Hệ thống thiết bị sấy thóc

SƠ LƯỢC VỀ QÚA TRÌNH SẤY, SẤY TẦNG SÔI: Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng phương pháp nhiệt.. Nguyên tắc của quá trình sấy là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thá

 Hệ thống thiết bị sấy thóc Giáo viên hướng dẫn :

Sinh viên thực hiện :

Lớp :

, ngày tháng năm

I SƠ LƯỢC VỀ THÓC (LÚA) ,TÍNH CHẤT ,ỨNG DỤNG:

Lúa là nguồn lương thực chính của gần ½ sốdân trên thế giới Lúa là loại cây ưa 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 sông lớn Nước ta có khí hậu và hệ thống sông ngòi rất phù hợp cho việc phát triển cây lúa

Thành phần hoá học của hạt lúa gồm chủ yếu là tinh bột, protein, xenlulose 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 hoá 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

Thành phần hoá học của hạt lúa :

Thành phần Hàm lượng các chất ( % )

các ngành công nghiệp thực phẩm Lúa cũng được dùng làm thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm.

Hiện nay, Việt Nam đang đứng 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

II SƠ LƯỢC VỀ QÚA TRÌNH SẤY, 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 vận 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 nhịêt 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 thức cung cấp nhiệt cho vật liệu người ta chia thiết bị sấy ra ba nhóm chính:

+ Sấy đối lưu+ Sấy tiếp xúc+ Sấy bức xạ, chân không hoặc thăng hoaTheo kết cấu nhóm thiết bị sấy đối lưu có thể gặp các dạng thiết bị sau: + TBS buồng

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 lịêu 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

III SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ:

* Yêu cầu của bài toán thiết kế:

Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi để sấy thóc với năng suất 5000 kg/h (thành phẩm) Thiết bị được đặt ở thị xã Cao Lãnh – Đồng Tháp Với 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.

Nhiên liệu sử dụng: ta có thể chọn dầu FO để đốt nóng tác nhân sấy (không khí)

Phần II CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

I CÂN BẰNG VẬT CHẤT:

Các ký hiệu sử dụng:

G1: năng suất nhập liệu của vật liệu sấy

G2: năng suất sản phẩm sau khi sấy

ω1: độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt trước khi sấy

ω2: độ ẩm trên căn bản vật liệu ướt sau khi sấy

d1 : hàm ẩm của không khí trên căn bản không khí khô trước khi vào sấyd2 : 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

Các thông số cơ bản:

a) Đối với không khí:

Trạng thái ban đầu của không khí:

t0 = 270C

ϕ0 = 80%

Tra đồ thị I-d ta có:

I0 = 72 KJ/Kg KKKd0 = 18 g ẩm/Kg KKKKhông khí vào thiết bị sấy:

Chọn nhiệt độ vào buồng sấy của không khí : t1 = 900C

I1 = 132 Kj/Kg KKKKhông khí ra khỏi thiết bị sấy:

Chọn nhiệt độ ra của không khí là t2 = 450C

Dựng chu trình sấy lý thuyết trên giản đồ I-d, từ đó ta có:

I2 = 139 Kj/Kg KKKd2 = 36 g ẩm/Kg KKK b) Đối với vật liệu sấy (thóc):

Theo tài liệu Kỹ Thuật Sấy Nông Sản-Trần Văn Phú, Lê Nguyên Dương ta có các thông số kích thước sau của thóc

- Các kích thước của thóc:

dài: l = 8,5 mm

rộng: a= 3,4 mm

dày: b = 2 mm

đường kính tương đương: d = 2,76 mm

hệ số hình dạng: ϕhd = 1,68

- Các thông số khác:

nhiệt dung riêng: C = 1,5 KJ/Kg

hệ số dẫn nhiệt: λ = 0,09 W/mK

khối lượng riêng rắn: ρr = 1150 Kg/m 3

diện tích bề mặt riêng khối lượng: f = 1,31 m2/kg

khối lượng riêng xốp: ρv = 500 Kg/m 3

- Vật liệu trước khi vào thiết bị sấy: ta chọn

ω2 = 13% , đây là độ ẩm thích hợp để bảo quản thóc.

2) Năng suất tách ẩm:

20,01

13,020,05000

2 1

Năng suất nhập liệu:

G1 = G2 + W = 5000 + 437.5 = 5437.5 Kg/hLượng vật liệu khô tuyệt đối được sấy trong 1 giờ:

Gk = G2(1-ω2) = 5000(1 - 0,13) = 4350 Kg/hLượng không khí khô cần thiết để tách 1 Kg ẩm:

Lượng không khí khô cần thiết cho quá trình:

II CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG:

* Nhiệt lượng vào:

- nhiệt lượng do không khí mang vào: LI0

- nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: G2Cvlθ1+CnWθ1

- nhiệt lượng do calorife cung cấp: Qc

Tổng nhiệt lượng vào: LI0+ G2Cvlθ1+ CnWθ1+ Qc

* Nhiệt lượng ra:

- Nhiệt lượng do không khí ra: LI2

- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: G2Cvlθ2

- Nhiệt lượng tổn thất trong quá trình sấy: Qm

am Kg kkk Kg d

d

018,0036,0

11

1 2

l W

L= × =437.5 55.5=24305 /

Tổng nhiệt lượng ra:

LI2+ G2Cvlθ2 +QmTừ phương trình cân bằng năng lượng, ta có:

Qc=L(I2-I0)+G2Cvl(θ2-θ1)+Qm-CnWθ1Viết cho 1 Kg ẩm bốc hơi:

Với:

∆=Cnθ1- qvl-qm

Đối với quá trình sấy lý thuyết: ∆=0

qc=l(I2-I0)=55.5(132-72)= kj/kgẩmĐối với quá trình sấy thực tế: lúc này giá trị ∆ sẽ khác 0Nhiệt dung riêng của nước:

Cn = 4,18 KJ/Kg oKNhiệt dung riêng của vật liệu:

1 n m vl 1 2

c (I -I ) q q -C

1 n m vl 1 2 0

I = I +∆

2

K Kg KJ

C vl =1,5(1−0,13)+4,18×0,13=1,85 / 0

Với 1,5 là nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối

Q

q v

5,437

I = Í+∆ −

Ta cho một giá trị d bất kỳ (d<d2), tính được I2” và xác định được điểm 2”

trên giản đồ Nối đường 1-2” cắt đường 45oC ở điểm 2 Đường 0-1-2 xác định

như trên chính là đường sấy thực tế

Giả sử:

d = 30 g ẩm/Kg KKKI1 = 139 Kj/Kg KKK ( bằng với giá trị I2 của quá trình sấy lý thuyết)

= 132,1 Kj/Kg KKK

Điểm 2 của quá trình sấy thực tế có các thông số:

d2= 0,0325 Kg ẩm/Kg KKKI2 = 130 KJ/Kg kkk

ϕ2 = 53%

Ta có thể biểu diễn chu trình sấy lý thuyết và thực tế trên giản đồ I-d, hình

biểu diễn có dạng như sau:

27 40

đường sấy thực đường sấy lý thuyết

h KKK Kg d

d W

0176,00312,0

1878

,41

1 2

b) Nhiệt lượng cần thiết:

Q=L(I2-I1)=30172(130 – 72)=1,75.106 KJ/h

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:

am Kg KKK Kg W

L

878,4

67,358

Q

q 4000 /

5,437

10.75,

=

=

=

Nhiệt độ tác nhân ra: t2 = 45oC

Nhiệt độ tính toán trung bình: t = 67.5oC

Độ nhớt động học: νk= 19.75.10 -6 m2/s

= 10,62.10-2 Kj/mh0K

I-XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ TỚI HẠN:

Chuẩn số Arsimet:

Chuẩn số Reynold tới hạn:

Tốc độ tới hạn:

II- TỐC ĐỘ CỦA TÁC NHÂN TRONG TẦNG SÔI:

5 6

3 3 2

3

10.88,5037

,1)10.75,19(

81,9)037,11150()10.76,2()(

k

d Ar

ρν

ρρ

2,21075

,11

150Re

1 3

0

3 0

th

εε

ε

s m d

v th k

10.76,2

10.75,19.2,210Re

Chọn độ xốp của lúa trong tầng sôi là: ε = 0,7

Chuẩn số Arsimet:

Ar = 5,88.105Chuẩn số Ly được tra từ đồ thị Ly = f(Ar), ta có:

Ly = 200Vận tốc của tác nhân trong tầng sôi được tính theo công thức:

Hệ số giả lỏng của lúa trong tầng sôi:

Vì nhiệt độ trong buồng sấy nhỏ hơn nhiệt độ trên bề mặt lưới phân phối, nên nhiệt độ của tác nhân ở trên bề mặt lưới phân phối là:

Tốc độ thực của tác nhân qua lớp giả lỏng:

s m g

Ly v

k

k r k

037,1

)037,11150(81,9.10.45,20.200)

(

3

2

6 3

ρ

ρρµ

33,25,1

5,

s m t

t v

v l k 3,73 /

5,67273

902735,3273

273 1

=+

+

=+

+

=

s m

v

v k

7,0

5,

3 =

=

=ε

III- TỐC ĐỘ CÂN BẰNG:

Khi vật liệu bắt đầu bị lôi cuốn: ε = 1

Chuẩn số Reynold:

Chuẩn số Liasenco:

Vận tốc cân bằng của lúa:

Vận tốc chủ đạo của dòng khí qua lưới: vak

IV- THỜI GIAN SẤY:

Độ ẩm tới hạn của lúa là ωk = 13,5% (tính trên căn bản vật liệu khô tuyệt đối: Wk=15,6%), nên quá trình sấy lúa từ ω1 = 20% đến ωk = 13,5% là giai đoạn sấy đẳng tốc và từ ωk = 13,5% đến ω2 = 13% là giai đoạn sấy giảm tốc.

Chuẩn số Reynold:

121010

.88,561,018

10.88,561

,018

Re

5

5

=+

=+

=

Ar Ar

4,301510

.88,5

1210Re

5

3 3

=

=

=

Ar Ly

s m g

Ly v

k

k r k

037,1

)037,11150(81,9.10.45,20.4,3015)

(

3

2

6 3

ρ

ρρµ

Chuẩn số Fedorov:

Chuẩn số Nusselt:

Chọn chiều cao lớp hạt ban đầu ở trạng thái tĩnh h0 = 0,05 mKhi đó:

Hệ số cấp nhiệt của tác nhân đến vật liệu:

Với K là hệ số hiệu chỉnh, lấy K=0,8

Tốc độ sấy dẳng tốc:

Trong đó:

Jm: cường độ bay hơi của dòng ẩm (kg/m2h)

69910

.75,19.7,0

10.76,2.5,3

εν

1,92037,1)10.75,19.(

3

81,9)037,11150(410.76,2

3

).(

4

2 6

3

k k

ρρ

34 , 0 0 34

, 0 0 65 , 0 74 ,

.0151,

d

h Fe

Nu

326,11)

05,0.(

09,

4 0 , 34 =

Nu

K h m Kj d

.76,2

10.62,10.326,118,0

N = m

f: diện tích bề mặt riêng khối lượng của vật liệu (m2/kg)

Ta có:

t: nhiệt độ trung bình của tác nhân trong buồng sấy

t = 67,50C

θm:nhiệt độ của vật liệu trong buồng sấy

r: ẩn nhiệt hoá hơi của nước

r

t r

q

J m m m

)( θ

=θ

h m kg

J m 4,9 / 2

7,2417

)5,335,67(64,

W

W k

76,16021

,3

156,025,0

1

τ

Thời gian sấy giảm tốc:

Vậy thời gian sấy vật liệu là:

V- KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ:

a- Lưới phân phối:

Diện tích:

Đường kính tương đương:

Đường kính lỗ lưới: dựa

vào kích thước của hạt vật liệu, để hạt không lọt qua, ta chọn lỗ có đường kính 2,5 mm

Tỷ số tiết diện chảy và lưới:

ph W

W N

W k k

14,0149,0

156,0lg3,26021,3

156,0lg

3,2

2

=τ ττ

2

3,236005

,3037,1

30172

m v

L F

k k

F

F v

v = =4,94

k

ak d

p

v

v F F

Chọn lưới có cách đục lỗ như sau:

b- chiều cao buồng sấy:

Bao gồm chiều cao lớp giả lỏng và chiều cao buồng phân ly

- Chiều cao lớp giả lỏng:

2

2

57,14

2×π×d = d

94,457,

F

d p

h

3,73

0733,07,01

56,0105,01

Để đảm bảo chế độ thuỷ động tốt, ta chọn chiều cao lớp tầng sôi bằng bốn lần chiều cao vùng ổn định Tức là:

- Chiều cao buồng phân ly:

Chiều cao này có thể xác định theo công thức kinh ngiệm:

Trong đó:

Fr: chuẩn số

Frude,

=3,5 m/s =8,65 m/s

D = 1,7 m

Tuy nhiên để đảm bảo cho quá trình hoạt động, ta chọn chiều cao buồng phân ly bằng 2,5 lần chiều cao lớp tầng sôi:

mm h

h=4× 0 =200

35 , 0 25

, 0 65

, 0

08,0

p pl

v

v F

Fr D

27,2110

.76,281,9

5,3

3,2

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 Khả năng phân ly phụ thuộc khá nhiều vào đường kính buồng phân ly.

Chọn:

- Vậy chiều cao

chính của buồng sấy tính từ lưới phân phối là:

VI- BỀ DÀY THIẾT BỊ:

a- Lưới:

Khối lượng vật liệu thường xuyên nằm trên lưới:

Aùp suất trên lưới:

Chiều dày lưới tính

theo công thức:

Trong đó:

m

F D

m F

F

pl pl

p pl

24

99,23,23,13

h h

H = s + pl =200+500=700 =0,7

kg

h F

G p v

5,57

50005,03,2

3,2

5,5781,9

m N F

G g P

-: hệ số hàm yếu do lưới có

Thân buồng sấy chịu tác dụng của lực nén chiều trục

Theo điều kiện bền khi ta có:

Trong đó:

P: lực nén chiều trục

:ứng suất cho phép khi nén của vật liệu chế tạo

ψ

495,0

27

5,22272

22

D

d n

ψ

C mm

C S

495,010.140

25,245187,07,

mm mm

= 140 N/mm2 = 140.106 N/m2 (chọn vật liệu chế tạo là thép CT3)

C: hệ số bổ sungChọn: S=2 mm

+ Điều kiện ổn định:

Ta có:

Trong đó:

(môdun đàn hồi)

4,564

π

E K

P S

c×

×

≥π

2

10.6,

E=

25042522

c

K =

118,0

=

c

k S

D

×

2

mm E

K

P

c

0885,010.4,19118,0

4,564

Ta thấy S=2mm thoả mãn điều kiện ổn định.

+ Điều kiện bền:

vì nên thoả điều kiện

bền

Vậy chiều dày thiết bị là S = 2 mm

VII BỘ PHẬN NHẬP LIỆU:

Chọn bộ phận nhập liệu dạng vít xoắn, vít xoắn đặt nằm ngang

Năng suất của vít tải được tính theo công thức:

T/hTrong đó:

D: đường kính ngoài của cánh vít, mn: số vòng quay của trục vít, v/ph Số vòng quay lớn nhất của trục vít có thể xác định theo công thức thực nghiệm:

v/phA: hệ số thực nghiệm, chọn A=50s: bước vít, s = (0,8 – 1)D chọn s=D, m: khối lượng riêng của thóc, T/m3 1150.10-3 T/m3

9,261700

210.4,19118,

K c

σ

1409

: hệ số chứa đầy, đối với thóc ta chọn bằng 0,4C: hệ số tính tới việc giảm năng suất khi vít tải đặt ngiêng Trong trường hợp này do vít tải đặt nằm ngang nên C=1

0,12 mChọn đường kính của cánh vít theo tiêu chuẩn là 0,125m, bước vít 0,125 mCông suất của động cơ truyền động cho vít tải: đối với vít tải nằm ngang ta sử dụng công thức sau

KWTrong đó:

Q: năng suất của vít tải, T/hC0: hệ số trở lực được xác định bằng thực nghiệm Đối với thóc ta chọn bằng 1,2

L: chiều dài vít tải, chọn L=2m: hiệu suất truyền động của động cơ, chọn bằng 0,8542W

VIII BỘ PHẬN THÁO LIỆU:

Ở đây ta chọn bộ phận tháo liệu là một ống hình tròn, đường kính là 150mm Thóc khi đạt đến độ khô cần thiết sẽ nổi lên trên và tự động được đưa ra ngoài theo ống tháo liệu này Sở dĩ thóc có thể tự động ra ngoài là do tính chất

ϕ

C A

Q D

47

2 / 5

ϕρ

η

=

⇒ N

đặc biệt của lớp hạt ở trạng thái tầng sôi, lúc này lớp hạt giống như là một khối chất lỏng và có thể tự chảy ra ngoài.

I CALORIFE

Nhiên liệu sử dụng ở đây là dầu FO Để cho nhiệt độ của không khí được ổn định khi vào buồng sấy, ta có thể tiến hành gia nhiệt không khí một cách gián tiếp; tức là ta dùng dầu để đốt lò hơi tạo ra hơi nước bão hoà ở 2atm (1190C), sau đó đưa lượng hơi nước bão hoà này qua thiết bị trao đổi nhiệt với không khí Ưu điểm của phương pháp này là không khí ra khỏi calorife không có bụi bẩn, bồ hóng, thóc sau khi sấy sẽ không bị đen, bẩn thuận lợi cho việc xuất khẩu Ngoài

ra nhiệt độ của không khí ổn định sẽ giúp cho quá trình sấy hoạt động ổn định

Như vậy calorife ở đây là thiết bị trao đổi nhiệt, ta chọn thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, tác nhân đun nóng là hơi nước bão hoà ở nhiệt độ 119,60C áp suất 2atm Hơi nước bão hoà đi trong ống, còn không khí đi ngoài ống

Sự biến đổi nhiệt độ của hơi nước và không khí:

=55,24Nhiệt lượng cung cấp:

119,60C

900C

119,60C

270C

min max

min max

log

ln

t t

t t

Q=L(I1 – I0) = 30172(132-72) = 1,81.106 Kj/h

Chọn hiệu suất calorife là 0,85

Vậy nhiệt lượng cung cấp có thể kể đến hiệu suất calorife là

Q=2,13.106 Kj/hChọn ống có đường kính 38/36 mm

Chiều dài ống 3m

1 Hệ số cấp nhiệt phía không khí

Các thông số của không khí ở nhiệt độ trung bình 58,50C

=18,97.10-6 m2/s

=2,9.10-2 W/m0KChọn vận tốc khí đi trong thiết bị là 15m/s

Chuẩn số Re:

=3,005.104Chuẩn số Nu đối với chùm ống xếp xen hàng có tấm chắn:

: hệ số tính tới ảnh hưởng của góc tới, lấy bằng 0,6

Nu=180,7

=145,6 W/m2K

νλ

Re37

d

Nu λ