Nghiên cứu một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị sấy tinh bột sắn kiểu khí động

Thạc sĩ, tiến sĩ, cao học, luận văn, khóa luận

đặt vấn đề

Việt Nam là một nước có nền sản xuất nông nghiệp truyền thống lâu đời

Từ nhiều năm nay, giá trị kinh tế mà sản xuất nông nghiệp mang lại luôn luôn chiếm một tỷ trọng lớn trong tổng thu nhập quốc dân

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước hiện nay, với trên 70% dân số sống dựa vào nông nghiệp thì việc công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn được coi là nhiệm vụ trọng tâm hàng đầu Lấy việc phát triển kinh tế nông nghiệp làm cơ sở và nền tảng thúc đẩy các ngành sản xuất và dịch vụ khác phát triển là một quyết sách đúng đắn của Đảng và Nhà nước ta

Vấn đề chuyển dịch cơ cấu cây trồng là hết sức quan trọng của sản xuất nông nghiệp trong cơ chế thị trường Ngoài những loại cây như lúa, ngô, chè, cà phê, cao su, các loại cây ăn quả thì sắn được coi là một trong những loại cây trọng điểm có khả năng phát triển mở rộng tăng giá trị sản xuất nông nghiệp Từ một loại cây màu củ được trồng tự phát và rải rác, diện tích trồng thay đổi bấp bênh theo nhu cầu tiêu dùng trong nước và điều kiện mùa vụ, sắn đang dần chuyển đổi thành một loại cây công nghiệp mang lại giá trị kinh tế lớn góp phần tạo công ăn, việc làm và nâng cao thu nhập cho nông dân Bản thân cây sắn là loại cây trồng có khả năng thích nghi cao với điều kiện sống, dễ dàng trong chăm sóc, khả năng chống chịu các loại sâu bệnh, thời tiết khắc nghiệt cao và

đặc biệt là cho năng suất khá ổn định Chính vì lẽ đó mà chi phí đầu tư cho việc trồng sắn không lớn, rất phù hợp với điều kiện kinh tế và trình độ sản xuất của người trồng sắn ở nước ta

Củ sắn là sản phẩm chính thu được từ cây sắn với hàm lượng tinh bột khá cao (từ 25 ữ 30%) do đó từ lâu nó đã được coi là nguồn cung cấp lương thực quan trọng cho con người sau cây lúa và ngô Nghề chế biến tinh bột từ

củ sắn ở Việt Nam và thế giới ra đời từ khá sớm và đang ngày càng đòi hỏi

có sự quan tâm thoả đáng từ phía các quốc gia, các nhà khoa học và người sản xuất

Một trong những khâu quan trọng trong qui trình chế biến tinh bột sắn là phơi sấy Bên cạnh việc gia tăng về sản lượng sắn trồng thì việc chế biến trong đó

đặc biệt là sấy sản phẩm ở dạng bột còn chưa được coi trọng ở nước ta trong điều kiện hiện nay Ngoài những nhà máy chế biến tinh bột sắn lớn với những dây chuyền và thiết bị hiện đại mà phần lớn là liên doanh với nước ngoài được đặt tại các vùng trồng trọng điểm thì hiện nay chúng ta vẫn tồn tại nhiều làng nghề thủ công sản xuất bán thành phẩm hoặc thành phẩm nhưng không ổn định về chất lượng, rất khó khăn trong việc bảo quản và dự trữ lâu dài Tại các làng nghề này,

do khâu phơi sấy sản phẩm không được chú trọng, thiết bị để sấy còn thủ công, lạc hậu do vậy mà chi phí nhân công cao, khả năng thất thoát lớn và quan trọng hơn nữa là giá trị thương phẩm và tính cạnh tranh trên thị trường xuất khẩu rất thấp

Thực tế trong công nghệ sau hoạch hiện nay cho thấy, trong vấn đề về sấy nông sản chúng ta mới chỉ thực sự quan tâm nghiên cứu các thiết bị sấy rau quả, thực phẩm và các sản phẩm dạng hạt Với những sản phẩm dạng bột như tinh bột sắn còn ít được quan tâm, đặc biệt là những thiết bị cỡ vừa và nhỏ thích hợp với

điều kiện, trình độ canh tác và chế biến sắn ở nước ta

Để nghề trồng và chế biến sắn ở nước ta phát triển, vấn đề cấp thiết đặt ra

là cần đầu tư vào việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm làm cơ sở để thiết kế, chế tạo các mẫu máy ứng dụng cho khâu phơi sấy sản phẩm ở dạng bột tới một

độ ẩm bảo quản cho phép nhằm nâng cao chất lượng đồng thời giảm giá thành sản phẩm, tăng hiệu quả kinh tế

Dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ của TS Trần Như Khuyên, Bộ môn Máy Nông nghiệp - Khoa Cơ điện - Trường Đại học Nông nghiệp 1, Hà Nội, chúng

tôi tiến hành thực hiện đề tài : "Nghiên cứu một số thông số về cấu tạo và chế

độ làm việc của thiết bị sấy tinh bột sắn kiểu khí động"

ưu điểm giúp nó có khả năng phát triển nhanh chóng đáp ứng nhu cầu tiêu dùng của xã hội Như đã phân tích ở trên, sắn là loại cây trồng có khả năng chịu sâu bệnh, và thời tiết khô hạn tốt Cây sắn có thể phát triển trên nhiều loại đất và điều kiện khí hậu, dễ dàng trong quá trình trồng và chăm sóc, vốn đầu tư thấp, cho năng suất cao và ổn định so với nhiều loại cây trồng khác do đó cây sắn đang được trồng

ở hầu hết các khu vực trên thế giới rải rác ở trên 100 quốc gia và vùng lãnh thổ với tổng diện tích khoảng trên 16 triệu héc-ta tập trung chủ yếu ở châu Phi và châu á

Từ nhiều năm nay, các sản phẩm từ cây sắn đã trở thành mặt hàng xuất khẩu chiến lược của một số quốc gia như Brazil, Thái Lan, Indonesia, Nigieria [1]

Tại Việt Nam, sắn được trồng ở hầu hết các tỉnh tuy nhiên tập trung chủ yếu ở vùng trung du và miền núi phía Bắc, nam Trung bộ, Tây Nguyên và một số tỉnh phía Nam Từ lâu cây sắn đã được coi là nguồn cung cấp lương thực chủ yếu

của đồng bào các dân tộc miền núi và hiện nay nó đã trở thành sản phẩm hàng hoá mang lại nguồn thu nhập đáng kể cho người nông dân trồng sắn Từ một nước trồng sắn chỉ nhằm phục vụ cho nhu cầu tiêu dùng trong nước, hiện nay Việt Nam đã trở thành một trong những quốc gia có sản lượng sắn xuất khẩu hàng đầu thế giới

1.1.2 Tình hình chế biến tinh bột sắn

Sản phẩm chính thu được từ cây sắn là tinh bột sắn, ngoài mục đích phục

vụ cho các ngành sản xuất công nghiệp thì tinh bột sắn được sử dụng như một loại lương thực cung cấp nguồn thức ăn cho con người và vật nuôi với một hàm lượng dinh dưỡng khá cao góp một phần không nhỏ trong chính sách ổn định an ninh lương thực quốc gia và toàn cầu Nghề chế biến tinh bột sắn ra đời từ khá sớm, tuy nhiên do yêu cầu, mục đích sử dụng và trình độ sản xuất và chế biến của từng thời kỳ là khác nhau do đó mà qui mô và mức độ chế biến tinh bột sắn cũng khác nhau

