3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
3.3.1. Cải tiến buồng sấy
Từ kết quả tính toán ta thấy lượng nhiệt cần thiết để sấy khô 8 tấn cà phê từ độ ẩm 70% xuống độ ẩm 15% trong 12 giờ của quá trình:
- Sấy lý thuyết: Qo = 20174191 (kJ/mẻ) = 5604 (kW) - Sấy thực tế: Q = 21257381,11 (kJ/mẻ) = 5905 (kW)
Nhiệt lượng chênh lệch giữa quá trình sấy lý thuyết và quá trình sấy thực tế chính là tổn thất nhiệt: Q-Qo = 5905-5604 = 299 (kW)
Trong quá trình tính toán sấy thực tế ta đã xác định được các tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi và do kết cấu bao che của buồng sấy.
Qv = 507129,138 kJ = 141 (kW) Qbc = 491150,1312 kJ =136,43 (kW)
Như vậy ta có thể thấy được trong quá trình sấy tổn thất nhiệt do kết cấu bao che và do vật liệu sấy mang đi là tổn thất chủ yếu, ngoài ra còn có tổn thất nhiệt trên đường ống dẫn từ quạt vào buồng đốt.
a) Đề xuất biện pháp giảm tổn thất nhiệt:
Để giảm tổn thất nhiệt do kết cấu bao che, tôi đề xuất bọc lớp vật liệu cách nhiệt quanh buồng sấy. Chọn vật liệu bọc quanh buồng sấy là tấm cách nhiệt amiăng dày 2 mm. (Tra Bảng A1-QCVN 09:2013/BXD ta có hệ số dẫn nhiệt của amiăng là λ = 0,13 W/m.K)
Hình 3.5. Sơ đồ truyền nhiệt qua vách phẳng 2 lớp
+ Quá trình tổn thất nhiệt sau khi bọc lớp vật liệu cách nhiệt được tính như sau: q1 = 1,715(tf1-tw1)1,333
q2 = (tw1-tw2)
q3 = (tw2-tw3) (W/m2) (3.11) q4 = 1,715(tw3-tf2)1.333
Nhiệt độ mặt trong thành buồng sấy tw1 và mặt ngoài tw3 (sau khi đã bọc amiăng cách nhiệt) ta chưa biết. Vì vậy để xác định mật độ dòng nhiệt qt ta giả thiết một trong hai nhiệt độ tw1 hoặc tw3. Ta giả thiết nhiệt độ tw1 và bằng phương pháp tính lặp với sai số đủ bé ta có
Bảng 3.1. Tính toán xác định mật độ dòng nhiệt cho từng giá trị tương ứng của tw1
tw1[oC] q1[W/m2] tw2 [oC] q2[W/m2] tw3 [oC] q3[W/m2] q4[W/m2] 40.33 75.895 40.323 75.8949585 39.1554 75.895 75.809 40.34 75.836 40.333 75.8360429 39.1663 75.836 75.8733 40.35 75.7771 40.343 75.7771386 39.1772 75.7771 75.9376 40.36 75.7182 40.353 75.7182459 39.1881 75.7182 76.0019 40.37 75.6594 40.363 75.6593645 39.1991 75.6594 76.0662 40.38 75.6005 40.3731 75.6004946 39.21 75.6005 76.1305
Từ bảng trên ta chọn tw1 = 40,34oC lần lượt thay vào công thức (3.11) ta có: q1 = 1,715(57,5-40,34)1,333 = 75,836 (W/m2)
tw3 = 39,16oC, q4 =75,873 (W/m2) Sai số ε = = = 0,00049 0,001
Vậy ta chọn mật độ dòng nhiệt qt = 75,836 (W/m2) - Tổn thất nhiệt qua thành buồng sấy:
Qt =3,6.qt.Ft = 3,6.75,836.31,2 = 8518 (kJ/h) - Nhiệt lượng tổn thất qua nền buồng sấy:
Qn = qt.Fn = 3,6.75,836.40 = 10920 (kJ/h) - Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che:
Qbc = Qt + Qn = 8518 +10920 = 19438 kJ/h = 233256 kJ = 64,8 (kW) So sánh với Qbc lúc chưa bao bọc amiăng Qbc =136,43kW thì tổn thất đã giảm hơn 2 lần.
Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che qbc tính cho 1kg ẩm bốc hơi: qbc = = = 45,06 (kJ/kg ẩm) Tổng đại số tổn thất nhiệt: Δ = Ca.tv1-qbc-qv= 4,1816.22-45,06-97,968 = -51,0328 (kJ/kg ẩm) Xác định lượng chứa ẩm dc: Ta có công thức: dc = do + (kg ẩm/kg kk) (3.12) Trong đó: i2 = r + Cph.t2; r =2500- Nhiệt ẩn hóa hơi (kJ/kg)
i2 = 2500 + 1,842.40 = 2573,68 (kJ/kg) Do do = d1 nên ta có:
Cdx (do) = Cpk +Cph.d1 = 1,004+1,842.0,013 = 1,028 Từ đó ta tính được lượng chứa ẩm tại điểm C là:
dc = 0,013 + = 0,02670 (kg ẩm/kg kk)
Xác định Entanpy Ic:
Entanpy của tác nhân sấy sau quá trình sấy được xác định như sau:
Ic = Cpk.t2+dc.i2 = 1,004.40+0,02670.2573,68 = 108,877 (kJ/kg kk) Xác định tiêu hao không khí khô:
Lượng tiêu hao không khí khô tính cho 1kg ẩm bốc hơi:
l = = = 73,96 (kg kk/kg ẩm) Lượng tiêu hao không khí khô L tính cho quá trình sấy:
L = l.Wh = 73,96.431,3725 = 31904 (kg kk/h) - Tổng nhiệt lượng tiêu hao:
q=l.(I1-Io) = 73,96.(110,0943-55,59472)= 4030,78 (kJ/kg ẩm)
- Tổng lượng nhiệt tiêu hao cho quá trình sấy: Q=q.W = 4030,78.5176,47 = 20865211,75kJ/mẻ = 4991677,45 kcal/mẻ = 5795 kW. So sánh với nhiệt lượng tiêu hao của quá trình sấy trước khi bọc vật liệu cách nhiệt thì giảm được hơn 100kW
b) Đề xuất cải tiến về mặt kết cấu
Buồng sấy được chế tạo bằng thép CT3 dày 5mm đặt trên khung thép có thể lắp ghép được.
+ Khung đỡ buồng sấy được làm bằng các thanh thép hộp 40 x 40 mm liên kết với nhau bằng các bu lông. Các thanh dùng để đỡ vỉ sấy được đặt song song với khoảng cách 1000mm trên thanh thép hộp của thành buồng sấy dưới và được cố định khi ghép với thành buồng sấy trên.
1200 1 2 3 4 5 1000
1. Thành buồng sấy 3. Buồng gió 5. Trụ chống 2. Khung đỡ vỉ sấy 4. Buồng chứa hạt
Hình 3.6. Cấu tạo khung đỡ buồng sấy
+ Sàn sấy gồm 16 tấm vỉ sấy được làm bằng các tấm thép đột lỗ đường kính 2 mm để cà phê khỏi lọt qua, kích thước mỗi tấm vỉ là 2500 x 1000 mm. Chiều dày vỉ sấy từ 2-3mm. Vỉ sấy được gắn cố định vào thanh thép dẹt kích thước 40x5 mm nhờ liên kết hàn, sau đó được bắt cố định lên khung đỡ nhờ các bulong M 14. Để tạo độ cứng vững bên dưới buồng gió bố trí các trụ con đường kính 40mm chiều dài 600mm có nhiệm vụ chống khung đỡ vỉ sấy.
40 40 2500 1 0 0 0 500 10 10
Hình 3.7. Sơ đồ cấu tạo vỉ sấy
+ Thành buồng sấy được làm bằng các tấm thép gắn cố định trên các khung thép hộp 40 x 40 mm bằng các đinh tán. Trên các thanh thép hộp được khoan lỗ để bắt bu lông trong qúa trình tháo lắp với khung buồng sấy. Trên thành buồng sấy được bố trí các cửa xả liệu kích thước 200 x 400 mm. Cửa xả liệu được làm bằng thép cacbon dày 5mm có thể kéo lên hạ xuống nhờ 2 khe trượt trên thành buồng sấy.
1. Bulong 2. Cửa xả liệu 3. Khung thép 4. Tay cầm cửa tháo liệu
Hình 3.8. Sơ đồ cấu tạo thành buồng sấy
+ Trong quá trình sấy do lớp cà phê trên sàn sấy lớn (30-40 cm) nên để đảm bảo các hạt cà phê khô đều và không bị cháy ở lớp tiếp xúc với vỉ sấy thì công nhân phải thường xuyên đảo trộn cà phê bằng phương pháp thủ công. Để giảm chi phí công lao động (cào đảo) trong quá trình sấy, đồng thời để các hạt cà phê được khô đều và không
bị cháy tôi đề xuất đảo chiều gió sấy. Như vậy gió sấy có thể đi từ trên xuống và từ dưới lên.
Để tạo buồng gió trên tôi dùng 3 thanh thép hộp 60x120 mm, dài 5m đặt trên các tấm thép chữ L được bắt cố định trên thanh 40x40mm của thành buồng chứa hạt với khoảng cách mỗi thanh là 2m, liên kết với thành buồng sấy trên bằng các bu lông. Tạo các tấm đậy bên trên bằng tôn dày 5mm với kích thước 2000 x 1000 mm được cố định vào các thanh thép giằng dày 5mm rộng 40mm để tạo độ cứng vững cho tấm đậy. Trên các thanh thép hộp và tấm đậy được khoan lỗ bắt bulong M14 tạo sự cơ động trong quá trình tháo lắp buồng gió trên. Trên tấm đậy tôi bố trí các cửa mở kích thước 1000 x 500mm đóng mở bằng bản lề để tạo đường gió thoát khi sấy từ dưới lên và đậy lại khi sấy đảo chiều từ trên xuống.
1000 2000 490 40 40 3 2 1 1000 1. Thép giằng 2. Nắp mở 3. Lỗ bắt bu lông
Hình 3.9. Sơ đồ cấu tạo nắp buồng gió trên
+ Bộ phận đảo chiều gió gồm cửa đóng mở có kích thước 2400mm x 600mm, đặt trong bộ phận phân phối gió được gắn với thành ống phân phối gió bằng bản lề. Trên ống phân phối gió có chốt để cố định cửa. Khi mở cửa lên (vuông góc với thành buồng sấy) thì gió sẽ đi theo chiều từ dưới lên, khi hạ cửa xuống (song song với thành buồng sấy) thì gió sẽ đi theo chiều từ trên xuống.
120
0
60
0
Hình 3.10. Sơ đồ tác nhân sấy đi từ dưới lên
8000 600
1 2 3 4 5 6
1. Phân phối tác nhân sấy 2. Lớp hạt 3. Cửa tác nhân sấy vào 4. Cửa đảo chiều tác nhân sấy 5. Quạt 6. Lò đốt
Hình 3.11. Sơ đồ tác nhân sấy đi từ trên xuống dưới 3.3.2. Tính toán cải tiến lò đốt
a) Đặc điểm và mục đích của lò đốt
Lò đốt trong hệ thống sấy thường được sử dụng với hai mục đích. Thứ nhất buồng đốt tạo ra khói lò có nhiệt độ cao dùng làm dịch thể nóng cung cấp nhiệt để đốt nóng không khí trong calorifer khí- khói. Thứ hai là buồng đốt tạo ra khói lò có nhiệt độ thích hợp để dùng làm tác nhân sấy. Do nhiệt độ tác nhân sấy thông thường thấp nên nhiên liệu dùng trong các buồng đốt của hệ thống sấy không cần loại có nhiệt trị cao. Mặt khác khi dùng khói lò làm tác nhân sấy thì thông thường sau buồng đốt là buồng hòa trộn giữa khói và không khí ngoài trời để có một tác nhân sấy với nhiệt độ thích hợp.
Nhiên liệu dùng trong các buồng đốt của hệ thống sấy chủ yếu là nhiên liệu lỏng và nhiên liệu rắn. Dùng nhiên liệu lỏng hoặc khí thì buồng đốt gọn gàng, sạch sẽ dễ điều chỉnh và tự động hóa quá trình cháy. Tuy nhiên chi phí nhiên liệu để sấy 1kg sản phẩm cao so với khi dùng nhiên liệu rắn. Buồng đốt nhiên liệu rắn tuy dễ xây dựng nhưng cồng kềnh và đặc biệt khói trong buồng đốt loại này chứa nhiều bụi bẩn gồm có tro hoặc các hạt nhiên liệu chưa cháy hết bay theo.
Để khử tro khói bay theo trong các buồng đốt ta cho khói đi dích dắc qua một hoặc nhiều lần. [4]
b) Tính toán lò đốt
- Thể tích buồng đốt: vbđ = (3.13) Trong đó: Qt - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kcal/kg)
B - Lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ (kg) q – Mật độ nhiệt thể tích của buồng đốt (kcal/m3) q = (250-300).103 (Tra bảng 17.6 [14]) (kcal/m3) - Tính nhiệt trị của nhiên liệu (Chọn nhiên liệu đốt là củi):
Nhiệt trị là nhiệt lượng tỏa ra khi cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu. Nhiên liệu chủ yếu gồm Cacbon (C), Hydro (H), Nitơ (N), Oxi (O), Lưu huỳnh (S), Nước (A) và các chất không cháy khác mà ta gọi là tro (Tr). Ta có thể viết:
C+H+N+O+S+A+Tr = 1 hay 100% Ta có công thức tính nhiệt trị cao của nhiên liệu:
Qc = 33858C+125400H – 10868(O-S) (kJ/kg) mà 1kcal =4,18kJ do đó:
Qc= 8100C+30000H-2600(O-S) (kcal/kg)
Trong nhiên liệu ngoài thành phần nước (A) chứa trong nhiên liệu còn có thành phần nước do phản ứng cháy hydro sinh ra.Từ phản ứng cháy hydro dễ đàng thấy rằng cứ 1kg hydro cháy hết cho ta 9 kg nước. Do đó, nếu lấy nhiệt ẩn hóa hơi của hơi nước ở áp suất khí trời r =2500 kJ/kg thì nhiệt trị thấp của nhiên liệu bằng:
Qt = Qc-2500(9H+A) kJ/kg hay Qt=Qc-600(9H+A) [4] (kcal/kg) Ta có thành phần làm việc của củi như sau:
Bảng 3.2. Bảng thành phần hóa học của củi
C H N O S A Tr
48% 6,5% 0.5% 43% 0.00% 1% 1% Nhiệt trị cao của nhiên liệu (củi):
Qc= 8100C+30000H-2600(O-S) = 81.48 +300.6,5-26(43-0)= 4720 (kcal/kg) Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (củi):
Qt = Qc-600(9H+A) = 4720-600(9.0,065+0,01) = 4363 (kcal/kg) - Lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ: B = (3.14)
Trong đó:
q- Tổng nhiệt lượng cần thiết (q=4106,54 kJ/kg = 982,43 kcal/kg) Wh- Lượng ẩm cần bốc hơi trong một giờ (Wh= 431,3725 kg/h) Qt- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
ηbđ – Hiệu suất buồng đốt (Với nhiên liệu rắn chọn ηbđ = 0,62) Thay các giá trị vào công thức (3.12) ta có:
B = = 156,66 (kg/h) Thể tích buồng đốt Vbđ = = 2,73 (m3) Chọn lò đốt có kích thước DxRxC: 1,5 x 1,2 x 1,5 (m)
c) Cải tiến lò đốt
Theo tính toán trên ta có lượng nhiên liệu cần thiết trong 1 giờ sấy là 156,66 kg/h. Vậy để sấy một mẻ cà phê 8 tấn trong 12 giờ thì lượng nhiên liệu cần là 156,66 x 12 = 1880 kg/mẻ.
- Lượng nhiệt cần thiết để bay hơi 1 kg ẩm: q = 4106,5 (kJ)
- Lượng nhiệt cần thiết để bốc hơi toàn bộ lượng ẩm trong quá trình sấy: Q = q.W = 4106,5 .5176,47 = 21 257 174 kJ = 5905 (kW)
Biết:
Nhiên liệu sinh ra khi đốt cháy 1kg củi khô là 10.106 (Jun) = 2,77 (kW). Vậy lượng nhiên liệu cần thiết để sinh ra 5905 kW là:
B = 5905/2,77 = 2131,7 (kg)
Lượng nhiên liệu tổn thất là: 2131,7-1880 = 251,7 kg/ mẻ = 697,2 (kW)
Nguyên nhân là do hiệu suất của lò đốt và tổn thất nhiệt trên đường ống dẫn từ quạt đến buồng đốt.
Lò đốt dùng nhiên liệu rắn có cường độ cháy cao, hệ số không khí thừa lớn nên lượng không khí tiêu hao lớn. Trong khi đó vật liệu cần sấy thường yêu cầu nhiệt độ sấy nhỏ hơn nhiệt độ của khói lò. Vì vậy sau khi cháy khói lò phải được hòa trộn với không khí môi trường để đạt đến nhiệt độ phù hợp cho nguyên liệu sấy.
Để giảm tổn thất nhiệt cần phải duy trì lò đốt với cường độ cháy thấp và phải điều chỉnh khống chế được nhiệt độ sấy trong khoảng nhiệt độ nhất định. Trước yêu cầu đặt ra tôi đề xuất cải tiến lò đốt như sau: Thiết kế lò đốt có điều chỉnh lượng gió cấp để hòa trộn khói lò, cụ thể như sau:
Lò đốt được xây bằng gạch chịu lửa và bao bọc bằng tôn. Nhiên liệu dùng đốt cấp nhiệt là củi, hoặc trấu, vỏ cà phê... Trên cửa lò có bố trí rãnh nhỏ để tháo lắp thùng chứa nhiên liệu. Khi sử dụng nhiên liệu là trấu hoặc vỏ cà phê ta lắp thùng chứa nhiên liệu vào 2 gờ trên thành ngay cửa lò. Khi sử dụng nhiên liệu bằng củi ta tháo bỏ thùng chứa nguyên liệu. Trên lò đốt được bố trí cửa xả xỉ, cửa cấp nhiên liệu, cửa cấp gió vào buồng đốt, cửa dẫn gió vào quạt. Kết cấu lò đốt nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển trong quá trình sấy tùy thuộc vào vị trí của máy sấy. Do đó, tính cơ động của hệ thống máy sấy rất cao, có thể di chuyển được tới các vùng khác nhau trong suốt quá trình thu hoạch, đặc biệt có vận chuyển vào kho cất giữ và bảo quản.
1. Cửa cấp nhiên liệu 3.Thùng trấu 5. Cửa lấy tro
2. Buồng đốt 4. Cửa cấp gió 6. Cửa cấp khí pha loãng
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1. Kết luận
Từ kết quả nghiên cứu cải tiến máy sấy tĩnh vỉ ngang HT 405cho phép rút ra một số kết luận sau:
- Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che của máy sấy lớn (40929,18 kJ/h). - Phải đảo trộn thủ công
trong quá trình sấy nên tốn nhiều công lao động.
- Cải tiến khung buồng sấy bằng các thanh thép hộp 40 x 40 mm liên kết với nhau bằng các bulong thuận tiện cho việc lắp ghép.Nắp buồng sấy được thiết kế mới bằng tôn dày 5mm cố định trên khung thép bằng bulong.
- Buồng sấy được gia cố thêm tấm amiăng dày 2 mm cách nhiệt, tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che của máy sấy sau cải tiến giảm hơn một nửa (19438 kJ/h).
- Thiết kế mới hệ thống đảo chiều gió sấy của máy sấy nhằm giảm thiểu công lao động trong quá trình cào đảo cà phê.
- Cải tiến lò đốt để có thể điều chỉnh lượng gió để điều chỉnh nhiệt, thay đổi phần cấp liệu có thể tháo lắp cho phù hợp với các loại nhiên liệu đốt.
4.2. Kiến nghị
Do hạn chế về thời gian và kinh phí nghiên cứu nên đề tài mới chỉ tính toán và đề xuất phương án cải tiến nên cần tiến hành chế tạo và kiểm tra máy bằng thực nghiệm từ đó áp dụng cải tiến cho các máy sấy cà phê HT 405 trên địa bàn tỉnh Gia Lai.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt
[1] Hoàng Văn Chước (1999), Giáo trình Kỹ thuật Sấy, NXB Khoa học và kỹ thuật [2] Lê Quang Hưng (1999), Kỹ thuật trồng và thu hoạch cà phê xuất khẩu, NXB Giáo dục. [3] Nguyễn Văn May (2004), Giáo trình Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm, NXB
Khoa học và Kỹ thuật
[4] Trần Văn Phú (2002), Tính toán và thiết kế hệ thống sấy, Nhà xuất bản Giáo dục [5] Phạm Thanh (2007), Giáo trình kỹ thuật sấy 1, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng [6] Hoàng Đình Tín (2001), Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, NXB
Khoa học và Kỹ thuật
[7] Phạm Xuân Vượng, Trần Như Khuyên (2006), Giáo trình Kỹ thuật sấy nông sản, Trường Đại học Nông nghiệp I
Trang thông tin điện tử
[8] http://diendannongnghiep.com/cay-cong-nghiep/10127-cau-tao-va-thanh-phan- hoa-hoc-cua-qua-ca-phe.html [9] http://huyhung.com.vn/vi/san-pham-dich-vu/Ca-phe-sach/Hai-phuong-phap- dung-pho-bien-trong-san-xuat-la-che-bien-uot-va-che-bien-kho-1/ [10] http://vinacafemienbac.blogspot.com/2012/08/tong-quan-ve-ca-phe-va-ca-phe- viet-nam.html [11] http://www.cesti.gov.vn/the-gioi-du-lieu/ca-phe-viet-nam-nhung-nam-qua.html