Hình 2.10. Tủ sấy chân không
Hệ thống sấy chân không gồm có buồng sấy, thiết bị ngƣng tụ và bơm chân không. Vật sấy đƣợc cho vào trong một buồng kín, sau đó buồng này đƣợc hút chân không (ở áp suất lớn hơn 4,56 mmHg). Lƣợng ẩm trong vật đƣợc tách ra khỏi vật và đƣợc hút ra ngoài. Nhiệt độ trong buồng sấy dao động xung quanh nhiệt độ ngoài trời. Phƣơng pháp này phức tạp bởi khả năng giữ buồng chân không, thể tích luôn giới hạn đến mức độ nào đó. Chính vì vậy phƣơng pháp này không đƣợc sử dụng phổ biến nhƣ các phƣơng pháp khác mà chỉ đƣợc sử dụng để sấy các vật liệu, dƣợc liệu quý hiếm, có giá trị dinh dƣỡng và giá trị kinh tế cao [13].
Phân loại hệ thống sấy 2.2.3.
2.2.3.1. Hệ thống sấy tiếp xúc
a. Hệ thống sấy lô
Đây là hệ thống sấy chuyên dùng để sấy hoặc là các vật liệu sấy dạng tấm nhƣ vải, giấy, carton. Trong hệ thống sấy này thiết bị sấy là những hình trụ tròn mà quen gọi là các lô sấy đƣợc đốt nóng thƣờng là bằng hơi nƣớc bão hòa. Vải hoặc giấy ƣớt đƣợc cuộn tròn từ lô này đến lô kia và nhận nhiệt bằng dẫn nhiệt từ bề mặt các lô và thải ẩm vào môi trƣờng [7].
b. Hệ thống sấy tang
Hệ thống sấy này cũng là hệ thống sấy chuyên dùng để sấy các vật liệu dạng bột nhão. Thiết bị sấy trong hệ thống sấy này cũng là một hình trụ tròn, có thể là dạng trống, đƣợc đốt nóng. Bột nhão bám vào tang của hình trụ và nhận nhiệt bằng dẫn nhiệt để thải ẩm ra môi trƣờng. Bột đã sấy khô đƣợc một thiết bị tách ra khỏi tang [7].
2.2.3.2. Hệ thống sấy bức xạ
Hệ thống sấy bức xạ thƣờng dùng để sấy các vật liệu dạng tấm mỏng nhƣ vải, lớp sơn trên các chi tiết kim loại. Ngoài ra nó cũng dùng để sấy sách sau khi đóng bìa hoặc phim ảnh với mục đích vừa sấy vừa diệt các nấm mốc.
Có thể phân hệ thống sấy bức xạ theo nguồn năng lƣợng đốt nóng bề mặt bức xạ hoặc tính chất của bề mặt bức xạ. Theo tính chất bề mặt bức xạ ta có:
Hệ thống sấy bức xạ dùng đèn hồng ngoại.
Hệ thống sấy dùng bề mặt bức xạ. Bề mặt bức xạ có thể là các điện trở bức xạ khi chúng ta dùng điện để đốt nóng hoặc các bề mặt bức xạ khác (gạch chịu lửa chẳng hạn) đƣợc đốt nóng bằng khí đốt [7].
2.2.3.3. Hệ thống sấy đối lƣu
Hệ thống sấy đối lƣu đƣợc phân ra chủ yếu dựa theo cấu tạo của thiết bị sấy. Trong nhóm hệ thống sấy đối lƣu có thể gặp các hệ thống sấy nhƣ hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy tháp, hệ thống sấy thùng quay, hệ thống sấy khí động và một số hệ thống sấy khác.
a. Hệ thống sấy buồng
Cấu tạo chủ yếu của hệ thống sấy buồng là buồng sấy. Trong buồng sấy bố trí các thiết bị đỡ vật liệu sấy mà gọi chung là thiết bị chuyền tải. Nếu dung lƣợng của buồng sấy bé và thiết bị chuyền tải là các khay sấy thì ngƣời ta thƣờng gọi hệ thống sấy buồng này là tủ sấy. Nếu dung lƣợng của buồng sấy lớn và thiết bị chuyền tải là các xe goòng thì ngƣời ta gọi là hệ thống sấy buồng kiểu xe goòng. Nói chung, thiết bị chuyền tải trong hệ thống sấy rất đa dạng. Đặc điểm, cấu tạo của hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy chu kỳ từng mẻ. Do đó, năng suất sấy không lớn. Tuy nhiên, nó có thể sấy nhiều dạng vật liệu sấy khác nhau từ vật liệu dạng cục, hạt đến các vật dạng thanh, tấm [7].
b. Hệ thống sấy hầm
Khác với hệ thống sấy buồng, trong hệ thống sấy hầm thiết bị sấy là một hầm sấy dài, vật liệu sấy vào đầu này và ra đầu kia của hầm. Thiết bị chuyền tải trong hệ thống sấy hầm thƣờng là xe goòng hoặc băng tải. Đặc điểm của hệ thống sấy hầm là bán liên tục hoặc liên tục và cũng nhƣ hệ thống sấy buồng nó có thể sấy đƣợc nhiều dạng vật liệu sấy. Tuy nhiên, do cấu tạo, năng suất của nó lớn hơn năng suất của hệ thống sấy buồng [7].
c. Hệ thống sấy tháp
Trong hệ thống sấy này thiết bị sấy là một tháp sấy, trong đó ngƣời ta đặc một loại kênh dẫn và kênh thải tác nhân sấy xen kẽ nhau. Vật liệu sấy trong hệ thống sấy tháp là dạng hạt tự chảy từ trên xuống dƣới. Tác nhân sấy từ các kênh dẫn xuyên qua lớp hạt chuyển động đi vào các kênh thải để thải ra ngoài. Nhƣ vậy, hệ thống sấy tháp là hệ thống sấy chuyên dùng để sấy hạt. Cùng dạng với hệ thống sấy tháp chúng ta cũng gặp những hệ thống sấy tƣơng tự, ở đó hạt chuyển động từ trên xuống còn tác nhân sấy đi ngang qua lớp hạt thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm. Hệ thống sấy tháp là hệ thống sấy liên tục [7].
d. Hệ thống sấy thùng quay
Thiết bị sấy trong hệ thống sấy thùng quay nhƣ tên gọi là một thùng sấy hình trụ tròn đặt nghiêng một góc nào đó. Trong thùng sấy ngƣời ta bố trí các cánh xáo trộn. Khi thùng quay, vật liệu sấy vừa chuyển động từ đầu này đến đầu kia của thùng sấy vừa bị xáo trộn từ trên xuống dƣới. Tác nhân sấy cũng vào đầu này và ra
đầu kia của thùng sấy. Nhƣ vậy, hệ thống sấy thùng quay cũng là hệ thống sấy chuyên dùng để sấy hạt hoặc cục nhỏ và có thể làm việc liên tục [7].
e. Hệ thống sấy khí động
Có rất nhiều hệ thống sấy khí động. Thiết bị sấy trong hệ thồng sấy này có thể là một ống tròn hoặc hình phễu, trong đó tác nhân sấy có tốc độ cao vừa làm nhiệm vụ sấy vừa làm nhiệm vụ vận chuyển vật liệu sấy từ đầu này đến đầu kia của thiết bị sấy. Tốc độ sấy của tác nhân có thể đạt (40 ÷ 50) m/s. Vật liệu sấy trong các hệ thống sấy này phải là những hạt, mảnh nhỏ và độ ẩm cần lấy đi trong quá trình sấy thƣờng là độ ẩm bề mặt [7].
2.3. Cơ sở tính toán thiết kế máy sấy
Trong tính toán quá trình sấy có thể áp dụng hai phƣơng pháp: phƣơng pháp giải tích và phƣơng pháp dùng đồ thị I – d của L. K. Ramzin. Do phƣơng pháp đồ thị I – d đơn giản hơn nên thƣờng dùng đồ thị I – d để tính toán trong quá trình sấy. Bên cạnh đó là một số công thức liên quan để tính toán thiết kế các bộ phận của máy sấy nhƣ sau:
Tính lƣợng ẩm cần bốc hơi từ nguyên liệu sấy: 2 2 1 2 1 2 1 1 1 1 w w w m w w w m W (2 – 6) Trong đó: 1
m : là khối lƣợng vật liệu sấy ban đầu. 2
m : là khối lƣợng vật liệu sấy sau khi kết thúc quá trình sấy. 1
w : là độ ẩm tƣơng đối của vật liệu sấy đi vào thiết bị sấy. 2
w : là độ ẩm tƣơng đối của vật liệu sấy đi ra khỏi thiết bị sấy.
Tính toán hệ thống gia nhiệt:
W q
Q0 0. (kW) (2 – 7)
Trong đó:
W : là lƣợng ẩm cần bốc hơi trong 1 giờ (kg/h).
o
q : là nhiệt lƣợng tiêu hao (kJ/kg).
Tính tổn thất qua ống dẫn: 2 . . 2 v d l P td ms (mmH2O) (2 – 8) Trong đó: : là hệ số tổn thất do ma sát. l: là chiều dài đƣờng ống (m).
v: là vận tốc gió trong ống (m/s).
td
d : do ống có tiết diện chữ nhật nên tính đƣờng kính tƣơng đƣơng thay (m).
: là khối lƣợng riêng không khí chuyển động trong ống (kg/m3 ).
Công suất cần thiết của quạt:
lt
N
N (kW) (2 – 9)
Trong đó:
lt
N : là công suất lý thuyết của quạt (kW).
: là hiệu suất chung của quạt.
Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi: ) .( . 2 2 1 2 vk v v v G C t t Q (kJ/h) (2 – 10) Trong đó: 2 vk
C : là nhiệt dung riêng của vật liệu khô. 2
v
t : là nhiệt độ ra khỏi thiết bị của vật liệu sấy (o C). 1
v
t : là nhiệt độ vật liệu sấy vào thiết bị (oC).
Tổn thất nhiệt qua khay sấy:
h C Q k k k k ) .( . n.Gk 2 1 (kJ/h) (2 – 11) Trong đó: k
C : là nhiệt dung riêng của thép. 2
k
: là nhiệt độ của khay ra khỏi buồng sấy (oC). 1
k
: là nhiệt độ của khay trƣớc khi đƣa vào buồng sấy (oC).
k
G : là khối lƣợng của một khay sấy (kg).
n: là tổng số khay sấy. Tổn thất qua xe goòng: h C Q x x x x ) .( . n.Gx 2 1 (kJ/h) (2 – 12) Trong đó: x
C : là nhiệt dung riêng của thép. 2
x
: là nhiệt độ của xe goòng ra khỏi buồng sấy (oC). 1
x
: là nhiệt độ của xe goòng trƣớc khi đƣa vào buồng sấy (o C).
x
G : là khối lƣợng của một xe goòng (kg).
n: là tổng số xe goòng. Tổn thất nhiệt qua vách: t F K Qv 3,6. v. v. (kJ/h) (2 – 13)
Trong đó:
v
F : là diện tích bề mặt vách buồng sấy (m2 ).
v
K : là hệ số truyền nhiệt qua vách (W/m.o C).
t
CHƢƠNG 3
VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Vật liệu sấy
Vật liệu sấy dùng trong tính toán, thiết kế là gừng tàu, có độ ẩm 82% đƣợc xác định bằng cân phân tích ẩm MX – 50/A&D ở phòng thí nghiệm máy, thiết bị chế biến lƣơng thực, thực phẩm – khoa Công nghệ, trƣờng Đại học Cần Thơ.
Hình 3.1. Củ gừng tươi
3.2. Vật liệu chế tạo máy
Vật liệu đƣợc sử dụng trong thiết kế để chế tạo máy sấy chủ yếu là thép; đặc biệt các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với gừng chọn vật liệu là inox.
3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài
Khảo sát thực tế quy trình trồng, tiêu thụ gừng ở huyện Long Mỹ, tỉnh Hậu Giang.
Tham khảo tài liệu trong thƣ viện khoa Công nghệ, trung tâm học liệu Đại học Cần Thơ, các tài liệu trên mạng internet, các luận văn, tiểu luận các khóa trƣớc liên quan đến đề tài, để làm cơ sở tính toán thiết kế máy sấy.
Phƣơng pháp tính toán thiết kế máy sấy. Ứng dụng các phần mềm CAD để thiết kế bản vẽ.
3.4. Phƣơng pháp và kết quả khảo sát ở huyện Long Mỹ
Hình 3.3. Sơ đồ quy trình trồng và tiêu thụ gừng
Sơ đồ quy trình ở hình 3.3 cho thấy rằng: gừng tƣơi có giá cả không ổn định, phụ thuộc vào từng thời điểm và nhu cầu thị trƣờng, nhƣng gừng là loại cây nông sản có thời gian bảo quản ở điều kiện thƣờng ngắn, dễ hỏng. Nếu nông dân muốn bảo quản gừng hoặc chuyển sang dạng gừng khô để bán sẽ đƣợc giá hơn khi một số
ngành có nhu cầu sử dụng gừng khô để làm dƣợc liệu, thực phẩm thì cần kéo dài thời gian bảo quản. Để giải quyết vấn đề nêu trên, sấy là phƣơng pháp thích hợp, cần thiết và đáp ứng đƣợc nhu cầu thực tế đề ra.
3.5. Lựa chọn phƣơng án thiết kế máy
Dựa vào phần lý thuyết sấy ở phần trƣớc và dạng vật liệu sấy ta thấy rằng:
Hệ thống sấy đối lƣu đƣợc áp dụng rộng rãi trong sấy nông sản ở Việt Nam, phƣơng pháp này với ƣu điểm là đơn giản và hiệu quả kinh tế cao.
Hệ thống sấy tiếp xúc thƣờng đƣợc dùng để sấy các bột nhão nhờ các rulô đƣợc đốt nóng. Do chi phí đầu tƣ thiết bị và chi phí vận hành cao nên phƣơng pháp này ít đƣợc sử dụng.
Hệ thống sấy bức xạ ít đƣợc dùng để sấy nông sản vì nó tiêu tốn nhiều điện năng và không kinh tế bằng sấy đối lƣu.
Hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần thƣờng đƣợc sử dụng để sấy những sản phẩm hình khối, dày hay hình dạng phức tạp, khó sấy đều bằng các phƣơng pháp sấy đối lƣu, tiếp xúc, bức xạ. Do chi phí đầu tƣ lớn, năng suất thấp, cấu tạo phức tạp nên ít đƣợc sử dụng.
Hệ thống sấy lạnh (sấy thăng hoa, sấy chân không,…) do tính phức tạp và tính kinh tế nên thƣờng đƣợc dùng để sấy những sản phẩm đắt tiền và vật liệu sấy không chịu đƣợc nhiệt độ cao.
Vậy ta chọn hệ thống sấy đối lƣu làm phƣơng án thiết kế do đáp ứng đƣợc yêu cầu năng suất, hiệu quả kinh tế cao nhƣng giá thành đầu tƣ thấp, vận hành, sửa chữa đơn giản và phù hợp với nhu cầu của ngƣời dân.
Trong nhóm hệ thống sấy đối lƣu thƣờng gặp các hệ thống sấy: sấy buồng, sấy hầm, sấy thùng quay, sấy tháp và một số thiết bị sấy khác.
Dựa vào thang điểm từ 1 đến 10 để đánh giá và cho điểm những chỉ tiêu so sánh các hệ thống sấy. Khi hệ thống sấy nào có tổng điểm càng cao thì khả năng lựa chọn hệ thống sấy đó làm phƣơng án thiết kế càng cao.
Bảng 3.1. Bảng đánh giá, so sánh các hệ thống sấy
Hệ thống sấy Chỉ tiêu so sánh
Sấy buồng Sấy hầm Sấy tháp Sấy thùng quay
Sấy dạng lát 10 10 5 5
Quy mô sản xuất 10 8 8 8
Chi phí đầu tƣ 10 8 8 8 Chi phí vận hành, sửa chữa, bảo dƣỡng 10 8 8 8 Chất lƣợng sản phẩm 10 10 7 7 Giá thành sấy 10 10 8 9 Tổng 60 54 44 45
Dựa vào kết quả đánh giá, so sánh các loại thiết bị sấy, ta chọn nguyên lý sấy đối lƣu không khí nóng, gia nhiệt bằng điện trở với hệ thống sấy là buồng sấy. Máy sấy đƣợc thiết kế đảm bảo đƣợc năng suất, chất lƣợng sản phẩm tốt, an toàn vệ sinh thực phẩm, điều kiện vận hành và vốn đầu tƣ đáp ứng yêu cầu của ngƣời dân.
3.5.1. Sơ đồ nguyên lý của máy sấy
3.5.1.1. Sơ đồ cấu tạo của máy sấy thiết kế
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý máy sấy gừng
1 – Kích từ 2 – Quạt thổi 3 – Điện trở 4 – Cảm biến nhiệt 5 – Xe goòng 6 – Buồng sấy 7 – Cửa thoát ẩm
3.5.1.2. Nguyên lý hoạt động
Không khí đƣợc quạt thổi (2) thổi vào bên trong và đi qua điện trở (3) đã đƣợc đốt nóng đến nhiệt độ sấy là 55 oC, sau đó khí sấy vào buồng sấy (6 ) để sấy gừng, gừng đặt trên khay và đƣợc sắp xếp trên các xe goòng (5), ẩm thoát ra ở cửa thoát ẩm (7). Gừng có độ ẩm ban đầu là 82%, đƣợc sấy ở nhiệt độ 55 oC, sấy đến khi gừng đạt độ ẩm 10% thì kết thúc quá trình sấy.
Phía sau điện trở (3) và trƣớc buồng sấy có bố trí một cảm biến nhiệt (4) để đo nhiệt độ trƣớc khi vào buồng sấy. Khi nhiệt độ vào buồng sấy chƣa đạt 55 oC, kích từ (1) đƣợc nối với điện trở sẽ kích hoạt để điều chỉnh tăng hoặc giảm nhiệt độ đốt nóng điện trở để gia nhiệt cho khí sấy đạt 55 oC.
CHƢƠNG 4
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY SẤY GỪNG
4.1. Các thông số thiết kế ban đầu
Năng suất máy cần thiết là 50 kg/mẻ.
Nhiệt độ trung bình ở Hậu Giang là 27 oC, độ ẩm trung bình là 82% [16]. Độ ẩm của củ gừng trƣớc khi sấy là 82% và sau khi sấy là 10%.
Thời gian sấy: 8 giờ. Nhiệt độ sấy: 55 oC.
4.2. Tính toán thiết kế buồng sấy
Yêu cầu chung 4.2.1.
Buồng sấy đảm bảo gọn, dễ vận hành, hạn chế tổn thất nhiệt.
Thể tích đảm bảo năng suất yêu cầu.
Kết cấu đảm bảo tác nhân sấy tác dụng đều lên toàn bộ nguyên liệu sấy.
Thuận tiện cho quá trình đƣa nguyên liệu sấy vào và lấy sản phẩm sấy ra.
Thiết kế khay sấy 4.2.2.
Năng suất sản phẩm gừng khô của máy sấy cần thiết là 50 kg. Vậy để đạt 50 kg gừng khô, độ ẩm 10% thì cần một khối lƣợng gừng tƣơi đƣợc tính nhƣ sau:
250 82 100 10 100 . 50 100 100 . 1 2 2 1 M M G G kg. (4 – 1) Trong đó : 1
G : khối lƣợng vật liệu trƣớc khi sấy (kg). 2
G : khối lƣợng sản phẩm sau sấy (kg). 1
M : độ ẩm vật liệu trƣớc khi sấy (%). 2
M : độ ẩm sản phẩm sau sấy (%).