SẤY THÙNG QUAY NGUYÊN LIỆU CÀ PHÊ NHÂN năng suất 500kg khô trên h

∗ Ưu điểm của của các phương pháp sấy nhân tạo: − Sử dụng khi cần làm khô một lượng lớn sản phẩm trong thời gian ngắn bất kể điều kiện thời tiết.. − Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt ch

Nguyễn Thị Lập Phụng (53131295) 5 Trần Thị Thùy Trang (53131841)

Giới thiệu về cà phê

1.2.1.Tổng quan về cà phê: [4, 5]

Cà phê thuộc giống coffea với gần 70 loại khác nhau, nhưng chỉ có 10 loại nổi bật về giá trị trồng trọt Hiện nay, trên thế giới, các loại cà phê phổ biến được trồng bao gồm những giống đáng chú ý.

Cà phê Arabica, hay còn gọi là cà phê chè, là loại cà phê được trồng phổ biến nhất trên thế giới, có nguồn gốc từ cao nguyên Ethiopia ở Đông Châu Phi Cây cà phê Arabica thường cao từ 3 đến 5 mét, nhưng trong điều kiện lý tưởng có thể đạt chiều cao lên đến 7 mét Lá của cây có hình dạng trứng hoặc hình lưỡi mác, trong khi quả cà phê thường có hình trứng hoặc hình cầu, khi chín có màu đỏ tươi, và một số giống khi chín có màu vàng, đường kính từ 10 đến 15 mm.

Cà phê Arabica có số lượng quả từ 800 đến 1200 quả/kg và thời gian nuôi quả khoảng 6 đến 7 tháng Tại miền Bắc, cà phê chín rộ vào tháng 12 và tháng 1, trong khi ở Tây Nguyên, thời gian chín sớm hơn từ 2 đến 3 tháng Mỗi quả cà phê thường có 2 nhân, một số ít có 3 nhân Nhân cà phê được bao bọc bởi lớp vỏ lụa màu bạc xám, bên ngoài là lớp vỏ trấu cứng và lớp vỏ thịt bên ngoài cùng.

Từ 5 – 7 kg quả sẽ thu được 1kg nhân cà phê sống Màu hạt xám xanh, xám lục, xám nhạt, tùy theo cách chế biến Lượng cafein có trong nhân khoảng 1 – 3%, tùy theo giống

Năng suất 400 – 500 kg/ 1 hecta. b Cà phê Robusta: (thường gọi là cà phê vối)

Khu vực sông Công – gô nằm ở miền núi vùng thấp xích đạo và nhiệt đới Tây Châu Phi, nơi có đặc tính nổi bật của cây cà phê Robusta, cao từ 5-7m với quả hình trứng hoặc hình tròn Quả chín có màu đỏ thẫm, vỏ quả cứng và dai hơn so với cà phê Arabica Tỷ lệ thu hoạch từ quả chín là khoảng 5-6 kg để sản xuất 1 kg cà phê nhân, với thời gian chín từ tháng 2 đến tháng 4 ở miền Bắc và sớm hơn ở Tây Nguyên.

Cà phê Robusta, thường không ra hoa tại các mắt cũ của cành, có nhân hình hơi tròn và to ngang với vỏ lụa màu ánh nâu bạc Màu sắc của nhân có thể là xám xanh, xanh bạc hoặc vàng mỡ gà, tùy thuộc vào chủng loại và phương pháp chế biến Hàm lượng cafein trong cà phê Robusta dao động từ 1,5% đến 3%.

Cà phê Chari, hay còn gọi là cà phê mít, có năng suất cao hơn cà phê Arabica, đạt từ 500 đến 600 kg trên mỗi hecta Mặc dù hương thơm của loại cà phê này không mạnh mẽ, nhưng nó lại có khả năng kháng sâu bệnh rất tốt.

Nguồn gốc của cây Chari xuất phát từ xứ Ubangui Chari gần biển hồ Xahara và được đưa vào Việt Nam vào năm 1905 Cây Chari có chiều cao từ 6 đến 15m, với lá hình trứng hoặc lưỡi mác và gân lá nổi rõ ở mặt dưới Quả của cây có hình trứng và thường chín từ tháng 5 đến tháng 7 Đặc biệt, quả chín thường xuất hiện cùng lúc với đợt hoa mới, dẫn đến tình trạng trên cùng một đốt cành có thể có quả chín, quả xanh, nụ hoa, hoa nở và nụ quả, điều này gây khó khăn trong việc thu hoạch.

Hoa của cả 3 loại cà phê trên đều nở cả chum, màu trắng và hương thơm ngát.

Năng suất thường 500 – 600 kg/1ha Tỉ lệ thành phẩm/ nguyên liệu: 10 – 15% Đây là loại cà phê chịu được hạn, ít kén đất, ít chịu sâu bệnh.

1.2.2 Cấu tạo vỏ cà phê:

− Quả cà phê gồm có: lớp vỏ quả, lớp nhớt, lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa và lớp nhân.

Lớp vỏ quả là lớp ngoài mềm mại, khi chín có màu đỏ đặc trưng do chứa anthocyanin Bên cạnh đó, quả cũng chứa các hợp chất như alkaloid, tannin, cafein và nhiều loại enzyme, mang lại giá trị dinh dưỡng cao.

Dưới lớp vỏ mỏng của trái cây là lớp thịt, hay còn gọi là lớp trung bì, chứa nhiều tế bào mềm và không có cafein hay tanin Lớp này giàu đường và pectin, với độ pH thường dao động từ 5,6 đến 6,4, tùy thuộc vào độ chín của quả Trong lớp nhớt, có enzyme pectinase, đóng vai trò quan trọng trong việc phân giải pectin trong quá trình lên men.

Lớp vỏ trấu của cà phê chủ yếu chứa cellulose, bên cạnh đó còn có một lượng nhỏ cafein khoảng 0,4% được giải phóng từ hạt cà phê trong quá trình lên men hoặc phơi khô.

+ Lớp vỏ lụa: chúng có màu sắc và đặc tính khác nhau tùy theo loại cà phê

Vỏ lụa của cà phê chè có màu trắng bạc, mỏng manh và dễ tách khỏi hạt trong quá trình chế biến, trong khi vỏ lụa của cà phê vối lại mang màu nâu nhạt.

Nhân cà phê có lớp tế bào ngoài cứng với các tế bào nhỏ, bên trong chứa chất dầu, cùng với các tế bào lớn và mềm hơn Một quả cà phê thường chứa 1, 2 hoặc 3 nhân, nhưng thông thường chỉ có 2 nhân Thành phần hóa học trong nhân cà phê thay đổi tùy thuộc vào chủng loại, độ chín, điều kiện canh tác, phương pháp chế biến và bảo quản.

Bảng tỉ lệ các phần cấu tạo của quả cà phê ( tính theo % quả tươi).

Các loại vỏ và nhân Cà phê chè (%) Cà phê vối (%)

1.2.3 Cấu tạo của nhân cà phê:

Bao gồm 2 bộ phận: Phôi và mô dinh dưỡng.

Thành phần hóa học của nhân cà phê

Thành phần hóa học Tính bằng g/100g Tính bằng mg/100g

1.2.4 Tính chất vật lí của cà phê nhân:

− Cà phê nhân được bóc ra từ cà phê thóc Cà phê nhân có hình dáng bầu dục, có chiều dài khoảng 1cm, chiều rộng khoảng 0,5cm.

− Nhiệt dung riêng: c = 0,37 kcal/kg0C.

− Nhiệt độ đốt nóng hạt cho phép của cà phê nhân:

: nhiệt độ cho phép đốt nóng hạt. τ : thời gian sấy.

: là độ ẩm trung bình:

Quy trình sản xuất cà phê nhân

1.3.1 Giới thiệu các phương pháp sản xuất cà phê nhân:

Sản xuất cà phê nhân là quá trình loại bỏ lớp vỏ bọc quanh hạt cà phê để thu được cà phê nhân chất lượng cao Để đạt giá trị thương phẩm tối ưu, cà phê nhân sống cần được sấy khô đến độ ẩm yêu cầu của nhà chế biến Sau đó, cà phê có thể trải qua các quá trình chế biến tinh khiết hơn như rang, xay thành bột thô, hoặc sản xuất cà phê hòa tan Ngoài ra, còn có các sản phẩm phối chế như cà phê sữa và bánh kẹo cà phê Trong sản xuất cà phê nhân, có hai phương pháp chính được áp dụng.

+ Phương pháp sản xuất ướt.

+ Phương pháp sản xuất khô. a Phương pháp sản xuất ướt:

− Giai đoạn xát tươi và phơi sấy: loại bỏ các lớp vỏ, thịt, và chất nhờn bên ngoài và phơi sấy khô đến mức độ nhất định.

− Giai đoạn xay xát, loại bỏ các lớp vỏ trấu và một phần vỏ lụa, tạo thành cà phê nhân.

− Thích hợp trong mọi hoàn cảnh, mọi điều kiện khí hậu thời tiết.

− Rút ngắn được thời gian sản xuất, tăng năng suất nhà máy.

− Nâng cao chất lượng sản phẩm cà phê nhân.

− Phức tạp, tốn nhiều thiết bị, năng lượng.

− Đòi hỏi dây chuyền công nghệ cũng như thao tác kĩ thuật cao. b Phương pháp sản xuất khô:

Sau khi phơi quả cà phê đến một độ ẩm nhất định, quá trình tiếp theo là sử dụng máy xát khô để loại bỏ các lớp vỏ bao bọc nhân cà phê, mà không cần phải trải qua giai đoạn sản xuất cà phê thóc.

− Đơn giản, ít tốn năng lượng, nhân công.

− Phụ thuộc vào điều kiện thời tiết.

− Không đáp ứng được những yêu cầu về mặt chất lượng.

1.3.2 Dây chuyền sản xuất cà phê nhân (phương pháp khô): a Quy trình sản xuất: b Thuyết minh quy trình:

Cà phê sau khi thu hoạch được bảo quản và phân loại hạt, sau đó được làm sạch Tiếp theo, hạt cà phê được đưa vào thiết bị chà xát tươi để loại bỏ lớp vỏ và thịt, làm lộ lớp chất nhờn Hạt cà phê sau đó được rửa sạch để loại bỏ chất nhờn, rồi để ráo nước và xát khô, thu được cà phê nhân Cuối cùng, cà phê nhân được sấy khô và đóng bao sản phẩm, hoàn tất quy trình chế biến.

 Thu nhận và bảo quản quả cà phê

− Cà phê được thu hái bằng phương pháp thủ công, chủ yếu thu hái bằng tay

Thu nhận và bảo quản quả cà phê.

Sàng phân loại và làm sạch

Thu được cà phê nhân

Sấy Đóng gói , bảo quản

Sau khi thu hoạch, cà phê cần được vận chuyển ngay đến nơi chế biến để tránh ủ đống quá lâu Việc để cà phê lâu sẽ dẫn đến hiện tượng bốc nóng và dễ gây lên men, làm mất đi hương vị và tạo vị chua không mong muốn.

 Sàng phân loại và làm sạch.

Để đảm bảo sự đồng nhất về kích cỡ, màu sắc và khối lượng, việc phân loại cần được thực hiện ở nhiều khía cạnh như kích thước, khối lượng riêng và màu sắc, nhằm thuận lợi cho quá trình sản xuất tiếp theo.

Lớp vỏ quả chủ yếu chứa nước, gluxit và protein, không chỉ không góp phần vào chất lượng sản phẩm mà còn gây khó khăn như thối rữa và kéo dài thời gian phơi sấy Do đó, việc loại bỏ vỏ quả là cần thiết Bên cạnh đó, lớp vỏ thịt với thành phần chủ yếu là pectin cũng không có lợi cho các quá trình chế biến tiếp theo, vì vậy cũng cần phải được loại bỏ.

Phương pháp bóc vỏ quả thường sử dụng kỹ thuật cơ học, với các máy xát như Gosdon, Hamburg và Raoeng là những thiết bị phổ biến.

Mục đích của công đoạn này là loại bỏ các phẩm vật hình thành trong quá trình lên men và lớp vỏ nhớt bám trên hạt cà phê Đây là bước quan trọng vì nếu không loại bỏ triệt để, những tạp chất này sẽ ảnh hưởng đến màu sắc và mùi vị của hạt, đồng thời kéo dài thời gian phơi sấy.

Rửa cơ khí được thực hiện trong thiết bị rửa thùng quay với phun nước, mỗi mẻ rửa cần thực hiện 3 lần và khuấy đảo sau mỗi 15 phút Ngoài ra, có thể áp dụng phương pháp rửa thủ công bằng cách tiến hành trong bể nước, với việc thay nước hai lần.

Mục đích của việc làm ráo hạt cà phê sau khi rửa là để loại bỏ phần nước tự do, tránh hiện tượng "luộc" nguyên liệu khi sấy ngay Nếu không thực hiện bước này, lớp màng cứng sẽ hình thành bên ngoài hạt cà phê, dẫn đến thời gian sấy kéo dài và không đều, từ đó ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng thành phẩm.

 Xát khô: Quá trình xát khô yêu cầu phải:

− Tỉ lệ nát phải ở mức tối thiểu.

− Tỉ lệ cà phê còn vỏ sót lại phải thấp.

− Mức độ quạt sạch vỏ trấu phải cao.

− Cà phê được đưa qua cửa nạp liệu và đi vào trong thùng quay nhờ những đệm chẵn với hệ số đổ đầy β = 0,1 – 0,2.

− Tác nhân sấy là sử dụng khói lò tạo ra từ nhiên liệu đốt than từ buồng đốt được điều khiển tốc độ đi từ 2 – 3 m/s để tránh tạo bụi.

Theo thiết kế của thùng sấy, cà phê được sấy theo chiều đi cùng với khói lò, giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt Điều này không chỉ làm tăng hiệu quả sấy mà còn hỗ trợ trong việc bay hơi ẩm từ hạt cà phê.

− Nhờ độ nghiêng của thùng mà vật liệu sẽ được vận chuyển đi dọc theo chiều dài của thùng.

Cà phê sau khi sấy đạt tiêu chuẩn sẽ được chuyển ra qua cửa tháo liệu để tiếp tục các công đoạn sản xuất tiếp theo Hệ thống quạt hút sẽ xử lý khí thải, trong khi các xylon được bố trí để lọc bụi hiệu quả.

− Yêu cầu của cà phê trong kho bảo quản:

+ Xếp bao cà phê trên nền lót bằng ván để tránh hút ẩm.

+ Chuyển đổi vị trí bao 2 – 3 tuần một lần.

CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY

Năng suất thiết bị 500 kg khô/h

Chọn phương pháp sấy

Thiết bị sấy thùng quay là công cụ chuyên dụng trong công nghệ sau thu hoạch, dùng để sấy hạt ẩm có kích thước nhỏ Hệ thống này cho phép vật liệu sấy được đảo trộn mạnh, tối ưu hóa tiếp xúc với các tác nhân sấy, từ đó nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt, rút ngắn thời gian sấy và đảm bảo độ đồng đều cao cho sản phẩm Ngoài ra, thiết bị còn có khả năng làm việc với năng suất lớn, đáp ứng nhu cầu sản xuất.

2.1.2 Giới thiệu phương pháp sấy nóng Để sấy cà phê nhân, dùng phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy nóng nên độ ẩm tương đối giảm đến phân áp suất trong tác nhân sấy giảm.Mặt khác, nhiệt dộ vật liệu sấy tăng nên mật độ hơi trong các mao dẫn tăng lên do đó phân áp suất hơi nước trên bề mặt sấy cũng tăng theo Nghĩa là ở đây có sự chênh lệch phân áp suất giữa bề mặt vật liệu sấy và môi trường nhờ đó có sự dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường.

Có 2 cách để tạo độ chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường

− Giảm phân áp suất của tác nhân sấy bằng cách đốt nó.

Trong quá trình sấy hạt cà phê nhân tại thiết bị sấy thùng quay, phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy được tăng cường Các giai đoạn sấy diễn ra ổn định dọc theo chiều dài thùng, nơi hạt cà phê được nâng lên và rơi xuống, tiếp xúc với tác nhân sấy Quá trình này bao gồm truyền nhiệt và truyền khối, giúp bay hơi ẩm hiệu quả Nhờ độ nghiêng của thùng, vật liệu được vận chuyển dọc theo thùng và khi ra khỏi thùng, hạt cà phê đạt độ ẩm lý tưởng 12% cho quá trình bảo quản.

Sơ đồ nguyên lý của thiết bị

2.1.3 Chọn tác nhân sấy và chế độ sấy. a Chọn tác nhân sấy Đối với cà phê nhân ( chỉ còn có lớp lụa bên ngoài ) nên trong quá trình sấy yêu cầu sạch không bị ô nhiễm, bám bụi và yêu cầu nhiệt độ sấy không cao nên ta chọn tác nhân sấy là không khí ẩm. b Chọn chế độ sấy

Chế độ sấy trong hệ thống sấy thùng quay thường bao gồm 3 yếu tố chính: nhiệt độ tác nhân sấy vào thùng sấy, nhiệt độ ra khỏi thùng sấy và không có hồi lưu Quá trình sấy diễn ra khi hạt cà phê nhân được nâng đến độ cao nhất định, sau đó rơi xuống và tiếp xúc với tác nhân sấy, thực hiện các quá trình truyền nhiệt và truyền khối để làm bay hơi ẩm Để đảm bảo giữ được các tính chất về hương vị, màu sắc và các thành phần có trong hạt cà phê, cần chọn chế độ sấy thích hợp, bao gồm việc lựa chọn nhiệt độ tác nhân sấy vào và ra khỏi thùng sấy, tốc độ tác nhân sấy và thiết bị sấy phù hợp.

− Thông số của tác nhân sấy:

+ Nhiệt độ ra : t2 = th + (5 10 0 C) với th là nhiệt độ đốt nóng cho phép củ cà phê nhân.

− Thông số của vật liệu sấy:

+ Nhiệt độ vật liệu vào: tv1 = t0 = 26 0 C , độ ẩm không khí = 82% , p t5 mmHg (khí hậu ở Nha Trang)

+ Độ ẩm ban đầu của vật liệu 1 = 20%

+ Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy 2 = 12%

Xác định thời gian sấy là yếu tố quan trọng trong thiết kế và vận hành thiết bị sấy, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như loại vật liệu, hình dạng, kích thước, độ ẩm đầu vào và đầu ra, loại thiết bị sấy, phương pháp cung cấp nhiệt, và chế độ sấy (nhiệt độ, độ ẩm tương đối, tốc độ tác nhân sấy) Phương pháp xác định thời gian sấy bằng giải tích thường khó thực hiện và có độ chính xác thấp, do đó, thực tế thường dựa vào thực nghiệm, đặc biệt đối với cà phê nhân và thiết bị sấy thùng quay Thời gian sấy được chọn là 25 phút.

Tính toán quá trình sấy lý thuyết

Quá trình sấy lý thuyết không có hồi lưu biểu diễn trên đồ thị I-d

+ Điểm O : (t0, ) là trạng thái không khí bên ngoài

+ Điểm 1 : (t1, ) là trạng thái không khí vào buồng sấy

+ Điểm 2: (t 2 , ) là trạng thái không khí sau quá trình sấy lý thuyết

2.2.1 Tính toán trạng thái không khí bên ngoài

Không khí bên ngoài được sử dụng trong thiết bị sấy thường có nhiệt độ và độ ẩm ổn định hơn so với điều kiện bên ngoài Tại Việt Nam, nghiên cứu về vấn đề này còn hạn chế, vì vậy có thể chọn nhiệt độ t0 là 26°C và độ ẩm 82% (theo khí hậu Nha Trang) Các thông số xác định trạng thái không khí bên ngoài bao gồm nhiệt độ t0 và độ ẩm tương đối Từ đó, ta có thể tính toán được d0 = 0.622 (kg/kgkkk).

Hàm ẩm của không khí trước khi được đốt nóng được ký hiệu là d0, với đơn vị kg/kg Áp suất không khí ẩm được ký hiệu là p, tính bằng at Trong khi đó, áp suất bão hòa của hơi nước ở nhiệt độ t0 được ký hiệu là pbho.

I0 : là entanpy của không khí ở trạng thái ngoài trời, kJ/kgkkk

Cpk kJ/kgK: nhiệt dung riêng của không khí khô.

Cph kJ/kgK: nhiệt dung riêng của hơi nước r kJ/kg: nhiệt ẩn hóa hơi của nước

Khối lượng riêng của không khí khô :

Rk là hằng số chất khí, Rk = 287 (J/kg.kkk)

Rh là hằng số chất khí của hơi nước, Rh = 462 (J/kg.kkk)

2.2.2 Tính toán trạng thái không khí vào buồng sấy

− Lượng ẩm cần bốc hơi trong một giờ:

− Nhiệt độ đốt nóng cho phép: th = 2.218 – 4.343ln + [2-T.210] th = 2.218 – 4.343 ln + U.94 0 C

Lấy th 56 0 C Trong đó th là nhiệt độ cho phép đốt nóng hạt là thời gian sấy, = 25 phút =5/12 (giờ) là độ ẩm trung bình = 0.5 (20 + 12) %

− Trạng thái không khí vào thùng sấy: t1 = 80 0 C , d0 = d1 = 0.01757 (kg/kgkkk) t1 = 80 0 C Pbh1 = exp [2-T.216] t1 = exp = 0.4667(bar)

Do sấy lý thuyết nên d1 = d0 = 0.01757 (kg/kgkkk)

I1: entanpy của không khí vào buồng sấy, kJ/kgkkk

Cpk kJ/kgK : nhiệt dung riêng của không khí khô.

Cph kJ/kgK : nhiệt dung riêng của hơi nước r kJ/kg : nhiệt ẩn hóa hơi của nước

2.2.3 Trạng thái không khí cuối quá trình sấy

Khi chọn nhiệt độ t1, chúng ta cần xác định nhiệt độ t2 với điều kiện t2 phải lớn hơn t1 ít nhất 10 độ Để đảm bảo tính kinh tế, t2 nên được chọn sao cho độ ẩm tương đối không quá thấp và không gần trạng thái bão hòa Tuy nhiên, việc tăng t2 theo các công thức sẽ dẫn đến sự gia tăng phân áp suất hơi nước, làm giảm cường độ sấy Nếu chọn t2 bằng nhiệt độ cho phép, ta có t2 = th + 10 = 66 độ C.

Sau quá trình sấy lý thuyết, lượng ẩm của tác nhân sấy được xác định là d2 Từ đặc điểm của quá trình sấy lý thuyết với I = cosnt, ta có thể tính giá trị d2 bằng công thức d2 = (kg ẩm/kgkk) [2-T.217].

I1 = I2 = 126.694 ( kJ/kgkkk ) i2 = r + Cph t2 %00 + 1.9 66 = 2630.02 (kJ/kgK)

Cpk kJ/kgK : nhiệt dung riêng của không khí khô.

Cph kJ/kgK : nhiệt dung riêng của hơi nước r kJ/kg : nhiệt ẩn hóa hơi của nước

− Phân áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ t2 = 66 0 C Ta có :

− Khối lượng riêng của không khí khô:

Với nhiệt độ t2 = 40°C, độ ẩm tương đối của TNS ra khỏi thùng sấy sẽ cải thiện đáng kể so với điều kiện kinh tế Việc điều chỉnh nhiệt độ này giúp tối ưu hóa quy trình sấy và đạt được hiệu quả tốt hơn.

− Lượng chứa ẩm: d2 = 0.033 kg ẩm/kg kk

− Phân áp suất bão hòa của hơi nước ở nhiệt độ t2 = 40 0 C là Pbh2 = 0.0732 bar

Nhiệt độ t2 được chọn là 40 °C, hợp lý cho việc tiết kiệm nhiệt lượng Để xác định tính hợp lý của nhiệt độ t2 trong việc trao đổi ẩm, cần hiểu mối quan hệ giữa phân áp suất hơi nước trên bề mặt dạng hạt ph với nhiệt độ và độ ẩm Cần đảm bảo độ chênh lệch (ph – pa) đủ lớn để tối ưu hóa quá trình này.

2.2.4 Lượng TNS lý thuyết cần thiết l0 = = kgkk/kg ẩm [2-T.218]

Dựa vào phụ lục 5 (trang 349 - Tính toán thiết kế hệ thống sấy), phương pháp nội suy hai chiều cho phép tính toán thể tích khói ẩm chứa trong một kg khói khô trước và sau quá trình sấy lý thuyết Cụ thể, với nhiệt độ t1 = 80 °C và độ ẩm 5.77%, thể tích khói ẩm được xác định là v1 = 0.909 m³/kg khói khô.

(t2 , ) = ( 40 0 C , 68% ) ta có v2 = 0.9526 m 3 /kgkk.Do đó :

− Lưu lượng thể tích của TNS trước quá trình sấy V10 bằng :

− Lưu lượng TNS sau quá trình sấy lý thuyết V20 bằng :

− Lưu lượng thể tích trung bình Vtbo bằng :

2.2.5 Lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy lý thuyết

− Lượng nhiệt tiêu tốn để làm bay hơi 1kg ẩm bão hòa q = l0 (I1 – I0) = 180.832 (126.694 – 69.8249) = 10283.753 kJ/kg ẩm [3-T.47]

− Lượng nhiệt tiêu tốn cho cả quá trình sấy :

Xác định kích thước thiết bị sấy thùng quay

Các dữ liệu ban đầu :

− Năng suất thiết bị G2 = 500 kg khô/h

− Độ ẩm ban đầu của vật sấy w1 = 20%

− Độ ẩm cuối của vật sấy w2 = 12%

2.3.1 Lượng ẩm bốc ra trong quá trình sấy w = G2 = 500 kg ẩm/h [2-T.216]

− Khối lượng vật liệu vào thùng sấy :

2.3.2 Xác định kích thước của thùng sấy

− Xác định thể tích thùng sấy :

G1: Khối lượng vật liệu đi vào thùng quay, (kg/h) G1 = 550 kg/h

: Thời gian sấy cho 1 mẻ sấy, (phút) = 25 phút

= (0.2 0.3): hệ số điền đầy, chọn

: Khối lượng riêng của vật liệu sấy, (kg/m 3 )

− Xác định đường kính và chiều dài thùng sấy :

Chúng ta chọn tỷ số : L/D = 3.5 hay L = 3.5D Khi đó đường kính thùng sấy được xác định bởi đẳng thức :

Do đó chiều dài thùng sấy L là:

TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY

Mục đích tính toán nhiệt

Mục đích của tính toán nhiệt là xác định tiêu hao không khí dùng cho quá trình sấy

L (kg/h) và tiêu hao nhiệt Q (kJ/h) là các yếu tố quan trọng trong việc tính toán nhiệt để xác định kích thước cơ bản của thiết bị Bằng cách thiết lập cân bằng nhiệt và năng lượng của hệ thống, ta có thể đánh giá hiệu suất sử dụng năng lượng cũng như tiêu hao nhiệt riêng của thùng sấy và toàn bộ hệ thống.

Tính tổn thất nhiệt

3.2.1 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra ngoài:

− Nhiệt dung riêng của cà phê ra khỏi thùng sấy:

Trong đó: : là nhiệt dung riêng của cà phê ra khỏi thùng sấy

: Là nhiệt dung riêng của nước : Là nhiệt dung riêng của cà phê khô

− Khi đó tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi bằng:

3.2.2 Tổn thất nhiệt ra môi trường

Để tính toán tổn thất ra môi trường trong hệ thống sấy hầm, cần giả thiết tốc độ tác nhân sấy (TNS) w (m/s) Sau khi hoàn thành tính toán lượng TNS thực tế, chúng ta sẽ tiến hành kiểm tra lại giả thiết ban đầu về tốc độ này Cơ sở cho việc giả thiết tốc độ TNS là rất quan trọng trong quá trình này.

Tốc độ lý thuyết TNS trong thiết bị sấy được xác định bằng công thức w0 (m/s), là tỉ số giữa lưu lượng thể tích trung bình Vtb0 và tiết diện tự do của thùng sấy Với hệ số điền đầy β = 0,25, tiết diện tự do của thùng sấy có thể được tính gần đúng.

− Khi đó tốc độ TNS lý thuyết w0 bằng:

Chúng ta giả thiết tốc độ TNS trong quá trình sấy thực w = 1.5 m/s

Như vậy các dữ liệu để tính mật độ dòng nhiệt trung bình của TNS vào và ra khỏi thùng sấy:

Nhiệt độ dịch thể lạnh Nhiệt độ này chính là nhiệt độ môi trường:

− Thùng sấy làm bằng thép có chiều dày δ = 10mm và ta có hệ số dẫn nhiệt λ 36.1W/mK Như vậy thùng sấy có đường kính:

Do đó, kết cấu thùng sấy thỏa mãn quan hệ nên có thể xem trao đổi nhiệt đối lưu giữa TNS với môi trường qua vách phẳng.

Trong thùng sấy, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra thông qua cơ chế đối lưu cưỡng bức với vận tốc tác nhân giả thiết là w = 1.5m/s Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức giữa TNS và bề mặt trong của thùng sấy được tính toán theo công thức (7.46) trên trang 144 của tài liệu TTTKHTS.

Trao đổi nhiệt đối lưu bên ngoài của thùng sấy với không khí xung quanh được thực hiện thông qua quá trình trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên, thường xảy ra trong trạng thái chảy rối Hệ số trao đổi nhiệt α2 có thể được xác định theo công thức (7.50) (Tr.145-TTTKHTS).

Trong đó : là nhiệt độ mặt ngoài của thùng sấy, nhiệt độ này chưa biết

Như vậy mật độ dồng nhiệt sẽ phải thỏa mãn đẳng thức: q1 = q2 = q3

− Chọn t w1 = 51.315 0 C là nhiệt độ mặt trong của thùng sấy Ta có:

Mật độ dòng nhiệt trao đổi đối lưu:

− Nhiệt độ mặt ngoài của thùng sấy tw2:

Tiến hành thực hiện nhiều lần trên excel ta được kết quả : tw1 = 51.315 0 C tw2 = 48.331 0 C α1 = 12.405W/m 2 K α2 = 4.824W/m 2 K

− Đương nhiên khi mật độ dòng nhiệt thỏa mãn các đẳng thức trên đây thì nó cũng phải thỏa mãn phương trình truyền nhiệt:

Trong đó: k là hệ số truyền nhiệt và bằng:

Diện tích bao quanh thùng sấy F được tính tương tự như truyền nhiệt qua vách phẳng, với diện tích này tương ứng với diện tích hình trụ dựa trên đường kính trung bình Do đó, diện tích F bao gồm cả diện tích ống dẫn và ống thải ở hai đầu thùng sấy.

Theo kinh nghiệm ta lấy:

− Do đó tổn thất nhiệt ra môi trường Qmt bằng:

Trong hệ thống sấy thùng quay, tổng tổn thất nhiệt được tính bằng tổng tổn thất nhiệt do VLS mang đi và tổn thất nhiệt tỏa ra môi trường Tổng tổn thất này là yếu tố quan trọng cần được xem xét để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống sấy.

Tính toán quá trình sấy thực tế

3.3.1 Tính giá trị tổng tổn thất Δ: Δ Với Δ là tổng đại số của tổn thất nhiệt và gia nhiệt bổ sung, [kJ/kg ẩm] [2-T.221]

3.3.2 Xác định các thông số của TNS sau quá trình sấy thực:

Nếu tính bằng đồ thị I-d chúng ta đặt đoạn Nối BE0 cắt đường t2 = 40 0 C ta sẽ được điểm C biểu diễn trạng thái của TNS sau quá trình sấy thực

Từ nhiệt độ C, chúng ta có thể xác định entanpi I2, lượng chứa ẩm d2 và độ ẩm tương đối φ2 sau quá trình sấy thực Việc này có thể được thực hiện thông qua các công thức giải tích.

− Để tính các thông số TNS sau quá trình sấy thực, trước hết ta tính nhiệt dung riêng dẫn xuất của TNS trước quá trình sấy Cdx(d1) Ta có:

Cdx(d1)= C pk + Cpa×d1= 1 + 1.97×0.01757 = 1.035 kJ/kg kk [2-T.221]

Cpk kJ/kgK : nhiệt dung riêng của không khí khô.

Cpa kJ/kgK : nhiệt dung riêng của hơi nước

Ta có: i2 = r + Cpa t2 %00 + 1.9 40 = 2578.8 kJ/kg.K [2-T.221] r kJ/kg : nhiệt ẩn hóa hơi của nước

− Lượng chứa ẩm d2 của TNS sau quá trình sấy thực bằng: [2-T.221] d2 = d1 + = 0.01757 + = 0.032 kJ/kg kk

− Entanpi I 2 của trạng thái này có thể tính theo công thức:

− Độ ẩm tương đối φ2 của TNS sau quá trình sấy thực: φ 2 = [2-T.221]

3.3.3 Lượng TNS thực tế: l = kg/kg kk ẩm [2-T.221]

3.3.4 Lưu lượng thể tích trung bình trong quá trình sấy thực:

− Lưu lượng thể tích ở trạng thái trước quá trình sấy V1 Trên kia chúng ta đã có thể tích của 1kg khói khô ở trạng thái t1 = 80 0 C và φ1 = 5.77%, v1= 0.909m 3 /kg kk Do đó:

− Lưu lượng thể tích ở trạng thái trước quá trình sấy V2 Trên kia chúng ta đã có thể tích của 1kg khói khô ở trạng thái t2 = 40 0 C và φ2 = 68%, v2= 0.9526m 3 /kg kk Như vậy:

− Lưu lượng thể tích trung bình trong quá trình sấy thực Vtb:

Vtb = 0,5(V1 + V2) = 0.5(0.82+0.86) = 0.84 m 3 /s [2-T.222] Đây là một trong hai căn cứ để chọn quạt.

3.3.5 Kiểm tra lại giả thiết về tốc độ TNS:

− Tốc độ TNS trong quá trình sấy thực bằng:

Như vậy giả thiết w = 1.5 m/s khi tính tổn thất hoàn toàn có thể xem là chính xác.

3.3.6 Thiết lập bảng cân bằng nhiệt: Để thiết lập bảng cân bằng nhiệt ta tính:

− Nhiệt lượng có ích q1: kJ/kg ẩm [2-T.222]

− Tổn thất nhiệt do TNS mang đi q2: q2 = l×Cdx(d1)×(t2 – t0) = 64.81×1.035×(40 − 26) = 939.1 kJ/kg ẩm

Vậy tổng nhiệt lượng có ích và các tổn thất là q’: [2-T.223] q’=q1 + q2 + qv + qmt $70.12 + 939.1 + kJ/kg ẩm

Theo nguyên tắc, nhiệt lượng tiêu hao (q) và tổng nhiệt lượng có ích cùng với các tổn thất (q’) phải bằng nhau Tuy nhiên, trong quá trình tính toán, có thể xuất hiện sai số do làm tròn số hoặc sai số từ việc tra cứu đồ thị, dẫn đến sai số tuyệt đối: Δq = q – q’ = 3941.03 – 172.638 kJ/kg ẩm.

Hay sai số tương đối ε bằng: ε = [2-T.223]

Sai số này trong tính toán nhiệt là cho phép.

TT Đại lượng Ký hiệu kJ/kg ẩm %

2 Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy q2 939.1 23.83

3 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy qv 6.62

4 Tổn thất nhiệt do môi trường qmt 2.5

5 Tổng nhiệt lượng tính toán q’ 95.62

6 Tổng nhiệt lượng tiêu hao q 3941.03 100

Dựa vào số liệu trong bảng cân bằng nhiệt, có thể nhận thấy tổn thất nhiệt do tác nhân sấy và vật liệu sấy là đáng kể, trong khi tổn thất nhiệt ra môi trường rất nhỏ và có thể bỏ qua Do đó, việc lựa chọn nhiệt độ của TNS ra khỏi thùng sấy (t2) là rất quan trọng Khi thiết kế hệ thống sấy thùng quay, cần chú ý đến yếu tố này Hơn nữa, tính toán cho thấy nhiệt độ cho phép của cà phê nhân th lớn hơn nhiều so với nhiệt độ kinh tế t2, vì vậy trong tính toán hệ thống sấy cà phê nhân, vấn đề này có thể không cần phải quan tâm.