Chương 3 Cơ sở thiết kế thiết bị sấy

Mỗi phương pháp sấy kể trên được thực hiện trong nhiều kiểu thiết bị khác nhau, ví dụ sấy đối lưu được thực hiện trong nhiều thiết bị sấy như: thiết bị sấy buồng, sấy hầm, sấy bằng băng

Chương 3

CƠ SỞ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY 3.1 Các phương pháp sấy

Có nhiều phương pháp sấy nhân tạo khác nhau Căn cứ vào phương pháp cung cấp nhiệt có thể chia ra các loại sau:

3.1.1 Phương pháp sấy đối lưu

Nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy là nhiệt truyền từ tác nhân sấy đến vật liệu bằng cách truyền nhiệt đối lưu

3.1.2 Phương pháp sấy bức xạ

Trong phương pháp sấy này nguồn nhiệt cung cấp cho quá trình sấy thực hiện bằng bức xạ từ một bề mặt nào đó đến vật sấy

3.1.3 Phương pháp sấy tiếp xúc

Trong phương pháp này người ta cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy bằng cách cho tiếp xúc trực tiếp vật với bề mặt nguồn nhiệt

3.1.4 Phương pháp sấy bằng điện trường dòng cao tần

Nhiệt cung cấp cho vật sấy nhờ dòng điện cao tần tạo nên điện trường cao tần trong vật liệu làm vật liệu nóng lên

3.1.5 Phương pháp sấy thăng hoa

Phương pháp này thực hiện bằng cách làm lạnh vật liệu đồng thời hút chân không để cho vật sấy đạt đến trạng thái thăng hoa của nước Ẩm thoát ra khỏi vật liệu nhờ quá trình thăng hoa

Trong các phương pháp kể trên phương pháp sấy đối lưu, bức xạ và tiếp xúc được dùng rộng rãi hơn cả, nhất là phương pháp sấy đối lưu

Mỗi phương pháp sấy kể trên được thực hiện trong nhiều kiểu thiết bị khác nhau,

ví dụ sấy đối lưu được thực hiện trong nhiều thiết bị sấy như: thiết bị sấy buồng, sấy hầm, sấy bằng băng tải, thiết bị sấy kiểu tháp, thiết bị sấy thùng quay, thiết bị sấy tầng sôi, thiết bị sấy thổi kiểu khí động, … Phương pháp sấy bức xạ có thể thực hiện trong thiết bị sấy bức xạ dùng đèn hồng ngoại, thiết bị sấy bức xạ dùng nhiên liệu khí, dùng dây điện trở, … Phương pháp sấy tiếp xúc có thể thực hiện trong các thiết bị như: thiết

bị sấy tiếp xúc với bề mặt nóng, thiết bị sấy tiếp xúc kiểu tang quay, thiết bị sấy tiếp xúc trong chất lỏng, … Do cấu tạo phức tạp và không kinh tế nên các phương pháp sấy thăng hoa và sấy chân không (các phương pháp sấy lạnh nói chung) chỉ được dùng để sấy những vật liệu quý hiếm không chịu được nhiệt độ cao, vì vậy các phương pháp sấy chuyên dùng này ít phổ biến

3.2 Chế độ sấy

Chế độ sấy được hiểu theo nghĩa thông thường là quy trình tổ chức quá trình sấy

mà chủ yếu là cách tổ chức quá trình truyền nhiệt và truyền chất giữa tác nhân sấy với

thành sấy

Trong thực tế sản xuất, do tính chất của vật liệu sấy, do yêu cầu về kỹ thuật sấy

và tính kinh tế của công nghệ sấy, người ta tiến hành nhiều chế độ sấy khác nhau; sau đây là một số chế độ sấy thông dụng:

- Chế độ sấy có đốt nóng trung gian

- Chế độ sấy hồi lưu một phần khí thải

- Chế độ sấy kết hợp hồi lưu và đốt nóng trung gian

- Chế độ sấy hồi lưu toàn phần khí thải

Ta sẽ nghiên cứu kỹ sơ đồ nguyên lý cấu tạo các thiết bị sấy và trạng thái biểu

diễn của tác nhân sấy trên đồ thị I - d sử dụng các chế độ sấy nêu trên ở các chương

sau

3.3 Trình tự thiết kế thiết bị sấy

3.2.1 Chọn kiểu thiết bị sấy

Dạng vật liệu sấy là một trong những đặc trưng quan trọng để chọn dạng thiết bị sấy

Các dạng vật liệu sấy thường gặp:

 Dạng hạt

 Dạng viên, bánh, lát, miếng, cục

 Dạng bột

 Dạng nhũ tương

 Các loại rau lá

 Dạng quả

Mỗi loại vật liệu sấy thích hợp với một số phương pháp sấy và một số kiểu thiết

bị sấy nhất định Việc chọn kiểu thiết bị sấy tiến hành theo hai giai đoạn Giai đoạn thứ nhất là chọn sơ bộ phương pháp sấy thích hợp và một số kiểu thiết bị sấy có thể dùng cho loại vật liệu đó Giai đoạn thứ hai là trên cơ sở một số thiết bị sấy đã chọn tiến hành tính toán kinh tế - kỹ thuật để chọn kiểu thích hợp nhất Ví dụ: Vật liệu sấy dạng hạt như lúa, bắp, cà phê có thể thích hợp với các kiểu thiết bị sấy như thiết bị sấy kiểu tháp, sấy thùng quay, sấy tầng sôi Tuy nhiên có một số vật liệu chỉ thích hợp với một

số hay thậm chí với một kiểu thiết bị sấy Ví dụ: Các dung dịch chỉ thích hợp với kiểu sấy phun và sấy tiếp xúc với bề mặt nóng, rắn Các vật liệu xây dựng như gạch ngói chỉ thích hợp với thiết bị sấy buồng hoặc hầm

Ngoài ra khi chọn thiết bị sấy cần lưu ý đến năng suất sấy, nguồn năng lượng sấy, yêu cầu chất lượng sản phẩm, khả năng chế tạo, mặt bằng lắp đặt, khả năng liên hợp với hệ thống dây chuyền thiết bị chung, vốn đầu tư, điều kiện vận hành

3.2.2 Chọn nguồn năng lượng và tác nhân sấy

a Chọn nguồn năng lượng:

 Đối với thiết bị sấy đối lưu: Nung nóng vật liệu và mang ẩm vào môi trường, được thực hiện nhờ không khí hoặc khói lò

 Đối với thiết bị sấy tiếp xúc: Bề mặt được nung nóng hay dịch thể nóng làm nhiệm vụ cung cấp nhiệt cho vật liệu, còn không khí lưu thông qua thiết bị để thải ẩm ra ngoài

 Đối với thiết bị sấy bức xạ: Nguồn nhiệt nung nóng vật liệu là tia bức xạ nhiệt, còn không khí lưu thông qua thiết bị thải ẩm ra ngoài

Nguồn năng lượng để gia nhiệt cho tác nhân sấy có thể là hơi nước, điện, dầu, than đá, củi, khí đốt, …

Thiết bị đốt nóng tác nhân sấy gọi là calorifer hay bộ trao đổi nhiệt

b Chọn tác nhân sấy:

Cơ chế quá trình sấy gồm hai giai đoạn: Gia nhiệt cho vật liệu sấy để làm ẩm hóa hơi và mang hơi ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường Nếu ẩm thoát ra khỏi vật liệu

mà không mang đi kịp thời sẽ ảnh hưởng đến quá trình bốc hơi ẩm từ vật liệu sấy Cụ thể là làm chậm quá trình thoát hơi ẩm từ vật liệu sấy, thậm chí có thể làm ngừng trệ quá trình thoát ẩm của vật liệu sấy Quá trình có thể dẫn tới làm tăng nhiệt độ vật liệu sấy làm cho vật liệu không khô mà bị “nấu chín” Để tải ẩm đã bay ra từ vật liệu sấy vào môi trường có thể dùng các biện pháp sau:

- Dùng tác nhân sấy làm chất tải ẩm

- Dùng bơm chân không để hút ẩm từ vật sấy thải ra ngoài (sấy chân không)

- Sấy với nhiệt độ cao: Nhiệt độ vật liệu sấy lớn hơn nhiệt độ bão hòa ứng với áp

suất không khí ẩm (ví dụ áp suất không khí ẩm p = 745 mmHg, nhiệt độ bão hòa tương ứng là 100 o C) Trường hợp này áp suất hơi ẩm thoát ra khỏi vật liệu sấy lớn hơn áp

suất không khí ẩm, do chênh lệch áp suất này mà ẩm có thể tự thoát ra vào môi trường Như vậy ta thấy tác nhân sấy có thể vừa đóng vai trò gia nhiệt vừa tải ẩm hoặc chỉ làm một trong hai chức năng ấy

Trong sấy đối lưu vai trò của tác nhân sấy đặc biệt quan trọng vì nó đóng cả hai vai trò vừa gia nhiệt vừa tải ẩm Tuỳ theo chế độ sấy và yêu cầu chất lượng sản phẩm sấy mà chọn loại tác nhân sấy thích hợp Các tác nhân sấy thường dùng là không khí nóng, khói nóng, hỗn hợp không khí và khói, hơi quá nhiệt, chất lỏng

Khi chọn tác nhân sấy có thể sơ bộ dựa vào các điều kiện sau:

- Trường hợp vật liệu sấy chịu được nhiệt độ cao và không sợ nhiễm bẩn bởi tro, bụi thì nên dùng khói làm tác nhân sấy vì dùng khói sẽ sấy được ở nhiệt độ cao hơn, cường độ bay hơi ẩm lớn hơn, đồng thời thiết bị sấy rẻ tiền vì không cần calorifer

- Trường hợp sản phẩm sấy cần tránh nhiễm bẩn do khói thì nên chọn không khí nóng làm tác nhân sấy Để gia nhiệt cho không khí có thể dùng calorifer hơi - khí, khói

- khí hay calorifer điện Dùng kiểu calorifer nào là tùy vào từng trường hợp cụ thể và phải do tính toán kinh tế kỹ thuật quyết định

- Hơi quá nhiệt dùng trong trường hợp sấy các vật liệu dễ cháy, dễ nổ Hơi quá nhiệt có nhược điểm là phải dùng lò hơi để sản xuất nên giá thành thiết bị cao

Trong sấy đối lưu hay sấy tiếp xúc, chất tải nhiệt có thể dùng là hơi nước hay khói để gia nhiệt cho tác nhân sấy và các bề mặt truyền nhiệt cho vật liệu Dùng khói

với dùng hơi nước vì không cần dùng lò hơi Nhược điểm của calorifer khí - khói là làm việc ở nhiệt độ cao, bề mặt truyền nhiệt bám bụi, … dẫn đến giảm tuổi thọ của thiết bị Đồng thời thiết bị calorifer khí - khói có hệ số truyền nhiệt thấp hơn so với calorifer hơi - khí dẫn đến tiêu hao kim loại chế tạo bề mặt truyền nhiệt sẽ lớn hơn Hơn nữa việc điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy sẽ khó khăn hơn so với calorifer hơi - khí

Dùng hơi nước làm chất tải nhiệt có ưu điểm là calorifer hơi - khí cấu tạo gọn nhẹ vì có hệ số truyền nhiệt lớn và thường có thể làm cánh ở phía không khí, việc điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy dễ dàng thuận tiện Thiết bị không bị bám bẩn do khói, lại làm việc ở nhiệt độ thấp nên tuổi thọ cao hơn so với calorifer khí - khói Hơn nữa do

làm việc ở nhiệt độ thấp (thường < 200 o C) nên calorifer có thể chế tạo bằng kim loại

màu như đồng, nhôm ít bị rỉ sét nên tuổi thọ càng cao Nhược điểm của việc dùng hơi nước làm chất tải nhiệt là phải dùng lò hơi nên giá thành thiết bị cao

Việc chọn chất tải nhiệt là lò hơi nước hay khói là tuỳ thuộc vào các điều kiện cụ thể và phải trải qua nghiên cứu tính toán nhiều phương án kinh tế kỹ thuật để chọn phương án hợp lý Về nguyên tắc có thể sơ bộ đánh giá theo các yếu tố sau:

- Những nơi có nhiều hộ tiêu thụ nhiệt về sấy cũng như có nhiều các hộ tiêu thụ công nghệ khác dùng hơi nước thì việc dùng lò hơi là hợp lý vì dùng lò hơi cho phép sản xuất nhiệt tập trung có hiệu suất cao hơn so với sản suất phân tán

- Những nơi chỉ có hộ tiêu thụ nhiệt về sấy thì dùng calorifer khí - khói hay calorifer kiểu ống nhiệt là hợp lý

Khi dùng khí đốt, dầu mỏ, than đá, củi và các phế liệu nông nghiệp (trấu, bã mía,

…) làm nguồn năng lượng chúng ta phải thiết kế thêm buồng đốt trong hệ thống sấy Khi đó, có thể dùng khói lò từ buồng đốt để gia nhiệt cho tác nhân sấy trong calorifer khí - khói hoặc dùng ngay khói lò làm chất vừa mang nhiệt vừa thải ẩm Với những vật liệu sấy sơ chế để bảo quản không đòi hỏi cao về mặt vệ sinh sản phẩm như lúa, bắp, đậu, thức ăn gia súc thì cho phép dùng ngay khói lò làm tác nhân sấy để giảm vốn đầu tư calorifer khí - khói và tổn thất nhiệt

Quan hệ giữa chiều chuyển động của vật liệu sấy và tác nhân sấy:

a Máy sấy làm việc liên tục:

Đối với máy sấy làm việc liên tục, vật liệu sấy được cung cấp liên tục và sản phẩm khô được lấy ra liên tục Quá trình sấy được coi như ổn định theo thời gian, tuỳ theo tính chất của vật liệu sấy và điều kiện của quá trình sấy mà ta chọn chiều chuyển động của vật liệu và tác nhân sấy cho thích hợp

- Sấy cùng chiều:

Vật liệu sấy và tác nhân sấy di chuyển cùng chiều Vật liệu ban đầu mang lượng ẩm lớn được tiếp xúc với tác nhân sấy ban đầu có độ ẩm nhỏ

và nhiệt độ cao nên lượng ẩm bốc hơi rất nhanh

Về phía cuối quá trình di chuyển thì vật liệu có

độ ẩm nhỏ lại tiếp xúc với tác nhân sấy có độ ẩm lớn hơn, càng về cuối lượng ẩm bốc hơi càng giảm và tốc độ sấy giảm dần

Vật liệu sấy (VLS)

Tác nhân sấy (TNS)

Hình 3 – 1: Sấy cùng chiều

Sấy cùng chiều có đặc điểm là nhiệt độ của sản phẩm lúc ra khỏi thiết bị sấy tương đối thấp nhưng độ ẩm của vật liệu cũng còn cao Do đó, người ta thường ứng dụng trong trường hợp vật liệu sấy lúc gần khô không chịu được nhiệt độ cao và cường

độ sấy lớn như lúc còn ẩm Mặt khác, lúc gần khô vật liệu có tính hút ẩm nhỏ; điều này cho phép tiết kiệm năng lượng sấy bằng cách tuần hoàn (hồi lưu) tác nhân sấy trở lại một phần khi nó ra khỏi máy sấy

- Sấy ngược chiều:

Vật liệu sấy và tác nhân sấy di chuyển ngược chiều Vật liệu sấy ban đầu có độ ẩm lớn nhất được tiếp xúc với tác nhân sấy ban cuối có

độ ẩm lớn nhất và nhiệt độ nhỏ nhất; khi sắp ra khỏi thiết bị sấy, vật liệu sấy có độ ẩm bé nhất được tiếp xúc với tác nhân sấy có độ ẩm bé nhất

và có nhiệt độ cao nhất Do đó, thời gian sấy kéo dài hơn và độ ẩm của sản phẩm sấy có thể đạt được rất nhỏ

