Thiết kế hệ thống sấy thùng quay dùng để sấy bắp hạt năng suất 500kgh

Phôi và hạt là khởi thủy của cây mầm. Các cơ quan sinh sản đực (bông cờ) và cái (mầm bắp) khác biệt nhau nhưng nằm trên cùng một cây. Bắp giao phấn chéo nhờ gió và côn trùng. Khi thu hoạch, con người chỉ sử dụng hạt bắp làm thực phẩm. Hạt bắp thuộc loại quả dĩnh gồm 4 bộ phận chính: vỏ hạt, lớp aleron, phôi, và nội nhũ. Vỏ hạt (chiếm 6–9% khối lượng hạt bắp): là một màng nhẵn bao bọc xung quanh hạt có màu trắng, màu tím hoặc vàng tùy thuộc vào giống. Lớp aleron (6–8%): nằm sau vỏ hạt bao bọc lấy nội nhũ và phôi. Nội nhũ (70–85%): là bộ phận chính chứa đầy các chất dinh dưỡng để nuôi phôi. Nội nhũ chứa tinh bột. Tinh bột nội nhũ gồm 3 loại: bột, sừng và pha lê. Đặc điểm và màu sắc nội nhũ là căn cứ để phân loại bắp. Phôi (8–15%): bao gồm lá mầm, trụ dưới lá mầm, rễ mầm, và chồi mầm. Phôi bắp chiếm gần 13 thể tích hạt, bao quanh phôi có lớp tế bào xốp giúp cho vận chuyển nước vào phôi và ngược lại thuận lợi. Thành phần hóa học của hạt Phôi và hạt là khởi thủy của cây mầm. Các cơ quan sinh sản đực (bông cờ) và cái (mầm bắp) khác biệt nhau nhưng nằm trên cùng một cây. Bắp giao phấn chéo nhờ gió và côn trùng. Khi thu hoạch, con người chỉ sử dụng hạt bắp làm thực phẩm. Hạt bắp thuộc loại quả dĩnh gồm 4 bộ phận chính: vỏ hạt, lớp aleron, phôi, và nội nhũ. Vỏ hạt (chiếm 6–9% khối lượng hạt bắp): là một màng nhẵn bao bọc xung quanh hạt có màu trắng, màu tím hoặc vàng tùy thuộc vào giống. Lớp aleron (6–8%): nằm sau vỏ hạt bao bọc lấy nội nhũ và phôi. Nội nhũ (70–85%): là bộ phận chính chứa đầy các chất dinh dưỡng để nuôi phôi. Nội nhũ chứa tinh bột. Tinh bột nội nhũ gồm 3 loại: bột, sừng và pha lê. Đặc điểm và màu sắc nội nhũ là căn cứ để phân loại bắp. Phôi (8–15%): bao gồm lá mầm, trụ dưới lá mầm, rễ mầm, và chồi mầm. Phôi bắp chiếm gần 13 thể tích hạt, bao quanh phôi có lớp tế bào xốp giúp cho vận chuyển nước vào phôi và ngược lại thuận lợi. Thành phần hóa học của hạt

MỤC LỤC

I MỞ ĐẦU 1

1 Tính chất vật liệu 1

2 Quá trình sấy 1

2.1 Khái niệm chung 1

2.2 Các phương thức sấy 2

3 Thiết bị sấy 2

II CHỌN VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 3

1 Quy trình công nghệ 3

2 Thuyết minh quy trình công nghệ 3

III TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 5

1 Thông số cơ bản của vật liệu 5

2 Tính cân bằng vật chất 5

3 Tính cân bằng năng lượng 6

3.1 Công thức xác định các thông số của tác nhân sấy 6

3.2 Các thông số của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết 7

3.3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy lý thuyết 12

3.4 Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy thực 12

3.5 Các thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực 14

3.6 Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực 16

3.7 Lượng nhiên liệu tiêu hao 16

3.8 Hiệu suất thiết bị sấy 16

IV TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH 17

1 Thời gian sấy 17

2 Thời gian vật liệu lưu trú trong thùng 17

3 Các kích thước cơ bản của thùng sấy 18

4 Tốc độ tác nhân sấy trong thiết bị 18

5 Công suất cần thiết để quay thùng 18

6 Chiều cao lớp vật liệu trong thùng 19

V TÍNH TOÁN KẾT CẤU THIẾT BỊ CHÍNH 21

1 Kiểm tra bề dày thùng sấy 21

2 Tính chọn cánh đảo trộn 22

3 Thiết kế bộ phận truyền động 23

3.1 Chọn động cơ 23

3.2 Chọn tỉ số truyền động 23

3.3 Tính bộ truyền bánh răng 24

4 Tính vành đai 30

5 Tính con lăn đỡ 31

6 Tính con lăn chặn 32

VI TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 33

1 Tính toán buồng đốt 33

2 Tính toán buồng hòa trộn 34

3 Tính gầu tải nhập liệu 36

3.1 Chọn các chi tiết cơ bản của gầu tải 36

3.2 Xác định năng suất và công suất của gầu tải 37

4 Tính chọn cyclon 37

5 Thiết kế và tính trở lực đường ống 39

5.1 Tính trở lực ma sát trên đường ống 40

5.2 Tính trở lực cục bộ 41

5.3 Tính trở lực cho hệ thống 42

6 Tính toán và chọn quạt 43

VII KẾT LUẬN 44

VIII TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Thành phần hóa học của bắp hạt 1

Bảng 2: Thành phần than sử dụng 7

Bảng 3: Trạng thái tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết 12

Bảng 4: Trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực 15

Bảng 5: Tỉ số truyền của động cơ 24

Bảng 6: Kết quả tính toán ứng suất tiếp xúc cho phép 25

Bảng 7: Kết quả tính toán ứng suất uốn cho phép 26

Bảng 8: Kết quả tính toán giá trị mođun 28

Bảng 9: Thông số hình học chủ yếu của bộ truyền 29

Bảng 10: Kích thước cơ bản của cyclon đơn 38

Bảng 11: Các thông số hệ thống đường ống 40

Bảng 12: Trở lực ma sát trên đường ống 41

Bảng 13: Trở lực cục bộ do đột mở 41

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Sơ đồ quy trình công nghệ 3

Hình 2 Đồ thị I-d của quá trình sấy thực 15

Hình 3 Chiều cao lớp vật liệu trong thùng 19

Hình 4 Kích thước cách đảo 22

Hình 5 Cấu tạo hộp giảm tốc 23

Hình 6 Sơ đồ bố trí con lăn đỡ 31

Hình 7 Buồng đốt thủ công ghi phẳng 33

Hình 8 Buồng hòa trộn 34

Hình 9 Cyclon đơn ЦH-15 38

Vỏ hạt (chiếm 6–9% khối lượng hạt bắp): là một màng nhẵn bao bọc xung quanh hạt

có màu trắng, màu tím hoặc vàng tùy thuộc vào giống

Lớp aleron (6–8%): nằm sau vỏ hạt bao bọc lấy nội nhũ và phôi

Nội nhũ (70–85%): là bộ phận chính chứa đầy các chất dinh dưỡng để nuôi phôi Nội nhũ chứa tinh bột Tinh bột nội nhũ gồm 3 loại: bột, sừng và pha lê Đặc điểm và màu sắc nội nhũ là căn cứ để phân loại bắp

Phôi (8–15%): bao gồm lá mầm, trụ dưới lá mầm, rễ mầm, và chồi mầm Phôi bắp chiếm gần 1/3 thể tích hạt, bao quanh phôi có lớp tế bào xốp giúp cho vận chuyển nước vào phôi và ngược lại thuận lợi

Thành phần hóa học của hạt bắp được cho trong bảng sau:

Bảng 1: Thành phần hóa học của bắp hạt Thành phần hóa học

2.1 Khái niệm chung

Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu bằng nhiệt Nhiệt được cung cấp cho vật liệu ẩm bằng dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc bằng năng lượng điện trường có tần số cao

Mục đích của quá trình sấy là giảm khối lượng của vật liệu, tăng độ bền và bảo quản được tốt

Trong quá trình sấy, nước được cho bay hơi ở nhiệt độ bất kỳ do sự khuếch tán bởi sự chênh lệch độ ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu và bởi sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường chung quanh

Sấy là một quá trình không ổn định, độ ẩm của vật liệu thay đổi theo không gian và thời gian

Dựa vào tác nhân sấy: thiết bị sấy bằng không khí hoặc thiết bị sấy bằng khói lò Ngoài

ra còn có thiết bị sấy bằng phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng tia hồng ngoạihay bằng dòng điện cao tần

Dựa vào áp suất làm việc: thiết bị sấy chân không, thiết bị sấy ở áp suất thường Dựa vào phương thức làm việc: sấy liên tục hay sấy gián đoạn

Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy tiếp xúc, hoặc thiết

bị sấy đối lưu, thiết bị sấy bức xạ…

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

Dựa vào chiều chuyển động của tác nhân sấy và vật liệu sấy: cùng chiều, nghịch chiều

và giao chiều

II CHỌN VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

1 Quy trình công nghệ

Hình 1: Sơ đồ quy trình công nghệ

2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Vật liệu sấy là bắp hạt sau khi được rửa sạch, tuốt ra khỏi cùi, được cho vào buồng chứa, sau đó được nhập liệu vào thùng sấy bằng hệ thống gầu tải Bắp hạt khi vào thùng sấy có

độ ẩm 35%, chuyển động cùng chiều với tác nhân sấy

Tác nhân sấy sử dụng là khói lò, tạo ra từ nhiên liệu đốt là than, sau khi qua buồng đốt được hòa trộn với không khí bên ngoài để đạt nhiệt độ thích hợp cho quá trình sấy Dòng tác nhân sấy được gia tốc bằng quạt đẩy đặt ở trước thiết bị, và quạt hút đặt cuối thiết bị

Trên đường ống dẫn khói lò vào buồng hòa trộn và đường ống dẫn không khí từ môi trường vào buồng hòa trộn đều có các van, dùng để điều chỉnh lưu lượng các dòng Đặt nhiệt

kế ở sau buồng hòa trộn để xác định nhiệt độ của tác nhân sấy trước khi vào thùng sấy, nếu nhiệt độ quá cao ta sẽ mở van để tháo bớt khói lò ra ngoài, giảm lượng khói lò vào buồng hòa trộn để giảm bớt nhiệt độ, ngược lại nếu nhiệt độ chưa đủ, ta khóa bớt van dẫn không khí từ môi trường vào buồng hòa trộn

Thùng sấy có dạng hình trụ đặt nằm nghiêng một góc 1.5 so với mặt phẳng ngang, được đặt trên một hệ thống các con lăn đỡ và chặn Chuyển động quay của thùng được thực hiện nhờ bộ truyền động từ động cơ sang hộp giảm tốc đến bánh răng gắn trên thùng Bên trong thùng có gắn các cánh nâng, dùng để nâng và đảo trộn vật liệu sấy, mục đích là tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy, do đó tăng bề mặt truyền nhiệt, tăng cường trao đổi nhiệt để quá trình sấy diễn ra triệt để

Trong thùng sấy, bắp hạt được nâng lên đến độ cao nhất định, sau đó rơi xuống Trong quá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy, thực hiện các quá trình truyền nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm Nhờ độ nghiêng của thùng mà vật liệu sẽ được vận chuyển đi dọc theo

chiều dài thùng Thời gian lưu của vật liệu trong thùng là 53.46 phút Khi đi hết chiều dài thùng sấy, vật liệu sấy sẽ đạt được độ ẩm cần thiết cho quá trình bảo quản là 12%

Sản phẩm bắp hạt sau khi sấy được đưa vào buồng tháo liệu, sau khi qua cửa tháo liệu

sẽ được bao gói, để bảo quản hay dùng vào các mục đích chế biến khác

Dòng tác nhân sấy sau khi qua buồng sấy chứa nhiều bụi, do đó cần phải đưa qua một

hệ thống lọc bụi để tránh thải bụi bẩn vào không khí gây ô nhiễm Ở đây, ta sử dụng hệ thống lọc bụi bằng nhóm hai cyclon đơn Khói lò sau khi lọc bụi sẽ được thải vào môi trường Phần bụi lắng sẽ được thu hồi qua cửa thu bụi của cyclon và được xử lý riêng

III TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

1 Thông số cơ bản của vật liệu

- Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy (theo vật liệu ướt):

Đường kính tương đương: dtđ = 7.5 mm

- Năng suất nhập liệu: G1 = 500 kg/h

2 Tính cân bằng vật chất

Phương trình cân bằng vật chất:

(Trang 127–[1]) Trong đó:

G1, G2 (kg/h) : khối lượng vật liệu sấy đi vào, ra thiết bị sấy

1, 2 : độ ẩm tương đối của vật liệu sấy ở đầu vào, ra của thiết bị sấy

W (kg/h) : lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ

Gk (kg/h) : khối lượng vật liệu khô tuyệt đối

Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ:

1 2 1

3 Tính cân bằng năng lượng

3.1 Công thức xác định các thông số của tác nhân sấy

- Áp suất hơi bão hòa:

( )0.621

1

a b

a b

P p

d P

ik, ia (kJ/kg) : enthalpy của 1kg không khí khô và 1kg hơi nước

3.2 Các thông số của tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết

3.2.1 Thông số trạng thái của không khí ngoài trời (A)

- Không khí ngoài trời có:

i Tính toán quá trình cháy

- Thành phần nguyên liệu than sử dụng (than Tuyên Quang)

- Nhiệt trị cao của nhiên liệu

- Lượng không khí khô thực tế cho quá trình sấy

Trong thực tế do tùy thuộc vào việc tổ chức quá trình cháy và độ hoàn thiện của buồng đốt mà không khí khô thực tế L để cháy hết 1kg nhiên liệu lớn hơn lượng không khí khô lý thuyết Do đó ta có:

Trong các lò đốt lấy khói của hệ thống sấy có thể lấy bđ = 1.2÷1.3 Chọn bđ = 1.3

 Chọn hiệu suất buồng đốt bđ = 0.6

 Chọn nhiệt độ của khói lò sau hòa trộn t1 = 70C

 Cnl = 0.12 kJ/kg.K : nhiệt dung riêng của than

 tnl = 27C

 Enthalpy của hơi nước: i2500 1.842 t ( / )kJ kg (CT 3.16/57–[1])

o Trong không khí ngoài trời:

o Trong hơi nước chứa trong khói sau buồng hòa trộn:

ii Các thông số nhiệt động cơ bản của khói lò

- Độ chứa ẩm của khói lò

G d L





 Sau buồng hịa trộn

1

5.731 0.01892 (kg ẩm/kg khói khô)302.969

a k

G d L

10.8671447.38 (kJ/kg khói khô)

302.969120.119 (kJ/kg khói khô)

0.6218511.393 1

 Sau buồng hịa trộn

1

0.6210.307 1

288 70 273 10

1.038 ( / khói kho)â0.981 0.0945 0.307 m kg

3.2.3 Thơng số trạng thái của tác nhân sấy sau buồng sấy (C)

Trong thiết bị sấy dùng khĩi lị làm chất vừa cung cấp nhiệt lượng cho vật liệu sấy vừa thải ẩm ra mơi trường, quá trình sấy lý thuyết là quá trình khơng cĩ tổn thất do vật liệu sấy, do thiết bị chuyền tải mang đi, khơng cĩ tổn thất do tỏa ra mơi trường qua các kết cấu bao che, …

mà chỉ cĩ tổn thất do tác nhân sấy mang đi Do đĩ, bao nhiêu nhiệt lượng khĩi lị cung cấp cho vật liệu sấy hồn tồn dùng để tách ẩm khỏi vật liệu Khi ẩm tách khỏi vật liệu, lại bay vào trong khĩi, do đĩ ẩm đã mang tồn bộ nhiệt lượng mà khĩi đã mất trả lại dưới dạng ẩn nhiệt hĩa hơi r và nhiệt vật lý của hơi nước Cpat Vì vậy, quá trình sấy lý thuyết bằng khĩi lị được xem là quá trình đẳng enthalpy

Ta cĩ các thơng số của tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết được xác định như sau: Enthalpy: I20 = I1 = 120.119 kJ/kg khĩi khơ

Chọn nhiệt độ đầu ra của tác nhân sấy là t20 = 35C

- Áp suất hơi bão hịa:

Bảng 3: Trạng thái tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết Đại lượng

Không khí ngoài trời (A)

Tác nhân sấy sau buồng đốt (B’)

Tác nhân sấy sau buồng hòa trộn (B)

Tác nhân sấy ra khỏi thiết bị sấy (C)

3.3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy lý thuyết

Giả sử lượng khói vào, ra thiết bị sấy là không đổi, kí hiệu là (kg/h)

Theo phương trình cân bằng vật chất:

(CT 7.14/131–[1]) Lượng khói khô cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm:

0 0

W

3.4 Cân bằng năng lượng cho thiết bị sấy thực

Trong thiết bị sấy thực, ngoài tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi, trong thiết bị sấy thùng quay, còn có tổn thất nhiệt ra môi trường Qmt, và tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi

 Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy:

- Nhiệt lượng do tác nhân sấy nhận được trong buồng đốt, buồng hòa trộn:

- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào:

 Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy:

- Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi :

Cân bằng nhiệt lượng vào ra thiết bị sấy, ta có:

Vậy nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy thực:

CV (kJ/kg.K) : nhiệt dung riêng của vật liệu sấy với độ ẩm 2

Ck = 1.7 (kJ/kg.K) : nhiệt dung riêng của vật liệu khô

Ca = 4.1868 (kJ/kg.K) : nhiệt dung riêng của ẩm

nhỏ hơn nhiệt độ đầu ra của tác nhân sấy 3–5C

28.23 (kJ/kg aåm)130.68

Ch : nhiệt dung riêng của ẩm

Với ẩm là hơi nước thì: Ch=1.842 (kJ/kg.K)

: trạng thái của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực nằm dưới đường I = I1.

3.5 Các thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực

 Độ chứa ẩm của tác nhân sấy:

(CT 7.30/138–[1]) (CT 7.31/138–[1]) Trong đó:

i

 

 Thể tích riêng:

3 2

Tác nhân sấy sau buồng đốt (B’)

Tác nhân sấy sau buồng hòa trộn (B)

Tác nhân sấy ra khỏi thiết bị sấy (C)

Nhiệt lượng tiêu hao để bốc hơi 1kg ẩm:

q l I  I   

3.6 Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực

Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ở trạng thái trước khi vào buồng sấy:

3.7 Lượng nhiên liệu tiêu hao

Lượng nhiên liệu (than) tiêu hao để bốc hơi 1kg ẩm:

q q

IV TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH

1 Thời gian sấy

Trong thiết bị, chọn cánh đảo trộn có dạng cánh nâng, có các thông số sau:

- Hệ số điền đầy:  = 0.18 (Bảng 6.1/177–[2])

- Góc gấp của cánh nâng:  = 140

- Thông số đặc trưng cho cấu trúc cánh:

- Hệ số lưu ý đến dạng cánh trong thùng: đối với cánh nâng, m = 0.5

Thời gian sấy được xác định theo:

n D tg L

4

tg n D

L

D

T T T

1

4

(m)

T T

V m k D

D  D 

      (thỏa tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính thùng)

 Thời gian lưu của vật liệu

1 0.5 0.7 4 53.46 (phuùt) = 0.891 (h)

1 1 tg1.5

 1 1

4 Tốc độ tác nhân sấy trong thiết bị

Tốc độ trung bình của tác nhân sấy trong buồng sấy

2.587

0.644

tb tb

td

V

m s F

5 Công suất cần thiết để quay thùng

2 30.13 10 DT T ( )

N     L a n   kW (CT VII.54/123–[5]) Trong đó:

6 Chiều cao lớp vật liệu trong thùng

 Tỷ lệ chứa đầy vật liệu trong thùng:

0.18

cd T

F

F

Với FT - tiết diện ngang của thùng 0.785 m3

Fcd - tiết diện chứa đầy:

30.18 0.785 0.1413 ( )

Tính chất của khói lò cũng tương tự như tính chất của không khí khô, do đó có thể

sử dụng các số liệu của không khí khô cho khói lò

Ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy

 Hệ số đặc trưng cho độ chặt của lớp hạt C 1

3

1 1 0.990 10.2 1020.990

V TÍNH TOÁN KẾT CẤU THIẾT BỊ CHÍNH

1 Kiểm tra bề dày thùng sấy

Thân thùng được chế tạo bằng thép tấm loại ít cacbon CT3, cố các thông số cơ bản:

- Khối lượng riêng  = 7850 kg/ m3

S C D

(CT 6–10/97–[6])

o Áp suất tính toán cho phép bên trong thiết bị:

2 Tính chọn cánh đảo trộn

Một số thông số cơ bản của cánh nâng đã được chọn ở trên

Chiều cao rơi trung bình của hạt vật liệu:

- Số cánh cần lắp: 12 12 4000 12 7 84 (cánh)

520

T

L z

Cơng suất cần để quay thùng : N = 0.261 kW

Để quay được thùng thì cơng suất làm việc của động cơ phải lớn hơn cơng suất cần thiết để quay thùng một lượng nhất định để cĩ thể thắng lực ma sát giữa thùng với đệm (chỗ cơ cấu bích kín ở đầu thùng), hay do hiệu suất của các bộ truyền khơng đạt 100%,…Ngồi ra, cơng suất động cơ cịn dng để thắng lực ma sát nghỉ ban đầu hay mơmen mở máy nên sẽ chọn dư nhiều so với cơng suất quay thùng

Hình 5: Cấu tạo hộp giảm tốc

Tỉ số truyền động chung của hệ thống:

Do tỉ số truyền của động cơ lớn, nên cần phải sử dụng bộ giảm tốc cho động cơ Ở đây,

ta sử dụng hộp giảm tốc trục vít – bánh răng Cấu tạo của hộp giảm tốc như hình vẽ

đc thùng

720 7201

n i

n