ĐỒ án môn học THIẾT kế hệ THỐNG CUNG cấp NHIỆT THIẾT kế máy sấy TẦNG sôi DÙNG để sấy THÓC với NĂNG SUẤT 500KGMẺ

Đây là một trong những nguồn thu ngoại tệ chính của đất nước.1.2 Sơ lược về quá trình sấy và sấy tầng sôi Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt.. Điều này có

- -ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIỆT

THIẾT KẾ MÁY SẤY TẦNG SÔI DÙNG ĐỂ SẤY

THÓC VỚI NĂNG SUẤT 500KG/MẺ

Lê Thị Phương Thảo 16063381 Trần Ngọc Thuận 16043901

TP.HCM, ngày 31 tháng 05 năm 2019

DANH SÁCH THÀNH VIÊN NHÓM 2

2 Lê Thị Phương Thảo 16063381

DANH SÁCH PHÂN CHIA NHIỆM VỤ

1 Nguyễn Thanh Sang

- Tìm tài liệu tham khảo đề tài.

- Tính toán Chương I, III, IV.

- Điều chỉnh thông số Chương II, V.

- Vẽ CAD sơ đồ Hệ thống.

- Tổng hợp nội dung bài báo cáo.

- Chỉnh sửa, hoàn thiện bài báo cáo cuối cùng.

2 Lê Thị Phương Thảo - Tính toán Chương II.

- Đánh máy Chương I, II.

3 Trần Ngọc Thuận - Tính toán Chương V. - Đánh máy Chương V.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 6

1.1 Sơ lược về thóc (lúa), tính chất và ứng dụng 6

1.2 Sơ lược về quá trình sấy và sấy tầng sôi 7

1.3 Sơ đồ quy trình công nghệ 8

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN TỐC ĐỘ VÀ THỜI GIAN SẤY 10

2.1 Cân bằng vật chất 10

2.1.1 Các ký hiệu sử dụng 10

2.1.2 Các thông số cơ bản 10

2.2 Tính toán tốc độ sấy 12

2.2.1 Xác định tốc độ ban đầu tạo ra chế độ sôi (v s ) 12

2.2.2 Tốc độ làm việc tối ưu (v t ) 13

2.2.3 Tốc độ tới hạn trên của TNS (v th ) 13

2.3 Xác định thời gian sấy bằng phương pháp giải tích 13

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY 17

3.1 Cân bằng năng lượng 17

3.2 Nhiệt lượng gia nhiệt của vật liệu sấy trong 1 mẻ 18

3.3 Nhiệt lượng hữu ích cần bốc hơi 1 kg ẩm trong 1 mẻ 18

3.4 Nhiệt lượng tổn thất của tác nhân sấy trong 1 mẻ 18

3.5 Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh trong 1 mẻ 18

3.5.1 Thiết kế buồng sấy 18

3.5.2 Tính toán tổn thất 20

3.6 Cách xác định đường sấy thực tế 22

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ 24

4.1 Bề dày thiết bị 24

4.1.1 Lưới 24

4.1.2 Buồng sấy 24

4.2 Bộ phận nhập liệu 25

4.4.1 Tính buồng đốt và khói lò 27

4.4.2 Tính Calorifer Cấp Nhiệt 31

4.5 Cyclon phân ly bụi khô 37

4.6 Tính chọn quạt 39

4.6.1 Trở lực 39

4.6.2 Chọn quạt 41

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KINH TẾ 43

5.1 Tính toán điện năng tiêu thụ trong 1 mẻ 43

5.2 Tính toán chi phí cho nhân công 44

5.3 Chi phí thu mua nguyên, nhiên liệu 44

5.4 Chi phí đầu tư ban đầu 44

5.5 Kết luận 45

BẢNG DỰ TOÁN THIẾT BỊ CỦA MÁY SẤY TẦNG SÔI 46

BẢNG LƯƠNG CHO NHÂN CÔNG 47

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Sơ lược về thóc (lúa), tính chất và ứng dụng

Lúa là lương thực chính của 1/2 số dân trên thế giới Lúa là loại cây ưu nóng và ẩm,

do đó lúa thường được trồng nhiều ở các vùng có khí hậu ôn đới và cận nhiệt đới Năng suất của lúa nước là cao nhất, nên lúa thường được trồng ở các châu thổ song lớn Nước

ta có khí hậu và hệ thống sông ngòi rất phù hợp cho việc phát triển cây lúa.

