3.1. Kết quả tính tốn thiết kế hệ thống
Các ký hiệu sử dụng:
- Gi, G2: năng suất nhập liệu và năng suất đầu ra của vật liệu sấy (kg/h)
- rni' độ ẩm tương đối của vật liệu vật liệu khi vào và ra khỏi thiết bị (%)
- W: lượng ẩm bay hơi trong ih (kg/h)
- di: lượng chứa ẩm của khơng khí khơ trước khi sấy (kg ẩm/kgkk)
- d2:lượng chứa ẩm của khơng khí khơ sau khi sấy (kg ẩm/kgkk)
- L: lượng khơng khí khơ cần thiết (kg/h)
- l: lượng khơng khí khơ cần thiết để tách ikg ẩm ra khỏi vật liệu (kgkk/kg ẩm)
3.1.1. Tính tốn thơng số đầu vào của ngun liệu 3.1.1.1. Đường kính hạt
Chọn nguyên liệu sấy là cà phê nhân Robusta hạng 1 (R118) với đường kính trung bình d = 7 mm = 0,007 m.
Khối lượng riêng của chất khô trong cà phê nhân ở nhiệt độ 25oC được tính theo cơng thức sau: — 5 Y( p - ỹ XL Ố Pj
Trong đó: Pj: khối lượng riêng của chất khơ thứ j (j - 2;n. n - 5) (kg/m3) Với: P protein - 1329.9 - O.5184to - 1329.9 - 0.5184.25 - 1316.94 (kg/m3)
P giucid - 1599.1 - O.31O46to - 1599.1 - 0.31046.25 - 1591.3385 (kg/m3)
Plipid - 925.59 - O.41757to - 925.59 - 0.41757.25 - 915.15075 (kg/m3)
Pchấtkhoáng - 2423.8 - 0.28063t0 - 2423.8 - 0.28063.25 - 2416.78425 (kg/m3)
Pđalượng - 1017.29 (kg/m3)
Xj: tỉ lệ của thành phần trong nguyên liệu (%)
__________________________ 1 __________________________
^ Pv - 0,13 + 0,598 + 0,13 + 0,04 + 0,082 1316,94 + 1591,3385 + 915,15075 + 2416.78425 + 1017.29 - 1401.13264 (kg/m3)
3.1.1.3. Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng của chất khô trong cà phê nhân ở nhiệt độ 25oC được tính theo cơng thức sau:
n
Ck - X X*c,
j=1
Trong đó: cj (kJ/(kgK): nhiệt dung riêng của chất thứ j
Với: cprotein - 2.0082 + 1.2089.10’3.t0 + 1.3129 X 10’6.t02- 2.039 (kJ/(kgK) cglucid - 1.5488 + 1.9625.10’3.t0 + 5.9399 X 10-6.t02 - 1.602 (kJ/(kgK) clipid - 1.9842 + 1.4733.10-3.t0 + 4.8008 X 10-6.t02 - 2.024 (kJ/(kgK)
Ctro = 1,0926 + 1,8896.10-3.t0 + 3,6817 X 10-6.t02 = 1,142 (kJ/(kgK) Cđa lượng = 1,29678 (kJ/(kgK)
Xjtp (%): tỉ lệ thành phần trong nguyên liệu
^ Ck = 2,039.0,13 + 1,602.0,598 + 2,024.0,13 + 1,142.0,04 + 1,29678.0,082 = 1,6382 (kJ/kgK)
Bảng 3. Kết quả các thông số đầu vào của nguyên liệu
Thông số Giá trị
Độ ẩm sau khi sấy (®2) 12%
Đường kính hạt (d) 0,007 m
Khối lượng riêng (p) 1401,13264 kg/m3
Nhiệt dung riêng (Ck) 1,6382 kJ/kgK
3.1.2. Tính thời gian sấy
Việc tính tốn thời gian sấy đóng vai trị quan trọng trong tính tốn thiết kế và vận hành thiết bị sấy. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố: loại vật liệu sấy, hình dạng, kích thước hình học của vật liệu, chế độ sấy (nhiệt độ, độ ẩm tương đối và tốc độ tác nhân sấy).
(®1 - o) = M(0,185T + 3) Trong đó: 0)1 (%): độ ẩm cà phê nhân trước khi sấy
0).' (%): độ ẩm cà phê nhân sau khi sấy T (phút): thời gian sấy
M: hệ số phụ thuộc vào đường kính trung bình của hạt. M được chọn dựa vào bảng sau:
Bảng 4. Quan hệ giữa M và đường kính hạt. (Trần Văn Phú, 2008)
d
(mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
M 1,43 1,25 1,00 0,83 0,70 0,60 0,53 0,47 0,43 0,38
Với d = 7 mm, ta sẽ chọn được M = 0,53. Qua đó thời gian sấy được tính như sau: (37 - 7) = 0,53(0,185T + 3)
^ T - 289,75 phút - 4,829 giờ 3.1.3. Kích thước cơ bản của thùng sấy
3.1.3.1. Thể tích thùng sấy: G1 -ĩ V ' = vỉ (m3) p v -
Với: p là hệ số điền đầy (0,15^ 0,2), ta chọn p = 0,175 (Nguyễn Văn May, 2004).
> 1700.4.829 „ 3
Vt = 1401,13264.0,175 = 33.4802 m
3.1.3.2. Chiều dài và đường kính thùng sấy:
Theo kinh nghiệm, quan hệ giữa chiều dài và đường kính của thùng sấy nằm trong khoảng:
D = (3,5 - 7)
Ta chọn tỷ số trên bằng 4 hay có nghĩa là L = 4D. Từ đó ta có thể tính được đường kính của thùng sấy như sau:
n.D2.L _ 4n.D3 _ . 3 Vt = = — = 1,3336 m3 44 ^ D = 3 V=j 33.4802 = 2.2 m V n \ n
^ Chiều dài thùng sấy: L = 4D = 4.2.2= 8.8 m 3.I.3.3. Bề dày thùng sấy
Thùng sấy được chế tạo bằng thép CT3 với các thơng số sau: (Sổ tay QTTB cơng nghệ hóa chất tập 2).
Bảng 5. Thông số của thép CT3
Thông số Giá trị Ghi chú
Khối lượng riêng (p) 7850 kg/m3
Hệ số dẫn nhiệt (À) 50 W/m2.K
Ứng suất tiêu chuẩn ([ơ]*) 138 N/mm2
Hệ số hiệu chỉnh (n) 0,95 Do có sử dụng lớp cách nhiệt
Hệ số bền mối hàn (ọ) 0,95
Đường kính trong của thùng sấy (D) 752 mm
Ứng suất cho phép của vật liệu được tính như sau: [ơ] = n. [ơ]* = 0,95.138 = 128,25
Bề dày thân thùng được tính theo cơng thức sau: (Sấy thăng hoa, Nguyễn Tấn Dũng)
_ D.p _ 752.0,0981
S = 2.[ơỊ.ọ~ 2.128,25.0,95 = 0,3 mm
Bề dày thật sự của thân buồng sấy: S = S’ + c Với c là hệ số bổ sung:
c = ca + cb + c + co
Trong đó: ca: hệ số do ăn mịn hóa học, chọn Ca = 1 mm cb: hệ số do bào mòn, chọn Cb = 1 mm cc: hệ số bổ sung do sai lệch, Cc = 0,5 mm
co: bề dày có thể có trên thị trường, Co = 0,2 mm
^ c = 1 + 1 + 0,5 + 0,2 = 2,7 mm
^ S = 0,3 + 2,7 = 3mm
Kiểm tra bề dày thùng
Theo công thức sau:
^—Ca = 3-1 = 2,66.10-3 < 0,1 (thỏa mãn)
D 751
2. [ ơ ] .ọ. (s—c) 2.128,25.0,95. (3-1) ..........................T, _______________T, [p] = n ì =---------------------7.X^ _1Ì----------- - = 0’646 N/mm2 > °,°981 N/mm2
D + (D — CQ) 7 52 + (3 — 1)
Qua các bước kiểm tra trên, ta có thể kết luận bề dày của thùng sấy 3mm là an tồn trong q trình làm việc.
3.1.4. Các thơng số ban đầu
Quá trình sấy lý thuyết biểu diễn trên đồ thị sau:
Hình 12. Đồ thị I-d của quá trình sấy lý thuyết
- Điểm 0 (t°,Ọo) là trạng thái khơngkhí bên ngồi.
- Điểm 1 (ti,Ọ1) là trạng thái khơngkhí vào buồng sấy.
- Điểm 2 (t2,Ọ2) là trạng thái khơngkhí sau q trình sấy lý thuyết.
