Hệ thống hấp bằng hơi nước từ nồi hấp sử dụng năng lượng điện

 Nguyên lý hoạt động:

Bột từ hệ thống cấp bột qua máng dẫn đổ xuống băng tải sẽ được kéo thành màng bột mỏng, được băng tải hấp(1) kéo vào khoang hấp (2), khoang hấp thực chất là khoang chứa hơi bảo hoà có nhiệt độ khoảng 100oc được tạo nên bởi lượng nước được nấu sôi bởi các thanh điện trở, tại đây màng bột nhận nhiệt của hơi nước bảo hoà trong khoảng thời gian nhất định và được làm chín, băng tải chuyển động với tốc độ ổn định phụ thuộc vào thời gian hấp và chiều dài nồi hấp. Truyền động cho băng tải là động cơ điện (1) thông qua hộp giảm tốc, bộ truyền đai răng(5), tang dẫn(6), tang đuôi(7).

Phương án hấp dùng tủ hấp có hơi cấp từ nồi hơi nhỏ

Ưu điểm:

- Lượng hơi và nhiệt độ hơi cấp ổn định.

- Do có lị hơi riêng nên dễ dàng nâng công suất hơi.

- Năng suất hấp cao có thể mở rộng.

Nhược điểm:

- Do có nồi hơi riêng cơng suất vừa nên giá thành cao. - Kết cấu chiếm nhiều diện tích mặt bằng.

- Tốn chi phí vận hành và bảo dưỡng thiết bị. - Dễ gây ô nhiễm môi trường.

Phương án hấp bằng hơi nước từ nồi hấp sử dụng năng lượng điện

Ưu điểm:

- Đơn giản dễ chế tạo.

- Giá thành thấp.

- Dễ vận hành sử dụng.

- Đáp ứng tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm.

Nhược điểm:

- Lượng hơi tiêu tốn trên đơn vị vật liệu khá cao. - Khó mở rộng hoặc cải tiến cho mục đích khác.  Đánh giá lựa chọn phương án thiết kế:

Qua phân tích đánh giá ưu, nhược điểm của hai phương án giới thiệu trên ta chọn phương án hấp bằng hơi nước từ nồi hấp sử dụng năng lượng điện vì:

- Đơn giản dễ chế tạo.

- Giá thành thấp.

Dễ vận hành sử dụng.

- Đáp ứng tiêu chuẩn an toàn vệ sinh thực phẩm.

Vật liệu làm nồi hấp chín bột phải chịu được nhiệt độ cao (dưới 150oC), không bị gỉ sét qua thời gian, chịu được nước và an toàn vệ sinh thực phẩm. Từ những yêu cầu đó, nhóm chọn vật liệu inox 304 để làm nồi hấp.

Nồi hấp phải giữ được nhiệt, tránh thất thoát nhiệt ra bên ngoài. Nắp nồi hấp phải đóng mở dễ dàng để tiện việc vệ sinh bên trong. Từ những yêu cầu đó, nhóm thiết kế nồi hấp thành hai phần đó là khoang hấp và nắp khoang hấp.

 Phần khoang hấp:

- Làm bằng vật liệu thép tấm dày 1,5mm khơng rỉ ( inox 304).

- Kích thước: cao 80mm, rộng 500mm, dài 2500mm.

- Gia công bằng phương pháp dập, kết hợp hàn TIG.

Hình 4.4gc: Khoang hấp  Phần nắp khoang hấp:

- Làm bằng vật liệu thép tấm dày 1,5mm không rỉ ( inox 304).

- Kích thước: cao 155mm, rộng 500mm, dài 2500mm.

Hình 4.4h: Nắp khoang hấp

4.5 Cơ cấu cắt bánh

 Chế tạo dao cắt:

Khi mảng bánh phở đi qua băng tải lưới inox sẽ qua bộ phận cắt, kích thước sợi phở phụ thuộc vào khoảng cách giữa 2 đỉnh răng cắt.

Dao cắt bằng nhơm:

Hình 4.5a: Bản vẽ dao cắt bằng nhơm Ưu điểm: Cắt chính xác, vết cắt đẹp. Ưu điểm: Cắt chính xác, vết cắt đẹp.

Nhược điểm: Giá thành để làm dao cắt khá cao.

Dao cắt bằng mica:

Gồm 4 phần: Lưỡi cắt, vịng lót trong và vịng bao. Lưỡi cắt: gồm 53 lưỡi cắt kích thước 4x4x390

Hình 4.5b: Lưỡi cắt mica

Hình 4.5c: Vịng lót trong Hình 4.5d: Vịng bao

Lắp ráp:

Hình 4.5e: Lắp ráp dao cắt. Ưu điểm: bánh cắt đạt yêu cầu đề ra, giá thành rẻ Ưu điểm: bánh cắt đạt yêu cầu đề ra, giá thành rẻ

Nhươc điểm: Vết cắt khơng đẹp, phải có miếng đỡ trợ lực, dao dễ gãy.  Lựa chọn phương án:

Sau khi xét ưu nhược điểm của từng phương án, nhóm đã chọn phương án dao cắt bằng mica vì sợi phở cắt ra vẫn đạt yêu cầu và giá trình rẻ hơn rất nhiều so với dao cắt băng nhơm.

4.6 Giải pháp điều khiển điện:

Máy có sử dụng các thiết bị tiêu tốn nhiều năng lượng như: động cơ điện dung để kéo băng tải và 4 điện trở gia nhiệt, nhưng để phù hợp với điều kiện hộ gia đình, máy phải sử dụng dịng điện 1 pha nên các thiết bị điện sử dụng phải đáp ứng yêu cầu này.

Máy làm sợi Phở là một hệ thống hoạt động độc lập và hoàn toàn tự động nên đòi hỏi phải sử dụng ứng dụng của vi điều khiển. Bộ điều khiển hoạt động ở điện áp 5VDC trong

khi đó các thiết bị cần điều khiển như máy bơm nước, động cơ kéo, điện trở nhiệt hoạt

động ở nguồn điện lưới 220VAC. Để điều khiển được các thiết bị này, nhóm đã sử dụng

thiết bị trung gian là rơ le 5VDC-220VAC.

4.7 Giải thuật lập trình:

Sơ đồ khối của tồn bộ hệ thống:

4.8 Trình tự cơng việc thực hiện:

STT CÔNG VIỆC THỜI GIAN

1 Chế tạo khung máy 2 Chế tạo nồi hấp 3 Chế tạo trục băng tải 4 Chế tạo bánh răng 5 Chế tạo băng tải hấp

6 Lắp đặt nồi hấp và chạy thử nghiệm, chỉnh sửa 7 Chế tạo băng tải làm nguội

8 Lắp đặt bộ phận làm nguội và chạy thử 9 Chế tạo bộ phận cấp bột

10 Chế tạo bộ phận cắt bánh

11 Lắp đặt hệ thống điện-điều khiển 12 Lập trình

13 Chạy thử nghiệm, đánh giá kết quả và chỉnh sửa Bảng 4.8: Trình tự cơng việc thực hiện.

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 5.1 Tính tốn kích thước nồi hấp: 5.1 Tính tốn kích thước nồi hấp:

5.1.1 Tính tốn chiều dài nồi hấp:

Chiều dài nồi hấp được tính theo cơng thức sau: L=V.t (mét) Trong đó:

L: chiều dài nồi hấp. V: vận tốc băng tải.

t: thời gian hấp bột thành bánh phở. Vận tốc băng tải được tính theo cơng thức :

2 2 3600. . . t b G v b   , (m/s) Trong đó :

G2: Năng suất đầu ra của máy trong 1 giờ. b: Chiều rộng của bánh trên băng.

δ: Chiều dày của bánh phở trên băng. Với: G2 = 100kg/h, b = 0,2 m, δ = 0,001 m

ρb2: Khối lượng riêng bánh phở thành phẩm, kg/m3

ρb2 = ρb.(1 – ωb) + ρn.ωb, [kg/m3] ωb: Độ ẩm cuối của bánh phở, ωb = 40%

ρb: Khối lượng riêng của bột khô, ρb =950kg/m3

ρn: Khối lượng riêng của nước, ρn = 1000kg/m3 Suy ra: ρb2 = 950.(1 – 0,4)+1000.0,4= 970kg/m3 Vậy:

= 100

3600.0,2.0,001.970= 0.143 /

Hấp bằng hơi nước bão hoà ở nhiệt độ 100oC thời gian hấp là : t = 16s Vậy chiều dài hấp L: L= 0,143.16 = 2,288 m

5.1.2 Tính tốn chiều rộng nồi hấp:

Chiều rộng nồi hấp được xác định bằng công thức: B = Bt +2.c (m) Trong đó :

Bt : Chiều rộng băng tải hấp (m). Bt = b + 2.a

2. ( )

t

B  b a m

Với: b = 0,2m là bề rộng của bánh trên băng.

a = 0,13m là khoảng cách từ mép bánh đến mép băng tải. Bt = 0,2 + 2.0,13 = 0,46m

c: Khoảng cách giữa mép băng tải tới biên nồi hấp, nơi hơi nước bốc lên trên bang tải. c = 0,02 (Chọn). Vậy: B= 0,46 + 2.0,02 = 0,5m. 5.2 Tính tốn và chọn băng tải: a. Băng tải hấp

Do yêu cầu của nguyên vật liệu hấp nên ta chọn băng vải, băng vải vừa có nhiệm vụ vận chuyển và vừa có nhiệm vụ hấp. Mặt khác vật liệu vận chuyển có dạng bảng mỏng nên chọn băng vải có dạng phẳng, trơn.

Hình 5.2a. Kết cấu băng tải

Hình 5.2b.Sơ đồ tính tốn băng tải vải

Hệ số cản chuyển động của băng: = 0,022 Đường kính con lăn:

D1=d2=110mm

Khối lượng phần quay của 2 con lăn có tải: Gct=10kg

Khoảng cách giữa hai con lăn có tải: Lct=3m

Tải trọng trên một đơn vị chiều dài do khối lượng phần quay của các con lăn ở nhánh có tải 10 3, 3( / ) 3 ct ct ct G q kg m l   

Tải trọng trên 1 đơn vị chiều dài băng

qb= 1,1.B.δ (kg/m) (trong đó B là bề rộng băng = 380mm, δ chiều dày băng = 0.2mm)  qb = 1,1.0.38.0.2.10-3 = 8,36.10-5(kg/m)

Tải trọng trên một đơn vị chiều dài do khối lượng phần quay của các con lăn ở nhánh có tải 10 3, 3( / ) 3 ct ct ct G q kg m l   

Tải trọng trên một đơn vị chiều dài do khối lượng phần quay của các con lăn ở nhánh không tải 10 3, 08( / ) 3, 25 kt kt kt G q kg m l   

 Bắt đầu tính tại điểm 1. Ta có S1 nhỏ nhất, lực căng tại nhánh ra của tang dẫn

động

 Lực cản băng đổi hướng đoạn 1-2:

1 2 ( b kt). 1 2. b.

W  q q L q H

qb: trọng lượng băng trên một mét dài, (kg/m)

qkt : trọng lượng phần quay của con lăn ở nhánh khơng tải Trong đó: = 0,022 qb = 8,36.10^-5 (kg/m) qkt = 3,08 (kg/m) L1-2= 1 (m) H = 0,35 (m)  W1-2= (8,36.10^-5 + 3,08) 1.0,022 – 8,36.10^-5.0,35=0,067(kg)  Lực kéo ở điểm 2

S2 = S1 + W1-2 + Wtg

Wtg = 2,7.qv.B= 2,7.0,6.0,38=0.62 (kg)

( qv ): trọng lượng bánh trên một mét băng khơng tải

thể tích bánh trên 1 m vải là: 1. 0,4.0,2.10^-3= 8.10^-5 ( m3)

thực tế căn cứ 1 lít bột nặng 1,5 kg, nên 0,4 lít bột nặng 0,6 kg. qv = 0,6

S2 = S1+W1-2 + Wtg = S1 +0,067 + 0,62= S1 + 0,687 (kg)

 Lực cản trên đoạn 2-3

W2-3= 0,07. S2= 0,07.(S1 +0,687)= 0,07S1 + 0,05 (kg)

 Lực kéo tại điểm số 3 :

S3= S2 + W2-3 =( S1+ 0,687) + (0,07S1+ 0,05)=1,07S1+ 0,737 (kg)

 Lực cản băng đổi hướng 3-4

3 4 ( b kt). 3 4. b. W  q q L q H Trong đó: = 0,022 qb = 7,6.10^-5 (kg/m) qkt = 3,08 (kg/m) L3-4 = 1,85 (m) H = 0(m) => W3-4 =(7,6.10^-5 + 3,08).1,85.0,022=0,125 (kg)

S4 = S3 + W3-4 = 1,07S1+ 0,737+ 0,125=1,07S1 + 0,862 (kg)

 Lực cản tại điểm 4-5

W4-5 =0,07. S4 =0,07.( 1,07S1 + 0,862)= 0,075S1 + 0,06 (kg)

 Lực kéo tại điểm 5:

S5 = S4 + W4-5 =(1,07S1 + 0,862) + (0,075S1 + 0,06)= 1,145S1 + 0,922 (kg)

 Lực cản băng đổi hướng tại điểm 5-6

( ). . .

= 0,022 qb = 7,6.10^-5 (kg/m) qkt = 3,08 (kg/m) L5-6 = 0,4 (m) H = 0,35(m) => W5-6=(7,6.10^-5+3,08).0,4.0.022-(7,6.10^-5.0,35)=0,02 (kg)

 Lực kéo tại điểm 6

S6=S5+W5-6=1,145S1 + 0,922 +0,27=1,145S1 + 1,192(kg)

 Lực cản tại điểm 6-7

W6-7=0,07.S6=0,07(1,145S1 + 1,192)=0.08S1+ 0,083(kg)

 Lực kéo tại điểm7:

S7=S6 + W6-7=1,145S1 + 1,192 +0.08S1+ 0,083=1,225S1 + 1,275(kg)

7 8 ( b ct). 7 8. b. W  q q L q H Trong đó: = 0,022 qb = 7,6.10-5 (kg/m) qct = 3,3 (kg/m) L7-8 = 3 (m) H = 0(m) W7-8=(7,6.10^-5 + 3,3).3.0,022 – 0 = 0,218(kg)

 Lực kéo tại điểm 8:

S8=S7 + W7-8=1,225S1 + 1,275+0,218=1,225S1 + 1,443(kg)

Ta có: S8 = Svào; S1 = Sra

S10 = S1. , tra bảng sách kỹ thuật nâng chuyển tập 2, ta lấy : = 2100, f = 0,2 ; = 2,08 ( kỹ thuật nâng)

2,08S1 = 1,225S1 + 1,443  S1 = 1,68(kg)

 S2 = 2,367(kg)  S3 =2,534(kg)

 S6 = 3,1156 (kg)  S7 =3,3333(kg)  S8 =3,501 (kg)

Hình 5.2c. Biểu đồ lực kéo căng băng tải vải.

Xác định lực kéo: lực cản của tang đãn động khơng tính đến cản trong ổ trục xác định theo công thức:

Wdđ = 0,03(S8 + S1) = 0,03.(3,501+1,68) = 0,155( kg)

Lực kéo theo công thức

Wt= S8 - S1 + Wdđ = 3,501– 1,68 + 0,155 = 1,976(kg)

Công suất cần thiết của động cơ theo cơng thức N= ×

×ƞ ×ƞ ⌃ = , × ,

× , × , ⌃ =1,7.10-3 kw = 0,94 hiệu suất giảm tốc

Ƞkh = 0,95 hiệu suất ở các khớp nối Số vòng quay của tang trong một phút: N= .

. . = . ,

Trong đó:

v = 0,143 (m/s) vận tốc của bộ phận kéo D (m) đường kính của tang, D = 0,11m K = 0.98 ÷0,99 hệ số trượt

Chọn động cơ có số vịng quay trên phút là 1460 vịng/phút. Khi đó tỷ số truyền của bộ dẫn động: i = = 58,4 Vậy ta chọn hộp giảm tốc có i = 60. 5.3 Tính tốn và chọn động cơ:  Động cơ khuấy bột. Hình 5.3. Kích thước cánh khuấy Có số vịng quay : n = 20v/p ( chọn trước)

Giả sử chất bột hồ chiếm 0,75 thể tích bình chứa . Chiều cao cột lỏng : H1 = 0,75.H = 0,75.0,65 = 0,5m Xác định đường kính cánh khuấy:

2 . . Re b n d    Trong đó:

: khối lượng riêng của bột lỏng,[kg/m3]. Mà bột lỏng có thành phần khối lượng

nước là bột = 80% tương ứng  = 990kg/m3 n: số vịng quay (vịng/phút) d: đường kính cánh khuấy (m) : Độ nhớt động học của bột lỏng, [Ns/m2]  = n(1+4,5.b) Với : n = 0,8937Ns/m2 – độ nhớt động học của nước b: nồng độ pha rắn của hỗn hợp bột b = 1 - b = 0,2 => = 0,8937.10-3(1+4,5.0,2) = 1,698.10-3Ns/m2 => 2 2 3 . . 990.2.0, 2 Re 46643 1, 698.10 b n d       => dòng chảy rối

 Xác định chuẩn số công suất của cánh khuấy:

Công suất cánh khuấy được xác định theo công thức:

Np = kN.b.n3.d5 = 50.990.203.0,25 = 0,126kW

Công suất khởi động của động cơ:

N = (2  3).Np = 2Np = 2.0,126 = 0,252kW Công suất động cơ khi hiệu suất  = 0,95 và lấy dự trữ công suất là 20%.

Nđ = N N 0,3kW 95 , 0 252 , 0 . 2 , 0 252 , 0 2 , 0     

Vậy động cơ khuấy có : Nđ = 0,3kW n = 120v/p

5.4 Tính tốn chọn điện trở nhiệt:

 Tính tốn nhiệt cung cấp cho hệ thống:

Mục đích của tính tốn nhiệt hấp là thành lập phương trình cân bằng nhiệt, để biết được tất cả các nhiệt lượng tiêu hao thành phần qua đó xác định được lượng hơi tiêu hao hấp trong một giờ. Từ đó chọn được điện trở gia nhiệt có cơng suất phù hợp.

Phương trình cân bằng nhiệt cho hộp hấp :

Qcb= Qhi + Qmt ( W) Trong đó :

Qcb: Tổng nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình hấp ( W) Qhi: Nhiệt lượng hữu ích hấp chín bột ( W)

Qmt: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh ( W)  Xác định nhiệt lượng có ích:

Qhi = Gb.Cpbơt.( tb1– tb0), [W] Trong đó :

Gb: Lưu lượng khối lượng bột vào trong một giờ (kg/h)

Gb = b.δ.ρb.vt , [kg/s] Với :

Vt = 0,143 m/s: Vận tốc băng tải ρb: Khối lượng riêng của bột hồ, kg/m3 ρb = 970kg/m3

b: Chiều rộng của lớp bột trên băng , b = 0,2 m δ: Chiều dày của lớp bột trên băng tải, δ = 0,001 m => Gb = 0,2.0,001.970.0,143 = 0,0277 kg/s

Cpbột: Nhiệt dung riêng của bột lỏng, J/kg*độ

Cbôt:Nhiệt dung riêng của bột khô, Cbôt = 1460 J/kg*độ Cn: Nhiệt dung riêng của nước, Cn = 4200 J/kg*độ

= 1460.( 1-0,7 ) + 4200.0,7 = 3378 J/kg*độ tb0: Nhiệt độ của bột đầu vào hộp hấp, oC tb1: Nhiệt độ cho phép hấp chín bột, oC Thay số ta được:

Qhi = 0,0277.3378.( 100 – 25 ) = 7018 W

 Xác định nhiệt tổn hao do tỏa ra môi trường xung quanh:

 Nhiệt lượng tỏa ra môi trường xung quanh phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Diện tích tiếp xúc của nguồn nhiệt với mơi trường xung quanh.

- Hệ số tỏa nhiệt của vật liệu ngăn cách giữa nồi hấp và môi trường, ở đây là inox.

- Lượng hơi nước từ nguồn nhiệt thoát ra ngồi.

Từ những yếu tố trên, nhóm đã thực nghiệm bằng cách đun sôi nước với ấm đun siêu tốc inoxđể xác định nhiệt lượng tỏa ra môi trường xung quanhnhư sau:

Theo thực nghiệm:

Với ấm nước công suất 2000W đun 1,7 lít nước từ nhiệt độ 30oC lên 100oC trong thời gian 276s.

Theo lý thuyết (điều kiện lý tưởng là khơng có tổn hao nhiệt):

- Thời gian đun = 4200.1,7.(100 – 30)/2000 = 250 s - Vậy hệ số thất thốt nhiệt ra mơi trường là:

- Hệ số thoát nhiệt = (thực tế - lý thuyết)/lý thuyết = (276 – 250)/250 = 10,4% - Vậy nhiệt lượng thốt ra mơi trường được chọn bằng 20% nhiệt lượng hữu ích. Vậy nhiệt lượng cần cung cấp là:

Qcb = Gh.r = Qhi + Qmt = 7018 + 7018*20% = 8422 W => chọn công suất của điện trở nhiệt là 9KW

Từ đó, nhóm thực hiện chọn mua 4 điện trở nhiệt 220V-2700W và có tổng cơng suất là: Cơng suất = 3.2700 = 10800W.

5.5 Thiết kế cơ khí:

Hình 5.5a: Thiết kế cơ khí trên phần mềm Autodesk Inventor.

Hình 5.5c: Ghép nối bộ phận truyền động.

Hình 5.5e: Truyền động từ hộp giảm tốc đến băng tải inox.