Vật liệu sau khi sấy khối lượng sẽ được giảm đi thuận lợi cho việc vận chuyển, độ bền tăng lên và thời gian bảo quản sản phẩm được kéo dài thêm… Sấy là quá trình tách nước, làm giảm lượn
TỔNG QUAN
Giới thiệu về nguyên liệu chè
Trà, một thức uống phổ biến, được chế biến từ lá, chồi hoặc cành của cây trà (Camellia sinensis) Mặc dù có nguồn gốc từ Đông Á, cây trà hiện nay đã được trồng ở nhiều quốc gia trên toàn thế giới.
Trà không chỉ là một thức uống giải khát mà còn mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe nhờ chứa các dưỡng chất như vitamin C, B, PP, cafein và muối Những lợi ích của trà bao gồm khả năng chống oxy hóa giúp ngăn ngừa lão hóa và ung thư, tăng cường hệ miễn dịch, giảm cholesterol và huyết áp, cũng như cải thiện trí nhớ và khả năng tập trung.
Quá trình chế biến trà bắt đầu từ việc thu hoạch lá trà, với nguyên liệu chính là búp và 2-3 lá chè non, được phân loại theo tiêu chuẩn chất lượng Việc thu hái, bảo quản và vận chuyển lá trà ảnh hưởng lớn đến chất lượng trà thành phẩm, do đó nông dân rất cẩn trọng trong từng bước thực hiện Tiếp theo là quá trình làm héo, trong đó lá trà tươi được phơi trong phòng khô, thông thoáng để loại bỏ khí nóng ẩm, thường kéo dài từ 4-8 giờ cho đến khi lá chuyển sang màu xanh thẫm và có mùi thơm Sau đó, quá trình oxy hóa diễn ra, giúp định hình hương vị trà thông qua việc phá vỡ thành tế bào của lá trà để tiếp xúc với oxy Giai đoạn tiếp theo là sao trà và diệt men, thực hiện trong 2-3 phút ở nhiệt độ từ 280-300 độ C, nhằm đạt hàm lượng nước 62-64% Lá trà đạt yêu cầu sẽ có màu xanh thẫm, mềm dẻo và mùi thơm nhẹ, đảm bảo nước trà có màu sắc đẹp và không bị nát trong các công đoạn chế biến sau.
Sao trà và diệt men là những bước quan trọng trong quy trình chế biến trà, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm Việc sao trà đúng cách giúp giữ lại vitamin, catechin, tannin và các dưỡng chất khác Sau đó, trà được vò, có thể thực hiện bằng tay hoặc máy, với yêu cầu vò nhẹ nhàng để đạt độ cong và gãy dập khoảng 30-35% Thời gian vò trà thường từ 10 đến 30 phút Tiếp theo, công đoạn sấy trà cần được thực hiện ngay sau khi vò, với nhiệt độ lý tưởng từ 95-105 độ C trong khoảng 20 phút để đạt độ ẩm 3-5% Sau khi sấy, cần loại bỏ vụn cám để nâng cao chất lượng trà Cuối cùng, trà thành phẩm được đóng gói trong túi kín và bảo quản ở nơi khô ráo, tránh ánh nắng, có thể sử dụng phương pháp hút chân không để giữ hương vị và chất lượng tốt nhất.
Sấy trà là quá trình sử dụng nhiệt độ cao để tiêu diệt enzyme và ngăn chặn quá trình lên men, nhằm bảo tồn tối đa các chất quý giá trong lá trà, từ đó hình thành hương vị và màu sắc đặc trưng Đồng thời, sấy trà cũng giúp giảm độ ẩm trong trà bán thành phẩm đến mức tối thiểu, đảm bảo chất lượng trà trước khi phân loại, dễ dàng bảo quản và vận chuyển.
Trong quá trình sấy khô, lá trà trải qua sự biến đổi về cả tính chất vật lý và hóa học Tổng hàm lượng các chất hòa tan trong lá trà giảm so với lá trà tươi, trong khi hàm lượng caffeine cũng giảm nhẹ Hiện tượng này xảy ra do sự bay hơi và thăng hoa của các hợp chất trong quá trình sấy.
Sự biến đổi của Nitơ hòa tan và Cafein trong khi sấy:
Giai đoạn chế biến Nito hòa tan, mg Cafein, mg Nito amonic, mg
Trong quá trình sấy, hàm lượng Nitơ hòa tan và Cafein có sự biến đổi đáng kể, dẫn đến giảm nhẹ lượng glucose, saccharose và tinh bột Đặc biệt, hàm lượng hidropectin trong lá trà lên men giảm mạnh, chỉ còn 2,73% so với 1,74% của trà đen bán thành phẩm Bên cạnh đó, lượng protein cũng giảm trong thời gian sấy này.
Lượng vitamin C giảm mạnh: từ 2,64 g/kg chất khô trước khi sấy còn lại 1,81 g/kg sau khi sấy
Khi sấy trà, cần lưu ý rằng tốc độ không khí nóng quá nhỏ sẽ dẫn đến ứ đọng hơi ẩm, làm giảm chất lượng trà Ngược lại, nhiệt độ sấy quá cao và không khí thổi vào mạnh có thể gây cháy vụn trà, làm mất hương thơm Nhiệt độ cao còn tạo ra lớp màng cứng trên bề mặt lá trà, ngăn cản ẩm thoát ra, khiến men không bị tiêu diệt hoàn toàn và trà vẫn giữ ẩm, dẫn đến giảm chất lượng trong quá trình bảo quản.
Cơ sở lý thuyết quá trình sấy
Sấy là quá trình loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu bằng nhiệt, giúp tăng hàm lượng chất khô Quá trình này mang lại nhiều lợi ích, như cải thiện khả năng bảo quản cho nông sản và thực phẩm, nâng cao độ bền cơ học cho gốm sứ, và tăng khả năng đốt cháy cho than củi Ngoài ra, việc sấy cũng làm giảm khối lượng và thể tích của vật liệu, từ đó giảm chi phí vận chuyển.
Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối phức tạp, liên quan đến sự khuếch tán bên trong và bên ngoài vật liệu rắn cùng với truyền nhiệt Vận tốc tổng thể của quá trình sấy phụ thuộc vào giai đoạn chậm nhất Nhiệt độ, tùy thuộc vào phương pháp sấy, có thể thúc đẩy hoặc cản trở sự di chuyển ẩm từ bên trong ra bề mặt vật liệu Môi trường không khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng lớn đến tốc độ sấy, do đó, việc nghiên cứu các tính chất và thông số cơ bản của không khí ẩm là rất cần thiết.
Quá trình sấy dựa trên nguyên tắc cung cấp năng lượng nhiệt để chuyển đổi trạng thái pha của nước trong vật liệu từ lỏng thành hơi Cơ chế này được mô tả qua bốn quá trình cơ bản: đầu tiên, nhiệt được cung cấp cho bề mặt vật liệu; tiếp theo, dòng nhiệt dẫn truyền từ bề mặt vào bên trong vật liệu; sau khi nhận đủ nhiệt, độ ẩm trong vật liệu sẽ di chuyển ra bề mặt; cuối cùng, độ ẩm tách ra từ vật liệu vào môi trường xung quanh.
Bốn quá trình chính trong việc truyền vận và trao đổi nhiệt ẩm giữa bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh được thể hiện qua năm trường xung quanh.
Các thiết bị sấy được phân chia thành nhiều nhóm chính dựa trên phương thức cung cấp nhiệt cho vật liệu, bao gồm sấy đối lưu, sấy tiếp xúc, sấy bằng tia hồng ngoại, sấy bằng dòng điện cao tần và sấy thăng hoa.
Giới thiệu về thiết bị sấy
Hình 1 1 Thiết bị sấy hầm
Thiết bị sấy hầm là một giải pháp sấy liên tục hiệu quả cho nhiều loại vật liệu như thực phẩm, dược liệu, nông sản và sản phẩm công nghiệp Hoạt động dựa trên nguyên tắc đối lưu cưỡng bức, thiết bị này sử dụng quạt để lưu thông khí nóng, đảm bảo quá trình sấy khô diễn ra đồng đều Nó thường được ứng dụng trong việc sấy hạt và các sản phẩm hóa dược, mang lại hiệu suất cao trong ngành công nghiệp chế biến.
Hầm sấy có cấu tạo đơn giản, thường bao gồm một hoặc vài hầm sấy được đặt song song Vật liệu sấy được xếp trên các xe gòong, di chuyển chậm nhờ hệ thống tời Sau một khoảng thời gian nhất định, xe gòong sẽ được thay đổi vị trí để đảm bảo quá trình sấy diễn ra hiệu quả.
Hầm sấy có chiều dài khoảng 30-40m, nơi có xe chở vật liệu khô ra và xe chở vật liệu ướt vào Tác nhân sấy, là không khí nóng được đốt ở caloriphe, được đẩy ngược chiều với vật liệu nhờ quạt Thiết bị hoạt động ở áp suất khí quyển, cho phép sử dụng không khí hoặc khói lò làm tác nhân sấy, với vận tốc từ 2-5 m/s Ưu điểm của hầm sấy bao gồm cấu tạo đơn giản, khả năng sử dụng nhiều phương thức sấy khác nhau, và dễ dàng vệ sinh, sửa chữa Tuy nhiên, nhược điểm là quá trình sấy không đồng đều giữa các lớp vật liệu và cường độ sấy thấp.
Thiết bị sấy hầm không thích hợp cho việc sấy lá trà do nhiệt độ và độ ẩm quá cao, thường được dùng để sấy hạt Nhiệt độ cao trong quá trình sấy có thể làm mất hương vị tự nhiên của lá trà, dẫn đến chất lượng sản phẩm không đạt yêu cầu.
1.3.2 Thiết bị sấy khí thổi
Hình 1 2 Thiết bị sấy khí thổi
Máy sấy khí thổi, hay còn gọi là thiết bị sấy khí động, là một giải pháp hiệu quả sử dụng luồng khí nóng từ quạt gió để sấy khô nhiều loại vật liệu Với cấu trúc đơn giản và dễ dàng vận hành, thiết bị này rất phù hợp cho việc sấy thức ăn cho chó mèo, hạt và hạt giống, mang lại hiệu quả cao trong quá trình bảo quản và chế biến.
Hệ thống sấy bao gồm một cơ cấu nhập liệu giúp chuyển vật liệu từ phễu vào buồng sấy Tại đây, tác nhân sấy được quạt thổi qua caloriphe để làm nóng và đưa vào buồng sấy Buồng sấy được kết nối với cyclon để tách vật liệu sấy khỏi khí thải thông qua cơ cấu tháo sản phẩm liên tục Ưu điểm của hệ thống này là hiệu quả sấy cao và tiết kiệm năng lượng.
Nhược điểm: Chất lượng sấy không đồng đều, không phù hợp với các vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ cao
Thiết bị sấy khí không phù hợp cho việc sấy trà do chất lượng sấy không đồng đều và nhiệt độ cao có thể ảnh hưởng đến hương vị của lá trà trong sản phẩm cuối cùng.
1.3.3 Thiết bị sấy tầng sôi
Hình 1 3 Thiết bị sấy tầng sôi
Thiết bị sấy tầng sôi là một giải pháp sấy liên tục hiệu quả, được ứng dụng rộng rãi trong việc sấy khô thực phẩm, dược liệu, nông sản và các sản phẩm công nghiệp Nguyên lý hoạt động của thiết bị này dựa trên đối lưu cưỡng bức, với quạt giúp lưu thông khí nóng qua lớp vật liệu đặt trên tấm lưới Quá trình "làm sôi" lớp vật liệu bằng luồng khí nóng không chỉ tăng cường diện tích tiếp xúc mà còn nâng cao hiệu suất sấy, mang lại kết quả tối ưu cho người sử dụng.
9 sấy khô Thiết bị sấy tầng sôi thường được dùng để sấy các hạt dược phẩm, ngũ cốc (gạo, lúa, yến mạch)
Máy có thiết kế đơn giản với các bộ phận tách rời, thuận tiện cho việc vệ sinh và bảo dưỡng Đặc biệt, thiết bị không có góc cạnh nhọn, giúp dễ dàng lau chùi và không gây ô nhiễm môi trường Các buồng công tác được làm kín bằng joint silicon, giúp ngăn ngừa hiện tượng bể joint và tiết kiệm chi phí thay thế trong quá trình sử dụng.
Nguyên liệu sấy tiếp xúc trực tiếp với dòng khí nóng, giúp tăng tốc độ truyền nhiệt nhờ áp lực lớn, từ đó lượng nước trong nguyên liệu bay hơi nhanh chóng theo khí nóng Tốc độ sấy phụ thuộc vào nhiệt độ cài đặt Ưu điểm của phương pháp này là năng suất lớn, cường độ sấy cao và đồng đều, với cấu tạo đơn giản, có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa hoàn toàn.
Một số nhược điểm của phương pháp sấy là khó điều chỉnh chế độ làm việc phù hợp, vật liệu dễ bị vỡ vụn và tạo bụi Ngoài ra, phương pháp này chỉ thích hợp với các vật liệu có kích thước và khối lượng riêng đồng đều, gây hạn chế trong việc áp dụng cho các loại vật liệu khác nhau.
Mặc dù thiết bị sấy tầng sôi có khả năng sấy lá trà, nhưng về mặt kinh tế, nó không phải là lựa chọn tối ưu Hơn nữa, việc điều chỉnh nhiệt độ sấy cho quá trình này cũng gặp một số khó khăn.
1.3.4 Thiết bị sấy thùng quay
Thiết bị sấy thùng quay là một giải pháp hiệu quả cho việc sấy hạt và cục nhỏ, phổ biến trên thị trường Quá trình sấy diễn ra nhanh chóng và đồng đều nhờ vào sự đảo trộn mạnh mẽ từ các cánh quạt bên trong thùng và việc trao đổi nhiệt với tác nhân sấy như không khí nóng hoặc khói lò Thiết bị này thường được ứng dụng trong ngành công nghiệp để sấy các chất liệu như gạch, sợi và các vật liệu xây dựng khác.
Máy sấy thùng quay được cấu tạo từ phễu đầu vào, cụm đầu thùng và cụm đuôi thùng, giúp nhập liệu và lấy sản phẩm dễ dàng Thiết kế hình trụ nằm ngang của máy giúp xoay và phân tán đều vật liệu trong quá trình sấy Quạt sấy công nghiệp, thường là quạt hút hướng trục, có nhiệm vụ đẩy không khí nóng qua thùng quay Máy có nhiều ưu điểm như thân thiện với môi trường, ít ô nhiễm, độ tự động hóa cao, dễ vận hành, ít hỏng hóc và công suất lớn.
Nhược điểm của quy trình này bao gồm chi phí đầu vào và năng lượng cao, cùng với việc cần phải đảo trộn bên trong thường xuyên, điều này có thể tạo ra bụi Nếu không thực hiện vệ sinh định kỳ, hiệu suất sẽ bị giảm sút.
SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ QUY TRÌNH
Thuyết minh lưu trình
Sau khi quá trình lên men hoàn tất và các chỉ tiêu chất lượng đạt yêu cầu, cần phải ngừng hoạt động lên men của enzym Trong công nghệ chế biến trà hiện nay, người ta sử dụng nhiệt độ cao không chỉ để dừng quá trình này mà còn để làm khô trà, đồng thời tạo ra những chuyển hóa sinh nhiệt cần thiết nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.
Trà có độ ẩm ban đầu 65% được đưa vào bộ phận nhập liệu qua gầu tải Bộ phận này có tang quay kết nối với động cơ, giúp trà được sấy liên tục mà không bị nghẽn Tay gạt điều chỉnh độ dày lớp trà trên băng tải, và khi lá trà được chuyển vào hầm sấy, chúng sẽ được băng tải vận chuyển đến cuối băng tải.
Sau khi hoàn thành 15 bước đầu tiên, vật liệu sẽ được chuyển xuống băng tải thứ hai và tiếp tục di chuyển cho đến băng tải cuối cùng, nơi chúng được đẩy vào thùng chứa Lúc này, độ ẩm của chè đạt 5%.
Quá trình sấy sử dụng không khí ở nhiệt độ 25℃, được quạt đẩy qua caloriphe để gia nhiệt lên 100℃ trước khi vào hầm sấy Không khí nóng sau đó đi qua các băng tải và được quạt cuối hầm hút ra ngoài Một phần lá chè theo không khí nóng sẽ được thu hồi bằng cyclon.
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Chọn tác nhân sấy và chế độ sấy
Trà sau khi thu hoạch và lên men có độ ẩm từ 59-65% Để đạt được độ tơi xốp và tránh tình trạng gãy vụn hay mốc, độ ẩm trà trước khi sấy được chọn là W1 = 65% Theo tiêu chuẩn Việt Nam, độ ẩm trà sau khi sấy cần đạt từ 3-5%, vì vậy độ ẩm sau khi sấy được xác định là W2 = 5%.
Để đảm bảo chất lượng chè, cần kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ sấy, tránh sấy ở nhiệt độ quá cao, vì điều này có thể làm mất đi dầu thơm và khiến chè bị khô khét, hương thơm kém Theo kinh nghiệm, chè khô có thể chịu được nhiệt độ khoảng 100°C, vì vậy nhiệt độ tác nhân sấy nên được chọn là t1 = 100°C Để tối ưu hóa kinh tế, cần giảm thiểu tổn thất nhiệt và ngăn ngừa hiện tượng đọng sương sau khi sấy, đồng thời giữ cho độ ẩm tương đối sau sấy không quá thấp nhưng cũng không gần trạng thái bão hòa, do đó cần xác định nhiệt độ tác nhân ra khỏi buồng sấy t2.
Như vậy các thông số ban đầu được xác định như sau:
Năng suất tính theo sản phẩm: G2 = 300kg/h Độ ẩm vật liệu vào: W1 = 65% Độ ẩm vật liệu ra: W2 = 5%
Nhiệt độ tác nhân sấy vào hầm sấy: t1 = 100°C
Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi hầm sấy: t2 = 40°C
Nhiệt độ không khí vào Calorife: t0 = 30°C Độ ẩm môi trường: φ = 85%
Thông số tính toán không khí
3.2.1 Không khí trước khi vào calorife (Điểm A) t0 = 30 °C ; φ = 85% Áp suất hơi bão hòa: P bh = exp (12 − 4026,42
Hàm ẩm của không khí: d = 0,621 φP bh
𝑘𝑔 𝑘𝑘𝑘 (2.18[1]) Trong đó B: áp suất không khí, nơi cố định ẩm
1,013 − 0,85 × 0,0422= 0,0228 kg ẩm / kg kkk Enthalpy: I 0 = 1,004t + d(2500 + 1,842t) kJ / kg kk (2,25[1])
3.2.2 Không khí khi đi vào calorife(Điểm B)
Chọn nhiệt độ không khí sau calorife là t1 = 100°C
Hàm ẩm d1 = d0 = 0,0228 kg ẩm/kg kkk Áp suất hơi bão hòa: 𝑃 1𝑏ℎ = exp (12 − 4026,42
235,5+100) = 0,9987 𝑏𝑎𝑟 Độ ẩm của không khí: φ = Bd
3.2.3 Không khí ra khỏi hầm sấy(Điểm C)
Ta có nhiệt độ ra khỏi hầm sấy t2 = 40°C
Enthalpy I2 = I1 = 161,6 kJ/kg kkk Áp suất hơi bão hòa: 𝑃 2𝑏ℎ = exp (12 − 4026,42
Bảng 3.1 Thông số các trạng thái
Trạng thái Điểm A (0) Điểm B (1) Điểm C (2) t °C 30 100 40 φ % 85 3,59 97,8 d, kg ẩm / kg kkk 0,0228 0,0228 0,0472
: thể tích riêng của không khí được tra trong bảng Phụ lục 5 tài liệu [1].
Tính toán cân bằng vật chất
Trong quá trình sấy, lượng vật liệu khô được giữ ổn định và không có tổn thất, đảm bảo rằng khối lượng vật liệu sấy không thay đổi trong suốt quá trình này.
G k = G 2 × (1 − 𝑊 2 ) = 300 × (1 − 0,05) = 285 (kg h) Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu sấy trong quá trình sấy:
Lượng ẩm vật liệu trước khi vào hầm sấy:
Lượng không khí khô cần để bốc hơi 1kg ẩm vật liệu:
0,0472 − 0,0228 = 40,98 𝑘𝑔 𝑘𝑘𝑘/ℎ Lượng không khí khô cần: Lo = l × W = 40,98 × 514,29 = 21075 kg kkk/h
Thời gian sấy
Theo tài liệu “ Kĩ thuật chế biến chè” của I.A.Khotrolava (Ngô Hữu Hợp & Nguyễn Năng Vinh dịch)
Bảng 3.2 Độ ẩm vật liệu và thời gian sấy Độ ẩm đầu, % Độ ẩm cuối, % Thời gian sấy, h
U’(vật liệu ướt) U(vật liệu khô) U’ U
Gọi Uth là độ ẩm tới hạn, U * là độ ẩm cân bằng
Thay vào phương trình thời gian sấy:
6,07 − 𝑈 ∗ Giải hệ 3 phương trình trên ta được: Uth = 79,57%; U * = 0,38%; N = 528,52 kg ẩm / (kg vật liệu khô)
Muốn tính thời gian sấy từ độ ẩm từ U0 = 150% xuống U2 = 5,26% (vật liệu sấy của đề tài) thì tốn khoảng thời gian là:
Vậy thời gian sấy là 30 phút
THIẾT BỊ CHÍNH
Băng tải
Khối lượng riêng của trà có W1 = 65%
𝜌 0 Khối lượng riêng của nước: 𝜌 𝑛 = 998 kg/m 3
Khối lượng riêng của trà: 𝜌 𝑜 = 24 kg/m 3
Thay vào công thức ta được:
Thể tích vật liệu chứa trong thiết bị:
V1,G1, 𝜌 1 : Thể tích, khối lương và khối lượng riêng của vật liệu vào thiết bị:
65,64 = 12,41 m 3 /h Năng suất của thiết bị sấy băng tải:
B: chiều rộng của lớp băng tải (m) h: chiều dài lớp vật liệu sấy trên băng tải trong khoảng 50-250mm, chọn h = 0,15m (Trang
119 – Giáo trình kĩ thuật sấy nông sản)
𝜔: vận tốc của băng tải (m/p), chọn 𝜔 = 0,4m/p
Lb: Chiều dài băng tải (m)
Li: Chiều dài phụ thêm, chọn Li = 1m
Chọn B = 1,3m, thay số vào phương trình ta được:
1,3 × 0,15 + 1 = 32,82𝑚 ≈ 33𝑚 Chọn số tầng băng tải i = 3 băng tải, mỗi băng tải có chiều dài Lb = 11m Băng tải làm bằng Inox đục lỗ dày 2.5cm
4.1.2 Tính con lăn đỡ băng
Khoảng cách giữa 2 con lăn ở nhánh có tải:
A: Hằng số phụ thuộc khối lượng riêng của vật liệu
Ta có 𝜌 1 = 65,64 kg/m 3 < 1000 kg/m 3 Suy ra A = 1137,5mm (5.8[2])
Khoảng cách giữa 2 con lăn ở nhánh không tải:
→ Tổng số con lăn cần dùng là: n = (n1 + n2) × i = (17 + 34) × 3 = 153 con lăn
Kích thước con lăn: Đường kính: d= 60mm, chiều dài 1500mm, vật liệu: thép CT3
Kich thước bánh lăn: Đường kính: d = 150mm, chiều dài 1500mm, vật liệu thép CT3.
Kích thước hầm
Chiều dài làm việc của phòng sấy: Lh = Lb + 2Lbs = 11 + 2 × 0,5 = 12m
Chiều cao: chọn khoảng cách giữa 2 băng là 0,4m
Tường được làm bằng thép CT03 𝛿1 = 50mm
Tường được phủ lớp cách nhiệt 𝛿2 = 50mm
Trần được làm bằng thép CT03 dày 𝛿3 = 50mm
Có lớp cách nhiệt bằng bông thủy tinh 𝛿4 = 50mm
Vậy kích thước của phòng sấy kể cả tường là:
Tính vận tốc dòng khí trong quá trình sấy lý thuyết:
𝐹 𝑡𝑑 Với 𝜔 𝑘 : vận tốc tác nhân sấy trong hầm sấy
V0: lưu lượng tác nhân sấy
Ftd: tiết diện tự do giữa 2 tầng băng tải:
Lưu lượng tiết diện tại điểm B và C0
Lưu lượng thể tích trung bình:
𝜔 𝑘 = 22044,45 0,8 × 3600= 7,65𝑚/𝑠 Tác nhân sấy trong quá trình sấy thực sẽ có tốc độ lớn hơn ta giả sử 𝜔 𝑘 = 7,7 m/s
Phễu nhập liệu có thiết kế bao gồm ống phễu bên ngoài dài 1,5m và rộng 1m, cùng với ống phễu bên trong dài 0,9m và rộng 0,4m Khoảng cách từ đầu hầm sấy đến phễu là 1,3m, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận chuyển nguyên liệu.
Nơi xuất liệu: Chiều rộng bằng chiều rộng của hầm sấy = 1,8m, chiều dài 0,3m, chiều cao 0,36m.