1.1.2.1 Qui trình công nghệ chế biến

Trong thực tế sản xuất, có rất nhiều phương pháp chế biến củ sắn để tạo ra các sản phẩm khác nhau Hiện nay, nhu cầu sử dụng sản phẩm tinh bột sắn ngày một cao và giá trị kinh tế mà nó mang lại là rất lớn do vậy việc chế biến ra tinh bột đang là xu thế chính với nhiều phương pháp và qui mô khác nhau Qui trình công nghệ chế biến tinh bột sắn từ củ sắn thường được tiến hành theo các bước cơ bản như trên hình 1.1 [15]

Củ sắn tươi sau khi ngâm, rửa và tách vỏ hoặc có thể bỏ qua công đoạn ngâm được đưa vào nghiền hoặc xát tạo thành hỗn hợp gồm tinh bột, xơ bã và một số tạp chất Công đoạn tiếp theo là ta phải lọc tách bã và loại các tạp chất ra sau đó đưa vào bể lắng Nhờ trọng lượng bản thân mà các hạt tinh bột sẽ từ từ lắng xuống đáy bể Gạn bỏ phần nước phía trên ta được một lớp bột ở dạng nhão

Để thuận lợi cho quá trình phơi sấy người ta có thể sử dụng phương pháp thấm

hút hoặc dùng máy để vắt loại bớt nước làm cho lớp bột ở trạng thái đông cứng với độ ẩm khoảng 35 ữ 40% sau đó bột được đem đi phơi khô tự nhiên hoặc đưa vào máy sấy sơ bộ Kết thúc công đoạn này bột ở trạng thái độ ẩm khoảng 17 ữ 20% và do tính chất của sản phẩm dạng bột nó sẽ tự tách vỡ thành những cục nhỏ có kích thước từ vài mm đến vài cm

Nghiền, xát Lọc tách giảm ẩm phơi ( sấy) sơ bộ sấy, làm nguội Bao gói và bảo quản

sắn củ

Hình 1.1 Qui trình chế biến tinh bột sắn

Để đảm bảo cho việc sấy sản phẩm đến độ ẩm bảo quản và độ khô đồng

đều ở công đoạn này là hết sức khó khăn do đó ta phải tiến hành làm vỡ các cục tạo thành các hạt nhỏ có kích thước tương đối đồng đều sau đó mới tiếp tục tiến hành sấy để thu được sản phẩm là tinh bột khô đạt độ ẩm 10 ữ 12% Bước tiếp theo ta phải làm nguội cho bột trước khi bao gói và bảo quản

1.1.2.2 Tình hình chế biến tinh bột sắn ở Việt Nam

Tính đến trước năm 1994, ở nước ta lượng sắn được chế biến thành tinh bột là không đáng kể, củ sắn sau khi thu hoạch thường được đem chế biến trực tiếp thành thức ăn cho con người và vật nuôi Phần còn lại nếu dư thừa thì được

đem thái lát phơi khô, đóng bánh để dự trữ hoặc cung cấp cho các làng nghề thủ công Hiện nay chúng ta đã có bước nhảy vọt về qui mô và diện tích trồng sắn giúp cho sản lượng sắn củ hàng năm của chúng ta liên tục tăng và đạt được chất lượng khá cao Cùng với sự phát triển đó, ở Việt Nam đã và đang xuất hiện những nhà máy chế biến tinh bột công suất lớn với dây truyền và thiết bị hiện đại tại các vùng trồng sắn trọng điểm ở các tỉnh như Yên Bái, Phú Thọ, Hà Tây, Thừa Thiên Huế, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Dương, Bình Phước, Tây Ninh với nhu cầu cung cấp sắn lớn và tập trung[1]

Song song với việc phát triển này thì các cơ sở sản xuất tập trung qui mô vừa và nhỏ và các làng nghề chế biến vẫn đang được duy trì và ngày càng phát triển Tuy nhiên việc ứng dụng các thành quả khoa học kỹ thuật trong chế biến tinh bột sắn tại các cơ sở này còn nhiều hạn chế, công nghệ và thiết bị sản xuất thiếu đồng bộ Tại một số cơ sở vẫn còn sản xuất theo phương pháp thủ công truyền thống đặc biệt là tại các làng nghề do đó mà chất lượng và giá trị kinh tế của sản phẩm tinh bột sắn không cao, sức cạnh tranh thấp

1.2 Tầm quan trọng của việc sấy sản phẩm dạng bột

1.2.1 ý nghĩa của việc sấy khô sản phẩm dạng bột

Sấy là một công đoạn hết sức quan trọng không thể thiếu trong qui trình công nghệ chế biến sản phẩm dạng bột với mục đích là lấy đi một lượng ẩm nhất định để sản phẩm dạng bột có thuỷ phần đảm bảo cho bảo quản lâu dài trước khi đưa vào chế biến ở những công đoạn tiếp theo trong quá trình chế biến

Tinh bột được coi là một loại nguyên liệu hoặc chất phụ gia rất quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là các ngành công nghiệp nhẹ, các

ngành thủ công mỹ nghệ, dược phẩm, chế biến bên cạnh chức năng cung cấp lương thực cho con người và chăn nuôi góp phần ổn định an ninh lương thực, thực phẩm Trong cơ chế kinh tế thị trường hiện nay thì tinh bột được coi là một mặt hàng xuất khẩu mang lại lợi ích kinh tế rất lớn cho các quốc gia xuất khẩu

và bản thân người sản xuất và chế biến

Xuất phát từ những giá trị kinh tế - xã hội đó, thực tiễn hiện nay đòi hỏi chúng ta phải có một quy trình công nghệ sản xuất phù hợp và hiện đại để sản xuất các sản phẩm dạng bột đặc biệt là tinh bột sắn Trong qui trình công nghệ chế biến và bảo quản tinh bột sắn thì quá trình sấy có tầm quan trọng đặc biệt

ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng, giá thành và khả năng bảo quản sản phẩm sau chế biến Sản phẩm bột sau khi sơ chế có hàm lượng nước khá cao, trung bình từ

17 ữ 20%, lượng ẩm trong sản phẩm cao hay thấp có tác dụng quyết định đến chất lượng sản phẩm Hầu hết các loại nông sản sau khi thu hoạch và chế biến,

đặc biệt là các sản phẩm có hàm lượng tinh bột cao, lượng ẩm trong sản phẩm là rất lớn, nếu không được phơi sấy kịp thời, nó sẽ là nhân tố kích thích và tích nhiệt cho quá trình hô hấp sinh học của sản phẩm Đây là nguyên nhân gây nên

sự biến đổi chất trong sản phẩm đồng thời tạo điều kiện cho các loại vi sinh vật sinh trưởng và phát triển, gây ra hiện tượng nấm mốc, vón cục, đóng bánh của tinh bột

Hiện nay việc làm khô sản phẩm dạng bột chủ yếu vẫn dùng phương pháp phơi sấy tự nhiên hoặc sử dụng các thiết bị sấy thủ công không đảm bảo yêu cầu công nghệ Việc phơi sấy bằng phương pháp phơi tự nhiên phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, không thể khống chế được nhiệt độ thích hợp đối với yêu cầu sản phẩm, thời gian sấy kéo dài, sản phẩm bị hao hụt, lẫn tạp chất Chính vì

điều này đã làm giảm chất lượng của sản phẩm, sản lượng thấp, khó cơ giới hoá, không đáp ứng được yêu cầu sản xuất nhất là khi diện tích đất dùng cho trồng trọt được mở rộng Do vậy cần thiết phải có các thiết bị sấy chuyên dùng, phù hợp với đặc điểm và yêu cầu công nghệ của việc sấy sản phẩm dạng bột, hạn chế

sự phụ thuộc của sản phẩm vào các yếu tố môi trường[15]

1.2.2 Đặc điểm của vật liệu sấy dạng bột

1.2.2.1 Độ tan rời

độ tan rời của bột rất thấp so với độ tan rời của các loại ngũ cốc khi chưa chế biến Do kích thước của các hạt bột rất nhỏ, không đồng đều, có hạt to, hạt nhỏ, hạt quần hay hạt đơn, do đó chúng trượt trên nhau rất khó khăn, làm cho độ tan rời của toàn bộ khối hạt rất thấp Đặc biệt khi mà hàm lượng nước trong bột lên cao thì độ tan rời lại giảm nhanh chóng và xuất hiện hiện tượng vón cục

1.2.2.2 Tính hấp phụ

Tuỳ theo điều kiện bảo quản mà khối bột có tính chất hấp phụ khác nhau Nếu bảo quản theo phương pháp đóng bao và xếp thành khối lớn thì khả năng hấp phụ rất kém so với cùng loại bột có phẩm chất tương đương nhưng lại bảo quản theo phương pháp đổ rời, san mỏng Khi chế biến nguyên liệu ra bột, nghĩa

là ta đã làm tăng thêm diện tích hấp phụ của nguyên liệu, do đó mà khả năng hấp phụ của sản phẩm là rất tốt, nếu so sánh giữa nguyên liệu và sản phẩm Hấp phụ

ở đây có nghĩa là hút hơi ẩm và khí lạ

Khi sản phẩm hút hơi lạ sẽ làm giảm giá trị thương phẩm của sản phẩm cũng như rất khó sử dụng và gây ra mùi vị lạ làm mất mùi đặc trưng của mặt hàng sản xuất Điều này cần chú ý khi ta dùng phương pháp sấy trực tiếp thì bột

có thể hấp phụ mùi của tác nhân sấy cũng như điều kiện vệ sinh kho tàng khi bảo quản Các vật ẩm hay các sản phẩm sấy thường bảo quản trong môi trường không khí, riêng các sản phẩm sấy đến độ ẩm thấp lại có tính háo nước nên hút

ẩm từ môi trường Quá trình tiếp xúc giữa không khí ẩm và vật ẩm trong thời gian nhất định giữa chúng sẽ xảy ra cân bằng thuỷ phần

1.2.2.3 Tính dẫn nhiệt và truyền nhiệt của vật liệu sấy

Nói chung bột có tính dẫn nhiệt và truyền nhiệt kém, do vậy độ trống rỗng của khối bột tương đối thấp, không khí, hơi ẩm và ngay cả vi sinh vật và côn trùng cũng khó xâm nhập vào bên trong khối bột Các mặt hàng sản phẩm nông

nghiệp nói chung phần lớn việc dẫn nhiệt và truyền nhiệt đều do tác động của không khí, độ ẩm, côn trùng và vi sinh vật

Ta nhận thấy rằng, trong thực tế nếu ta đóng bao ngay số bột mới sấy thì rất bất lợi cho công tác bảo quản, vì lúc này bột còn nóng, khả năng toả nhiệt lại rất chậm, nên rất dễ dàng kích động các quá trình sinh lí - sinh hoá phát sinh nhanh chóng làm hỏng bột Do đó để đảm bảo được tính ổn định của bột trong giai đoạn lưu trữ, nhất thiết phải làm cho bột nguội mới đóng gói

1.2.2.4 Tác dụng tương hỗ giữa vật liệu sấy và môi trường

Khi áp suất hơi nước trên bề mặt bột pbt lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường xung quanh bột pbn thì bột nhả ẩm vào môi trường Ngược lại, nếu pbt nhỏ hơn pbn thì bột hút ẩm từ môi trường áp suất phụ thuộc nhiệt độ,

độ ẩm Vì thế, sự hút ẩm hay nhả ẩm của bột phụ thuộc áp suất, nhiệt độ, độ ẩm của môi trường và của bột

Quá trình hút nhả ẩm tự nhiên giữa bột ẩm và môi trường xung quanh xảy

ra rất nhanh để tiến tới trạng thái cân bằng áp suất pbt = pbn Độ ẩm của bột ở trạng thái này là độ ẩm cân bằng wcb và quá trình hô hấp của bột coi như bằng 0

áp suất Pbn phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm của môi trường không khí trong môi trường Do vậy trạng thái cân bằng áp suất hơi ẩm giữa bột ẩm và môi trường xung quanh luôn bị phá vỡ và độ ẩm cân bằng wcb luôn phụ thuộc nhiệt

độ, độ ẩm của môi trường Với bột sắn, độ ẩm cân bằng khi làm khô để bảo quản được quy định là 10 ữ 12%[18]

áp suất hơi pbt trên bề mặt bột phụ thuộc vào cường độ bay hơi ẩm trong hạt bột nên nó phụ thuộc nhiệt độ, độ ẩm của hạt bột Để tăng cường độ nhả ẩm của bột vào môi trường xung quanh (giảm thời gian làm khô bột) cần phải tăng

áp suất pbt và giảm pbn đồng thời làm tăng lượng nhiệt truyền sang bột, làm nóng bột và bay hơi ẩm trong hạt bột, tăng pbt [3],[4],[10]

1.3 tình hình nghiên cứu và ứng dụng thiết bị sấy sản phẩm dạng bột

Như đã nói ở trên, sấy là khâu quan trọng không thể thiếu trong quá trình chế biến và bảo quản Vì vậy trong thực tế sản xuất đã xuất hiện rất nhiều phương pháp sấy, tuỳ từng loại sản phẩm và yêu cầu công nghệ mà áp dụng các phương pháp sấy khác nhau

Vấn đề sử dụng các biện pháp phơi sấy tự nhiên hay các thiết bị thủ công không thể đáp ứng được yêu cầu sản xuất Chính điều này đã thúc đẩy việc nghiên cứu về lĩnh vực sấy phát triển rất nhanh và đạt đến mức độ hiện đại khá cao Hầu hết các thiết bị sấy đều sử dụng tác nhân sấy là khí nóng thổi cưỡng bức qua khối vật liệu Nhiệt từ khí nóng truyền sang bột ẩm làm nước trong sản phẩm sôi và bốc hơi thoát ra khỏi vật ẩm Hơi ẩm thoát khỏi sản phẩm và được dòng khí sấy thải ra ngoài Quá trình này diễn ra liên tục, về cơ bản được phân thành ba giai đoạn chính gồm giai đoạn gia nhiệt cho sản phẩm, giai đoạn tốc độ sấy không đổi và giai đoạn sấy tốc độ giảm dần

Hiện nay, trên thế giới đã nghiên cứu và áp dụng nhiều phương pháp sấy khác nhau với các thiết bị sấy khá đa dạng đáp ứng nhu cầu sấy rất nhiều loại sản phẩm Tuy nhiên việc nghiên cứu và áp dụng các thiết bị sấy phục vụ cho việc sấy các sản phẩm dạng bột đặc biệt là tinh bột sắn còn khá sơ sài và còn tồn tại nhiều bất cập Các thiết bị để sấy cho các sản phẩm dạng bột được áp dụng hiện nay gồm một số loại cơ bản sau:

1.3.1 Thiết bị sấy kiểu thùng quay

Bộ phận chính của thiết bị là một thùng hình trụ tròn làm buồng sấy đặt nằm ngang hay nghiêng một góc nhỏ, độ nghiêng từ 1/50 ữ 1/15 Thùng quay với tốc độ chậm n = (0,5 ữ 0,8)vòng/phút, quay liên tục Tuỳ theo tính chất của vật sấy, năng suất thiết bị ta có thể chọn các thông số đường kính D, chiều dài L của thùng sấy Thiết bị có thể làm việc liên tục hay theo chu kỳ từng mẻ một

Sấy thùng quay được áp dụng rộng rãi để sấy các vật ẩm dạng hạt, mảnh vụn có kích thước nhỏ như đậu, đỗ, cà phê

Thiết bị làm việc liên tục

Thùng đặt nghiêng, cửa cấp liệu được thiết kế tại đầu cao và vật liệu chuyển động dần xuống phía dưới thấp hơn và được lấy ra ngoài tại điểm cuối của thùng Môi chất sấy đưa vào ở một đầu thùng và thoát ra theo ống thoát ở

đầu kia Bên trong thùng có cánh đảo Không khí cùng vật liệu xáo trộn trong thùng sấy, quá trình trao đổi nhiệt ẩm xảy ra và vật liệu được sấy khô

Hình 1.2 Máy sấy thùng quay với tác nhân sấy đi qua lớp vật liệu

1- cửa lấy sản phẩm; 2- cửa khí thải; 3- thùng sấy quay 4- cửa nạp liệu; 5- cửa vào tác nhân sấy; 6- vật sấy dạng hạt

Thời gian sấy là thời gian vật liệu di chuyển từ đầu vào đến đầu ra khỏi thùng Độ điền đầy vật liệu trong thùng có thể đến 20% Để cho vật sấy được xáo trộn tốt với không khí trong thùng thì có các cánh hướng (đảo), cũng có thể chia thành nhiều khoang Khi sấy các vật liệu hạt cỡ nhỏ ta phải tính toán chọn tốc độ khí sao cho tránh bay vật liệu theo khí thoát Trong thiết bị sấy thùng quay thường không sử dụng tái tuần hoàn khí sấy thì phải đặt thêm thiết bị lọc bụi, do đó tăng vốn đầu tư và chi phí vận hành

Thiết bị làm việc theo chu kỳ

Thùng đặt nằm ngang, vật liệu đổ vào thùng với khối lượng bằng một mẻ sấy Thùng quay liên tục, khí nóng được đưa vào bằng một ống nằm ở giữa đồng tâm với thùng Khí nóng theo ống dẫn vào giữa thùng và phân phối ra xung quanh qua các lỗ xung quanh ống Khí nóng hoà trộn với vật liệu do thùng quay

và sấy khô vật liệu Khí thải thoát ra qua các lỗ nhỏ ở vỏ thùng ra ngoài Khi vật

liệu khô phải dừng máy và mở cửa để lấy vật liệu trong thùng ra sau đó lại cho vật liệu mới vào sấy mẻ sau [3], [10], [14]

Về cơ bản thì thiết bị sấy thùng quay có rất nhiều ưu điểm khi sấy các sản phẩm dạng hạt, cục có kích thước nhỏ Khi sấy tinh bột, do tính xốp của vật liệu, bột bị vỡ vụn khi độ ẩm giảm, kích thước đơn của hạt bột là rất nhỏ và linh động

do vậy nó sẽ bị bám dính vào thành thùng và các chi tiết chuyển động quay làm giảm hiệu suất máy đồng thời nhanh phá hỏng các cơ cấu truyền động và khó khăn trong việc dọn vệ sinh máy

1.3.2 Thiết bị sấy băng tải

Nguyên tắc cấu tạo của máy sấy băng tải gồm có hầm hoặc buồng sấy,

băng tải liên tục chuyển động trong buồng Vật sấy được rải đều trên băng tải nhờ cơ cấu nạp liệu Sản phẩm liên tục được lấy ra ở cuối băng tải Tác nhân sấy

là không khí nóng hay khói lò chuyển động cắt ngang qua chiều chuyển động của băng tải Chiều dài và tốc độ băng tải phụ thuộc vào thời gian sấy Chiều rộng băng (cũng là chiều rộng lớp vật sấy) chiều dày lớp vật sấy và tốc độ băng phụ thuộc năng suất máy Để không gây ra trở lực lớn, sản phẩm có độ khô đồng

đều thì lớp vật sấy trên băng tải có chiều dày từ (50 ữ 250) mm

Băng tải có cấu tạo rất đa dạng (có thể băng được chế tạo từ lưới sợi, lưới thép, băng thép có đục lỗ, các khay có đục lỗ hoặc không) lắp trên trục quay, hai

đầu trục lắp vào hai xích tải 3 làm nhiệm vụ kéo các khay trượt trên đường ray Hai đầu khay về phía xích được kéo trượt trên lòng thanh thép góc Đến vị trí thanh thép góc đỡ không còn, đó là lúc khay xoay và đổ vật sấy xuống các khay dưới Đây cũng là biện pháp đảo trở vật sấy Các khay có thể xoay quanh trục giữa hoặc theo bản lề Nguyên lý cấu tạo của thiết bị được trình bày trên hình 1.3[14]

Hình 1.3 Băng tải khay lật

1- thanh đỡ khay; 2- các khay lật; 3- xích tải

Để ứng dụng thiết bị này vào quá trình sấy các sản phẩm dạng bột là rất khó khăn bởi khi các khay lật chuyển vật liệu làm cho cục bột vỡ vụn tạo thành bụi rất khó cho việc thu gom các bụi này dẫn đến hao tổn rất nhiều trong quá trình sấy đồng thời gây ô nhiễm môi trường làm việc, nhanh làm hư hỏng các cơ cấu truyền động Thông thường thiết bị sấy dạng băng tải chỉ sử dụng để sấy sơ

bộ khi bột còn ở độ ẩm cao

1.3.3 Thiết bị sấy tầng sôi

Thiết bị sấy tầng sôi có nhiều ưu điểm hơn so với các loại máy sấy khác là: đảo trộn vật liệu sấy nhanh dẫn đến gần như hạt được sấy đồng đều Tốc độ truyền nhiệt và truyền khối cao giữa không khí sấy và hạt ở nhiệt độ tác nhân sấy cao Nhược điểm của loại máy này là tiêu tốn năng lượng lớn để tạo tốc độ không khí cao, chi phí năng lượng riêng cao vì nhiệt thoát ra theo khí thải lớn gây bụi xung quanh thiết bị, nên cần có thiết bị chống ô nhiễm môi trường, không thể sấy hạt có độ ẩm cao, dính nhiều

Trên hình 1.4 thể hiện cấu tạo hệ thống sấy tầng sôi với buồng sấy có một tầng sôi Nguyên liệu ẩm được nạp vào buồng sấy nhờ vít tải qua phễu cấp liệu Quạt được làm việc theo chế độ đẩy, đẩy khí nóng vào dưới lưới (ghi) của buồng sấy Ghi buồng sấy là tấm thép có đục nhiều lỗ thích hợp hoặc lưới thép để tác nhân sấy đi qua nhưng hạt không lọt xuống được Vật liệu ẩm qua phễu cấp liệu, qua vít tải đổ xuống trên ghi Với tốc độ đủ lớn thích hợp, tác nhân sấy đi qua lớp vật liệu trong buồng sấy nâng các hạt lên và làm cho lớp hạt xáo trộn bập bùng trong dòng tác nhân sấy như hình ảnh một dịch thể đang sôi Vì vậy khi đó hệ khí - hạt có đầy

Hình 1.4 Máy sấy tầng sôi

1- quạt; 2- calorife; 3- ghi (lưới); 4- vít tải cấp liệu;

5- nguyên liệu ẩm; 6- buồng sấy tầng sôi; 7- xyclon;

Năng suất của vít tải nạp liệu đúng bằng năng suất của hệ thống sấy tính theo vật sấy ẩm Hệ thống này có cấu tạo đơn giản, dễ vận hành, nó có thể làm việc liên tục hoặc theo chu kỳ (từng mẻ) Trong trường hợp sấy các loại hạt khó

vỡ thì chỉ có cửa 12 là lấy sản phẩm còn cửa 10, 11 là bụi

Một trong những yêu cầu quan trọng để ứng dụng thiết bị sấy tầng sôi là vật sấy phải có hình dáng và kích thước tương đối đồng đều Có như thế thì việc cung cấp dòng khí để tạo lớp sôi trong hạt mới được bảo đảm

1.3.4 Thiết bị sấy kiểu khí động

Hệ thống sấy khí động thường chỉ dùng để sấy các loại hạt nhẹ có độ ẩm chủ yếu là ẩm bề mặt Hơn nữa, hệ thống sấy khí động còn làm phương tiện vận chuyển vật sấy từ chỗ này đến chỗ khác theo yêu cầu chế biến

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy khí động

1- phễu cấp liệu; 2- bộ phận cấp liệu; 3- ống sấy; 4- xyclon;

5- quạt hút; 6- phễu chứa sản phẩm

Nguyên lý cấu tạo của hệ thống sấy khí động như hình 1.5 Tác nhân sấy

có tốc độ cao đi vào một đầu ống sấy kéo theo dòng hạt từ bộ phận cấp liệu đưa vào

Quá trình trao đổi nhiệt ẩm được tiến hành giữa dòng vật liệu sấy cùng chuyển động với dòng tác nhân sấy từ đầu này đến đầu kia của ống sấy ống sấy

có hình trụ tròn, cuối ống sấy có bố trí một xyclon làm nhiệm vụ tách vật liệu sấy và khí sấy ở đây vật liệu đã được sấy khô rơi xuống phễu chứa sản phẩm, còn tác nhân sấy được quạt hút đưa ra ngoài

* Đặc điểm của máy sấy khí động

- Vật liệu sấy thuộc loại hạt nhỏ, kích thước không quá 8 ữ 10mm

- Môi chất sấy có thể là không khí hoặc khói lò tuỳ thuộc vật liệu sấy

- Thời gian sấy ngắn vì vậy chỉ để sấyđộ ẩm tự do

- Đặc điểm chính của quá trình sấy là thời gian vật liệu sấy lưu lại trong buồng sấy ngắn nên hàm ẩm của chúng thay đổi không nhiều Lượng ẩm bay hơi trong buồng sấy chủ yếu là ẩm tự do trên bề mặt các vật sấy Thời gian sấy ngắn cho phép sử dụng tác nhân sấy có nhiệt độ cao ngay cả với vật sấy có tính chịu nhiệt kém Để mở rộng phạm vi sử dụng của kiểu sấy này người ta bố trí thêm phần trao đổi nhiệt - chất tiếp xúc Do vậy có thể dùng để sấy các vật liệu khác

và sấy được độ ẩm liên kết Nhược điểm của hệ thống sấy này là cường độ sấy không cao vì dòng hạt và tác nhân sấy tuy có vận tốc khác nhau nhưng ổn định

Sự xáo trộn giữa dòng vật sấy và tác nhân sấy càng lớn thì cường độ sấy càng cao

Một vấn đề rất đáng quan tâm ở thiết bị sấy kiểu khí động, quá trình sấy

đồng thời xảy ra cùng quá trình vận chuyển hạt tới thiết bị thu và lọc gió nên rất thích hợp với việc sấy các vật liệu dạng bột như tinh bột sắn Khả năng thất thoát sản phẩm và gây ô nhiễm môi trường là rất thấp đồng thời vật liệu hoàn toàn không tiếp xúc với các chi tiết chuyển động trong buồng sấy nên việc chế tạo trở nên dễ dàng hơn các thiết bị khác

1.4 mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

1.4.1 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu để xác định một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của máy sấy bột kiểu khí động làm nền tảng cho việc thiết kế, chế tạo mẫu máy nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm mức chi phí điện năng

để tăng hiệu quả kinh tế

1.4.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu tính chất cơ lí của sản phẩm dạng bột

- Nghiên cứu động học và động lực học của sản phẩm trong thiết bị sấy

- Xác định các thông số cơ bản của quá trình sấy

- Xác định giá trị tối −u của các thông số, làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo máy sấy

Chương 2

đối tượng và phương pháp nghiên cứu

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Qua nghiên cứu và khảo sát những ưu, nhược điểm của các mẫu máy sấy

đang được sử dụng hiện nay, dựa trên những ưu điểm của thiết bị sấy kiểu khí

động chúng tôi quyết định chọn thiết bị sấy kiểu khí động để sấy tinh bột sắn

cỡ nhỏ làm đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Lựa chọn sơ đồ nguyên lý

Trên cơ sở tính toán lý thuyết và tham khảo thực tế sản xuất chúng tôi đã thiết kế và chế tạo mẫu máy dùng làm thiết bị thí nghiệm Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của mẫu máy sấy thí nghiệm được thể hiện trên hình 2.1 Toàn bộ thiết bị

được lắp trên khung đỡ Calorife nhiệt nối với quạt và ống sấy bằng các mặt bích

để có thể tháo rời ra cách dễ dàng khi cần sửa chữa hoặc thay thế Các đoạn ống sấy được liên kết với nhau bằng các cút cong và cút thẳng Do ống được chế tạo tương đối chính xác nên việc nối các đoạn ống là tương đối kín sít không bị thoát khí sấy ra ngoài Xyclon được đỡ lên cao bằng khung thép, đồng thời khung thép còn có tác dụng giữ chắc đường ống sấy Bộ phận cấp liệu được chế tạo tương đối chính xác đảm bảo độ kín sít cần thiết giữa vít tải, ống bao và các mặt bích Vít tải nhận truyền động từ động cơ cấp liệu Toàn bộ phần cấp liệu được đỡ trên các giá đỡ và được hàn cứng với khung đỡ tạo thành một khối vững chắc

Để tiện cho việc khảo nghiệm đo đạc, điều chỉnh nhiệt lượng cung cấp cho thiết bị trong quá trình sấy thí nghiệm chúng tôi sử dụng các thanh nhiệt điện trở

để cung cấp nhiệt lượng tại calorife

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Bột được đưa vào thiết bị qua phễu cấp liệu 3, nhờ có vít tải cấp liệu 9 nhận truyền động từ động cơ 2 bột được rơi xuống buồng sấy 8 Khi bột rơi xuống sẽ bị dòng không khí nóng (được quạt 1 thổi qua calorife 10) thổi cuốn theo

và bay lên phần buồng sấy đặt thẳng đứng 8 và sau đó bột sẽ đi vào xyclon 7 Tại đây

bột sẽ bị phân chia, phần bột có kích thước lớn hơn sẽ lắng xuống xyclon và được thu lại qua cửa thu sản phẩm 5, còn phần bột có kích thước nhỏ hơn sẽ bay theo tác nhân sấy được quạt hút khí thải 6 hút ra ngoài, phần bột này được thu lại bằng túi vải Quá trình làm việc là liên tục, thời gian sấy là thời gian bột lưu lại trong đường ống

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy khí động

1 - quạt; 2 - động cơ cấp liệu; 3 - phễu cấp liệu;

4- khung đỡ; 5 - cửa thu sản phẩm; 6 - quạt hút khí thải;

7- xyclon; 8 - buồng sấy; 9 - vít cấp liệu; 10 - calorife

Ưu nhược điểm :

- Vật liệu luôn luôn chuyển động trong buồng sấy nên khả năng trao đổi nhiệt giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy tốt hơn, nhờ đó làm rút ngắn thời gian sấy, giảm chi phí nhiệt cho quá trình sấy, tạo ra sản phẩm sấy có độ khô đồng đều hơn

- Máy có cấu tạo nhỏ gọn nên giảm được chi phí vật liệu chế tạo vàtiết kiệm diện tích lắp đặt

- Phương pháp sấy kiểu khí động chủ yếu nhằm làm giảm ẩm tự do, với những sản phẩm có ẩm liên kết lớn là khó ứng dụng phương pháp sấy này

- Do thời gian sấy ngắn, nhiệt độ dòng khí thải tương đối cao nên tổn thất nhiệt do dòng khí thải là lớn

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố

Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng sản phẩm sấy, qua đó xác định được các giá trị tối ưu để làm cơ sở thiết kế, tính toán và lựa chọn kết cấu máy và chế độ làm việc của thiết bị

Có rất nhiều yếu tố làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sấy như lượng cung cấp, nhiệt độ tác nhân sấy, thời gian sấy, tốc độ dòng khí nóng,

độ ẩm vật liệu sấy… Khi nghiên cứu không thể lấy tất cả các yếu tố kể trên

mà chỉ lựa chọn các yếu tố chính Để lựa chọn các yếu tố chính, bằng phương pháp thu thập thông tin từ các tài liệu có liên quan, đặc biệt là việc tìm hiểu các mẫu máy trên thực tế sản xuất các thông số nghiên cứu được lựa chọn như sau:

Các yếu tố vào:

Lượng cung cấp: q, kg Nhiệt độ dòng khí sấy t, oC Tốc độ dòng khí sấy: v, m/s

Y1- Độ khô không đều của khối bột, %

Y2- Chi phí điện năng riêng, Wh/kg Phương pháp nghiên cứu đơn yếu tố nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của từng yếu tố vào tới các thông số ra, qua đó tìm được mức biến thiên, khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu thích hợp của từng yếu tố, làm cơ sở cho phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố

Nguyên tắc của phương pháp này là cố định các yếu tố khác, chỉ thay đổi một yếu tố xác định, theo dõi ảnh hưởng của yếu tố đó với thông số ra

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố

Phương pháp này còn gọi là phương pháp quy hoạch thực nghiệm, nhằm nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố tới thông số mục tiêu

Ưu điểm của phương pháp này là cho phép nghiên cứu sự ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố vào tới từng thông số ra, giảm được số lần thí nghiệm đồng

thời vẫn xác định được đầy đủ những ảnh hưởng của các yếu tố tới thông số cần nghiên cứu từ đó xác định điều kiện tối ưu của các thông số

Tiến hành chọn mức biến thiên của các yếu tố bao gồm: mức cơ sở, mức trên và mức dưới, khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu

Giá trị thực của các yếu tố được mã hoá theo công thức :

xi =

i

i 0

i xxε

ε - Khoảng biến thiên của yếu tố thứ i

Các giá trị xit, xoi, xid có giá trị mã hoá là: +1, 0, -1

Chọn phương án quy hoạch thực nghiệm

Tuỳ theo đặc điểm của quá trình nghiên cứu mà mô hình toán có thể biểu diễn bởi đa thức bậc 1, bậc 2 hoặc bậc 3 [6], [7], [8], [9], [16]

Qua kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố cho ta thấy mối quan hệ giữa các yếu tố vào với các thông số ra là không tuyến tính vì vậy chúng tôi chọn phương án thực nghiệm bậc 2 ở đây chúng tôi áp dụng phương pháp quy hoạch bậc 2 của Box-Wilson Ma trận thí nghiệm được lập theo phương án này có số thí nghiệm là:

M« h×nh to¸n ®−îc biÓu diÔn b»ng ph−¬ng tr×nh håi quy:

= +

+

1 i

2 i ii m

1 i

j i ij

1 m 1 i m

1 i i

i x b x x b x b

u 2 iu m

1 i 5 N

1 u u

u iu

ju u iu

u 2 iu m

1 i 6 N

1 u u 5 N

1 u

u 2 iu

2)m(2

2mN

2m

+

−+

+

2 p m p

m 2

2.22

1

2 2 1

2 m N

2 m

+

− +

2.22

1+

1

2 2

1 − ; a6= (Na2a5 a4)

m1

−

Víi m = 3, N = 20 ta tÝnh ®−îc:

a1= 0,16627 a3= 0,125 a5= 0,05676

a2= 0,07322 a4= 0,0625 a6= 0,0068

kiÓm tra møc ý nghÜa c¸c hÖ sè håi quy:

TiÕn hµnh kiÓm tra møc ý nghÜa cña c¸c hÖ sè håi quy theo tiªu chuÈn Student Tr−íc hÕt

ta tÝnh ph−¬ng sai vµ c¸c sai sè S2

b0, S2

bi, S2 bii, S2 bij cña c¸c hÖ sè håi quy theo ph−¬ng sai

) y y (

0

2 0 N

1 u u 2

N

y Y

(2-22)

Đối chiếu theo tiêu chuẩn Student với mức ý nghĩa α = 0,05, bậc tự do f =

N0 – 1 tra bảng tìm tb Các hệ số hồi quy của phương trình có nghĩa khi các hệ số

tb0 > tb, tbi > tb, tbij > tb, tbii > tb ngược lại thì vô nghĩa ta loại bỏ hệ số đó

Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán:

Để thực hiện được công việc kiểm tra trước hết ta phải tính phương sai thích ứng theo công thức sau:

(N 1)

n N

S S 1)

(N n N

y y y

y

0

B R 0

N 1 u

N 1 u

2 0 u 2

u tt 2

2 u

tt y y

2 0

u y ) (y

B

S

Trong đó:

ytt- giá trị tính toán từ phương trình hồi quy

yu- giá trị trung bình của các thông số ra ở các mức

y0- giá trị trung bình của thông số ra của các thí nghiệm ở mức cơ sở

n- hệ số hồi quy có nghĩa

y

2 tu

Để mô tả quá trình nghiên cứu bằng mô hình toán, thể hiện mối quan hệ giữa

Yj và xi ta cần phải chuyển phương trình hồi quy từ dạng mã sang dạng thực bằng cách thay công thức (2-1) vào công thức (2-3) ta được công thức sau:

∑ ∑ ∑ư ∑

=

+ +

+

1 i k 1 i

k 1 i

2 i ii j

i ij k

1 i i

i x c x x c x c

ư

1 i

k 1 i j

k 1 i 2 i

ii 0j

0i j i

ij 0i

i

X X

b X

ư

1 i j

0j j i

j 0i

2 i

ii i

ii

b

(2-29)

Xác định giá trị tối ưu của thông số ra:

Sau khi đã lập được phương trình hồi quy bậc hai Y = f(x) ta có thể xác

định được giá trị cực trị của hàm Y bằng cách đạo hàm riêng đối với mỗi yếu tố

và cho đạo hàm đó bằng 0 ta sẽ được một hệ phương trình tuyến tính

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu tối ưu tổng quát

Sau khi xác định được mô hình toán, các hàm thành phần Yj (j =1ữp) với

p là số hàm thành phần Ta tiến hành giải tối ưu tổng quát theo phương pháp của E.Harrington gồm các bước sau: [6] [7] [8]

Đồng nhất hoá các hàm Y j :

Các hàm thành phần có các thứ nguyên là khác nhau hàm Y1 (%), hàm Y2(Wh/kg) do đó phải đồng nhất các hàm Yj chuyển chúng sang dạng đặc trưng gọi

là “hàm mong muốn” thành phần dj = f(Yj), dj là đại lượng không thứ nguyên và

biến đổi trong khoảng từ 0 ữ 1, dj =1 khi Yj có giá trị tốt nhất Các “hàm mong muốn” thành phần dj được thành lập theo công thức sau:

d j = exp[ư exp( ưY j)] (2-31)

k Y

Y

Y Y '

jmin(max) j0

jmin(max) j

Yj min(max)- giá trị thực nghiệm của hàm Yj khi dj = 0,37

Yj0- giá trị tốt nhất của hàm mong muốnYj

k- hệ số ưu tiên, k = 3 ữ 5

Trong trường hợp nghiên cứu của đề tài các hàm Yj là đại lượng bị chặn một phía Yj < Yj max đồ thị hàm mong muốn thành phần dj = f(Yj), khi Yj bị chặn một phía

Hình 2.2 Đồ thị hàm mong muốn khi Y j bị chặn một phía

- Lập hàm mong muốn tổng quát

Sau khi đã có hàm thành phần dj tương ứng với Yj ta lập hàm mong muốn tổng quát D dưới dạng tính theo công thức sau:

p j p 1

j d

=

=

D (2-33) Như vậy, dựa vào số liệu thí nghiệm của các hàm thành phần Yj ta xác định

được giá trị “hàm mong muốn” thành phần dj và giá trị “hàm mong muốn” tổng quát D cho từng thí nghiệm của ma trận Lúc này hàm D được coi như một hàm hồi quy nào đó, việc xác định mô hình toán, kiểm tra mức ý nghĩa của các hệ số

hồi quy, kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán hàm D được xác định tương tự như khi xác định cho các hàm thành phần Yj

Ta nhận thấy các hàm Yj có thể có cực trị ngược nhau trong khoảng nghiên cứu của các yếu tố xi Sau khi đồng nhất hoá các hàm dj theo công thức (2-31) thì tất cả các hàm dj đều là những hàm có giá trị cực đại và bị chặn một phía bởi vì dj < 1 Từ đó ta rút ra hàm D tính theo công thức (2-33) cũng là hàm có giá trị cực đại và bị chặn một bên bởi 1

Sau khi xác định được mô hình toán của hàm D, ta cũng tiến hành giải tối

ưu tương tự như tìm cực trị đối với các hàm thành phần Yj Kết quả giải tối ưu tổng quát đã xác định được giá trị tối ưu chung cả các yếu tố vào cho tất cả các thông số ra Thay giá trị tối ưu này vào các hàm thành phần Yj , ta xác định được giá trị tối ưu tổng quát của các thông số

2.2.4 Phương pháp thực nghiệm đo đạc xử lý và gia công số liệu

1 2

n

i

o i

Độ khô không đều (kí hiệu là K, %) của sản phẩm sấy được xác định theo công thức sau:

% 100

Phương pháp xác định chi phí điện năng riêng

Mức tiêu thụ điện năng riêng được xác định bằng phương pháp đo thông thường Sử dụng công-tơ điện để đo điện năng tiêu thụ trong mỗi lần thí nghiệm Thông qua oát kế, vôn kế, ăm-pe kế và cosϕ kế để xác định các giá trị điện áp và cường độ dòng điện Các chỉ số đo được này cho phép tính toán, kiểm tra lại để

đối chiếu độ chính xác của dụng cụ đo với chỉ số của oát kế và công-tơ điện

Sau mỗi thí nghiệm sẽ ghi lại chỉ số của công-tơ, từ đó xác định được chỉ

số tiêu thụ điện của thiết bị bao gồm: bộ phận cung cấp nhiệt sử dụng điện năng, quạt cấp gió và các bộ phận phụ trợ khác Chi phí điện năng riêng Nr được xác

định theo công thức sau:

q

C

Trong đó C là chỉ số tiêu thụ nhận được qua công-tơ điện, kWh

Phương pháp xử lý và gia công số liệu thực nghiệm

Để gia công và xử lý các số liệu thực nghiệm ta dùng phương pháp thống

kê toán học Sau n lần lặp ta được các giá trị đo đạc xi (i = 1 n), giá trị trung bình của các phép đo được tính theo công thức:

∑

=

i i

x n

Chương 3

Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị sấy

Khác với các thiết bị sấy khác, ở thiết bị sấy kiểu khí động, dòng không khí được sử dụng làm tác nhân sấy đồng thời có nhiệm vụ vận chuyển vật liệu sấy Quá trình trao đổi nhiệt - ẩm xẩy ra đồng thời với quá trình lưu động của dòng khí - bột trong thiết bị để đi sâu nghiên cứu quá trình sấy ta có thể tách chúng thành hai quá trình riêng rẽ để xem xét bản chất của mỗi quá trình

3.1 quá trình khí động

Quá trình khí động là quá trình chuyển động của dòng khí - bột trong thiết bị sấy Thực chất khi nghiên cứu quá trình này là ta đi xem xét sự ảnh hưởng của tính chất khí động đến khả năng vận chuyển vật liệu sấy của dòng khí

3.1.1 Đặc tính lưu động của dòng khí - bột

Xét theo phương diện vận chuyển thì dòng lưu động khí - bột được đặc trưng bởi các chỉ số: hệ số lưu lượng khối lượng (àm), hệ số lưu lượng thể tích (àv), thành phần và dạng của hạt bột, trở lực chính diện của dòng bột…Theo [10]

m G

m

k k k

Hệ số lưu lượng thể tích :

S v

V V

V

h k k

ρà

trong đó:

m, Gk- lưu lượng khối lượng của bột và dòng khí, kg/s V,Vk- lưu lượng thể tích của dòng bột và dòng khí, m3/s

ρh, ρk- khối lượng riêng của bột và khí, kg/m3

vk- vận tốc của dòng khí, m/s S- diện tích tiết diện ống dẫn (buồng sấy), m2

Dòng khí - bột vận chuyển ở đây được sử dụng với mục đích thực hiện quá trình sấy, do đó mà giá trị à thường nhỏ hơn rất nhiều ở các thiết bị vận chuyển khí động

Hình dạng và kích thước của hạt bột có ảnh hưởng rất lớn đến sự chuyển

động của dòng bột Do kích thước của hạt bột là rất nhỏ, trong vấn đề tính toán ở

đây ta có thể xem hạt bột là hình cầu với đường kính dtđ (m)

Để đặc trưng cho hình dạng của hạt bột ta dùng hệ số ϕ là tỉ số giữa bề mặt cầu (Fc) có đường kính dtđ và diện tích bề mặt thực của hạt ( Fh):

td h

V F

hoặc ta có thể dùng hệ số hình dạng hạt φ:

φ = afl trong đó : af- bề mặt riêng theo thể tích hạt, m2/m3

l- kích thước lớn nhất của hạt, m

Hệ số trở lực chính diện ξc của dòng lưu động khí - bột phụ thuộc vào hình dạng, kích thước hạt và các điều kiện chuyển động của dòng, quá trình chuyển khối giữa bột và khí sấy

Giá trị của ξc được xác định bằng công thức thực nghiệm sau :

Re

30 462

0

ε = (1- àv) gọi là độ xốp của khối khí - bột trong ống

k2- hệ số ảnh hưởng của ống dẫn phụ thuộc vào chế độ chuyển động của dòng khí

Khi chảy tầng k2 = 5

) 1

D

d td

(3-7) Khi chảy rối k2 =

3 2

) ( 1

75

k k

k b td l

gd v

ρν

ρ

( 18

vc Lúc này lực đẩy của dòng khí cân bằng với trọng lượng của hạt vật liệu

Xét sự chuyển động của hạt vật liệu có khối lượng mh khi nó ở trạng thái thăng bằng Giả thiết hạt hình cầu trong dòng khí chuyển động chịu tác dụng bởi các lực, mô tả như trên hình 3.1

k c c k c

v g d

k h

c

ρξ

3 2

Qua khảo sát hiện tượng trên ta thấy ứng với một vận tốc khí thổi nhất

định nào đó thì hạt ở trạng thái lơ lửng (lực đẩy dòng khí cân bằng với trọng lượng hạt) Tốc độ này gọi là tốc độ cân bằng vc Tốc độ cân bằng là tốc độ dòng khí thổi thẳng đứng từ dưới lên sao cho giữ hạt đứng yên lơ lửng trong không gian

Vậy nếu:

vk > vc : hạt sẽ được thổi bay lên

vk = vc : hạt lơ lửng

vk < vc : hạt sẽ lắng xuống

3.1.3 Quy luật chuyển động của bột trong dòng khí

Chuyển động của các hạt bột trong dòng lưu động khí - bột được xác định bởi các ngoại lực tác dụng lên chúng như trọng lực, sức cản dòng khí, lực ma sát giữa các hạt với nhau, lực ma sát với thành ống…

Xét hạt bột M chuyển động trong đường ống sấy thẳng đứng (hình 3.2) Theo [17] ta có: biến thiên động lượng của hạt bột trong dòng khí theo thời gian chính là độ chênh lệch lực đẩy do dòng khí và trọng lượng của hạt bột

Hình 3.2 Sơ đồ chuyển động của hạt bột trong ống thẳng đứng

Phương trình vi phân chuyển động của hạt bột trong dòng khí được viết như sau:

τ

d

v m

d( h h)

trong đó : P k – lực đẩy của dòng khí, N

P k = ξcρk F(v k – v h ) 2 (3-18) theo (3-14) ta có

g m

Do kích thước của hạt bột rất nhỏ ta giả thiết giá trị mh là không đổi trong suốt quá trình sấy Vậy ta có :

g m v

v v

g m d

dv

c

h h

dv

c

c h k h

2

2 2

dv

c c h k

h

2 2 2

v v

dv

c c

h k

h

2 2

2

) (

v v

v v d

c c

h k

h k

2 2

2

) (

) (

C v

g v v v

v v v

v k h c c

c h k

c

+

= +

v v v

v k h c c

c h k

(3-23) Hằng số tích phân C được xác định với giả thiết tại thời điểm ban đầu τ =

0 thì vh = v0 được gọi là vận tốc ban đầu của hạt, ta có :

v v v

v v v

v ư ư

+

ư 0ln

2 1

Thay giá trị của C vào (3-23) ta có:

c k

c k

c c c h k

c h k

v v v v v

g v v v

v v v

+

ư +

1 ln

c k

c h k

c h k

e v

v v

v v v

v v v

v v v

τ 2

0 0

c h k

v v v

v v v

c k

v g

v v v

v v v

2 τ

vh =

1

) (

) (

0 0 2

0 0 2

c k

v g

c k c k

c k

v g

c k

v v v

v v v e

v v v v v

v v v e v v

c

c

τ τ

vh =

) (

) (

) )(

(

) )(

( )

(

/ 2

/ 2

c o k

c o k v g

c o k c k

c o k c k v g

c k

v v v

v v v e

v v v v v

v v v v v e

v v

c c

Từ công thức nghiệm (3-24) ta xác định các các đường biểu diễn mối quan

hệ vh = f(τ) và vh = f(dtđ) với vo = 0,2 m/s, vc = 1,2 m/s thể hiện trên đồ thị sau:

4 3 2 1 0.2

0.4 0.6 0.8 1.0

Vh (m/s)

1.2

Hình 3.3 Đồ thị biến thiên vận tốc hạt bột

2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

Hình 3.4 Đồ thị biến thiên vận tốc theo đường kính hạt bột

3.1.4 Lưu lượng và áp suất của dòng khí

Lưu lượng không khí cần thiết để vận chuyển bột được xác định theo công thức:

S v

S- tiết diện mặt cắt ngang của ống, m2

áp suất của dòng khí trong ống sấy là động lực để vận chuyển vật liệu Để vật liệu có thể chuyển động cùng chiều với dòng khí trong ống thẳng đứng thì dòng khí cần có áp suất đủ lớn để đẩy vật liệu lên cao đồng thời khắc phục tất cả các trở lực trong hệ thống đường ống Theo [17], áp suất không khí cần thiết tạo

ra trong hệ thống đường ống được xác định theo công thức :

∆P = ∆P đ + ∆P t +∑h c , N/m2 (3-26) Trong đó :

∆Pđ- áp suất động, tức là áp suất cần thiết tạo ra vận tốc cho dòng khí - bột Trị số của ∆Pđ được tính theo công thức:

∑hc - áp suất cần thiết để thắng các trở lực do ma sát và trở lực cục

bộ trong thiết bị, được xác định như sau:

∑K- tổng các hệ số thực nghiệm tương ứng của các vị trí có trở lực cục bộ, nó phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của thiết bị

D

H

Hình 3.5 Sơ đồ tính áp suất vận chuyển của thiết bị

3.2 Cơ sở lý thuyết quá trình sấy

3.2.1 Bản chất quá trình sấy

Sấy là quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy Trong lĩnh vức nghiên cứu của đề tài, quá trình sấy ở đây là quá trình trao đổi nhiệt - ẩm giữa dòng không khí nóng và vật liệu sấy dạng bột, ẩm mà ta nghiên cứu là nước có trong sản phẩm do đó quá trình trao đổi chất chính là quá trình vận chuyển nước trong vật liệu sấy ra môi trường không khí Các quá trình này xảy ra đồng thời trên vật liệu sấy và chúng có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau do vậy để đảm bảo cho quá trình sấy tiến triển theo hướng có lợi nhất, chúng ta cần nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong thiết bị sấy

3.2.1.1 quá trình trao đổi nhiệt - ẩm trong lòng vật liệu sấy

Trong quá trình truyền nhiệt vào trong vật, tại đây sẽ xuất hiện gradien nhiệt độ, dưới tác dụng của gradien nhiệt độ này nảy sinh hiện tượng khuyếch tán nhiệt trong lòng vật liệu Hiện tượng này gây ảnh hưởng tới quá trình dẫn ẩm trong nó Nếu coi quá trình truyền chất là đồng dạng với quá trình truyền nhiệt ta

có phương trình vi phân truyền nhiệt và dẫn ẩm trong lòng vật liệu sấy Xét cho trường đơn nguyên như sau :

2 2 2

2

x

t a x

u a

u

m

∂ +

r x

t a

t

∂

∂ +

τ- thời gian, s δ- hệ số gradien nhiệt độ, 1/0C r- nhiệt biến đổi pha, kJ/kg.độ C- nhiệt dung riêng của bột, kcal/kg0K

C = C0 + Cnw

C0- nhiệt dung riêng của vật bột khô, kcal/kg0K

Cn- nhiệt dung riêng của nước, kcal/kg0K w- độ ẩm của bột, %

ε- hệ số bay hơi bên trong khi ẩm truyền dưới dạng lỏng ε =

0, dưới dạng hơi ε = 1

2 2

thể xảy ra hiện tượng kìm hãm sự thoát ẩm bề mặt, thậm chí có thể làm cho ẩm

di chuyển ngược lại vào phía trong lòng của vật Trạng thái này tạo ra hai gradien nhiệt độ và gradien độ chứa ẩm chuyển động ngược chiều nhau do đó làm cảm trở sự dẫn ẩm

Trong quá trình sấy đối lưu dòng ẩm từ trong lòng vật liệu sấy truyền ra ngoài bề mặt được xác định:

hay q m = a mγ0∇u - a mγ0δ∇t (3-33) trong đó: qm- dòng ẩm

qma- dòng ẩm do dẫn ẩm

qmt- dòng ẩm do khuyếch tán nhiệt

γ0- trọng lượng riêng của vật liệu khô, kG/m3,

∇u,∇t- gradien độ chứa ẩm và nhiệt độ

∇u =

z

u y

u x

u

∂

∂ +

∂

∂ +

t x

t

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

Chính sự bay hơi ẩm bề mặt đã tạo ra dòng ẩm trong lòng vật liệu sấy

đồng thời gây nên sự co ngót của vật liệu.vật liệu sấy bị kéo ở lớp ngoài và nén

ở lớp trong tạo ra một ứng suất dư trong vật, giá trị của ứng suất dư phụ thuộc vào tốc độ sấy Khi tốc độ sấy lớn có nghĩa là độ chênh lệch độ ẩm bề mặt và trong lòng vật liệu lớn làm cho ứng suất dư tăng, giá trị ứng suất dư đủ lớn sẽ gây

ra hiện tượng nứt vỡ bề mặt sấy

3.2.1.2 Quá trình trao đổi nhiệt - ẩm giữa khí sấy và vật liệu sấy

Trong quá trình sấy, dòng không khí nóng chuyển động bao bọc lấy toàn

bộ bề mặt của hạt bột tạo ra hiện tượng trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt hạt và không khí Trong thực tế, quá trình thoát hơi ẩm từ vật liệu vào không khí diễn ra trong điều kiện không đẳng nhiệt, dòng hơi ẩm dịch chuyển từ vật vào không khí