Sấy ngược chiều được ứng dụng cho trường hợp vật liệu sấy có độ dẫn ẩm kém nhằm tránh hiện tượng tạo thành một lớp vỏ khô xung quanh vật liệu làm cản trở việc thoát ẩm bên trong và dễ gây rạn nứt sản phẩm sấy Mặt khác, sấy ngược chiều thường được ứng dụng phổ biến cho các loại vật liệu sấy có độ ẩm lớn không cho phép sấy quá nhanh, vật liệu sấy chịu được nhiệt độ cao lúc sắp khô, vật liệu sấy có tính hút ẩm lớn

- Sấy chéo dòng:

Tác nhân sấy có nhiệt độ cao di chuyển vuông góc với dòng vật liệu sấy, do đó thế sấy đạt được khá lớn và cường độ sấy cũng khá cao Sấy chéo dòng được ứng dụng cho vật liệu sấy có độ ẩm bé hoặc sắp khô cho phép sấy ở nhiệt độ cao và nhanh Mặt khác, sấy chéo dòng còn được sử dụng khi không thể thực hiện được phương thức sấy cùng chiều hay ngược chiều do khó khăn về mặt kết cấu thiết bị hay trở lực của tác nhân sấy quá lớn

- Sấy kết hợp:

Tác nhân sấy di chuyển

từ 2 đầu vào rồi đi ra ở giữa thiết bị hay ngược lại, vật liệu sấy di chuyển vào một cửa và

ra ở một cửa khác

Sấy kết hợp được ứng dụng trong trường hợp không dùng được phương thức sấy

Vật liệu sấy (VLS)

Tác nhân sấy (TNS)

Hình 3 – 2: Sấy ngược chiều

TNS

VLS

TNS VLS

VLS

Hình 3 – 3: Sấy chéo dòng

cùng chiều và ngược chiều

b Máy sấy làm việc gián đoạn:

Trong máy sấy gián đoạn, vật liệu sấy cố định, việc nạp liệu và tháo liệu được tiến hành gián đoạn; trạng thái vật liệu sấy thay đổi theo thời gian

Phương pháp sấy này có hiệu suất sấy thấp hơn sấy liên tục, phải làm nguội thiết

bị sau mỗi mẻ sấy

3.2.3 Tính toán nhiệt

Mục đích của việc tính toán nhiệt là xác định lưu lượng chất tải nhiệt cần thiết và tiêu hao nhiệt cần thiết cho quá trình sấy Đồng thời qua tính toán nhiệt cũng xác định chế độ sấy ở các vị trí cần thiết trong hệ thống thiết bị sấy

Nội dung tính toán nhiệt bao gồm:

- Tính toán quá trình sấy lý thuyết và thực tế trên đồ thị I-d

- Thiết lập cân bằng vật chất, cân bằng ẩm và cân bằng nhiệt nhằm xác định các thông số cơ bản như lượng ẩm bay hơi trong buồng sấy, các tiêu hao không khí, tiêu hao nhiệt và hiệu suất của quá trình sấy

3.2.4 Xác định các kích thước cơ bản của thiết bị sấy

Trên cơ sở số liệu cho trước như năng suất sấy, các thông số cơ bản đã xác định

ở phần tính toán nhiệt và kiểu dáng thiết bị sấy tương ứng, sẽ xác định được cụ thể các kích thước của thiết bị và xác định kết cấu của thiết bị cũng như sơ đồ lưu chuyển của vật liệu và tác nhân sấy trong thiết bị

3.2.5 Tính toán chọn các thiết bị phụ của hệ thống sấy

Tuỳ theo kiểu thiết bị sấy, tác nhân sấy và chất tải nhiệt sử dụng trong thiết bị có thể phải tính toán một số trong các thiết bị phụ trợ sau:

- Tính toán buồng đốt, buồng hòa trộn khí

- Tính toán calorifer

- Tính toán chọn các thiết bị khử bụi

- Tính toán và chọn hệ thống cung cấp nguyên liệu và lấy sản phẩm sấy

- Tính toán thuỷ lực hệ thống thiết bị sấy, chọn quạt gió hoặc bơm Khi sấy đối lưu tự nhiên phải tính toán hệ thống thoát ẩm

- Tính toán và chọn các thiết bị, bố trí hệ thống đo lường kiểm tra và tự động điều khiển hệ thống sấy

3.3 Tính toán kinh tế - kỹ thuật hệ thống thiết bị sấy

3.3.1 Những tiêu chuẩn sử dụng trong việc tính toán kinh tế kỹ thuật

Những tiêu chuẩn dùng để so sánh tính kinh tế của các phương án có khác nhau trong các điều kiện kinh tế kỹ thuật khác nhau Sau đây là một số tiêu chuẩn thường dùng để so sánh tính kinh tế kỹ thuật của các phương án nhằm chọn phương án tối ưu

a Chi phí

Chi phí tính tốn theo năm của thiết bị sấy:

n t

T

I C

Trong đĩ:

C: Chi phí thường xuyên hằng năm cho phương án đĩ [đồng/năm],

I: Vốn đầu tư để thực hiện phương án [đồng],

T n : Thời gian thu hồi vốn định mức [năm]

Chi phí thường xuyên hằng năm bao gồm các chi phí vận hành như: Năng lượng, nhiên liệu; tiền lương; khấu hao cho sửa chữa và bảo dưỡng thiết bị

b Lợi nhuận

Lợi nhuận hằng năm của thiết bị sấy được xác định theo cơng thức:

Trong đĩ:

M: Doanh thu hằng năm [đồng],

C t : Chi phí hằng năm cho cơng trình [đồng],

3.3.2 Xác định chi phí hằng năm của thiết bị sấy

Chi phí hằng năm của thiết bị sấy bao gồm: Chi phí năng lượng như điện, nhiệt, tiền lương, khấu hao cho bảo dưỡng sửa chữa thiết bị

a Chi phí năng lượng

- Chi phí nhiên liệu:

Đối với thiết bị sử dụng trực tiếp sản phẩm cháy để sấy hay dùng khơng khí nĩng qua calorifer khí - khĩi thì tiêu hao nhiên liệu là:

C nl = B nl S nl [

năm

đồng ]

Trong đĩ:

B nl : Tiêu hao nhiên nhiệu hằng năm [

năm

tấn ],

S nl : Giá nhiên liệu [

tấn

đồng ]

Mặt khác:

B nl = B max n max [

năm

tấn ]

Trong đĩ:

B max : Phụ tải lớn nhất [tấn nl/h],

n max : Số giờ sử dụng phụ tải lớn nhất trong năm [h/năm]

Đối với thiết bị sử dụng hơi nước làm chất tải nhiệt thì tiêu hao nhiên liệu là:

LH t

n

Q

Q

kg ]

Ở đây:

Q n : Phụ tải nhiệt năm [kcal/năm],

Q t : Nhiệt trị thấp của nhiên liệu [kcal/kg],

Phụ tải nhiệt năm được tính theo công thức:

Q n = D max (i h – i n ) n max

Trong đó:

D max : Phụ tải hơi lớn nhất [kg/h],

i h , i n : Entanpi của hơi và nước cấp vào lò [kJ/kg]

Có thể tính chi phí nhiên liệu theo giá thành hơi:

C t = D max n max S h

Ở đây S h : Giá thành hơi [đồng/kg]

- Chi phí điện năng

Tiêu hao điện năng hằng năm là:





r 1

i i i S

E n N

Trong đó:

N i : Phụ tải điện lớn nhất của thiết bị thứ i,

n i : Số giờ sử dụng phụ tải điện lớn nhất tương ứng,

E S : Phụ tải điện chiếu sáng,

r : Số thiết bị dùng điện,

Chi phí điện năng là:

C e = E e S e

Trong đó S e : Giá điện năng [đồng/kWh],

b Chi phí tiền lương

Chi phí tiền lương là:

C l = L tb m [đồng]

Trong đó:

L tb : Tiền lương trung bình [đồng/người],

m: Số người vận hành [người]

c Chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thiết bị

Chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thiết bị tính theo tỷ lệ nhất định của vốn đầu tư tức là:

C k = p k I [đồng]

Trong đó:

p k : Hệ số khấu hao cho bảo dưỡng và sửa chữa thiết bị

I: Vốn đầu tư để thực hiện phương án [đồng],