Đây là 1 bản hoàn chỉnh và đầy đủ, có kèm theo file vẽ chúc các bạn làm tốt. Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng rất nhiều trong công nghệ sản xuất và đời sống thực tế. Đặc biệt, trong các ngành công nghiệp thực phẩm, chế biến, hóa chất, sản xuất vật liệu xây dựng ,… kỹ thuật sấy đóng một vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất. Sản phẩm sau khi được sấy có độ ẩm thích hợp cho việc bảo quản, vận chuyển, chế biến, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Cà phê (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp café /kafe/) là một loại thức uống được ủ từ hạt cà phê rang, lấy từ quả của cây cà phê. Các giống cây cà phê được bắt nguồn từ vùng nhiệt đới châu Phi và các vùng Madagascar, Comoros, Mauritius và Réunion trên Ấn Độ Dương. Giống cây này được xuất khẩu từ châu Phi tới các nước trên thế giới và hiện nay đã được trồng tại tổng cộng hơn 70 quốc gia, chủ yếu là các khu vực nằm gần đường xích đạo thuộc châu Mỹ, Đông Nam Á, Ấn Độ và châu Phi. Hai giống cà phê được trồng phổ biến nhất là cà phê chè, và cà phê vối. Sau khi chín, quả cà phê sẽ được hái, chế biến và phơi khô. Hạt cà phê khô sẽ được rang trong nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau, tùy thuộc vào nhu cầu thị hiếu. Hạt cà phê sau khi rang sẽ được đem đi xay và ủ với nước sôi để tạo ra cà phê dưới dạng thức uống. Cà phê có ít tính axit và có thể gây kích thích đối với người sử dụng do có chứa hàm lượng cafein. Cà phê ngày nay là một trong những thức uống phổ biến trên thế giới. Thức uống này có thể được chuẩn bị và phục vụ theo nhiều dạng uống khác nhau (ví dụ như espresso, cà phê bình, latte,...). Cà phê thường được thưởng thức nóng, dù cà phê đá cũng được nhiều người ưa dùng. Nhiều nghiên cứu lâm sàng cho thấy lượng cà phê tiêu thụ trung bình hoặc vừa đủ có lợi đối với một người lớn khỏe mạnh. Cà phê là một mặt hàng xuất khẩu lớn: đứng đầu trong số các mặt hàng xuất khẩu nông nghiệp tại nhiều quốc gia và là một trong những mặt hàng xuất khẩu nông nghiệp hợp pháp lớn nhất trên thế giới. Đây cũng là loại hàng hóa có giá trị xuất khẩu nhất của các quốc gia đang phát triển. Cà phê xanh (không rang) cũng là một trong những mặt hàng nông nghiệp được buôn bán nhiều nhất trên thế giới. Trên cơ sở những kiến thức đã được học và sự hướng dẫn của cô giáo trong đồ án môn học này, em xin trình bày về “ Tính toán thiết kế sấy thùng quay sấy hạt cà phê với năng suất 2000kg/h” với nội dung bao gồm các phần sau: Phần I: Tổng quan Phần II: Tính toán công nghệ sấy Phần III: Tính chọn thiết bị phụ trợ Do trình độ, kinh nghiệm nghiên cứu và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên em không thể tránh khỏi những sai sót trong quá trình tính toán, thiết kế đồ án này, rất mong được thầy cô góp ý, chỉ bảo để em có thể bổ sung, củng cố kiến thức cho bản thân.
Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng Mục lục LỜI MỞ ĐẦU Sấy trình công nghệ sử dụng nhiều công nghệ sản xuất đời sống thực tế Đặc biệt, ngành cơng nghiệp thực phẩm, chế biến, hóa chất, sản xuất vật liệu xây dựng ,… kỹ thuật sấy đóng vai trò quan trọng dây chuyền sản xuất Sản phẩm sau sấy có độ ẩm thích hợp cho việc bảo quản, vận chuyển, chế biến, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm Cà phê (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp café /kafe/) loại thức uống ủ từ hạt cà phê rang, lấy từ cà phê Các giống cà phê bắt nguồn từ vùng nhiệt đới châu Phi vùng Madagascar, Comoros, Mauritius Réunion Ấn Độ Dương Giống xuất từ châu Phi tới nước giới trồng tổng cộng 70 quốc gia, chủ yếu khu vực nằm gần đường xích đạo thuộc châu Mỹ, Đơng Nam Á, Ấn Độ châu Phi Hai giống cà phê trồng phổ biến cà phê chè, cà phê vối Sau chín, cà phê hái, chế biến phơi khô Hạt cà phê khô rang nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau, tùy thuộc vào nhu cầu thị hiếu Hạt cà phê sau rang đem xay ủ với nước sôi để tạo cà phê dạng thức uống Cà phê có tính axit gây kích thích người sử dụng có chứa hàm lượng cafein Cà phê ngày thức uống phổ biến giới Thức uống chuẩn bị phục vụ theo nhiều dạng uống khác (ví dụ espresso, cà phê bình, latte, ) Cà phê thường thưởng thức nóng, dù cà phê đá nhiều người ưa dùng Nhiều nghiên cứu lâm sàng cho thấy lượng cà phê tiêu thụ trung bình vừa đủ có lợi người lớn khỏe mạnh Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng Cà phê mặt hàng xuất lớn: đứng đầu số mặt hàng xuất nông nghiệp nhiều quốc gia mặt hàng xuất nông nghiệp hợp pháp lớn giới Đây loại hàng hóa có giá trị xuất quốc gia phát triển Cà phê xanh (không rang) mặt hàng nông nghiệp buôn bán nhiều giới Trên sở kiến thức học hướng dẫn cô giáo đồ án môn học này, em xin trình bày “ Tính toán thiết kế sấy thùng quay sấy hạt cà phê với suất 2000kg/h” với nội dung bao gồm phần sau: Phần I: Tổng quan Phần II: Tính toán công nghệ sấy Phần III: Tính chọn thiết bị phụ trơ Do trình độ, kinh nghiệm nghiên cứu tài liệu tham khảo hạn chế nên em khơng thể tránh khỏi sai sót q trình tính tốn, thiết kế đồ án này, mong thầy góp ý, chỉ bảo để em bổ sung, củng cố kiến thức cho thân Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng PHẦN I TỔNG QUAN Giới thiệu đối tương sấy Thành phần hóa học cà phê: Vỏ quả: Quả chín có màu đỏ, chất Antoxian, có vết Alkaloid, Tannin, Caffein loại Enzin Trong có 21-30% chất khơ Vỏ thịt: Là lớp nhớt gồm tế bào mềm khơng có Caffein, Tanin có nhiều đường Pectin Độ PH lớp thịt phụ thuộc vào độ chín thường 5,6 lên đến 6,4 lớp nhớt có enzim pectinase phân giải pectin trình lên men Vỏ trấu: Vỏ trấu chứa Cellulose chủ yếu Sau thành phần hóa học vỏ trấu: Một Caffein (khoảng 0,4%) khuếch tán từ nhân cà phê lúc lên men lúc phơi khô Vỏ trấu dung làm chất đốt dễ cháy Nhân cà phê: Thành phần nước chiếm 10-12%, Protein chiếm 9-11%, Lipit chiếm 10-13%, loại đường chiếm 5-10%, tinh bột chiếm 3-5% Ngoài nhân chứa chất thơm, Alkaloid Thành phần hóa học nhân cà phê biến đổi phụ thuộc vào chủng loại, độ chín, điều kiện canh tác, phương pháp chế biến bảo quản Nước: Trong cà phê sấy khơ lượng nước lại khoảng 10-12% dạng liên kết Khi hàm lượng nước cao loại nấm mốc phát triển mạnh làm hỏng hạt, mặt khác rang tốn nhiều nhiên liệu thất thoát hương nhiều Hàm lượng nước sau rang 2,7 % Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng Cơng thức hóa học cafein Chất khống: Hàm lượng chất khoáng hạt cà phê khoảng 3-5% chủ yếu Kali, Nitơ, Magie, Photpho, Chlo Ngồi có chất nhôm, sắt, đồng, lưu huỳnh Những chất ảnh hưởng không tốt đến mùi cà phê Chất lượng cà phê cao khống chất thấp ngược lại Glucid: Chiếm ½ tổng số chất khơ, đại phận không tham gia vào thành phần nước uống mà chỉ cho màu vị Caramen Đường có cà phê trình thủy phân tác dụng Axit hữu Enzim thủy phân Hàm lượng Saccharose có cà phê phụ thuộc vào độ chín Quả chín hàm lượng cao Saccharosa bị Caramen hóa q trình rang tạo thành hương vị cho nước cà phê Protein: Hàm lượng Protein khơng cao đóng vai trò quan trọng trình hình thành hương vị sản phẩm Bằng phương pháp thủy phân, người ta nhận thấy thành phần Protein có Axit Amin sau: Cystein, Alanie, APhenylalanine, Histidine, Leucine, Lysine, Derine Các Axit Amin thấy dạng tự Chúng giải phóng tác dụng với tác dụng với chất tạo mùi vị cho cà phê rang Trong chất Axit Amin kể đáng ý Axit Amin có chứa lưu huỳnh Cystein, Methionine Proline Chúng góp phần tạo hương đặc trưng cà phê sau rang Đặc biệt, Methionine Proline có tác dụng làm giảm oxy hóa chất thơm, làm cho cà phê rang giữ mùi vị bảo quản Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng Trong q trình chế biến chỉ có phần Protein bị phân giải thành Axit Amin, phần lại biến thành hợp chất không tan Lipid: Hàm lượng Lipid chiếm lớn 10-13% Chủ yếu dầu sáp Trong sáp chiếm 7-8%, lại dầu chiếm khoảng 90% Trong trình chế biến, Lipid bị biến đổi, song phần Axit béo tham gia tác dụng nhiệt độ cao tạo nên hương thơm cho sản phẩm Lượng Lipid không bị biến đổi dung môi tốt hòa tan chất thơm Khi pha cà phê chỉ lượng nhỏ Lipid vào nước phần lớn lưu lại bã Các Alcaloid: Trong cà phê có Alcaloid như: Caffein, Trigonulin, Colin Trong quan trọng nghiên cứu nhiều Caffein Trigonulin Caffein: Chiếm từ 1-3% Phụ thuộc vào chủng loại cà phê, điều kiện khí hậu, điều kiện canh tác Hàm lượng Caffein cà phê chè lại kích thích hệ thần kinh với thời gian dài Vì uống cà phê chè tốc độ lưu thông máu không tăng lên nên Caffein thải chậm Mặc khác pha cà phê nước, Caffein giải phóng hồn tồn tự do, khơng hình thành khả kết tủa chất khơng có hoạt tính Ancaloit