CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY PHUN BỘT CÀ RỐT VÀ THẢO LUẬN
3.1.4. Tính cân bằng năng lƣợng
3.1.4.2. Tính toán năng lƣợng chi tiết của hệ thống
Cân bằng năng lƣợng của hệ thống đƣợc thể hiện theo sơ đồ sau:
Hình 26. Sơ đồ cân bằng năng lƣợng cho thiết bị a. Enthalpy của dịch ép cà rốt vào (Q1v)
Ta có:
Q1v = G1.Cdt.to (3.15)
Trong đó: Cdt: nhiệt dung riêng của dịch ép cà rốt tại nhiệt độ to, kJ/(kg.K) to: nhiệt độ của dịch ép cà rốt (oC), to = 30oC
G1: Khối lƣợng nhập liệu = 431,11 (kg/h) Suy ra:
Q1v = 431,11. 3,0021.30 = 38827,06 kJ/h b. Enthalpy của bột cà rốt (Q2r)
Không khí vào calorifer đƣợc đốt nóng lên đến tkv = 180oC, d1= do= 0,0175 kg/kgkkk.
Enthalpy của không khí trong buồng sấy:
h1 = 1,004.ts + (2500 + 1,84.ts).d1 (3.16)
= 1,004.180 + (2500 + 1,84.180).0,0175 = 230,266 kJ/kgkkk Quá trình sấy lý thuyết do vậy enthalpy của không khí ra khỏi thiết bị sấy h2 = h1, t2
= 80oC (Nguyễn Tấn Dũng, 2016):
(3.17)
Enthalpy dịch
ép cà rốt vào Q1v
Tổn thất năng lƣợng Qtt
Enthalpy sản phẩm Q2r Thiết bị sấy
Enthalpy của ẩm bốc hơi Qhh Enthalpy của không khí vào Qkv
Enthalpy của không khí ra Qkr
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNTP 62 Để xác định nhiệt độ của sản phẩm ta tra giản đồ không khí ẩm với các thông số:
tkr = 80oC; d = 0,057 kg ẩm /kgkkk, ta đƣợc: tƣ = ts = 46oC.
Thành phần bột cà rốt sau khi sấy
Giả sử ban đầu có m (kg) dịch ép cà rốt có nồng độ chất khô là 45,0% => Khối lƣợng chất khô là 0,45m (kg). Trong đó:
Khối lƣợng chất béo: 0,0103m (kg);
Khối lƣợng protein: 0,024m (kg);
Khối lƣợng carbohydrate: 0,2435m (kg);
Khối lƣợng tro: 0,0322m (kg);
Khối lƣợng các thành phần khác: 0,0567m (kg).
Khối lƣợng maltodextrin: 0,0833m (kg)
Sau khi sấy, sản phẩm có độ ẩm 3% nghĩa là hàm lƣợng chất khô trong sản phẩm là 97%. Trong quá trình sấy chỉ bay hơi nước nên khối lượng chất khô không đổi và bằng 0,45m (kg). Lúc này, nồng độ chất khô trong bột cà rốt là 97% nên khối lƣợng bột cà rốt sau khi sấy bằng 0,4639m (kg). Suy ra:
Phần trăm chất béo:
Phần trăm protein:
Phần trăm carbohydrate:
Phần trăm tro:
Phần trăm các thành phần khác:
Phầm trăm maltodextrin:
.
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNTP 63 Ta có bảng thành phần bột cà rốt sau khi sấy nhƣ sau:
Bảng 13. Thành phần bột cà rốt sau khi sấy
Thành phần Tỷ lệ (% w/w)
Nước 3,00
Chất béo 2,22
Protein 5,17
Carbohydrate 52,49
Tro 6,94
Thành phần khác 12,22
Maltodextrin 17,96
Khối lƣợng riêng của các thành phần trong bột cà rốt sau khi sấy, có nhiệt độ 46oC
Để tính khối lƣợng riêng của các thành phần chất khô ta tính nhƣ sau: (Choi, Y. and Okos, M.R., 1986).
Nước:
= 997,18 + 0,0031439.T – 0,0037574.T2
= 997,18 + 0,0031439.46 – 0,0037574.462 = 989,37 (kg/m3).
Chất béo:
= 925,59 – 0,41757.T = 925,59 – 0,41757.46 = 906,38 (kg/m3)
Protein:
= 1329,9 – 0,5185.T = 1329,9 – 0,5185.46 = 1306,05 (kg/m3)
Carbohydrate và cả maltodextrin:
= 1599,1 – 0,31046.T = 1599,1 – 0,31046.46 = 1584,82 (kg/m3)
Tro:
= 2423,8 – 0,28063.T = 2423,8 – 0,28063.46 = 2410,89 (kg/m3)
Thành phần khác:
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNTP 64
= 1017,29 (kg/m3)
Khối lƣợng riêng của bột cà rốt sau khi sấy, có nhiệt độ là 46oC
Khối lƣợng riêng (kg/m3) của bột sau khi sấy ở đƣợc tính bởi công thức (Nguyễn Tấn Dũng, 2016):
∑
(3.18)
Trong đó: : Khối lƣợng riêng của các thành phần chất khô (kg/m3)
: Tỷ lệ phần trăm của các thành phần (%) Nên:
(kg/m3)
Nhiệt dung riêng của các thành phần trong bột cà rốt sau khi sấy, có nhiệt độ là 46oC
Để tính nhiệt dung riêng của các thành phần chất khô ta tính nhƣ sau (Choi, Y. and Okos, M.R., 1986):
Đổi đơn vị: 1 kilojoule/kilogram/°C [kJ/(kgã°C)] = 1000 joule/kilogram/K [J/(kgãK)]
4183,60 joule/kilogram/K = 4,1836 kilojoule/kilogram/K
Nước:
Cnước = 4176,2 – 90,865.10-3.T + 5473,1.10-6.T2 = 4176,2 – 90,865.10-3.46 + 5473,1.10-6.462
= 4183,60 J/(kg.oC) = 4,1836 (kJ/ kg.K)
Chất béo:
Cbéo = 1984,2 + 1473,3.10-3.T – 4800,8.10-6.T2
= 1984,2 + 1473,3.10-3.46 – 4800,8.10-6.462
= 2041,81 J/(kg.oC) = 2,0418 (kJ/ kg.K)
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNTP 65
Protein:
Cprotein = 2008,2 + 1208,9.10-3.T – 1312,9.10-6.T2
= 2008,2 + 1208,9.10-3.46 – 1312,9.10-6.462 = 2061,03 J/(kg.oC) = 2,0610 (kJ/ kg.K)
Carbohydrate và cả maltodextrin:
Ccarbohydrate = 1548,8 + 1962,5.10-3.T – 5939,9.10-6.T2
= 1548,8 + 1962,5.10-3.46 – 5939,9.10-6.462 = 1626,51 J/(kg.oC) = 1,6265 (kJ/ kg.K)
Tro:
Ctro = 1092,6 + 1889,6.10-3.T – 3681,7.10-6.T2
= 1092,6 + 1889,6.10-3.46 – 3681,7.10-6.462 = 1171,73 J/(kg.oC) = 1,1717 (kJ/ kg.K)
Thành phần khác:
Cim = 1296,78 J/(kg.oC) = 1,2968 (kJ/ kg.K)
Nhiệt dung riêng của bột cà rốt sau khi sấy, có nhiệt độ là 46oC:
Nhiệt dung riêng Csr (kJ/ kg.K) của bột sau khi sấy đƣợc tính bởi công thức (Nguyễn Tấn Dũng, 2016):
∑ (3.19)
Trong đó: : Nhiệt dung riêng của các thành phần chất khô (kJ/ kg.K)
: Tỷ lệ phần trăm của các thành phần (%)
Nên: Csr = 0,03.4,1836 + 0,0222.2,0418 + 0,0517.2,0610 + (0,5249+0,1796).1,6265 + 0,0694.1,1717 + 0,1222.1,2968 = 1,6630 (kJ/ kg.K)
Enthalpy của sản phẩm Q2r Ta có:
Q2r = G2.Csr.t1 (3.20)
Trong đó: Cpv: nhiệt dung riêng của bộ cà rốt tại nhiệt độ t1 (kJ/ kg.K)
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNTP 66 t1: nhiệt độ sản phẩm ra khỏi thiết bị (oC) bằng nhiệt độ bầu ƣớt tại nhiệt độ không khí và ra khỏi thiết bị tkr và độ ẩm tuyệt đối của không khí ra khỏi thiết bị.
Suy ra:
Q2r = 200.1,6630.46 = 15299,6 kJ/h c. Enthalpy của không khí vào (Qkv)
Ta có:
Qkv = Ckv.Gkv.tkv (3.21)
Trong đó: Gkv: khối lƣợng không khí vào máy sấy (kg/h) tkv: nhiệt độ không khí vào, tkv = 180oC
Ckv: nhiệt dung riêng của khí vào, (kJ/ kg.K):
Ckv = 1,005 + 1,88.do (3.22)
Với do là độ chứa hơi của không khí vào, do = 0,0175 kg ẩm/kgkk.
Nên: Ckv = 1,005 + 1,88.0,0175= 1,0379 (kJ/ kg.K).
Vậy:
Qkv = 1,0379.180.Gkv= 186,822.Gkv (kJ/h) d. Enthalpy của không khí ra (Qkr)
Ta có:
Qkr = Ckr.Gkr.tkr (3.23)
Trong đó: Gkr: khối lƣợng không khí ra khỏi thiết bị (kg/h) tkr: nhiệt độ không khí ra, tkr = 80oC
Ckr: nhiệt dung riêng của khí ra, Ckr = 1,005 + 1,88.d (kJ/ kg.K) Với d là độ chứa hơi của không khí ra, d = 0,057 kg ẩm/kgkk.
Nên: Ckr = 1,005 + 1,88.0,057= 1,1122 (kJ/ kg.K) Vậy:
Qkr = 1,1122.80.Gkv= 88,976.Gkr (kJ/h) e. Enthalpy của lƣợng ẩm bốc hơi (Qhh)
Ta có:
Qhh = rhh.W (3.24)
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNTP 67 Trong đó: rhh: ẩn nhiệt hoá hơi tại nhiệt độ trung bình , tra bảng hơi nước quá nhiệt ở 130oC ta có rhh = 2172,96 kJ/kg;
W: hàm ẩm thoát ra khỏi vật liệu (kg/h), W = 221,41 (kg/h) Vậy: Qhh = 2172,96.221,41 = 481115,07 (kJ/h)
f. Tổn thất năng lƣợng
Bảng 14: Thông kê những thông số đã tính toán đƣợc Đại lƣợng Thông số Đơn vị
Q1v 38827,06 KJ/h
Q2r 15299,6 KJ/h
Qkv 186,822.Gkv KJ/h
Qkr 88,976.Gkr KJ/h
Qhh 481115,07 KJ/h
Theo thông số ban đầu đã chọn thì tổn thất năng lƣợng là 20%
Ta có:
Qtt = 0,2.(Q1v +Qkv) (3.25)
Phương trình cân bằng năng lượng cho hệ thống
Q1v + Qkv = Q2r + Qkr + Qtt + Qhh (3.26)
Q1v + Qkv = Q2r + Qkr + 0,2(Q1v + Qkv) + Qhh
0,8(Q1v + Qkv) = Q2r + Qkr + Qhh
0,8(38827,06 + 186,822.Gkv) = 15299,6 + 88,976.Gkr + 481115,07
149,458.Gkv – 88,976.Gkr = 465353,022
Giả sử: Gkv = Gkr
60,482.Gkv = 465353,022
Gkv = 7694,07 (kg/h)
Lƣợng không khí thực tế vào máy sấy Ta có:
Gkvtt = Gkv.do + Gkv (3.27)
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNTP 68 = 7694,07. 0,0175 + 7694,07 = 7828,72 (kg/h)
Lƣợng không khí khô thực tế ra khỏi máy sấy Ta có:
Gkrtt = Gkr.d+ Gkr (3.28) = 7694,07. 0,057 + 7694,07 = 8132,63 (kg/h)
Thể tích không khí vào Ta có:
Vkv = Gkvtt . (3.29)
Trong đó: Gkvtt: lƣợng không khí thực tế vào máy sấy, (kg/h)
: thể tích riêng của không khí ở tkv = 180oC, do = 0,0175 (kg/kgkkk) đƣợc tính nhƣ sau:
= 4,62. 10-6 .T.(622 + do) (3.30) = 4,62. 10-6 .(180+273).(622 + 0,0175) = 1,30 (m3/kg) Suy ra:
Vkv = 7828,72.1,3 = 10177,34 (m3/h)
Thể tích không khí ra Ta có:
Vkr = Gkrtt . (3.31)
Trong đó: Gkrtt: lƣợng không khí thực tế ra khỏi thiết bị, (kg/h)
: thể tích riêng của không khí ở tkr = 80oC, d = 0,057 (kg/kgkkk) đƣợc tính nhƣ sau:
= 4,62. 10-6 .T.(622 + d) (3.32) = 4,62. 10-6 .(80 + 273).(622 + 0,057) = 1,0145 (m3/kg)
Suy ra: