 2 s và trở lực phía không khí là 11,7 mmHg
Có: Δ tb = Δt max − Δt min ln Δtmax Δtmin
(Công thức 17.26 – trang 327 – [1]) Δt min = tb – t1
(Công thức 17.27 – trang 327 – [1]) Với tb là nhiệt độ bão hòa của hơi nước, tb = 151 o C thì: Δt max = 151 – 23,5 = 127,5 o C Δt min = 151 – 80 = 71 o C
Dựa vào phụ lục I - bảng 4 – [5], trang 182, chọn Kϕ13 kiểu II:
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m 2 )
Diện tích tiể diện khí đi qua (m 2 )
Diện tích tiết diện môi chất đi qua (m 2 )
Kích thước (mm) Đường kính ống môi chất đi vào (dm)
4.2, Tính trở lực và chọn quạt
Trong hệ thống sấy, quạt đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển không khí và tạo áp suất cho dòng khí đi qua thiết bị Nhiệm vụ chính của quạt là tạo ra dòng chảy của tác nhân sấy qua thùng sấy với lưu lượng phù hợp theo yêu cầu của quá trình sấy Năng suất quạt được đặc trưng bởi thể tích khí đi vào hoặc ra khỏi thiết bị sấy Trong thiết bị sấy, thường sử dụng hai loại quạt chính là quạt ly tâm và quạt hướng trục, và theo áp suất, quạt có thể được chia thành ba loại khác nhau.
- Quạt áp suất thấp: tổng cột áp tạo ra đến 100 mmH2O
- Quạt trung áp: tổng cột áp tạo ra 100 – 300 mmH2O
Quạt cao áp có tổng cột áp từ 300 đến 1500 mmH2O Việc lựa chọn loại quạt phù hợp phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật của hệ thống sấy, bao gồm trở lực mà quạt phải khắc phục (Δp), năng suất mà quạt cần tải đi (V), cũng như nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy.
Khi chọn quạt, giá trị cần xác định là hiệu suất của quạt
➢ Tính toán cột áp toàn phần mà quạt phải khắc phục: Δp = Δp c + Δp 0 + Δp s + Δp x + Δp d (N/m 2 )
Trong công thức trang 94, các đại lượng được xác định như sau: Δp c đại diện cho trở lực qua calorifer (N/m²), Δp 0 là trở lực qua đường ống tác nhân sấy (N/m²), Δp s là trở lực qua thiết bị sấy (N/m²), Δp x là trở lực qua xyclon (N/m²), và Δp d là áp suất khí động của khí thoát (N/m²).
• Trở lực qua đường ống tác nhân sấy Δp 0 :
Trong trường hợp ống dẫn khí có tiết diện như nhau, ta có: Δp 0 = (λ* L d + Σξ)*ρ* w 2
(Công thức trang 295 – [4]) Trong đó: λ là hệ số trở lực ma sát
Chiều dài ống (L) được đo bằng mét, trong khi đường kính tương đương của ống dẫn (d) cũng được tính bằng mét Khối lượng riêng của khí tại nhiệt độ 60°C là ρ = 1,06 kg/m³ Tốc độ của khí trong ống (w) được tính bằng mét trên giây, và tổng hệ số các trở lực cục bộ được ký hiệu là Σξ Gia tốc trọng trường được xác định là g = 9,8 m²/s.
Hệ số trở lực ma sát với ống dẫn tiết diện hình tròn, chảy rối:
Chọn điều kiên ống dẫn d = 0,2 m
Tại 60 o C, tra phụ lục 6 - trang 350 có ϑ = 18,97*10 -6 (m 2 /s)
Chọn chiều dài tổng cộng của ống là: L = 3 (m)
Vận tốc của khí trong ống là: w = Re∗ϑ d = 200000∗18,97∗10 −6
Hệ số trở lực cục bộ trong đường ống thường gặp ở các nút nối, cửa điều chỉnh, tiết diện côn và đột thu Đối với tổng đột thu, khi chuyển từ kích thước nhỏ sang lớn và ngược lại, sẽ xảy ra sự thay đổi hướng và dòng chảy, với chênh lệch vận tốc tại các đột thu, ta có thể lấy Σξ1 = 0,5 Đối với các nút nối trên đường ống để chuyển hướng dòng chảy của tác nhân sấy và vật liệu, ta có thể lấy Σξ2 = 0,8.
• Trở lực qua thiết bị sấy Δp s :
Trở lực của dòng tác nhân sấy đi qua lớp vật liệu trong thùng sấy: Δp s = a∗L∗w
(Công thức 10.19 – trang 213 – [1]) Trong đó: a là hệ số thủy động
L là chiều dài thùng sấy (L = 6,6 m) w là tốc độ tác nhân sấy (w = 3 m/s) ρ k là mật độ hay khối lượng riêng của tác nhân sấy (ρ k = 1,06 kg/m 3 tại 60 o C)
C1 là hệ số đặc trưng cho độ chặt của lớp hạt g là gia tốc trọng trường (g = 9,8 m 2 /s) d là đường kính trung bình của hạt cà phê (d = 5 mm = 0,005 m)
(Công thức 10.21 – trang 213 – [1]) Trong đó: ε = ρ v − ρ dx ρ v
(Công thức 10.22 – trang 213 – [1]) Với ρ v là khối lượng riêng của hạt (ρ v = 650 kg/m 3 ) và ρ dx là khối lượng riêng của khối hạt chuyển động trong thùng sấy và bằng:
• Áp suất khí động của khí thoát Δp d :
(Công thức 10.22 – trang 213 – [1]) Trong đó: ρ là khối lượng riêng của khí (ρ = 1,06 kg/m 3 tại 60 o C) w là tốc độ khí thải vào môi trường g là gia tốc trọng trường (g = 9,8 m 2 /s)
Tốc độ khí thải ra môi trường cần đủ lớn để đảm bảo quá trình diễn ra thuận lợi, ngay cả trong điều kiện gió Nếu chọn tốc độ khí (w) lớn, việc thải khí sẽ dễ dàng nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng Ngược lại, nếu w nhỏ, việc thải khí sẽ gặp khó khăn, đặc biệt là khi có gió lớn Tốc độ khí trong ống thải thường dao động từ 5 – 10 m/s, và trong trường hợp này, chúng ta chọn w = 8 m/s.
• Trở lực qua calorifer và xyclon :
Theo kinh nghiệm, ta chọn trở lực qua calorifer Δp c = 5 mmH2O, trở lực qua xyclon Δp x = 20 mmH2O
Vậy cột áp toàn phần mà cột phải khắc phục là: Δp = 5 + 28,27+ 187,14 + 20 + 3,46 = 243,87 (mmH2O) = 2391,48 (N/m 2 )
➢ Chọn quạt cho hệ thống sấy thùng quay:
Dựa vào năng suất Vtb = 11015,63 m 3 /h và cột áp Δp = 2391,48 N/m 2 , theo hình 14 – trang 198 – [5], dựa vào đồ thị đặc tuyến của quạt ly tâm II 4 – 70 N 0 8, ta có hiệu suất 0,68
‘Trong đó: k là hệ số dự phòng, có thể lấy k từ 1,1 - 1,2, ta chọn k = 1,2
Lưu lượng V ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy được tính bằng m³/h, với hiệu suất của quạt nq là 0,68 Tổng cột áp mà quạt cần khắc phục được biểu thị bằng Δp (mmH2O) Khối lượng riêng của không khí khô ở điều kiện tiêu chuẩn là ρ₀ = 1,293 kg/m³, trong khi khối lượng riêng của không khí khô tại nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy được ký hiệu là ρ.
Trở lực qua xyclon Δp x = 20 mmH2O
V là lưu lượng khí đi vào xyclon, V = V2 = 10494,21 (m 3 /h) = 2,92 (m 3 /s)
Căn cứ vào lưu lượng của tác nhân sấy, dựa vào bảng 17.3 – [1] – trang 321,
Ta chọn xyclon có thông số như sau:
Thông qua đồ án thiết kế hệ thống sấy thùng quay, tôi đã ôn lại kiến thức lý thuyết từ các môn học liên quan, đồng thời học cách tính toán và thiết kế một hệ thống sấy thực tế Đồ án này không chỉ giúp tôi làm quen với việc tìm kiếm tài liệu mà còn rèn luyện kỹ năng tra cứu và tính toán cơ khí, từ đó nắm rõ mối quan hệ giữa lý thuyết và thực tiễn.
Trong quá trình thực hiện đồ án, tôi đã xác định kích thước thùng quay, thời gian sấy, nhiệt lượng tiêu hao, nhiệt lượng có ích và nhiệt lượng tổn thất Tuy nhiên, tôi chưa tính được thông số calorifer, số lượng cánh đảo cần thiết và góc nghiêng của cánh đảo Việc thiết kế hệ thống sấy thùng quay dựa trên nhiều công thức thực nghiệm từ các tài liệu khác nhau Do nguyên liệu sấy là hạt cà phê, tài liệu tham khảo hạn chế khiến tôi phải sử dụng số liệu thay thế, dẫn đến khả năng sai số trong thiết kế Để thiết kế chính xác hơn, cần thiết lập hệ thống thử nghiệm để kiểm tra và tối ưu hóa chế độ làm việc Tôi hy vọng nhận được sự hướng dẫn và góp ý từ các thầy cô để hoàn thiện hệ thống.
Em xin chân thành cảm ơn!