Động cơ băng tải
Vì băng tải di chuyển với vận tốc thấp (số vòng quay của tang nhỏ)
→ Cần chọn nhiều bộ truyền để có tỉ số truyền lớn
4.3.1 Chọn động cơ điện Để chọn động cơ điện, tính công suất cần thiết:
𝜂 N: công suất trên băng tải
Tính mbăng ta chọn băng là thép không rỉ có = 7900 kg/m3 , bề dày = 1mm mbăng = LbB = 33 × 0,001 × 1,3 × 7900 = 338,91kg mvl = G1 = 814,29 × 0,5 = 407,145kg
= 0,97 hiệu suất bộ truyền bánh răng
= 0,995: hiệu suất của một cặp ổ lăn
= 1: hiệu suất của khớp nối
Để đảm bảo băng tải hoạt động với vận tốc mong muốn, cần nhân hiệu suất chung (hiệu suất của bộ truyền đai) với hệ số 0,942, do ảnh hưởng của cơ cấu truyền động giữa các băng tải Tính toán hiệu suất đạt được là 0,927, dựa trên công thức: η = 0,97 × 0,995 × 1.
Ta chọn động cơ loại A02-41-8, bảng 28[9] T323 ta có các thông số sau:
Công suất động cơ: Nđc = 2,2kW
Số vòng quay động cơ: nđc = 720 v/ph
Tỷ số truyền động chung 𝑖 = 𝑛 đ𝑐
1,75 = 411,43 i = ibnibt ibn: tỉ số truyền của bộ truyền bánh răng cấp nhanh ibt: tỉ số truyền của bộ truyền bánh răng cấp chậm
Chọn ibn = 16,65 Để tạo điều kiện bôi trơn hộp giảm tốc bằng phương pháp ngâm dầu: ibn = (1,21,3)ibt
Bảng 4.1 Thông số các trục
Thông số Trục động cơ Trục I Trục II i ibn = 16,65 ibt = 24,71 n (v/ph) 720 42,24 2,42
4.3.2.1 Cơ cấu truyền động giữa 2 tầng băng tải: tính theo tài liệu [3]
Chọn loại đai vải cao su Đường kính bánh đai dẫn (5-6)[3]
Theo bảng 5.1 [9], ta chọn D1 = 900mm
Nằm trong phạm vi cho phép < 30 m/s Đường kính bánh đai bị dẫn
D2 = iD1 = D1 vì tỉ số truyền bằng 1 n1 = n2 = 2,42 vòng/ph
2(0,9 + 0,9) = 5,35𝑚 Góc ôm 1 = 2 180 độ vì D1 = D2 Định tiết diện đai:
40 bảng 5-2[9] đối với đai vải cao su
40 = 22,5𝑚𝑚 Theo bảng 5-3[9], ta chọn đai có chiều dày 13,5mm
Lấy ứng suất căng ban đầu 81, o = N/mm 2
13,5 = 66,7 Tra bảng 5-5[9] tìm được [p]o = 2,35 N/mm 2 Các hệ số: Ct = 0,8 (bảng 5-6[9]), C = 1 (bảng 5-7[9]), Cv = 1,03 (bảng 5-8[9]), Cb = 1 (bảng 5-9[9])
Chiều rộng b của bánh đai tính theo công thức:
0,114 × 13,5 × 2,35 × 0,8 × 1 × 1,03 × 1 = 44,96𝑚𝑚 Tra bảng 5-4[9] ta chọn b = 50mm Định chiều rộng bánh đai (bảng 5-10[9]) B = 60 mm
Lực tác dụng lên trục:
4.3.2.2 Tính tốn trục băng tải
C= 130-110 đối với thép CT5, ta chọn C0
Chúng tôi chọn đường kính trục là 42mm để đảm bảo lưới inox không bị trượt trên tang dẫn Để đạt được điều này, chúng tôi đã gắn thêm những mấu nhỏ trên tang dẫn với kích thước cụ thể: dài 20mm, rộng 10mm và cao 10mm.
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Sấy lý thuyết
Năng lượng tiêu hao cho sấy lý thuyết:
Năng lượng tiêu hao tính cho 1kg ẩm bay hơi:
Tổn hao nhiệt
5.2.1 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra khỏi hầm
G2: khối lượng vật liệu đầu ra, kg/h
W: lượng ẩm cần tách, kg/h
Nhiệt dung riêng của vật liệu khi ra khỏi hầm sấy được tính bằng kJ/kg.độ, với nhiệt độ vào là 30℃ (tvlđ = to) và nhiệt độ ra là 40℃ (tvlc = t2) Quá trình sấy diễn ra theo chiều cùng, giúp vật liệu dễ dàng hấp thụ nhiệt.
Cvlk: nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối
Cvlk = 1,5 kgJ/kgđộ (theo TL [1] thì đối với vật liệu thực phẩm thì Cvl = 1,2 –1,7 kJ/kgđộ)
Ca: nhiệt dung riêng của nước Ca = 4,186 kJ/kgđộ
→ C vl = Cvlk (1 – W2) + CaW2 = 1,5(1 – 0,05) + 4,186 × 0,05 = 1,6343 kJ/kg độ
5.2.2 Tổn thất nhiệt để đun nóng bộ phận vận chuyển chiếm khoảng 2% q o
5.2.3 Nhiệt tổn thất ra môi trường
Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh bao gồm:
Nhiệt tổn thất qua tường: qt
Nhiệt tổn thất qua trần: qtr
Nhiệt tổn thất qua nền: qn
Nhiệt tổn thất qua cửa: qc
Nhiệt tổn thất do mở cửa: qmc
Nhiệt tổn thất động học: qđh
→ qxq = qt + qtr + qn + qc + qmc + qđh
5.2.3.1 Tổn thất nhiệt qua tường
Quá trình truyền nhiệt từ TNS ra không khí bên ngoài được giả thiết là ổn định, với nhiệt độ TNS thay đổi theo không gian mà không thay đổi theo thời gian.
Hệ số truyền nhiệt tính theo công thức:
1: hệ số cấp nhiệt từ TNS vào tường, W/m 2 độ
2: hệ số cấp nhiệt từ mặt ngồi hầm sấy ra môi trường, W/m 2 độ
i: hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu làm tường, W/mđộ
Tường gồm 2 lớp: - một lớp gạch 1 = 250mm - một lớp cách nhiệt 2 = 50mm (bông thuỷ tinh)
Tra bảng T416, TL [5] ta được: 1 = 0,77 W/m 2 độ 2 = 0,058 W/m 2 độ
* Tính hệ số cấp nhiệt 𝛼 1 :
𝛼1 = A(𝛼’1 + 𝛼”1) W/m 2 độ (VI - 38[4]) với A = 1,2 –1,3: hệ số tùy thuộc chế độ chuyển động của khí Ở chế độ chảy xốy và tường nhám A= 1,2
’1: hệ số cấp nhiệt của không khí chuyển động cưỡng bức, W/m 2 độ
”1: hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiện, W/m 2 độ
Như vậy không khí nóng được vận chuyển bằng quạt thì hệ số cấp nhiệt sẽ bao gồm ảnh hưởng của đối lưu tự nhiên & đối lưu cưỡng bức
Tính hệ số cấp nhiệt của không khí nóng chuyển động cưỡng bức:
Công thức tổng quát cho khí chảy dọc theo tường phẳng:
t: hệ số dẫn nhiệt của không khí ở nhiệt độ trung bình, W/m.độ
Nu1 ’ = C Re n (VI-41[4]) c, n: hệ số phụ thuộc vào chế độ chuyển động của khí
Chuẩn số Re được tính theo công thức: (VI-42[4])
𝜔 𝑡 = 3,9 m/s: vận tốc khí trong hầm
𝜌 𝑡 = 1,029 kg/m 3 : khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ trung bình
𝜇 𝑡 = 20,6 × 10 -6 Pa.s: độ nhớt của khí ở nhiệt độ trung bình
Các thông số của khí tra ở T.318 tài liệu [4] dtđ: đường kính tương đương của hầm sấy (VI - 43[4])
13 = 3,4 W/m 2 độ Tính hệ số cấp nhiệt của không khí nóng chuyển động tự nhiên:
Với Nu”1 = 𝜀(Gr.Pr) m (VI - 45[4])
, m: hệ số phụ thuộc vào tích số (Gr.Pr) Công thức này được dùng khi Pr > 0,7 Công thức tính Grassholf (Gr) (VI - 46[4])
Ttb = 70 + 273 = 343K, Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy, K
∆T = ttb – tT1, K ttb: nhiệt độ trung bình của TNS tT1: nhiệt độ tường tiếp xúc với TNS
Các thông số sử dụng trong công thức tính Gr lấy theo nhiệt độ của màng tm
(20,6 × 10 −6 ) 3 × 343 = 8,03 × 10 12 Công thức tính chuẩn số Pr(VI - 47[4]):
CT: nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kg.độ
→ Dùng công thức (VI – 44) được
Theo bảng T.173 – [3] ta có = 0,135 và m = 1/3
Nhiệt tải riêng truyền từ tác nhân sấy vào tường sấy: q1 = 𝛼1 ∆T = 56,15 × 0,55 = 30,88 W/m 2
* Tính hệ số cấp nhiệt 𝛼 2 :
2’: hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiên
2”: hệ số cấp nhiệt do bức xạ nhiệt từ tường ngồi của hầm sấy ra môi trường,
Tính 2’: Không khí chuyển động tự do bên ngồi tường hầm sấy thẳng đứng thì:
t2 = tT2 – txq : hiệu số giữa nhiệt độ tường và không khí xung quanh, ℃ chọn tT2 = 34 độ C txq = 30 độ C
TT2: nhiệt độ của tường hầm sấy phía tiếp xúc với không khí bên ngồi
Tt = 30 + 273 = 303K: nhiệt độ của tường phân xưởng
T2 = 30 + 273 = 303K: nhiệt độ của không khí bên ngồi
C1-2 = 4,15 – 4,25 W/m 2 K 4 : hệ số bức xạ chung Chọn C1-2 = 4,15 W/m 2 K
Nhiệt tải riêng truyền từ mặt ngồi tường hầm sấy ra môi trường xung quanh: q2 = 2t2 = 7,63 × 4 = 30,52
Vậy hệ số truyền nhiệt Kt là:
* Kiểm tra về giả thuyết nhiệt độ
Bằng cách kiểm tra nhiệt tải riêng q1 và q2:
Tính nhiệt độ mặt tường sấy hầm rồi so sánh với nhiệt độ tT1 = 69,45 độ C và tT2 = 30 độ C đã giả thiết ban đầu
7,63 = 28,44 độ 𝐶 Với tk: nhiệt độ không khí trong phân xưởng
Vậy giả thiết ban đầu có thể chấp nhận được
* Tính nhiệt tổn thất qua tường (VI - 62[4])
: hiệu số nhiệt độ trung bình, ℃ (VI – 64[5])
5.2.3.2 Nhiệt tổn thất qua trần hầm sấy
Quá trình cấp nhiệt cho trần hầm sấy tính tốn giống như tường hầm sấy nhưng lại là tường nằm ngang
Lớp cách nhiệt dày 𝛿 2 = 50mm, 1 = 0,058 W/m 2 độ theo T416 TL[6]
Lớp thép dày 𝛿 2 = 25mm, 2 = 1,28 W/m 2 độ
* Tính hệ số cấp nhiệt 1:
Hệ số cấp nhiệt của không khí nóng cưỡng bức:
Hệ số cấp nhiệt của không khí nóng chuyển động tự nhiên: giảm 30% so với công thức (VI44)
* Tính hệ số cấp nhiệt 2:
Hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiên cũng tính như trên nhưng phải tăng thêm 30%
5.2.3.3 Nhiệt tổn thất qua nền
Qn 0: tổn thất riêng của 1m 2 nền, phụ thuộc vào nhiệt độ trung bình và vị trí hầm sấy trong phân xưởng
Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy trong hầm là 70℃, giả sử tường hầm sấy cách tường bao che của phân xưởng 2m
Theo bảng 7.1 T142[1], ta có qn 0 = 44,2 W/m 2
5.2.3.4 Nhiệt tổn thất qua cửa
Lớp tiếp xúc với không khí xung quanh và tác nhân bằng Al có 1 = 2 = 2mm
Tra bảng T147[5] ta có 1 = 203,5 W/m 2 độ
Lớp giữa cách nhiệt bề dầy 2 = 28 mm, 2 = 0,058 W/m2 độ
Hệ số truyền nhiệt Kc
5.2.3.5 Nhiệt tổn thất do mở cửa
Theo thực tế qmc bằng 10% (qt và qn) qmc = 10%(6,22 + 5,94) = 1,216 kJ/kgẩm
5.2.3.6 Tổn thất nhiệt động học Đây là lượng nhiệt tiêu tốn để làm thay đổi trạng thái của tác nhân sấy ở đầu hầm với trạng thái (d1, T1) thành (d2, T2) qđh = A(d2 – d1)(T1+T2) J/kg ẩm (VI-74[4])
T1, T2: Nhiệt tác nhân trước và sau khi sấy, K qđh = 0,0055(0,0472 – 0,0228)(40 + 273 + 100 + 273) = 0,092
→ Tổng nhiệt lượng tổn thất môi trường xung quanh: qxq = 6,22 + 3,81 + 5,94 + 2,2 + 1,216 = 19,386 kJ/kgẩm
5.3 Tính tổn thất quá trình sấy thực
Lượng nhiệt cần bổ sung ∆ được tính toán như sau:
∆ = Ca.tvlđ – qxq - qvl - qct = 4,186 × 30 – 19,386 – 9,53 – 60 = 36,664 kJ/kgẩm
𝑑 2 −𝑑 0, Như vậy điểm C0 sẽ di chuyển đến điểm C ’ và đường thẳng BC ’ và sẽ nằm dưới đường BC0
Cdx (do) = Cpk + Cpa,d0 = 1,004 + 1,842 × 0,0228 = 1,046 kJ/kg (7.10[1]) i2: entalpy mol của 1 kg hơi nước i2 = 1500 + 1,842t2 = 2500 + 1,842 × 40 = 2573,68 kJ/kg
Cpk: nhiệt dung riêng của không khí khô
Cpa: nhiệt dung riêng của hơi nước Độ ẩm tương đối:
Pb2’ = Pb2 (vì nhiệt độ t2 không đổi)
Lượng không khí khô cần dùng:
0,047−0,0228 = 21251𝑘𝑔𝑘𝑘𝑘/ℎ Lượng không khí khô cần dùng để bốc hơi 1kg ẩm l' = 1
0,047−0,0228 = 41,32 𝑘𝑔𝑘𝑘𝑘/𝑘𝑔 ẩ𝑚 Lượn nhiệt tiêu hao riêng: q = q0 - ∆ = 3000,47 – 36,664 = 2963,806 kJ/kg ẩm
Lượng nhiệt cần đưa vào hệ thống:
* Lập bảng cân bằng nhiệt
Nhiệt lượng tiêu hao riêng: q = q0 - ∆ = 3000,47 – 36,664 = 2963,806 kJ/kg ẩm
Nhiệt lượng có ích để bốc hơi ẩm: q1 = i2 – Ca.tvl = (2500 + 1,842 × 40) – 4,186 × 30 = 2448,1 kJ/kg ẩm
Tổn thất nhiệt do TNS mang đi q2: q2 = qTNS = I’Cdx(d0)(t2 – to) = 41,32 × 1,046 × (40 – 30) = 432,2 kJ/kg ẩm
Tổng nhiệt lượng có ích & tổn thất: q' = qxq + q1 + qVLS + qTNS + qct = 19,386 + 2448,1 + 9,53 + 432,2 + 60 = 2969,22kJ/kgẩm
Sai số tính tốn nhiệt:
→ Chấp nhận kết quả tính tốn ở trên
Bảng 5 1 Thông số cân bằng nhiệt
STT Đại lượng Kí hiệu kJ/kgẩm %
2 Tổn thất nhiệt do TNS q2 432,2 14,56
3 Tổn thất nhiệt do VLS qvl 9,53 0,32
4 Tổn thất nhiệt do TBCT qct 60 2,02
5 Tổn thất ra môi trường qxq 19,386 0,67
6 Tổng nhiệt lượng tính tốn q' 2969,22 100
7 Tổng nhiệt lượng tiêu hao q 2963,806
Hiệu suất thiết bị sấy thực:
Kiểm tra giả thiết về tốc độ tác nhân sấy trong hầm sấy:
Tác nhân sấy ra khổi hầm sấy t2 = 40 độ C, 𝜑2 = 50% tra phụ lục 5[1] ta được thể tích riêng vc = 0,94 m 3 /kg
Tác nhân sấy trước khi vào hầm sấy ta đã tra theo bảng 1, vB = 1,117 m 3 /kg
Lưu lượng thể tích trung bình của tác nhân sấy đi trong hầm:
Kiểm tra tốc độ tác nhân sấy đã giả thiết:
Tốc độ trung bình của TNS trong quá trình sấy thực w:
Mọi tính toán có thể xem là đúng
THIẾT BỊ PHỤ
Calorife
Calorifer dùng trong máy sấy có nhiều loại Ở đây, chúng em chọn calorifer khí-hơi, thiết bị truyền nhiệt dạng ống chùm có cánh gân
Hơi nước bão hòa ngưng tụ đi trong ống và không khí chuyển động bên ngoài ống
Nhiệt độ không khí vào calorifer bằng nhiệt độ môi trường t1 = t0 = 30 0 C