Thành phần hóa học của hạt lúa gồm chủ yếu là tinh bột, protein, xenlulozo Ngoài

ra trong hạt lúa còn chứa một số chất khác với hàm lượng ít hơn so với 3 thành phần kể trên như: đường, tro, chất béo, sinh tố Thành phần hóa học của hạt lúa phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giống, đất đai trồng trọt, khí hậu và chế độ chăm sóc Cùng chung điều kiện trồng trọt và sinh trưởng.

Theo tài liệu [2], ta được:

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của hạt lúa

Thành phần hóa học chính

Ở Việt Nam, lúa gạo là nguồn lương thực chính không thể thiếu trong đời sống con người Lúa còn là nguồn nguyên liệu để sản xuất tinh bột,sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp thực phẩm Lúa cũng được dùng làm thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm Hiện nay, Việt Nam đang đúng thứ hai thế giới về lượng gạo xuất khẩu trên thế giới, và tiếp tục đẩy mạnh việc xuất khẩu gạo sang các nước trên thế giới Đây là một trong những nguồn thu ngoại tệ chính của đất nước.

1.2 Sơ lược về quá trình sấy và sấy tầng sôi

Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt Kết quả của quá trình sấy là hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng lên Điều này có ý nghĩa quan trọng

về nhiều mặt: đối với các nông sản và thực phẩm nhằm tăng khả năng bảo quản: đối với gốm sứ làm tăng độ bền cơ học, đối với than củi làm tăng khả năng đốt cháy… Các vật liệu sau khi sấy đều giảm khối lượng hoặc cả thể tích nên giảm được giá thành vật chuyển.

Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái pha của lỏng trong vật liệu thành hơi Cơ chế của quá trình được diễn tả bởi 4 quá trình

cơ bản sau:

 Cấp nhiệt cho bề mặt vật liệu.

 Dòng nhiệt dẫn từ bề mặt vào vật liệu.

 Khi nhận được lượng nhiệt, dòng ẩm di chuyển từ vật liệu ra bề mặt.

 Dòng ẩm từ bề mặt vật liệu tách vào môi trường xung quanh.

Bốn quá trình này được thể hiện bằng sự truyền vận bên trong vật liệu và sự trao đổi nhiệt ẩm bên ngoài giữa bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh Dựa vào phương phức cung cấp nhiệt cho vật liệu người ta chia thiết bị sấy ra ba nhóm chính:

 Sấy đối lưu.

 Sấy bức xạ, chân không hoặc thăng hoa.

Theo kết cấu nhóm thiết bị sấy đối lưu có thể gặp các dạng thiết bị sau:

Bộ phận chính của TBS tầng sôi là một buồng sấy, phía dưới buồng sấy đặt ghi lò Ghi buồng sấy là một tấm thép có đục nhiều lỗ thích hợp hoặc lưới thép để tác nhân sấy

đi qua nhưng hạt không lọt xuống được Tác nhân sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp được thổi từ dưới lên để đi qua lớp vật liệu Với tốc độ đủ lớn, tác nhân sấy nâng các hạt vật liệu lên và làm cho lớp hạt xáo trộn Quá trình sôi này là quá trình trao đổi nhiệt ẩm mãnh liệt nhất giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy Các hạt vật liệu khô hơn nên nhẹ hơn sẽ nằm ở lớp trên của tầng hạt đang sôi; và ở một độ cao nào đó hạt khô sẽ được đưa ra ngoài qua đường tháo liệu.

Sấy tầng sôi có những ưu điểm và nhược điểm như sau:

Ưu điểm:

 Năng suất sấy cao.

 Vật liệu sấy khô đều.

 Có thể tiến hành sấy liên tục.

 Hệ thống thiết bị sấy tương đối đơn giản

 Dễ điều chỉnh nhiệt độ vật liệu ra khỏi buồng sấy.

 Có thể điều chỉnh thời gian sấy.

Nhược điểm:

 Trở lực lớp sôi lớn.

 Tiêu hao nhiều điện năng để thổi khí tạo lớp sôi.

 Yêu cầu cỡ hạt nhỏ và tương đối đồng đều.

1.3 Sơ đồ quy trình công nghệ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy sấy tầng sôi

1- Quạt 4- Thiết bị sấy 7- Cyclon

3- Lưới phân phối khí 6- Cửa thoát liệu

Yêu cầu của bài toán thiết kế:

Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi để sấy thóc với năng suất 500 kg/mẻ (thành phẩm) Thiết kế hệ thống thiết bị sấy tầng sôi, chủ yếu dùng để sấy thóc đã qua phơi nắng để cho thóc đạt độ khô cần thiết và khô đều hơn, giúp cho việc bảo quản tốt hơn, phục vụ cho việc xuất khẩu Do đó ta chọn độ ẩm của thóc trước khi sấy không cao lắm, và độ ẩm sau khi sấy thích hợp cho sự bảo quản.

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN TỐC ĐỘ VÀ THỜI GIAN SẤY

2.1 Cân bằng vật chất 2.1.1 Các ký hiệu sử dụng

 G 1 : năng suất nhập liệu của vật liệu sấy

 G 2 : năng suất sản phẩm sau khi sấy

 M 1 : độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt trước khi sấy

 M 2 : độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt sau khi sấy

 d 1 : hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khô trước khi vào sấy

 d 2 : hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khô sau khi vào sấy

 W: năng suất tách ẩm

 L: lượng không khí khô cần thiết

 l: lượng không khí khô cần thiết để tách 1kg ẩm ra khỏi vật liệu

2.1.2 Các thông số cơ bản

Trạng thái ban đầu của không khí:

Không khí ra khỏi thiết bị sấy:

Tính nhiệt độ ra của không khí là t 2 =(1,1÷1,15)*t 1_ư (Theo tài liệu [1])

 Chọn t 2 = 1,15 * t ư = 38 o C Dựng chu trình sấy lý thuyết trên giản đồ I-d, từ đó ta có:

I 2 = I 1 = 107,277 kJ/kg KKK và t 2 = 38 o C

=> d = 26,89 g ẩm/kg KKK

b) Đối với vật liệu sấy (thóc)

Theo tài liệu [2], ta có các thông số kích thước sau của thóc:

Khối lượng riêng thể tích: ρ v = 500 kg/m 3 [1]

 2 = t 2 - 5 = 33 0 C

M 2 = 14% (Độ ẩm thích hợp để bảo quản thóc từ 12 ÷ 18 tháng - Theo [1])

 Năng suất tách ẩm trong 1 mẻ:

 Năng suất nhập liệu trong 1 mẻ:

G 1 =G 2 + W = 500 + 90 =590 kg/mẻ

 Lượng vật liệu khô tuyệt đối được sấy trong 1 mẻ:

G k = G 2 (1 - M 2 ) = 500.(1-0,14) = 430 kg/mẻ

 Lượng không khí khô cần thiết để tách 1 kg ẩm trong 1 mẻ:

 Lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy 1 mẻ:

2.2 Tính toán tốc độ sấy

Chọn thiết bị sấy có tiết diện tròn, lưới phân phối có dạng tấm được đục lỗ cho không khí đi lên.

Các thông số của tác nhân không khí trong thiết bị sấy tầng sôi:

 Nhiệt độ tác nhân vào : t 1 = 60 o C

 Nhiệt độ tác nhân ra : t 2 = 38 o C

 Nhiệt độ tính toán trung bình: t m = 49 o C

 Khối lượng riêng:  k = 1,093 kg/m 3

Ta thấy Re s2 > Re s nên cách tính trên là đúng

Khi 20 < Re < 1000, ta có công thức:

2.2.2 Tốc độ làm việc tối ưu (v t )

Tốc độ v t là tốc độ có chế độ sôi ổn định v s < v t < v th Trị số Renoyld ở tốc độ tối ưu tính theo tiêu chuẩn Federov:

Tính vt theo tiêu chuẩn Reynold:

2.2.3 Tốc độ tới hạn trên của TNS (v th )

Khi vật liệu bắt đầu bị lôi cuốn: =1 Chuẩn số Reynold:

Chuẩn số Lyasenco:

Tốc độ tới hạn trên của dòng khí:

2.3 Xác định thời gian sấy bằng phương pháp giải tích

Thời gian sấy vật liệu là tổng thời gian của 3 giai đoạn sấy:

Với:

 τ 0 - Thời gian đốt nóng vật liệu

 τ 1 - Thời gian sấy đẳng tốc

 τ 2 - Thời gian sấy giảm tốc

Xác định thông số nhiệt độ theo quan hệ :

Với t k là nhiệt độ của TNS tính theo nhiệt độ trung bình trong buồng sấy:

Với :

  0 là nhiệt độ vật liệu đưa vào TBS,  0 = t 0 = 30 o C

  1 là nhiệt độ bề mặt bay hơi của vật liệu,  1 = t ư = 33 o C

 Tính trị số Biot khuếch tán nhiệt:

 là tốc độ dòng khí lấy theo tốc độ đốt nóng ban đầu, v k =v t = 2,63 m/s

 là khối lượng riêng không khí,  k =1,093 kg/m 3

Xác định thời gian τ 0 từ phương trình:

Với

 a q - Hệ số dẫn nhiệt độ của vật liệu hay hệ số khuếch tán nhiệt

m 2 /s



Theo yêu cầu của đề tài ta lựa chọn vật liệu sấy là thóc, các thông số của thóc:

 Độ ẩm đầu vào: M 1 = 25%.

