A. LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ SẤY
1.1. Vật liệu ẩm (sấy) – hành lá
Nhận thấy, khối lượng của chất khí trong hành lá rất nhỏ nên có thể bỏ qua, nên ta quy vật liệu sấy thành hai thành phần chính là chất rắn và chất lỏng thấm ướt
(ẩm). Chất rắn bao gồm các chất dinh dưỡng gọi là vật chất khô tuyệt đối.
ω =
m
m
n
- Độ ẩm ban đầu của nguyên liệu đầu vào là: ω1 = 80%;
- Độ ẩm của vật liệu sau khi kết thúc quá trình sấy là: ω2 = 4%;
- Sơ chế vật liệu sấy: Lá hành cắt ngắn 3 – 5mm;
- Năng suất đầu vào (theo mẻ): G1 = 200kg nguyên liệu/mẻ.
Nước có trong vật liệu ẩm có thể chia thành hai nhóm chính: nước tự do và
nước liên kết. Nếu nước tự do nằm ở bề mặt vật liệu, có áp suất riêng bằng áp suất
hơi nước bão hịa ở cùng nhiệt độ thì nước liên kết tạo ra trên vật liệu ẩm hơi nước, có áp suất riêng nhỏ hơn áp suất bão hòa ở cùng điều kiện nhiệt độ. Do đó, muốn
tách nước ra khỏi vật ẩm cần có năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng liên kết của ẩm với vật ẩm đang xét.
Độ ẩm tương đối (φ, %) là tỷ số giữa lượng hơi nước chứa trong 1m3 khơng
khí ẩm (độ ẩm tuyệt đối) với lượng hơi nước chứa trong 1m3 khơng khí đã bão hịa
ẩm ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất:
*Trong ρ − L đó: + h + ρh + −Á bh + P − p su t h i n Pbh −
Giá trị của φ thay đổi từ 0 đến 1 (0% - 100%). Nếu φ = 0 thì khơng khí đang xét khơ tuyệt đối. Nhận thấy, nếu khơng khí ẩm đi vào buồng sấy có φ càng nhỏ thì
khả năng sấy của tác nhân sấy này càng tốt và ngược lại.
Vì vậy, miền Bắc có khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa với mùa đơng lạnh ít mưa, mùa hạ nóng mưa nhiều với độ ẩm quanh năm tương đối cao, đặc biệt vào thời điểm cuối mùa xuân khoảng từ tháng 2 đến tháng 4 sẽ ảnh hưởng lớn đến quá trình sấy.
Lựa chọn địa điểm là THÀNH PHỐ HÀ NỘI với hành lá là sản phẩm nông sản được trồng quanh năm, chúng ta chọn nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy là GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH của cả năm để thuận lợi cho việc tính tốn đảm bảo năng suất trung bình của cả năm và tiết kiệm chi phí thiết kế nhất:
- Nhiệt độ khơng khí ẩm: t0 = 25°C;
- Độ ẩm của khơng khí ẩm: φ0 = 80%.
Hàm ẩm của khơng khí ẩm (x, g/kg) là lượng hơi nước chứa trong 1 kg khơng
khí khơ (hay cịn gọi là độ chứa ẩm):
x =
Nhiệt hàm (entanpi) của khơng khí ẩm (I, J/kg) bằng tổng nhiệt hàm của
khơng khí khơ và nhiệt hàm của hơi nước trong hỗn hợp đó:
i k = Ck. t = 1,004. t
i
h
= r
*Trong đó:
+ ik, ih – entanpi của khơng khí khơ, hơi nước, kJ/kg;
+ t – nhiệt độ khơng khí ẩm, °C;
+ rh – nhiệt hóa hơi của nước, kJ/kg;
+ Ck, Ch – nhiệt dung riêng của khơng khí khơ, hơi nước, kJ/kg.độ.
1.1.2. Đồ thị I – d của khơng khí ẩm
Trong kĩ thuật sấy, đồ thị I – d rất quan trọng, nó sử dụng để tính tốn q trình sấy, bao gồm:
1. Xác định các tiêu hao khơng khí;
2. Xác định tiêu hao nhiệt;
3. Xác định các thông số của khơng khí ẩm trong buồng sấy.
Từ đó, chúng ta sẽ xác định được các chế độ làm việc của thiết bị!
Đồ thị I – d biểu thị mối quan hệ của các đại lượng t, φ, I, d (hay x) và Pbh của khơng khí ẩm. Khi biết 02 thơng số bất kì ta sẽ xác định được tất cả các thơng số cịn lại của khơng khí ẩm. Đồ thị I – d phụ thuộc vào áp suất khí quyển (đồ thị được xây dựng ở áp xuất 745mmHg và 760mmHg) nhưng nếu áp suất thay đổi trong khoảng 20mmHg thì sự thay đổi đó khơng đáng kể. Từ đó, có thể bỏ qua được sự
thay đổi áp suất khi có sự ảnh hưởng của thời tiết ở thành phố Hà Nội.
1.2. Lựa chọn calorifer
Sử dụng bộ trao đổi nhiệt calorifer để đốt nóng khơng khí. Và đối với hệ thống sấy buồng này, chúng ta sử dụng CALORIDFER KHÍ - HƠI (sử dụng nguồn nhiệt là hơi nóng đi trong ống trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho khơng khí ẩm trước khi đi vào buồng sấy để sấy nguyên liệu bên trong buồng).
Thông thường, ở Việt Nam, các thơng số của hơi nóng trong hệ thống sấy là: P = 5 bar;
SINH VIÊN: MAI NGỌC THÁI CHÂU – MSSV:
Khi sử dụng loại calorifer khí – hơi với hơi nước là môi chất dẫn nhiệt bên trong nên dễ điều chỉnh các thông số về lưu lượng, áp suất, nhiệt độ bên trong dẫn đến việc điều khiển và đo lường toàn bộ hệ thống sấy trở nên dễ dàng hơn. Song, bên cạnh đó, doanh nghiệp sẽ phải mất thêm chi phí đầu tư lị hơi, chi phí cung cấp nước và các biện pháp xử lý nước cho lò hơi.
1.3. Lựa chọn thời τgian sấy
Thời gian sấy: – đây là thông số quan trọng để thiết kế hệ thống sấy.
Giai đoạn thứ nhất của q trình sấy có tốc độ sấy khơng đổi, nên nó cịn được gọi là giai đoạn sấy tốc độ không đổi. Đối với lại vật liệu sấy là lá hành – vật liệu có kích thước mỏng thì giai đoạn đầu – giai đoạn vật sấy bị đơt nóng rất ngắn, ta có thể xem như giai đoạn sấy thứ nhất bắt đầu từ khi
chuyển sang giai đoạn thứ hai, đường cong sấy sẽ
(uc). Như vậy, tổng của hai giai đoạn sấy:
Việc lựa chọn thời gian sấy phụ
Nên đối với mỗi loại vật liệu sấy, ta tiến hành sấy thí nghiệm ở chế độ thích hợp để xác định được thời gian sấy.
THỜI GIAN SẤY hành lá phù hợp là: = 3h.
Sau khi tìm hiểu các quy trình sấy hành lá hiện nay, chúng ta chọn TỔNG
1.4. Lựa chọn chế độ trao đổi nhiệt - ẩm:
Với quá trình sấy hành lá, ta lựa chọn chế độ “Đối lưu cưỡng bức và
khơng hồi lưu khí thải”
Đối lưu nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt được thực hiện nhờ sự chuyển động của chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau hoặc sự truyền nhiệt từ một hệ rắn sang một hệ lỏng (hoặc khí) và ngược lại.
Đối lưu cưỡng bức là có dịng chuyển động do sự tác động của ngoại lực như sử dụng các thiết bị như bơm quạt,…
1.5. Nhiệt độ và vận tốc của tác nhân sấy (TNS)
+ Nhiệt độ TNS trước khi vào calorifer: + Nhiệt độ TNS sau khi ra khỏi calorifer: + Nhiệt độ TNS sau khi kết thúc quá trình sấy:
B.TÍNH TỐN NHIỆT Q TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT
1.6. Mục đích tính tốn
Tính tốn nhiệt có mục đích xác định:
+ Tiêu hao khơng khí dùng cho q trình sấy L (kg/h).
+ Tiêu hao nhiệt Q (kJ/h).
Từ đó trên cơ sở tính tốn nhiệt, xác định được kích thước cơ bản của thiết bị, hiệu suất sử dụng nhiệt và hiệu suất sử dụng năng lượng của hệ thống cũng như tiêu hao riêng nhiệt của buồng sấy và toàn bộ hệ thống sấy.
1.7. Tính tốn lượng ẩm bốc hơi
Ta có: khối lượng chất chất khơ tuyệt đối trong vật sấy là khơng đổi thì khối lượng giảm đi sau sấy chính là lượngW nước=G bay− Ghơi đi:
1 2
Trong đó:
- G1, G2 – khối lượng của vật liệu sấy trước và sau sấy.
- G1 = 200kg.
Cơng thức tính khối lượng của vật sấy bằng tổng khối lượng khô và hơi nước:
-Xét tỷ lệ:
-
Khối l ượng vật liệ u kế t t húc quá trình sấy:
G G . 1 1 200. 1 0,8 125 41, 67 (kg)
2 11 2 1 0,04 3
- Sau một mẻ sấy, 200kg hành lá bốc hơi lượng nước là:
W G G 475
152, 33 (kg nước)
1 2 3
- Trong 1h, lượng ẩm cần phải bay hơi là:
SINH VIÊN: MAI NGỌC THÁI CHÂU – MSSV:
Đồ thị I – d cho q trình sấy lý thuyết khơng hồi lưu khí thải.
Điểm A là trạng thái ban đầu của khơng khí ứng với các thơng số nhiệt độ là 25°C và độ ẩm là 80% (trước khi đi vào calorifer). Bên cạnh đó, ta đã lựa chọn được
nhiệt độ sấy (nhiệt độ vào buồng sấy) là 75°C. Trên đường d0 = d1 (trong phần
thuyết minh là x0 và x1) ta sẽ xác định được điểm B (t1;d1) trên đồ thị là điểm đặc
trưng cho trạng thái khơng khí trước khi vào thiết bị sấy (sau khi đi qua calorifer).
Trong sấy lí thuyết thì ta có I1 = I2, nên ta xác định điểm C (t2; d2) trên đồ thị
là trạng thái khơng khí đi ra khỏi thiết bị sấy. Với việc lựa chọn t2 = 45°C ta sẽ xác
định được d2 (ứng với giá trị x2 trong phần tính tốn bên dưới) và từ đó suy ra được
tọa độ điểm C. Khi xác định được 03 điểm A, B, C ta đã xác định được đường sấy lý thuyết.
1.8. Tính tốn trạng thái khơng khí trước khi đi vào Caloriphe (khơng khí ẩm)
Các thơng số trạng thái khơng khí trước khi đi vào Caloriphe (A):
o o
Nhiệt độ: t0 = 25°C;
Độ ẩm: φ0 = 80%;
o Áp suất: P = 745 mmHg = 0.9933 (bar).
(Lựa chọn các giá trị trên ở khu vực thủ đô Hà Nội và lấy giá trị trung bình năm do hành lá là sản phẩm thu hoạch quanh năm)
SINH VIÊN: MAI NGỌC THÁI CHÂU – MSSV:
- Hàm ẩm của khơng khí ở trạng thái A:
P
(Cơng thức 1.10 trang 16, Thiết kế hệ thống sấy).
- Nhiệt hàm của khơng khí ở
trạng thái A: Xét các thơng số cần biết sau:
• Ck = 1,004 (kJ/kg) – nhiệt dung riêng của khơng khí khơ;
• iC h== 1C.842.t=(kJ/kg)1,004.–25nhiệt=25,1dung(kJ/kg)riêngcủa hơi nước;
• ik = r k + C . t = 2500 + 1,842.25 =; 2546,05 (kJ/kg)
•hhh.
Cơng→thứcI=tínhi+tốn. ivà=kết25,1quả:+ 0.016.2546,05 = 66,412 (kJ/kg)
0 k 0 h
(Công thức 1.13 trang 17, Thiết kế hệ thống sấy).
- Khối lượng riêng của Pkhơng−φ khí.P ở trạng thái A:
ρk0 = 287. (2730 +bh −t0) . 105 = 1,132 (kg/m3)
0
1.9. Tính tốn trạng thái khơng khí sau khi đi qua Caloriphe (B)
Khơng khí bên ngồi trời được đưa vào hệ thống nhờ quạt, không đi qua
caloriphe nhận nhiệt và được đốt nóng đẳng ẩm (độ ẩm không thay đổi: x0 = x1) đạt
trạng thái B với nhiệt độ t1 (nhiệt độ cao nhất của tác nhân sấy) và hàm ẩm x1.
Các thông số cần đạt được ở trạng thái B:
o Hàm ẩm:
o Nhiệt độ:
Việc lựa chọn nhiệt độ sấy như trên để hành được khô từ từ, tránh để nhiệt độ q cao vì nó có thể làm mất đi màu xanh của hành, giảm đi giá trị thương phẩm của
SINH VIÊN: MAI NGỌC THÁI CHÂU – MSSV:
-
φ1 = 1
Độ chứa ẩm tương đối của khơng khí (φ ):
- Khốix . P
1 P − φ1. Pbh−1
ρk =
lượng riêng của khơng khí:
1.10. Tính tốn trạng thái khơng khí cuối q trình sấy (C)
Ta có: Entanpy của khơng khí ở trạng thái này bằng với entanpy của khơng
khí bên trong buồng sấy: I2 = I1 = 118,106 (kJ/kg).
Kết thúc quá trình sấy, chúng ta mong muốn nhiệt độ của tác nhân sấy đi ra
khỏi buồng sấy là: t2 = 45°C.
x2 =
- Hàm ẩm của khơng khí (x2):
Áp suất
-
Độ chứa ẩm tương đối của
-
φ2 =
SINH VIÊN: MAI NGỌC THÁI CHÂU – MSSV:
- Lưu lượng củaL tác nhân sấy là: 4395,033
Vtb = 0,5. (ρk1h+ ρk ) = 0,5. (0,969 + 1,132) = 4372,412 (m3/h)
1 2
Suy ra, lưu lượng trung bình của tác nhân sấy: 1,21 m3/s.
Đổi đơn vị tính tốn: 1Pa = 1 N/m2 = 0,981 kg/m.s2 = 10-5 bar.
Suy ra, 745 mmHg = 97442,73 kg/m.s2; 0,032 bar = 3139,2 kg/m.s2; 0,38 bar
= 37278 kg/m.s2; 0,095 bar = 9319,5 kg/m.s2.
qua calorifer là: VB =
Thể tích của khơng khí ẩm chứa 1 kg khơng khí khơ (kkk) của TNS sau khi đi
lưu lượng của TNS sau khi đi ra khỏi calorifer là: 4623,575 (m3/h).
Thể tích của khơng khí ẩm chứa 1 kgkkk của TNS sau khi đi ra khỏi buồng
1.12. Tính tốn giá trị q0:
sấy là VC = 0,979 m3/kgkkk. Như vậy, lưu lượng của TNS là: 4303,249 (m3/h).
Tiêu hao nhiệt lượng
q
0
= .
Tiêu hao nhiệt trong q trình sấy (tính trong một giờ): BẢNG THỐNG KÊ CÁC THƠNG SỐ CỦA Q TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT VỚI
*Bảng 2: Các thông số lý thuyết của 03 trạng thái khơng khí trong q trình sấy:
Điểm
A B C
CHƯƠNG 2: XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CỦA THIẾT BỊ SẤY (KHAY SẤY, XE GOONG, BUỒNG SẤY, THIẾT BỊ)
1.1. Các thông số đã biết
Ở các bước tính tốn trước đã xác định đượcV các thơng số sau:
Lưu lượng môi chất qua thiết bị: tb (m3/h); Công suất thiếtτbị: Q0 (kJ/h);
Thời gian sấy: (h).
Từ đó, ta xác định các kích thước cơ bản của thiết bị sấy buồng bao gồm:
Chiều dài L (m); Chiều rộng B (m); Chiều cao H (m); Tiết diện buồng F (m2).
1.2. Vật liệu và xác định các thông số cơ bản của khay sấy
1.2.1. Tổng quan về vật liệu làm khay sấy – Inox 310S
Inox 310 là thép khơng gỉ Austenit Carbon trung bình, dành cho các ứng dụng nhiệt độ cao như bộ phận lò và thiết bị xử lý nhiệt. Inox 310S là phiên bản với hàm lượng Carbon thấp hơn so với Inox 310. Hiện nay, SUS 310S được sản xuất nhiều hơn SUS 310.
*Tính chất cơ học của Inox 310S được đưa ra trong bảng sau:
Tính chất cơ học
Tensile Strength MPa (min) – Sức căng: Elongation % (min) – Độ giãn:
Hardness (HV) (max) – Độ cứng:
*Tính chất vật lý của Inox 310S được chỉ định cho sản phẩm cán phẳng trong tiêu chuẩn ASTM A240/A240M được đưa ra trong bảng sau:
Tính chất vật lý
Khối lượng riêng – Density (kg/m3):
Hệ số giãn nở nhiệt – Mean Coefficient of Thermal Expansion (μm/m/°C) đối với khoảng nhiệt độ 0°C - 100°C
Nhiệt dung riêng – Specific Heat đối với khoảng nhiệt độ 0°C - 100°C (J/kg.K)
SINH VIÊN: MAI NGỌC THÁI CHÂU – MSSV:
Để tăng hiệu suất sấy và giảm bớt khối lượng của khay đựng sẽ thiết kế khay sấy với phần đáy khay được đục các lỗ với đường kính bằng nhau (d = 2mm). Các lỗ được sắp xếp so le nhau (theo mơ tả ở hình dưới):
1.2.2. Kích thước cơ bản của khay sấy
Chúng ta chọn kích thước mỗi khay với các thơng số như sau để thuận tiện cho việc vận chuyển dễ dàng cũng như tốn ít chi phí nhân cơng:
+ Chiều dài Lkhay
+ Chiều rộng Bkhay
+ Chiều cao Hkhay
+ Chiều dày thành khay/đáy khay + Đường kính lỗ:
Với các thơng số khay sấy trên, ta tính tốn được khối lượng của khay sấy (có đục lỗ ở đáy khay) là
khay sấy
1.3. Tính số lượng m
-Tổng thể tích lý thuyết của 200kg hành lá là: Vlt = m
ρ
Do hành lá cắt nhỏ ra sẽ khơng xếp khít với nhau mà được rải lên trên khay
sấy nên tổng thể tích thực thế của 200kg hành lá là: Vtt = 0,83m3 (đã bao gồm phần
thể tích rỗng bên trong lá hành).
- Thể tích của mỗi khay theo thơng số lên là:
- Với chiều dày lớp vật liệu ở mỗi khay là 30mm và số lượng khay như trên Mhành lá = 80 = 2,5
(kg)thìkhốilượngvậtliệutrênmỗikhay:200
Tổng khối lượng khay sấy (đã chứa vật liệu):
Mtổng = 7,28 (kg)
1.4.
Vật liệu và tính tốn các thơng số của xe goong
Mác thép CT3 là loại mác thép của Nga được sản xuất theo tiêu chuẩn: ГOCT 380 – 89. Thép CT3 là một loại thép Carbon, chúng được ứng dụng rộng rãi trong cơng nghiệp bởi tính chất thép có độ cứng, độ bền kéo và khả năng chịu nhiệt phù hợp cho gia công thiết bị, gia cơng mặt bích, gia cơng bản mã,…
Tính chất của Inox CT3 được thể hiện ở bảng sau:
Tính chất
Khối lượng riêng (kg/m3):
Nhiệt dung riêng (J/kg.K):
Khối lượng của 1m vật liệu (kg/m):
* Tính tốn số lượng xe goong:
- SỐ LƯỢNG KHAY SẤY TRÊN MỘT XE GOONG: 20 (khay/xe).
- SỐ LƯỢNG XE GOONG TRONG THIẾT BỊ: 04 (xe goong).
* Cấu tạo của 01 xe goong bao gồm:
+ 08 hộp thép CT3 làm khung làm khung xe goong với bề dày là 1mm và
kích thước hộp thép là 25mm x 50mm với khối lượng 1m hộp thép loại này là 5,43kg.
+ 20 thanh thép chữ L làm giá đỡ cho khay sấy được hàn bởi 02 thanh thép
có kích thước 905mm x 30mm x 3mm.
+ Trên một mặt phẳng có 02 khay sấy và giá đỡ khay được hàn vào chiều dài
của xe goong, khoảng cách từ thanh thép chữ L dưới cùng đến khung xe là 60mm; khoảng cách từ khay sấy trên cùng đến khung xe là 60mm.
Các kích thước cơ bản của xe goong (khung xe):
+ Chiều dài xe: Lx = 905 (mm);
+ Chiều rộng xe: Bx = 960 (mm);