Ở nước ta hiện nay, ựể sấy hạt nông sản nói chung và ngô hạt nói riêng người ta sử dụng năng lượng hoá thạch (than ựá, dầu, khắ gas...), năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng khắ sinh học,...) [10].
a. Năng lượng hoá thạch
đây là nguồn năng lượng truyền thống ựược dùng trong các thiết bị sấy ngô hạt, trong ựó năng lượng than ựá là chủ yếu vì giá thành rẻ hơn rất nhiều so
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 21
với dầu và khắ gas. Tuy nhiên nguồn năng lượng này ựang ngày càng cạn kiệt, hơn nữa năng lượng than ựá ựược sử dụng ở trong hàng nghìn lò sấy thủ công với lượng khắ thải ra không ựược xử lý nên làm ảnh hưởng xấu ựến môi trường và sức khoẻ người dân trong vùng sản xuất và lân cận.
b. Năng lượng tái tạo
Năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng ựang ựược khuyến khắch ứng dụng ựể thay thế dần cho năng lượng hoá thạch, bao gồm năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối (biomass) và năng lượng khắ sinh học (biogas).
- Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng sạch, ựã ựược nghiên cứu ựể sấy ngô hạt trong những năm gần ựây nhằm góp phần ựáng kể vào việc tiết kiệm năng lượng hoá thạch và bảo vệ môi trường. Việt Nam là một trong những nước có nguồn năng lượng mặt trời rất lớn, với số giờ nắng trung bình 2200 giờ và cường ựộ bức xạ cao nhất có thể ựến 980W/m2 . đã có nhiều công trình nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị sấy sử dụng NLMT nhưng chủ yếu dưới hình thức nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm, chưa ựược triển khai nhân rộng trong sản xuất do giá thành thiết bị cao, quá trình sấy thường gián ựoạn và kéo dài vì luôn phụ thuộc vào thời tiết.
- Năng lượng sinh khối
Năng lượng sinh khối (biomass) là năng lượng ựược sản sinh từ phụ phẩm trong sản xuất nông, lâm nghiệp như lõi ngô, trấu, rơm rạ, cành cây, mùn cưa,.... Nguồn năng lượng này chiếm một khối lượng rất lớn nhưng hiện nay việc nghiên cứu ứng dụng ựể sấy nông sản còn gặp rất nhiều khó khăn do thiết bị chuyển ựổi năng lượng thành nhiệt năng có cấu tạo rất phức tạp và việc vận hành thiết bị không thuận lợi nên việc ứng dụng trong sản xuất còn có nhiều hạn chế.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 22
-Năng lượng khắ sinh học
Năng lượng khắ sinh học (biogas) là một trong những dạng năng lượng tái tạo ựược sản sinh ra từ sự phân huỷ các chất hữu cơ (chủ yếu từ các chất thải trong chăn nuôi) dưới tác ựộng của vi khuẩn trong môi trường yếm khắ. Hiện nay nguồn năng lượng này ựang ựược quan tâm nghiên cứu và sử dụng trong nông nghiệp ựể sơ chế và chế biến các loại nông sản thực phẩm.
Thực tế ở nước ta hiện nay, ựể sấy hạt nông sản nói chung và ngô hạt nói riêng, người ta vẫn thường sử dụng nguồn năng lượng hoá thạch chủ yếu là than ựá ựược ựốt cháy trong các lò ựốt truyền thống. Vì vậy lượng than tiêu thụ nhiều và khắ thải lẫn nhiều bụi than và chất ựộc hai gây ô nhiễm môi trường.
để khắc phục nhược ựiểm trên, chúng tôi ựề xuất phương án thiết kế lò khắ hoá than thay thế cho lò ựốt than truyền thống. Loại lò than khắ hoá có ưu ựiểm nổi trội như sau:
- Tận dụng ựược nguồn nhiên liệu than ựá chất lượng thấp như than cám hoặc than qua lửa,...
- Tiết kiệm chi phắ ựến gần 50% - 70% so với phương pháp dùng gas và ựến gần 40% - 50% so với dùng dầu.
- Tiết kiệm, không gây bụi và ô nhiễm
- Dễ tự ựộng hoá quá trình cháy và cấp nhiệt cho hệ thống thiết bị sấy. 1.6. MỤC đÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA đỀ TÀI
1.6.1. Mục ựắch nghiên cứu
Thiết kế hệ thống thiết bị sấy ngô hạt năng suất 3,0 tấn/mẻ sử dụng khắ hóa gas từ nhiên liệu than ựá thay cho năng lượng dầu, gas, ựiện,...nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng nhiệt, tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 23
1.6.2. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan tình hình áp dụng công nghệ và hệ thống thiết bị sấy trong và ngoài nước.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình sấy và quá trình hình thành khắ gas trong lò ựốt.
- Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thắ nghiệm ựể xác ựịnh một số thông số công nghệ làm cơ sở cho việc tắnh toán thiết kế.
- Tắnh toán thiết kế hệ thống thiết bị sấy ngô hạt năng suất 3.0 tấn/mẻ và lò khắ hoá than.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 24
Chương 2
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC đỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ đẾN QUÁ TRÌNH SẤY
Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thắ nghiệm ựể xác ựịnh ảnh hưởng của một số thông số công nghệ trong quá trình sấy làm cơ sở cho việc tắnh toán thiết kế hệ thống thiết bị sấy.
2.1. Vật liệu và thiết bị thắ nghiệm
2.1.1. Vật liệu thắ nghiệm
Vật liệu ựưa vào máy sấy là ngô hạt có các tắnh chất - cơ lý như sau: - độ ẩm ban ựầu ω1 = 22%
- Kắch thước trung bình của hạt: DxRxD = (10 x 8 x 5)mm - Khối lượng thể tắch ở ựộ ẩm 22% là: 724,53kg/m3
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 25
2.1.2. Thiết bị thắ nghiệm
để thực hiện quá trình sấy chúng tôi sử dụng tủ sấy vạn năng ED-240 do hãng Binder Hoa Kỳ sản xuất hình 2.2. đây là loại máy sấy tĩnh, vỉ ngang, nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy là ựiện năng, tự ựộng ựiều khiển nhiệt ựộ với ựộ chắnh xác 0,5oC. Lưu thông không khắ trong buồng sấy nhờ quạt hút.
Hình 2.2. Tủ sấy vạn năng ED-240
2.1.3. Dụng cụ thắ nghiệm
để theo dõi quá trình giảm ẩm trong vật liệu trong quá trình sấy chúng tôi sử dụng dụng cụ thắ nghiệm như sau:
- Nhiệt kế: 2 cái - Công tơ ựiện
- Voltage kế ựể kiểm tra ựiện áp - Ampe kế
- Dụng cụ ựo ựộ ẩm Kett (độ chắnh xác 0,50C) - Cân ựĩa
- đồng hồ ựo thời gian - Dụng cụ ựo tốc ựộ gió.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 26
Hình 2.3. Thiết bị ựo tốc ựộ gió 407112
Hình 2.4. Máy ựo ựộ ẩm Kett
2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Áp dụng phương pháp thực nghiệm ựơn yếu tố ựể xác ựịnh mức ựộ ảnh hưởng riêng của từng yếu tố ựến ựộ khô không ựồng ựều của sản phẩm sấy
Trong quá trình sấy ngô hạt có rất nhiều yếu tố làm ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Các yếu tố bao gồm: nhiệt ựộ sấy, thời gian sấy, tốc ựộ tác nhân sấy, ựộ ẩm ban ựầu của vật liệu sấy,Ầ.
Các yếu tố vào và ra của thiết bị sấy ựược mô tả theo sơ ựồ hình 2.5:
Hình 2.5. Sơ ựồ các yếu tố vào và ra của thiết bị sấy
đối tượng nghiên cứu X1 X2 Y1 Y2
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 27
Các yếu tố vào ựược ký hiệu như sau: - Nhiệt ựộ tác nhân sấy T (o C)
- Tốc ựộ tác nhân sấy v (m/s);
Các thông số ra ựược ký hiệu như sau:
- độ khô không ựồng ựều của sản phẩm sấy δ (%) - Thời gian sấy τ (h).
2.3. Phương pháp xác ựịnh một số thông số của quá trình sấy
a. Phương pháp xác ựịnh ựộ khô không ựồng ựều
độ khô không ựều là một ựại lượng ngẫu nhiên ựược xác ựịnh bằng tỷ số giữa ựộ sai lệch bình phương trung bình ựộ ẩm của mẫu ựo với ựộ ẩm qui ựịnh ựối với sản phẩm sấy. Vị trắ lấy mẫu ựể xác ựịnh ựộ khô không ựồng ựều ựược thể hiện trên hình 2.6
Ơ
Hình 2.6. Sơ ựồ vị trắ lấy mẫu trên khay sấy
100 mm 100 mm 100 mm 100 mm 800 mm 440 mm 100 mm 100 mm 100 mm 100 mm 2 1 4 3 5
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 28
độ khô không ựều (kắ hiệu là K, (%) của sản phẩm sấy ựược xác ựịnh theo công thức sau:
100% o w K σ = (2.1) Trong ựó:
σ- độ sai lệch bình phương trung bình:
1 ) ( 1 2 − − = ∑ = n w w n i o i σ (2.2) n - số lần ựo
wi - ựộ ẩm của mẫu phân tắch, %
wo - ựộ ẩm qui ựịnh ựối với sản phẩm sấy, %.
b. Phương pháp xác ựịnh thời gian sấy
Thời gian sấy ựược ựo bằng ựồng hồ từ khi cho vật liệu sấy ở ựộ ẩm ban ựầu 22 % cho ựến khi ựạt ựộ ẩm 10%.
2.4. Kết quả thắ nghiệm
Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm ựể xác ựịnh ảnh hưởng của nhiệt ựộ tác nhân sấy X1 (0C), tốc ựộ tác nhân sấy X2 (m/s) ựến ựộ khô không ựều của sản phẩm sấy Y1 δ (%), thời gian sấy Y2 τ (h). Trong quá trình tiến hành thắ nghiệm nghiên cứu thực nghiệm ựơn yếu tố chúng tôi ựều lấy số mức biến thiên k = 5 với khoảng biến thiên là như nhau giữa các yếu tố. Kết quả thắ nghiệm ựã xác ựịnh ựược ảnh hưởng của các yếu tố vào ựến thông số ra như sau:
2.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt ựộ tác nhân sấy T(oC)
điều kiện thắ nghiêm: Cố ựịnh giá trị yếu tố x2 = 1,6 m/s, cho x1 biến thiên từ 45 ọ 650C
Kết quả thực nghiệm xác ựịnh ảnh hưởng của nhiệt ựộ tác nhân sấy T ựược ghi trong bảng 2.1.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 29
Bảng 2.1. Kết quả thắ nghiệm xác ựịnh ảnh hưởng của nhiệt ựộ tác nhân sấy x1
Nhiệt ựộ tác nhân sấy T(oC)
độ khô không ựều của sản phẩm sấy
δ (%)
Thời gian sấy τ(h) 45 3.79 7.40 50 2.83 6.35 55 2.14 5.6 60 1.87 5.03 65 2.63 4.34
Ảnh hưởng của thông số x1 ựến các thông số ra ựược thể hiện như trên ựồ thị hình 2.7. 1.5 3.0 3.5 2.5 2.0 3 4 5 6 7 45 50 55 60 65 δ (%) τ (h) T ( C)0 δ τ 4.0 8
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 30
Trên ựồ thị hình 2.7 ta thấy khi tăng nhiệt ựộ tác nhân sấy sẽ làm tăng quá trình trao ựổi nhiệt ẩm giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy nên thời gian sấy giảm xuống. Tuy nhiên khi nhiệt ựộ tác nhân sấy tăng quá cao do tốc ựộ giảm ẩm của vật liệu sấy quá nhanh nên lượng ẩm trong tâm vật liệu chưa kịp khuếch tán ra ngoài bề mặt ựể bốc hơi, thậm trắ lớp vỏ ngoài của ngô hạt bị biến cứng ngăn cản không cho nước ở bên trong thoát ra ngoài, do ựó thời gian sấy giảm chậm còn ựộ khô không ựều của vật liệu sấy tăng lên. Ứng với nhiệt ựộ sấy là 60oC thì ựộ khô không ựều của vật liệu sấy ựạt giá trị cực tiểu δ = 1.87%
2.4.2.Ảnh hưởng của tốc ựộ tác nhân sấy v (m/s)
điều kiện thắ nghiêm: Cố ựịnh giá trị x1 = 600C, cho x2 biến thiên từ 1,2 ọ
2,0 m/s
Kết quả thực nghiệm xác ựịnh ảnh hưởng của tốc ựộ tác nhân sấy v ựược ghi trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. Ảnh hưởng của tốc ựộ tác nhân sấy x2 tới hàm Yj
Tốc ựộ tác nhân sấy v(m/s)
độ khô không ựều sản phẩm sấy δ (%)
Thời gian sấy τ(h) 1.2 3.63 7.71 1.4 2.82 6.60 1.6 2.11 5.63 1.8 1.79 4.96 2.0 1.63 4.80
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 31
Ảnh hưởng của x2 ựến các thông số ra ựược thể hiện như trên ựồ thị hình 2.8
τ δ v (m/s) (τh) (%)δ 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 4.0 2.0 2.5 3.5 3.0 1.5 8 7 6 5 4 3
Hình 2.8. đồ thị ảnh hưởng của tốc ựộ tác nhân sấy x2 ựến các hàm Yj
Qua ựồ thị hình 2.8 cho thấy, khi tăng tốc ựộ tác nhân sấy thì quá trình thoát ẩm từ vật liệu sấy vào trong buồng sấy và từ trong buồng sấy ra ngoài nhanh hơn, ựộ khô không ựồng ựều của vật liệu sấy và thời gian sấy ựều giảm xuống.
Dựa vào kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thắ nghiệm trên ựồ thị hình 2.7-2.8 và kết quả, chúng tôi có thể lựa chọn sơ bộ chế ựộ sấy ngô hạt ựể phục vụ cho việc tắnh toán thiết kế: nhiệt ựộ tác nhân sấy T = 60oC, tốc ựộ tác nhân sấy v = 1,8 m/s và thời gian sấy τ = 5h.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 32
Chương 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY
3.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SẤY
Quá trình sấy là quá trình vật liệu nhận năng lượng mà chủ yếu là nhiệt năng từ một nguồn nhiệt nào ựó ựể ẩm từ trong lòng vật dịch chuyển ra bề mặt ựi vào tác nhân sấy. Như vậy quá trình sấy là quá trình truyền nhiệt và truyền chất xảy ra ựồng thời. Trong lòng vật quá trình ựó là quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm hỗn hợp. Trao ựổi nhiệt ẩm giữa bề mặt vật với tác nhân sấy là quá trình trao ựổi nhiệt và trao ựổi ẩm ựối lưu liên hợp. Như vậy khi nghiên cứu cơ sở lý thuyết cho quá trình sấy ta nghiên cứu các vấn ựề sau:[6], [7], [ 4]; [11]
3.1.1. độ ẩm cân bằng
độ ẩm của một vật rắn ướt ở trạng thái cân bằng với không khắ có ựộ ẩm và nhiệt ựộ nhất ựịnh ựược gọi là ựộ ẩm cân bằng. độ ẩm cân bằng của vật sấy là một thông số quan trọng, nó quyết ựịnh thời gian sấy, chế ựộ bảo quản sản phẩm sau khi sấy cũng như nhiệt ựộ cuối của quá trình sấy. Khi ựộ ẩm của môi trường lớn hơn ựộ ẩm cân bằng thì có hiện tượng hút ẩm và ngược lại thì có hiện tượng nhả ẩm.
Dạng ựường cong ựộ ẩm cân bằng của các vật liệu tương ứng ựược thể hiện qua hình 3.1.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 33
Hình 3.1. đường cong ựộ ẩm cân bằng của các vật liệu
Quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu (quá trình sấy) nếu ph < p vl. Ở ựây ph là áp suất hơi riêng phần của không khắ ẩm, còn pvl là áp hơi riêng phần của không khắ ngay sát trên bề mặt vật liệu.
Quá trình hút ẩm từ không khắ ẩm vào vật liệu nếu ph > pvl.
Ở một nhiệt ựộ ựã biết, ựồ thị biểu diễn ựộ ẩm cân bằng theo ựộ ẩm tuyệt ựối của không khắ ựược gọi là ựường trao ựổi ẩm ựẳng nhiệt. Gọi là ựường hút ẩm ựẳng nhiệt nếu thiết lập bằng cách cho vật rắn tiếp xúc với không khắ có ựộ ẩm giảm dần. Phần lớn các vật liệu sấy ựều có hai ựường ựẳng nhiệt trên không trùng nhau.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 34
đồ thị này có ba vùng A, B, C, chỉ thị các cơ chế khác nhau nối kết nước với mạng lưới chất rắn.
Vùng A, nước liên kết chặt chẽ với chất rắn và không phản ứng ựược, chỉ có hiện tượng nhả ẩm ựơn lớp và không thể phân biệt giữa hai ựường.
Vùng B, nước liên kết lỏng lẻo hơn, giảm áp suất hơi dưới mức áp suất hơi nước cân bằng ở vùng nhiệt ựộ là do nước bị giữ trong các mao quản nhỏ hơn.
Vùng C, nước liên kết càng lỏng lẻo hơn trong các mao quản lớn và sẵn sàng cho các phản ứng hoặc làm dung môi.
Trong quá trình sấy thì áp suất hơi trên bề mặt vật liệu giảm dần cho