TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ SINH HỌC Đề tài Tính toán t[.]
Khái niệm
Sấy là quá trình tách ẩm khỏi bề mặt vật liệu thông qua bay hơi, dựa trên sự chênh lệch ẩm giữa bề mặt và bên trong vật liệu Mục đích của quá trình sấy là giảm khối lượng, tăng độ bền cho các vật liệu như gốm, sứ, gỗ, và bảo quản tốt sản phẩm nông sản, lương thực, thực phẩm trong thời gian dài Ngoài ra, sấy còn giúp giảm năng lượng tiêu tốn trong vận chuyển và đảm bảo các thông số kỹ thuật cho các quá trình gia công tiếp theo.
Phân loại
Quá trình sấy bao gồm hai phương thức:
Sấy tự nhiên là phương pháp sử dụng năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời và gió để làm bay hơi nước Mặc dù đơn giản, tiết kiệm chi phí và không tiêu tốn năng lượng, phương pháp này có nhược điểm là không điều chỉnh được tốc độ sấy theo yêu cầu kỹ thuật, dẫn đến năng suất thấp và phụ thuộc vào thời tiết Ngoài ra, nó cũng cần diện tích bề mặt lớn và điều kiện vệ sinh kém, do đó thường được áp dụng cho sản xuất quy mô nhỏ và hộ gia đình.
Sấy nhân tạo là phương pháp sử dụng năng lượng do con người tạo ra để cung cấp nhiệt cho các vật liệu ẩm, thường được thực hiện trong các thiết bị sấy Phương pháp này có nhiều dạng khác nhau, được phân loại dựa trên cách thức truyền nhiệt trong kỹ thuật sấy.
Sấy đối lưu là phương pháp sấy trong đó tác nhân sấy, như không khí nóng hoặc khói lò, tiếp xúc trực tiếp với vật liệu cần sấy Tác nhân này truyền nhiệt để làm khô vật liệu hiệu quả.
Sấy tiếp xúc là phương pháp sấy mà trong đó tác nhân sấy không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu, mà truyền nhiệt cho vật liệu thông qua một vách ngăn.
● Sấy bằng tia hồng ngoại: phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn điện phát ra truyền cho vật liệu sấy.
● Sấy bằng dòng điện cao tần: phương pháp dùng năng lượng điện trường có tần số cao để đốt nóng toàn bộ chiều dày của vât liệu sấy.
Sấy thăng hoa là phương pháp sấy diễn ra trong môi trường chân không cao và nhiệt độ rất thấp, giúp độ ẩm tự do trong vật liệu được đóng băng và bay hơi trực tiếp từ trạng thái rắn thành hơi mà không qua trạng thái lỏng.
Nguyên lí của quá trình sấy
Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối phức tạp, bao gồm khuếch tán bên trong và bên ngoài vật liệu rắn cùng với truyền nhiệt Quá trình này diễn ra theo trình tự, chuyển nước từ pha lỏng sang pha hơi và tách pha hơi ra khỏi vật liệu Động lực chính của quá trình là sự chênh lệch độ ẩm giữa bên trong và bề mặt vật liệu Khuyếch tán chuyển pha chỉ xảy ra khi áp suất hơi trên bề mặt lớn hơn áp suất hơi riêng phần trong không khí Vận tốc của quá trình phụ thuộc vào giai đoạn chậm nhất, và nhiệt độ có thể thúc đẩy hoặc cản trở quá trình di chuyển ẩm ra bề mặt vật liệu.
Trong quá trình sấy, môi trường không khí ẩm xung quanh ảnh hưởng lớn đến vận tốc sấy Do đó, việc nghiên cứu các tính chất và thông số cơ bản của quá trình sấy là rất cần thiết.
Tác nhân sấy là các chất dùng để vận chuyển độ ẩm tách ra từ vật liệu trong quá trình sấy Trong buồng sấy, độ ẩm từ vật liệu luôn được bổ sung vào môi trường Nếu độ ẩm này không được loại bỏ, độ ẩm tương đối trong buồng sấy sẽ tăng lên, dẫn đến việc đạt được sự cân bằng giữa vật liệu và môi trường, từ đó làm ngừng quá trình thoát ẩm của vật liệu sấy.
Vì vậy nhiệm vụ của tác nhân sấy:
- Gia nhiệt cho vật sấy.
- Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật vào môi trường.
- Bảo vệ vật sấy khỏi bị hỏng do quá nhiệt.
Tùy theo phương pháp sấy mà tác nhân sấy có thể thực hiện một trong các nhiệm vụ trên.
