Chương 2 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TỐN
2.3. SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TỐN
Q trình sấy thăng hoa gồm hai giai đoạn chính là làm lạnh đơng ngun liệu và sấy thăng hoa nguyên liệu đã lạnh đơng. Đây là các q trình hóa lý phức tạp, vừa chuyền nhiệt lạnh đơng, vừa truyền nhiệt tách ẩm và chuyển pha. Vì thế, phương pháp xác định chế độ sấy thăng hoa cũng phức tạp và được thực hiện theo các bước trong sơ đồ sau:
Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu, đồng thời quan tâm đến các thành phần hóa học là chỉ tiêu quyết định chất lượng của sản phẩm.
Mơ hình hóa và tối ưu hóa, xác lập chế độ cơng nghệ giai đoạn lạnh đông dùng để sấy thăng hoa.
Mơ hình hóa và tối ưu hóa, xác lập thông số công nghệ giai đoạn sấy thăng hoa.
Xác định các thông số nhiệt vật lý cần thiết và mơ tả động học cho q trình sấy thăng hoa.
Xác lập chế độ công nghệ cho máy sấy thăng hoa. Thành phần hóa học
của nguyên liệu
Xác lập chế độ công nghệ giai đoạn
lạnh đông
Xác lập thông số công nghệ giai đoạn
sấy thăng hoa
Xác lập chế độ công nghệ sấy
thăng hoa Xác định thông số
nhiệt vật lý giai đoạn sấy thăng hoa
31 Đạt yêu cầu Sai Sai Sai Sai Sai Sai Sai Đúng Đúng Đúng Ứng dụng công nghệ STH trong bảo
quản các sản phẩm có giá trị kinh tế Phát triển công nghệ sau thu hoạch
Cơng nghệ STH nấm đơng trùng hạ thảo
Phân tích đối tượng STH
Phân hoạch Đối tượng công nghệ thành hai q trình để nghiên cứu đó là q trình lạnh đơng và q trình sấy thăng hoa.
Phân tích các yếu tố đầu vào
- Hệ thống các thiết bị lạnh cấp đông và STH;
- Nguyên liệu;
- Các yếu tố cơng nghệ ảnh hưởng đến q trình lạnh đông và STH.
Xác định các đại lượng đầu ra
Đó là các hàm mục tiêu cần được xác định của quá trình lạnh đơng và q trình STH:
- Chi phí năng lượng của 1kg sản phẩm trong q trình lạnh đơng và q trình STH.
- Tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ lạnh đông của nguyên liệu. Nhiệt độ lạnh đông thích hợp của nấm đơng trùng hạ thảo.
- Độ ẩm của sản phẩm sau sấy thăng hoa.
- Khả năng hoàn nguyên của sản phẩm - Độ tổn thất chất lượng của sản phẩm.
Nghiên cứu chế độ cơng nghệ của q trình lạnh đơng và q trình STH
Cài đặt hệ thống lạnh đơng và hệ thống STH, tiến hành STH sản phẩm
theo quy trình đã xây dựng Đánh giá chất lượng sản phẩm STH Hiệu chỉnh hay đặt lại vấn đề Hiệu chỉnh lại phân hoạch hệ thống Hiệu chỉnh phân tích lại các yếu tố đầu vào Hiệu chỉnh các mục tiêu Hiệu chỉnh các rào cản Kết luận Kh ôn g đạ t y ê u c ầu
Không đạt yêu cầu
Đạt yêu cầu Sản phẩm và bảo quản
STH sản phẩm và đánh giá hiệu quả thẩm định Hiệu chỉnh các tác vụ Hiệu chỉnh quá trình thực hiện Thẩm định khâu đặt vấn đề Thẩm định khâu xác định các mục tiêu Thẩm định khâu xác định các rào cản Thẩm định khâu xác định tác vụ Thẩm định khâu thực hiện Đúng Đúng Thẩm định khâu phân hoạch Thẩm định khâu phân tích các yếu tố đầu vào Đúng
32 Từ các bước nghiên cứu thiết lập hệ thống sấy thăng hoa, ta có thể thiết kế sơ đồ trình tự nghiên cứu và tính tốn một cách chi tiết hơn như trên.
Tuy nhiên, vì các lý do khách quan và giới hạn của môn học mà mục tiêu của đồ án chỉ dừng lại ở bước nghiên cứu chế độ cơng nghệ của q trình lạnh đơng và q trình sấy thăng hoa (phần được đánh dấu bằng nét gạch đứt trong sơ đồ nghiên cứu và tính tốn).
2.4. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ
Hệ thống sấy thăng hoa gồm có 3 loại: hệ thống sấy thăng hoa lạnh đông riêng, hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông và hệ thống sấy thăng hoa liên tục (lạnh đông riêng). Trong ba hệ thống nêu trên, hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông là hệ thống phức tạp nhất, tuy nhiên nó được ứng dụng phổ biến trong thực tế sản xuất. Vì vậy tơi quyết định chọn thiết bị này để nghiên cứu, tính tốn và thiết kế.[1]
Phương pháp chung tính tốn thiết kế hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đông gồm 2 phần:
- Tính tốn, thiết kế hệ thống lạnh đơng sản phẩm ngay trong buồng thăng hoa. - Tính tốn, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa.[1]
Tính tốn, thiết kế hệ thống sấy thăng hoa
Tính tốn nhiệt cho buồng thăng hoa
Để xác định các thông số kỹ thuật cho buồng thăng hoa, cần phải xác định các đại lượng sau đây [1]
- Xác định lượng nước đóng băng của sản phẩm sấy. Thường lượng nước đóng băng phải đạt 100%, lượng nước này sẽ bốc ra khỏi sản phẩm trong quá trình sấy thăng hoa, rồi ngưng tụ lại ở thiết bị ngưng tụ - đóng băng.
- Xác định nhiệt lượng cần thiết trong quá trình sấy thăng hoa lượng nước trong sản phẩm lạnh đơng.
- Xác định diện tích truyền nhiệt trong q trình sấy.
Tính tốn, thiết kế thiết bị ngưng tụ - đóng băng
Nhiệt tỏa ra ở thiết bị ngưng tụ - đóng băng cũng chính là nhiệt tải của hệ thống lạnh chạy cho thiết bị ngưng tụ - đóng băng. Vì vậy khi tính tốn nhiệt cho thiết bị ngưng tụ - đóng băng ta sẽ tính tốn được các thơng số kỹ thuật của hệ thống lạnh chạy cho thiết bị ngưng tụ - đóng băng dựa trên các thuật tốn tính tốn cho hệ thống lạnh đã nêu ở mục 2.4.1.
Để xác định các thông số kỹ thuật cho thiết bị ngưng tụ - đóng băng, cần phải xác định các đại lượng sau [1]
33 - Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị hóa đá
- Xác định thời gian xả đá và thời gian đuổi khí trong buồng thăng hoa.
Tính tốn cho hệ thống chân không
Để xác định các thông số kỹ thuật cho hệ chân khơng, tùy thuộc vào dung tích của buồng thăng hoa hay năng suất sấy mà có thể cho sơ đồ bơm chân không mắc nối tiếp hay song song hoặc chỉ dùng một bơm chân không là đủ. Muốn xác định công suất của bơm chân không trước hết cần xác định các đại lượng sau [1]
- Xác định áp suất chân không của môi trường sấy Pth (mmHg)
- Xác định áp suất giới hạn chân khơng mà bơm có thể tạo ra Pgh (mmHg) - Xác định năng suất hút của bơm chân không
34
Chương 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA VÀ THẢO LUẬN
3.1. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.1.1. Các thơng số cần thiết cho q trình tính tốn
- Năng suất lạnh đơng sản phẩm cũng như năng suất của hệ thống sấy thăng hoa là G2 = 200kg sản phẩm / mẻ.
- Độ ẩm đầu vào của nguyên liệu là W1 = 0,83 = 83% - Độ ẩm đầu ra của sản phẩm là W2 = 0,083 = 8,3% - Hệ thống sử dụng môi chất lạnh là NH3.
- Nhiệt độ môi trường lạnh đông là tf 2 = - 40oC - Hệ thống lạnh sử dụng máy nén hai cấp.
- Hệ thống lắp đặt trong vùng miền khí hậu có nhiệt độ trung bình của mơi trường trong những ngày nóng nhất là 35oC.
2.4.1. Tính tốn cho hệ thống lạnh
Những thông số yêu cầu ban đầu
Dưới đây là những thông số cơ bản ban đầu cần thiết cho việc tính tốn thiết kế, chế tạo hệ thống lạnh cấp đông sản phẩm trước khi sấy thăng hoa:
- Năng suất lạnh đông sản phẩm, cũng như năng suất hệ thống sấy thăng hoa là G (kg/mẻ); hoặc cho biết hiệu suất ngưng ẩm của hệ thống sấy thăng hoa là Gn (kg/mẻ).
- Chọn trước hệ thống sử dụng môi chất lạnh.
- Yêu cầu nhiệt độ môi trường lạnh đông phải đạt ở nhiệt độ tf 2 = (-45 ÷ -40)oC. - Xác lập trước hệ thống sử dụng máy nén một cấp hay hai cấp.
- Hệ thống được lắp đặt trong vùng miền khí hậu có nhiệt độ trung bình của mơi trường trong những ngày nóng nhất của năm là tf 1 = (35 ÷ 45)oC.
- Chọn trước hệ thống có thiết bị ngưng tụ làm mát bằng khơng khí, hay nước, hay vừa nước vừa khơng khí.
- Xác định hệ thống sử dụng chu trình nhiệt động vào việc gì.
Các bước tính tốn, thiết kế hệ thống lạnh đơng.
B1: Xác định thông số kỹ thuật của buồng lạnh đơng (cũng chính là buồng thăng hoa)
B2: Xác định nhiệt tải của q trình lạnh đơng sản phẩm Qmn0 (kW) trước khi sấy thăng hoa.
35 B3: Xây dựng chu trình nhiệt động của hệ thống lạnh.
B4: Xác định năng suất lạnh riêng q0 (kJ/kg) của chu trình và lưu lượng khối lượng mtt (kg/s), lưu lượng thể tích Vtt (m3/s) mơi chất lạnh tuần hồn qua hệ thống lạnh.
B5: Xác định hệ số cấp (năng suất hút) của máy nén 𝜆mn và chọn máy nén.
B5: Xác định công suất nén đoạn nhiệt của máy nén Ns (kW), công suất nén chỉ thị của máy nén Ni (kW), công suất ma sát Nms (kW), công suất hữu ích Ne (kW), cơng suất tiếp điện trên động cơ Nel (kW).
B6: Xác định công suất động cơ chi máy nén Nđc (kW) và chọn động cơ. B7: Xác định các thơng số tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt và các thiết bị phụ.
3.1.2. Tính cân bằng vật chất.
Ta có: G1 = G2 + W
G1(100 – W1) = G2(100 – W2)
Trong đó: G1 : Khối lượng nguyên liệu / mẻ G2 : Khối lượng sản phẩm sau sấy / mẻ W1 : Độ ẩm ban đầu của nguyên liệu W2 : Độ ẩm cuối cùng của sản phẩm.
W : Lượng ẩm thốt ra trong q trình sấy thăng hoa. Lượng ẩm thốt ra trong q trình sấy là:
W = G2 𝑊1− 𝑊2
100− 𝑊1 = 200 83−8.3
100−83 = 878.8235 (kg)
Khối lượng nguyên liệu đầu vào cho một mẻ sấy thăng hoa là: G1 = W + G2 = 878,8235 + 200 = 1078.82 (kg)
Như vậy, ta chọn khối lượng nguyên liệu nấm đông trùng hạ thảo tươi cần đem sấy thăng hoa để thu được 200kg sản phẩm / mẻ là G1 = 1079kg nguyên liệu / mẻ.
3.1.3. Tính cân bằng năng lượng
3.1.4. Tính tốn hệ thống thiết bị sấy thăng hoa tự lạnh đơng
3.1.4.1. Tính tốn, thiết kế hệ thống lạnh đông sản phẩm ngay trong buồng thăng hoa của hệ thống sấy thăng hoa. của hệ thống sấy thăng hoa.
36
Thể tích chứa sản phẩm
Để nấm đơng trùng hạ thảo có thành phần hóa học như bảng 7 khi lạnh đơng ẩm kết tinh hồn tồn thì q trình lạnh đơng tiến hành theo các thơng số cơng nghệ tối ưu sau:
- Năng suất sấy thăng hoa cũng chính là năng suất lạnh đơng là Gsp = 200kg/mẻ. - Thời gian cấp đông theo yêu cầu là: 𝜏 = 1,7h/mẻ = 6120s/mẻ.
- Nhiệt độ buồng lạnh đông là: tf 2 = -40oC
- Nhiệt độ trung bình của sản phẩm sau khi lạnh đơng để nước trong sản phẩm đóng băng hồn tồn là: TFopt = -19oC
- Bề dày sản phẩm trong khay thủy tinh là 12mm
Thành phần hóa học của quả thể nấm đơng trùng hạ thảo được trình bày ở bảng sau:
Bảng 7: Thành phần hóa học của quả thể nấm đông trùng hạ thảo [11] Thành phần Ký hiệu tỷ lệ Hàm lượng (%) Protein Xtp 2 5,4 Glucid Xtp 3 4,52 Lipid Xtp4 1,61 Tro Xtp5 0,53 Nước Xtp 1 83.0 Các hợp chất khác Xtp 6 4,9
Thể tích chứa sản phẩm được tính tốn theo cơng thức sau: Vsp = 𝐺𝑛𝑙
𝜌 = 1079
1004,77 = 1,074 (m3)
Trong đó: Gnl : khối lượng nấm nguyên liệu chứa tối đa trong buồng lạnh đông (kg). Với Gnl = G1
Vsp : thể tích nấm chứa tối đa trong buồng lạnh đơng (m3)
𝜌 : khối lượng riêng trung bình của nấm đơng trùng hạ thảo tươi
chứa trong buồng lạnh đơng (kg/m3).
Thể tích và kích thước buồng sấy thăng hoa
Số khay thủy tinh chứa nấm đông trùng hạ thảo để lạnh đông và sấy thăng hoa
được xác định như sau:
- Chiều dài của khay là: ak = 500mm = 0,5m - Chiều rộng của khay là: bk = 300mm = 0,3m - Chiều cao của khay là: hk = 28mm = 0,028m
37 - Bề dày của lớp vật liệu trong khay là: 𝛿 = 12mm = 0,012m
Thể tích của mỗi khay là:
Vk = ak . bk . hk = 0,5 . 0,3 . 0,028 = 4,2.10-3 (m3) Thể tích nấm trong mỗi khay là:
Vsock = ak . bk . 𝛿 = 0,5 . 0,3 . 0,012 = 1,8.10-3 (m3)
Như vậy, số khay thủy tinh đặt trong buồng lạnh đông hay buồng sấy thăng hoa là:
Nsk = 𝑉𝑠𝑝
𝑉𝑠𝑜𝑐𝑘 = 1,074
1,8.10−3 = 596,67 (khay)
Vậy cần tổng cộng 597 khay để chứa hết 1079kg nguyên liệu đầu vào cho quá trình sấy thăng hoa.
Thể tích khơng gian của Nsk chiếm chỗ trong buồng lạnh đông hay buồng sấy
thăng hoa được xác định như sau:
𝑉𝑁𝑠𝑘 = 597 . 4,2.10-3 = 2,5074 (m3)
Buồng thăng hoa hay buồng lạnh đơng được thiết kế ở dạng hình trụ có đường
kính trong là D1 (m), đường kính ngồi là D2 (m) và chiều dài là L (m) + Chọn chiều dài thân trụ là L1 = 5m
+ Hai nắp buồng sấy là hai chỏm cầu có chiều cao là hc = 0,2m + Vậy chiều dài của buồng sấy thăng hoa hình trụ là:
L = 2hc + L1 = 2.0,2 + 5 = 5,4 (m)
+ Mỗi tấm truyền nhiệt chứa nt = 32 khay thủy tinh. Vì thế để 32 khay lọt lịng trong diện tích của tấm truyền nhiệt khi:
Chiều dài: L1 = 5 m > 8 . 0,5 = 4,0 m Chiều rộng: a > 4.0,3 = 1,2 m (*)
Phải tính tốn chọn a để thỏa điều kiện (*)
+ Số tấm truyền nhiệt trong buồng sấy thăng hoa là:
𝑁𝑡𝑡𝑛 = 𝑁𝑠𝑘
𝑛𝑡 = 597
32 = 18,66 (tấm) cần 19 tấm truyền nhiệt. + Khoảng cách giữa hai tấm truyền nhiệt được xác định như sau:
h = 𝛿1 + 𝛿2 Với 𝛿1 = 22mm = 0,022m (bề dày tấm truyền nhiệt)
𝛿2 = ℎ𝑘 + 12 = 28 + 12 = 40mm = 0,04m Như vậy: h = 0,022 + 0,04 = 0,062 (m)
38 + Tổng chiều cao để bố trí 40 tấm truyền nhiệt là:
∑ ℎ = 𝑁𝑡𝑡𝑛 . h = 19 . 0,062 = 1,178 (m)
Chọn a phải thỏa điều kiện a > 1,2m và a > 1,178m Chọn a = 1,3 m là phù hợp (nếu chọn lớn hơn thì chi phí tăng, cịn nhỏ hơn thì sắp xếp không lọt 25 khay / tấm truyền nhiệt)
+ Đường kính trong của buồng lạnh đơng hay buồng thăng hoa được xác định: D1 = a√2 = 1,3√2 = 3,536 (m)
+ Chọn bề dày của thành buồng sấy thăng hoa là 8mm, nên đường kính ngồi được xác định:
D2 = D1 + 2.0,008 = 3,536 + 2.0,008 = 1,84 (m)
+ Tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt lạnh đơng, cũng như cấp nhiệt thăng hoa:
𝐹𝑑𝑙 = 2L1.a.𝑁𝑡𝑡𝑛 = 2 . 5 . 1,3 . 19 = 247 (m2)
Như vậy, buồng sấy thăng hoa hay buồng lạnh đông sản phẩm được thiết kế theo dạng hình trụ, có kích thước như sau:
- Chiều dài thân hình trụ: L1 = 5m
- Chiều cao của mỗi chỏm cầu: hc = 0,2m - Đường kích trong: D1 = 2R1 = 1,84m - Đường kính ngồi: D2 = 2R2 = 1,856m - Tổng diện tích truyền nhiệt: 𝐹𝑑𝑙 = 247m2.
Tính tốn phụ tải lạnh ( hay năng suất) cho quá trình lạnh đơng sản phẩm trước
khi sấy thăng hoa
Khi tính tốn, lắp đặt hệ thống máy lạnh cho buồng lạnh đông sản phẩm trước khi thăng hoa, phải đảm bảo công suất của hệ thống lạnh sao cho tải hết một lượng nhiệt Q (kW) tỏa ra từ sản phẩm trong q trình lạnh đơng thải ra ngồi mơi trường.
𝑄 = (𝑄𝑠𝑝 + 𝑄𝑘+ 𝑄𝑘𝑘
𝜏 + 𝑄𝑚𝑡+ 𝑄𝑞𝑛) . 𝛽
Trong đó:
𝑄𝑠𝑝 (kJ) : chi phí lạnh của q trình cấp đơng
𝑄𝑘 (kJ) : nhiệt lượng lấy ra từ khuôn (khay)
𝑄𝑘𝑘 (kJ) : nhiệt lượng lấy ra từ làm lạnh khơng khí
𝑄𝑚𝑡 (kW) : nhiệt lượng lấy ra từ môi trường xâm nhập qua vách buồng sấy thăng hoa
39
𝑄𝑞𝑛 (kW) : nhiệt lượng môi trường xâm nhập đường ống làm quá nhiệt hơi về máy nén.
𝜏 (s) : thời gian một mẻ làm đông 𝛽 : hệ số tải an tồn.
Chi phí lạnh của q trình làm đơng sản phẩm
Lượng nhiệt cần tải đi trong suốt q trình làm đơng được tính theo cơng thức sau: Qsp = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 (kJ)
Với:
Q1 (kJ): lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ sản phẩm từ nhiệt độ ban đầu