 Độ ẩm cuối: M 2 = 14%.

 Khối lượng riêng: ρ h = 1200 kg/m 3

 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu: α q = 69,06 W/m 2 K

 ρ h - khối lượng riêng của vật liệu sấy, ρ h = 1200 (kg/m 3 )

 R - kích thước vật liệu sấy mm

% /h

 Thời gian sấy đẳng tốc:

Theo Phụ lục 2 - [1], ta có:

Bảng 3.1 Độ ẩm cân bằng của hạt lúa (thóc)

Loại hạt

Nhiệt độ ( o C)

Độ ẩm không khí φ (%)

Lúa (Thóc)

 M k1 - Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy tính theo cơ sở khô:

 M kx1 - Độ ẩm tới hạn của vật liệu ẩm cuối giai đoạn sấy đẳng tốc:



Thời gian sấy giảm tốc được tính theo công thức:

Đổi độ ẩm sang cơ sở khô, ta được:

Vì M kx1 ≈ M k1 nên khi bước vào giai đoạn sấy giảm tốc, tốc độ sấy U 2 trong giai đoạn này được lấy theo giá trị U giai đoạn sấy đẳng tốc:

 Tổng thời gian sấy:

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY

3.1 Cân bằng năng lượng

 Nhiệt lượng vào:

- Nhiệt lượng do không khí mang vào: LI 0

- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: G 2 C vl  1 +C n W 1

- Nhiệt lượng do Calorife cung cấp: Q c

 Tổng nhiệt lượng vào: LI 0 + G 2 C vl  1 + C n W 1 + Q c

 Nhiệt lượng ra:

- Nhiệt lượng do không khí ra: LI 2

- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: G 2 C vl  2

- Nhiệt lượng tổn thất trong quá trình sấy: Q m

 Tổng nhiệt lượng ra: LI 2 + G 2 C vl  2 + Q m

 Từ phương trình cân bằng năng lượng, ta được:

Q c = L(I 2 -I 0 ) + G 2 C vl ( 2 - 1 ) + Q m - C n W 1

Ta đặt: Nhiệt lượng gia nhiệt vật liệu sấy: Q vl = G 2 C vl ( 2 - 1 )

Giá trị nhiệt lượng tiêu hao chung cho máy sấy mà ta cần phải cung cấp cũng chính

là giá trị Nhiệt lượng do Caloriphe cung cấp Q c : Q = Q c Vậy ta có: Q = Q c = L(I 2 -I 0 ) + G 2 C vl ( 2 - 1 ) + Q m - C n W 1

Viết cho 1 kg ẩm bốc hơi:

q = q c = l(I 2 -I 0 ) + q vl + q m - C n  1 [1]

Nhiệt lượng bổ sung thực tế: Δ = C n  1 – q vl - q m

kJ/kg.K Với C k = 1,2÷1,7 kJ/kg.K Chọn C k = 1,5 kJ/kg.K là nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối.

- C dx (d o ) - nhiệt dung riêng dẫn xuất

- C pk - nhiệt dung riêng của KKK, C pk = 1,0048 kJ/kg.K

- C dx (d o ) = C pk + C pa d o = 1,0048 + 1,842*0,018 = 1,037956 kJ/kg.K

3.5 Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh trong 1 mẻ 3.5.1 Thiết kế buồng sấy

a) Lưới phân phối

Ta có năng suất sấy G 2 = 500kg Theo thông số lấy từ tài liệu [2], khối lượng riêng thể tích của thóc  v = 500 kg/m 3

Thể tích khối hạt: V = G 2

ρ v =1 m 3 =10 9 mm 3 Diện tích bề mặt lưới: S= V h với h - Chiều cao lớp hạt trước khi sấy; Chọn h = 200mm  S = 5 m 2 = 5.10 6 mm 2

Chọn hình dạng buồng sấy có dạng hình lăng trụ nên lưới phân phối có dạng hình tròn với S = 5.10 6 mm 2  Đường kính tấm lưới: D= √ 4× S

π =2523 mm = 2,5 m Đường kính lỗ lưới: Dựa vào kích thước của hạt vật liệu, để hạt không lọt qua, ta chọn lỗ có đường kính 1,5mm.

b) Chiều cao buồng sấy

Bao gồm: chiều cao lớp tĩnh, chiều cao lớp giả lỏng và chiều cao buồng phân ly

 Chiều cao buồng phân ly: Để đảm bảo cho quá trình hoạt động, ta chọn chiều cao

buồng phân ly bằng 2,5 lần chiều cao lớp tầng sôi:

 Đường kính buồng phân ly: Buồng phân ly phải có đường kính lớn hơn đường

kính vùng tầng sôi để đảm bảo việc phân ly được tốt Vì khi tiết diện tăng lên thì

vận tốc giảm xuống hạt sẽ rơi lại vào giữa tránh bị thổi ra ngoài Khả năng phân ly phụ thuộc khá nhiều vào đường kính buồng phân ly.

 Theo thực nghiệm ta tính toán:

Hình 3.2 Sơ đồ truyền nhiệt qua vách buồng sấy

Ta có: Nhiệt độ trung bình trong buồng sấy t m = (t 1 + t 2 )/2 = 49 o C

t f1 = t m = 49 o C

t f2 = t 0 = 30 o C Không khí trong buồng sấy chuyển động đối lưu cưỡng bức với tốc độ v t = 2,63 m/s Mật độ dòng nhiệt được tính:

q 1 =α 1 (t f1 -t w1 )

Do v t < 5 m/s nên α 1 = 6,15 +4,17.v t = 17,12 W/m

 q mt1 = 17,12.(49-t w1 ) W/m 2 Truyền nhiệt qua tấm thép là bài toán dẫn nhiệt qua vách phẳng có mật độ dòng nhiệt:

Hình 3.3 Quá trình sấy lý thuyết và sấy thực trên đồ thị I-d

Điểm sấy thực tế 2’ được xác định theo công thức:

Điểm 2’ của quá trình sấy thực tế gồm các thông số: t 2’ = t 2 = 38 o C; I 2’ = 106,57 kJ/kgKKK.

Bảng 3.1 Cân bằng nhiệt lượng và hiệu suất buồng sấy

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ

4.1 Bề dày thiết bị 4.1.1 Lưới:

Áp suất trên lưới: P= g×G S = 9,81×500 5 =981 N /m

 K - Hệ số cấu tạo ( Lắp bằng bu long): K = 0,187

 [ σ ] - Ứng suất cho phép của thép CT3: [ σ ] = 140.10 6 N/m 2

Thân buồng sấy chịu tác dụng của lực nén chiều dọc trục

Theo điều kiện bền khi l ≤ 5 D Ta có:

Bề dày buồng sấy: δ } } = { {P} over {π times D times left [σ rSub { size 8{n} } right ]} } } { ¿¿ ¿

Trong đó:

 P - Lực nén dọc chiều trục: P=500×9,81=4905 N

 [ σ ] - Ứng suất nén cho phép của vật liệu chế tạo;

Chọn vật liệu chế tạo là thép CT3 = 140 N/mm 2 = 140.10 6 N/m 2

 C: Hệ số bổ sung do tính toán và độ mài mòn

Chọn: C = 2 mm ⇒δ } } =2 ital mm} { ¿¿ ¿

 Vậy bề dày thép chế tạo buồng sấy là: 2mm

Ta có: δ } } >= sqrt { { {P} over {π times K rSub { size 8{c} } times E} } } } { ¿¿ ¿

Chọn bộ phận nhập liệu dạng băng tải Vì:

 Khác với các thiết bị vận chuyển khác, băng tải có chiều dài vận chuyển khá lớn, năng suất cao kết hợp với kết cấu đơn giản, nhỏ, làm việc tin cậy, thuận tiện.

 Ngày nay đã sản xuất được các loại băng tải độ bền cao, chiều rộng lớn lên đến 3m, chiều dài không bị giới hạn và có thể đi rất xa do áp dụng các đoạn liên kết nhau

 Phù hợp với các dạng vận chuyển, giá thành không cao, đảm bảo an toàn, tiêu tốn năng lượng ít, số lượng công nhân vận hành ít.

 Đối với đề tài việc sử dụng băng tải rất thuận tiện đảm bảo chất lượng hạt thóc trước khi vào buồng sấy, không bị vỡ,

Năng suất thể tích của băng tải được tính theo công thức: