3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
3.1.1. Nguyên lý làm việc
Quá trình sấy của máy sấy cà phê HT 405 được thực hiện như sau: Cà phê được đổ trên mặt sàn lưới lỗ với lớp dày khoảng 30-40cm. Không khí nóng tạo nên bởi lò đốt, động cơ vận hành làm quay quạt hướng trục hút và đẩy không khí nóng vào buồng gió, sau khi đã hòa trộn với không khí môi trường đạt đến nhiệt độ khí sấy cần thiết. Sau đó khí sấy chuyển hướng qua buồng gió chính (buồng sấy) nằm phía dưới sàn lỗ và đi hướng lên xuyên qua lớp hạt mang ẩm thoát ra ngoài. Quá trình sấy tiếp diễn cho đến khi cả lớp hạt dưới và trên đạt được độ ẩm cần thiết.
Hình 3.1. Máy sấy HT 405 3.1.2. Ưu điểm
Máy sấy HT405 có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa. Máy có giá thành rẻ nên phù hợp với quy mô nông hộ.
3.1.3. Nhược điểm
Nhược điểm của máy sấy cà phê HT 405 là không có tính cơ động do lắp đặt cố định. Khả năng thất thoát nhiệt cao do lắp ghép bằng thép tấm nhưng không có phương pháp che chắn giảm thiểu tổn thất nhiệt.
Do không có đảo gió nên phải đảo trộn thủ công để có sự đồng đều ẩm độ hạt sau khi sấy, nên không phù hợp với yêu cầu cơ giới hóa công đoạn sấy.
3.2. Kiểm tra, đánh giá các thông số làm việc của máy sấy tĩnh vỉ ngang HT 405
3.2.1. Xác định các thông số cơ bản của quá trình sấy
Quá trình sấy là quá trình làm khô các vật thể, các vật liệu, các sản phẩm… bằng phương pháp bay hơi. Như vậy muốn sấy khô một vật ta phải tiến hành các biện pháp kỹ thuật sau:
- Gia nhiệt cho vật để đưa nhiệt độ của nó lên đến nhiệt độ bão hòa ứng với phân áp suất của hơi nước trên bề mặt vật
- Cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm trong vật thể
- Vận chuyển hơi ẩm đã thoát ra khỏi vật thể vào môi trường
Ta thấy trong quá trình sấy xảy ra các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, cụ thể là:
- Quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt cho vật sấy
- Quá trình truyền ẩm từ trong vật sấy ra ngoài bề mặt vật sấy - Quá trình truyền ẩm từ vật sấy vào môi trường
Các quá trình truyền nhiệt, truyền chất trên xảy ra đồng thời trên vật sấy chúng có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Để khống chế và điều khiển quá trình sấy tiến triển theo hướng có lợi nhất cho người sử dụng ta cần nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong thiết bị sấy [1].
Chọn điều kiện ban đầu:
- Khối lượng cà phê đưa vào sấy: G1 = 8 tấn/mẻ - Độ ẩm của cà phê trước khi sấy: w1 = 70% - Độ ẩm của cà phê sau khi sấy: w2 = 15% - Độ ẩm của không khí ngoài trời: φ0 = 80% - Nhiệt độ của không khí ngoài trời: t = 22oC
- Nhiệt độ của tác nhân sấy trong buồng sấy: t1= 75oC - Nhiệt độ của khí thải t2 = 40oC
- Thời gian sấy t = 12 h
(Chọn sơ bộ theo kết quả khảo sát tại công ty TNHH TM Việt Long)
3.2.1.1. Lượng ẩm cần bốc hơi trong quá trình sấy được xác định theo công thức:
= 8.000. = 5176,47 (kg/mẻ)
3.2.1.2. Lượng ẩm cần bốc hơi trong một giờ là:
= 431,3725 (kg ẩm/giờ)
3.2.1.3. Khối lượng cà phê sau quá trình sấy là:
G2=G1-W = 8.000 – 5176,47 = 2823,53 (kg)
3.2.2. Tính toán các thông số cơ bản của quá trình sấy lý thuyết
Quá trình sấy lý thuyết là quá trình không có tổn thất do vật liệu sấy mang đi, do thiết bị truyền tải mang đi, không có tổn thất do tỏa ra môi trường, qua kết cấu bao che… mà chỉ có tổn thất do tác nhân sấy mang đi. Do đó bao nhiêu nhiệt lượng do tác nhân sấy cung cấp cho vật liệu sấy hoàn toàn dùng để tách ẩm khỏi vật liệu. Vì vậy quá trình sấy lý thuyết bằng không khí nóng được xem là quá trinh đẳng entanpy. Ta biểu diễn quá trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d.
Trên đồ thị I-d ta có:
- Điểm 0: Tương ứng với trạng thái không khí ngoài trời, được đặc trưng bởi cặp thông số t0, φ0
- Điểm 1: Tương ứng với trạng thái không khí trước buồng sấy, được đặc trưng bởi cặp thông số số t1, φ 1
- Điểm 2: Tương ứng với trạng thái không khí ra khỏi buồng sấy, được đặc trưng bởi cặp thông số số t2, φ 2
Để tránh hiện tượng nội suy khi sử dụng đồ thị làm mất tính chính xác nên ta sử dụng phương pháp giải tích làm tính toán cụ thể:
3.2.2.1. Trạng thái không khí môi trường (Điểm 0):
Lượng chứa ẩm do được xác định theo công thức:
do =0,621 (kg ẩm/kg kk) (3.1) Trong đó: - Độ ẩm tương đối của không khí ( =80%)
P - Áp suất không khí (P=760 mmHg) Pb- Phân áp suất bão hòa
Phân áp suất bão hòa được xác định theo công thức
Pb = (bar) (3.2)
Pb = = 0,026 (bar) Thay Pb vào công thức (1) ta xác định được lượng chứa ẩm:
do = 0,621. =0,013189 (kg ẩm/kg kk) Entanpy của không khí ẩm:
Entanpy của không khí ẩm là entanpy ứng với 1kg không khí khô, ta có: I0 = Ik+d.Ih.= Cpk.to+ do(r+Cph.to) (kJ/kg kk) (3.3) Trong đó:
Cpk - Nhiệt dung riêng của không khí khô, Cpk = 1,004 (kJ/kgK) Cph - Nhiệt dung riêng của hơi nước quá nhiệt, Cph = 1,842 (kJ/kgK) r là nhiệt ẩn hóa hơi, r=2500 (J/kg) Thay các giá trị vào công thức (3.3) ta có:
I0 = 1,004.22 + 0,013(2500+1,842.22) = 55,59 (kJ/kg kk)
3.2.2.2. Trạng thái không khí ra khỏi buồng sấy (Điểm 2):
Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ tác nhân sấy sau quá trình sấy ta có t2 = 40oC. Nhiệt độ này trong quá trình tính toán thiết kế máy sấy thường được chọn sao cho đủ nhỏ để giảm tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi nhưng cũng đủ lớn xa trạng thái bão hòa để tránh hiện tượng đọng sương lên bề mặt vật liệu sấy.
Lượng chứa ẩm d2 được xác định theo công thức: Từ công thức (3.3) ta suy ra:
d2= = (kg ẩm/kg kk) (3.4) I2- Entanpy của không khí sau quá trình sấy (I2=I1)
I1=I2= 1,004.t1+d1(2500+1,842.t1) = 1,004.75+0,013(2500+1,842.75) = 110,094 Thay I2 vào (3.4) ta xác định được lượng chứa ẩm của không khí sau quá trình sấy:
d2 = = 0,027173 (kg ẩm/kg kk) Xác định độ ẩm tương đối :
Từ công thức (3.1) ta suy ra: =
Trong đó Pb2 là phân áp suất hơi nước bão hòa sau quá trình sấy ở nhiệt độ t2
Pb2 = (bar) Thay t2 = 40oC vào ta được Pb2 =0,0731 (bar)
Vậy độ ẩm tương đối là:
= = 0,5805 = 58,05%
3.2.2.3. Xác định lượng không khí lý thuyết (Lo)cần thiết:
Ẩm đi vào hệ thống sấy gồm ẩm do vật liệu sấy mang vào và ẩm do không khí ngoài trời đưa vào. Ẩm ra khỏi hệ thống sấy gồm ẩm do tác nhân sấy mang ra và ẩm do vật liệu sấy mang ra. Ta có phương trình cân bằng ẩm cho hệ thống sấy:
Lodo +G1w1 = Lod2 +G2w2
Lưu lượng không khí khô cần thiết: Lo = =
Lo= = 370171,5 (kg kk) Gọi lo là lượng không khí khô cần thiết để bay hơi 1 kg ẩm, ta có công thức:
Lo=lo.W
=> lo = = = =71,5104 (kgkk/kg ẩm)
3.2.2.4. Xác định nhiệt lượng tiêu hao lý thuyết:
Phương trình cân bằng nhiệt cho toàn bộ hệ thống sấy lý thuyết:
Qo=Lo(I1-Io)=Lo(I2-Io) (kW) Nhiệt lượng tiêu hao tính cho cả quá trình sấy
Qo=370171,5(110,0943-55,59472)= 20174191 (kJ/h) =5604 (kW) Nhiệt lượng tiêu hao để bay hơi 1kg ẩm:
3.2.3. Xác định các kích thước cơ bản của buồng sấy
Thể tích buồng sấy V=DxRxC= 8x5x0,6 =24 (m3) Trong đó:
D = 8m – Chiều dài thùng sấy R = 5m – Chiều rộng thùng sấy
C = 1,2 m – Chiều cao thùng sấy (trong đó chiều cao từ đáy tới vỉ sấy là 0,6m) (Các kích thước trên được chọn theo kết quả khảo sát tại Công ty TNHH TM Việt Long)
3.2.4. Tính toán quá trình sấy thực tế
Quá trình sấy thực là qúa trình sấy không có bổ sung nhiệt, ngoài tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi còn có tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi, tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường do kết cấu bao che của hệ thống sấy.
Hình 3.3. Đồ thị I-d của quá trình sấy thực tế
Trong quá trình sấy thực I2 # I1 thay đổi giá trị Entanpy xác định bởi dấu của Δ (tổng đại số nhiệt). Nếu Δ>0 thì đường sấy thực 1C nghiêng lên trên so với đường I1=const. Nếu Δ<0 thì đường sấy thực 1C lệch xuống dưới so với đường I1 =const. Vậy xây dựng qúa trình sấy thực trên đồ thị I-d cần xác định góc nghiêng của đường 1C.
3.2.4.1. Tính toán nhiệt quá trình sấy:
Mục đích của tính toán nhiệt là xác định tiêu hao không khí dùng cho quá trình sấy L và tiêu hao nhiệt lượng Q để làm cơ sở xác định các kích thước cơ bản của thiết bị sấy. Đồng thời qua việc thiết lập cân bằng nhiệt và cân bằng năng lượng của hệ thống sẽ xác định được hiệu suất sử dụng nhiệt và hiệu suất sử dụng năng lượng của hệ thống cũng như tiêu hao nhiệt của buồng sấy và hệ thống.
3.2.4.2. Tính tổn thất nhiệt:
Tổng đại số nhiệt được tính theo công thức:
= Catv1 - = Catv1 – qbc - qv (kJ/kg ẩm) (3.5) Trong đó:
Ca – Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm, (J/kg.độ) tv1 – Nhiệt độ vật liệu ẩm, (oC) Qbc – Nhiệt độ tổn thất ra môi trường do kết cấu bao che
Qv – Nhiệt do vật liệu sấy mang đi
a) Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi:
Ta có: tv1 = to = 22oC – Nhiệt độ vật liệu vào thiết bị sấy, có thể xem bằng nhiệt độ môi trường
tv2 – Nhiệt độ vật liệu ra khỏi thiết bị sấy
tv2 = = =57,5 (oC) G2 = 2823,53 - Lượng vật liệu sau khi sấy (kg) Ck= 1,5 - Nhiệt dung riêng của cà phê khô (kJ/kgK) Công thức tính tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi:
Qv=GtbCtb(tv2-tv1) (kW) (3.6) Ctb= với C1,C2= Ck + w1,2
Trong đó:
Ca- Nhiệt dung riêng của ẩm (nước); Ca = 4,1816 (kJ/kgK) W1,2– độ ẩm vật liệu trước và sau khi sấy (%)
C1 = 1,5 + . 70 = 3,37712 (kJ/kgK) C2 = 1,5 + . 15 = 1,90224 (kJ/kgK) Ctb = = 2,63968 (kJ/kgK) Gtb = = = 5411,765 (kg)
Với thiết bị sấy buồng đối lưu thì tổn thất do vật liệu sấy là tổn thất chính. Lượng nhiệt Qv cần thiết để nâng nhiệt độ cà phê lên nhiệt độ quy định của quá trình sấy được tính theo công thức (3.6) như sau:
Qv = 5411,765.2,63968.(57,5-22) = 507129,138 kJ = 141 (kW) qv = = = 97,968 (kJ/kg ẩm)
b) Tổn thất nhiệt ra môi trường do kết cấu bao che:
Ta có công thức tính tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che như sau: Qbc=Qt+Qn (kW) (3.7) Trong đó:
Qt - Tổn thất nhiệt qua thành buồng sấy là quá trình truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp: Qt = 3,6.qt.Ft (kJ/h)
qt - mật độ dòng nhiệt (W/m2) Ft - Diện tích thành buồng sấy (m2) Diện tích thành buồng sấy : Ft = 2H(B+L) = 2.1,2.(5+8) = 31,2 (m2)
H =1,2 m – Chiều cao buồng sấy B = 5 m – Chiều rộng buồng sấy L = 8 m – Chiều dài buồng sấy
Qn – Tổn thất nhiệt qua nền buồng sấy
Hệ thống sấy được làm bằng thép các bon dày 5mm, có các thông số sấy như sau: tf1 – Nhiệt độ trung bình của không khí sấy trong buồng sấy
tf1 = = =57,5 (oC) tf2 – Nhiệt độ môi trường tf2 = 22 ( oC) α1- Hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa không khí sấy và vách trong buồng sấy α2- Hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa môi trường và vách ngoài buồng sấy δ– Chiều dày thành buồng sấy (δ = 5mm)
λ – Hệ số dẫn nhiệt của thành buồng sấy (Vật liệu thành buồng sấy bằng thép Cacbon 15%, tra bảng hệ số dẫn nhiệt cuả thép –Phụ lục giáo trình Truyền nhiệt và tính toán thiết bị nhiệt – Hoàng Đình Tín [6], ta có: λ = 54,4 ( W/m độ))
Chọn vận tốc tác nhân sấy v = 5m/s ta có công thức tính α1 theo thực nghiệm: α1 = 6,15 + 4,17 v = 6,15 +4,17.5 = 27 (W/m2)
-Trao đổi nhiệt đối lưu phía ngoài giữa mặt buồng sấy và không khí xung quanh là tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên chảy rối. Do đó, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu α2 sẽ được tính là:
α2 = 1,715(tw2 –tf2)0,333
Mật độ dòng nhiệt phải thỏa mãn các đẳng thức sau: q1 = α1(tf1-tw1)
q2 = (tw1-tw2) (w/m2) (3.8) q3 = α2(tw2 –tf2)
Đo nhiệt độ mặt ngoài tw2 của thành buồng sấy ta được tw2 = 52o. Thay vào công thức (3.8) ta có:
q1 = 27(57,5-tw1); q2 = (tw1-52);
q3 = 1,715 (52-22)1,333 = 159,68 w/m2
Do quá trình truyền nhiệt là ổn định nên q1=q2 suy ra tw1 = 52,0136 (oC) Nhiệt lượng tỏa ra môi trường xung quanh qua thành buồng sấy:
Qt =3,6.qt.Ft = 3,6.159,68.31,2 = 17935,2576 (kJ/h) Nhiệt lượng tổn thất qua nền buồng sấy:
Qn = qt.Fn = 3,6.159,68.40 = 22993,92 (kJ/h) Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che tính cho một mẻ sấy:
Qbc = Qt + Qn = 17935,2576+22993,92 = 40929,1776 (kJ/h) =136,43 (kW) Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che qbc tính cho 1kg ẩm bốc hơi:
qbc = = = 94,881 (kJ/kg ẩm)
Tổng đại số nhiệt:
Δ = Ca.tv1-qbc-qv= 4,1816.22-94,881-97,968 = -100,8538 (kJ/kg ẩm)
3.2.4.3. Xác định các thông số của quá trình sấy thực:
a) Xác định lượng chứa ẩm dc:
Ta có công thức: dc = do + (kg ẩm/kg kk) (3.9) Trong đó: i2 = r + Cph.t2; Nhiệt ẩn hóa hơi - r =2500 (kJ/kg)
i2 = 2500 + 1,842.40 = 2573,68 (kJ/kg) Do do = d1 nên ta có:
Từ đó ta tính được lượng chứa ẩm tại điểm C là:
dc = 0,013 + = 0,02645 (kg ẩm/kg kk) b) Xác định Entanpy Ic:
Entanpy của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực được xác định như sau: Ic = Cpk.t2+dc.i2 = 1,004.40+0,02645.2573,68 = 108,2338 (kJ/kg kk) c) Xác định độ ẩm tương đối φ c: Ta có: φ c = (%) (3.10) với Pb2 = = 0,0731 (bar) Thay vào (3.8) ta có: φ c = = 0,566% =56,6 %
3.2.4.4. Xác định tiêu hao không khí khô thực tế:
Lượng tiêu hao không khí khô thực tế tính cho 1kg ẩm bốc hơi:
l = = = 75,35 (kg kk/kg ẩm) Lượng tiêu hao không khí khô thực tế L tính cho quá trình sấy:
L = l.Wh = 75,35.431,3725 = 32504 (kg kk/h)
3.2.4.5. Xác định nhiệt lượng tiêu hao nhiệt thực tế:
- Tổng nhiệt lượng tiêu hao:
q=l.(I1-Io) = 75,35.(110,0943-55,59472 )= 4106,54 (kJ/kg ẩm) - Tổng lượng nhiệt tiêu hao cho quá trình sấy:
Q=q.W = 4106,54.5176,47 = 21257381,11(kJ/mẻ)= 5905 (kW) - Công suất nhiệt của thiết bị sấy:
- Nhiệt lượng có ích q1:
q1= i2-Ca.tv1 = 2573,68 – 4,1816.22 = 2481,6848 (kJ/kg ẩm) - Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi:
Q2 = L.Cdx(do)(t2-to) =32504.1,028(40-22) = 601454,016 (kJ/h) q2 = = =1394,28 (kJ/kg ẩm) - Tổng nhiệt lượng tính toán q’:
q’ = q1+q2+qbc+qv
= 2481,6848 + 1394,28 + 94,881 + 97,968 = 4068,8138 (kJ/kg ẩm)
Về nguyên tắc, trong quá trình sấy phải đảm bảo cân bằng về nhiệt, nghĩa là tổng lượng nhiệt tiêu hao phải bằng tổng nhiệt lượng tính toán (q=q’). Nhưng do nhiều lý do, làm tròn trong quá trình tính toán nên có sự sai khác. Ta có sai số tương đối:
ε = = =0,009 = 0,9% < 10% nên thỏa mãn. Mọi tính toán trong quá trình sấy thỏa mãn.
- Hiệu suất của buồng sấy: η = = 0,6043 = 60,43%
3.2.4.6. Công suất nhiệt của hệ thống sấy:
- Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy được xác định như sau:
Q= q’.Wh = 4068,8138.431,3725 = 1755174,380 (kJ) - Công suất nhiệt của thiết bị sấy:
N = = = 487,55 (kW)
3.3. Tính toán thiết kế cải tiến một số bộ phận chính của máy HT 405
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