Đồ tốt nghiệp kỹ thuật sấy

Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng rất nhiều trong thực tế sản xuất và đời sống. Trong công nghiệp và đời sống, kỹ thuật sấy đóng một vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất. Sản phẩm sau quá trình sấy có độ ẩm thích hợp, thuận tiện cho bảo quản, vận chuyển và chế biến. Trong học kì này, dưới sự hướng dẫn của thầy Vũ Hồng Thái – Bộ môn Máy và thiết bị hóa chất em thực hiện đồ án môn học với đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống sấy thùng quay”. Đồ án thiết kế hệ thống sấy thùng quay với phương thức ngược chiều, vật liệu sấy canxi cacbonat, đây là vật liệu được sử dụng rất nhiều trong đời sống và công nghiệp. Ưu điểm của hệ thống thiết bị sấy thùng quay là quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy, cường độ bay hơi ẩm cao. Tuy nhiên do vật liệu bị đảo trộn nhiều có thể bị vỡ vụn tạo bụi. Đây chính là nhược điểm của hệ thống sấy thùng quay song so với các hệ thống sấy khác thì nhược điểm này là không đáng kể. Do đó hệ thống sấy thùng quay được sử dụng rất nhiều trong quá trình sấy các vật liệu trong công nghiệp. Dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Vũ Hồng Thái và kết hợp những kiến thức hiện có em tiến hành thực hiện đồ án môn học với nội dung gồm các chương sau: Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật sấy. Chương 2: Tính toán công nghệ thiết bị sấy. Chương 3: Tính cơ khí thiết bị sấy. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do trình độ còn hạn chế và thiếu kinh nghiệm thực tế nên đồ án chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em mong nhận được sự giúp đỡ, góp ý từ các thầy cô để bản đồ án của em được hoàn chỉnh. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo Vũ Hồng Thái và các thầy cô giáo trong Bộ môn Máy và thiết bị công nghiệp hóa chất đã giúp em hoàn thiện đồ án.

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

……….………

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

Hình 1.1 Đường cong sấy………13

Hình 1.2 Đường cong tốc độ sấy……….13

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bằng khói lò……… 17

Hình 1.4 Cấu tạo bên trong máy sấy thùng quay……….22

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống sấy thùng quay……….23

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý sử dụng khói lò làm tác nhân sấy trong thiết bị sấy đối lưu… 29

Hình 2.2 Biểu đồ tính toán hệ số truyền nhiệt……….35

Hình 2.3 Đồ thị I – d biểu diễn quá trình sấy……… 43

Hình 3.1 Biểu đồ Momen lực tác dụng lên thân thùng sấy……….56

Hình 3.2 Sơ đồ lực tác dụng lên con lăn và vành đai……… 61

Hình 3.3 Sơ đồ lực tác dụng lên con lăn chặn……….………64

Hình 3.4 Kí hiệu kích thước cánh đảo trộn……….67

DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1 Bảng thành phần các nguyên tố trong nhiên liệu……….29

Bảng 2.2 Bảng hất liệu các lớp của thùng quay……… ……… 35

Bảng 2.3 Bảng tính cân bằng nhiệt……… 45

DANH SÁCH KÝ HIỆU

Ký

G1 Lượng vật liệu ẩm vào thiết bị sấy kg/h

G2 Lượng vật liệu ra khỏi thiết bị sấy kg/h

Dt Đường kính trong của thùng sấy m

A Cường độ bay hơi ẩm của vật liệu sấy kg/m3.h1

to Nhiệt độ không khí bên ngoài thùng sấy oC

t1 Nhiệt độ tác nhân sấy vào thiết bị sấy oC

t2 Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi thiết bị sấy oC

β Hệ số chứa vật liệu của thùng

Qt Nhiệt trị thấp của nhiên liệu kJ/kg nl

Qc Nhiệt trị cao của nhiên liệu kJ/kg nl

Lo Lượng không khí khô lý thuyết để đốt cháy một kg nhiên liệu kg kkk/kg nl

L Lượng không khí khô thực tế để đốt cháy hết một kg nhiên liệu kg kkk/kg nlbđ

α Hệ số không khí thừa của buồng đốt

do Lượng chứa ẩm của không khí ứng với nhiệt độ to, kg ẩm/kg kkkPbo Áp suất bão hòa của hơi nước ứng với nhiệt độ to atm

Cnl Nhiệt dung riêng của nhiên liệu kJ/kg.độCpk Nhiệt dung riêng của khói khô kJ/kg.độd1 Lượng chứa ẩm của khói lò sau buồng hòa trộn kg ẩm/ kg kkI1 Entanpy của khó lò sau buồng hòa trộn kJ/kg kkd2 Lượng chứa ẩm sau quá trình sấy lý thuyết kg ẩm/kg kkk

I2 Entanpy của khói lò sau quá trình sấy lý thuyết kJ/kg kkV1 Lưu lượng tác nhân sấy trước quá trình sấy lý thuyết m3/h

V2 Lưu lượng tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết m3/h

Vtb Lưu lượng trung bình của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý

α Hệ số cấp nhiệt từ thành ngoài thiết bị sấy ra môi trường W/m2.độ

∆ Nhiệt lượng bổ sung thực tế kJ/kg ẩm

Qv Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi kJ/h

Qmt Tổn thất nhiệt ra môi trường kJ/h

I Entanpy của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực tế kJ/ kg kk

b Lượng nhiên liệu tiêu hao để bốc hơi một kg ẩm kg nl/kg ẩm

LỜI NÓI ĐẦU

Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng rất nhiều trong thực tế sản xuất và đời sống Trong công nghiệp và đời sống, kỹ thuật sấy đóng một vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất Sản phẩm sau quá trình sấy có độ ẩm thích hợp, thuận tiện cho bảo quản, vận chuyển và chế biến

Trong học kì này, dưới sự hướng dẫn của thầy Vũ Hồng Thái – Bộ môn Máy và thiết bị hóa chất em thực hiện đồ án môn học với đề tài “Tính toán thiết kế hệ thống sấy thùng quay” Đồ án thiết kế hệ thống sấy thùng quay với phương thức ngược chiều, vật liệu sấy canxi cacbonat, đây là vật liệu được sử dụng rất nhiều trong đời sống và công nghiệp Ưu điểm của hệ thống thiết bị sấy thùng quay là quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy, cường độ bay hơi ẩm cao Tuy nhiên do vật liệu bị đảo trộn nhiều có thể bị vỡ vụn tạo bụi Đây chính là nhược điểm của hệ thống sấy thùng quay song so với các hệ thống sấy khác thì nhược điểm này là không đáng kể Do đó hệ thống sấy thùng quay được sử dụng rất nhiều trong quá trình sấy các vật liệu trong công nghiệp

Dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Vũ Hồng Thái và kết hợp những kiến thức hiện có em tiến hành thực hiện đồ án môn học với nội dung gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật sấy

Chương 2: Tính toán công nghệ thiết bị sấy

Chương 3: Tính cơ khí thiết bị sấy

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do trình độ còn hạn chế và thiếu kinh nghiệm thực tế nên đồ án chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em mong nhận được sự giúp đỡ, góp ý

từ các thầy cô để bản đồ án của em được hoàn chỉnh

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo Vũ Hồng Thái và các thầy cô giáo trong Bộ môn Máy và thiết bị công nghiệp hóa chất đã giúp em hoàn thiện đồ án

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Đại

Chương 1 TỔNG QUAN KỸ THUẬT SẤY1.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình sấy

1.1.1 Định nghĩa quá trình sấy

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, quá trình tách nước ra khỏi vật liệu (làm khô vật liệu) là rất cần thiết và quan trọng Tùy theo tính chất và độ ẩm của vật liệu, mức độ làm khô của vật liệu mà thực hiện một trong các phương pháp tách nước

ra khỏi vật liệu sau đây:

- Phương pháp cơ học: phương pháp này dùng trong trường hợp không cần tách nước triệt để mà chỉ làm khô sơ bộ vật liệu sử dụng máy ép, ly tâm, lọc…

- Phương pháp hóa lý: dùng một hóa chất để hút nước trong vật liệu Ví dụ dùng canxi clorua, acid sunfulric , phương pháp này tương đối đắt và phức tạp, chủ yếu là

1.1.2 Các dạng liên kết trong vật liệu ẩm

Các liên kết giữa ẩm với vật khô có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sấy Nó sẽ chi phối diễn biến của quá trình sấy Vật ẩm thường là tập hợp của ba pha: rắn, lỏng và khí (hơi) Các vật rắn đem đi sấy thường là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn Trong các mao dẫn có chứa ẩm lỏng cũng với hỗn hợp hơi khí có thể tích rất lớn (thể tích xốp) nhưng tỷ lệ khối lượng của nó so với phần rắn và phần ẩm lỏng có thể

bỏ qua Do vậy trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô và chất lỏng Có nhiều cách phân loại các dạng liên kết ẩm Trong đó phổ biến nhất là cách phân loại theo bản chất hình thành liên kết của P.H Robinde [6-8] Theo cách này, tất

cả các dạng lên kết ẩm được chia thành ba nhóm chính: liên kết hoá học, liên kết hoá

- Liên kết thẩm thấu là sự liên kết hoá lý giữa nước và vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hoà tan ở trong và ngoài tế bào Khi nước ở bề mặt vật thể bay hơi thì nồng độ của dung dịch ở đó tăng lên và nước ở sâu bên trong sẽ thấm ra ngoài Ngược lại, khi ta đặt vật thể vào trong nước thì nước sẽ thấm vào trong

1.1.2.3 Liên kết cơ lý

Đây là dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu được tạo thành do sức căng bề mặt của

ẩm trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật Liên kết cơ học bao gồm liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính ướt

- Liên kết cấu trúc: là liên kết giữa ẩm và vật liệu hình thành trong quá trình hình thành vật Ví dụ: nước ở trong các tế bào động vật, do vật đông đặc khi nó có chứa sẵn nước Để tách ẩm trong trường hợp liên kết cấu trúc ta có thể làm cho ẩm bay hơi, nén

ép vật hoặc phá vỡ cấu trúc vật Sau khi tách ẩm, vật bị biến dạng nhiều, có thể thay đổi tính chất và thậm chí thay đổi cả trạng thái pha

- Liên kết mao dẫn: nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản Trong các vật thể này có

vô số các mao quản Các vật thể này khi để trong nước, nước sẽ theo các mao quản

xâm nhập vào vật thể Khi vật thể này để trong môi trường không khí ẩm thì hơi nước

sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao quản và theo các mao quản xâm nhập vào trong vật thể

- Liên kết dính ướt: là liên kết do nước bám dính vào bề mặt vật Ẩm liên kết dính ướt dễ tách khỏi vật bằng phương pháp bay hơi đồng thời có thể tách ra bằng các phương pháp cơ học như: lau, thấm, thổi, vắt ly tâm

1.1.3 Phân loại vật liệu ẩm

Theo quan điểm hoá lý, vật ẩm là một hệ liên kết phân tán giữa pha phân tán và môi trường phân tán Pha phân tán là một chất có cấu trúc mạng hay khung không gian

từ chất rắn phân đều trong môi trường phân tán ( là một chất khác) Dựa theo tính chất

lý học, người ta có thể chia vật ẩm ra thành ba loại:

- Vật liệu keo: là vật có tính dẻo do có cấu trúc hạt Nước hoặc ẩm ở dạng liên kết hấp thụ và thẩm thấu Các vật keo có đặc điểm chung là khi sấy bị co ngót khá nhiều, nhưng vẫn giữ được tính dẻo Ví dụ: gelatin, các sản phẩm từ bột nhào, tinh bột

- Vật liệu xốp mao dẫn: nước hoặc ẩm ở dạng liên kết cơ học do áp lực mao quản hay còn gọi là lực mao dẫn Vật liệu này thường dòn hầu như không co lại và dễ dàng làm nhỏ (vỡ vụn) sau khi làm khô Ví dụ: đường tinh thể, muối ăn v.v

- Vật liệu keo xốp mao dẫn: bao gồm tính chất của hai nhóm trên Về cấu trúc các vật này thuộc xốp mao dẫn, nhưng về bản chất là các vật keo, có nghĩa là thành mao dẫn của chúng có tính dẻo, khi hút ẩm các mao dẫn của chúng trương lên, khi sấy khô thì co lại Loại vật liệu này chiếm phần lớn các vật liệu sấy Ví dụ: ngũ cốc, các hạt họ đậu, bánh mì, rau, quả v.v

1.1.4 Động học của quá trình sấy

Động lực học nghiên cứu quan hệ giữa sự biên thiên của độ ẩm vật liệu với thời gian và các thong số của quá trình, ví dụ như tính chất và cấu trúc của vật liệu và kích thước vật liệu, các điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy…, từ đó xác định được chế độ sấy, tốc độ sấy và thời gian sấy thích hợp [5 – 154]

1.1.4.1 Khái niệm tốc độ sấy

Tốc độ sấy được xác định bằng hàm lượng kg ẩm bay hơi trên 1m2 bề mặt vật liệu sấy trong một đơn vị thời gian (một giờ) và được biểu thị ở dạng vi phân như sau [5-180]:

U = dW

Fdτ kg/m2.h

Trong đó: W - lượng ẩm bay hơi trong thời gian sấy, kg/h;

F - bề mặt chung của vật liệu sấy, m2 ;

τ - thời gian sấy, h;

Khi biết tốc độ sấy, ta có thể tìm thời gian sấy theo công thức sau:

Trong đó: Gc - lượng vật liệu khô tuyệt đối trong vật liệu sấy, kg/h;

Cđ, Cc - độ ẩm ban đầu và ban cuối của vật liệu sấy, kg/kg vật liệu khô tuyệt đối;1.1.4.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ sấy

Tốc độ sấy phụ thuộc vào nhiều nhân tốc, dưới đây là một số nhân tố chủ yếu:

- Bản chất của vật liệu sấy: cấu trúc, thành phần hóa học, đặc tính liên kết ẩm…

- Độ ẩm ban đầu, ban cuối của vật liệu sấy, đồng thời cả độ ẩm tới hạn của vật liệu

- Hình dáng của vật liệu sấy: kích thước mẫu sấy, chiều dày lớp vật liệu…

- Độ ẩm của không khí và tốc độ, nhiệt độ của không khí Nhiệt độ không khí càng cào, tốc độ không khí càng lớn, độ ẩm tương đối của không khí càng nhỏ thì quá trình sấy tiến hành càng nhanh Nhưng nhiệt độ không khí không thể vượt quá nhiệt độ sấy cho phép của từng loại vật liệu cụ thể, tốc độ của tác nhân sấy cũng không thể quá lớn vì còn phụ thuộc vào điều kiện làm việc và chế độ sấy

- Tác nhân sấy: có thể sấy bằng khói lò hoặc không khí nòng, nếu bằng khói lò thì nhiệt độ cao, nhưng cũng chỉ sử dụng được đối với một số vật liệu chịu được nhiệt

độ cao

- Cấu tạo máy sấy, phương thức sấy và chế độ sấy

Trên đây, nêu lên một số nhân tố cơ bản có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và thời gian sấy, ta cần biết các nhân tố đó để khi tiến hành sấy một vật liệu cụ thể thì có thể chọn những điều kiện sấy thích hợp nhất

1.1.4.3 Các dạng biểu đồ về sấy

Khi sấy lượng ẩm bốc hơi giảm dần theo thời gian và do đó, tốc độ sấy cũng biến đổi theo thời gian, tức là cũng biến đổi theo độ ẩm của vật liệu Vậy, khi nghiên cứu về sấy ta nên tìm hiểu quan hệ giữa độ ẩm của vật liệu với thời gian sấy và quan hệ giữa tốc độ sấy với độ ẩm của vật liệu Đối với từng vật liệu sấy cụ thể, ta có thể lấy được những số liệu thực nghiệm và từ đó vẽ được đường biểu diễn các mối quan hệ trên Đường biểu diễn quan hệ độ ẩm C của vật liệu với thời gian sấy τ được gọi là đường

cong sấy (hình 1.1) Đường biểu diễn quan hệ tốc độ sấy U và độ ẩm C của vật liệu gọi

Hình 1.2 Đường cong tốc độ sấyNhận xét qua hai biểu đồ:

- Đoạn AB: giai đoạn đốt nóng vật liệu, nhiệt độ vật liệu tăng lên đến nhiệt độ bầu ướt tương ứng với trạng thái không khí lúc sấy, độ ẩm vật liệu thay đổi không đáng kể, tốc độ sấy tăng nhanh đến tốc độ cực đại

- Đoạn BK1: giai đoạn tốc độ sấy không đổi (đẳng tốc), độ ẩm vật liệu giảm nhanh và đều đặn theo một đường thẳng (đoạn BK1 trên đường cong sấy), nhiệt độ vật liệu không đổi và vẫn bằng nhiệt độ bầu ướt

- Đoạn K1C: giai đoạn tốc độ sấy giảm dần nhưng đều, nhiệt độ của vật liệu tăng lên dần, độ ẩm giảm dần đến độ ẩm cân bằng nhưng mức độ giảm chậm hơn giai đoạn

C%

τ

K1A

Hình 1.1 Đường cong sấyB

trên Điểm C tương ứng với độ ẩm cân bằng khi đạt độ ẩm cân bằng thì nhiệt độ của vật liệu bằng nhiệt độ của tác nhân sấy.

Dựa vào thực nhiệm, người ta đã rút ra những nhận xét trên và vẽ được hai đường biểu diễn giữa độ ẩm vật liệu, tốc độ sấy và thời gian Điểm K1 gọi là điểm tới hạn

1.1.4.4 Đặc điểm diễn biến của quá trình sấy

Quá trình sấy một vật liệu ướt đến độ ẩm cân bằng gồm hai giai đoạn chính sau:

- Giai đoạn tốc độ sấy không đổi, hay còn gọi là giai đoạn đẳng tốc: Lúc này, vật liệu còn nhiều nước, tốc độ khuếch tán của nước bên trong vật liệu lớn hơn tốc độ bay hơi trên bề mặt vật liệu, vì thế, tốc độ sấy trong giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ bay hơi trên bề mặt vật liệu, chính vì thế mà tốc độ sấy không phụ thuộc vào các yếu tố bên trong vật liệu mà chỉ phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài (ví dụ như nhiệt độ, tốc độ và độ ẩm của không khí sấy…) khi các yếu tố bên ngoài không đổi thì tốc dộ sấy cũng không đổi

Vậy, muốn tăng tốc độ sấy thì chủ yếu thay đổi các yếu tố bên ngoài Ta có thể tăng nhiệt độ sấy cao hơn nhiệt độ cho phép của vật liệu vì bề mặt vật liệu còn đang ướt nên nhiệt độ vật liệu xấp xỉ bằng nhiệt độ bầu ướt tư, nhưng cần chú ý là chọn nhiệt

độ sấy thế nào để nhiệt độ bầu ướt phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép của vật liệu

- Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần: lúc này vật liệu tương đối khô, lượng nước trong vật liệu còn ít nên tốc độ khuếch tán của nước trong vật liệu giảm xuống nhỏ hơn tốc độ bay hơi của nước trên bề mặt vật liệu Do đó tốc độ sấy trong giai đoạn này chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán của nước bên trong vật liệu – lượng ẩm khuếch tán giảm dần nên lượng ẩm bay hơi cũng giảm do đó tốc độ sấy cũng giảm Vậy tốc độ sấy không phải phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài vật liệu mà phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố bên trong vật liệu, cho nên muốn tăng tốc độ sấy ở giai đoạn giảm tốc ta phải khắc phục trở lực khuếch tán bên trong vật liệu Như đã nói ở trên nhiệt độ của vật liệu sấy lúc này bắt đầu tăng dần và cho đến khi đạt được độ ẩm cân bằng thì nhiệt

độ của vật liệu bằng nhiệt độ của tác nhân sấy, vì vậy đến giai đoạn này ta phải giữ nhiệt độ của tác nhân sấy không quá nhiệt độ cho phép của vật liệu

Việc xác định hai giai đoạn sấy có ý nghĩa quan trọng vì từ đó ta có thể thiết lập chế độ sấy khác nhau thích ứng với đặc điểm của từng giai đoạn để có thể vừa đảm bảo chất lượng sản phẩm, đồng thời tiết kiệm năng lượng rút ngắn được thời gian sấy

1.1.5 Tác nhân sấy

Tác nhân sấy là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật sấy [6 - 28] Trong quá trình sấy môi trường buồng sấy luôn luôn được bổ sung ẩm thoát ra từ vật sấy Các tác nhân sấy thường là các chất khí như: không khí, khói, hơi quá nhiệt 1.1.5.1 Nhiệm vụ của tác nhân sấy

Tác nhân sấy có nhiệm vụ sau:

- Gia nhiệt cho vật sấy

- Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật vào môi trường

- Bảo vệ vật sấy khỏi bị ẩm khi quá nhiệt

Tùy theo phương pháp sấy, tác nhân sấy có thể thực hiện một hoặc hai trong ba nhiệm vụ nói trên

1.1.5.2 Phân loại tác nhân sấy

- Không khí ẩm: là loại tác nhân sấy thông dụng nhất Dùng không khí ẩm có nhiều ưu điểm: không khí có sẵn trong tự nhiên, không độc và không làm ô nhiễm sản phẩm

