Đồ án ngành Máy và thiết bị chế biến thủy sản Thiết kế máy sấy chân không thủy sản công suất 50kgh

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

quy trình công nghệ sản xuất của rất nhiều sản phẩm đểu có công đoạn sấy khô để bảo quản dài ngày Công nghệ này ngày càng phát triển trong công nghiệp như công nghiệp chế biến haỉ sản, rau quả công nghiệp chế biến gỗ, công nghiệp sản xuất vật liệu xây dưng và thực phẩm khác…

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 nức nẻ cong vênh, đầy đủ hương vị…

Để thực hiện một quá trình sấy người ta sử dụng một hệ thống gồm nhiều thiết bị như : thiết bị sấy (buồng sấy, hầm sấy,…), thiết bị đốt nóng tác nhân sấy (calorifer) hoặc thiết bị lạnh để làm khô tác nhân, quạt, bơm và một số thiết bị khác Chúng ta gọi hệ thống các thiết bị thực hiện quá trình sấy cụ thể nào đó là một hệ thống sấy

Tp.HCM, tháng 05 năm 2015 Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

DANH CÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 4

PHẦN MỞ ĐẦU 5

Chương 1: TỔNG QUAN 6

1.1 Các phương pháp sấy 6

1.1.1 Phương pháp sấy nóng 6

1.1.2 Phương pháp sấy lạnh 7

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy 12

1.3 Một số thiết bị sấy chân không 13

Chương 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ 15

2.1 Cở sở lý thuyết tính toán các thiết bị trong máy sấy chân không 15

2.1.1 Khái niệm cơ bản về bức xạ nhiệt 15

2.1.2 Các định nghĩa cơ bản của bức xạ nhiệt 15

2.2 Tính toán chọn bơm chân không: 16

2.3 Tính tóan lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy: 17

2.4 Tính toán hệ thống ngưng tụ ẩm: 20

2.5 Cơ sở tính dàn lạnh, dàn nóng 21

2.5.1 Tính toán dàn lạnh: 21

2.5.2 Tính toán dàn nóng 22

Chương 3: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 23

3.1 Tính toán kích thước buồng sấy 23

3.2 Tính toán lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy 25

3.3 Tính toán chọn bơm chân không 29

3.4 Tính toán hệ thống ngưng tụ ẩm 30

3.5 Tính dàn lạnh 32

3.6 Tính bình chứa nước ngưng tụ 32

3.7 Thiết kế mạch điều khiển 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

DANH CÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 Các chữ viết tắt

VLS : Vật liệu sấy QA : Dòng năng lượng bị vật hấp thu

VLA : Vật liệu ẩm QR : Dòng năng lượng bị vật phản xạ lại

2 Các ký hiệu Ehd: Khả năng bức xạ hiệu dụng

k : Độ ẩm tuyệt đối δi: Chiều dày vách

ω0 : Độ ẩm ở tâm vật q: Mật độ dòng nhiệt

c : Nhiệt dung riêng k: Hệ số đọan nhiệt của không khí

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài:

So với nhiều phương pháp sấy khác, phương pháp sấy chân không luôn là một

phương pháp có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu chất lượng và là phương pháp rút

ngắn được thời gian sấy một cách đáng kể

Mục đích: thiết kế máy sấy chân không thủy sản, công suất 50kg/h

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Các phương pháp sấy

1.1.1 Phương pháp sấy nóng

 Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu sấy được đốt nóng

 Do tác nhân sấy được đốt nóng nên độ ẩm tương đối θ giảm dẫn đến phân

áp suất hơi nước pam trong tác nhân sấy giảm Mặt khác do nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên nên mật độ hơi trong các mao quản tăng và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật cũng tăng theo công thức:

2P

1.1.1.1 Hệ thống sấy tiếp xúc:

Hình 1.1 Hệ thống sấy tiếp xúc Trong hệ thống sấy tiếp xúc, vật sấy được trao đổi nhiệt với một bề mặt đốt nóng Bề mặt tiếp xúc với vật sấy có thể là bề mặt vật rắn hay vật lỏng Nhờ đó người ta làm tăng sự chênh lệch áp suất hơi nước Các phương pháp thực hiện có thể là sấy kiểu trục cán, sấy kiểu lơ quay, sấy dầu,

1.1.1.2 Hệ thống sấy bức xạ:

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy bức xạ Vật sấy được nhận nhiệt từ nguồn bức xạ để ẩm dịch chuyển từ trong lòng vật

ra bề mặt và từ bề mặt ẩm khuếch tán vào mơi trường Nguồn bức xạ thường dùng

là đèn hồng ngoại, dây hay thanh điện trở Sấy bức xạ có thể tiến hành trong điều kiện tự nhiên hay trong buồng kín

1.1.1.3 Hệ thống sấy dùng điện cao tần:

Hệ thống sấy này sử dụng năng lượng điện có tầng số cao để làm nóng vật sấy Vật sấy được đặt trong từ trường điện từ do vậy trong vật xuất hiện dòng điện và dòng điện này nung nóng vật cần nung Hệ thống này thường sấy các vật mềm và thời gian nung ngắn

1.1.1.4 Ưu điểm của phương pháp sấy ở nhiệt độ cao:

 Thời gian sấy bằng các phương pháp sấy nóng ngắn hơn so với phương pháp sấy lạnh

 Năng suất cao và chi phí ban đầu thấp

 Nguồn năng lượng sử dụng cho phương pháp sấy nóng có thể là khói thải, hơi nước nóng, hay các nguồn nhiệt từ dầu mỏ, than đá, rác thải, cho đến điện năng

 Thời gian làm việc của hệ thống cũng rất cao

1.1.1.5 Nhược điểm của hệ thống sấy ở nhiệt độ cao:

 Các vật sấy không cần có các yêu cầu đặc biệt về nhiệt độ

 Sản phẩm sấy thường hay bị biến màu và chất lượng không cao

1.1.2 Phương pháp sấy lạnh

Khác với phương pháp sấy nóng, để tạo ra sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy, người ta giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bằng cách giảm dung ẩm trong tác nhân sấy và độ ẩm tương đối (θ)

Phân áp suất của mơi trường không khí bên ngồi giảm xuống, độ chênh áp suất của ẩm trong vật sấy vào môi trường xung quanh tăng lên Ẩm chuyển dịch từ trong vật ra bề mặt sẽ chuyển vào môi trường Nhiệt độ môi trường của sấy lạnh thường thấp (có thể thấp hơn nhiệt độ của môi trường bên ngoài, có khi nhỏ hơn

0oC)

1.1.2.1 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ t > 0:

 Với những hệ thống sấy mà nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường, tác nhân sấy thường là không khí được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp phụ, sau đó nó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến các nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy Khi đó

do phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bé hơn phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy mà ẩm từ dạng lỏng bay hơi đi vào tác nhân sấy

 Như vậy, quy luật dịch chuyển ẩm trong lòng vật liệu và từ bề mặt vật liệu vào môi trường trong các hệ thống sấy lạnh loại này hoàn toàn giống như trong các

hệ thống sấy nóng Điều khác nhau ở đây là cách giảm pam bằng cách đốt nóng tác nhân sấy (d = const) để tăng áp suất bão hòa dẫn đến giảm độ ẩm tương đối θ Trong khi đó, với các hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ tác nhân sấy bằng nhiệt độ môi trường thì ta sẽ tìm cách giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy pam bằng cách giảm lượng chứa ẩm d kết hợp với quá trình làm lạnh (sau khử ẩm bằng hấp phụ) hoặc đốt nóng (sau khử ẩm bằng lạnh)

1.1.2.2 Hệ thống sấy thăng hoa:

Phương pháp sấy thăng hoa được thực hiện ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp Chế độ làm việc thấp hơn điểm ba thể của nước (t = 0,00980C, p = 4,58mmHg) Quá trình sấy được thực hiện trong một buồng sấy kín Giai đoạn đầu

là giai đoạn làm lạnh sản phẩm, trong giai đoạn này do hút chân khơng làm áp suất trong buồng sấy giảm, ẩm thoát ra chiếm khoảng 10÷15%

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa Việc bay hơi ẩm làm cho nhiệt độ vật liệu sấy giảm xuống dưới điểm ba thể,

có thể làm lạnh vật liệu trong buồng làm lạnh riêng Giai đoạn tiếp theo là giai đoạn thăng hoa, lúc này, nhiệt độ trong buồng sấy đã ở chế độ thăng hoa