Nhiệt độ không khí ra khỏi calorifer bằng nhiệt độ không khí vào máy sấy: t2 = 150 0 C
6.1.1 Tính bề mặt truyền nhiệt
Chọn chất tải nhiệt đi trong ống là hơi nước bão hòa có áp suất là P = 3bar
K(W/m 2 độ): là hệ số truyền nhiệt
△t(độ): Hiệu số nhiệt độ trung bình
F(m 2 ): Diện tích bề mặt truyền nhiệt.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt: 𝐹 = 𝑄
𝐾×∆𝑡 (m 2 ) Nhiệt lượng cần thiết để làm bốc hơi W kg ẩm:
ℎ) (CT VII.23/tr102, [7]) Nhiệt lượng thực tế do calorifer cung cấp:
ℎ) = 540,28kW ƞ: Hiệu suất cung cấp nhiệt của calorifer thường có giá trị từ 75-85%, chọn ƞ = 80%
Tính hiệu số nhiệt độ trung bình △ t Áp suất hơi nước bão hòa P = 3bar, ta có nhiệt độ hơi nước bão hòa tương ứng tbh = 133 0 C
Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa khí và hơi:
Tính hệ số truyền nhiệt K:
Fn (m 2 ): bề mặt ngoài toàn bộ của ống kể cả bề mặt gân tính cho một đơn vị chiều dài của ống
F1 (m 2 ): bề mặt trong của ống tính cho 1 đơn vị chiều dài của ống r: Tổng nhiệt trở của tường và các lớp cặn bẩn
Chọn ống truyền nhiệt bằng đồng, có gân để nâng hệ số dẫn nhiệt, có hệ số dẫn nhiệt:
W/m.độ (Bảng I.123/tr 125, [8]) Đường kính ngoài của ống Dng = 0,04 (m) Đường kính trong của ống Dtr = 0,03 (m)
Chiều dày của ống δ = D ng −D tr
2 = 0,005 (m) Chiều dài của ống l = 1,4m Đường kính gân Dg = 1,4 × Dng = 1,4 × 0,04 = 0,056(m)
Chiều cao của gân Hg = D g −D ng
2 = 8 × 10 −3 (m) Bước ống thường thấy f1 = (1,2÷1,5)Dng
Bước gân f2 tính theo : 3 < D ng f 2 < 4,8 Chọn Dng/f2 = 4 thì f2 = 0,04/4 = 0,01(m)
Số gân trên một ống : m = l f 2 = 1,4
Tổng chiều dài số gân trên ống: lg = m×δ’= 140 × 0,002 = 0,28 (m)
Chiều dài phần ống không gân: L1 = l – lg = 1,4 – 0,28 = 1,12 (m)
6.1.2.2 Tính toán diện tích calorife
Diện tích xung quanh ống không kể gân:
Diện tích mặt đứng của tổng số gân trên một ống:
Diện tích mặt trên và mặt dưới của tổng số gân trên 1 ống:
4 × (0,056 2 –0,04 2 ) × 140 = 0,338 (m 2 ) Tổng diện tích bề mặt của tất cả các gân trên 1 ống:
Tổng diện tích bề ngoài của 1 ống (kể cả gân)
Tổng diện tích bề mặt trong của ống
Tổng nhiệt trở của tường: ∑ 𝑟 = 𝛿 λ= 0,005
6.1.2.3 Tính vận tốc thực tế của không khí đi trong calorife
Chọn số ống xếp trên 1 hàng ngang của calorifer là n1 = 10 ống, xếp thẳng hàng
Với 2lđ : Chiều dài lấy thêm ở 3 đầu của calorifer, 2lđ = 0,02m
Tiết diện ngang của calorifer:
Lượng không khí cần thiết cho quá trình sấy: L = 21251 (Kgkkk/h)
Nhiệt độ không khí ban đầu: to = 30 o C
Nhiệt độ không khí sau khi ra khỏi calorife: t2 = 150 o C
Khối lượng riêng của không khí ở 30 o C và 150 o C (tra bảng I.255 tr 318, [8]) lần lượt là: ρ28 = 1,165 kg/m 3 và ρ150 = 0,8349kg/m 3
Thể tích riêng của không khí:
2 =1,02805(m 3 /kg) Lưu lượng không khí khô trước khi vào calorifer:
Vận tốc của không khí là: ωkk = 𝑉′
6.1.3 Tính hệ số cấp nhiệt
Chọn vận tốc của không khí đi trong calorifer Wkk = 8 m/s
6.1.3.1 Tính hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hoà đến thành ống bên trong 1
A: Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng ngưng tụ
Chọn nhiệt độ tại thành ống truyền nhiệt là tt 0 0 C
Nhiệt độ màng ngưng tụ là nhiệt độ trung bình giữa nhiệt độ tại thành ống truyền nhiệt và nhiệt độ bão hòa
Tra bảng giá trị A phụ thuộc vào tm (trang 29, [7]) và nội suy thu được : A = 191,3125
Tra bảng I.250/tr 313, [8], tại tm = 131,5 0 C thì ẩn nhiệt hóa hơi r = 2174,983 (KJ/Kg) Thay các số liệu vào ta có:
6.1.3.2 Tính hệ số cấp nhiệt bên ngoài ống 2
Xác định chỉ số Nusselt:
(Tính cho trường hợp dòng chảy ngang qua bao bên ngoài ống chùm có gân)
Dng: đường kính ngoài của ống; Dng = 0,04 (m) f2: bước của gân ; f2 = 0,01 (m)
Hg:chiều cao gân ; Hg = 0,008(m)
C,n: các đại lượng phụ thuộc cách sắp xếp ống Chọn cách sắp xếp ống là thẳng hàng, nên ta có: C = 0,116 ; n = 0,72
Tốc độ dòng khí qua calorifer wkk = 8 m/s
Nhiệt độ trung bình tính về phía không khí: t tb = t 1 +t 2
Pr = 0,69: Chuẩn số Prandtl của không khí tại ttb = 90 0 C.(Tra bảng I.255/tr318,[8])
V = 22,1 × 10 -6 (m 2 /s): độ nhớt động học của không khí tại ttb = 90 0 C.(Tra bảng I.255/tr318, [8])
𝞴 = 3,13 × 10 -2 (W/m.độ): hệ số dẫn nhiệt của không khí tại ttb = 90 0 C.(Tra bảng I.255/tr318, [8])
Thay số liệu vào ta có:
Hệ số cấp nhiệt α 2 : α 2 = Nu×λ f 2 =17,81×3,13×10 −2
Bề mặt truyền nhiệt: F = Q tt k×∆ t = 540,28×1000
Số ống truyền nhiệt trong calorifer: n = 𝐹
Số hàng sắp các ống truyền nhiệt: n 2 = 210
Chiều cao của calorifer: H = H’+Hch
H’(m) là chiều dài của ống
Hch(m) là chiều cao của lớp chắn, chọn Hch= 0,15(m)
Tính và chọn cyclone
Do yêu cầu về chất lượng của sữa sau khi sấy cũng như khí thải ra môi trường nên người
Trong quá trình sấy sữa bằng không khí nóng, không khí di chuyển với tốc độ cao trong buồng sấy, dẫn đến việc một phần sữa bị thất thoát ra ngoài Để thu hồi lượng sữa này và làm sạch không khí trước khi thải ra môi trường, cần lắp đặt cyclone tại đường ra của không khí nóng.
Không khí vào cyclone chính là không khí sau khi ra khỏi máy sấy, có các thông số như sau: t2= 40 0 C
Khối lượng riêng của không khí ở t2 = 40 0 C (tra bảng I.255/tr318, [8]): ρ = 1,128kg/m 3
1,128= 0,8865 (m 3 /kg) Lưu lượng không khí vào cyclone:
Gọi ∆𝐏 𝐜𝐲𝐜𝐥𝐨𝐧𝐞 là trở lực của cyclone thì
Xác định tốc độ quy ước theo công thức:
△P (N/m 2 ): Là trở lực của cyclone ρ (kg/m 3 ): Là khối lượng riêng của không khí ξ: Là hệ số trở lực phụ thuộc vào kiểu cyclone
Xyclon LIH-24 là loại xyclon đơn với góc nghiêng 24 độ, được thiết kế để làm sạch bụi lớn hiệu quả Loại xyclon này không chỉ đảm bảo năng suất cao mà còn có hệ số sức cản thủy lực tối thiểu, từ đó cho phép tính toán hệ số trở lực ξ một cách chính xác.
Thay số vào ta có: 𝐰 𝐩 = √ 𝟖𝟐𝟗,𝟎𝟖×𝟐
Ta chọn đường kính cyclone D = 700mm
Bảng 6 1 Kích thước cơ bản của cyclone đơn loại LIH-24 (Bảng III.4 trang 524,[12])
STT Tên kích thước Ký hiệu Công thức Gía trị (m)
2 Chiều cao cửa vào (kích thước bên trong) a 1,11D 0,777
3 Chiều cao ống tâm có mặt bích h1 2,11D 1,477
4 Chiều cao phần hình trụ h2 2,11D 1,477
5 Chiều cao phần hình nón h3 1,75D 1,225
6 Chiều cao phần bên ngoài ống tâm h4 0,4D 0,28
8 Đường kính ngoài của ống ra d1 0,6D 0,42
9 Đường kính trong của cửa tháo bụi d2 0,4D 0,28
11 Chiều dài của ống cửa vào L 0,6D 0,42
12 Khoảng cách từ tận cùng đến mặt bích h5 0,32D 0,224
13 Góc nghiêng giữa nắp và ống vào Α Α 24 0
14 Hệ số trở lực của xyclon ξ Ξ 60
Tính trở lực và chọn quạt
Trong hệ thống sấy, việc sử dụng quạt là cần thiết để tạo ra áp suất động, giúp di chuyển không khí vào trong hệ thống và giảm thiểu trở lực trong đường ống.
Sử dụng 2 loại quạt: Quạt đẩy để đẩy không khí từ calorifer vào thùng sấy; Quạt hút ở cuối hệ thống để hút không khí thải vào cyclone lọc bụi
6.3.1 Tính trở lực của quá trình
6.3.1.1 Trở lực đường ống từ miệng quạt đến trục khuỷu
𝟐 (CT II.55/tr377,[8]) Trong đó:
L1(m): chiều dài ống d1(m): đường kính ống
Chọn ống dẫn không khí có chiều dài L1 = 3m và đường kính là d1 = 0,55 m
Vận tốc dòng khí thổi trong ống: w1 = 𝑉 𝑜
Trong đó: Vo(m 3 /s): là lưu lượng không khí vào calorifer
1= 1,165 kg/m 3 : khối lượng riêng của không khí tại nhiệt độ to = 30 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
1 = 1610 -6 m 2 /s: độ nhớt động học của không khí tại nhiệt độ to = 30 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
16×10 −6 = 876562 > 4000 → chọn chế độ chảy xoáy
Chọn ống dẫn hơi làm việc gián đoạn và ống dẫn hơi nước ngưng có hệ thống thu hồi nước ngưng hở thì = 1mm
6.3.1.2 Trở lực đường ống từ trục khuỷu đến calorife
𝟐 (CT II.55/tr377, [8]) Trong đó:
L2(m): chiều dài ống d2(m): đường kính ống
Chọn L2 = 1(m): chiều dài ống dẫn từ trục khuỷu đến calorifer và đường kính ống d2 0,55m
Vận tốc dòng khí thổi trong ống: w2 = w1 = 25,5 (m/s)
Hệ số ma sát của không khí trong đường ống: λ1 = λ2 = 0,0147
Khối lượng riêng của không khí trong đường ống: 2 = 1 = 1,165 kg/m 3 :
Nhiệt độ trung bình của dòng khí trong calorifer: t tb = 150+30
Trở lực của không khí trong calorifer: ∆𝑝 3 = × ρ k × 𝑤 3 2
2 (CT III.50/tr522, [8]) Trong đó: w 3 (m/s): là vận tốc không khí trong calorifer ρ k là khối lượng riêng của không khí tại nhiệt độ cần tính (kg/m 3 )
là hệ số trở lực cục bộ
Nhiệt độ không khí ban đầu là 28 o C vào calorifer được gia nhiệt đến 150 o C
V = 22,1 × 10 -6 (m 2 /s): độ nhớt động học của không khí tại ttb = 90 0 C (Tra bảng I.255/tr
k = 0,972 kg/m 3 : khối lượng riêng của không khí tại ttb = 90 0 C (Tra bảng I.255/tr 318, [8])
Vận tốc của không khí trong calorifer là: 𝑤 3 = L
Với F3 là diện tích mặt cắt ngang trong calorife: F3 = R Lc = 1,636 4,44 = 7,26(m 2 )
3 (m): là chu vi mặt cắt ngang của calorife
22,1×10 −6 = 60883 > 4000 → Chọn chế độ chảy xoáy
Do dàn ống sắp xếp theo kiểu hành lang nên:
Trong đó: s là khoảng cách giữa hai trục ống theo phương cắt ngang của dòng chuyển động (theo chiều rộng của dòng) s = Dng + f1 + D ng
2 = 0,108 (m) m : số dãy ống theo phương chuyển động của không khí
Vậy trở lực trong calorife là : ∆𝑝 3 = 9,12 0,837 2 0,972
6.3.1.4 Trở lực đường ống từ calorife đến phòng sấy
𝟐 (CT II.55/tr377, [8]) Trong đó:
4 = 0,835 kg/m 3 : khối lượng riêng của không khí sau khi ra khỏi calorifer t10 o C (tra bảng I.255 tr318, [8])
𝑣 = 28,94 × 10 −6 m 2 /s: độ nhớt động học của không khí sau khi ra khỏi calorifer t10 o C (tra bảng I.255 tr318, [8])
L4(m): chiều dài ống d4(m): đường kính ống
Chọn chiều dài của đường ống L4 = 1,7 (m) và đường kính ống d4= 0,55 (m)
Vận tốc của không khí trong ống dẫn là: 𝑤 4 = L
L!251 Kgkkk/h: tổng lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy
28,94 ×10 −6 = 564443 > 4000 → Chọn chế độ chảy xoáy
6.3.1.5 Trở lực ma sát trong buồng sấy
𝜆 5 : hệ số ma sát trong buồng sấy
L5 = 5,6m: chiều cao của tháp sấy d5 = 4m: đường kính của tháp sấy
5 = 0,959 (kg/m 3 ): khối lượng riêng của không khí tại nhiệt độ trung bình trong buồng sấy
2 = 95 𝑜 𝐶 (tra bảng I.255/tr318, [8]) w5 (m/s): vận tốc của không khí trong tháp sấy
Lưu lượng thể tích trung bình trong tháp sấy:
Vận tốc không khí trong buồng sấy là: 𝑤 5 = 𝑉 𝑡𝑏
Trong đó F td (m 2 ) là tiết diện tự do của buồng sấy
𝑣 5 = 22,615 × 10 −6 m 2 /s: độ nhớt động học của không khí tại nhiệt độ trung bình trong buồng sấy 𝑡 𝑡𝑏 = 𝑡 1 +𝑡 2
6.3.1.6 Tính trở lực đường ống từ buồng sấy đến cyclone
Chọn L6 = 3 (m): chiều dài ống dẫn từ buồng sấy đến cyclone
Chọn d 6 = 0,55 (m): đường kính ống dẫn từ buồng sấy đến cyclone w6 (m/s): vận tốc của không khí trong đường ống từ buồng sấy đến cyclone
Lưu lượng không khí đi trong ống chính là lưu lượng không khí sau khi ra khỏi calorifer
6= 1,128 (kg/m 3 ): khối lượng riêng của không khí sau khi ra khỏi tháp sấy t2 = 40 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
6 = 16,9610 -6 (m 2 /s): độ nhớt động học của không khí sau khi ra khỏi tháp sấy t2 = 40 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
16,96×10 −6 = 713021 > 4000 →Chọn chế độ chảy xoáy
6.3.1.7 Trở lực đường ống từ xyclon đến quạt hút
Chọn L7 = 2 (m): chiều dài ống dẫn từ cyclone đến quạt hút
Chọn d7 = 0,55 (m): đường kính ống dẫn từ từ cyclone đến quạt hút
W7 (m/s): vận tốc của không khí trong đường ống từ cyclone đến quạt hút
Lưu lượng không khí đi trong ống chính là lưu lượng không khí sau khi ra khỏi calorifer
7 = 1,128 (kg/m 3 ): khối lượng riêng của không khí sau khi ra khỏi tháp sấy t2 = 40 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
7 = 16,9610 -6 (m 2 /s): độ nhớt động học của không khí sau khi ra khỏi tháp sấy t2 = 40 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
16,96×10 −6 = 713021 > 4000 →Chọn chế độ chảy xoáy
6.3.1.8 Trở lực do đột mở vào calorife
Trong đó: ξ 8 : hệ số trở lực cục bộ w8 (m/s): tốc độ của dòng khí trong đường ống w8 = w1= 25,5 (m/s)
8 = 1,165 kg/m 3 : khối lượng riêng của không khí tại nhiệt độ to = 30 o C (tra bảng
8= 1610 -6 m 2 /s: độ nhớt động học của không khí tại nhiệt độ to = 30 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
Diện tích mặt cắt ngang của ống:
Diện tích mặt cắt ngang trong calorifer:
→ ξ được tra theo bảng N o 13 tr387, [8]: ξ = 0,769
6.3.1.9 Trở lực do đột thu từ calorife ra ống dẫn không khí nóng
Trong đó: ξ 9 : hệ số trở lực cục bộ
57 w9 (m/s): tốc độ của dòng khí trong đường ống w9 = w4 = 29,7 (m/s)
9 = 0,835 kg/m 3 : khối lượng riêng của không khí sau khi ra khỏi calorifer t1 0 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
𝑣 9 = 28,94 × 10 −6 m 2 /s: độ nhớt động học của không khí sau khi ra khỏi calorifer t1 150 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
Diện tích mặt cắt ngang của ống: 𝐹 0 = 𝐹 ′ = 𝜋×𝑑 9 2
4 = 0,238 (m 2 ).Diện tích mặt cắt ngang trong calorifer: 𝐹 𝑐𝑎𝑡 = 𝐿 𝑐 × 𝑅 = 6,676 × 1,636 = 10,92 (𝑚 2 )
→ ξ được tra theo bảng N o 13 tr387, [8]: ξ = 0,769
6.3.1.10 Trở lực do đột mở từ đường ống vào buồng sấy
Trong đó: ξ 10 : hệ số trở lực cục bộ w10 (m/s): tốc độ của dòng khí trong đường ống w10 = w4= 29,7(m/s)
10 = 0,835 kg/m 3 : khối lượng riêng của không khí sau khi ra khỏi calorifer t1 0 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
𝑣 10 = 28,94 × 10 −6 m 2 /s: độ nhớt động học của không khí sau khi ra khỏi calorifer t1
Diện tích mặt cắt ngang của ống: 𝐹 0 = 𝐹 ′ = 𝜋×𝑑 10
Diện tích mặt cắt ngang của buồng sấy: 𝐹 𝑠 = 1,6 × 11 = 17,6 (𝑚 2 )
→ ξ được tra theo bảng N o 13 tr387,[8]: ξ 10 = 0,774
6.3.1.11 Tính trở lực do đột thu ra khỏi buồng sấy
Trong đó: ξ 11 : hệ số trở lực cục bộ w11 (m/s): tốc độ của dòng khí trong đường ống
11= 1.128 (kg/m 3 ): khối lượng riêng của không khí sau khi ra khỏi tháp sấy t2 = 40 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
11 = 16,9610 -6 (m 2 /s): độ nhớt động học của không khí sau khi ra khỏi tháp sấy t2 = 40 o C (tra bảng I.255 tr318, [8])
Diện tích mặt cắt ngang của ống: 𝐹 0 = 𝐹 ′ = 𝜋×𝑑 10 2
Diện tích mặt cắt ngang của buồng sấy: 𝐹 𝑠 = 𝜋×𝐷 2
→ ξ được tra theo bảng N o 13 tr387, [8]: ξ 11 = 0,774
6.3.1.12 Tính trở lực do đột mở vào cyclone
Trong đó: ξ 12 : hệ số trở lực cục bộ w12 (m/s): tốc độ của dòng khí trong đường ống
12 = 1,128 (kg/m 3 ): khối lượng riêng của không khí sau khi ra khỏi tháp sấy t2 = 40 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
12 = 16,9610 -6 (m 2 /s): độ nhớt động học của không khí sau khi ra khỏi tháp sấy t2 = 40 o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
Diện tích mặt cắt ngang của ống: 𝐹 0 = 𝐹 ′ = 𝜋×𝑑 11 2
Diện tích mặt cắt ngang của cửa vào cyclone: 𝐹 𝑐 = 𝑙 × 𝑏 = 0,42 × 0,182 = 0,07644 (𝑚 2 )
→ ξ được tra theo bảng N o 13 tr387, [8]: ξ 12 = 0,1152
6.3.1.13 Tính trở lực do đột thu từ cyclon ra đường ống thải
Trong đó: ξ 13 : hệ số trở lực cục bộ w13 (m/s): tốc độ của dòng khí trong đường ống
13 = 1,128 (kg/m 3 ): khối lượng riêng của không khí sau khi ra khỏi tháp sấy t2 = 40 o C (tra bảng I.255/tr318,[8])
13= 16,9610 -6 (m 2 /s): độ nhớt động học của không khí sau khi ra khỏi tháp sấy t2@ o C (tra bảng I.255/tr318, [8])
Diện tích mặt cắt ngang của ống: 𝐹 0 = 𝐹 ′ = 𝜋×𝑑 11 2
4 = 0,05 (m 2 ), Diện tích mặt cắt ngang của cửa vào cyclone: 𝐹 𝑐 = 𝑙 × 𝑏 = 0,42 × 0,182 = 0,07644 (𝑚 2 )
→ ξ được tra theo bảng N o 13 tr387[8]: ξ 13 = 0,1152
Vậy tổng trở lực của cả hệ thống là: ∆p = ∑ 14 n=1 ∆p n
6.3.2.1 Quạt đẩy đặt trước calorife
Lưu lượng không khí được đẩy vào calorifer:
Vo (m 3 /kgkkk): là thể tích riêng của không khí ẩm ở nhiệt độ to0 o C
L (kgkkk/h): là lượng tác nhân sấy thực tế Áp suất làm việc toàn phần:
𝜌 (CT II238a/tr463,[8]) Trong đó:
Hp (N/m 2 ): là trở lực của toàn hệ thống
2 = 615,5 t0 = 30 o C: là nhiệt độ làm việc lúc đầu của không khí,
B = 760 mmHg: là áp suất làm tại chỗ làm việc,
61 ρ = 1,185 kg/m 3 : là khối lượng riêng của không khí ở điều kiện tiêu chuẩn ρkk = 1,165 kg/m 3 : là khối lượng riêng của không khí ở t0= 30 o C ,
Thay số vào ta có:
Dựa vào áp suất làm việc và lưu lượng không khí cần thiết cho quạt, chúng tôi đã tham khảo đồ thị đặc tuyến của quạt (tr 485, [8]) và quyết định chọn quạt II.4-70 N 0 10 với hiệu suất khoảng 0,8.
Công suất trên trục động cơ điện:
Trong đó: ƞq = 0,9: là hiệu suất của quạt ƞtr = 0,95: là hiệu suất truyền động qua bánh đai ρkk =1,165 kg/m 3 : là khối lượng riêng của không khí ở t0 = 30 o C
H (N/m 2 ): áp suất làm việc toàn phần
Qd (m 3 /s): lưu lượng của không khí được đẩy vào calorifer
Thay số vào ta được:
Công suất thiết lập của động cơ điện: Nđc = k N (kW) (II.240/tr464[8])
Trong đó: k là hệ số dự trữ công suất
Với N > 5 ta chọn k = 1,1 (Bảng II.48/tr464, [8])
Vậy công suất của động cơ: Nđc = 1,1 44,75 = 49,23 (KW)
6.3.2.2 Quạt hút đặt sau Xyclone
Lưu lượng không khí được đẩy vào quạt hút:
V2 (m 3 /kgkkk): là thể tích riêng của không khí ẩm ở nhiệt độ t2 = 45 o C
L (kgkkk/h): là lượng tác nhân sấy thực tế Áp suất làm việc toàn phần:
𝜌 (CT II238a/tr 463, [8]) Trong đó:
Hp (N/m 2 ): là trở lực của toàn hệ thống
2 = 615,5 t2 = 40 o C: là nhiệt độ làm việc lúc đầu của không khí,
Áp suất làm việc tại chỗ là 760 mmHg, trong khi khối lượng riêng của không khí ở điều kiện tiêu chuẩn là 1,185 kg/m³ Đối với nhiệt độ 40°C, khối lượng riêng của không khí giảm xuống còn 1,128 kg/m³.
Thay số vào ta có:
Dựa vào áp suất làm việc và lưu lượng không khí cần thiết cho quạt, chúng tôi đã tham khảo đồ thị đặc tuyến của quạt (tr 485, [8]) và quyết định chọn quạt II.4-70 N 0 10 với hiệu suất khoảng 0,8.
Công suất trên trục động cơ điện:
Trong đó: ƞq = 0,9: là hiệu suất của quạt, ƞtr = 0,95: là hiệu suất truyền động qua bánh đai ρkk = 1,108 kg/m 3 : là khối lượng riêng của không khí ở t0 = 45 o C
H (N/m 2 ): áp suất làm việc toàn phần
Qd (m 3 /s): lưu lượng của không khí được đẩy vào calorifer g = 9,81m/s 2 : gia tốc trọng trường
Thay số vào ta được:
Công suất thiết lập của động cơ điện: Nđc = k N (kW) (II.240/tr464[8])
Trong đó: k là hệ số dự trữ công suất
Với N > 5 ta chọn k = 1,1 (Bảng II.48 tr464, [8])
Vậy công suất của động cơ: Nđc = 1,1 46,66 = 51.33 (KW)
Tra bảng II,52 tr484, [8] ta có:
Bảng 6 2 Kích thước của quạt II.4-70 N 0 10
Kích thước (mm) Số lỗ Khối lượng (kg)