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.
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 Bảng 1: Thành phần hóa học của hạt lúa Thành phần Hàm lượng các chất (% ) hóa học Hình 1 Cây Nhỏ nhất lúa Protein 6.66 Lớn nhất 10.43 Trung bình 8.74 Tinh bột 47.70 68.00 56.20 Xenluloze 8.74 12.22 9.41 Tro 4.68 6.90 5.80 Đường 0.10 4.50 3.20 Chất béo 1.60 2.50 1.90 0.80 3.20 1.30 Destrin Ở Việt Nam, lúa gạo là nguồn lương thực chính không thể thiếu trong đời sống con người Lúa còn là nguyên liệu được sử dụng nhiều trong các ngành công 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 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 1.3.2 Lý thuyết về tầng sôi: Thổi một dòng khí qua lớp vật liệu, khi tốc độ dòng khí đạt đến một vận tốc tới hạn nào đó thì khối hạt trở nên linh động và chiều cao lớp hạt linh động và chế 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 các tính 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 1 Quạt 4 Buồng sấy 6 Cửa tháo liệu 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 nguyên liệu/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 cao lắm, 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 : ϕ0 = 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 Như Khuyên ta có các thông số kích thước của thóc: 3.4.1 Các kích thước của thóc: Dài : l=8,5mm Rộng : a=3,4mm Dày : b=2 mm Đường kính tương đương : d=2,76mm Hệ số hình dạng : ϕhd = 1,68 3.4.2 Các thông số khác: Nhiệt dung riêng : C=1,5 KJ/Kg Hệ số dẫn nhiệt : λ = 0,09 W/mK Khối lượng riêng rắn : ρr = 1150 Kg/m3 Độ xốp : ε = 0,56 Diện tích bề mặt riêng khối lượng : f = 1,31 m2/kg Khối lượng riêng xốp : ρv = 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: θ 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: θ 2 =450C, chọn nhiệt độ ra của thóc nhỏ hơn nhiệt độ ra của không 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: x0 x0 = 0.622 * ϕ0 ∗ Pbh 0 Pkq − ϕ0 ∗ Pbh 0 ( CTVII.11-[6]) Với: ϕ0 = 81% Pkq= 1atm= 1,003 at to = 25oC => Pbh0 = 0,0323 ( at ) ⇒ x0 = 0, 622 * ( Bảng I.259- [6] ) 0, 81* 0, 0323 1, 033 −0, 0323* 0,81 = 0,0161 kg ẩm/ kg KKK Nhiệt lượng riêng của tác nhân sấy ban đầu: I0 I0 = to + (2493 + 1,97*to)* x0 ( CT VII.14- [6 ]) = 25 + (2493+ 1,97*25)*0,0161 = 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: x1 Sau khi đi vào calorife hàm ẩm của không khí không đổi so với hàm ẩm của không khí ban đầu nên x0 = x1= 0,0161 kg ẩm/ kg KKK t1=800C → Pbh1=0,483 x1 = 0, 622 * →ϕ = 1 = = at ϕ1 * P bh P −ϕ P kq 1 bh x1 * P kq P 1 (0, 622 + x) bh 0, 0161*1, 033 0, 483*(0, 622 + 0, 0161) 5,360 % I1 = t1 + (2493+1,97*t1)*x1 = 80 + (2493 +1,97* 80)*0,0161 =122,675 KJ/ kg KKK 3.5.3 Tính toán các thông số của tác nhân sấy sau khi ra khỏi buồng sấy: Hàm ẩm của tác nhân sấy sau khi sấy: x2 Theo sấy lý thuyết thì I2 = I1 =122,675 (k J/kgkkk ) Với: I2 = t2 + (2493+ 1,97*t2)x2 ⇒x 2 = I 2 −t 2 ( 2493 +1,97 * t 2 ) 122, 675 − 45 = 0, 03( kgam / kgkkk ) 2493 + 1, 97 * 45 = Độ ẩm của tác nhân sấy sau khi sấy: ϕ 2 t2 = 450C => Pbh2 = 0,0997( at ) x2 * P (0,622 +x2 ) * P 2 bh ϕ= 2 ϕ2 = 0, 03*1, 033 = 0, 487 0, 0977 *(0, 622 + 0, 03) Vậy độ ẩm không khí sau khi sấy ϕ2 = 48,7 % 3.5.4 Tính nhiệt độ điểm sương: Ở nhiệt độ điểm sương ta có ϕ = 1 x2 = 0,622 * ϕ* Pbh P − * Pbh ϕ => Pbh = x2 * P 0,622 + x 2 Với: P = 745 mmHg = 1,033 at x2 = 0,0268 ( kg/kgkkk ) => Pbh = x2 * P 0,0268 *1,0125 = = 0,042 ( at ) 0,622 + x2 0,622 + 0,0268 Tra bảng I.250 trang 312 sổ tay quá trình và thiết bị tập 1, ta có nhiệt độ điểm sương ( tại Pbh= 0,042 ) ts = 290C Do đó ∆t = tvl2 - ts = 45 – 29 = 160C nên các thông số về tác nhân sấy đã chọn có thể chấp nhận được 3.5.5 Tính cân bằng vật liệu và ẩm: Phương trình cân bằng vật liệu chung: G1 = G 2 + W (CT 7.21- [1]) Năng suất nhập liệu: G1 = 850 Kg/h Năng suất tách ẩm: W = G1 * = 850* W1 − W2 100 − W2 (CT 7.26- [1]) 22 − 12 100 − 12 =96,591 ( Kg/h ) Năng suất sản phẩm: G2 = G1 – W = 850-96,591 =753,409 ( kg/h ) Lượng vật liệu khô tuyệt đối tách ra trong 1h: Gk = G2 * ( 1- ω 2 ) ( CT 7.22-[1 ]) = 753,409*(1- 0,12 ) = 663 kg/h Lượng không khí khô cần thiết để tách 1 kg ẩm: l= 1 1 = = 71,942kgKKK / kgam x2 − x1 0, 03 − 0, 0161 ( CT 7.30- [1]) Lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy: L= l* W = 71,942*96,591 ( CT 7.30-[1]) = 6949,046 ( kgKKK/h ) PHẦN IV TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO QUÁ TRÌNH SẤY Xác định các thông số tính toán trung bình cho không khí : t1=800C ; t2=450C →t= 80 + 45 =62,50C 2 Tra bảng I.255 trang 318 sổ tay QTTB Tập 1, ta có các thông số ở nhiệt độ t = 62,50C ρk= 1,052 Kg/m3 Khối lượng riêng : Độ nhớt động học : νk= 19,23*10-6 m2/s Độ nhớt động lực học : µk= 20,16*10-6 Ns/m2 Hệ số dẫn nhiệt : λk= 2,918*10-2 W/m0K = 10,5*10-2 KJ/mh0K 4.1 Xác định tốc độ tới hạn: Chuẩn số Arsimet: Ar = = d 3 ( ρ r − ρk ) g vk ρk ( CT II.105- [5]) (2, 76*10 −3 ) 3 *(1150 − 1, 052)*9,81 = 6, 09*105 −6 2 (19, 23*10 ) *1.052 Chuẩn số Renold tới hạn: Ar Reth = 150* 1− ε 1, 75 + * Ar 3 ε ε3 ( CT II.130a- [5]) =214,504 với ε0=0,56 Tốc độ tới hạn: vth = Reth * vk 214,5*19, 23*10−6 = = 1,5(m / s) dtd 2, 76*10−3 ( CT II.151- [5]) 4.2 Tốc độ của tác nhân trong tầng sôi : Chọn độ xốp của lúa trong tầng sôi là: ε = 0,7 Chuẩn số Arsimet: Ar = 6,09*105 Chuẩn số Ly được tra từ đồ thị Ly = f(Ar), ta có : Ly = 210 Vận tốc của tác nhân sấy được tính theo công thức: Ly µ k g ( ρ r − ρ k ) 210*20,16*10− 6 *9,81*(1150 − 1,052) 3 vk = 3 = = 3,5(m / s) ρ 2k (1,052) 2 ( CT II.116- [5]) Hệ số giả lỏng của lúa trong tầng sôi: K= vk 3,5 = = 2,333 vth 1,5 ( CT II.138- [5]) Vì nhiệt độ trong buồng sấy nhỏ hơn nhiệt độ trên bề mặt lưới phân phối nên vận tốc của tác nhân sấy ở trên bề mặt lưới phân phối là: v1 = vk 237 + t1 237 + 80 = 3,5 = 3, 68( m / s) 237 + t 237 + 62, 5 Tốc độ thực qua lớp giả lỏng: v kt = vk 3,5 = = 5 m/s ε 0,7 4.3 Tốc độ cân bằng: Khi vật liệu bắt đầu bị lôi cuốn: ε = 1 Chuẩn số Reynold: Re = Ar 6, 09 *105 = = 1232, 7 18 + 0, 61 Ar 18 + 0, 61 6, 09*105 Chuẩn số Liasenco: Ly = Re3 1232, 73 = = 3075,8 Ar 6, 09*105 , { II.85, [2]} Vận tốc cân bằng của lúa: ( CT II.103- [5] ) sau đó đưa lượng hơi nước bão hòa này qua thiết bị trao đổi nhiệt với không khí Ưu điểm 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 bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, tác nhân đun nóng là hơi nước bão hòa ở nhiệt độ 119,60C áp suất 4 atm Hơi nước bão hòa đi trong ống, còn không khí đi ngoài ống 119,60 C 800C 119,60 C 250C Hình 3: Sơ đồ biến đổi nhiệt độ của hơi nước và không khí: Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình: ∆t tb = Với : ∆t max − ∆t min ∆t ln max ∆t min , { 17.25 [1]} ∆tmax = tb-t0 = 119-25 =940C ∆tmin = tb-t1 = 119-80= 390C ⇒ ∆tb = 94 − 39 = 62,5190 C 94 ln 39 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 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]) ν =18,20*10-6 m2/s λ =2,85*10-2 W/m0K Chọn vận tốc khí đi trong thiết bị là : w=15m/s Chuẩn số Renold: Re = w * dn = 3,132*104 v Chuẩn số Nu đối với chùm ống xếp hàng có tấm chắn: Nu = 0, 37 * εϕ * Re 0,6 ( CT V.51- [6]) ε ϕ =0,6 : hệ số tính tới ảnh hưởng của góc tới, lấy bằng 0,6 vì là caloripher có vách ngăn Nu=185,625 Hệ số cấp nhiệt αkk: α kk = Nu * λ = 139, 219(W / m 20 K ) dn 8.1.2 Hệ số cấp nhiệt của hơi nước: Hơi ngưng tụ trên ống thẳng đứng được tính gần đúng theo công thức: r α n = 1,13* A * H * ∆t 0,25 ( 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 có r=2208 KJ/Kg ∆ t: hiệu số nhiệt độ nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước ở áp suất 2at và nhiệt độ ở mặt ngoài của ống, chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì ứng suất càng tăng và có thể làm hỏng thiết bị Chọn nhiệt độ ở bên ngoài ống gần bằng với nhiệt độ của chất tải nhiệt phía ngoài ống tw = 1170C Δt=tngưng – tw =119,6-117 =2,60C H: chiều cao của ống chùm, H=2 m λ3 × ρ 2 A= µ 0 , 25 , trị số A phụ thuộc vào nhiệt độ và tra được trong bảng trang 29 sổ tay QTTB T.2 A=188 W/m2độ ⇒ α = 5422,945 W/m2độ 8.1.3 Bề mặt truyền nhiệt: Hệ số truyền nhiệt tổng quát: K= 1 + rcaukk α kk 1 1 δ + + rcaunc + αn λthep Nhiệt trở của cáu tra theo bảng 1 rcaukk 1 rcaunc =2800 W/m2độ =2900 W/m2độ Chọn vật liệu chế tạo là thép CT3 có hệ số dẫn nhiệt là λthép= 50 W/m.độ K= 1 = 135,300(W / m 20 K ) 1 1 1 1 0,002 + + + + 139, 219 2800 5422, 495 2900 50 Bề mặt truyền nhiệt: F= Q = 55,998m 2 K * ∆ tlog ( CT 17.23- [2]) Số ống cần thiết: n= F = 241 π * dtb * H Sắp xếp ống theo hình sáu cạnh, tổng số ống: 241 Tra trong bảng VII sổ tay tập2, ta có: Số ống trên đường chéo xuyên tâm: 17 Bước ống t = 1,2d = 0,046 m ( trang 49-[6] ) Đường kính thiết bị: D=t(b-1)+4d ( CT V.140 -[6] ) Trong đó: b=2a-1 ( CT V.139-[6]) D =0,046*(21-1)+4*0,038=0,89m 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 ra khỏi tác nhân sấy trước khi thải ra môi trường hoặc để thu hồi sản phẩm bị lôi cuốn theo Cyclon hoạt động theo nguyên lý ly tâm Cấu tạo và kích thước của nó được biểu diễn trên hình vẽ sau: h3 D1 p D h1 h2 b Để tìm kích thước của cyclon ta dựa vào bảng quan hệ giữa lưu lượng thể tích tác nhân (m3/h) và kích thước cyclon cho dưới dạng bảng 17-3 ( tính toán và thiết kế hệ thống sấy-Trần Văn Phú ) Lưu lượng không khí đi qua cyclon: Vkk = L ρkk = 7208, 284 = 6851,981( m3 / h) 1, 052 Khi thiết kế cyclon có thể chọn theo bảng 17-3, ta được cyclon có các kích thước cơ bản như sau: D = 0,8 m d = 0,16 m a = 0,2 m b = 0,4 m h1 = 0,23 m h2= 0,366 m h3 = 0,64 m D1=0,4 m 8.3 Tính quạt: Để vận chuyển TNS trong HTS thường dùng quạt ly tâm hoặc quạt hướng trục Chọn loại quạt nào số hiệu bao nhiêu phụ thuộc vào đặc trưng của HTS, trở lực 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 đường ống ∑∆Pδ Trở lực qua Caloripher ∆PC Trở lực qua Cyclon ∆Px Trở lực qua buồng sấy Trở lực do áp lực động ở đầu ra của quạt 8.3.1.1 Trở lực qua đường ống: a Đường ống từ quạt tới caloripher: Chọn ống có d=0,4 m chiều dài l=1m Lưu lượng không khí: Qkk = 6851,981 m3/h = 1,903 m3/s Vận tốc khí chạy trong ống là: vk = → Re = Vkk 1,903 = = 15,151(m / s ) π * d 2 / 4 3,14*(0, 4) 2 / 4 vk * d 15,151*0, 4 = = 4 *105 −6 v 15,138*10 Dòng chảy ở chế độ rối Re giới hạn trên: 8/7 Re gh d = 6 td ε ( CT II.60- [5]) ε là độ nhám tuyệt đối, chọn ε=0,08 mm ( bảng II.15- [5]) Regh=1,013*105 Chuẩn số Re khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám : Re n = 220*( dtd 9/8 ) = 3,190*106 ε ( CT II.62 -[5]) Ta thấy Regh