Trigonellin (Acid Metyl Betanicotic: C7H7NO2): Là ancanoit khơng có hoạt tính sinh lý, tan rượu Etylic, không tan Clorofoc Ete, tan nhiều nước nóng, nhiệt độ nóng chảy 2180 C Tính chất đáng quý Trigonellin tác dụng nhiệt độ cao bị thủy phân tạo thành Acid Nicotic (tiền Vitamin PP ) Nhiều kết nghiên cứu cho thấy cà phê nhân Acid Nicotic hình thành q trình gia nhiệt nhiệt phân Trigonellin giữ vị trí quan trọng Chất thơm: Trong cà phê hàm lượng chất thơm nhỏ, hình thành tích lũy hạt Nó tích lũy nhiều yếu tố đất đai, khí hậu chủng loại cà phê Mặc khác hình thành trình chế biến cà phê, đặc biệt trình rang Chất thơm bao gồm nhiều phân tử cấu thành như: Acid, Adehid, Ceton, rượu, Phynol, Este Trong q trình rang chất thơm ban đầu có mùi hắc sau chuyển thành mùi thơm Các chất thơm cà phê dễ bị bay hơi, biến đổi dẫn đến tượng cà phê bị mùi thơm nên cần đựng bao bì kín tiêu thụ nhanh Khái niệm chung về sấy a Định nghĩa Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng Sấy trình tách ẩm khỏi bề mặt vật liệu nhờ sử dụng nhiệt Quá trình sấy nhằm mục đích giảm bớt khối lượng, tăng độ bền vật liệu; bảo quản tốt vật liệu thời gian dài, sản phẩm nông sản, lương thực, thực phẩm; giảm lượng tiêu tốn trình vận chuyển vật liệu; đảm bảo thơng số kĩ thuật cho q trình gia cơng vật liệu b Phân loại Quá trình sấy bao gồm phương thức: • • Sấy tự nhiên: phương pháp sử dụng trực tiếp lượng tự nhiên lượng mặt trời, lượng gió, để làm bay nước Phương pháp đơn giản, không tốn lượng, rẻ tiền Tuy nhiên không điều chỉnh tốc độ sấy theo yêu cầu kĩ thuật nên suất thấp, phụ thuộc vào thời tiết, cần diện tích bề mặt lớn, điều kiện vệ sinh kém, Do phương pháp áp dụng cho sản xuất quy mơ nhỏ lẻ, hộ gia đình Sấy nhân tạo: phương pháp sấy sử dụng nguồn lượng người tạo ra, thường tiến hành thiết bị sấy, cung cấp nhiệt cho vật liệu ẩm Sấy nhân tạo có nhiều dạng, tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà kĩ thuật sấy chia làm dạng: - - Sấy đối lưu: phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với khơng khí nóng, khói lò, (gọi tác nhân sấy) Sấy tiếp xúc: phương pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc với nhiệt độ sấy mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua vách ngăn Sấy tia hồng ngoại: phương thức sấy dùng tia hồng ngoại phát từ nguồn nhiệt để gia nhiệt cho vật liệu sấy Sấy dòng điện cao tần: phương thức sấy dùng lượng điện trường có tần số cao để đốt nóng tồn chiều dày lớp vật liệu Sấy thăng hoa: phương pháp sấy mơi trường có độ chân khơng cao, nhiệt độ thấp nên ẩm tự vật liệu đóng băng bay từ trạng thái rắn thành mà không qua trạng thái lỏng c Nguyên lí của quá trình sấy Quá trình sấy q trình chuyển khối có tham gia pha rắn phức tạp bao gồm trình khuếch tán bên bên ngồi vật liệu rắn đồng thời với q trình truyền nhiệt Đây trình nối tiếp nghĩa Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng trình chuyển lượng nước vật liệu từ pha lỏng sang pha sau tách pha khỏi vật liệu ban đầu Động lực trình chênh lệch độ ẩm lòng vật liệu bề mặt vật liệu Quá trình khuếch tán chuyển pha chỉ xảy áp suất bề mặt vật liệu lớn áp suất riêng phần nước mơi trường khơng khí xung quanh Vận tốc tồn q trình quy định giai đoạn chậm Ngoài tùy theo phương pháp sấy mà nhiệt độ yếu tố thúc đẩy cản trở trình di chuyển ẩm từ vật liệu sấy bề mặt vật liệu sấy Trong q trình sấy mơi trường khơng khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng lớn trực tiếp đến vận tốc sấy Do cần nghiên cứu tính chất thơng số q trình sấy Tóm lại, nghiên cứu q trình sấy phải nghiên cứu hai mặt trình sấy: - - Mặt tĩnh lực học: dựa vào cân vật liệu cân nhiệt lượng ta tìm mối quan hệ thông số đầu cuối vật liệu sấy tác nhân sấy để từ xác định thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy lượng nhiệt cần thiết cho trình sấy Mặt động lực học: tức nghiên cứu mối quan hệ biến thiên độ ẩm vật liệu với thời gian sấy thông số q trình như: tính chất, cấu trúc, kích thước vật liệu sấy điều kiện thủy động lực học tác nhân sấy để từ xác định chế độ thời gian sấy thích hợp d Tác nhân sấy Tác nhân sấy chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách từ vật liệu sấy Trong q trình sấy, mơi trường buồng sấy ln bổ sung ẩm từ vật liệu sấy Nếu độ ẩm không mang độ ẩm