CHO QUÁ TRÌNH
3.1. Dữ kiện ban đầu
Bảng 3.1 Ký hiệu các thông số
STT Thông số Ký hiệu Đơn vị
1 Lượng vật liệu vào máy sấy G1 kg/mẻ
2 Lượng vật liệu ra khỏi máy sấy G2 kg/mẻ
3 Lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua máy sấy Gk kg/mẻ
4 Độ ẩm đầu của vật liệu sấy ω1 %
5 Độ ẩm cuối của vật liệu sấy ω2 %
6 Lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ W kg/h
7 Lượng không khí khô tuyệt đối đi qua máy sấy L kg/h 8 Hàm ẩm của không khí trước khi đốt nóng do kg/kg kkk 9 Hàm ẩm của không khí trước và sau khi sấy d1, d2 kg/kg kkk Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy (theo vật liệu ướt): ω1 = 30 %
Độ ẩm cuối của vật liệu sấy (theo vật liệu ướt): ω2 = 12 % Lượng vật liệu ra khỏi máy sấy: G2 = 400 kg/mẻ
Tác nhân sấy là không khí Thông số của hạt bắp:
- Khối lượng riêng hạt bắp: (Bảng 2.4/47 – [4])
ρo = 1253 kg/m3
- Mật độ/ Khối lượng riêng khối hạt: (Phụ lục 4/230 – [5])
γv=ρv= 850 kg/m3
- Nhiệt dung riêng của vật liệu khô: (Trang 20 – [1])
Ck = 1,2 – 1,7 kJ/kgK Chọn Ck = 1,5 kJ/kgK - Kích thước hạt bắp:
(Phụ lục 7/351 – [1]) + Chiều dài: l = 5,2 – 14 mm
+ Chiều rộng: b = 5 – 11mm + Bề dày: δ = 3 – 8 mm + Đường kính tương đương: dtđ = 7,5 mm
3.2. Xác định các thông số của không khí trong quá trình sấy lý thuyết
Trong quá trình sấy lý thuyết coi các đại lượng nhiệt bổ sung và nhiệt tổn thất đều bằng không hoặc nhiệt lượng bổ sung chung đủ bù nhiệt lượng tổn thất chung
⟹∆ = 0 ⟹ d0 = d1 và I2=I1 Quá trình từ điểm 0 🡪 1: không khí được gia nhiệt trong Calorifier Quá trình từ điểm 1 🡪 2: không khí tách ẩm của vật liệu trong phòng sấy.
Trạng thái không khí bên ngoài (chọn địa điểm sấy ở TP. HCM): to = 26,8 oC; φ0= 83%
(Bảng VII.1/97) [2].
3.2.1. Tính toán trạng thái không khí ngoài trời
Chọn điểm 0: {t0=26,8oC φ0=83 % Tra bảng hơi nước với t0 = 26,8oC ⟹ Pbh (0) = 0,0342 bar - Thể tích riêng của không khí ẩm
(CT VII.8/94 – [2])
νo = P 288T0
t−φ0× Pbh(0)= 288×(273+26,8)
1,013×105−0,83×0,0342×105 = 0,8801 m3/kg kkk Trong đó: Pt và Pbh tính theo đơn vị N/m2
Khi đã có được 2 thông số t0 = 26,8oC và φ0=83% ta có thể tra giản đồ I – d để tìm được các thông số còn lại được trình bày trong Bảng 1.
3.2.2. Tính toán trạng thái không khí sau khi vào calorifer
Khi không khí ở trạng thái tại điểm 1 được đẩy vào thiết bị sấy để thực hiện quá trình sấy lý thuyết.
Nhiệt độ tại điểm 1 (t1) là nhiệt độ cao nhất của tác nhân sấy trong thùng sấy, do tính chất của vật liệu sấy và chế độ công nghệ quy trình. Nhiệt độ của tác nhân sấy ở điểm 1 được chọn phải thấp hơn nhiệt độ hồ hóa của tinh bột (do bắp là loạt hạt giàu tinh bột), ban đầu khi độ ẩm của vật liệu sấy còn cao, nếu vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy nhiệt độ cao thì lớp bề mặt của hạt tinh bột bị hồ hóa và tạo thành một lớp keo mỏng bịt kín bề mặt thoát ẩm từ trong lòng vật liệu ra ngoài.
