Thiết kế hệ thống sấy thóc tầng sôi 850 kg giờ

Khối hạt bao gồm nhiều hạt tạo thành do đó ngoài tính chất riêng lẽ của hạt thóc thì khối hạt còn có những tính chất đặc thù riêng. Cụ thể là tính không đồng đều về độ ẩm nhiệt độ, chất lượng hạt thóc như thóc chưa chín đều, thóc lép và tạp chất lẫn vào khi thu hoạch, các tính chất này gây không ít khó khăn trong quá trình sấy do tính không đồng đều khối hạt. 1.3 Sơ lược về quá trình sấy. Sấy tầng sôi 1.3.1 Giới thiệu về quá trình sấy: Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt. Kết quả của quá trình sấy là hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng lên. Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái pha của lỏng trong vật liệu thành hơi. Cơ chế của quá trình : + cấp nhiệt cho bề mặt vật liệu và trong lòng vật liệu. + dòng ẩm từ bề mặt vật liệu tách ra và đi vào môi trường do chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu với áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường. + dòng ẩm di chuyển từ vật liệu ra bề mặt do chênh lệch ẩm trên bề mặt và trong lòng vật liệu.

Hình 1 Cây lúa

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP SẤY 1.1 Sơ lược về thóc (lúa) Tính chất và ứng dụng

Lúa là nguồn lương thực chính của gần một nửa số dân trên thế giới Lúa là loại

cây ưa nóng và ẩm, do đó lúa thường được trồng nhiều ở các vùng có khí hậu ôn

đới và cận nhiệt đới

1.2 Giới thiệu một số đặc tính của khối thóc

Khối hạt bao gồm nhiều hạt tạo thành do đó ngoài tính chất riêng lẽ củahạt thóc thì khối hạt còn có những tính chất đặc thù riêng Cụ thể là tính khôngđồng đều về độ ẩm nhiệt độ, chất lượng hạt thóc như thóc chưa chín đều, thóc lép

và tạp chất lẫn vào khi thu hoạch, các tính chất này gây không ít khó khăn trongquá trình sấy do tính không đồng đều khối hạt

1.3 Sơ lược về quá trình sấy Sấy tầng sôi

1.3.1 Giới thiệu về quá trình sấy:

Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt Kết quảcủa quá trình sấy là hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng lên

Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng tháipha của lỏng trong vật liệu thành hơi Cơ chế của quá trình :

+ cấp nhiệt cho bề mặt vật liệu và trong lòng vật liệu

+ dòng ẩm từ bề mặt vật liệu tách ra và đi vào môi trường do chênh lệch

áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật liệu với áp suất riêng phần củahơi nước trong môi trường

+ dòng ẩm di chuyển từ vật liệu ra bề mặt do chênh lệch ẩm trên bề mặt vàtrong lòng vật liệu

1.3.2 Lý thuyết về tầng sôi:

Thổi một dòng khí qua lớp vật liệu, khi tốc độ dòng khí đạt đến một vậntốc tới hạn nào đó thì khối hạt trở nên linh động và chiều cao lớp hạt linh động vàchế độ sôi bắt đầu

Ờ một tốc độ đủ lớn các hạt rơi vào trạng thái lơ lửng trong dòng khí thổi.Lớp hạt lúc này đang ở chế độ sôi tốt và ổn định nhất Khối hạt lúc này có cáctính chất giống như của chất lỏng, lúc này cường độ trao đổi nhiệt và ẩm giữa vật

PHẦN II SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH 2.1 Sơ đồ quy trình công nghệ:

Hình 2: Sơ đồ quy trình công nghệ hệ thống sấy tầng sôi

2 Calorife 5 Bộ phận nhập liệu 7 Cyclon

3 Lưới phân phối khí ( Ghi )

2.3 Ưu, nhược điểm của thiết bị sấy thóc tầng sôi:

Sấy tầng sôi có những ưu điểm và nhược điểm như sau

2.3.1 Ưu điểm:

+ Năng suất sấy cao

+ Vật liệu sấy khô đều

+ Có thể tiến hành sấy liên tục

+ Hệ thống thiết bị sấy tương đối đơn giản

+ Dễ điều chỉnh nhiệt độ vật liệu ra khỏi buồng sấy

+ Có thể điều chỉnh thời gian sấy

2.3.2 Nhược điểm:

+ Trở lực lớp sôi lớn

+ Tiêu hao nhiều điện năng để thổi khí tạo lớp sôi

+ Yêu cầu cỡ hạt nhỏ và tương đối đồng đều

2.4 Yêu cầu của bài toán thiết kế:

Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi để sấy thóc với năng suất 850 kg nguyênliệu/h Với hệ thống sấy tầng sôi, chủ yếu dùng để sấy thóc đã qua phơi nắng để

cho thóc đạt độ khô cần thiết và khô đều hơn, giúp cho việc bảo quản tốt hơn,phục vụ cho việc xuất khẩu Do đó chọn độ ẩm của thóc trước khi sấy không caolắm, và độ ẩm sau khi sấy thích hợp cho sự bảo quản.

PHẦN III CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Các ký hiệu sử dụng:

G1: năng suất nhập liệu của vật liệu sấy ( kg/h )

G2: năng suất sản phẩm sau khi sấy ( kg/h )

ω1: độ ẩm của vật liệu trước khi sấy ( % )

ω2: độ ẩm của vật liệu sau khi sấy (% )

x0: hàm ẩm của không khí trước khi vào caloripher (kg ẩm /kg kkk )

x1: hàm ẩm của không khí trước khi vào thiết bị sấy (kg ẩm/ kg kkk)

x2: hàm ẩm của không khí sau khi ra khỏi thiết bị sấy (kg ẩm/kg kkk)W: năng suất tách ẩm (kg ẩm/h )

L: lượng không khí khô cần thiết

L: lượng không khí khô cần thiết để tách 1 kg ẩm ra khỏi vật liệu

I0, I1, I2: Enthalpy của không khí ở các trạng thái ban đầu, trước khi vào và

ra thiết bị sấy

3.2 Các thông số ban đầu:

Năng suất : G1= 850 kg/h

Độ ẩm của vật liệu trước khi sấy : w1=22%

Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy : w2= 12%

3.3 Chọn các thông số ban đầu của tác nhân sấy ( không khí ngoài trời ) tại tỉnh thừa thiên huế ( theo số liệu ở bảng VII.1 sổ tay QTTB T.2).

Độ ẩm tương đối của không khí : 0 = 81%.

Áp suất khí quyển : P = 745mmHg = 1,033 at

Nhiệt độ không khí ban đầu : to = 25oC

Nhiệt độ không khí sau khi qua calorife : t1 = 800C

Nhiệt độ không khí sau khi sấy : t2 = 450C

3.4 Chọn các thông số đối với vật liệu sấy(thóc):

Theo giáo trình Kỹ thuật Sấy Nông Sản- Phạm Xuân Vượng, Trần NhưKhuyên ta có các thông số kích thước của thóc:

Diện tích bề mặt riêng khối lượng : f = 1,31 m2/kg

Khối lượng riêng xốp : v = 500 Kg/m3

3.4.3 Trạng thái ban đầu:

Độ ẩm: ω1=22%, độ ẩm ban đầu thóc mới thu hoạch về

Nhiệt độ: 1=250C bằng với nhiệt độ trung bình của môi trường

3.4.4 Trạng thái sau khi sấy:

Độ ẩm: ω2=12%, là độ ẩm thích hợp để bảo quản thóc

Nhiệt độ:  2=450C, chọn nhiệt độ ra của thóc nhỏ hơn nhiệt độ ra củakhông khí là 50C

3.5 Tính toán các thông số của tác nhân sấy

3.5.1 Các thông số của tác nhân sấy ban đầu:

Hàm ẩm tác nhân sấy ban đầu: x 0

= 65,602 (kJ/kgkkk)

3.5.2 Tính toán các thông số của tác nhân sấy sau khi ra khỏi calorife, trước khi vào buồng sấy:

Hàm ẩm của tác nhân sấy trước khi vào buồng sấy: x 1

Sau khi đi vào calorife hàm ẩm của không khí không đổi so với hàm ẩmcủa không khí ban đầu nên x0 = x1= 0,0161 kg ẩm/ kg KKK

t1=800C  Pbh1=0,483 at

1 1

1

*

kq bh

Hàm ẩm của tác nhân sấy sau khi sấy: x 2

Theo sấy lý thuyết thì I2 = I1 =122,675 (k J/kgkkk )

Với: I2 = t2 + (2493+ 1,97*t2)x2

)

*97,12493

2 2 2

t

t I

P x

3.5.4 Tính nhiệt độ điểm sương:

Ở nhiệt độ điểm sương ta có  = 1

x2 =

bh

bh P P

P

*

P bh



0268 , 0 622 , 0

0125 , 1

* 0268 , 0

Xác định các thông số tính toán trung bình cho không khí :

1,5( / )2,76*10

4.2 Tốc độ của tác nhân trong tầng sôi :

Chọn độ xốp của lúa trong tầng sôi là:  = 0,7

Chuẩn số Arsimet:

Ar = 6,09*105Chuẩn số Ly được tra từ đồ thị Ly = f(Ar), ta có :

80 45

2

t 

 

Ly = 210Vận tốc của tác nhân sấy được tính theo công thức:

6 3

3 (2 ) 210*20,16*10 *9,81*(1150 1,052)2

3,5( / )(1,052)

II.116-Hệ số giả lỏng của lúa trong tầng sôi:

8,58( / )(1,052)

II.116-PHẦN V TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO QUÁ TRÌNH

Nhiệt lượng mang vào máy sấy:

Nhiệt lượng do không khí mang vào: LI0

Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: G2Cvl1 + CnW1Nhiệt lượng do caloripher cung cấp: Qc

Nhiệt lượng mang ra khỏi máy sấy:

Không khí thải mang ra: LI2

Vật liệu sấy mang ra: G2Cvl  2

Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Đối với quá trình sấy thực: lúc này giá trị Δ khác 0

Nhiệt lượng hữu ích cần bốc hơi một kg ẩm:

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh :

Xác định sơ bộ diện tích và chiều cao lớp vật liệu sấy Diện tích ghi FG vàchiều cao vật liệu sấy H sẽ được xác định lại khi tính được lượng tác nhân sấythực tế

2

1,5* 1,5*6949,046

0,7869( )3600* * 3600*3,5*1,052

o G

F=FG+πDHDHb=0,786+3,14*1,0006*1=3,928(m2)

( kcal/m2h0C) : hệ số truyền nhiệt

: tổng nhiệt trở của máy sấy



là hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến bề mặt trong phòng sấy.

Re > 104 nên tính theo chế độ chảy xoáy

Chuẩn số Nuxen đối với chất khí :

0,8 1

Mà

( CT I.36- [5])

Với  là hệ số dẫn nhiệt ở 62,50C của không khí

:hệ số dẫn nhiệt của khí ở 00C(W/m độ)

T: nhiệt độ tuyệt đối của không khí (0K)

C: hằng số phụ thuộc vào loại khí Tra bảng I.122, sổ tay QTTB tập I tađược c=122, λ0=0,0201

1 5

Chọn nhiệt độ thành ngoài của máy sấy là t3=350C là nhiệt độ thích hợp để TNStruyền qua thùng và lớp cách nhiệt phía ngoài thùng sao cho không còn quánóng, an toàn cho người lao động

 ''

2



Bảng 2: Thông số kỹ thuật của các lớp vật liệu của thùng sấy

chọn (m)

nhiệt (W/mK)

Bảng 3: Thông số của không khí bên ngoài thùng sấy ở nhiệt độ 25 0 C

Tại nhiệt độ t0=250C ta có các thông số bên ngoài thùng sấy:

T T

Tct: nhiệt độ tuyệt đối của thành máy sấy (0K), Tct=T3

T2: nhiệt độ tuyệt đối của môi trường (0K), Tcp=T0

C0=0,57 hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối không phụ thuộc vào nhiệt độcủa nó , {V.128, [3]}

Đối với bức xạ giữa khí và bề mặt vật thể, do bề mặt của khí lớn hơn bềmặt vật thể nên độ đen của hệ xem như bằng độ đen của vật thể: ε1=0,8-1.chọnε=0,9

Nên hệ số truyền nhiệt K:

D D

Bề mặt truyền nhiệt máy sấy bao gồm diện tích xung quanh và diện tíchcủa đáy phẳng và mái hình nón ( chọn đường kính bằng đường kính trung bìnhcủa thiết bị và chiều cao h=0,5m) của thiết bị , sẽ được tính lại ở các phần sau):

2 2

m

t t

lnln

20

m tb

m

t t

* * 5,565*5,089*34,599

10,144( / )96,591

Cpk=1,006 (kJ/kgkkk): nhiệt dung riêng của không khí

Cpa=1,842 (KJ/Kgkkk): nhiệt dung riêng của hơi nước

Lượng chứa ẩm I của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực:

= 402,626 KJ/h

 q= W Q

= 4168,358 J/ Kg.h

PHẦN VI THỜI GIAN SẤY

Thời gian sấy là thời gian mà lớp vật liệu ẩm đang có trên ghi được truyềnnhiệt để làm bay lượng ẩm để vật liệu đạt được độ ẩm cần thiết

Thời gian sấy trung bình được tính theo công thức:





) (

6

) '.(

.





( CT 12.32- [2])Với t là độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và vật liệu:

)ln(

)(

)

(

2 2

1 1

2 2 1

111,3726*20,850*59, 216

F

G



Với FG là diện tích của ghi lò :

2

1,5* 1,5*7208,284

0,818( )3600* * 3600*3,5*1,052

o g

Ta thấy sai số là 1,393% <5% là sai số chấp nhận được

Vậy chọn chiều cao ban đầu của lớp hạt nằm trên ghi là H0=0,12 mThời gian sấy trung bình là:

111,372 0,5( ) 0,5(850 753,040)

PHẦN VII TÍNH CƠ KHÍ CHO THIẾT BỊ SẤY

7.1 Tính chiều cao buồng sấy:

Chiều cao buồng sấy:

Chọn  =0,7

1 0,560,12* 0,176( )

1 0,7



Hpl là chiều cao buồng phân ly

Chiều cao này có thể xác định theo công thức thực nghiệm

35 , 0 25 , 0 65

,

0 ( ) ( )

p e

pl

v

v F

7.2 Đường kính buồng phân ly :

Buồng phân ly phải có đường kính lớn hơn đường kính vùng tầng sôi đểđảm bảo việc phân ly được tốt Khả năng phân ly phụ thuộc khá nhiều vào đườngkính buồng phân ly

Chọn :

1,350( )3,14

pl pl

2

1,3* 1,3*0,818 1,063( )

Với t là khoảng cách giữa hai lỗ lưới hay còn gọi là bước lỗ.

Diện tích hình vuông trên là : t2

Ta giả sử diện tích đường tròn chỉ bằng 20% diện tích của hình vuông



4

.

) 10 5 ,

7.3.2 Tính bề dày cho lưới :

Khối lượng vật liệu nằm trên lưới là :

7.3.4 Bề dày thiết bị sấy :

Do buồng sấy làm việc với nhiệt độ sấy là t=600C nên áp suất trong thiết

bị sấy rất nhỏ có thể bỏ qua Ta coi quá trình làm việc ở áp suất thường bằng với

áp suất khí quyển

 chọn vật liệu làm thiết bị sấy là thép CT3

Đường kính buồng sấy là D= 1,1 m. Chọn bề dày thiết bị sấy bằng bề dàylưới phân phôi  bề dày thiết bị sấy là s=3mm

 bề dày nắp và đáy thiết bị cũng được làm bằng thép CT3 và có bề dày bằng bềdày thân thiết: s=3 mm

Kiểm tra bền :

Thân thiết bị sấy có đường kính là 1,1 m ; chiều cao H=1,30m ; bề dàys=3mm

Thân chịu tác dụng của lực nén chiều trục :

Độ ổn định của thân được đảm bảo :

D

C S E K C

S

D

c a





) (

2 3

Vậy thỏa mãn điều kiện bền

Ta chọn thiết bị sấy làm bằng thép CT 3 có chiều cao là H=1,300 m, đường kính D=1,1 m, bề dày là s=3mm.

7.4 Đáy và nắp thiết bị :

7.4.1 Nắp thiết bị :

Ở đây ta chọn nắp hình nón không có gờ, góc đáy bằng 900C, đường kínhbằng 1,35m Chọn đường kính ống dẫn khí ra khỏi buồng sấy d=400 mm, khi đóchiều cao của nắp là H=500mm, chiều dày của nắp lấy bằng chiều dày của thiết

bị s=3mm

7.4.2 Đáy thiết bị :

Để tránh hiện tượng không khí thổi cục bộ khi đi qua lưới, ta chọn đáy chỉ

là một hình trụ có đường kính bằng với đường kính lưới Ống dẫn khí đi vàođược đặt ở bên cạnh Chiều cao của đáy lấy bằng 0,6 m

Chiều dày của đáy có thể lấy bằng chiều dày thân thiết bị, bằng 2mm.Vậy tổng chiều cao thiết bị sấy là H=1,296+0,5+0,5=2,296m= 2400 mm

7.5 Chọn bích:

Trong thiết bị chính có hai bích để gắn đáy và nắp thiết bị Ta chọn bíchdựa theo đường kính thiết bị Ở đây ta sử dụng bích liền bằng thép CT3 để gắnnắp và đáy vào thân

Dựa vào bảng XIII 27 sổ tay QTTB tập 2 ta có các thông số, kích thướccủa bích như sau:

* *

a t

c a

n D

Q  47 2   (T/h)

Trong đó:

D: đường kính ngoài của cánh vít,m

N: số vòng quay của trục vít, v/ph Số vòng quay lớn nhất của trục vít cóthể xác định theo công thức thực nghiệm:

n 112 , 5 /

16 , 0

 : hệ số chứa đầy, đối với thóc ta chọn bằng 0,38

C: hệ số tính đến việc giảm năng suất khi vít tải đặt nghiêng Trong trường hợpnày do vít tải nằm ngang nên C=1

Vậy năng suất của vít tải là:

C

Trong đó :

Q: năng suất của vít tải, T/h

C0: hệ số trở lực được xác định bằng thực nghiệm Đối với thóc ta chọn bằng 1,2[bảng 5.12/239 cơ học vật liệu rời]

L: chiều dài vít tải, chọn L=1,5 m

 : hiệu suất truyền động của động cơ, chọn bằng 0,9

PHẦN VIII TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 8.1 Cloripher:

Ở đây ta sử dụng cloripher khí- hơi Trong bài đồ án này ta sử dụng hơinước bão hòa để gia nhiệt không khí Để cho nhiệt độ của không khí được ổnđịnh khi vào buồng sấy, ta có thể tiến hành gia nhiệt không khí một cách giántiếp; tức là dùng dầu FO để đốt lò hơi tạo ra hơi nước bão hòa ở 2 at (1190C ), sau

đó đưa lượng hơi nước bão hòa này qua thiết bị trao đổi nhiệt với không khí Ưuđiểm của phương pháp này là không khí ra khỏi caloripher không có bụi bẩn, bồ

hóng, thóc sau khi sấy sẽ không bị đen, bẩn, thuận lợi cho việc xuất khẩu Ngoài

ra nhiệt độ của không khí ổn định sẽ giúp cho quá trình sấy ổn định

Như vậy ở đây ta sử dụng caloripher khí- hơi Ta chọn caloripher là thiết bịtrao đổi nhiệt dạng ống chùm, tác nhân đun nóng là hơi nước bão hòa ở nhiệt độ119,60C áp suất 4 atm Hơi nước bão hòa đi trong ống, còn không khí đi ngoài ống

Hình 3: Sơ đồ biến đổi nhiệt độ của hơi nước và không khí:

Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình:

min max

min max

ln

t t

t t

ln39

tb là nhiệt độ của hơi nước bão hòa

Nhiệt lượng mà Caloripher cần cung cấp cho tác nhân sấy :

Q=L(I1 – I0)

= 7208,284(121,456-65,600) = 402,626 KJ/h

Chọn hiệu suất của caloripher là 0,85

Vậy nhiệt lượng cung cấp có thể kể đến hiệu suất caloripher là :

Q=473,678 KJ/h

Chọn ống có đường kính : dn/dt= 38/36 mm

Chiều dài ống 2 m

119,60C

800C

119,60C

250C

8.1.1 Hệ số cấp nhiệt phía không khí :

Các thông số ở nhiệt độ trung bình ở 52,50C ( bảng I.255- [5])



8.1.2 Hệ số cấp nhiệt của hơi nước:

Hơi ngưng tụ trên ống thẳng đứng được tính gần đúng theo công thức:

0,251,13* *

*

n

r A

   



  ( CT V.101- [6])Trong đó:

r là ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa, tra bảng I 251 sổ tay QTTB T.1, ta cór=2208 KJ/Kg

t: hiệu số nhiệt độ nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước ở áp suất 2at và nhiệt độ ởmặt ngoài của ống, chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì ứng suất càng tăng và có thểlàm hỏng thiết bị Chọn nhiệt độ ở bên ngoài ống gần bằng với nhiệt độ của chấttải nhiệt phía ngoài ống tw = 1170C

Δt=tngưng – tw =119,6-117 =2,60C

H: chiều cao của ống chùm, H=2 m

r n r

Tra trong bảng VII sổ tay tập2, ta có:

Số ống trên đường chéo xuyên tâm: 17

A :số ống trên một cạnh của hình sáu cạnh ngoài cùng.

Chọn D=0,9 m

8.2 Cyclon:

Trong hệ thống sấy thường phải có thiết bị cyclon đi kèm để tách bụi rakhỏi tác nhân sấy trước khi thải ra môi trường hoặc để thu hồi sản phẩm bị lôicuốn theo Cyclon hoạt động theo nguyên lý ly tâm Cấu tạo và kích thước của nóđược biểu diễn trên hình vẽ sau:

Lưu lượng không khí đi qua cyclon:

Để vận chuyển TNS trong HTS thường dùng quạt ly tâm hoặc quạt hướngtrục Chọn loại quạt nào số hiệu bao nhiêu phụ thuộc vào đặc trưng của HTS, trởlực mà quạt phải khắc phục Δp, năng suất mà quạt cần tải đi V cũng như nhiệt độ

và độ ẩm của TNS Khi chọn quạt, giá trị cần xác định là hiệu suất của quạt

8.3.1 Các trở lực mà quạt phải khắc phục:

Trở lực qua Caloripher P C

Trở lực qua Cyclon P x

Trở lực qua buồng sấy

Trở lực do áp lực động ở đầu ra của quạt