tương đối buồng sấy tăng lên đến lúc đạt cân vật liệu sấy môi trường buồng sấy, q trình ẩm vật liệu ngừng lại - Vì vậy, nhiệm vụ tác nhân sấy: Gia nhiệt cho vật liệu sấy Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường Bảo vệ vật liệu sấy khỏi bị hỏng nhiệt Tùy theo phương pháp sấy mà tác nhân sấy thực hay nhiều nhiệm vụ Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng Các loại tác nhân sấy: Không khí ẩm: loại tác nhân sấy thơng dụng nhất, dùng cho hầu hết loại sản phẩm Dùng khơng khí ẩm có nhiều ưu điểm: khơng khí có sẵn tự nhiên, không độc, không làm sản phẩm sau sấy ô nhiễm thay đổi mùi vị Tuy nhiên, dùng không khí ẩm làm tác nhân sấy cần trang bị thêm gia nhiệt khơng khí (calorifer khí – hay khí – khói), nhiệt độ sấy khơng q cao Thường nhỏ 5000C nhiệt độ cao thiết bị trao đổi nhiệt phải chế tạo thép hợp kim hay gốm sứ với chi phí đắt Khói lò: khói lò dùng làm tác nhân sấy nâng nhiệt độ sấy lên 1000 C mà không cần thiết bị gia nhiệt, nhiên làm vật liệu sấy bị nhiễm bụi chất có hại CO2, SO2, Hơi quá nhiệt: tác nhân sấy dùng cho loại sản phẩm dễ bị cháy nổ có khả chịu nhiệt độ cao Hỗn hơp không khí nước: tác nhân sấy chỉ dùng độ ẩm tương đối cao e Thiết bị sấy Do điều kiện sấy mỡi trường hợp sấy khác nên có nhiều kiểu thiết bị sấy khác để phù hợp với loại vật liệu sấy riêng biệt Có nhiều cách phân loại thiết bị sấy: - Dựa vào tác nhân sấy: thiết bị sấy khơng khí hay thiết bị sấy khói lò, ngồi có nhiều thiết bị sấy phương pháp đặc biệt sấy thăng hoa, sấy tia hồng ngoại, sấy dòng điện cao tần, - Dựa vào áp suất làm việc: thiết bị sấy chân không hay thiết bị sấy áp suất thường - Dựa vào phương pháp cấp nhiệt cho trình sấy: thiết bị sấy tiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu hay thiết bị sấy xạ, - Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải - Dựa vào chiều chuyển động tác nhân sấy: chiều hay ngược chiều • Chọn thiết bị, tác nhân phương án sấy: Chọn thiết bị sấy: vào ưu nhược điểm loại thiết bị sấy đặc điểm vật liệu sấy cà phê, ta chọn thiết bị sấy hệ thống sấy Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang Đồ án trình thiết bị • • Nguyễn Xuân Tùng thùng quay Hệ thống sấy thùng quay hệ thống chuyên dùng để sấy vật liệu hạt, cục nhỏ Loại thiết bị dùng rộng rãi công nghệ thu hoạch để sấy vật liệu ẩm dạng hạt có kích thước nhỏ Chọn tác nhân sấy: cà phê sản phẩm thực phẩm dùng làm nguyên liệu chế biến sản xuất sản phẩm thực phẩm nhiều sản phẩm khác Vì u cầu q trình sấy phải sạch, khơng bị ô nhiễm, bám bụi Mặt khác, sấy cà phê có đường kính tương đối lớn nên để nhiệt ta chọn tác nhân sấy khơng khí nóng Chọn phương án sấy: cà phê sấy liên tục với tác nhân khơng khí nóng Vật liệu tác nhân sấy qua xyclon thu hồi bụi thải khí ngồi mơi trường f Chế đợ sấy Chế độ sấy cách thức tổ chức trình truyền nhiệt truyền chất tác nhân sấy vật liệu sấy, thơng số để đảm bảo suất, chất lượng sản phẩm yêu cầu chi phí vận hành chi phí lượng hợp lí Một số chế độ sấy thường gặp: - Chế độ sấy có đốt nóng trung gian: chế độ sấy dùng để sấy vật liệu không chịu nhiệt độ cao Chế độ sấy hồi lưu phần: chế độ sấy tiết kiệm lượng lại tốn nhiều chi phí đầu tư thiết bị Chế độ sấy hồi lưu toàn phần: chế độ sấy kín tác nhân sấy hồi lưu hồn tồn Chế độ dùng để sấy sản phẩm không chứa nước mà loại chứa tinh dầu cần thu hồi Giới thiệu về hệ thống sấy thùng quay Cấu tạo hệ thống sấy thùng quay thùng sấy hình trụ tròn đặt nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang khoảng 1-5 độ Có hai vành đai trượt lăn đỡ thùng quay Khoảng cách lăn điều chỉnh để thay đổi góc nghiêng thùng Thùng sấy quay vối tốc độ 1,5-8 vòng/phút nhờ động điện thông qua hộp giảm tốc Bên thùng có lắp cánh đảo để xáo trộn vật liệu làm cho hiệu suất đạt cao hơn, phía cuối thùng có hộp tháo sản phẩm Hệ thống sấy thùng quay làm việc áp suất khí Tác nhân sấy khơng khí hay khí lò Tác nhân sấy vật liệu chuyển động Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng chiều ngược chiều Vận tốc tác nhân sấy thùng không 3m/s để tránh vật liệu bị nhanh khỏi thùng Vật liệu ướt qua phễu nạp liệu vào thùng sấy đầu cao Thân thùng sấy quay tròn, vật liệu sấy vừa bị xáo trộn vừa dần từ đầu cao xuống đầu thấp thùng Nó chuyển động nhờ đệm chắn Đệm chắn vừa phân bố vật