Chọn tác nhân sấy và chế độ sấy

II Tính tốn sấy

1.1 Chọn tác nhân sấy và chế độ sấy

1.1.1 chọn tác nhân sấy

Đối với chè là sản phẩm con người dùng để uống cho lên trong quá trình sấy chè yêu cầu tác nhân sấy phải sạch khơng bị ơ nhiễm và bám bụi nên ta chọn tác nhân sấy là khơng khí nĩng.

Đối với sấy chè, hiện nay trong nước ta cũng như trên thế giới thường dùng tác nhân sấy là khơng khí nĩng.

Với tác nhân khơng khí, người ta thường chia hai phương pháp sấy: Phương pháp sấy hai lần.

Phương pháp sấy một lần. - Phương pháp sấy hai lần:

+ Lần thứ I: Dùng nhiệt độ sấy từ 90-95 oC, thời gian sấy kéo dài 12- 15 phút, sau khi sấy độ ẩm của chè cịn lại từ 18-20 %.

+ Lần thứ II: Dùng nhiệt độ sấy từ 80-85 oC thời gian sấy gần như lần I, độẩm của sản phẩm sau khi sấy lần thứ II khoảng 3-5 %.

+ Giữa hai lần sấy (sau khi sấy lần I) chè được rải mỏng và làm nguội tự nhiên hoặc cưỡng bức. Mục đích làm cho phần ẩm tiếp tục bốc hơi đi, mặt khác tạo điều kiện phân bố ẩm đồng đều trong sản phẩm tránh hiện tượng ẩm cục bộ “trong ướt ngồi khơ”.

- Phương pháp sấy 1 lần: Xu hướng hiện nay, trong sản xuất người ta dùng phương pháp sấy một lần, phương pháp này dùng nhiệt độ sấy

>1200 C. Ưu điểm của phương pháp này nâng cao được hiệu suất sử dụng của thiết bị sấy, nếu đảm bảo đúng điều kiện kỹ thuật thì chất lượng của sản phẩm vẫn được đảm bảo. Nhược điểm của phương pháp này: khĩ khống chế điều kiện kỹ thuật trong qúa trình sấy đối với nguyên liệu tươi cĩ chất lựơng khơng đồng đều.

1.2 Chọn nhiệt độ sấy

1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới chế độ sấy

- Nếu tăng nhiệt độ sấy chè khoảng 1400C thì sẽ làm tăng vận tốc sấy, đồng thời làm giảm thời gian sấy 40-50 %, như vậy, sẽ giảm được kích thước thiết bị, giảm được giá thành sản xuất thiết bị, mang lại hiệu quả kinh tế về sử dụng nhiên liệu, năng lượng...do đĩ giảm được giá thành sản

xuất. Tuy nhiên đứng về quan điểm chất lượng sản phẩm thì phải kểđến tính chất và chất lượng của chè, nghĩa là phải chọn nhiệt độ sấy thích hợp cho từng giai đoạn sấy và cho từng loại sản phẩm. Nhiệt độ thích hợp của sấy chè đen nằm trong khoảng 80-85 0C.

Ở nhiệt độ sấy nhỏ hơn 80 0C cĩ thể do những quá trình sinh hố cĩ lợi cho chất lượng của chè xảy ra chưa hồn tồn, cịn ở nhiệt độ sấy lớn hơn 85 0C mà chất lượng chè bị giảm là do sự tổn thất (thăng hoa) mạnh mẽ các tinh dầu cĩ trong chè nguyên liệu hoặc sinh ra trong quá trình lên men.

Trong thực tế sản xuất, tuỳ theo điều kiện cụ thể thường người ta căn cứ vào mức độ lên men để quy định nhiệt độ sấy thích hợp. Nếu chè đã lên men đúng mức thì phải dùng nhiệt độ cao để sấy nhanh, ngăn ngừa sự lên men quá mức, làm cho vị của chè nhạt đi. Nếu mức độ lên men chưa đủ nhưng do điều kiện sản xuất yêu cầu phải sấy thì nhiệt độ sấy phải thấp. Đối với chè đen, người ta thường dùng phương pháp sấy hai lần.

Ảnh hưởng của khơng khí (tác nhân sấy)

- Nếu vận tốc của khơng khí sấy tăng sẽ làm tăng cường độ bốc ẩm, giảm được thời gian sấy. Nhưng nếu vận tốc sấy tăng quá mức sẽ làm cho quá trình khơ quá nhanh, gây ảnh hưởng đến hình dáng và chất lượng của chè, đồng thời cịn gây tổn thất về hương thơm của chè và ở mức độ nào đĩ gây tổn thất nhiệt do khơng khí mang ra ngồi.

- Nếu nhiệt độ sấy khơng đổi (t =80 0C), mật độ của chè trên băng chuyền sấy cố định (1,5 kg/m2) thì cường độ bốc ẩm của lớp chè sấy phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của khơng khí sấy.

- Trong sản xuất để đảm bảo chất lượng chè, thời gian sấy và năng suất của thiết bị, cũng như tổn thất nhiệt khơng cần thiết, thường người ta chọn vận tốc chuyển động của khơng khí sấy trong thiết bị sấy cũng như xuyên qua lớp chè <0,5 m/s. Người ta cĩ thể dùng lưu lượng quạt 16.000 m3/h.

Sấy chè trong qua trình chế biến chế biến chè xanh : chè vị xong đem vào sấy .Thủy phần của chè lúc này =45-48%. Lúc đầu sấy ở nhiệt độ

120oC để giết men làm cho cĩ hương vị và màu sắc của chè xanh .khi thủy phân đã làm giảm xuống 20-25% , lúc đĩ cĩ thể sấy ở nhiệt độ 80- 85oC . Nếu thịi gian đầu sấy ở nhiệt dưới 100oC chè sẽ bị chua nếu sấy ở nhiệt độ quá 120oC sẽ làm cho lớp ngồi của chè khơ quá nhanh, tạo nên lĩp vỏ cưng, hạn chế việc thốt ẩm trong búp chè và chè bị cháy cĩ mùi khét , nước chè sẽ bị đục.

1.2.2 Lựa chọn chế độ sấy

- Nhiệt đợ: thường sấy chè ở 800 C, nếu sấy ở nhiệt đợ cao hơn 80 0C thì chè mất đi nhiều hương thơm và màu sáng, nếu sấy thấp hơn 80 0 C thì quá trình sấy kéo dài, các enzym trong chè khơng được đình chỉ kịp thời, chè dễ bị len men quá mức.

- Tớc đợ khơng khí trong máy sấy chè: tớc đợ khơng khí nóng trong máy sấy chè thường khớng chế ở 0,5 m/s, nếu khớng chế nhỏ hơn tớc đợ này thì thời gian sấy kéo dài và nếu khớng chế ở khoảng 0,6 m/s thì chè vụn sẽ bị cuớn theo.

- Đợ dày của lớp chè rải trên băng chuyền máy sấy: thực nghiệm cho thấy nếu tớc đợ khơng khí nóng trong máy sấy chè < 0,5 m/s thì đợ dày của lớp chè rải trên băng chuyền khơng ảnh hưởng đến chất lượng chè sấy được. Do đó, nếu ta khớng chế tớc đợ khơng khí bằng 0,5 m/s và sấy hai lần thì đợ dày của các lớp chè rải trên băng chuyền là:

Sấy lần 1: 2 ÷ 2,5 cm Sấy lần 2: 3 ÷ 5 cm

Ngoài các phần chè non già khác nhau thì đợ dày của lớp chè rải trên băng chuyền cũng khác nhau, thường thì đợ dày chè non sẽ nhỏ chè già.

t ,x ,222 t ,x ,00 0 Buồng sấy Calorifer s qb q 1 1 1 Không khí nóng ra t ,x , Không khí

Sơ đồ quá trình sấy

1.3 Tính tốn vật liệu và tác nhân sấy

Tính lượng vật liệu sấy vào buồng sấy: G1=G2

100−ω2

100−ω1

G1=2000 100100−−254 = 2560 kg/mẻ

Lượng ẩm bốc hơi trong 1 mẻ: W=G1-G2=2560 – 2000= 560 ( kg/mẻ ) Thơng số khơng khí ngồi trời: lấy địa điẻm là Sơn La cĩ nhiệt độ khơng khí trung bình t0= 300C và độ ẩm chọn mùa hè φ0=75 và áp suất khí quyển p = 757 mmHg

Chọn nhiệt độ tác nhân sấy (TNS) để sấy là t1= 800C

Các thơng số khơng khí ngồi trời : t0 = 300C và φ0=75 . Dựa vào đồ thị I – d của khơng khí ẩm ta xác định

Điểm O cĩ giá trị sau: do= 0,02 (Kg/Kgkk)

Io= 81,2 (kJ/kgkk)

Khơng khí vào calorifer nhận nhiệt từ hơi nước và tăng lên nhiệt độ t1 = 800C. Quá trình đốt nĩng khơng khí trong Calorifer là quá trình cĩ d= const nên d1 = d0 = 0,02(kg/kgkk)

Điểm 1 được xác định bằng 2 thơng số t1, d1 I1 = 133,2 (kJ/kgkk) ; φ1 = 3.2 %

Phbh1=0,4736 (bar) Ph1=0.01515(bar)

Tư =40oC

TNS trạng thái 1 đi vào máy sấy đốt nĩng vật liệu sấy và nhận ẩm. trong điều kiện lí tưởng bỏ qua tổn thất thì:

I2=I1=133,2 (kJ/kgkk)

Ta tính nhiệt độ ra khỏi thiết bị sấy ( TBS) là t2 Thế sấy : ε = t2 – tư

Ta cĩ t2 = tư . 1,15 = 40 . 1,15 = 46 0C

Vậy xác định được điểm 2 là giao I1 = I2 = const và t1 = t2 = const Từ đồ thị I – D ta tìm được :

d2 = 0,0336 (kg/kgkk)

φ2=65

Với độ ẩm φ2=65 đảm bảo khơng sảy ra hiện tượng đọng sương cửa ra hầm

Lượng khơng khí khơ cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm:d2-d0 l0 = d2−1d0 = 0,03361−0,02 = 73,53 (kgkk/kg ẩm)

Lượng tác nhân sấy cần thiết để bốc hơi lượng ẩm trong VLS : L0 = W . l0 = 560 . 73,53 = 41176,8 (kgkk/mẻ)

Nhiệt lượng tiêu hao riêng lý thuyết :

Phương trình cân bằng năng lượng cho TBS lý tưởng :

q0 = l0. ( I1 – I0 ) = l0. ( I2 – I0 ) = 73,53 . ( 133,2 – 81,2 ) = 3823,56 (kJ/kg ẩm)

Nhiệt lượng tiêu hao tồn quá trình sấy lý thuyết;

Q0 = W . q0 = 560 . 3823,56 = 2141193,6 (kJ/mẻ)

1.4.1 Kích thước cơ bản của máy sấy băng tải

Theo thực nghiệm, với khối lượng chè ban đầu là 3622,6 kg/mẻ thì ta chọn hệ thống với kích thước như sau:

- Chiều dài : 14 m - Chiều rộng : 2,5 m - Chiều cao : 3,5 m - Số băng tải : 4 băng

- Khoảng cách các băng tải ; 25 cm

1.4.2 Tính thời gian sấy

Chọn vận tốc tác nhân sấy qua buồng sấy : v = 0,5 m/s

Diện tích tiết diện tác nhân sấy đi qua : Ftd = 3,5 . 2,5 = 8,75 m2

Lưu lượng tác nhân sấy qua buồng sấy : Gtns = v.Ftns = 8,75 . 0,5 = 4,375 m3/s

Thời gian sấy vật liệu là tổng thời gian của 3 giai đoạn sấy :

τ=τo+τ1+τ2

Với τ0 : thời gian đốt nĩng vật liệu τ1 : thời gian sấy đẳng tốc τ2 : thời gian sấy giảm tốc

F0 = a τR20

Trong đĩ :

Va a – hệ số dẫn nhiệt độ của vật liệu sấy ( với a = ρ.Cγ ) R – phân nửa chiều dày của vật liệu sấy

F0 – chuẩn số furê xác định sự phụ thuộc giữa tốc độ biến đổi trường nhiệt trong vật với các kích thước và đặc trưng của vật đĩ

Từ đây ta suy ra τ0=F0R2

a = 1,8.(2,35.10

−3 )2

1,634.10−7 = 60 ( giây) = 1 phút

B. Thời gian sấy đẳng tốc

Xác định tốc độ sấy U thơng qua việc xác định mật độ dơng nhiệt J1b và cường độ bay hơi ẩm trên bề mặt vật liệu J2b

Theo các quy luật truyền nhiệt và truyền chất giai đoạn sấy đẳng tốc hầu như giống nhau đối với tất cả các vật liệu ẩm.

Trên cơ sở cân bằng nhiệt lượng: J1b = J2b . r

Trong đĩ : r là ẩn nhiệt hĩa hơi, r = 2500 (kJ/kg) J1b = α1.(tm−tb)

tm là nhiệt độ VLS , tm = 800C

α1 là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, tính theo vận tốc khơng khí, với vận

tốc khí v < 2 m/s thif dược tính theo cơng thức:

α1=5,6+4.v=5,6+4.0,5=7,6 ( W/m2 độ ) =27360(J/m2hđộ)

Suy ra J1b = 27360. ( 80 – 40 ) = 1094,4 ( KJ/m2h ) Vậy : J2b = Jr1b=1094,42500=0,437 ( kg/m2h )

Do trong giai đoạn tốc độ sấy khơng đổi , nhiệt dộ trung bình VLS khơng đổi, ta cĩ thể bỏ qua ảnh hưởng của trường nhiệt độ t đến độ chứa ẩm u. Giải bài tốn khuếch tán ẩm đối xứng trong tấm phẳng với điều kiện biên loại 2, ta được: U = 100.R.ρvJ1b= 100.0,437 2,35.10−3 .400=46,5 ( %h ) Ta cĩ: τ1=ω1−ωx1 U Trong đĩ:

ω1 – độ ẩm đầu vào VLA , %

ωx1 – độ ẩm tới hạn cuối giai đoạn sấy đẳng tốc với ωx1=1

χ+ωcb

ωcb – độ ẩm cân bằng , %

χ – hệ số sấy tương đối phụ thuộc vào độ ẩm ban đầu χ=1,8ω1 Suy ra χ=1,825 = 0,072 Nên : ωx1=1 0,072+5,5=19,4 Vậy τ1=25−19,4 46,5=0,12 ( h ) = 8 ( phút)

C. Thời gian sấy giảm tốc :

Nếu trong giai đoạn đẳng tốc quy luật dωdτ=U=const của hầu hết các vật liệu ẩm là như nhau thì trong giai đoạn giảm tốc quan hệ đĩ rất khác nhau tùy từng loại vật liệu.

A.V Luikov thấy rằng trong giai đoạn giảm tốc, dặc trưng dωdτ=f(ω) của các loại vật liệu khác nhau là khác nhau.

Khi độ ẩm ω=ωx1 thì xem như tốc dộ giai đoạn này bằng tốc độ giai đoạn

đẳng tốc.

τ2=−1

χ.U.ln{χ(ω2−ωcb)}

= - 0,072.46,51 .ln{0,072(25−5,5)}=0,1 ( h) = 6 ( phút) Tổng thời gian sấy vật liệu là :

τ=τo+τ1+τ2=1+8+6=15 ( phút )

1.5 Tính tốn quá trình sấy thực

1.5.1 tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi

Qv = G2.Cv.(tv2 –t0) Suy ra qv = GW2.Cv.(tv2−t0)

Với G2 = 2000 ( kg/mẻ) W = 560 (kg/mẻ)

Cv nhiệt dung riêng VLS với độ ẩm ω2

Cv = Cvk. ( 1- ω2 ) + Ca. ω2 Ca = 4,182 (kJ/kg độ) ω2 = 4 % Cvk = 2,85 ( kJ/kg độ) t0 = 30 0C tv2 = t2 – 5 0C = 41 0C Cv = 2,85. ( 1- 0,04) + ( 4,182. 0,04) = 2,9 ( kJ/kg độ) qv = 2000.2,9560.(41−30)=113,93 ( kJ/kg ẩm)

1.5.2 Tổn thất nhiệt ra mơi trường

Ta cĩ năng suất sấy Q = 2000 kg. Thực nghiệm đo được khối lượng riêng chè ρv = 400 kg/m3

b. Thể tích ghi phân phối khí: V = Qρv=

2000

400=5 m3

Diện tích xung quanh buồng sấy

Sxq = 2.Smb + Strụ - Ssàn Diện tích mặt bên : Smb = π.H 2 4= π.3,52 4=8,3m 2 Diện tích trụ: Strụ = π.H.b=π.3,5.14=153,86m2 Diện tích sàn ; Ssàn = 2,5.14 = 35 m2 Vậy Sxq = 2.8,3 + 153,86 – 35 = 135,46 m2

Khơng khí trong buồng sấy chuyển dộng đối lưu cưỡng bức với tốc độ Vt = 0,5 m/s.

Mật độ dịng nhiệt được tính:

q1 = α1.(tf1−tw1)

Do Vt < 2 m/s nên α1=5,6+4.v=5,6+4.0,5=7,6 ( W/m2 độ ) Suy ra qmt1 =7,6 .( 80 – tw1 )

Truyền nhiệt qua tấm thép là bài tốn dẫn nhiệt qua vách phẳng cĩ mật độ dịng nhiệt:

qmt2 = δλ11

.(tw1−tw2)

Hệ số dẫn nhiệt trên một đơn vị bề dày δλ11=

0,002=25000 ( W/m2)

Do δλ11 quá lớn nên xem như tw1 = tw2.

Mật độ dịng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt truyền nhiệt: q = k. ( tf1 – tf2 ) = k ( 80 – 30 ) Hệ số truyền nhiệt: k = 1 1 α1 +δ1 λ1 +δ2 λ2 +1 α2 = 0,77 ( W/m2 độ)

suy ra: q = o,77 ( 80 – 30 ) = 38,5 ( W/m2) = 142 ( kJ/m2h ) tổn thất nhiệ ra mơi trường:

Qmt = Sxq . q = 135,46 . 142 = 19235 (kJ/h) qmt = QWmt= 19235 560=34,35 ( kJ/kg ẩm) Nhiệt lượng cĩ ích q1 : Ta cĩ: q1 = i2 – Ca.t0 Với i2 = r + Cpk.t2 = ( 2500 + 1,842 .80) = 2647,36 ( kJ/kg ẩm) q1 = 2647,36 – 4,186 . 30 = 2521,78 (kJ/kg ẩm) Tổng tổn thất nhiệt ∆ : ∆ = Ca.t0 – qv – qmt = 4,186.30 – 113,93 – 34,35 = - 22,7 ( kJ/kg ẩm )

1.6 Xác định thơng số quá trình sấy thực bằng phương pháp tính tốn: + Lượng chứa ẩm d2:

Trong quá trình sấy lý thuyết ta xác định trạng thái diểm 2 nhờ giả thiết I2=I1.

Trong quá trình sấy thực tồn tại một giá trị nhiệt lượng tổn thất ∆ nên: I2 = I1 + ∆ ( d2 – d1 )

Từ định nghĩa I = Cpk.t + d.ivà đưa vào giá trị nhiệt lượng riêng dẫn suất Cdx (d) ta được:

d2 = d0 + Cdx(di0)−2.(∆t1−t)2=0,02+

1,05.(80−46)

2647,36+22,7=0,0333 ( kg/kgkk) Nhiệt lượng riêng I2:

I2 = 1,0048.t2 + d2.i2 = 1,0048.46 + 0,0333.2647,36 = 134,37(kJ/kgkk) Dộ ẩm tương đối φ2 Ta cĩ ; 0,621+d2 pbh2.¿ φ2=B d2 ¿ pbh2 = exp {12−4026,42 235,5+t2} = exp {12−4026,42 235,5+46} = 0,1 ( bar) Suy ra :

φ2=

757 750.0,0333 0,1.(0,621+0,0333)=50,9

Lập dồ thị I – d cho quá trình sấy thực:

Ta cĩ d2 = 0,0333 ( kg/kgkk) , giao với đường đẳng nhiệt t2 = 460C, ta xác định được điểm C của quá trình sấy thực.

Kẻ đường I = const qua điểm C , ta xác định được giá trị nhiệt lượng riêng I2 từ đĩ cũng xác định được độ ẩm tương đối φ2

Chi phí tác nhân riêng:

l=1

d2−d0=

0,0333−0,02=75 ( kgkk/kg ẩm)

q2 = l . Cdx(d0) .(t2 – t0) = 75.1,05.(46-30) = 1260 ( kJ/kg ẩm)

Lượng khơng khí cần thiết thực tế:

L = l .W = 75. 560 = 42000 ( kgkk/mẻ)

Nhiệt lượng tiêu hao riêng :

q = l .(I1 - I0) = l .(I2 – I0) - ∆

= 75.(134,37 – 81,2) +22,7 = 4010 ( kJ/kg ẩm)

Nhiệt lượng tiêu hao cho cả quá trình thực :Q = W.q = 560.4010 =

2245,600 ( kJ/mẻ)

CHƯƠNG 4 : Tính tốn thiết kế thiết bị phụ 4.1 THIẾT KẾ BUỒNG ĐỐT

4.1.1 Mục đích. Buồng đốt trong hệ thống sấy được sử dụng với hai mục đích.

 Thứ nhất buồng đốt tạo ra khĩi lị cĩ nhiệt độ cao dùng để cấp nhiệt cho khơng khí trong Calorifer.

 Thứ 2 là buồng đốt tạo ra khĩi lị cĩ nhiệt độ thích hợp để làm tác nhân sấy. Đối với đồ án này, nhiệt độ TNS tương đối thấp nên ta dùng nhiên liệu là than đá cĩ thành phần khối lượng là:

C=0,367, H=0,027, S=0,032, N=0,007, O=0,111, Tr=0,206, A=0,25.

4.1.2 Xác định nhiệt độ của khĩi lị và lưu lượng khơng khí cấp.

 Nhiệt trị cao của nhiên liệu. Theo CT 3.2 [1] :

33858 125400 10868( )

Qc = C+ H− O S−

33858.0,367 125400.0,027 10868(0,111 0,032) 14953 / Qc kJ kgnl = + − −

Thiết bị sấy bằng băng tải