Hình 1.4 Dòng khí chuyển động trong hệ thống

Ẩm trong vật liệu dưới dạng rắn sẽ thăng hoa thành hơi và thoát ra khỏi vật liệu Hơi ẩm này sẽ đến bình ngưng và ngưng lại thành lỏng sau đó thành băng bám trên bề mặt ống Trong giai đoạn này nhiệt độ vật liệu không đổi Giai đoạn sau cùng là giai đoạn bay hơi ẩm còn lại Trong giai đoạn này nhiệt độ của vật liệu tăng lên, ẩm trong vật liệu là ẩm liên kết và ở trạng thái lỏng Quá trình sấy ở giai đoạn này giống như quá trình sấy ở các thiết bị sấy chân không thông thường Nhiệt độ môi chất trong lúc này cũng cao hơn giai đoạn thăng hoa

Ưu điểm của phương pháp sấy thăng hoa:

 Nhờ sấy ở nhiệt độ thấp nên giữ được các tính chất tươi sống của sản phẩm, nếu dùng để sấy thực phẩm sẽ giữ được chất lượng và hương vị của sản phẩm, không bị mất các vitamin

 Tiêu hao năng lượng để bay hơi ẩm thấp

Nhược điểm của phương pháp sấy thăng hoa:

Giá thành thiết bị cao, vận hành phức tạp, người vận hành cần có trình độ kỹ thuật cao

Tiêu hao điện năng lớn, số lượng sản phẩm cần sấy bị giới hạn, không thể tăng năng suất vì kích thước buồng sấy quá lớn, các thiết bị cho buồng chân không cũng cần được kín

Dầu bôi trơn cho máy móc hoạt động cũng là loại đặc biệt, đắt tiền và khó kiếm để thay thế, bổ sung

1.1.2.3 Hệ thống sấy chân không

Phương pháp sấy chân không được áp dụng để sấy các loại vật liệu có chứa nhiều hàm lượng tinh dầu, hương hoa, dược phẩm; các nông sản thực phẩm có yêu cầu nhiệt độ sấy thấp nhằm giữ nguyên chất lượng và màu sắc, không gây phá hủy, biến tính các chất; và đặc biệt phương pháp sấy chân không được dùng để sấy các loại vật liệu khô chậm khó sấy (như gỗ sồi, gỗ giẻ ), các loại gỗ quí nhằm mang lại chất lượng sản phẩm sấy cao đáp ứng được các yêu cầu sử dụng trong và ngồi nước, rút ngắn đáng kể thời gian sấy,và đặc biệt là có khả năng tiến hành sấy ở nhiệt độ sấy thấp hơn nhiệt độ môi trường

 Cấu tạo:

Một hệ thống sấy chân không thường được cấu tạo từ buồng sấy, thiết bị ngưng tụ và bơm chân không

Hình 1.5-1.6 Hệ thống sấy chân không

 Nguyên lý cơ bản của máy sấy chân không:

 Trong các thiết bị sấy chân không, ẩm tách khỏi VLS không phải do đốt nóng vật mà do tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa bề mặt vật với phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy và do đó cũng tạo ra độ chênh lệch phân áp suất giữa tâm với bề mặt Việc định mức cho một áp suất chân không trong khi sấy tùy thuộc vào loại sản phẩm, nhiệt độ sấy Để chọn độ chân không cho thiết bị với một sản phẩm sấy ta căn cứ vào nhiệt độ sấy của sản phẩm để khi đó với áp suất đã chọn nước trong vật liệu sấy sẽ sôi

 Nguyên lý cơ bản của phương pháp sấy chân không là sự phụ thuộc nhiệt

độ sôi của nước vào áp suất mặt thoáng Nếu làm giảm áp suất môi trường trong

thiết bị sấy xuống đến một áp suất mà ở đó nước trong vật liệu cần sấy bắt đầu sôi,

sẽ tạo ra một chênh lệch áp suất rất lớn trong lòng VLS và qua đó hình thành dòng

ẩm chuyển động từ trong lòng VLS ra ngoài bề mặt Ở điều kiện áp suất này, nước trong vật liệu sẽ sôi Khi nước trong VLS sôi, hóa hơi và làm tăng áp suất trong vật liệu, thúc đẩy quá trình di chuyển ẩm từ trong ra ngòai bề mặt VLS Chính vì vậy, ở điều kiện chân không vật liệu sẽ khô rất nhanh rút ngắn thời gian sấy và cải thiện được chất lượng sấy

 Nhờ quá trình hút chân không mà nhiệt độ sấy thấp hơn rất nhiều so với các phương pháp sấy khác Vì vậy, sản phẩm sau khi sấy có thể giữ được màu sắc, mùi

vị, cấu trúc vật liệu thay đổi đồng đều nhờ quá trình nước sôi từ bên trong

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí:

Trong cùng điều kiện về độ ẩm không khí, tốc độ gió,…nếu nâng cao nhiệt độ làm khô thì tốc độ làm khô càng nhanh Nhưng tăng nhiệt độ cũng chỉ trong giới hạn cho phép, vì nhiệt độ làm khô cao quá sẽ dễ làm cho cá bị sấy chín và tạo nên màng cứng ở bề mặt nguyên liệu làm cản trở sự thoát nước từ trong cá ra ngoài Nhiệt độ làm khô thấp quá cũng không tốt, vì như thế tốc độ làm khô chậm, làm giảm năng suất của thiết bị, cá dễ bị thối rửa Nhiệt độ làm khô thích hợp được xác định dựa vào bản chất của từng nguyên liệu

 Sự ảnh hưởng bởi tốc độ chuyển động của không khí:

Đây là nhân tố có ảnh hưởng lớn đến quá trình làm khô Tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ đều ảnh hưởng không tốt đến quá trình làm khô Bởi vì tốc độ chuyển động của không khí quá lớn sẽ khó giữ được nhiệt lượng trên nguyên liệu sấy, còn tốc độ chuyển động của không khí quá nhỏ sẽ làm chậm lại quá trình làm khô, dẫn đến hư hỏng sản phẩm như bị lên mốc, thối rửa

 Sự ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của không khí:

 Khả năng làm khô của không khí phụ thuộc nhiều vào độ ẩm của nó Độ ẩm của không khí càng thấp thì khả năng hút ẩm càng cao và khả năng làm khô càng lớn Phương pháp sấy khô cá chính là nâng cao khả năng hút ẩm của không khí bằng cách sử dụng nhiệt để làm giảm độ ẩm của không khí

 Trong quá trình sấy, độ ẩm của không khí sẽ tăng lên do tiếp xúc và lấy đi

ẩm của nguyên liệu Các nhà khoa học cho rằng: Độ ẩm tương đối của không khí lớn hơn 65% thì tốc độ làm khô chậm lại rõ rệt, còn độ ẩm tương đối là 80% thì không những quá trình làm khô ngừng lại mà còn xảy ra quá trình ngược lại, tức

là nguyên liệu sẽ hút ẩm của không khí (Nguyễn Trọng Cẩn và Đỗ Minh Phụng, 1990)

 Sự ảnh hưởng của tính chất nguyên liệu:

Nguyên liệu càng bé và càng mỏng thì tốc độ làm khô càng nhanh Vì vậy khi làm khô cá to, muốn nâng cao tốc độ làm khô phải cắt mổ và phân nhỏ ra cho phù hợp Ngoài ra, thành phần hóa học của nguyên liệu (nước, mỡ, protein, chất khoáng,…), tổ chức thịt rắn chắc hay lỏng lẽo cũng ảnh hưởng đến tốc độ làm khô

1.3 Một số thiết bị sấy chân không

 Máy sấy chân không kiểu tủ:

Hình 1.7 Máy sấy chân không kiểu tủ

 Máy sấy chân không kiểu thùng quay:

Hình 1.8 Máy sấy chân không kiểu thùng quay

 Máy sấy chân không trụ tròn:

Hình 1.9 Máy sấy chân không trụ tròn

 Máy sấy chân không băng tải:

Hình 1.10 Máy sấy chân không băng tải

Chương 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ

2.1 Cở sở lý thuyết tính toán các thiết bị trong máy sấy chân không 2.1.1 Khái niệm cơ bản về bức xạ nhiệt

 Một vật bất kỳ ở nhiệt độ nào (lớn hơn độ không tuyệt đối – 0o K) luôn có

sự biến đổi nội năng của vật thành năng lượng sóng điện từ, các sóng này truyền đi trong không gian theo mọi phương với vận tốc ánh sáng và có chiều dài bước sóng λ= 0 ÷ ∞ Vậy “ Bức xạ là hiện tượng phát sinh và truyền năng lượng dưới dạng sóng điện từ”

 Tia nhiệt là những tia có bước sóng trong khỏang λ= 0,4 ÷ 400 µm có hiệu ứng về nhiệt tương đối cao (nghĩa là vật có thể hấp thu được và biến thành nhiệt năng)

 Quá trình bức xạ nhiệt là quá trình phát sinh và truyền những tia nhiệt

 Quá trình trao đổi nhiệt bằng bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt tương hỗ giữa các vật bằng phương thức bức xạ nhiệt

Bảng 2.1: Bảng phân lọai các dạng bức xạ theo chiều dài bước sóng

2.1.2 Các định nghĩa cơ bản của bức xạ nhiệt

 Dòng bức xạ toàn phần Q (W): là năng lượng bức xạ phát ra trên bề mặt F của vật trong một đơn vị thời gian trên toàn bộ không gian nửa bán cầu ứng với tất

 Khả năng bức xạ đơn sắc (hay cường độ bức xạ đơn sắc): là mật độ bức xạ bán cầu ứng với một dải hẹp của chiều dài bức sóng

Q Q

D  D : hệ số xuyên qua của vật

 Nếu A = 1 (D = R = 0): vật hấp thu toàn bộ năng lượng bức xạ chiếu tới gọi

là vật đen tuyệt đối

 Nếu R = 1(A = D = 0): vật sẽ phản xạ toàn bộ năng lượng bức xạ chiếu tới gọi là vật trắng tuyệt đối

 Nếu D = 1 (A = R = 0):: vật sẽ cho xuyên qua tòan bộ năng lượng bức xạ chiếu tới gọi là vật trong suốt tuyệt đối

2.2 Tính toán chọn bơm chân không:

Về nguyên tắc chọn bơm chân không không khác với máy nén khí, chỉ khác

ở phạm vi họat động và độ nén cao Các lọai bơm chân không thường dùng là : bơm kiểu pittông, bơm kiểu roto,…

Gọi V: thể tích trong buồng sấy

P1, P2: áp suất đầu và cuối quá trình sấy

T1, T2: nhiệt độ đầu và cuối quá trình sấy

Khối lượng không khí trong buồng trước khi hút :

1 1 1

P V m

R T

 ,kg

Khối lượng không khí còn lại trong buồng sau khi hút

2 2

2

P V m

R T

Vậy lượng không khí được lấy đi:

Δm = m1 – m2, kg Thể tích không khí được lấy đi:

t : thời gian hút đến độ chân không yêu cầu

Công suất của bơm :

.

1000

do n

do n m

N N

do n

P k

ηđo.n: hệ số hiệu dụng đẳng nhiệt

ηm: hệ số hiệu dụng tính đến quá trình ma sát

ηđo.n ηm = 0,6 ÷ 0,7

2.3 Tính toán lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy:

Nhiệt chủ yếu được truyền đến vật liệu sấy qua bức xạ của nguồn nhiệt như : điện trở, bóng đèn có công suất lớn,….Thông thường các vật bức xạ được lắp cố định ngay trên bề mặt của lớp vật liệu sấy

Lượng nhiệt cần tính tóan gồm các phần : phần làm nóng vật liệu sấy, nhiệt làm nóng không khí trong buồng sấy, nhiệt tổn thất qua vách, nhiệt làm nóng vỏ máy, khung sấy, khay sấy,…

cg: nhiệt dung riêng của VLS (kJ/kg.độ )

t1: nhiệt độ VLS lúc đầu ( nhiệt độ môi trường)

t2: nhiệt độ sấy

 Nhiệt lượng làm nóng không khí trong buồng sấy:

Q2 = mkk*ΔI = ρk*(Vbuồng - Vc)*(i2 – i1), kJ

i1: enthalpy của không khí lúc bắt đầu sấy

i2: enthalpy của không khí sấy khi nhiệt độ 400C

m1 = mkk : khối lượng không khí trong buồng trước khi hút

Vc: VLS và các thiết bị chiếm khoảng 30% thể tích buồng

ρk: khối lượng riêng của không khí

 Nhiệt tổn thất ra môi trường bằng bức xạ

T1: Nhiệt độ vách buồng sấy

T2: Nhiệt độ môi trường

ε1: Hệ số bức xạ của inox

F1: diện tích bề mặt buồng sấy, m2

C0 = 5,67 – hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

 Nhiệt lượng làm nóng các thiết bị cơ khí trong máy sấy:

Các thiết bị cơ khí đó là khung sấy, khay sấy, vỏ máy, khung