liệu theo tiết diện thùng, vừa xáo trộn vật liệu, làm cho vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy tốt Trong trình này, tác nhân sấy vật liệu sấy trao đổi nhiệt ẩm cho Vật liệu hết chiều dài thùng sấy lấy vận chuyển vào kho nhờ băng tải tác nhân sấy qua xyclon để thu hồi vật liệu sấy theo thải mơi trường • Sơ đồ ngun lí hệ thống thiết bị sấy thùng quay: Trong trình sấy dùng chất tải nhiệt (tác nhân sấy) khơng khí gọi sấy khơng khí Khi sấy, khơng khí nóng tiếp xúc với bề mặt vật liệu ẩm làm bốc nước vật liệu ẩm tạo thành hỡn hợp khơng khí ẩm Ưu, nhươc điểm của hệ thống sấy thùng quay: - Ưu điểm: + Quá trình sấy đặn mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt vật liệu sấy tác nhân sấy + Cường độ làm việc tính theo lượng ẩm cao, lên tới 100kg/m3.h + Thiết bị đơn giản, dễ vận hành, chiếm diện tích mặt nhỏ Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 10 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xn Tùng Để tính tổn thất nhiệt mơi trường phải giả thiết tốc độ tác nhân sấy w(m/s) Sau tính tốn xong lượng tác nhân sấy thực kiểm tra lại giả thiết Cơ sở để giả thiết tốc độ tác nhân sấy thiết bị sấy thực tế tốc độ sấy lí thuyết w0(m/s) Tốc độ tỉ số lưu lượng thể tích trung bình Vtb tiết diện tự thùng sấy Chon β=0,1 Tiết diện tự thùng sấy tính gần Ftd = (1-β).Fts = == 1,05(m2) Tốc độ tác nhân sấy lí thuyết là: w0 === 2,3(m/s) Giả sử tốc độ tác nhân sấy trình sấy thực w=2,5(m/s) Như liệu để tính mật độ dòng nhiệt gồm: + Nhiệt độ dịch thể nóng trường hợp nhiệt độ trung bình tác nhân sấy vào khỏi thùng sấy: tf1 = 0,5.(t1+t2) = 0,5.(80+35) = 57,50C + Nhiệt độ dịch thể lạnh Nhiệt độ nhiệt độ môi trường: tf2=t0=250C Thùng đươc cấu tạo từ lớp từ sau: STT lớp Tên lớp Lớp thùng quay Lớp bảo ôn Lớp bảo vệ Chất liệu Kí hiệu độ dày Thép CT3 δ1 Bông thủy tinh δ2 Thép CT3 δ3 Độ dày 5mm 50mm 1mm Các trình truyền nhiệt xảy ra: + Quá trình cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành thiết bị + Quá trình dẫn nhiệt từ thành ngồi thiết bị + Q trình cấp nhiệt từ thành ngồi thiết bị đến mơi trường Hệ số truyền nhiệt từ tác nhân sấy ngồi mơi trường xung quanh tính: K = (W/m2 độ) Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 16 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xn Tùng Trong đó: α1: hệ số cấp nhiệt từ vật liệu sấy đến thành thiết bị sấy (W/m2.độ) α2: hệ số cấp nhiệt từ thành ngồi mơi trường r: hệ số dẫn nhiệt thành thiết bị δ: chiều dày thiết bị (m) Lớp bọc thép bên cách nhiệt với bề dày 1mm có tác dụng chủ yếu để bảo vệ, tổn thất nhiệt qua lớp không đáng kể nên tính tốn bỏ qua Vậy chỉ tính hệ số dẫn nhiệt lớp thép lớp bơng thủy tinh Lớp thép có hệ số dẫn nhiệt r1 = 71,58(W/m.độ) Bông thủy tinh có hệ số dẫn nhiệt a r2 = 0,0375(W/m.độ) Quá trình trao đổi nhiệt từ tác nhân sấy đến thiết bị sấy + Vì thùng thép có độ dày δ =0,056m nên ta có D2/D1 = 1,277/1,221 nhỏ nên ta coi truyền nhiệt qua tường phẳng + Phía thùng sấy trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng với tốc dộ TNS 2,5 m/s Khi hệ số trao dổi nhiệt đối lưu cưỡng tính theo cơng thức (7.46) (tr.144- [1]) α1 = 6,15 + 4,17w = 6,15 + 4,17.2,5 = 16,575(W/m2.độ) b Quá trình trao đổi nhiệt từ thiết bị sấy môi trường + Trao đổi nhiệt thành thiết bị với khơng khí bên ngồi theo kinh nghiệm trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên với dòng chảy rối Do hệ số trao đổi nhiệt đối lưu α2 tính theo cơng thức (7.50) (tr.145-[1]) α2 = 1,715 + Ta chọn nhiệt độ tường tw1=56,360C Có q1 = α1( 57,5- tw1) =16,575( 57,5- tw1) q2 = m (tw1 – tw2) với m = = 0,75(W/m2.độ) q3 = 1,715 Đại học Bách Khoa Hà Nội (1) (2) (3) Trang 17 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng Ta thay tw1 vào (1) ta q1 = 18,9(W/m2 ) Coi trình truyền nhiệt ổn định nên q1 =q2 , ta thay q2 vào (2) ta tw2 = 31,160C Ta thay tiếp tw2 vào (3) thu q3 = 19,38(W/m2 ) Xét thấy q1 ~ q2 với sai số chấp nhận nên chấp nhận giả thiết tw1=56,360C Suy ra: α2 = 3,142(W/m2.độ) c Tính hệ số truyền nhiệt K = = = 0,584(W/m2 độ) Mật độ dòng nhiệt: q = k.(tf1-tf2) = 0,584.(57,5-25) = 18,98(W/m2 độ) Diện tích bao quanh thùng sấy F: Vì tính truyền nhiệt qua thùng sấy truyền nhiệt qua vách phẳng nên diện tích bao quanh thùng sấy diện tích phần hình trụ tính thêm đường kính trung bình: F = π.Dtb.L+ (m2) Với Dtbn = = = 1,277(m) →F = π.1,277.4,274+2π.= 19,7(m2) Tổn thất nhiệt môi trường: Qmt = 3,6.q.F=3,6.18,98.19,7=1346,06(kJ/h) qmt == 6,73(kJ/kg ẩm) Tổng tổn thất là: Qtt = Qv+Qmt = 18660+1346,06 = 20006,06(kJ/h) →qtt = qv+qmt = = = 100,03(kJ/kg ẩm) 5.3.Xây dựng quá trình sấy thực • Tính lượng nhiệt bổ sung thực tế: Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 18 Đồ án q trình thiết bị • Nguyễn Xuân Tùng ∆ = Ca.t0-(qv+qmt) (kJ/kg ẩm) (công thức trang 221-[1]) Với : Ca nhiệt dung riêng nước, Ca = 4,1868(kJ/kg.độ) t0 = 25℃ nhiệt độ ngồi mơi trường →∆ = 4,1868.25 - 100,03 = 4,64 (kJ/kg ẩm) Xác định thông số tác nhân sấy sau trình sấy thực + Xác định lượng ẩm chứa ẩm d2: d2 = (kg ẩm/kg kk)(công thức 7.31-trang 138-[1]) Với: Cpk: nhiệt dung riêng khơng khí khô, Cpk = 1,004(kJ/kg.K) i1, i2 : entanpy 1kg nước t1, t2(kJ/kg) + Ta có: ia = r+Cpa.ta (kJ/kg.K) r: ẩn nhiệt hóa hơi, r = 2500 kJ/kg Cpa: nhiệt dung riêng nước, Cpa = 1,842(kJ/kg.K) Tại t1 = 80℃→ i1 = 2500+1.842.(80+273) = 3150,266(kJ/kg) Tại t2 = 35℃→i2 = 2500+1,842.(35+273) = 3067,336(kJ/kg) Suy ra: d2 == 0,0327(kg ẩm/kg kk) + Xác định entanpy I2: I2 == 1,004.(35+273)+0,0357.2564,47 = 400,782(kJ/kg kk) + Độ ẩm tương đối tác nhân sấy sau trình sấy thực là: ϕ2 = (công thức 7.34-trang 138-[1]) →ϕ2 == 96,43% Đồ thị biểu diễn quá trình sấy thực: I ( kJ/kg kk) I1 t1 B I2’ Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 19 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng C I0 t0 • • • t2 =100% A d0 =d1’ d2 d (kg ẩm/kg kkk) Lượng tác nhân sấy thực tế: L === 54,91(kg kk/kg ẩm) Lượng tác nhân sấy vào thiết bị: L = l.W = 54,91.200 = 10981,68(kg kk/h) Lượng thể tích trung bình q trình sấy thực: Dựa vào phụ lục 5-trang 349-[1]: + Thể tích khơng khí khơ trước q trình sấy t1 = 80℃,ϕ1 = 4,52%, v1 = 1,045(m3/kg kk) Lưu lượng thể tích tác nhân sấy trước trình sấy là: V1 = v1.L = 1,045.10981,68 = 11140,91(m3/h) + Sau trình sấy t2 = 35℃, ϕ2 = 96,43%, v2 = 0,943(m3/h) Lưu lượng thể tích cảu tác nhân sấy sau trình sấy là: V2 = v2.L = 0,943.10981,68 = 10355,72(m3/h) + Lưu lượng thể tích trung bình q trình sấy thực là: Vtb == = 10748,32(m3/h) = 2,8(m3/s) Kiểm tra lại giả thiết tốc độ tác nhân sấy Tốc độ tác nhân sấy trình sấy thực: w = == 2,64(m/s) Như vậy, giả thiết w = 2,5m/s tính tổn thất hồn tồn xem xác 5.4 Tính cân bằng nhiệt + Nhiệt lượng tiêu hao: q = l.(I2-I0) = 54,91.(400,782-69,66) = 3129,32(kJ/kg ẩm) + Nhiệt lượng có ích là: q1 = i2-Ca.t1=2564,47-4,1868.25 = 2459,8(kJ/kg ẩm) + Tổn thất nhiệt tác nhân sấy mang là: q2 = l.Cdx(d0).(t2-t0) (kJ/kg ẩm) với: Cdx(d0): nhiệt dung riêng dẫn xuất tác nhân sấy trước trình sấy Cdx(d0) = Cpk+Cpa.d0 = 1,004+1,842.0,0175 = 1,027(kJ/kg ẩm) Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 20 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng →q2 = 54,91.1,027.(35-25) = 563,93(kJ/kg ẩm) + Tổng nhiệt lượng có ích tổn thất là: q’ = q1+q2+qtt = 2459,8+563,93+100,03 = 3123,76(kJ/kg ẩm) + Về nguyên tắc, nhiệt lượng tiêu hao q tổng nhiệt lượng có ích tổn thất q’ phải Ở nhiều lí do, tính tốn làm tròn sai số tra đồ thị nên dẫn đến sai số tuyệt đối: ∆q=|q-q’|=|3129,32-3123,76|=5,56(kJ/kg ẩm) + Sai số tương đối là: ε = = = 0.18% Với sai số tính tốn nhiệt cho phép Ta có bảng cân bằng nhiệt sau: STT Đại lượng Nhiệt lượng có ích Tổn thất tác nhân sấy Tổn thất vật liệu sấy Tổn thất môi trường Tổng nhiệt lượng có ích tổn thất Sai số tính tốn Tổng nhiệt lượng tiêu hao Kí hiệu q1 q2 qv qmt q’ (kJ/kg ẩm) 2459,8 563,93 93,3 6,73 3123,76 ∆q q 5,56 3129,32 % 78,6 18 2,98 0,22 99,8 0,18 100 PHẦN III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ TRƠ 1.Calorifer Trong kĩ thuật sấy thường sử dụng hai loại Calorifer để đốt nóng khơng khí Calorifer khí Calorifer khí khói Trong đồ án em sử dụng Calorifer khí Calorifer khí loại thiết bị trao đổi nhiệt có vách ngăn Trong ống bão hòa ngưng tụ ngồi ống khơng khí chuyển động Do hệ số trao đổi nhiệt khí ngưng nước loại ống chùm có cánh khuấy bố trí nằm ngang Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 21 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng + Nhiệt lượng mà Calorifer cần cung cấp cho tác nhân sấy là: Qs = L.(I0-I1) = 10982.( 126,65-69,66) = 625864(kJ/h) Với L: lượng khơng khí khơ cần thiết cho q trình sấy thực(kg/h) I0, I1: entanpy tác nhân sấy trước sau khỏi Calorifer(kJ/kg kk) + Công suất nhiệt Calorifer : Qcal = == 658804,21(kJ/h) ηcal: hiệu suất nhiệt Calorifer, ηcal = 0,95 + Do nhiệt độ tác nhân sấy không cao nên ta chọn lò có áp suất bão hòa bar + Tra bảng nước nước bão hòa theo áp suất ta có ẩn nhiệt hóa r=2114(kJ/kg.độ) Nhiệt độ bão hòa 152℃ + Lưu lượng nước cần cung cấp là: D = = = 311,64(kg/h) + Bề mặt truyền nhiệt Calorifer là: F =(m2) (công thức 15.2-trang 218-[6]) Trong đó: Qcal : nhiệt lượng mà Calorifer cần cung cấp(W) Qcal = 183001,17(W) k : hệ số truyền nhiệt Calorifer(W/m2) ∆ttb: độ chênh lệch nhiệt độ trung bình khơng khí hơi(℃) + Tra bảng 4-phụ lục 1-[5] ta chọn k =20,8 W/m2.K với lưu tốc khơng khí 4kg/m2.s + Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình khơng khí là: ∆ttb = ε∆t Với t0 =25℃: nhiệt độ khơng khí trước vào Calorifer t1 =80℃: nhiệt độ khơng khí sau khỏi Calorifer Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 22 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng th =152℃: nhiệt độ nước bão hòa ⇒ ∆t1 = th-t0 = 152-25 = 127℃ = ∆t1 ∆t2= 152-80 = 72℃ = ∆t2 + Chọn hệ số hiệu đính ε∆t = →∆ttb = 96,91℃ ⇒F = == 86,25(m2) Tra bảng 4-phụ lục 1-[5] ta chọn Calorifer K φ13 kiểu II có: Diện tích Diện tích tiết Diện tích tiết Kích BMTĐN() diện khí diện môi chất thước(mm) qua() qua() Dài Dày 86,25 0,81 0,018 1152 Đường kính ống mơi chất vào(dm) 240 Tính trở lực chọn quạt + Trong hệ thống sấy, quạt phận vận chuyển không khí tạo áp suất cho dòng khí qua thiết bị: Calorifer, máy sấy, đường ống, xyclon Nói cách khác, nhiệm vụ hệ thống quạt tạo dòng chảy tác nhân sấy qua thùng sấy có lưu lượng q trình sấy u cầu + Năng suất quạt đặc trưng thể tích khí vào hay thiết bị sấy Trong thiết bị sấy, để vận chuyển tác nhân sấy thường dùng hai loại quạt : li tâm quạt hướng trục Chọn loại quạt nào, số hiệu phụ thuộc đặc trưng hệ thống sấy, trợ lực mà quạt phải khắc phục ∆p, suất mà quạt phải tải qua V nhiệt độ độ ẩm tác nhân sấy + Theo áp suất tạo chia làm loại: Quạt áp suất thấp, tổng cột áp tạo đến 100mmH2O Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 23 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng Quạt trung áp, tổng cột áp tạo 100-300mmH2O Quạt cao áp, tổng cột áp tạo 300-1500mmH2O • Tính tiêu chuẩn Re Đường kính trung bình cà phê d =10 mm Nhiệt độ trung bình tác nhân sấy t =57,5℃ Ta lấy gần ν =18,919.10-6(m2/s) Re === 1321,42 với w tốc độ tác nhân sấy + Hệ số thủy động là: A = (công thức 10.20-trang 213-[1]) →A = = 8,97 + Khối lượng riêng dẫn xuất là: ρdx = (kg/m3) (công thức 10.23-trang 213-[1]) →ρdx == 56 (kg/m3) + Hệ số ξ lấy khối lượng riêng cà phê ρν=650 (kg/m3) ξ = (công thức 10.22-trang 213-[1]) →ξ == 0,91 + Hệ số C1 đặc trưng cho độ chặt quạt: C1 = ( công thức 10.21-trang 213-[1]) → C1 == 0,11 + Trở lực tác nhân sấy qua lớp hạt là: ∆ps =(mmH2O) (cơng thức 10.19-trang 213-[1]) Trong đó: a: hệ số thủy động L: chiều dài thân thùng(m) Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 24 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng w: tốc độ tác nhân sấy thùng(m/s) d: đường kính hạt cà phê (m) ρk = 1,068(kg/m3) nhiệt độ trung bình 57,5℃ →∆ps == 143,47(mmH2O) + Áp suất động khí là: ∆pd = (N/m2) (cơng thức 15.10-trang 228-[6]) Trong đó: ∆pd: áp suất động khí ρk: khối lượng riêng khí, ρk = 1,06(kg/m3) ω: tốc độ khí thải mơi trường Chọn ω = 20m/s ⇒∆pd = = 21,77(mmH2O) + Trở lực đường ống: Trường hợp ống dẫn khí có tiết diện nhau, ta có: ∆p0 = (λ.( mmH2O) (cơng thức trang 94-[5]) Trong đó: λ: hệ số trở lực ma sát L: tổng chiều dài ống (m) Chọn L=1 m D: đường kính ống dẫn Chọn D = 0,2 m w’: tốc độ khí ống (m/s) ρ =1,068(kg/m3) nhiệt độ trung bình 57,5℃ -Hệ số trở lực ma sát ống có tiết diện hình tròn chảy tầng là: Re =400, λ=0,16(W/m.K) (phụ lục 2-trang 183-[5]) Tiết diện ống dẫn là: S == = 0,0314(m2) Vận tốc tác nhân sấy khỏi ống là: Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 25 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng w’ === 5,41(m/s) -Hệ số trở lực cục Trên đường ống thường gặp trở lực cục sau: cút nổi, cửa điều chỉnh,tiết diện côn,đột thu, Tổng đột mở, đột thu( từ nhỏ sang to, to sang nhỏ) có đổi hướng, đổi dòng đột mở, đột thu có chênh lệch vận tốc nên ta lấy =0,5 Tổng cút nối đường ống để chuyển hướng tác nhân sấy, vật liệu vào ta lấy =0,8 Thay vào cơng thức ta có: ∆p0 = (0,16.+0,5+0,8).1,068.= 3,33(mmH2O) + Trở lực qua Calorifer xyclon: Chọn ∆pc = 3,7 mmH2O ∆px = 20 • Cợt áp toàn phần là: ∆p = ∆ps+∆p0+∆pd+∆pc+∆px (mmH2O) ( cơng thức 17.37-trang 334-[1]) Trong đó: ∆ps: trở lực tác nhân sấy qua lớp hạt ∆p0: trở lực đường ống ∆pd:áp suất động khí ∆pc: trở lực qua Calorifer ∆px: trở lực qua xyclon Trở lực cục tổn thất phụ lấy 5% →Tổng trở lực mà quạt phải khắc phục là: ∆pt = 1,05.(∆pc+∆p0+∆ps+∆px) Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 26 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng ∆pt = 1,05.(3,7+3,33+143,47+20) = 170,5(mmH2O) -Cột áp quạt là: ∆p = ∆pt+∆pd = 170,5+21,77 = 192,27(mmH2O) • Chọn quạt cho hệ thống sấy thùng quay Dựa vào lượng thể tích trung bình Vtb =10748,32 (m3/h) tổng trở lực quạt phải khắc phục ∆p =192,27(mmH2O) Theo hình 6.35trang 298-[6]) ta chọn quạt li tâm N06, A=7000, Suy ra: số vòng quay hạt n = == 1166,67(vòng/phút) -Cơng suất quạt là: N = (kW) (công thức 17.38-trang 334-[1]) Trong đó: k: hệ số dự phòng, chọn k=1,1-1,2 Chọn k=1,2 V: lưu lượng nhiệt độ trung bình tác nhân sấy(m3/h) ρ0: khối lượng riêng khơng khí khơ điều kiện tiêu chuẩn, ρ0=1,293kg/m3 ρ: số kg khơng khí khơ 1m3 khơng khí ẩm, ρ=1,06 kg/m3 ηq: hiệu suất quạt, ηq= 0,55 ⇒N = = 14,98(kW) = 14980 W 3, Tính toán công suất của động quay Công suất cần thiết để quay thiết bị tính theo thực nghiệm N =(KW) (Cơng thức VII.54-trang 123-[2]) Trong đó: D: đường kính thùng sấy, (m) L: chiều dài thùng sấy (m) Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 27 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng P: khối lượng riêng vật sấy ẩm (kg/m3) n: tốc độ quay thùng (vòng/phút) a: hệ số cơng suất phụ thuộc vào dạng cánh hệ số chứa đầy Ta chọn =0,1 nên có a=0,013 Vậy: N = 0,13.10-2.1,213.1,2213.4,274.0,013.9.650 = 1,363 (KW) =1363(W) Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 28 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng LỜI KẾT Thông qua đồ án thiết kế hệ thống sấy thùng quay, em ôn lại kiến thức lý thuyết học phần trình thiết bị môn học khác, học cách tính tốn thiết kế hệ thống sấy thùng quay thực tế Đồ án giúp em làm quen với việc tìm tài liệu tra cứu, học cách tính tốn khí giúp em nắm mối quan hệ lý thuyết thực tế Đối với hệ thống sấy thùng quay này, việc thiết kế, tính tốn dựa nhiều cơng thức thực nghiệm, cho nhiều tài liệu khác Nên việc sử dụng công thức, số liệu khơng tránh khỏi sai số q trình thiết kế Để thiết kế xác, ta cần thiết lập hệ thống hoạt động thử để kiểm tra chọn chế độ làm việc tối ưu Đồng thời việc thiết kế dựa nhiều tài liệu lý thuyết khơng có thực tế kinh nghiệm, nên có nhiều điều chưa thật hợp lý, em mong nhận hướng dẫn, góp ý thêm thầy để hệ thống hoàn thiện Em xin chân thành cám ơn! Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 29 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng Tài liệu tham khảo [1] – PGS.TSKH.Trần Văn Phú, “Tính toán thiết kế hệ thống máy sấy”, NXB Giao dục, xuất năm 2001 [2] – GS.TSKH.Nguyễn Bin, PGS.TS.Đỗ Văn Đài, PGS.TS.Nguyễn Trọng Khuông, KS.Long Thanh Hùng, TS.Phan Văn Thơm, TS.Đinh Văn Huỳnh, TS.Trần Xoa, TS.Phạm Xuân Toản, “Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất(tập II), NXB KH-KT, xuất năm 1999 [3] – Tập thể tác giả, “Máy thiết bị sản xuất hóa chất”, NXB KH-KT Hà Nội [4] - GS.TSKH.Nguyễn Bin, PGS.TS.Đỗ Văn Đài, PGS.TS.Nguyễn Trọng Khuông, KS.Long Thanh Hùng, TS.Phan Văn Thơm, TS.Đinh Văn Huỳnh, TS.Trần Xoa, TS.Phạm Xuân Toản, “Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất(tập I), NXB KH-KT, xuất năm 1999 [5] – PGS.TS.Hoàng Văn Chước, “Thiết kế hệ thống thiết bị sấy”, NXB KH-KT, xuất năm 2006 [6] – Giáo trình QT TB CNTP-CNSH, tập 1:các QT TBCK Tơn Thất Minh chủ biên Ngồi có tài liệu khác “Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm” – Nguyễn Văn May, NXB KH-KT Hà Nội Đại học Bách Khoa Hà Nội Trang 30 ... với m = = 0,75(W/m2.độ) q3 = 1,715 Đại học Bách Khoa Hà Nội (1) (2) (3) Trang 17 Đồ án trình thiết bị Nguyễn Xuân Tùng Ta thay tw1 vào (1) ta q1 = 18,9(W/m2 ) Coi trình truyền nhiệt ổn định nên