CHƢƠNG 4 : TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY SẤY
4.4. Tính tốn q trình sấy:
4.4.1. Thông số các điểm nút của quá trình sấy:
Hình 4.5. Giản đồ khơng khí ẩm mơ tả điểm nút của q trình sấy [45]
Khơng khí trƣớc khi qua điện trở (điểm A):
, (4-7)
- Áp suất bão hòa:
b 4026, 42 p exp 12 235,5 t (4-8) ( ) bar (4-9)
94 - Hàm lƣợng ẩm: b 0 b .p d 0, 621. .p
Trong đó: là áp suất khí trời ở nơi xác định độ ẩm, lấy .
(kg ẩm/kgkkk) (4-10)
- Enthanpy: 0 pk 0 0 0 pa 0
I C .t d .(r C .t ) (4-11)
Trong đó:
+ : nhiệt dung riêng của khơng khí = 1,004 kJ/kgK.
+ : nhiệt dung riêng của hơi nƣớc =1,842 kJ/kgK.
+ : hơi = 2500 kJ/kg.
I0 = 1,004.t0 + d0.(2500+1,842.t0) (4-12) = 1,004.30 + 0,02.(2500 + 1,842.30)
= 81,23 (kJ/kg kkk)
Vậy: kg ẩm/kgkkk; 81,23 kJ/kgkkk; 0 75%.
Khơng khí sau khi qua điện trở (điểm B):
- Hàm lƣợng ẩm : = 0,02 kg ẩm/kg kkk ( ) (bar) (4-13) - Độ ẩm khơng khí: (4-14) - Enthapy : 1 1 1 1 I 1,004.t d .(2500 1,842.t ) (4-15) I1 = 117,65 kJ/kgkkk
95
Vậy: kg ẩm/kgkkk; 117,65 kJ/kgkkk; 1=12,632%.
Khơng khí ra khổi buồng sấy (điểm C):
- Ethanpy:
kJ/kgkkk (4-16)
- Áp suất hơi bão hòa:
( ) (bar) (4-17) - Hàm lƣợng ẩm : (4-18) - Độ ẩm khơng khí: (4-19) Vậy : 0,028 kg ẩm/kgkkk; kJ/kg kkk; .
Bảng 4.1. Thông số trạng thái tại các điểm của q trình sấy.
Thơng số Điểm A Điểm B Điểm C
t ( 30 65 45 ( 75 12,632 45,41 d ( 0,02 0,02 0,028 I ( 81,23 117,65 117,65 4.4.2. Tính cân bằng ẩm:
- Lƣợng nƣớc bốc hơi trong quá trình sấy:
96 Trong đó:
+ 1: ẩm độ ban đầu của vật liệu sấy, %;
+ 2: ẩm độ sau khi sấy của vật liệu sấy, %;
+ G1: khối lƣợng ban đầu của vật liệu sấy, kg;
+ GH20: khối lƣợng nƣớc cần bay hơi,
(4-21)
- Khối lƣợng sản phẩm lấy ra sau khi sấy:
(4-22)
- Lƣợng nƣớc bốc hơi trong 1 giờ:
W= = (4-23)
- Lƣợng khơng khí khơ cần để bốc hơi 1kg ẩm:
(kgkk khô/ kg ẩm ) (4-24)
- Lƣợng khơng khí khơ cung cấp cho q trình sấy:
(4-25)
4.4.3. Nhiệt lƣợng cần thiết cho quá trình sấy:
- Nhiệt lƣợng cần thiết cho thiết bị sấy đƣợc tính theo cơng thức sau: Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 (4-26) Trong đó:
+ Q: tổng lƣợng nhiệt cho q trình sấy, kW ;
+ Q1: nhiệt lƣợng làm nóng vật liệu sấy, kW ;
+ Q2: nhiệt lƣợng làm nóng buồng sấy, khay sấy, kW;
+ Q3: nhiệt lƣợng cần thiết để nƣớc trong vật liệu sấy hóa hơi, kW;
+ Q4: tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt, kW;
+ Q5: tổn thất nhiệt do bức xạ, kW;
Nhiệt lƣợng để làm nóng vật liệu sấy, Q1
97 Trong đó:
+ m: khối lƣợng tôm đƣa vào sấy, kg.
+ Cvls: nhiệt dung riêng của tôm Cvls = 3,5 kJ/kg.K.
+ t0: nhiệt độ ban đầu của tôm chọn bằng nhiệt độ môi trƣờng là 30oC.
+ t1’: nhiệt độ sấy, t1 = 65oC.
q1 = 50.3,5.(65 – 30) = 6125 kJ (4-28)
- Kết quả từ thực nghiệm sơ bộ, chọn thời thời gian làm nóng vật liệu là 50 phút :
Q1 =
= 2,04 kW (4-29)
Nhiệt lƣợng để làm nóng buồng sấy và khay sấy, Q2
Khay có kích thƣớc 700 mm x 1000 mm đƣợc làm bằng inox 304 có kích thƣớc 20 mm x 10 mm dày 0,8 mm (2,19 kg/cây 6 m), lƣới inox (388 g/khay), khung khay sấy đƣợc làm bằng inox 304 có kích thƣớc 20 mm x 20 mm dày 1 mm có khối lƣợng (3,66 kg/cây 6 m), nhiệt dung riêng 0,5 kJ/kg.K, trên khung khay có thanh L có kích thƣớc 20 mm x 20 mm dày 1 mm (khối lƣợng 1,83 kg/ cây 6 m) [13].
- Khối lƣợng khung đỡ khay sấy, khay sấy:
G = 14.Gk + 2.Gkh = 14.1,63 + 2.21,7 = 66,22 kg (4-30) Trong đó:
+ Gk : khối lƣợng khay sấy, Gk = 1,63 kg
+ Gkh: khối lƣợng khung đỡ khay sấy , Gkh = 21,7 kg
- Nhiệt lƣợng để làm nóng khung và các khay sấy:
q2-1 = G.Cp.t = 66,22.0,5.(65 – 30) = 1158,85 kJ (4-31) - Kích thƣớc buồng sấy 1600 mm x 1100 mm x 1700 m đƣợc làm bằng inox, dày 1 mm, khối lƣợng riêng 7900 kg/m3
, nhiệt dung riêng 0,5 kJ/kg.K.
- Khối lƣợng buồng sấy:
98
- Nhiệt lƣợng làm nóng buồng sấy:
q2-2 = mbs.Cbs. t = 100,33.0,5.(65 – 30 ) = 1775,78 kJ (4-33)
- Tổng nhiệt lƣợng làm nóng buồng sấy và khay sấy:
q2 = q2-1 + q2-2 =1158,85+1775,78= 2935 kJ (4-34)
- Từ thực nghiệm sơ bộ, chọn thời gian làm nóng buồng sấy, khay sấy là 50 phút:
Q2 =
= 0,98 kW (4-35)
Nhiệt lƣợng cần thiết để nƣớc trong vật liệu sấy hóa hơi, Q3
- Tra ở bảng các thông số nhiệt vật lý của nƣớc:
r = f(t) = 2509,64 – 2,51T, kJ/kg (4-36) rtb = ∫ = ∫ (4-37) ( – )| = 2390 kJ/kg (4-38) Cptb = ∫ = ∫ (4-39) Cptb ( )| = 4,18kJ/kg (4-40) q3 = 2 H O G .(rtb + Cptb.t) = 34,38.[2390 + 4,18.(65 – 30)] = 87198 kJ (4-41)
- Với thời gian sấy là 4 h: Q3 =
= 6 kW (4-42)
Tổn thất nhiệt do truyền nhiệt, Q4
99
Hình 4.6. Sơ đồ truyền nhiệt qua vách 3 lớp.
W/m2 (4-43) Trong đó : + t0: nhiệt độ vách trong, oC ; + t1: nhiệt độ vách ngoài, oC ; + 2: hệ số dẫn nhiệt lớp cách nhiệt, 2 = 0,055 W/mK.
+ 1 , 3: hệ số dẫn nhiệt của inox 304, 1 = 3 = 50 W/mK.
+ : chiều dày vách trong, m;
+ : chiều dày lớp cách nhiệt, m;
+ : chiều dày vách ngoài, m;
+ 1: Hệ số tỏa nhiệt vách trong, 1 = 20 W/m2K
+ 2: Hệ số tỏa nhiệt vách ngoài, 2 = 10 W/m2K
- Diện tích buồng sấy:
F = 2.(1,1.1,7 + 1,6.1,7 + 1,1.1,6) = 12,7 m2 (4-44) Q4 = 105,47.12,7 = 1339,47 W = 1,34 kW (4-45)
100 Q5 = 4 4 2 1 0 . . . 100 100 T T F C
Trong đó : F: diện tích buồng sấy, F = 12,7 m2 .
Buồng sấy làm bằng inox có độ đen, ε = 0,4. Nhiệt độ khơng khí ngồi trời t2 =30oC.
C0: hằng số Stefan – Boltzman, C0 = 5,67.10-8 W/m2.K4. : độ đen của vật bức xạ, ÷ 1 Q5 = 4 4 2 1 0 . . . 100 100 T T F C Q5 = 0,4.12,7.5,67. [( ) ( ) ] = 1331 W = 1,33 kW (4-46)
Tổng lƣợng nhiệt cho quá trình sấy:
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5
= 2,04 + 0,98 + 6 + 1,34 + 1,33 = 11,69 kW (4-47)
Bảng 4.2. Tổng hợp nhiệt lƣợng.
Stt Lƣợng nhiệt Đơn vị Giá trị Tỉ lệ (%)
1 Q1: nhiệt lƣợng để làm nóng vật liệu sấy kW 2,04 17,45 2 Q2: nhiệt lƣợng làm nóng buồng sấy,
khay sấy kW 0,98 8,38
3 Q3: nhiệt lƣợng cần thiết để bay hơi
nƣớc kW 6,00 51,33
4 Q4: tổn thất nhiệt buồng sấy do dẫn nhiệt kW 1,34 11,46 5 Q5: tổn thất nhiệt do bức xạ kW 1,33 11,38 6 Q: tổng lƣợng nhiệt cho quá trình sấy kW 11,69 100,00
101
Chọn công suất điện trở là 12 kW ta chọn 6 cây điện trở. Trong đó 2 cây điện trở và hoạt động liên tục trong suốt quá trình sấy, 4 cây điện
trở hoạt động khi nhiệt độ trong buồng sấy thấp hơn nhiệt độ cài đặt.
Hình 4.7. Thanh điện trở chữ U.
4.6. Chọn đèn và cách bố trí đèn hồng ngoại:
- Từ thực nghiệm với 1 m2 khay sấy có thể chứa đƣợc 5,163 kg tơm, vậy để chứa hết 50 kg tơm thì cần 9,67 m2.
- Theo thiết kế máy sấy thì cƣờng độ bức xạ hồng ngoại là 600 W/m2 - Công suất cần thiết của đèn hồng ngoại:
(4-48)
Bảng 4.3. Bảng tra các thông số đèn hồng ngoại
Đèn hồng ngoại Model Công suất (W) Điện áp (V) Nhiệt độ màu. (K) Bƣớc sóng (µm) Tuổi thọ (h) Đƣờng kính (mm) SW-1 100 110-240 2450 1-1.5 5000 8-10
102
SW-1 200 110-240 2450 1-1.5 5000 8-10
SW-1 300 110-240 2450 1-1.5 5000 8-10
SW-1 400 110-240 2450 1-1.5 5000 8-10
SW-1 500 110-240 2450 1-1.5 5000 8-10
Với cơng suất mỗi bóng đèn là 200 W, số bóng cần thiết là 39 bóng. Theo nhƣ tính tốn, số bóng cần thiết là 39 bóng. Tuy nhiên để nhiệt lƣợng đảm bảo phân bố đều trong buồng sấy nên chọn 42 bóng, mỗi khay 3 bóng đèn hồng ngoại loại SW-1 cơng suất 200 W, dòng điện 110 – 220 V, nhiệt độ màu 2450 K, tuổi thọ 5000 giờ, chiều dài bóng đèn bóng 400 mm, đƣờng kính 10 mm, bƣớc sóng 1 – 1,5 µm.
103
Hình 4.8. Bố trí đèn hồng ngoại trên khay. 4.7. Tính tốn quạt cấp tác nhân sấy: 4.7. Tính tốn quạt cấp tác nhân sấy:
- Lƣu lƣợng khơng khí khơ cần thiết cho q trình sấy tính theo khối lƣợng: W kgkkk/s (4-49) Trong đó:
+ W : lƣợng nƣớc cần bốc hơi trong quá trình sấy.
+ : thời gian sấy 4 giờ.
+ d2: độ chứa hơi tại thời điểm khơng khí đƣợc gia nhiệt, g/kgkk;
+ d1: độ chứa hơi tại thời điểm ban đầu của khơng khí ẩm, g/kgkkk;
- Lƣu lƣợng khơng khí khơ cần thiết cho q trình sấy tính theo thể tích: Gv =
104 Với = 1,091 kg/m3
là khối lƣợng riêng của khơng khí ở 65oC (Tài liệu tra: truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt ThS. Lê Quang Giảng phụ lục 7/trang 164, bảng thơng số khơng khí khơ ở mức nhiệt độ 60oC và 70oC sau đó nội suy ra mức 65oC)
Xác định tổn áp cả hệ thống:
- Ta có lƣu lƣợng tác nhân sấy: Gp = Q = 0,275 m3/s (4-51)
- Tổn áp qua sàn lỗ (theo Henderson, 1943):
(
) ( Pa) Trong đó:
+ ΔPlo: tổn áp qua sàn lỗ, Pa;
+ m: vận tốc bề mặt 1, m/s;
+ vl: tỷ lệ khoảng trống của vật liệu sấy.
+ OL: tỷ lệ lỗ sàn. Ta chọn: + vl = 0,15 + OL = 0,18 Nên : ΔPlo = ( ) (Pa) (4-52) - Tổn áp trong ống: 2 ong L P f . .V . 2.D (Pa) Trong đó:
+ ΔPong: tổn áp trong ống, Pa;
+ f: hệ số ma sát, f = 0,02 (trị số tiêu chuẩn với khơng khí trong ống).
+ : khối lƣợng riêng khơng khí, kg/m3 ;
+ vận tốc trung bình trong ống, m/s;
V =
=
105
+ L: chiều dài ống, m;
+ D: đƣờng kính ống, m. Vì ta sử dụng kiểu ống gió cặp bên hơng (ống chữ nhật), nên ta thay D bằng 4DH.
RH: bán kính thủy lực, m ;
Với các kích thƣớc ống gió nhƣ sau:
Chiều cao a = 0,6 m, chiều rộng b = 0,6 m ,chiều dài L = 0,26 m . Nên ta có, RH = diện tích/chu vi
RH = =
= 0,15 m
Vậy: ΔPong = (Pa) (4-53) - Tổn áp cục bộ: ΔPcb = L Vm C . . 2 Trong đó: + CL: hệ số tổn áp đột thu.
+ ρ : khối lƣợng riêng khơng khí, kg/m3;
+ a : tiết diện ống nhỏ hộp điện trở a = 1,38.0,15= 0,207 m2 .
+ A : tiết diện ống lớn hộp điện trở A = 1,38.0,6= 0,83 m2.
+ Vm : Vận tốc trung bình trong ống, m/s; Ta có: CL= (m/s) ΔPcb = (Pa). (4-54) Tổng áp: ∑ΔP = ΔPlo + ΔPong + ΔPcb = 1467,76 + 0,013 + 0,36 = 1468,13 Pa = 219,78 mH20 (4-55)
106
Công suất của quạt đƣợc tính theo cơng thức:
- Công suất thực tế của quạt thổi:
- Trong đó:
+ : Công suất quạt, kW;
+ P: Cột áp toàn phần của quạt, Pa;
+ Lƣu lƣợng khơng khí khơ cần thiết, m3/s;
+ - Nên ta có: Nquạt (kW) (4-56)
- Công suất động cơ vận hành:
Nđc = k. Nquạt = 1,2 . 0,15= 0,18 (kW) (4-57) k = 1,2 là hệ số dự trữ của quạt.
- Ta có 2 buồng sấy, để đảm bảo khơng khí đƣợc quạt thổi đều đến các khay sấy ta chọn 2 động cơ điện 1 pha kiểu động cơ 4AA56B4Y3 có cơng suất 0,18 kW với số vòng quay 1500 vòng/phút. Tra Bảng phụ lục P1.3 (Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí tập 1).
107
- Bảng 4.4: Bảng tổng hợp kết quả tính tốn các thơng số của máy sấy.
STT Tên thiết bị Số liệu Số lƣợng
1 Quạt
Công suất: 0,18 kW; lƣu lƣợng gió: 0,25 m3/s ; số vòng quay 1500 v/phút; cột áp quạt: 240 N/m2
2 cái
2 Đèn hồng ngoại 200 W/đèn 42 đèn
3 Kích thƣớc buồng sấy Dài x rộng x cao: 1600 x 1100 x 1700
mm. 1
4 Khay sấy Khung lƣới 20 mm x 10 mm;
lỗ lƣới 5 mm x5 mm 14 khay
5 Kích thƣớc khung đỡ
khay sấy Dbh x Rbh x Cbh = 1040 x 742 x 1550 mm. 2 khung 6 Thanh điện trở chữ U Công suất: 2 kW 6 thanh 7 Kích thƣớc tổng thể Dài x rộng xcao: 1700 x 1200 x 1800 mm
108
CHƢƠNG 5
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận.
- Từ các nghiên cứu ở phần tổng quan về các tính chất và tiêu chuẩn chất lƣợng của tôm, các phƣơng pháp sấy tơm, các cơng trình nghiên cứu về sấy tơm, cá và các nghiên cứu về sấy có sự hổ trợ của bức xạ hồng ngoại trên nông sản trong và ngoài nƣớc, tác giả đã kế thừa và tiến hành thực nghiệm sấy với hai phƣơng pháp sấy khơng khí nóng và khơng khí nóng kết hợp hồng ngoại, tại ba mức nhiệt độ sấy là 55, 60 và 65oC nhằm xác định phƣơng pháp sấy phù hợp cho tôm nguyên vỏ. Việc đánh giá xác định phƣơng pháp sấy dựa trên thời gian sấy, chất lƣợng, màu sắc của tôm sau khi sấy.
- Nghiên cứu đã thực nghiệm sấy tôm nguyên vỏ với vận tốc tác nhân sấy là 1 m/s tại từng mức công suất phát bức xạ hồng ngoại 200 W/m2, 400 W/m2, 600 W/m2, 800 W/m2 ứng với các mức nhiệt độ sấy khác nhau là 55, 60, 65o
C.
- Kết quả nghiên cứu đã xác định đƣợc phƣơng pháp sấy khơng khí nóng kết hợp hồng ngoại là phù hợp cho sấy tôm nguyên vỏ với chế độ sấy là nhiệt độ sấy 65oC, vận tốc tác nhân sấy là 1 m/s, cƣờng độ bức xạ hồng ngoại 600 W/m2. Tại chế độ sấy này, thời gian sấy là 4 giờ, tốc độ giảm ẩm trung bình trong quá trình sấy là 14,07 %/h, ẩm độ tôm sau khi sấy là 20%, đáp ứng đƣợc theo TCVN 10734 - 2015.
- Trên cơ sở xác định chế độ sấy phù hợp đã thực nghiệm đề tài đã tính tốn, thiết kế máy sấy khơng khí nóng kết hợp hồng ngoại, năng suất 50 kg/mẻ.
5.2. Kiến nghị.
Phƣơng pháp sấy tơm ngun vỏ bằng khơng khí nóng kết hợp với bức xạ hồng ngoại ở Việt Nam là một phƣơng pháp khá mới. qua phân tích ƣu điểm của sự kết hợp giữa hai phƣơng pháp tơi có đề xuất ý kiến: Nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ tiến tới lắp đặt thiết bị với năng suất 50 kg/mẻ, khả năng tự động hóa cao.
109
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Báo Sài Gịn giải phóng 03/2001, Thủy sản Việt Nam vững tin tiến vào thế kỉ 21 [2] Nguyễn Trọng Cẩn, Đỗ Minh Phụng. Công nghệ chế biến thủy sản – Tập
I-II, NXB Nông nghiệp. 1990
[3]. Nguyễn Trọng Cẩn, Đỗ Minh Phụng, Nguyễn Anh Tuấn . Công nghệ chế biến thực phẩm thủy sản – Tập I, NXB Nông nghiệp. 2006
[4]. Các website. http://www.google.com.vn http://www.tailieu.vn, http://www.kh- sdh.udn.vn http://www.baolaodong.com.vn 02/2005.
[5]. Nguyễn Thị Bích Thủy. Nghiên cứu quá trình sấy một số nguyên liệu nơng sản có độ ẩm cao bằng bức xạ hồng ngoại. Báo cáo kết quả nghiên cứu khoa học cấp Bộ. Trƣờng ĐH Nông lâm Huế. 2001
[6] Di Zhang, Hongwu Ji, Jing Gao Similarity of aroma attributes in hot-air- dried shrimp (Penaeus vannamei) and its different parts using sensory analysis and GC–MS. Food Research International, 137 (2020) 109517
[7] S. Murali, P. R. Amulya, Manoj P. Samuel Design and performance evaluation of solar - LPG hybrid dryer for drying of shrimps. Renewable Energy, 147 (2019) 2417-