Quy tắc sấy đối với loại nguyên liệu chứa lượng tinh bột và lượng đạm cao thì nên sấy ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ hồ hóa tinh bột bắp trong khoảng 62 – 70oC, vì vậy ta cần sấy ở nhiệt độ < 60oC. Vậy ta chọn t1 = 55oC. Hàm ẩm tại điểm 1 bằng với điểm 0 (d0 = d1)
Chọn điểm 1: {t1=55oC d1=d0=0,018(kg ẩm/kg kkk) - Áp suất hơi bão hòa của không khí sau khi qua calorifer:
Tra bảng hơi nước với t1 = 55oC ⟹ Pbh (1) = 0,1576 bar - Độ ẩm không khí sau khi qua calorifer:
Ta có: d1=0,621 φ1× Pb h(1)
Pt−φ1× Pb h(1)
(CT 2.18/28 – [1])
⟹φ1= Pt× d1
(0,621+d1)× Pbh(1)= 1,013×0,018
(0,621+0,018)×0,1576=0,18=18 %
Trong đó: Pt là áp suất khí quyển = 1,013 bar - Thể tích riêng của không khí ẩm (CT VII.8/94 – [2])
ν1= 288T1 Pt−φ1× Pbh(1)= 288×(273+55)
1,013×105−0,18×0,1576×105 = 0,9916 m3/kg kkk Trong đó: Pt và Pbh tính theo đơn vị N/m2
Khi đã có được 2 thông số t1 = 55oC và φ1=18% ta có thể tra giản đồ I – d để tìm được các thông số còn lại được trình bày trong Bảng 1.
3.2.3. Tính toán trạng thái không khí cuối quá trình sấy
Chọn điểm 2: {t2=32oC I1=I2=102(kJ/kg)
- Áp suất hơi bão hòa của không khí sau khi qua calorifer:
Tra bảng hơi nước với t2 = 32oC ⟹ Pbh (2) = 0,0476 bar - Độ ẩm không khí sau khi qua calorifer:
Ta có: I2=1,004t2+d2(2500+1.842t2) (CT 2.18/28 – [1])
⟹ d2=¿ 2500+1.842I2−1,004t2t
2
=102−1,004×32 2500+1.842×32= 0,027 (kg/kg kkk)
φ2= Pt×d2
(0,621+d2)× Pbh(2)= 1,013×0,027
(0,621+0,027)×0,0476=0,87=87 % - Thể tích riêng của không khí ẩm (CT VII.8/94 – [2])
ν2= 288T2
Pt−φ2× Pbh(2)= 288×(273+32)
1,013×105−0,87×0,0476×105 = 0,9349 m3/kg kkk Trong đó: Pt và Pbh tính theo đơn vị N/m2
Hình 3. SEQ Hình_3. \* ARABIC 1 Ví trí của 3 điểm trong quá
trình sấy
Bảng 3.2 Thông số của không khí ẩm
Thông số Trạng thái không
khí ban đầu (0)
Trạng thái không khí vào thiết bị sấy
(1)
Trạng thái không khí ra khỏi thiết bị sấy
(2)
t (oC) 26,8 55 32
φ 83 18 87
d (kg ẩm/kg kkk) 0,018 0,018 0,027
I (kJ/kg) 71 102 102
Pbh (bar) 0,0342 0,1567 0,0476
ν (m3/kg kkk) 1,0156 0,9916 0,9349
3.2.4. Kiểm tra nhiệt độ đọng sương
Nhiệt độ của tác nhân sấy ra khỏi thiết bị sấy t2 tùy chọn sao cho tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi là bé nhất, nhưng phải tránh hiện tượng đọng sương, nghĩa là tránh trạng thái tại điểm 2 nằm trên đường bão hòa. Đồng thời, hàm ẩm của tác nhân sấy tại điểm 2 phải nhỏ hơn độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy tại điểm đó để vật liệu sấy không hút ẩm trở lại.
Tại nhiệt độ đọng sương có φ = 1
Ta có: d2=0,621 φ × Pb h
Pt−φ × Pb h
⟹ Áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ đọng sương:
Pbh=0,621× φ+d2× Pdt
2×φ = 0,621×0,0271+×1,0130,027×1 = 0,041 bar
Ta có: Pbh = exp (12 - 235,34026,42+t
s) ⟺ 0,041 = exp (12 - 235,3+4026,42t
s) ⟹ ts = 29,7oC Chênh lệch nhiệt độ đọng sương với nhiệt độ không khí đi ra khỏi thiết bị sấy:
∆ t = t2 – ts = 32 – 29,7 = 2,3oC < 10oC
⟹ Chênh lệch này là hợp lý, vậy các thông số đã chọn là chính xác
3.2.5. Tính cân bằng vật chất
- Lượng nhập liệu vào máy sấy:
⟹G1=G2(1−ω2)
1−ω1 = 400(1−0,12)
1−0.3 =¿ 503 kg/mẻ - Lượng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy:
W=G1−G2=503−400=103kg/mẻ (CT 7.1/128 – [1]) - Thời gian sấy:
ω1−ω2=M'(11,1τ+3) (CT 10.13/210 - [1]) M’ = 10-2.M (Do đường kính bắp dbắp = 7,5 mm tra bảng 2 ta được M = 0,5)
⟹τ=
ω1−ω2
M' −3 11,1 =
0,3−0,12 10−2×0,5−3
11,1 =2,97(giờ)≈3(giờ) Trong đó: τ: Thời gian sấy (giờ)
ω1 và ω2: Độ ẩm của bắp trước và sau khi sấy (%) M phụ thuộc vào đường kính hạt bắp
Bảng 3.3 Quan hệ giữa M và đường kính hạt [1]
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
- Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ:
W1h = Wτ = 1033 = 34,3 kg/h - Lượng vật liệu khô tuyệt đối ra khỏi máy sấy là:
Gk = G1(1 – ω1) = 503 x (1 – 0,3) = 352 kg/mẻ - Lượng không khí khô cần trong quá trình sấy lý thuyết:
L = d W
2−d0= 34,3
0,027−0,018 = 3811 kg/h - Lượng không khí khô cần thiết để tách 1 kg ẩm:
l = d 1
2−d0 = 0,027−10,018 = 111,11 kg kkk/ kg ẩm - Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trước khi vào buồng sấy:
V0 = ν0L=1,0156. 3811= 3870 m3/h
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy vào máy:
V1 = ν1L=0,9916. 3811= 3778 m3/h
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ra khỏi máy:
V2 = ν2L= 0,9373. 3811 = 3572 m3/h
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trung bình:
Vtb = V1+¿V2
2 ¿ = 3778+35722 = 3675 m3/h = 1,02 m3/s
3.3. Tính cân bằng năng lượng
3.3.1. Quá trình sấy lý thuyết
- Lượng nhiệt cần thiết để để làm bay hơi 1kg ẩm qo = l (I1 – Io) (CT 2.6/47 [3])
= 111,11 (102 – 71) = 3444,41 kJ/kg ẩm - Tổng nhiệt lượng cần trong quá trình sấy
Qo = L (I1 – Io) (CT 2.7/47 [3])
= 3811 (102 – 71) = 118141 kJ/h = 32.8 kW
3.3.2. Quá trình sấy thực tế
Nguyên tắc cân bằng nhiệt là nhiệt lượng đưa vào thiết bị phải bằng nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị. [7]
- Nhiệt lượng đưa vào hệ thống sấy gồm:
+ Nhiệt lượng do TNS nhận được trong calorifer: L (I1 – I0) + Nhiệt lượng bổ sung: Qbs = 0
+ Nhiệt vật lý do thiết bị chuyền tải mang vào Qct = 0 + Nhiệt vật lý do vật liệu sấy mang vào: [(G1 – W) Cv1+WCn]tv1
- Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy gồm:
+ Nhiệt lượng tổn thất do TNS mang đi: L (I2 – I0) + Nhiệt lượng tổn thất qua kết cấu bao che: Qmt
+ Nhiệt vật lý của thiết bị chuyền tải mang ra: Qct = 0
+ Nhiệt vật lý của vật liệu sấy mang ra: G2Cv2tv2
Cân bằng nhiệt lượng vào ra hệ thống sấy ta được:
L (I1 – I0) + [(G1 – W) Cv1+WCn]tv1 = L (I2 – I0) + Qmt + G2Cv2tv2
Mà G2 = G1 – W và xem gần đúng Cv2 = Cv1 = Cv.
⇒ Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy thực Q = L (I1 – I0) = L (I2 – I0) + Qmt + G2Cv(tv2 - tv1) – WCntv1
Đặt Qv = G2Cv (tv2 - tv1) là tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi Ta được: Q = L (I1 – I0) = L (I2 – I0) + Qmt + Qv – WCntv1
⇒ Chia 2 vế cho W ta được: q = l (I1 – I0) = l (I2 – I0) + qmt + qv – Cntv1
Đặt Δ = Cntv1 – qv – qmt ta được: q = l (I1 – I0) = l (I2 – I0) – Δ
3.3.2.1. Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang đi
- Nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy thường lấy bằng nhiệt độ của không khí:
tv1 = to = 26,8oC
- Nhiệt độ cuối của vật liệu sấy, theo kinh nghiệm thì lấy nhỏ hơn nhiệt độ tác nhân cùng vị trí từ 5 – 10oC (Chọn 5oC)
tv2 = t2 – 5oC = 32 – 5 = 27oC - Nhiệt dung riêng của vật liệu khô ra khỏi thiết bị sấy (Cv):
Cv = Ck(1−ω2)+Cnω2 (CT 7.4/141 – [1])
= 1,5. (1 – 0,12) + 4,18.0,12 = 1,8216 kJ/kgK
Trong đó:
Ck: Nhiệt dung riêng của vật liệu khô (Xem 4.1) Cn: Nhiệt dung riêng của nước
ω2: Độ ẩm của vật liệu cuối - Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang đi (qv):
qv = WQv
1h =G2×CvW×(tv2−tv1)
1h =400×1,821634,3×(27−26,8) = 4,25 kJ/kg ẩm
3.3.2.2. Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường
Tổn thất nhiệt ra môi trường qua kết cấu bao che thường chiếm khoảng 3 – 5% nhiệt lượng tiêu hao hữu ích
- Nhiệt lượng tiêu hao hữu ích được xác định:
qhi = i2 – Cn tv1 (CT tr 123 – [7])
= (2500+1,842×t2) – Cn tv1
= (2500 + 1,842 × 32) – 4,18 × 26,8 = 2446,92 kJ/kg ẩm
Trong đó:
Cn: Nhiệt dung riêng của nước - Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường:
qmt = (0,03 ÷ 0,05) qhi
= 0,05 ×2446,92 = 122,346 kJ/kg ẩm - Tổng nhiệt lượng tổn thất trong quá trình sấy thực:
Δ = Cntv1 – qv – qmt (CT 5.15/61 – [7])
= 4,18 × 26,8 – 4,25 – 122,346 = -14,572 kJ/kg ẩm
Ta có: I2 = I1 + ∆l (CT 5.16/61 – [7])
Mà ∆<0⟹ I2 < I1
Về nguyên tắc, có thể có các quá trình sấy thực có các giá trị ∆<0, ∆=0, ∆>0. Tuy nhiên trong thực tế khi không có nhiệt lượng bổ sung (qbs = 0) thì các quá trình sấy thực chỉ xảy ra ∆<0. [7]
3.3.2.3. Xác định các thông số của không khí sau quá trình sấy thực
- Độ chứa hơi d2: d2 = Cpk(t1−t2)+d0(i1−∆)
i2−∆ (CT 7.31/138 – [1])
= 1,004(55−32)+0,018(2601,31+14,572)
2558,94+14,572
= 0,028 kg/kg kkk
Trong đó:
Cpk = 1,004: Nhiệt dung riêng của không khí khô i1 = 2500 + 1,842t1 = 2500 + 1,842 × 55 = 2601,31 kJ/kg i2 = 2500 + 1,842t2 = 2500 + 1,842 × 32 = 2558,94 kJ/kg - Enthalpy I2:
I2 = Cpkt2 + d2i2 (CT 7.31/138 – [1])
= 1,004×32 + 0,028×2558,94 = 104 kJ/kg ẩm - Độ ẩm tương đối:
φ2= Pt×d2
(0,621+d2)× Pbh(2)= 1,013×0,028
(0,621+0,028)×0,0476=0,89=89 %
- Thể tích riêng của không khí ẩm (CT VII.8/94 – [2])
ν2= 288T2
Pt−φ2× Pbh(2)= 288×(273+32)
1,013×105−0,89×0,0476×105 = 0,9358 m3/kg kkk
Bảng 3.4 Thông số không khí trong quá trinh sấy thực
Thông số Trạng thái không
khí ban đầu (0)
Trạng thái không khí vào thiết bị sấy
(1)
Trạng thái không khí ra khỏi thiết bị sấy
(2)
t (oC) 26,8 55 32
φ 83 18 89
d (kg ẩm/kg kkk) 0,018 0,018 0,028
I (kJ/kg) 71 102 104
Pbh (bar) 0,0342 0,1567 0,0476
ν (m3/kg kkk) 1,0156 0,9916 0,9358
- Lượng không khí khô cần trong quá trình sấy thực tế:
L = dW
2−d0= 34,3
0,028−0,018 = 3430 kg/h - Lượng không khí khô cần thiết để tách 1 kg ẩm:
l = d 1
2−d0 = 0,027−10,018 = 100 kg kkk/ kg ẩm
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trước khi vào buồng sấy:
V0 = ν0L=1,0156. 3430 = 3483 m3/h
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy vào máy:
V1 = ν1L=0,9916. 3430 = 3401 m3/h
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy ra khỏi máy:
V2 = ν2L= 0,9358. 3430 = 3210 m3/h
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trung bình:
Vtb = V1+¿V2
2 ¿ = 3401+23210 = 3305,5 m3/h = 0,92 m3/s
- Lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy thực:
Q = L (I2 – I0) + Qmt + Qv – WCntv1 (CT 7.18/135 – [1])
= 3430 (104 – 71) + 122,346 × 34,3 + 4,25 × 34,3 – 34,3 × 4,18 × 26,8 = 113689 kJ/h
Trong đó:
tW Qhi = qhQmt = qmiW - Lượng nhiệt cung cấp riêng cho quá trình sấy thực:
q = WQ = 11368934,3 = 3314,54 kJ/kg ẩm - Hiệu suất sấy:
η = Qhi
Q = qqhi = 2446,923314,54 = 0,74 = 74%