Các loại tác nhân sấy:
Không khí ẩm là tác nhân sấy phổ biến, phù hợp với hầu hết các loại sản phẩm Ưu điểm của không khí ẩm bao gồm tính sẵn có trong tự nhiên, không độc hại, và không gây ô nhiễm hay thay đổi mùi vị của sản phẩm sau khi sấy Tuy nhiên, để sử dụng không khí ẩm hiệu quả, cần trang bị bộ gia nhiệt không khí, và nhiệt độ sấy nên được duy trì ở mức thấp, thường nhỏ hơn mức tối đa cho phép.
500 0 C vì nếu nhiệt độ cao quá thiết bị trao đổi nhiêt phải được chế tạo bằng thép hợp kim hay gốm sứ với chi phí đắt.
Khói lò là tác nhân sấy hiệu quả, có khả năng nâng nhiệt độ sấy lên đến 1000 độ C mà không cần thiết bị gia nhiệt Tuy nhiên, việc sử dụng khói lò có thể dẫn đến ô nhiễm cho vật liệu sấy do bụi và các chất độc hại như CO2, SO2.
● Hơi quá nhiệt: tác nhân sấy này được dùng cho các loại sản phẩm dễ bị cháy nổ và có khả năng chịu được nhiệt độ cao.
● Hỗn hợp không khí và hơi nước: tác nhân sấy này chỉ dùng khi độ ẩm tương đối cao.
Do sự khác biệt trong điều kiện sấy, có nhiều loại thiết bị sấy được thiết kế để phù hợp với từng loại vật liệu cụ thể.
Có nhiều cách phân loại thiết bị sấy:
Dựa vào tác nhân sấy, có nhiều loại thiết bị sấy khác nhau như thiết bị sấy bằng không khí, thiết bị sấy bằng khói lò, và các phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng tia hồng ngoại, và sấy bằng dòng điện cao tần.
● Dựa vào áp suất làm việc: thiết bị sấy chân không hay thiết bị sấy ở áp suất thường.
● Dựa vào phương thức và chế độ làm việc: sấy liên tục hay sấy gián đoạn.
● Dựa vào phương pháp cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy tiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu hay thiết bị sấy bức xạ…
● Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải.
● Dựa vào chiều chuyển động của tác nhân sấy: cùng chiều hay ngược chiều.
Chọn thiết bị, tác nhân và phương án sấy:
Khi chọn thiết bị sấy cho cà phê, cần xem xét ưu, nhược điểm của các loại thiết bị và đặc điểm của vật liệu Hệ thống sấy thùng quay là lựa chọn phù hợp, vì nó chuyên dùng để sấy các vật liệu dạng hạt và cục nhỏ Thiết bị này được sử dụng phổ biến trong công nghệ sau thu hoạch để sấy các vật liệu ẩm có kích thước nhỏ.
Khi chọn tác nhân sấy cho cà phê, cần đảm bảo rằng quá trình sấy diễn ra sạch sẽ, không bị ô nhiễm hay bám bụi, vì cà phê là sản phẩm thực phẩm có thể sử dụng trực tiếp hoặc làm nguyên liệu chế biến Đồng thời, việc sấy cà phê không yêu cầu nhiệt độ quá cao, do đó, không khí nóng là lựa chọn phù hợp cho quá trình này.
Chọn phương án sấy cà phê bằng không khí nóng giúp quá trình sấy diễn ra liên tục và hiệu quả Việc sấy cùng chiều giữa vật liệu và tác nhân sấy mang lại tốc độ sấy cao, giảm thiểu co ngót và biến tính sản phẩm, đồng thời giảm nguy cơ hư hỏng do vi sinh vật Nhiệt độ tác nhân sấy không quá cao giúp tăng cường tiếp xúc giữa chúng, rút ngắn thời gian sấy Sau khi hoàn tất, cà phê được tháo ra qua cửa tháo sản phẩm, trong khi tác nhân sấy được thu hồi qua xyclon và thải khí ra môi trường.
1.3 Giới thiệu về hệ thống sấy thùng quay
1.3.1 Hệ thống sấy thùng quay
Hệ thống sấy thùng quay là một thiết bị sấy đối lưu hoạt động ở áp suất khí quyển, với cấu tạo chính là thùng sấy hình trụ tròn nghiêng từ 1 đến 5 độ Thùng được hỗ trợ bởi hai vành đai trượt trên các con lăn, có thể điều chỉnh khoảng cách giữa các con lăn để thay đổi góc nghiêng Tốc độ quay của thùng từ 0,5 đến 8 vòng/phút nhờ vào động cơ điện và hộp giảm tốc Bên trong thùng, cánh đảo được lắp đặt để xáo trộn vật liệu, giúp tăng hiệu suất sấy bằng cách phân phối đều vật liệu và tăng bề mặt tiếp xúc với tác nhân sấy Cấu tạo của các cánh trộn phụ thuộc vào kích thước và độ ẩm của vật liệu Cuối thùng có hộp tháo sản phẩm, trong khi đầu thùng kết nối với lò đốt hoặc ống tạo tác nhân sấy, và có cơ cấu bịt kín để ngăn không khí nóng thoát ra Hệ thống còn bao gồm xyclon để thu hồi sản phẩm bay và thải khí sạch ra môi trường.
