TÍNH CHẤT VẬT ẨM VÀ CÔNG NGHỆ SẤY

Kỹ thuất sấy đóng vai trò vô cùng quan trọng trong công nghiệp và đời sống.

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuất sấy đóng vai trò vô cùng quan trọng trong công nghiệp và đời sống Trong quy trình công nghệ sản xuất của rất nhiều sản phẩm đều có công đoạn sấy khô

đẻ bảo quản dài ngày Công nghệ này ngày càng phát triển trong công nghiệp như công nghiệp chế biến hải sản, rau quả công nghiệp chế biến gỗ, công nghiệp sản xuất vật liệ xây dựng và thực phẩm khác.Các sản phẩm nông nghiệp dạng hạt như lúa, ngô, đậu, cà fê sau khi thu hoạch cần sấy khô kịp thời, nếu không sản phẩm sẽ giảm phẩm chất thậm chí bị hỏng dẫn đến tình trạng mất mùa sau thu hoạch

Thực tế cho thấy các quá trình nhiệt nói chung và quá trình sấy nói riêng là những quá trình công nghệ rất phức tạp Chẳng hạn quá trình sấy là một quá trình tách ẩm khỏi vật liệu nhờ nhiệt và sau đó sử dụng tác nhân để thải ẩm ra môi trường với điều kiện năng suất cao, chi phí vận hành , vốn đầu tư bé nhất nhưng sản phẩm phải có chất lượng tốt, không nứt nẻ cong vênh , đầy đủ hương vị

Để thực hiện quá trình sấy người ta sử dụng một hệ thống gồm nhiều thiết bị như : thiết bị sấy (buồng sấy, hầm sấy, tháp sấy, thùng sấy v.v ), thiết bị đốt nóng tác nhân (calorifer) hoặc thiết bị lạnh để làm khô tác nhân, quạ, bơm và một số thiết bị phụ khác như buồng đốt, xyclon v.v Chúng ta gọi hệ thống các thiết bị thực hiện quá trình sấy

cụ thể nào đó là một hệ thống sấy

Trong đò án môn học này em được giao thiết kế thiết bị sấy cá xuất khẩu.Với kiến thức còn hạn chế, tài liệu tham khảo chưa đầy đủ nên còn nhiều bỡ ngỡ và chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Mong được các thầy cô trong khoa chỉ dẫn thêm

để em hoàn thành tốt đồ án sau Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.TRẦN VĂN VANG đã hướng dẫn tận tình đẻ em hoàn thành được đồ án này.

Trần Đình Nguyên Lộc

Chương I: TÍNH CHẤT VẬT ẨM VÀ CÔNG NGHỆ SẤY

1.1 Tính chất vật ẩm

- Cá chuồn là loại thủy sản có ít mỡ,có độ ẩm từ 78÷80% Khi cá chết thì với độ ẩm cao

như vây sẽ là môi trường thuận lợi cho các loại vi khuẩn phát triển gây ra hiện tượng thối rữa

- Nếu ta làm giảm độ ẩm xuống còn 35÷10% thì sẽ ngăn cản được một số loại vi khuẩn.Nếu độ ẩm chỉ còn 10÷ 12% thì hầu như vi khuẩn không còn phát triển được nữa Ngoài ra còn có nhiệt độ, độ ẩm tới quá trình thối rữa của cá

- Cá chuồn là loại cá ít mỡ nên nhiệt dung riêng của cá chuồn ta chọn là 3,62 kJ/kgK

1.2 Phương pháp sấy và chế đô ̣ sấy

Có nhiều phương án sấy để sấy vật liệu Mỗi phương thức sấy đều co ưu khuyết điểm riêng của nó

Sấy đối lưu ngược chiều: vật liệu sấy và tác nhân sấy đi ngược chiều nhau Tác nhân sấy ban đầu có nhiệt độ cao và độ ẩm thấp nhất tiếp xúc với vật liệu sấy có độ ẩm nhỏ nhất (vật liệu sấy chuẩn bị ra khỏi hầm sấy) Dọc theo hầm sấy tác nhân sấy giảm dần nhiệt độ và độ ẩm tăng dần di chuyển về phía đầu hầm sấy tiếp xúc với vật liệu sấy có độ ẩm cao nhất Nên càng về cuối lượng ẩm bốc hơi càng giảm và tốc độ sấy cũng giảm dần Ưu điểm: vật liệu sấy lấy ra khỏi thiết bị sấy có nhiệt độ cao nên khô hơn

Sấy đối lưu xuôi chiều: vật liệu sấy và tác nhân sấy đi cùng chiều nhau Vật liệu ban đầu có độ ẩm lớn tiếp xúc với tác nhân sấy ban đầu có nhiệt độ cao, độ ẩm nhỏ nên bốc hơi nhanh Ưu điểm: thiết bị đơn giản hơn so với sấy ngược chiều Nhược điểm: độ

ẩm cuối của vật liệu sấy còn cao hơn sovới sấy ngược chiều

Vậy trường hợp sấy cá theo phương phâp sấy ngược chiều hiệu quả nhất.Chọn tác nhân sấy: để sản phẩm được tinh khiết không bị bám bẩn ta sử dụng tác nhân sây là không khí

1.3 Tiêu chuẩn và lựa cho ̣n nguyên liê ̣u đầu vào

* Tiêu chuẩn chọn cá:

- Cá phải tươi tốt, thịt cứng trọng lượng khoảng 200g/con

- Cá còn nguyên vẹn không bị tổn thương

- Cá không bị dịch bệnh

- Cá có mùi tanh tự nhiên

* Xử lý cá

- Dùng dao mổ bụng loại bỏ những thành phần như: ruột, gan mật, bong bóng

- Cắt bỏ đầu, bỏ xương bỏ vảy

- Rửa sạch mạch máu và các phần bẩn khác bám trong cá

1.4 Công nghê ̣ sấy cá

- Trong quá trình phải đảm bảo không làm mất chất cá tức là phải đảm bao mùi vị của cá

- Để đáp ứng tiêu chẩn ta dùng tác nhân sấy là không khí nóng đối lưu cưỡng bức Nhiệt độ sấy khoảng 45÷ 700 C, trong khoảng 8h Để độ ẩm của cá giảm xuống còn 10÷20%, cá được xếp trên những vỉ sắt không được dày quá, các khay được sắp trên xe goòng rồi đưa vào hầm sấy

- Nguồn nhiệt để gia nhiệt cho khí nóng trong hầm là calorife khí-hơi

- Lượng ẩm sau khi thoát ra được thải ra ngoài môi trường

1.5 Quy trình chế biến cá khô xuất khẩu

- Chọn cá

- Xử lý cá

- Sấy cá ở nhiệt độ 45÷ 700C trong 8h

- Phân loại (đảm bảo kích thước sản phẩm đồng đều)

- Đóng gói

- Thành phẩm

Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY

Hệ thống sấy hầm là hệ thống sấy lớn và là hệ thống sấy đối lưu cưỡng bức gồm

3 thiết bị chính: hầm sấy, calorifer và quạt

2.1 Năng suất sấy trong 1 giờ:

Năng suất của hệ thống sấy trong 1h là G2=300kg cá khô/h

Khối lượng vật ẩm đưa vào trong 1 giờ là:

G1 = G2 2

1

ω ω

2.2 Lượng ẩm cần bốc hơi trong 1 giờ:

2

1

80 12

W G ω ω

ω

2.3 Chọn chế độ sấy (tác nhân sấy)

Ta chọn hệ thống sấy hầm không hồi lưu và tác nhân là không khí nóng đi ngược chiều với vật liệu sấy Thông số không khí ngoài trời ta lấy to=25oC và ϕo=85 % Ta chọn nhiệt đô tác nhân sấy vào hầm sấy t1=65oC, nhiệt tác nhân sấy ra khỏi hầm sấy chộn sơ bộ t2=33oC với độ ẩm tương đối 85% ≤ ϕ2 ≤ 90% Chúng ta sẽ kiểm tra lại điều này

2.4 Tính toán quá trình sấy lý thuyết

A

B

I

t 1

t 2

t 0

d

ϕ =100%

ϕ ο

- Các thông số không khí ngoài trời:

Nhờ cặp thông số (to, ϕo) đã cho chúng ta có thể xác định được trạng thái A của không khí ngoài trời Theo các công thức giải tích ta được

- Phân áp suất bão hoà ứng với to=25oC

4026, 42 4026, 42

b

o

p

t

- Lượng chứa ẩm do

do=

0,85.0,0315

0, 621 745 0,85.0,0315

750− = 0,0172 kg ẩm/kg kk

d0= 0,0172 kg âm/kg kk

- Entanpi Io

Io= 1,004.to + d(2500 + 1,842.to)

Io = 1,004.25 + 0,0172 (2500 + 1,842.25) = 68,8921 kJ/kg kk

Cdx(d0) = Cpk+ Cpa.d0= 1,004+ 1,842.0,0172 =1,0353 kJ/kg kk

* Entanpy của TNS sau calorifer (điểm B):

Trạng thái không khí sau calorifer B được xác định trên đồ thị I- d bởi cặp thông số (t1,d0) Từ điểm B chúng ta dễ dàng tìm thấy trên đồ thị I- d entanpy I1, độ ẩm tương đố

1 Ngoài ra cũng có thể tính toán theo công thức giải tích sau

+ Entanpi I1:

I1 = 1,004.t1 + d0 (2500 + 1,842.t1)

I1 = 1,004.65 + 0,0172 (2500 + 1,842.65) = 110,3194 kJ/kgkk

+ Phân áp suất bão hòa của hơi nước Pb1 ở nhiệt độ t1 = 650C

Pb1 = exp













+

−

1

5 , 235

42 , 4026 12

t = exp 12 4026, 42

235,5 65

+ Độ ẩm tương đối ϕ1

ϕ1

745 0,0172

0,1085 0,621 0, 2468 0,621 0,0172

b

B d

ϕ1=10,85 %

- Thông số tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết (điểm C0)

Trạng thái tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết được xác định bởi cặp thông số :

I20 = I1 , t = t2

+ Lượng chứa ẩm d20

d20 = d0

( )( )

2

2 1 0

842 , 1

2500 t

t t d

C dx

+

− +

d20 = 0,017+ 1,0353(65 34) 0,0297

2500 1,842.34

+ Phân áp suất hơi bão hòa của hơi nước ỏ nhiệt độ t2

Pb2 = exp

2

4026, 42 4026, 42

235,5 t 235,5 34

+ Độ ẩm tương đối

ϕ20

745 0,0297

0,8587

0, 621 0,0528(0,621 0,0297)

b

B d

ϕ20 = 85,87 %

Với độ ẩm ϕ20 = 85,22% thỏa mãn điều kiện để vừa tiết kiệm nhiệt lượng do tác nhân sấy mang đi vừa đảm bảo không xảy ra hiện tượng đọng sương mà chúng ta đặt ra trên đây

+ Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm l0

l0

80 0,0297 0,0172

d d

L0 = W.l0 = 1020.80= 81600 kgkk/h

Tác nhân sấy trước khi vào hầm sấy có t1 = 650 và ϕ1 = 11%

Theo phụ lục 5, với thông số này thể tích của không khí ẩm chứa 1kg không khí:

vB = 1,0028 m3/kgkk

Tương tự tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết (điểm C0) có t2 = 340 C,

ϕ20 = 86%

Ta có: vC0 = 0,912 m3/kgkk

Do đó:

VB = L0.vB =81600.1,0028 = 81828,48 m3/h

VCo = Lo.vco = 81600.0,912 = 74419,2 m3/h

Lưu lượng thể tích trung bình Vo

Vo = 0,5(VB + VCo) = 0,5(81828,48 +74419,2) = 78123,84 m3/h

Vo = 21,7 m3/s

- Nhiệt lượng tiêu hao qo

qo = lo (I1 - I0) = 80 (110,3194 - 68,8921) = 3314,1840 kJ/kg ẩm

Qo = qo.W = 3314,1840.1020 = 3380467,68 kJ/h

Qo = 939,0188W

Lo là một trong hai thông số cho phép ta chọn quạt và Qo là cơ sở ta chọn Calorifer khi thiết kế sơ bộ hệ thống sấy

2.5 Xác định kích thước hầm sấy

* Chọn thiết bị chuyển tải là xe goòng có kích thước rô ̣ng * dài * cao 3000 x 1000 x

1500 mm Mỗi xe dặt 25 khay, mỗi khay chứa 30kg nguyên liệu Như vậy khối lượng vật liệu sấy mỗi xe bằng

GX = 25.30 = 750 kg

* Số xe goòng cần thiết

1 1320.8

15 750

X

G n G

τ

* Kích thước hầm sấy:

- Chiều rộng hầm: Bh = BX + 100 = 3100 mm

- Chiều cao của hầm: Hh = HX +50 = 1550 mm

- Chiều dài hầm sấy: Lh = n.LX + 2.1000 = 17000 mm

* Kích thước phủ bì hầm sấy: hầm được xây bằng gạch có chiều dày δ1 = 250mm Trần hầm sấy được đổ bê tông có chiều dày δ2 = 80 mm và lớp cách nhiệt bằng bông thủy tinh có chiều dày δ3 = 150 mm

- Chiều rộng phủ bì: B = Bh + 2δ1 = 3100 + 2.250 = 3600 mm

- Chiều cao phủ bì: H = Hh + δ2 + δ3 = 1550 + 80 + 150 = 1780 mm

2.6 Tính toán nhiệt hầm sấy

a. Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi qv

Để tính tổn thất do vật liệu mang đi trước hết ta phải biết nhiệt độ vật liệu sấy ra khỏi hầm tv2 và nhiệt dung riêng của nó Theo kinh nghiệm, nhiệt độ vật liệu sấy ra khỏi thiết

bị sấy lấy thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy tương ứng 5÷100C trong hệ thống sấy của ta, vật liệu sấy và tác nhân sấy đi ngược chiều nhau nên:

tv2 = t1 -(5÷10)0C = 65 - 10 = 550C

Nhiệt dung riêng của cá sau khi sấy

Cv2 =Cvk(1- 0,12) + 4,18.0,12 = 3,62.0,875 + 0,5225 = 3,3976 kJ/kgK Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi bằng:

Qv = G2Cv2 (tv2 - tv1) = 300.3,3976(50 - 20) = 35448 kJ/h

qv Q v 34,7529

W

b Tổn thất do thiết bị chuyển tải mang đi

- Tổn thất do xe goòng mang đi

Xe goòng làm bằng thép CT3 có khối lượng một xe GX = 60 kg Nhiệt dung riêng của thép bằng CX =0,5 kJ/kgK Nhiệt độ xe goòng ra khỏi hầm lấy bằng nhiệt độ tác nhân Như vậy tX2 = t1 = 650C Do đó:

QX = ( 2 1) 15.60.0,5(65 20)

2531, 25 8

n G C t t

τ

kJ/h

qX

=

=

W

Q X

2,4816 kJ/kg ẩm

- Tổn thất do khay sấy mang đi

Khay sấy làm bằng nhôm có trọng lượng mỗi khay Gk = 4 kg Nhiệt độ của khay ra khỏi hầm sấy cũng bằng nhiệt độ tác nhân, nghĩa là tk2 = t1 = 650C Nhiệt dung riêng của nhôm bằng CK = 0,88 kJ/kgK Do đó tổn thất do khay mang đi bằng

QK =15 ( 2 1) 15.15.4.0,88.45

4455 8

K K K K

n G C t t

qK

4,3676

K

Q W

kJ/kg ẩm Vậy tổn thất do thiết bị chuyển tải mang đi bằng

QCT = QX + QK =6986,25 kJ/h

qCT = qx + qk =6,8493 kJ/kg ẩm

c Tổn thất ra môi trường

Giả thiết tốc độ tác nhân sấy

Để tính tổn thất nhiệt ra môi trường giả thiết trước tốc độ tác nhân sấy trong hầm Khi kết cấu của hầm đã xác định thì tiết diện tự do của hầm cũng đã được xác định Nếu chiều dài của khay LK bằng chiều rộng của xe LX và chiều cao của khay lấy bằng 50 mm thì tiết diện tự do của hầm sấy bằng:

Ftd = (Bh.Hh - 15.Lk.Hk) =(3,1.1,550 -15.3.0,05) = 2,555 m2

Do đó tốc độ tác nhân sấy tối thiểu:

wo

21, 7

8, 49 2,555

o td

V F

Vì lưu lượng trong quá trình sấy thực phải lớn hơn lưu lượng tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết nên tốc độ tác nhân sấy giả thiết để tính toán các tổn thất cũng phải lớn hơn wo giả sử ta lấy w =9 m/s Chúng ta sẽ kiểm tra lại giả thiết này sau khi đã tính được lưu lượng thể tích thực tế

Các dữ liệu tính mật độ dòng nhiệt truyền qua hai tường bên hàm sấy

Nhiệt độ dịch thể nóng trong trường hợp này là nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy:

tf1 = 0,5 (t1 + t2) = 0,5 (65 + 34) = 49,5 0C

Nhiệt độ dịch thể lạnh là nhiệt độ môi trường: tf2 = 250C

Kích thước xác định là chiều cao tường hầm sấy: Hh = 1780 mm

Tường xây bằng gạch dày 250mm, hệ số dẫn nhiệt: λ1 = 0,77 W/mK

Chúng ta xem tác nhân sấy chuyển động đối lưu cưỡng bức với tốc độ: w = 9m/s, không khí bên ngoài chuyển động đối lưu tự nhiên và chảy rối

* Mật độ dòng nhiệt truyền qua hai tường bên: q

- Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt đối lưu giữa tác nhân sấy và mặt trong của tường:

q1 = 1,715 (tf1 - tw)1,333

+ Giả thiết: tw1 = 45,150C

q1 = 1,715 (49,5 - 45,15)1,333 = 12,1722 W/m2 -Mật độ dòng nhiệt do dẫn nhiệt q2:

λ

δ δ

1 2 2

1

2

q t t t

t

q = w − w ⇒ w = w −

2

12,1722

45,15 29,3419

0,77

w

- Mật độ dòng nhiệt do đối lưu từ mặt ngoài của tường với không khí xung quanh q3:

q3 = 1,715 (tw2 - tf2)1,333 = 1,715 (29,319 - 25)1,333 = 12,1420 W/m2

q1≈q3 Vậy tw1 = 45,150C, tw2 =29,340C và q = 12,1722 W/m2 = 43,819 kJ/m2h

Theo công thức 7.43 trang 143 sách tính toán và thiết kế hệ thống sấy, ta có:

q = k (tf1 - tf2)

k

12,1722

0, 4968 49,5 25

f f

q

t t

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức giữa tác nhân sấy với mặt trong tường sấy (α1) và giữa mặt ngoài tường hầm sấy với không khí xung quanh (α2) :

α1

12,1722

2,7982 49,5 45,15

q

t t

α2

12,1722

2,8034 29,3419 25

w

q

t t

* Tổn thất nhiệt qua 2 tường bên:

Qt = F.q = 2(17.1,780).43,819 = 2651,9259 kJ/h

2,5999

t t

Q q W

* Tổn thất nhiệt qua trần

Theo giáo trình truyền nhiệt, bề mặt nóng quay lên như trần hầm sấy thì hệ số trao đổi nhiệt đối lưu:

α2tr = 1,3α2 = 1,3.2,7982=3,6377 W/m2K

Do đó hệ số truyền nhiệt tính cho trần bằng:

ktr

2 3

3 2

2 1

1 1

1 α λ

δ λ

δ

=

Với λ2 và λ3 tương ứng là hệ số dẫn nhiệt của bê tông và bông thủy tinh cách nhiệt Theophụ lục 2 ta có:

λ2 = 1,28 W/mK, λ3 = 0,058 W/mK

ktr

1

0,3048

1 0,08 0,15 1 2,7982 1, 28 0,058 3, 6377

ktr =0,3048 W/m2K

Do đó :

Qtr = 3,6.ktr.Ftr (tf1 - tf2)

Qtr = 3,6.0,3048.17.3,6.(49,5 - 25) = 1645,2616 kJ/h

qtr Q tr 1,613

W

= = kJ/kg ẩm

* Tổn thất qua cửa:

Hai đầu hầm sấy có cửa làm bằng thép dày δ4= 5mm, hệ số dẫn nhiệt

λ4 = 0,5 W/mK Do đó hệ số truyền nhiệt qua cửa kc bằng:

4

1,3811

1 0,005 1

2,7982 0,5 2,8034

c

Cửa phía tác nhân sấy có độ chênh lệch nhiệt độ (t1 - t0) còn đầu kia có độ chênh lệch nhiệt độ bằng (t2 - t0) Do đó:

Qc = 3,6.kc.Fc {(t1 - t0) + (t2 - t0)}

Qc = 3,6.1,3811.3,6.1,78{(65 - 25) + (34 - 25)} = 1561,1557 kJ/h

qc Q c 1,5305

W

* Tổn thất nhiệt qua nền

Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy bằng 49,50C và giả sử tường hầm sấy cách tường bao che của phân xưởng là 1m theo bảng 7.1 trang 142 sách thiết kế hệ thống sấy, ta có:

q= 41,75 W/m2

Do đó tổn thất qua nền bằng:

Qn = 3,6.Fn.q = 3,6.17.3,6.41,75 = 9198,36 kJ/h

qn Q c 9,018

W

= = kJ/kg ẩm Như vậy, tổn thất nhiệt truyền qua kết cấu bao che ra môi trường xung quanh bằng:

Qmt = Qt + Qtr + Qc + Qn

Qmt = 2651,9259 +1645,2616+1561,1557 + 9198,36 = 16613,5475 kJ/h

qmt Q mt 16, 2878

W

* Tổng tổn thất :

∆ = Ca.tv1 - qv - qct - qmt

∆ = 1,842.20 - 34,7529 - 6,8493 - 16,2878 = -21,05 kJ/kg ẩm

2.7 Tính toán quá trình sấy thực

t 1

t 2

B

C C o

E o

D o D I

d

ϕ = 100%

ϕ ο

* Xây dựng quá trình sấy thực trên đồ thị I-d

Từ đầu điểm Co ta đặt đoạn CoEo thỏa mãn đẳng thức (7.39)

CoEo = ∆ (CoDo) (Md/MI) Trong đó: ∆ = - 21,05 kJ/kg ẩm

Nối điểm Eo và điểm B, giao điểm C của đường BEo cắt đường t = 340C chính là điểm biểu diễn trạng thái tác nhân sấy sau quá trình sấy thực Từ điểm C cúng ta tìm được Entanpi I2, lượng chứa ẩm d2 và độ ẩm ϕ2 của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực Các thông số này cũng có thể xác định bằng giải tích Trong đồ án này ta xác định bằng phương pháp giải tích

* Lượng chứa ẩm d2 theo (7.32 tr 138, tl hdtkhts)

d2 = do + ( ) ( )

2

1,0353.(65 34) 0,0172

2500 1,842.34 21,05

dx o

C d t t

i

d2 = 0,0296 kg ẩm/kgkkk

* Entanpi I2

I2 = 1,004.t2 + d2 (2500 + 1,842.t2)

I2 = 1,004.34 + 0,0296 (2500 + 1,842.34) = 109,9898 kJ/kgkkk

* Độ ẩm tương đối ϕ2 (7.34)

ϕ2

745 0,0296

0,8559

0, 621 0, 0528 0,621 0,0296

b

B d

ϕ2 = 85,59%

Vậy ϕ2 thỏa mãn điều kiện Như vậy chọn t2 = 340C là hợp lý

2.8 Tính lượng tác nhân sấy trong quá trình sấy thực

Khối lượng không khí khô

Theo công thức 7.35 sách thiết kế hệ thống sấy: lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm trong quá trình sấy thực tế là:

2

80,642 0,0296 0,0172

o

l

d d

=> lượng không khí khô để làm bay hơi W kg ẩm là: