c. Bánh răng cơn răng thẳng :
Hình 2.15. Bánh răng côn
2.6. MÁY SẤY2.6.1. Vật liệu ẩm 2.6.1. Vật liệu ẩm
Vật liệu ẩm trong kỹ thuật sấy là vật liệu có khả năng chứa nước hoặc hơi nước trong q trình thành hình. Ví dụ như các loại nơng sản, thực phẩm, gỗ,…
2.6.2. Độ ẩm vật liệu
Các loại vật liệu trước khi sấy điều chứa một lượng nước hay hơi nước nhất định, trong q trình sấy thì khơng khí nóng (lạnh) sẽ làm lượng nước bốc hơi và thoát ra khỏi vật liệu làm độ ẩm của vật liệu sẽ giảm xuống. Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi nhiệt độ và độ ẩm của nó.
2.6.2.1. Độ ẩm tuyệt đối
Độ ẩm tuyệt đối là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứ trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. ký hiệu: W0. Ta có:
(2.1) Trong đó: + Gn – khối lượng ẩm chứ trong vật liệu (kg)
+ Gk – khối lượng vật khơ tuyệt đối (kg)
2.6.2.2. Độ ẩm tồn phần
Độ ẩm toàn phần là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật ẩm. ký hiệu: w. Ta có:
(2.2) Trong đó: G – khối lượng vật ẩm: (kg)
2.6.2.3. Độ ẩm cân bằng
Độ ẩm cân bằng là độ ẩm của vật khi ở trạng thái cân bằng với mơi trường xung quanh vật đó. Khi đó vật sẽ đạt trạng thái cân bằng khơng tiếp tục hút hay nhả ẩm được nữa được ký hiệu là: Wcb
Trong kỹ thuật sấy, độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn, nó dùng để xác định giới hạn quá trình sấy và độ ẩm cuối cùng trong quá trình sấy của mỗi loại vật liệu trong những điều kiện môi trường khác nhau.
2.6.3. Các phương pháp sấy 2.6.3.1. Sấy tự nhiên: 2.6.3.1. Sấy tự nhiên:
Sấy tự nhiên là phương pháp sấy ứng dụng năng lượng tự nhiên như của mặt trời, gió,…để làm khơ giảm ẩm vật liệu, ưu điểm của phương pháp này là không tốn kém nhưng nhược điểm là không thể chủ động sấy khi cần thiết mà phải phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên của thời tiết. Ngồi ra phương pháp này cịn cần một khơng gian mặt thống rộng lớn để trải đều nơng sản phơi sấy.
2.6.3.2. Sấy nhân tạo:
Có nhiều loại sấy nhân tạo như: - Sấy thăng hoa
- Sấy khơng khí nóng - Sấy bơm nhiệt - Sấy lạnh,…
Sấy bơm nhiệt là sử dụng hệ thống bơm nhiệt kết hợp với bộ cấp nhiệt phụ, hệ thống hút ẩm để có thể điều chỉnh chính xác nhiệt độ sấy và độ ẩm khơng khí sấy cần cung cấp cho buồng sấy, hệ thống bơm nhiệt được sử dụng nhằm làm khơng khơng khí sấy trước và tận dụng nguồn nhiệt để làm nóng dịng khơng khí sau đó được quạt thổi tuần hồn qua buồng sấy để làm khô vật liệu. Điều quan trọng của phương pháp này là làm khơ hồn tồn khơng khí trước khi sấy và sau khi trở lại buồng sấy giúp vật liệu khơ nhanh hơn.
Hình 2.16. Buồng sấy
Ở đây khi sản xuất tinh dầu xả chanh cầ sấy sả héo nhanh và giữ được mùi sản phẩm lâu nên máy sấy thích hợp là sấy bơm nhiệt và chỉ cần sấy héo nên nhiệt độ thấp của máy sấy bơm nhiệt từ 10 – 60 độ C là thích hợp.
Cấu tạo của máy sấy bơm nhiệt:
Máy sấy bơm nhiệt có cấu tạo khá giống máy lạnh nhưng hoạt động hoàn toàn ngược lại đầu ra ở đây cần khơng khí nóng nên dàn ngưng tụ sẽ đặt trước buồng sấy
Cũng như máy lạnh, bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược với các q trình chính như sau:
1 – 2: q trình nén hơi môi chất từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp lên áp suất cao và nhiệt độ cao trong máy nén hơi. Qúa trình nén là đoạn nhiệt.
2 – 3: quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, thải nhiệt cho môi trường.
3 – 4: quá trình tiết lưu đẳng entanpi (i3 = i4) của môi chất lỏng qua van tiết lưu từ áp suất cao xuống áp suất thấp.
4 – 1: quá trình bay hơi đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp, thu nhiệt của môi trường lạnh.
Mục đích sử dụng chính của bơm nhiệt là lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ.
Năng suất nhiệt của bơm nhiệt chính là phương trình cân bằng nhiệt ở máy lạnh:
qk = qo + l
Hình 2.18. Chu trình máy sấy
MN: Máy nén, NT: Thiết bị ngưng tụ, TL: Van tiết lưu, BH:thiết bị bay hơi l: Công tiêu tốn cho máy nén; qo: Nhiệt lượng lấy từ môi trường.
qk: Nhiệt lượng thải ra ở dàn ngưng tụ. Nguyên lý hoạt động:
Khơng khí bên ngồi mơi trường được quạt hút vào với một lượng gió sau đó qua các con điện trở gió nóng lên. Khi đó khối lượng khí nóng này được dẫn qua lưới đến vật liệu sấy mang theo nước của vật liệu thốt ra. Quy trình có thể tiếp tục đến thời gian nhất định vật liệu sẽ mất gần như sạch nước khi đó ta kết
thức quá trình sấy vật liệu sẽ mất gần như sạch nước khi đó ta kết thúc q trình sấy vật liệu hoặc đến độ ẩm ta mong muốn ta dừng lại.
Ưu nhược điểm của máy - Ưu điểm của máy:
+ Khay nhỏ, gọn dễ di chuyển nhờ các bánh xe bố trí bên dưới +Thao tác điều chính thơng số dễ dàng , nhanh chóng
-Nhược điểm
+Lưu lượng tác nhân sấy phân bố khơng đồng đều
+Bố trí máy q thấp khó lấy vật liệu và đưa vật liệu sấy vào +Tổn thất nhiệt qua vách
2.6.4. Tính tốn q trình sấy:2.6.4.1. Vật liệu sấy: 2.6.4.1. Vật liệu sấy:
Ở đây ta chọn vật liệu sấy là cây sả chanh, sả chanh là cây thân cỏ thường mọc thành bụi rậm cao khoảng 80 – 150 cm. Thân sả hình trịn được bao bọc bởi các bẹ lá ơm vào nhau gốc màu tím và phần củ phình to ra nổi lên trên mặt đất
Độ ẩm ban đầu của cây sả nằm khoảng 65% sau đó sẽ sấy đến khi độ ẩm đạt khoảng cịn 50% so với ban đầu thì sẽ thích hợp.
Độ ẩm đầu: W1=65% Độ ẩm cuối: W2=50%
Chọn một mẻ sấy khoảng 250kg ( đầu vào khoảng 1 tấn chia làm 4 mẻ sấy) Thì khối lượng sả héo sau khi sấy là :
= = = 250 kg/mẻ Suy ra: G2=175kg/mẻ
Ta chọn tác nhân sấy là khơng khí với các thơng số sau: * Thơng số ngồi trời
Theo tài liệu, thơng số trung bình trong năm của khơng khí tại Tp. Hồ Chí Minh:
- Nhiệt độ trung bình: T = 32 0C. - Độ ẩm trung bình : = 73 %.
* Thơng số khơng khí trước khi vào thiết bị sấy
- Nhiệt độ tác nhân sấy vào và ra thiết bị sấy: = 450C. Tốc độ gió là 3,5 4 m/s. Ta chọn = 3,7 m/s.
* Thơng số khơng khí sau thiết bi sấy:
Thơng số khơng khí sau thiết bị sấy phải cao hơn nhiệt độ đọng sương của khơng khí để tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy.
Từ điểm có Tk= 32 0C và = 73 % dựa vào đồ thị I-d ta dóng theo đường d = const ta có = 27.5 0C.
Nhiệt độ tác nhân sấy sau thiết bị sấy được chọn sao cho nó phải lớn hơn nhiệt độ đọng sương. Ta chọn = 40 0C.
* Thơng số khơng khí sau dàn lạnh - Nhiệt độ: chọn = 10 0C.
- Độ ẩm tương đối:
Quá trình làm lạnh trong dàn lạnh thường đạt đến trạng thái bão hịa nên nhiệt độ khơng khí sau dàn lạnh có thể lấy = 100%.
* Thời gian sấy: chọn t = 0.5h
2.6.4.2. Tính tốn kích thước buồng sấy
Hình 2.19. KhungNăng suất buồng sấy: = = 250 kg/mẻ. Năng suất buồng sấy: = = 250 kg/mẻ.
Thể tích buồng sấy: = , m3.
Trong đó: + : Khối lượng riêng của vật liệu sấy, = 350 kg/m3. (Khối lượng riêng của sả khi thái lát dài ~ 1 cm là : 350 kg/m3)
+ KV : Hệ số điền đầy. Kv = (0,40,5). Ta chọn KV = 0,4. Thay vào ta tính được = 1,785 m3.
- Thể tích tồn bộ buồng sấy:
V = Vh + V, m3.
Trong đó: V - Thể tích của các khảng trống của kênh gió và các khơng gian đặt quạt và các thiết bị sấy, m3. V= (30 40%)V.
Ta chọn V = 0,4.V = 0,4.1,785 = 0,714 m3. Vậy thể tích buồng sấy là: V = 2,5 m3.
Với V đã tính tốn được, ta chọn các kích thước của buồng sấy: Dài Rộng Cao là:
LBH = 1,51,21,33 m3.
2.6.4.3. Đồ thị I-d
Hình 2.20. Đồ thị I-dĐiểm 0: Trạng thái khơng khí ngồi trời. Điểm 0: Trạng thái khơng khí ngồi trời.
Điểm 1: Trạng thái khơng khí sau dàn lạnh. Điểm 2: Trạng thái khơng khí sau dàn nóng. Điểm 3: Trạng thái khơng khí sau thiết bị sấy. Điểm 4: Trạng thái khơng khí trong dàn lạnh.
1-2: Quá trình gia nhiệt đẳng dung ẩm trong dàn nóng. 2-3: Q trình sấy đẳng Entanpi trong thiết bị sấy.
3-4-1: Q trình làm lạnh khơng khí và ngưng tụ ẩm trong dàn lạnh.
2.6.4.4. Tính tốn q trình sấy
a) Các thông số tại các điểm nút 1) Điểm 0:
- Nhiệt độ: t0 = 32 0C. - Độ ẩm tương đối: = 73%.
- Phân áp suất bão hoà của hơi nước: Theo cơng thức dạng Antoine ta có:
= exp (12 - (3.1) = exp (12 - = 0,0472 bar
- Dung ẩm của khơng khí:
d0 = 0,621. (3.2)
Trong đó:
B: áp suất khí trời. Lấy B = = 0,993 bar.
Thay vào cơng thức ta tính được d0 = 0,022 kg/kgkkk. - Entanpi của khơng khí ngoài trời:
I0 = 1,004.t0 + d0(2500 + 1,842.t0) (3.3) = 1,004.30 + 0,022.(2500 + 1,842.32) = 86,41 kJ/kgkkk. 2) Điểm 1: - Nhiệt độ : t1 = 10 0C. - Độ ẩm tương đối : = 100%. - Phân áp suất bão hoà:
Với t1 = 10 0C, thay vào cơng thức (3.1) ta có pb1= 0,0123bar. - Dung ẩm của khơng khí:
Thay t1, vào cơng thức (3.2) ta có:
d1 = 0,621. = 0,00779 kg/kgkkk. - Entanpi:
Thay các thơng số của điểm 1 vào công thức ta có: I1 = 1,004.10 + 0,00779.(2500 + 1,842.10) = 29,66 kJ/kgkkk.
3) Điểm 2:
- Nhiệt độ: t2 = 45 .℃
- Dung ẩm: Do quá trình sấy là q trình đẳng dung ẩm nên ta có: d2 = d1 = 0,00779 kg/kgkkk.
- Phân áp suất bão hồ:
Với t2 = 45 0C, thay vào cơng thức ta tính được Pb2 = 0,095 bar.
- Độ ẩm tương đối: = (3.4) = = 0,129 = 12,9 %. - Entanpi: I2 = 1,004.t2 + d2(2500 + 1,842.t2) = 1,004.45 + 0,00779.(2500 + 1,842.45) = 65,3 kJ/kgkkk. 4) Điểm 3: - Nhiệt độ: t3 = 40 0C - Entanpi: I3 = I2 = 65,3 kJ/kgkkk. - Phân áp suất bão hoà:
Với t3 = 40 0C , thay vào cơng thức (3.1) ta có Pb3 = 0,0732 bar. - Dung ẩm:
d3 = = = 0,00977 kg/kgkkk - Độ ẩm tương đối:
Thay d3 và Pb3 vào cơng thức (3.4) ta có: 3 =
= = 0,2101 = 21,01 %. 5) Điểm 4
- Độ ẩm: 4 = 100%.
- Dung ẩm: d4 = d3 = 0,00977 kg/kgkkk. - Phân áp suất bão hoà: Pb4 =
= = 2.10-4 bar. - Nhiệt độ: t4 =
= = 39,25 0C
I4 = 1,004.39,25 + 0,00977(2500 + 1,842.39,25) = 64,54 kJ/kgKKK b) Tính tốn nhiệt
* Lượng ẩm bay hơi trong quá trình sấy: W = G1 = 250 kg/mẻ. * Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ:
Wh = = = 5 kg/h
* Lượng khơng khí khơ cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm: llt = = = 50,5 kgkkk/kga
* Lưu lượng khơng khí khơ tuần hồn trong q trình sấy Llt = W.l = 75.50,5 = 3787,5 kgkkk/mẻ
* Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp cho q trình sấy để làm bay hơi 1 kg ẩm: qlt = = = 18000 kJ/kga.
*Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy 1 mẻ: Qlt = W.qlt = 75.18000 = 1350000 kJ * Lượng ẩm ngưng tụ:
dlt = d3 –d2 = 0,00977 – 0,00779 = 0,00198 kga. * Lượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm:
qll lt = llt.(I3 – I1) = 50,5.(65,3-29,66) = 1799,82 J/kga. * Lượng nhiệt dàn lạnh thu được:
Qll lt = W.qll lt = 75.1799,82 = 134986,5 kJ
2.6.5. Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế
Hình 2.21. Cân bằng nhiệtPhương trình cân bằng nhiệt: Phương trình cân bằng nhiệt:
Q + Qbs + WCntm1 + G2Cmtm1 + LI1 + Gvc.Cvctm1 = G2Cmtm2 + Q5 + LI3’ + Gvc.Cvc.tm2 Q + Qbs = L(I3’ – I1) + G2Cm(tm2 – tm1) + Q5 – WCn.tm1 + Gvc.Cvc.(tm2 – tm1)
Q + Qbs = Q2 + Qm + Q5 + Q1 + Qvc (*) Trong đó :
+ Q - Nhiệt lượng cung cấp để gia nhiệt tác nhân sấy. + Qbs - Nhiệt lượng bổ sung.
Do khơng dùng thiết bị gia nhiệt cho khơng khí sau dàn nóng nên Qbs = 0. + Q1 = - WCntm1 - Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào.
+ G2Cm.(tm2 – tm1) = Qm - Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang ra. + Q5 - Nhiệt tổn thất ra môi trường theo kết cấu bao che.
+ Gvc.Cvc.(tm2 – tm1) = Qvc - Nhiệt lượng tổn thất theo thiết bị vận chuyển. + Q2 = L(I3’ – I1) - Nhiệt tổn thất do tác nhân sấy.