Tác nhân sấy và vật liệu sấy có thể di chuyển cùng chiều hoặc ngược chiều Ở đầu nạp liệu bên trong thùng sấy, có lắp một cánh xoắn dài khoảng 700 – 1000mm, chiều dài này phụ thuộc vào đường kính của thùng Vận tốc của tác nhân sấy trong thùng không vượt quá 3 m/s để tránh việc vật liệu bị cuốn ra quá nhanh.
Vật liệu ướt được đưa vào thùng sấy qua phễu nạp liệu ở đầu cao, nơi thân thùng quay tròn Trong quá trình này, vật liệu không chỉ bị xáo trộn mà còn di chuyển từ đầu cao xuống đầu thấp của thùng Sự chuyển động này được hỗ trợ bởi các đệm chắn, giúp phân bố đều vật liệu theo tiết diện thùng và tăng cường tiếp xúc với tác nhân sấy.
Trong quá trình sấy, vật liệu và tác nhân sấy trao đổi nhiệt ẩm khi di chuyển trong thùng quay Sau khi vật liệu đi hết chiều dài thùng sấy, nó sẽ được lấy ra và vận chuyển vào kho bằng băng tải Đồng thời, tác nhân sấy sẽ đi qua xyclon để thu hồi vật liệu sấy từ khí thải, phần khí còn lại sẽ được thải ra ngoài môi trường.
1.3.2 Ưu và nhược điểm của hệ thống sấy thùng quay
+ Quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt nhờ tiếp xúc tốt giữa vật liệu sấy; và tác nhân sấy, chất lượng sản phẩm sấy tốt;
+ Cường độ làm việc tính theo lượng ẩm khá cao, có thể lên tới 100kg/ m 3 h;
+ Thiết bị đơn giản, dễ vận hành, chiếm diện tích mặt bằng nhỏ;
+ Phù hợp sấy cho dạng hạt, sản phẩm sấy dạng dời và bột hoặc bột nhão;
+ Có thể sấy ngay dạng hạt như café, thóc còn ướt, còn bết dính cho ra sản phẩm là cafe, thóc cho ra độ ẩm theo yêu cầu;
+ Phù hợp với quy mô công nghệ, tập trung.
+ Tiêu thụ năng lượng lớn, tổn thất nhiệt lớn;
+ Vật liệu dễ bị vỡ vụn, làm giảm chất lượng sản phẩm;
+ Cần có xyclon để lọc bụi nếu vật liệu sấy tạo nhiều bụi;
+ Tiếng ồn lớn do quạt tạo ra;
+ Không thể sấy được vật liệu dạng khối, vật liệu dễ đập vỡ vì có thể dập nát trong quá trình quay;
+ Đòi hỏi công nhân vận hành có tay nghề;
+ Không phù hợp với quy mô hộ gia đình, năng suất sấy nhỏ.
Tác nhân sấy: không khí nóng
Cafe được đưa vào buồng chứa và sau đó được chuyển vào thùng sấy qua hệ thống gầu tải Độ ẩm ban đầu của cafe là 25%, và nó di chuyển cùng chiều với không khí nóng được quạt đẩy vào hệ thống caloriphe khí – hơi gia nhiệt, nâng nhiệt độ lên 70℃ Chuyển động quay của thùng được thực hiện nhờ bộ truyền động từ động cơ qua hộp giảm tốc đến bánh răng gắn trên thùng Bên trong thùng, các cánh nâng được lắp đặt để nâng và đảo trộn vật liệu sấy, nhằm tăng diện tích tiếp xúc giữa cafe và không khí nóng, từ đó cải thiện bề mặt truyền nhiệt và tăng cường trao đổi nhiệt, giúp quá trình sấy diễn ra hiệu quả hơn.
Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi
- Nhiệt dung riêng của cà phê ở độ ẩm W 2 = 13,5% là:
C v = C vk × (1 - W 2) + C a × W 2 , kJ/kgđộ (CT 7.40 – trang 141 – [1])
C vk : Nhiệt dung riêng của vật liệu khô; C vk = 1,54912 kJ/kgđộ
C a : Nhiệt dung riêng của hơi nước; C a = 0,37 kcal/kgđộ = 4,1868 kJ/kgđộ
- Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi viết ứng với 1 kg ẩm là: q v = Q W v = G 2 ×C v ×( W t v2 −t v 1 ) , kJ/kgđộ (CT 7.19 – trang 135 – [1])
Trong đó: t v2 , t v 1: nhiệt độ của vật liệu sấy sau và trước khi sấy
G2: lượng vật liệu ra khỏi thùng sấy, (kg/h)
C v : Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy ở độ ẩm W 2, (kJ/kgđộ)
=> Vậy tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi là:
Tổn thất nhiệt ra môi trường do các kết cấu bao che
Để xác định tổn thất nhiệt ra môi trường từ các kết cấu bao che, cần giả định tốc độ sấy của tác nhân sấy là w (m/s) Sau khi hoàn tất tính toán lượng tác nhân trong quá trình sấy thực tế, chúng ta sẽ tiến hành kiểm tra lại giả thiết này.
Tốc độ tác nhân sấy trong thiết bị sấy thực tế được giả thiết dựa trên tốc độ sấy lý thuyết \$w_0\$ (m/s) Tốc độ này được xác định bằng tỷ số giữa lưu lượng thể tích trung bình của quá trình sấy lý thuyết \$V_{tb}\$ và tiết diện tự do của thùng sấy.
Theo bảng VII.25 (Tr123, [2]), hệ số điền đầy trong hệ thống sấy thùng quay chiếm khoảng 10÷25% thể tích thùng sấy Nếu chọn hệ số điền đầy là 0,2, thì tiết diện tự do của thùng sấy có thể được tính gần đúng.
=> Khi đó tốc độ tác nhân sấy lý thuyết w 0 bằng: w 0 = V F tb td = 4,79 1,86 = 2,58 (m/s)
* Giả thiết tốc độ TNS trong quá trình sấy thực w = 2,58 m/s
Như vậy, các dữ liệu để tính mật độ dòng nhiệt gồm:
● Nhiệt độ dịch thể nóng trong trường hợp này là nhiệt độ trung bình của TNS vào và ra khỏi thùng sấy: t f 1 = 0,5 × ( t 1 + t 2 ) = 0,5 × (70 + 35) = 52,5 ℃
● Nhiệt độ dịch thể lạnh: nhiệt độ này chính bằng nhiệt độ môi trường: t f 2 = t 0= 25 ℃
Tra bảng XII.7 (Tr313,[2]) ta được hệ số dẫn nhiệt của CT3 là 71,58 (W/mK) và bảng I.126 (Tr128, [3]) ta có được hệ số dẫn nhiệt của bông thủy tinh là 0,0375
(W/mK) Lựa chọn các thông số kích thước bề dày thân thùng sấy, ta được bảng sau:
Bảng 2.2: Chọn bề dày thùng sấy
STT Tên lớp Vật liệu Độ dày(m) Hệ số dẫn nhiệt
1 Lớp thùng quay CT3 δ 1 = 0,008 λ1 = 71,58 W/mK
2 Lớp bảo ôn Bông thủy tinh δ 2 =¿ 0,036 λ2 = 0,0375 W/mK
3 Lớp bảo vệ CT3 δ 3 =¿0,006 λ3 = 71,58 W/mK
● Đồ thị quá trình truyền nhiệt:
Hình 2.4: Đồ thị quá trình truyền nhiệt
● Các quá trình truyền nhiệt xảy ra:
+ Quá trình cấp nhiệt (chế độ đối lưu cưỡng bức) từ tác nhân đến thành trong của thiết bị sấy;
+ Quá trình dẫn nhiệt từ thành trong ra thành ngoài thiết bị sấy;
+ Quá trình cấp nhiệt (chế độ đối lưu tự nhiên) từ thành ngoài của thiết bị sấy đến môi trường.
Hệ số truyền nhiệt từ TNS ra ngoài môi trường xung quanh K được tính theo công thức:
Hệ số trao đổi nhiệt giữa tác nhân sấy và thành trong của thiết bị sấy được ký hiệu là α 1 (W/m² độ), trong khi hệ số trao đổi nhiệt giữa thành ngoài của kết cấu bao che và môi trường là α 2 (W/m² độ) Hệ số dẫn nhiệt của các lớp trong kết cấu bao che được ký hiệu là γ n (W/m.độ), và chiều dày của các kết cấu bao che được ký hiệu là δ n (m) Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra từ tác nhân sấy đến thiết bị sấy.
Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt giữa tác nhân sấy và thành trong của thùng sấy được xác định theo công thức: q 1 = α 1 × ( t f 1– t w 1), W/ m 2 (CT 5.37 – trang 214 – [4])
Nhiệt độ thành trong của thiết bị sấy được ký hiệu là \$t_{w1}\$, trong khi hệ số cấp nhiệt từ vật liệu sấy đến thành trong của thiết bị sấy do đối lưu cưỡng bức được ký hiệu là \$\alpha_{1}\$, và nó phụ thuộc vào chế độ chuyển động của khí Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy là \$t_{f1} = 52,5^\circ C\$.
Chuẩn số Reynolds(Re) được xác định theo công thức:
Trong đó: w: vận tốc tác nhân sấy, w= 2,58 m/s.
D: kích thước hình học chủ ,yếu (đường kính thùng sấy), D= 1,72m. ϑ : độ nhớt động học của tác nhân sấy Tra phụ lục 6 – trang 350 – [1], ở 52,5
Vì Re >10 4 nên ta chọn dòng khí trong thiết bị chuyển động chảy xoáy.
Trong đó: ε 1: hệ số hiệu chỉnh tính đến ảnh hưởng tỷ số giữa chiều dài và đường kính thùng sấy.
Ta có L/D= 5 Tra bảng V.2 – trang 16 – [2] và sử dụng phương pháp nội suy ta ε
Trong đó : α 1 : hệ số cấp nhiệt, W/m 2 K.
D : kích thước hình học chủ yếu (đường kính thùng sấy), D= 1,72m. λ: hệ số dẫn nhiệt của tác nhân sấy, Tra phụ lục 6 – trang 350 – [1], ở 52,5 ℃ có: λ = 2,8475 ×10 −2 W/mK.
Vậy α 1 = 2,8475 × 1,72 10 −2 × 414,1 = 6,86 (W/ m 2 K) b Quá trình trao đổi nhiệt từ thành ngoài của thiết bị đến môi trường không khí
- Xác định α 2theo công thức: α 2 = α 2 ' + α 2 '' , W/ m 2 K (CT 1.47 – trang 32 – [6])
Trong đó: α 2 ' : hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiên(W/ m 2 K) α 2 '' : hệ số cấp nhiệt do bức xạ (W/ m 2 K)
Trong đó: g: gia tốc trọng trường, g= 9,81 m 2 /s β : hệ số dãn nở thể tích.
∆ t : hiệu số nhiệt độ giữa bề mặt trao đổi nhiệt và dòng. l : kích thước hình học chủ yếu, m. ϑ : độ nhớt động học của tác nhân sấy.
Giả sử nhiệt độ mặt ngoài của thùng sấy là t w 4= 30 o C
Nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và bề mặt ngoài của thùng sấy là t tb1 = t f 2 + 2 t w 4 = 25+30 2 = 27,5 o C
- Tra phụ lục 6 – trang 350 – [1], tại 27,5 ℃ có: ϑ = 15,765 × 10 −6 m 2 /s λ = 2,65 ×10 −2 W/mK
- Trong đó: ε n : mức độ đen của hệ, tra bảng V.4 – trang 35 – [2], với vật liệu là thép ta được: ε n = 0,8
C 0 : hệ số của vật đen tuyệt đối, C 0= 5,7 W/ m 2 ° K 4
T 1 , T 2: nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt thiết bị sấy và môi trường xung quanh, °
( 30+ 273)−(25+273) = 4,95 (W/ m 2 K) Vậy α 2= 1,82 + 4,95= 6,77 (W/ m 2 K) c Tính hệ số truyền nhiệt k=
- Do đó mật độ dòng nhiệt từ tác nhân sấy bên trong thiết bị ra môi trường không khí bên ngoài là: q = k × ( t f 1 - t f 2)= 0,78 × (52,5 – 25) = 21 (W/ m 2 )
- Ta có: mật độ dòng nhiệt từ tác nhân sấy bên trong thiết bị ra đến thành ngoài của thiết bị sấy là: q’ = k’ × ( t f 1 - t w 4)= 0,9 × (52,5 – 30) = 20,25 (W/ m 2 )
71,58 = 0,9 W/ m 2 độ - Sai số giữa q và q’: n = | q− q' | q = |21−20,25|
Với sai số này có thể chấp nhận được
Vậy lượng nhiệt tổn thất ra môi trường do các kết cấu bao che là:
Q mt : là mật độ dòng nhiệt.
F: diện tích bao quanh thùng sấy
Để tính toán truyền nhiệt qua thành thùng sấy, chúng ta coi quá trình này tương tự như truyền nhiệt qua vách phẳng Do đó, diện tích bề mặt xung quanh thùng sấy được xác định bằng diện tích của phần hình trụ, tính theo diện tích trung bình.
D tb : đường kính trung bình của thùng sấy; D tb = 1,72+1,82 2 = 1,77 m.
L: là chiều dài thùng sấy; L= 6,88m.
=> Do đó tổn thất nhiệt ra môi trường:
Q mt = 3,6 x 21 x 43,18= 3264,408 (kJ/h) q mt = Q W mt = 3264,408 245 = 13,32 (kJ/kgẩm)
Trong hệ thống sấy thùng quay, tổng tổn thất nhiệt bao gồm tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi và tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường qua các kết cấu bao che Tổng tổn thất nhiệt được xác định bằng cách cộng hai loại tổn thất này lại với nhau.
Q tt = Q v + Q mt = 15241,45 + 3264,408= 18505,86 (kJ/h) q tt = q v + q mt = 62,21 + 13,32 = 75,53 (kJ/kg ẩm)
2.5.2 Tính toán quá trình sấy thực
Tính giá trị ∆ (nhiệt lượng bổ sung thực tế):
∆ = C a × t o –( q v + q mt ), kJ/kgẩm (CT trang 221-[1])
C a : nhiệt dung riêng của hơi nước, C a = 4,1868 kJ/kg.độ t 0 : nhiệt độ bên ngoài môi trường, t 0= 25 ℃
Xác định các thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực:
Xác định lượng chứa ẩm d 2: d 2 = C pk × ( t 1 −t 2 ) + d 0 ×(i 1 − ∆) i 2 − ∆ , kgẩm/kgkkk (CT 7.31 – trang 138 – [1]) - Trong đó:
C pk : nhiệt dung riêng của không khí khô, C pk = 1,004 (kJ/kg.K) i 1 , i 2: entanpy của 1 kg hơi nước ở nhiệt độ t 1, t 2 (kJ/kg)
- Theo công thức 2.24 – trang 29 – [1], ta có: i a = r + C pa × t
+ Với r: ẩn nhiệt hóa hơi, r= 2500 (kJ/kg).
+C pa :nhiệt dung riêng của hơi nước, C pa = 1,842 (kJ/kg.K).
I 2 = C pk ×t 2 + d 2 ×i 2 , kJ/kgkkk (CT 7.33 – trang 138 – [1])
Xác định độ ẩm tương đối φ 2 : φ 2 = P P ×d 2 b 2 × (0,621 +d 2 ), % (CT 7.34 – trang 138 – [1])
* Đồ thị biểu d iễn quá trình sấy thực:
Hình 2.5: Đồ thị I-d quá trình sấy thực
Xác định lượng tác nhân sấy thực tế
● Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi một kg ẩm vật liệu sấy là: l = d 1
● Vậy lượng tác nhân sấy vào thiết bị là:
● Theo phụ lục 5 – trang 349 – [1], thể tích không khí khô trước quá trình sấy là v 1 = 1,035 m 3 /kgkk và sau quá trình sấy là v 2= 0,949 m 3 /kgkk.
● Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy trước quá trình sấy V 1:
● Lưu lương thể tích của tác nhân sấ sau quá trình sấy V 2:
● Lưu lượng thể tích trung bình của quá trình sấy thực V tb :
● Kiểm tra lại giả thiết về tốc độ của tác nhân sấy:
Tốc độ của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực bằng: w = V F tb td = 4,72 2,1 = 2,2(m/s) Như vậy giả thiết tốc độ sấy w = 2,58 m/s là chấp nhận được.
2.5.3 Tính toán cân bằng nhiệt
Nhiệt lượng tiêu hao q: q = l × ( I 1 - I 0) (CT trang 222 – [1]) q = 69,93 × (113,395 – 66,855) = 3254,54 (kJ/kgẩm)
Nhiệt lượng có ích q 1: q 1 = i 2– C a × t v1 (CT trang 222 – [1]) q 1 = 2564,47– 4,1868 × 25 = 2459,80 (kJ/kgẩm)
Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi q 2: q 2 = l ×C dx ( d 0) × ( t 2 - t 0) (CT trang 222 – [1])
Với C dx ( d 0) là nhiệt dung riêng dẫn xuất của tác nhân sấy trước quá trình sấy.
C dx ( d 0) = C pk + C pa × d 0 (công thức 7.10 – trang 130 – [1])
C dx ( d 0) = 1,004 + 1,842 × 0,0164= 1,0342 (kJ/kgkk) q 2 = 69,93 × 1,0342 × (35 – 25)= 723,22 (kJ/kgẩm)
Tổng nhiệt lượng có ích và các tổn thất q ' là: q ' = q 1 + q 2 + q v + q mt
Nhiệt lượng tiêu hao \$q\$ và tổng nhiệt lượng có ích với các tổn thất \$q'\$ phải bằng nhau theo nguyên tắc Tuy nhiên, trong quá trình tính toán, sai số có thể xảy ra do làm tròn hoặc khi tra đồ thị, dẫn đến những sai lệch không mong muốn.
Với sai số này trong tính toán là cho phép.
Ta có bảng cân bằng nhiệt:
Bảng 2.2: Bảng cân bằng nhiệt
STT Đại lượng Kí hiệu kJ/kgẩm
2 Tổn thất do tác nhân sấy q 2 723,22
3 Tổn thất do vật liệu sấy q v 62,21
4 Tổn thất ra môi trường q mt 13,32
Tổng nhiệt lượng có ích và các tổn thất q
7 Tổng nhiệt lượng tiêu hao Q 15241,45
PHẦN 3: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ
3.1 Tính toán và chọn calorifer
Trong kỹ thuật sấy, có hai loại calorifer phổ biến để đốt nóng không khí: calorifer khí – hơi và calorifer khí – khói Đặc biệt, trong công nghệ sấy cà phê, calorifer khí – hơi được ưa chuộng sử dụng hơn cả.
Calorifer khí – hơi là thiết bị trao đổi nhiệt có vách ngăn, với hơi bão hòa ngưng tụ bên trong ống và không khí chuyển động bên ngoài Hệ số trao đổi nhiệt của khí ngưng hơi nước cao hơn nhiều so với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ngoài ống và không khí Để tăng cường hiệu quả truyền nhiệt, phía không khí thường được thiết kế với cánh Do đó, calorifer khí – hơi trong kỹ thuật sấy thường là loại vách ngăn có cánh.
Nhiệt lượng mà calorifer cần cung cấp cho tác nhân sấy Q là:
L: là lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy thực tế(kg/h)
I 0 , I 1:Entanpy của tác nhân sấy trước và sau khi ra khỏi calorifer(kJ/kgkk) Vậy Q = 17132,85 × (113,395 – 66,855) = 797362,84 (kJ/h)
Công suất nhiệt của calorifer: Q cal = n Q cal , kJ/h
Q: nhiệt lượng đưa vào buồng sấy, (kJ/h) n cal : hiệu suất nhiệt của calorifer, chọn n cal = 0,95
Do nhiệt độ tác nhân sấy không quá cao nên ta chọn lò hơi có áp suất bão hòa là 5 bar.
Tra bảng nước và hơi nước bão hòa theo áp suất ta có ẩn nhiệt hóa hơi 2114 kJ/kg.độ Nhiệt độ hơi nước bão hòa là 152 ℃
Lưu lượng hơi cần cung cấp: D= n Q cal ×r = 0,95× 797362,84 2114 = 397,03 (kg/h).
Bề mặt truyền nhiệt của calorifer F được tính theo công thức:
F = k ×∆ t Q tb × n cal = k ×∆ t L ×( I 1 − I 0 ) tb × n cal , m 2 (CT 17.23 – trang 326 – [1])
F: diện tích trao đổi nhiệt, bề mặt phía có cánh, m 2
Q: nhiệt lượng mà calorifer cần cung cấp cho tác nhân sấy, W
∆ t tb : độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hơi và không khí, o K k : hệ số truyền nhiệt của thiết bị, W/ m 2 K n cal : hiệu suất của calorifer
- Tra bảng 17.5 – trang 327 – [1], chọn k= 30,587 (W/ m 2 k) với lưu lượng không khí bằng 10 kg/ m 2 s và trở lực phía không khí là 14,0 mmHg.
- Tính chênh lệch nhiệt độ trung bình ∆ t tb :
Với t b là nhiệt độ bão hòa của hơi nước, t b = 152 ℃
Vậy bề mặt truyền nhiệt của calorifer:
Tra bảng 4 – phụ lục 1–trang 182 – [5], ta chọn calorifer K ∅ 11 ta có:
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
Diện tích tiết diện khí đi qua (m 2 )
Diện tích tiết diện môi chất đi qua (m 2 )
Kích thước (mm) Đường kính ống môi chất đi vào (mm)
3.2 Tính trở lực và chọn quạt
Trong hệ thống sấy, quạt đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển không khí và tạo áp suất cho dòng khí đi qua các thiết bị như calorifer, máy sấy, đường ống và xyclon Nhiệm vụ chính của quạt là tạo ra dòng chảy của tác nhân sấy với lưu lượng phù hợp theo yêu cầu của quá trình sấy Năng suất của quạt được xác định bởi thể tích khí đi vào hoặc ra khỏi thiết bị sấy Trong thiết bị sấy, hai loại quạt phổ biến được sử dụng là quạt ly tâm và quạt hướng trục, và chúng có thể được phân loại thành ba loại dựa trên áp suất tạo ra.