3.1.4.1. Xác định các thơng số của khơng khí bên ngồi
Thơng số nhiệt độ và độ ẩm bên ngoài (t°,ọ°) = (25oC, 85%) tương ứng điểm 0 trên đồ thị I-d.
<p 0 *Pbh
Pa-(p 0 *Pbh
Với B là áp suất khí quyển B = 745 mmHg = 0,9933 bar
, 1 0,8 5. 0,0315 ả ả ^ d 0 0,6210,9933-0,85.0,0315 0,0172 (kg ẩm/kg kk) Enthalpy: I0 = ik + d0.id = Cpk.t0 + d0(r + Cpa.tỌ)
Trong đó: ik, id (kJ/kg) lần lượt là enthalpy của 1kg khơng khí khơ và 1kg hoi nước. Cpk = 1,004 (kJ/kg.K): nhiệt dung riêng của khơng khí khơ.
Cpa = 1,842 (kJ/kg.K): nhiệt dung riêng của hoi nước. r = 2500 (kJ/kg): ẩn nhiệt hóa hoi của nước.
Vậy nên: I0 = 1,004t0 + d0(2500 + 1,842t0) = 1,004.25 + 0,0172.(2500 + 1,842.25) = 68,892 (kJ/kgkk)
Vậy các thơng số khơng khí bên ngồi bao gồm: - to = 250C - (po = 85% - do = 0,0172 kg ẩm/kgkk - Io = 68,892 kJ/kgkk Pbh = exp 4026,42235,5+í0 exp 12 4026,42 235,500+ 25 = 0,0315 bar Lượng chứa ẩm d(>: do = 0.621
3.1.4.2. Xác định các thông số của tác nhân sấy trước khi vào thiết bị sấy (tức là sau khi ra khỏi calorifer)
t. ó 2,218-4,343.In T + „ 23,2 ------------
th , ,
0,37+0,63. vtb Trong đó:
th là nhiệt độ cho phép đốt nóng hạt. T là thời gian sấy.
©tb là độ ẩm trung bình: ©tb = 0,5.(©i + ©2) = 0,5.(37 + 7) = 22% = 0,22
^ th ó 2,218-4,343. In 1,09+ „ 2?Í5^ „ „ = 48.05oC - 48oC
th , , ,
0,37 + 0,63.0.22 48.05 C 48 C
Nhiệt độ sau khi ra khỏi calorifer của tác nhân sấy (ti) phải lớn hon th. Vì vậy ta chọn ti = 800C, ta có cặp thơng số (ti,di) tưong ứng với điểm 1 trên đồ thị I-d.
Vì là sấy lý thuyết nên d0 = di = 0,0172 kg ẩm/kg kk Áp suất bão hòa của tác nhân sấy tại nhiệt độ 800C:
Enthalpy của tác nhân sấy Ii:
Ii = i,004ti + di(2500 + i,842ti) = i,004.80 + 0,0i72(2500 + i,842.80) = i25,8546 (kJ/kg kk)
Độ ẩm tưong đối của tác nhân sấy Ọi:
m = =. 0,9933.0,0172 73 (%)
Ọi 10,621+d11 .pbh 1 (0,621 + 0,0172) .0,467 ’ Vậy ta có các thơng số của tác nhân sấy trước khi sấy:
ti = 800C
di = 0,0172 kg ẩm/kgkk
(?1 = 5,73 %
pbhi= exp 4026,42235,5+Í1 = exp 235,5+804026,42 = 0,467 (bar)
3.1.4.3. Xác định các thông số của tác nhân sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy
Để đảm bảo tính kinh tế, ta phải chọn nhiệt độ ra khỏi thùng sấy t2 sao cho độ ẩm
tương đối không quá nhỏ nhưng đồng thời cũng không được quá gần trạng thái bão hòa.
Trong bài báo cáo này ta chọn Ọ2 = (90 ± 5)%.
Nhiệt độ khơng khí sau khi kết thúc q trình sấy có thể được tính như sau: t2 = th
+ (5^10), với th là nhiệt độ đốt nóng của cà phê nhân. Vậy nên ta chọn t2 = th + 10 = 58oC.
Sau khi chọn nhiệt độ của tác nhân sấy sau quá trình sấy theo lý thuyết là t2 = 580C, ta có cặp thơng số (t2,L) tương úng điểm 2 trên đồ thị I-d.
Vì sấy lý thuyết nên I1 = I2 = 125,8546 kJ/kg kk. Áp suất bão hòa của tác nhân sấy ở t2 = 580C:
Lượng chứa ẩm sau quá trình sấy d20:
Pbh2 = exp 4026,42235,5+t3 = exp 4026,42235,5 + 58 = 0,1968 (bar)
1 12-1,00412
Độ ẩm tương đối của tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết Ọ20:
Bd
37= 0,9933.0,0259
pbh2 (0,621 + d37)“ 0,1968.(0,621 + 0,0259)
Với kết quả trên có thể thấy được ở t2 = 58
oC thì độ ẩm tương đối của tác nhân sấy cịn q nhỏ so với điều kiện kinh tế. Vì vậy ta phải chọn lại t2 = 36oC. Với t2 = 36oC ta sẽ tính được các thơng số:
- Lượng chứa ẩm d20 = 0,035 kg ẩm/kgkk.
- Áp suất bão hòa của tác nhân sấy ở t2 = 36oC: Pbh2 = 0,059 bar.
Độ âm tương đối Ọ20 - 89,824% (thõa điều kiện) 3.1.5. Tính cân bằng vật chất
3.1.5.1. Lượng âm cần bay hơi Sơ đồ cân bằng vật chất của thiết bị sấy:
Hình 1. Sơ đồ cân bằng vật chất
Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng đối với khối lượng khơ của vật liệu trước và sau q trình sấy:
G1(1 - ©1) - G2(1 - ©2)
* G2 - G1. ị-^- - 300. ' í0',2) - 272,727 (kg/h)
1 — a2 ị-0,12 v 7
Từ đó ta có thê xác định được lượng âm bay hơi như sau: W - G1 - G2 - 300 - 272,727 - 27,273 (kg âm/h)
3.1.2.1, Lượng TNS lý thuyết
Lượng khơng khí tiêu hao riêng cho 1kg âm trong quá trình sấy lý thuyết: , 1 ________1...................................... Ẵ .
Lưu lượng khơng khí thổi vào buồng sấy trong quá trình sấy lý thuyết: L0 = l0.W = 56,18.27,273 = 1532,19714 (kgkk/h)
Dựa theo phụ lục 5, ta có thể xác định được thể tích khơng khí ẩm của 1kg khơng khí khơ trước và sau quá trình sấy lý thuyết lần lượt là V1 = 1,04865 m3/kgkk (t1 = 80oC, Ọ1 = 5,73%) và V20 = 0,9463 (t2 = 36oC, Ọ20 = 89,824%).
Lưu lượng thể tích của TNS trước q trình sấy lý thuyết là: V1 = V1.L0 = 1,04865.1532,19714 = 1606,7385 m3/h Lưu lượng thể tích của TNS sau q trình sấy lý thuyết là:
V2 = V2.L0 = 0,9463.1532,19714 = 1449,9182 m3/h Lưu lượng thể tích trung bình:
V1+V2 1606,7385+1449,9182 ,,Vtb0 = = ó ---------------2-----------= 1528,3284 m3/h - 0,4245 m3/s Vtb0 = = ó ---------------2-----------= 1528,3284 m3/h - 0,4245 m3/s
3.1.6. Tính cân bằng năng lượng
3.1.6.1. Tổn thất nhiệt qv do vật liệu sấy mang đi
Nhiệt dung riêng của cà phê nhân Ck = 1,6382 kJ/kgK. Từ đó tính được nhiệt dung riêng của cà phê nhân ra khỏi thiết bị sấy:
Cv2 = Ck(1 - ©2) + Ca©2 = 1,6382.(1 - 0,12) + 4.1868.0,12 = 1,944 kJ/kgK Khi đó tổn thất nhiệt do nhiệt độ sấy mang đi:
Qv = G2Cv2(t2 - t0) = 272,727.1,944(36 - 25) = 5831,9942 kJ/h
0^ 5831-9942
qv = 777 = 3-7 = 213,838 kJ/kg ẩm
w 2/-2/3
Để tính tổn thất nhiệt ra mơi trường chúng ta phải giả thiết tốc độ của tác nhân sấy dựa trên cơ sở là tốc độ lý thuyết W0(m/s). Sau khi tính tốn xong lượng TNS thực ta sẽ kiểm tra lại giả thuyết này. Tốc độ lý thuyết W0 được tính như sau:
X™
W0 =
Ftd
Với: Vtb0(m3/s) : lưu lượng thể tích trung bình
Ftd(m2): tiết diện tự do của thùng sấy, được tính theo cơng thức: Ftd = (1-p)Fts = (1-0,175) ^D- = 0,825 n °4752 = 0,366 m2
Ta sẽ giả thuyết rằng tốc độ TNS trong quá trình sấy thực là w = W0 = 1,2 m/s. Các dữ liệu để tính mật độ dịng nhiệt bao gồm:
Nhiệt độ dịch thể nóng: trong trường hợp này là nhiệt độ trung bình của TNS đi vào và ra khỏi thiết bị sấy:
tf1 = 0,5(t1 + t2) = 0,5(80 + 36) = 58oC Nhiệt độ dịch thể lạnh: chính là nhiệt độ mơi trường
tf2 = t0 = 25oC
Thiết bị sấy hình trụ trịn làm bằng thép CT3 dày 0,003 m, hệ số dẫn nhiệt À = 50 (W/mK). Khi đó đường kính ngồi của thùng sấy có thể tính bằng:
D’ = D + 0,03 = 0,752 + 0,03 = 0,782 m
Do tỉ lệ D’/D = 1,04 < 2 nên có thể xem thùng sấy như vách phẳng với một phía là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên giữa TNS và mơi trường có nhiệt độ là t0 = 25oC, phía bên kia là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức với tốc độ Wt = 1,2 m/s và nhiệt độ bằng nhiệt độ trung bình của TNS là 58oC.
0,4245
Phía trong buồng sấy là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức với tốc độ w = 1,2 m/s. Khi đó, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức giữa tác nhân sấy với bề mặt bên trong của buồng sấy tính theo cơng thức:
ai = 6,15 + 4,17w = 6,15 + 4,17.1,2 = 11,154 (W/m2.h.K)
Trao đổi nhiệt đối lưu phía ngồi giữa mặt thùng sấy và mơi trường khơng khí xung quanh theo kinh nghiệm chính là là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên chảy rối. Do đó, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên a2 được tính theo cơng thức:
a2 = 1,715(tw2 - te)1/3
Với: tw2: nhiệt độ mặt ngoài của thùng sấy. Nhiệt độ này chưa biết. Mật độ dòng nhiệt phải thỏa mãn: q1 = q2 = q3
Trong đó: q1 = a1(tf1 - tw1) q 2 4 (t w1 tw2) q3 = a2(tw2 — tf2)
Với: tw1: nhiệt độ mặt trong của thùng sấy. Nhiệt độ này cũng chưa biết.
Khi mật độ dòng nhiệt thỏa mãn các đẳng thức trên đây thì nó cũng phải thõa mãn phương trình truyền nhiệt sau:
q = k(tf1 — tf2) Trong đó: k: hệ số truyền nhiệt
1k = ±+4+_L k = ±+4+_L
Chạy bằng phần mềm excel để lựa chọn, ta thấy rằng khi chọn twi = 47,96565oC và tw2 = 47,96096oC thì sai số giữa q1 và q3 là:
\q 1-q 3| = 0,0006 <0,001 (phù hợp) Do đó:
- Nhiệt độ mặt trong buồng sấy: tw1 = 47,96565oC - Nhiệt độ mặt ngoài buồng sấy: tw2 = 47,96096oC
Vậy, mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt đối lưu giữa tác nhân sấy và mặt trong của thành thiết bị qi:
qi = 11,154.(58 - 47,96565) = 111,9231 (W/m2)
Mật độ dòng nhiệt do đối lưu nhiệt tự nhiên từ mặt ngoài của tường và khơng khí xung quanh q3:
q3 = 1,715.(47,96096 - 25)4/3 = 111,9225 (W/m2) Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên a-:
Ư2 = 1,715(47,96096 - 25)1/3 = 4,8745 (W/m2K) Vậy hệ số truyền nhiệt k:
__________ 1 ___________ k = 1 + 0.003 + 1 = 3,1994 11,154 50 4,4875 Do đó, mật độ dịng nhiệt: q = k(tf1 - tf2) = 3,1994(58 - 25) = 105,5802 (W/m2) Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh là:
Với F: diện tích bao quanh thùng sấy. Vì ta đã xem truyền nhiệt qua thùng sấy như là truyền nhiệt qua vách phẳng nên diện tích bao quanh thùng sấy sẽ bằng diện tích