- Khói lò: sử dụng làm môi chất sấy có ưu điểm là không cần dùng calorife, phạm vi nhiệt độ rộng nhưng dùng khói lò có nhược điểm là có thể ô nhiễm sản phẩm

do bụi và các chất có hại như: CO2, SO2

- Hỗn hợp không khí hơi và hơi nước: tác nhân sấy loại này dùng khi cần có độ

ẩm tương đối φ cao

- Hơi quá nhiệt: dùng làm môi chất sấy trong trường hợp nhiệt độ cao và sản phẩm sấy là chất dễ cháy nổ

1.1.5.3 Không khí ẩm

- Các thông số cơ bản của không khí ẩm:

+ Độ ẩm tương đối là tỉ số giữa lượng hơi nước có trong không khí ẩm với lượng hơi nước lớn nhất có thể chứa trong không khí ẩm đó ở cùng một nhiệt độ:

Gh , kg : lượng hơi nước trong không khí ẩm

Ghmax: lượng hơi nước lớn nhất có thể chứa trong không khí ẩm

ph , N/m2 : phần áp suất hơi nước trong không khí ẩm

phs , N/m2 : áp suất bão hòa hơi nước ở nhiệt độ không khí ẩm.

+ Độ chứa hơi là lượng hơi nước chứa trong 1kg không khí khô:

h k

GG

d = (kg/kgkkkhô)

Với: Gh, kg: lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm

Ghs: lượng không khí khô

Gh, Gk có thể xác định theo phương trình trạng thái của hơi nước và không khí khô theo ph, pk và p

+ Entanpy của không khí ẩm được tính với 1kg không khí khô như sau:

I = Ik + Ih (kJ/kgkkkhô)Trong đó:

Ik: entanpy không khí khô, Ik = Cpkt, kJ/kgkkkhô với Cpk là nhiệt dung riêng của không khí khô, có giá trị là 1,04 kJ/kgkkkhô, nhiệt độ không khí ẩm

Ih: entanpy của hơi nước có trong 1 kg không khí khô

+ Nhiệt độ điểm sương (ts): nhiệt độ điểm sương của không khí ẩm là nhiệt độ của không khí bão hòa đạt được bằng cách làm lạnh không khí ẩm trong điều kiện độ chứa hơi không đổi Khi biết nhiệt độ và độ ẩm tương đối có thể xác định nhiệt độ đọng sương Khi bão hòa φ = 100% , ph = phs nhiệt độ không khí ẩm lúc này là ts chính

là nhiệt độ bão hòa ứng với ph = phs Vì vậy ta có thể tra bảng hơi nước bão hòa với ph

ta xác định được nhiệt độ bão hòa

+ Nhiệt độ nhiệt kế ướt: là nhiệt độ của không khi ẩm bão hòa đạt được bằng cách cho nước bốc hơi đoạn nhiệt vào không khí ẩm Quá trình xảy ra làm cho nhiệt

độ không khí ẩm giảm, độ ẩm tương đối và độ ẩm chứa hơi tăng, còn entanpy không đổi Quá trình đạt đến trạng thái cân bằng φ = 100% thì nhiệt độ không khí ẩm là tư Nhiệt độ này cũng chính là nhiệt độ nước Người ta đo nhiệt độ này bằng cách lấy bông hoặc vải thô vấn vào bầu thủy ngân của nhiệt kế và nhúng vào nước vì vậy gọi là nhiệt độ nhiệt kế ướt

+ Thể tích của không khí ẩm: Thể tích không khí ẩm tính theo 1kg không khí khô

được xác định theo công thức:

bhP

RT v

=

− , m3/kgkkk

Trong đó: R- hằng số khí đối với không khí thì R = 287 J/kgoK;

T- nhiệt độ của không khí, oK

ϕ

1.1.5.4 Khói lò

- Nguyên lý hệ thống sấy bằng khói

Sử dụng không khí nóng để sấy cần thiết phải có bộ phân gia nhiệt không khí dùng điện, dùng hơi nước hay dùng khói…để cung cấp năng lượng Các trường hợp này chi phí vốn đầu tư và năng lượng cao Trong nhiều trường hợp có thể sử dụng trực tiếp khói để sấy Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy dùng môi chất như sau:

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bằng khói

Trong buồng đốt, người ta đốt cháy nhiên liệu với hệ số không khí thừa thích hợp

để quá trình cháy tốt nhât, khói thoát ra sẽ được đưa vào buồng hòa trộn, ở đây người

ta đưa thêm không khí hòa trộn với khói để tạo thành môi chất sấy có nhiệt độ thích hợp Sau đó môi chất sấy được đưa vào buồng sấy để thực hiện quá trình sấy rồi thải ra ngoài

Sử dụng khói làm môi chất sấy có các ưu điểm, khuyết điểm sau:

- Ưu điểm:

+ Có thể điều chỉnh nhiệt độ môi chất sấy trong một khoảng rất rộng Có thể sấy

ở nhiệt độ rất cao từ 900 - 1000oC và ở nhiệt độ thấp 70 - 90oC hoặc thậm chí 40 -

50oC [6 – 49]

BuồnghòatrộnNhiên liệu

Không khí

Không khí

Khói

Tác nhân sấy

Khí thải

+ Cấu trúc hệ thống đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt.

+ Đầu tư vốn ít vì không phải dùng calorife

+ Giảm tiêu hao năng lượng do giảm trở lực hệ thống

+ Nâng cao được hiệu quả sử dụng nhiệt của hệ thống thiết bị

- Nhược điểm:

+ Gây bụi bẩn cho sản phẩm và thiết bị

+ Có thể gây hỏa hoạn hoặc xẩy ra các phản ứng hóa học không cần thiết ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm

Khi sử dụng bằng phương pháp sấy khói phải chú ý khắc phục những nhược điểm trên để đạt được yêu cầu sấy những loại sản phẩm khác nhau Phương pháp sấy bằng khói thường dùng để sấy gỗ và các sản phẩm bằng gỗ, các vật liệu xây dựng, đồ gốm sứ, hạt nông lâm sản…

1.2 Thiết bị sấy

1.2.1 Phân loại thiết bị sấy

Do điều kiện sấy trong mỗi trường hợp sấy khác nhau nên có nhiều kiểu thiết bị sấy khác nhau, vì vậy có nhiều cách phân loại thiết bị sấy:

- Dựa vào tác nhân sấy: ta có thiết bị sấy bằng không khí hoặc thiết bị sấy bằng khói lò, ngoài ra còn có các thiết bị sấy bằng các phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng tia hồng ngoại hay bằng dòng điện cao tần

- Dựa vào áp suất làm việc: thiết bị sấy chân không, thiết bị sấy ở áp suất thường

- Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy tiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy bức xạ …

- Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy trục, sấy thùng quay, sấy tầng sôi, sấy phun…

- Dựa vào chiều chuyển động của tác nhân sấy và vật liệu sấy: cùng chiều, ngược chiều và giao chiều

1.2.2 Nguyên lý thiết kế thiết bị sấy

Yêu cầu thiết bị sấy là phải làm việc tốt (vật liệu sấy khô đều có thể điều chỉnh được vận tốc dòng vật liệu và tác nhân sấy, điều chỉnh được nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy), tiết kiệm nguyên vật liệu, năng lượng và dễ sử dụng

Khi thiết kế thiết bị sấy cần có những số liệu cần thiết: Loại vật liệu cần sấy (rắn, nhão, lỏng…), năng suất, độ ẩm đầu và cuối của vật liệu, nhiệt độ giới hạn lớn nhất, độ

ẩm và tốc độ tác nhân sấy, thời gian sấy

Trước hết phải vẽ sơ đồ hệ thống thiết bị, vẽ quy trình sản xuất, chọn kiểu thiết bị phù hợp với tính chất của nguyên liệu và điều kiện sản xuất Tính cân bằng vật liệu, xác định số liệu và kích thước thiết bị Tính cân bằng nhiệt lượng để tính nhiệt tiêu thụ

và lượng tác nhân sấy cần thiết

Đối với các thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển cần phải tính độ bền Sau khi tính xong những vấn đề trên ta bắt đầu chọn và tính các thiết bị phụ của hệ thống: bộ phận cung cấp nhiệt (lò đốt, calorifer), bộ phận vận chuyển, bộ phận thu hồi bụi (nếu có), quạt , công suất tiêu thụ để chọn động cơ điện

1.2.3 Lựa chọn thiết bị sấy

Muốn chọn máy sấy thích hợp nhất cho một nguyên liệu nhất định từ nhiều loại máy sấy, cần phải xem xét tất cả các thông số quan trọng đối với quá trình làm việc của máy sấy

xạ Có thể sử dụng những máy sấy có kết cấu cơ học đặc biệt để phân bố đều vật liệu sấy, ví dụ: máy sấy cánh đảo, máy sấy thùng quay, máy sấy đĩa quay Có thể kết hợp máy sấy với máy nghiền trục vít

1.2.3.3 Tính chất ẩm

Để bốc ẩm tự do dùng những máy sấy tuần hoàn để tiết kiệm năng lượng (có thể tách ẩm tự do và ẩm dính ướt nhanh nhất bằng ly tâm và ép) Đối với vật liệu keo có thể sử dụng những máy sấy nhanh, sau khi nguyên liệu được xử lý thành dạng bột hoặc lớp sấy mỏng

Để tách nước liên kết người ta thường sử dụng máy sấy, mà ở đó sản phẩm sấy chịu được nhiệt độ cao hơn Người ta cũng cần chú ý đến độ ẩm ban đầu và ban cuối

của sản phẩm Nếu độ ẩm cuối của sản phẩm sấy được phép còn lại tương đối cao: có thể sử dụng máy sấy nhanh Nếu độ ẩm cuối của sản phẩm bé: thời gian sấy lâu nên máy sấy cần cho phép kéo dài thời gian sấy của nó Có thể phối hợp 2 máy sấy, ví dụ : đối với sản phẩm dạng rời có thể kết hợp máy sấy khí động tác dụng nhanh với máy

sấy thùng quay tác dụng chậm Đối với sản phẩm dạng pasta có thể kết hợp máy sấy trục lăn với máy sấy băng tải.

1.2.3.4 Sự nhạy cảm với nhiệt độ của sản phẩm sấy

Những vật liệu cho phép sử dụng nhiệt độ cao : có thể dùng loại máy sấy có tác nhân sấy là khói lò Tiết gia súc, các chất chiết từ động thực vật cần phải sấy ở trạng thái ôn hoà, để giữ lại những tính chất có giá trị của nó

Trong máy sấy phun và sấy khí động, sản phẩm chỉ lưu lại thời gian rất ngắn nên

được phép sử dụng nhiệt độ cao hơn so với sấy hầm Trong tất cả những máy sấy phổ

biến thì những máy sấy đối lưu kiểm soát nhiệt độ của sản phẩm sấy tốt nhất, vì có thể

dễ dàng điều chỉnh trạng thái không khí thích hợp Trong máy sấy tiếp xúc, sản phẩm sấy nhận nhiệt độ của bề mặt bị đun nóng ở những chỗ tiếp xúc, bởi vậy chỉ sử dụng đối với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ, quá trình sấy xảy ra rất nhanh Không

sử dụng máy sấy bức xạ đối với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ, vì sản phẩm

dễ bị đun nóng cục bộ gây nguy hiểm cho sản phẩm

Đối với một số sản phẩm cần chú ý đến sự nhạy cảm về sức căng, dễ bị co ngót, nứt nẻ trong quá trình sấy dưới tác dụng sức căng cơ học mạnh: có thể sử dụng máy sấy đối lưu cho phép điều chỉnh được các thông số sấy thích hợp với từng loại sản

phẩm sấy Trong một số trường hợp có thể sử dụng những phương pháp sấy đặc biệt: sấy bằng dòng điện cao tần, sấy chân không và sấy thăng hoa Đối với một số sản

phẩm không được phép sử dụng tác nhân sấy là khói lò, những sản phẩm dễ bị oxy hoá, bị cháy: sử dụng máy sấy chân không hoặc máy sấy dùng khí trơ tuần hoàn

Đối với những sản phẩm có tác dụng ăn mòn máy sấy: cần sấy trong những máy sấy có cấu tạo chống ăn mòn

1.2.3.5 Năng suất sản phẩm

Đối với năng suất nhỏ và loại sản phẩm thay đổi hình dạng: thường sử dụng loại máy sấy làm việc gián đoạn Đối với năng suất lớn, nguyên vật liệu đồng nhất thường

dùng máy sấy làm việc liên tục.

1.2.3.6 Tính chất sản phẩm sau khi sấy

Thường giá trị thương mại của sản phẩm phụ thuộc vào cảm quan và độ đồng đều Sản phẩm không được khác biệt nhiều về chất lượng và độ ẩm, nếu độ ẩm chưa đạt yêu cầu cần phải được sấy lại Sản phẩm cần được đóng gói và trang trí bao bì theo khối lượng nhất định để tiện lợi cho người sử dụng Cấu tạo của máy sấy có thể ảnh hưởng đến tính chất nói trên.

1.3 Hệ thống sấy thùng quay

1.3.1 Giới thiệu chung về máy sấy thùng quay

Hệ thống sấy thùng quay là hệ thống sấy làm việc liên tục chuyên dùng để sấy vật liệu hạt, cục nhỏ như: cát, than đá, các loại quặng…

Máy sấy thùng quay là một thùng hình trụ đặt nghiêng, thùng được đặt nghiêng với mặt phẳng nằm ngang theo tỉ lệ 1/15 – 1/50 Thùng sấy quay với tốc độ 1,5 – 8 vòng/phút, có 2 vành đai đỡ, vành đai này tỳ vào con lăn đỡ khi thùng quay Vật liệu vào sấy qua phễu nạp liệu Vật liệu trong thùng không quá 20 – 25% thể tích thùng Sau khi sấy xong, sản phẩm qua bộ phận tháo sản phẩm ra ngoài

Bên trong thùng có lắpcác cánh để xáo trộn vật liệu làm cho hiệu suất sấy đạt được cao hơn, phía cuối thùng có hộp tháo sản phẩm còn đầu thùng cắm vào lò đốt hoặc nối với ống tạo tác nhấn sấy Giữa thùng quay, hộp tháo và lò có cơ cấu bịt kín để không khí nóng và khói lò không thoát ra ngoài Ngoài ra còn có xyclon để thu hồi sản phẩm bay theo và thải khí sạch ra môi trường

Khí nóng và vật liệu có thể đi cùng chiều hoặc ngược chiều ở bên trong thùng Phía đầu chỗ nạp liệu bên trong thùng sấy có lắp các cánh xoắn một đoạn khoảng 700 – 1000mm, chiều dài của đoạn này phụ thuộc vào đường kính của thùng

Tốc độ khói lò hoặc không khí nóng đi trong thùng không được lớn hơn 3m/s để tránh vật liệu bị cuốn nhanh ra khỏi thùng

Các đệm ngăn trong thùng vừa có tác dụng phân phối vừa có tác dụng phân phối đều cho vật liệu theo tiết diên thùng, đảo trộn vật liệu vừa làm tăng bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy Cấu tạo của đệm ngăn phụ thuộc vào kích thước vật liệu sấy và độ ẩm cửa nó

Các loại đệm ngăn dùng phổ biến là:

- Đệm ngăn mái chèo nâng và loại phối hợp: Dùng khi sấy những vật liệu cực to,

ẩm, có xu hướng đóng vón Loại này có hệ số chất đầy vật liệu không quá 0,1 – 0,2

- Đệm ngăn hình quạt có những khoảng thông với nhau

- Đệm ngăn phân phối hình chữ nhật và kiểu vạt áo được xếp trên toàn bộ tiết diện của thùng được dùng để sấy các vật liệu dạng cục nhỏ, xốp, khi thùng quay vật liệu đảo trộn nhiều lần, bề mặt tếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy lớn

- Đệm ngăn kiểu phân khu: Để sấy các vật liệu đã được đập nhỏ, bụi Loại này chỉ cho phép hệ số điền đầy khoảng 0,15 - 0,25

- Nếu nhiệt độ sấy cần lớn hơn 200oC thì dùng khói lò nhưng không dùng cho nhiệt độ lớn hơn 800oC

Ưu và nhược điểm của hệ thống sấy thùng quay:

1.3.2 Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy thùng quay

Cấu tạo gồm:

1 Thùng quay 2.Vành đi đỡ 3 Con lăn đỡ

4 Bánh răng 5 Phễu hứng sản phẩm 6 Quạt hút

7 Thiết bị lọc bụi 8 Lò đốt 9 Con lăn chặn

10 Mô tơ quạt 11 Bê tông 12 Băng tải

13 Phểu tiếp liệu 14 Van diều chỉnh 15 Quạt thổi

8

1 2

3

4

5 6

9

10 11

12

7 13

Máy sấy thùng quay gồm một thùng hình trụ (1) đặt nghiêng với mặt phẳng nằm ngang 1÷6o Toàn bộ trọng lượng của thùng được đặt trên 2 bánh đai đỡ (2).

Bánh đai được đặt trên bốn con lăn đỡ (3), khoảng cách giữa 2 con lăn cùng 1 bệ

đỡ (11) có thể thay đổi để điều chỉnh các góc nghiêng của thùng, nghĩa là điều chỉnh thời gian lưu vật liệu trong thùng Thùng quay được là nhờ có bánh răng (4) Bánh răng (4) ăn khớp với với bánh răng dẫn động nhận truyền động của động cơ (10) qua

đươc tháo qua cơ cấu tháo sản phẩm (5) rồi nhờ băng tải xích (12) vận chuyển vào kho

Khói lò hay không khí thải được quạt (6) hút vào hệ thống tách bụi,… để tách những hạt bụi bị cuốn theo khí thải Các hạt bụi thô được tách ra, hồi lưu trở lại băng tải xích (12) Khí sạch thải ra ngoài

1.4 Giới thiệu vật liệu sấy, tác nhân sấy

1.4.1 Vật liệu sấy

Vật liệu cần sấy Canxi cacbonat, là một hợp chất hóa học với công thức phân tử

là CaCO3 Nó được tìm thấy trong tự nhiên trong các khoáng chất và đá sau Aragonit, Canxit, đá phấn, đá vôi, cẩm thạch hay đá hoa…

Đa số cacbonat canxi được sử dụng trong công nghiệp là được khai thác từ đá mỏ hoặc đá núi Cacbonat canxi tinh khiết (ví dụ loại dùng làm thuốc hoặc dược phẩm), được điều chế từ nguồn đá mỏ (thường là cẩm thạch) hoặc nó có thể được tạo ra bằng cách cho khí điôxít cacbon chạy qua dung dịch hyđroxit canxi

Chất này được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp xây dựng như đá xây dựng, cẩm thạch hoặc là thành phần cấu thành của xi măng hoặc từ nó sản xuất ra vôi Cacbonat canxi được sử dụng rộng rãi trong vai trò của chất kéo duỗi trong các loại sơn, cụ thể là trong sơn nhũ tương xỉn trong đó thông thường khoảng 30% khối lượng sơn là đá phấn hay đá hoa Cacbonat canxi cũng được sử dụng rộng rãi làm chất độn trong chất dẻo Một vài ví dụ điển hình bao gồm khoảng 15 - 20% đá phấn trong ống dẫn nước bằng PVC không hóa dẻo (uPVC), 5 đến 15% đá phấn hay đá hoa tráng

stearat trong khung cửa sổ bằng uPVC Cacbonat canxi mịn là thành phần chủ chốt trong lớp màng vi xốp sử dụng trong tã giấy cho trẻ em và một số màng xây dựng do các lỗ hổng kết nhân xung quanh các hạt cacbonat canxi trong quá trình sản xuất màng bằng cách kéo giãn lưỡng trục Cacbonat canxi cũng được sử dụng rộng rãi trong một loạt các công việc và các chất kết dính tự chế, chất bịt kín và các chất độn trang trí Các keo dán ngói bằng gốm thường chứa khoảng 70-80% đá vôi Các chất độn chống nứt trang trí chứa hàm lượng tương tự của đá hoa hay đolomit Nó cũng được trộn lẫn với mát tít để lắp các cửa sổ kính biến màu, cũng như chất cản màu để ngăn không cho thủy tinh bị dính vào các ngăn trong lò khi nung các đồ tráng men hay vẽ bằng thuốc màu ở nhiệt độ cao Cacbonat canxi cũng được sử dụng rộng rãi trong y tế với vai trò

là thuốc bổ sung khẩu phần canxi giá rẻ, chất khử chua Nó cũng được sử dụng trong công nghiệp dược phẩm làm chất nền cho thuốc viên làm từ loại dược phẩm khác.Cacbonat canxi được biết đến là "chất làm trắng" trong việc tráng men đồ gốm sứ nơi nó được sử dụng làm thành phần chung cho nhiều loại men dưới dạng bột trắng Khi lớp men có chứa chất này được nung trong lò, chất vôi trắng là vật liệu trợ chảy trong men Nó cũng thường được gọi là đá phấn vì nó là thành phần chính của phấn viết bảng Phấn viết ngày nay có thể hoặc làm từ cacbonat canxi hoặc là thạch cao, sulfat canxi ngậm nước CaSO4.2H2O

Canxi cacbonat có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp Chính vì vậy, để bảo quản và vận chuyển tốt, không ảnh hưởng đến quá trình phối trộn

và sản phẩm sau khi phối trộn thì người ta phải làm giảm hàm lượng nước có trong canxi cacbonat bằng cách là sấy vật liệu đến độ ẩm thích hợp tùy theo mục đích sử dung Có nhiều phương pháp sấy ở đây ta chọn phương pháp sấy thùng quay để sấy

1.4.2 Chọn tác nhân sấy

Khói lò dùng làm tác nhân sấy có ưu điểm là phạm vi hoạt động rộng từ hàng chục độ đến trên 1000oC, không cần calorife, cấu trúc hệ thống đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt Theo thông số thiết kế ban đầu, tác nhân sấy có nhiệt độ đầu là 850oC, do đó ta chọn tác nhân sấy là khói lò

Chương 2 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ CHO THIẾT BỊ SẤY

Các thông số ban đầu của đồ án thiết kế hệ thống sấy thùng quay:

- Loại vật liệu cần sấy: Canxi cacbonat

- Năng suất G2: 200 T/ngày (24h/1 ngày)

có cánh đảo trộn là cánh nâng thường [4-122]

2.1 Kích thước cơ bản của thùng sấy

- Lượng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy:

Theo [4-289] ta có lượng ẩm bốc hơi được xác định theo công thức sau:

1 2 2

Trong đó W – Lượng ẩm bốc hơi, kg/h;

G2 – lượng vật liệu khô ra khỏi máy sấy hay năng suất thiết bị, kg/h; G2 = 200 tấn/ngày = 8333,33 kg/h;

G1 = G2 + W = 8333,33 + 1197,32 = 9530,65 kg/h;

- Thể tích thùng sấy: Theo [4-121], thể tích thùng sấy:

t

WVA

= , m3 (2.2)Trong đó: Vt – thể tích thùng sấy, m3;

- Xác định chiều dài và đường kính của thùng

Theo [6-324] ta có tiêu chuẩn:

t

L3,5 7

D = − ; ta chọn

t

L5,5

t

D L

π

(2.3)suy ra:

Chọn đường kính theo tiêu chuẩn là Dt = 2 m

Suy ra chiều dài thùng t2

t

4VL.D

=

π = 2

4.33, 26

10,593,14.2 = m.

2.2 Thời gian sấy và số vòng quay

- Đối với máy sấy thùng quay, thời gian sấy lý thuyết theo [4-123]:

s

120 .( )A[200 ( )]

β ρ ω − ω

τ =

− ω + ω (2.4)

Trong đó:

ρ - khối lượng riêng xốp trung bình của vật liệu trong thùng.

Theo bảng 1.1 [3-8], khối lượng riêng xốp của Canxi cacbonat ρx= 1800 kg/m3;

τ

=ρβ

τ - thời gian lưu của vật liệu trong thùng, phút;

α - góc nghiêng của thùng quay, theo [4-122] thường góc nghiêng của thùng dài

là 2,5o÷3o còn thùng ngắn đến 6o, chọn α = 1,30; Suy ra tan α = 0,0227;

m và k - hệ số phụ thuộc vào cấu tạo cánh đảo trộn trong thùng, phương thức sấy và tính chất của vật liệu Chọn phương thức sấy ngược chiều, dùng loại cánh đảo trộn là cánh nâng thường Theo bảng VII.4 [4-122] chọn m = 0,5; k= 1,6

n - số vòng quay của thùng, vòng/phút Chọn số vòng quay là n = 2 vòng/phút

Từ (2.5) suy ra

t

m.k.Ln.D tan

2.3 Tính toán quá trình cháy của nhiên liệu

Chọn nhiên liệu là than

Bàng 2.1 Bảng thành phần các nguyên tố trong nhiên liệuThành

phần

Cacbon Hydro Oxy Nito Lưu

huỳnh

Hơi nước

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý sử dụng khói lò làm tác nhân sấy trong thiết bị sấy đối lưu

1 Buồng đốt; 2 Buồng hòa trộn; 3 Buồng sấy; 4 Quạt hút;

Antraxit Hồng Gai, dạng than cục có kích cỡ từ 15 – 35 mm [19-204] có thành phần như sau:

2.3.1 Nhiệt trị của nhiên liệu

Nhiệt trị là nhiệt lượng tỏa ra khi cháy hoàn toàn một kg nhiên liệu Có hai khái niệm về nhiệt trị: nhiệt trị cao Qc và Qt Nhiệt trị thấp bằng nhiệt trị cao trừ đi phần nhiệt lượng do hơi nước trong sản phẩm cháy ngưng tụ lại [1-53].

- Nhiệt trị cao của nhiên liệu:

Theo công thức 3.2 [1-51], ta có nhiệt trị cao

Qc=33858C + 125400H – 10868.(O-S), kJ/kg (2.8)

Thay số, ta được:

Qc = 33858.9131% + 125400.0,72% - 10868(1,29% - 0,28%)

Qc=31751,71 kJ/kg nl

- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu:

Theo công thức 3.4 [1-53], ta có nhiệt trị thấp Qt:

Qt= Qc – 2500.(9H + A), kJ/kg; (2.9)

Thay số, ta được Qt= 31751,71 – 2500.(9.0,72% + 4,08%) = 31487,71 kJ/kgnl

2.3.2 Xác định lượng không khí khô cần cho quá trình cháy

- Lượng không khí khô lý thuyết để đốt cháy một kg nhiên liệu Lo là lượng không khí khô vừa đủ cung cấp oxy cho các phản ứng cháy

Theo công thức 3.11 [1-55], ta có Lo = 11,6C + 34,8H + 4,3(S-O) (2.10)

Thay số, ta được Lo = 11,6.91,32% + 34,8.0,72% + 4,3(0,28% - 1,29%)

Lo = 10,8 kg kkk/kgnl

- Lượng không khí khô thực tế cho quá trình cháy

L là lượng không khí khô thực tế để đốt cháy hết một kg nhiên liệu

Trong thực tế, tùy thuộc vào việc tổ chức quá trình cháy và độ hoàn thiện của buồng đốt mà không khí khô thực tế L để đốt cháy hết một kg nhiên liệu lớn hơn lượng không khí khô lý thuyết Lo Tỷ số giữa L và Lo người ta gọi là hệ số không khí thừa của buồng đốt αbđ[1-56]:

bđ o

LL

α = (2.11)

Trong các lò đốt lấy khói của hệ thống sấy có thể lấy αbđ= 1,2 – 1,3 [1-57];

Chọn αbđ = 1,2 ⇒ L = 1,2 Lo = 1,2.10,8 = 12,96 kg kkk/kgnl

Do nhiệt độ khói sau buồng đốt rất lớn so với yêu cầu, trong các hệ thống sấy dùng khói lò làm tác nhân, người ta phải tổ chức hòa trộn với không khí ngoài trời của

nhiệt độ cần thiết nên cho một hỗn hợp có nhiệt độ thích hợp Vì vậy, trong hệ thống sấy người ta xem hệ số không khí thừa α là tỷ số giữa không khí khô cần cung cấp thực tế cho buồng đốt cộng với buồng hòa trộn chia cho lượng không khí khô lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy Theo công thức 3.11 [1-57], hệ số không khí thừa α:

η - hiệu suất buồng đốt; Thường ηbđ= 0,85-0,95 [4-110], chọn ηbđ= 0,9.

Qc – nhiệt trị cao của nhiên liệu, kJ/kg;

Cnl, Cpk – tương ứng là nhiệt dung riêng của nhiên liệu và khói khô, kJ/kg.độ;

ia, iao – entapy của hơi nước chứa trong khói sau buồng hòa trộn và không khí bên ngoài trời, kJ/kg;

do – lượng chứa ẩm của không khí ứng với nhiệt độ to, kg ẩm/kg kkk;

t – nhiệt độ của khói lò sau buồng hòa trộn, oC;

Lo – lượng không khí khô lý thuyết dùng để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu, kg kk/kgnl

- Xác định lượng chứa ẩm do:

Tại Hà Nội, nhiệt độ và áp suất, độ ẩm trung bình như sau [4-96]:

ϕ - độ ẩm tương đối của không khí ẩm;

B – áp suất khí trời, (áp suất tại địa điểm làm việc), B = 1atm;

2.4 Tính toán quá trình sấy lý thuyết

2.4.1 Trạng thái của tác nhân sấy khi ra khỏi thùng sấy

- Nhiệt độ của tác nhân sấy sau khi ra khỏi thùng sấy là t2 = 100 oC

- Lượng khói khô sau buồng đốt Lk được xác định theo công thức 3.23 [1-59]:

Lk = α( bđ.Lo+ −1) [W (9H A)]+ + (2.16)

(1, 2.10,8 1) [0,0211 (9.0,0072 0, 0408)]=13,83

- Lượng khói khô sau buồng hòa trộn hay trước khi vào buồng sấy Lk’:

Theo công thức 3.24 [1-59], Lk’= ( Lα o+ −1) [W (9H A)]+ + (2.17)

- Lượng nước chứa trong khói lò sau buồng hòa trộn: Theo công thức 3.21 58]: Ga ' =(9H A)+ + α.L do o (2.19)

=(9.0, 0072 0,0408) 2,95.10,8.0,0155 0,6+ + = kg ẩm/kgnl;

- Lượng chứa ẩm khói lò trước khi vào thùng sấy hay sau buồng hòa trộn d1:

Theo công thức 3.27 [1-59], 1 a '

k '

GdL

- Trạng thái của tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết:

Do quá trình sấy là sấy lý thuyết nên I1=I2 (I 2 là entanpy của khói lò sau thùng sấy) Theo công thức 2.26 [1-29], suy ra lượng chứa ẩm d2 sau quá trình sấy lý thuyết:

2 2 2

2

I 1,004.td

Vậy, thông số trạng thái của tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết như sau:

o

t =100 C;ϕ =33, 28%;I =935, 25kJ / kgkk;d =0,311kgâm / kg kk

Lượng khói khô cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm trong vật liệu sấy của quá trình sấy lý thuyết lo

Theo công thức 7.14 [1-131]: o

1l

2.4.3 Lưu lượng thể tích trung bình của tác nhân sấy

Theo phụ lục 5 [1-349], ta có thể tích của khói ẩm chứa một kg khói khô trước và sau quá trình sấy lý thuyết tương ứng bằng v11 = 3,18 m3/kg; v12 = 1,6 m3/kg;

2.4.4 Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy lý thuyết

Nhiệt lượng tiêu hao khi 1 kg ẩm bốc hơi là qo: Theo công thức 7.16 [1-131]

qo =l (Io 1−I )o kJ/kg ẩm (2.28)Thay số, ta được qo = 3,42.(935,25 – 62,91) = 2983,4 kJ/kg ẩm;

Suy ra nhiệt lượng tiêu hao trong 1 h là Qo: Qo= qo.W

= 2983,4.1197,32= 3572084,5 kJ/h = 992 kW;

2.5 Tính toán quá trình sấy thực

2.5.1 Xác định các tổn thất nhiệt

2.5.1.1 Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh Qmt

Giả thiết tốc độ tác nhân sấy trong thiết bị sấy thực tế là tốc độ lý thuyết vo (m/s)

Tốc độ này được xác định như sau [1-219]: o tb

td

VvF

= m/s (2.29)

Trong đó: Vtb – lưu lượng thể tích trung bình của tác nhân sấy, m3/h;

Ftd – tiết diện tự do của thùng sấy, m2; Mà: Ftd = − β(1 ).Fts (2.30)Với β - hệ số điền đầy của thùng, β = 0,23;

Fts – tiết diện thùng sấy, m2;

Giả thiết, tốc độ tác nhân sấy trong quá trình sấy thực là v = 2 m/s

- Nhiệt độ trung bình tác nhân sấy trong lòng thiết bị sấy là:

- Nhiệt độ tác nhân sấy ngoài môi trường to = 23,4 oC;

- Thùng sấy được cấu tạo gồm 3 lớp từ trong ra ngoài như sau:

Bảng 2.2 Bề dày các lớp và vật liệu của thùng quaySTT lớp Tên lớp Chất liệu Kí hiệu độ dày

1 Lớp thùng quay Thép CT5 δ1

2 Bảo ôn Bông thủy tinh δ2

Hình 2.2 Biểu đồ tính toán hệ số truyền nhiệt

- tw1, tw2, tw3, tw4: nhiệt độ các mặt các lớp thiết bị;

Các quá trình truyền nhiệt xảy ra:

- Quá trình cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành thiết bị sấy;

- Quá trình dẫn nhiệt từ thành trong ra thành ngoài thiết bị sấy;

- Quá trình cấp nhiệt từ thành ngoài thiết bị đến không khí

Theo công thức 8.46 [7-392], ta có hệ số truyền nhiệt từ tác nhân sấy ra môi trường xung quanh K:

1K

= δ+ +

α ∑λ α , W/m2.độ (2.32)Trong đó:

1

α - hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành trong thiết bị sấy; W/m2.độ;

2

α - hệ số cấp nhiệt từ thành ngoài thiết bị sấy ra môi trường, W/m2.độ;

λ - Hệ số dẫn nhiệt của thành thiết bị, W/m.độ;

δ - chiều dày thành thiết bị, m;

a) Quá trình cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành thiết bị sấy

- Nhiệt tải riêng q1 được xác định theo [1-220]:

Tốc độ của tác nhân sấy trong thiết bị là v = 2 m/s

Chuẩn số Reynolds Re được xác định theo công thức V.36 [4-13]:

Suy ra dòng khí trong thiết bị sấy chuyển động chảy xoáy

Theo công thức 8.48 [7-392]: Nu 0,018.Re= 0,8.ε1 (2.36)

λ

α = (2.37)

2 1' 5,64.10 126, 44

3,572

T – nhiệt độ thành bên trong thiết bị, tính theo độ K;

∆t – hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt trao đổi nhiệt và dòng, độ;

Trong thiết bị sấy, đối với phần bên trong thiết bị sấy, ∆t là hiệu số nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy với thành thiết bị, còn đối với phần bên ngoài của thiết bị sấy thì

∆t là hiệu số nhiệt độ của thành ngoài thiết bị với nhiệt độ không khí bên ngoài

Với nhiệt độ trung bình tác nhân sấy ttb = 475 oC, theo [7], khi tính toán ta giả thiết nhiệt độ thành bên trong thiết bị tw1 thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy ở trong thiết bị khoảng 25 – 30 oC; Chọn tw1 = 445 oC, khi đó ∆t = ttb – tw1 = 475 – 445 = 30 oC

1 k.( 1' 1'')

α = α + α = 1,2.(3,57 + 2,175) = 6,89 W/m2.độ

Thay các giá trị tìm được vào (2.33):