- Quạt áp suất thấp, tổng cột áp tạo ra đến 100 mmH2O;
- Quạt trung áp, tổng cột áp tạo ra 100 – 300 mmH2O;
Quạt cao áp có tổng cột áp từ 300 đến 1500 mmH2O Việc lựa chọn loại quạt phù hợp phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật của hệ thống sấy, bao gồm trở lực cần khắc phục (\$∆ p\$), năng suất quạt phải tải đi (\$V\$), cũng như nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy.
Khi chọn quạt, giá trị cần xác định là hiệu suất của quạt.
* Cột áp toàn phần mà quạt phải khắc phục:
∆ p 0 : trở lực qua các đường ống tác nhân sấy.
∆ p s : trở lực qua thiết bị sấy (do lớp vật liệu tạo nên).
∆ p : áp suất động của khí thoát.
Trở lực qua các đường ống tác nhân sấy ∆ p 0:
Trong trường hợp ống dẫn khí có tiết diện như nhau, ta có:
Trong đó : λ : hệ số trở lực ma sát.
Chiều dài ống được ký hiệu là L (m), trong khi đường kính tương đương của ống dẫn khí được ký hiệu là d (m) Khối lượng riêng của khí tại nhiệt độ 52,5 °C là ρ = 1,08475 (kg/m³) Tốc độ của khí trong ống được ký hiệu là w (m/s), và tổng các hệ số trở lực cục bộ được ký hiệu là Σξ Gia tốc trọng trường được ký hiệu là g, với giá trị g = 9,81 m/s².
Hệ số trở lực ma sát đối với ống tiết diện hình tròn, chảy rối:
Chọn điều kiện ống dẫn: d = 0,3 (m); ϑ = 18,205 ×10 −6 ( m 2 /s)
Chọn chiều dài tổng cộng của ống: L= 6 (m)
Ta tính được vận tốc của tác nhân đi trong ống: w = ℜ d ×ϑ = 15000× 18,205× 0,3 10 −6 = 0,91 (m/s).
Hệ số trở lực cục bộ:
Trên đường ống thường gặp các trở lực cục bộ sau: các nút nối, các cửa điều chỉnh, tiết diện côn, đột thu,
Tổng đột thu, bao gồm quá trình từ nhỏ sang to và từ to sang nhỏ, sẽ dẫn đến sự thay đổi hướng và dòng chảy Ở mỗi đột thu, sự chênh lệch vận tốc xuất hiện, do đó ta có thể áp dụng công thức tổng hợp là \(\sum \varepsilon_1 = 0,5\).
Tổng các nút nối trên đường ống để chuyển hướng đi của các tác nhân sấy và vật liệu vào ra, chủ yếu là các ống gập góc vuông, cho phép chúng ta tính toán với công thức \(\sum \varepsilon^2 = 1,5\).
Trở lực qua thiết bị sấy ∆ p s :
Trở lực của dòng tác nhân sấy đi qua lớp vật liệu trong thùng sấy:
Trong đó: a: hệ số thủy động.
L: chiều dài thùng sấy, L= 6,88 m. w: tốc độ tác nhân sấy, m/s ρ k : mật độ hay khối lượng riêng của tác nhân sấy, ρ k = 1,08475 kg/m 3 tại 52,5
C 1 : hệ số đặc trưng cho độ chặt của lớp hạt. g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s 2 d :đường kính trung bình của hạt đường cà phê; d=7mm=7 ×10 −3 m
Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy là 57,5 ℃ nên theo phụ lục 6 – trang 350 – [1] ta có thể lấy gần đúng ϑ = 18,205 ×10 −6 m 2 /s
Trong đó: ε = ρ v − ρ ρ dx v (CT 10.22 – trang 213 –[1])
Với ρ v là khối lượng riêng của hạt; ρ v = 650 kg/m 3 ρ dx : khối lượng riêng của khối hạt chuyển động trong thùng sấy và bằng ρ dx = 0,25 0,75 ×(G × 1 + 2× V G 2 )× β = 0,25× 0,75 (1845+ × 2 ×23,84 1600) × 0,2 = 4,82 (kg/ m 3 ) ε = 650−4,82 650 = 0,993
Tính áp suất khí động của khí thoát ∆ p d :
Trong đó: ρ :khối lượng riêng của khí, ρ = 1,08475 kg/ m 3 w: tốc độ khí thải vào môi trường. g : gia tốc trọng trường, g= 9,81 m/s 2