Chia 2 vế (*) cho W và bỏ qua Qbs ta có:
q = q1 + q2 + qvc + q5 + qm Mà q = l(I2 - I1) hay l(I2 – I1) = l(I3’ – I1) + qv +q5 – Cntm1
Hay l(I3’ – I2) = Cntm1 - ( qvc + q5 + qm)
Đặt Cntm1-(qv + q5 + qm) = - Tổn thất nhiệt để làm bay hơi 1 kg ẩm. Suy ra l(I3’ – I2) = hay I3’ = I2 + /l Tính :
* Tổn thất nhiệt ra mơi trường q5
Nhiệt độ bên ngoài buồng sấy: tf 1 = t0 = 300C Nhiệt độ bên trong buồng sấy: tf2 = = 42,5 0C
Buồng sấy có tường làm bằng thép có chiều dày 50 mm. Tra bảng phụ lục [2], ta có hệ số dẫn nhiệt = 39 W/mK
Nhiệt tổn thất ra mơi trường được tính theo cơng thức Q5 = K.F.t , W Trong đó:
+ F - Diện tích xung quanh của buồng sấy, m2
Buồng sấy là hình hộp có các thơng số: LBH = 1,51,21,33, m3. Ta tính tổng diện tích xung quanh của buồng sấy:
F = 2(L.B + L.H + B.H)
= 2(1,5.1,2 + 1,5.1,33 + 1,2.1,33) = 10,782m2
+ t - Độ chênh nhiệt độ bên trong và bên ngoài buồng sấy , 0C t = tf2 - tf1 = 42,5 – 30 = 12,5 0C
+ K - Hệ số truyền nhiệt , W/m2K K =
Với: 1,2 - hệ số toả nhiệt từ tác nhân sấy đến vách trong buồng sấy và hệ số toả nhiệt từ vách ngồi tới khơng khí bên ngồi.
Để xác định 1,2 ta dùng phương pháp lặp.
+ Giả thiết cho tw1 = 43,5 0C (nhiệt độ vách trong của tường ), ta có phương trình cân bằng nhiệt :
Với tốc độ tác nhân sấy trong buồng sấy đã chọn = 3,5 m/s. ta có: Hệ số toả nhiệt 1 được xác định theo công thức sau:
1 = 6,15 + 4,17. = 6,15 + 4,17.3,7 = 21,579 W/m2K Vậy mật độ dòng nhiệt truyền qua
q = 1(t2 -tw1) = 21,579(45 – 43,5 ) = 32,36 W/m2 Nhiệt độ vách ngoài tường được xác định theo công thức:
tw2 = tw1- q. = 43,5 – 32,36. = 43,45 0C Nhiệt độ định tính: tm = = = 36,725 0C
Tra bảng thơng số khơng khí với tm = 36,725 0C = 309,8750K tại bảng phụ lục [2], ta có các thơng số sau:
= 2,665.10-2 W/m2K; v = 16,345.10-6 m2/s; Pr = 0,7.
Tiêu chuẩn Grashoft: Gr = Gr = = 1,743.109 Ta có Gr.Pr = 0,7.1,743.109 =1,22.109 thuộc khoảng (2.107 – 1.1013) Theo bảng 3.1 trang 34/[2] ta có C = 0,135, n = 0,333 Cơng thức tính Nusselt: Nu = C.= 0,135.(1,22.109)0,333 = 144,25 Hệ số toả nhiệt 2 = = = 2,89 W/m2K Vậy, hệ số truyền nhiệt: K =
Hay K = = 0,39 W/m2K
Nhiệt tổn thất ra môi trường trong 1giây là
Q5 = 3,7. 10,782. 12,5 = 498,66 J/s. Nhiệt tổn thất ra mơi trường trong q trình sấy:
Q5 = 498,66.16.3600 = 28722816 J = 28722,8 kJ Vậy q5 = = = 382,97 kJ/kga
Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng phải đảm bảo hơi hút vào máy nén nhất thiết phải là hơi quá nhiệt.
Với môi chất R22, ta chọn = 25 0C. Vậy nhiệt độ hơi hút là: th= 0 + 25 = 25 0C
* Thiết kế dàn ngưng Chọn loại dàn ngưng
Ta chọn loại dàn ngưng giải nhiệt bằng khơng khí đối lưu cưỡng bức. Cấu tạo gồm một dàn ống trao đổi nhiệt bằng thép hoặc ống đồng có cánh nhơm hoặc sắt bên ngồi, bước cánh nằm trong khoảng 5-15 mm. Do mơi chất là