Chương 6 TÍNH TOÁN MỘT SỐ THIẾT BỊ SẤY ĐỐI LƯU KHÁC

Còn khói lò hay không khí thải ra được cho qua cyclone 3 để giữ lại những hạt vật liệu Hình 6 – 1: Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy thùng quay 1... Vật liệu sấy do phễu cấp liệu 1 cung cấp và

Chương 6 TÍNH TOÁN MỘT SỐ THIẾT BỊ SẤY ĐỐI LƯU KHÁC 6.1 Thiết bị sấy thùng quay

6.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Hình 6 – 1 giới thiệu sơ đồ cấu tạo của thiết bị sấy thùng quay

Thiết bị sấy thùng gồm thùng hình trụ 1 đặt nghiêng khoảng 6  8 0 so với mặt

phẳng nằm ngang Vành ray 12 trượt trên các con lăn tựa 7 khi thùng quay, khoảng

cách giữa các con lăn có thể điều chỉnh được để thay đổi góc nghiêng của thùng

Thùng quay được nhờ lắp chặt trên thùng vành răng 2 (bánh răng đặt tại trọng tâm của thùng) ăn khớp bánh răng 8 nối với động cơ điện thông qua hộp giảm tốc Thùng quay với vận tốc khoảng 1  8 vòng/phút

Thiết bị sấy thùng quay làm việc ở áp suất khí quyển Tác nhân sấy có thể là không khí hay khói lò Thường thì vật liệu sấy hay tác nhân sấy chuyển động cùng chiều để tránh sấy quá khô và tác nhân sấy khỏi mang theo vật liệu sấy nhiều như sấy

ngược chiều Vận tốc của không khí hay khói lò đi trong trong thùng khoảng 2  3 m/s Vật liệu ướt qua phễu cấp liệu 10 rồi vào thùng ở đầu cao và được chuyển động trong thùng nhờ các cánh xáo trộn 11 Cánh xáo trộn vừa phân bố đều vật liệu theo tiết

diện thùng, vừa xáo trộn vật liệu vừa làm cho vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy tốt

hơn Vật liệu sấy sau khi sấy khô được đưa ra cửa 5 nhờ vis tải 6 vận chuyển ra ngoài Còn khói lò hay không khí thải ra được cho qua cyclone 3 để giữ lại những hạt vật liệu

Hình 6 – 1: Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy thùng quay

1 Thùng sấy, 2 Vành răng, 3 Cyclone, 4 Quạt,

5 Cửa ra sản phẩm, 6 Vis tải, 7 Con lăn, 8 Bánh răng,

9 Calorifer, 10 Phễu cấp liệu, 11 Cánh xáo trộn, 12 Vành ray

5

6

11

10

12

máy sấy làm ảnh hưởng đến môi trường, người ta đặt quạt hút 4 bổ sung cho sức hút

của ống khói và tạo áp suất âm trong máy sấy

Nếu sấy bằng khói lò thì dẫn khói lò vào thiết bị sấy bằng cửa 9

Thiết bị sấy thùng quay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá chất, thực phẩm, … để sấy một số hoá chất, quặng pirit, phân đạm, ngũ cốc, đường, …

- Ưu điểm của thiết bị sấy thùng quay là:

 Quá trình sấy đều đặn và mãnh liệt Tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy tốt

 Cường độ làm việc tính theo lượng ẩm khá cao, có thể tới 100 kg/m 3 h

 Thiết bị cấu tạo gọn, chiếm mặt bằng nhỏ

- Nhược điểm là vật liệu dễ bị vỡ vụn

6.1.2 Tính toán, thiết kế

Đường kính thùng quay thường có quy chuẩn (d=1,2; 1,4; 1,6 m, …)

Theo kinh nghiệm, tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính thùng quay thường lấy trong khoảng:

0 , 7 5 , 3 D

L



Thể tích thùng sấy:

] m [

G







Trong đó:

G: khối lượng vật liệu sấy [kg/h],

: thời gian sấy [h],

: khối lượng riêng của vật liệu sấy [kg/m 3 ],

: hệ số chứa đầy ( 30%)

6.2 Thiết bị sấy băng tải

6.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Hình 6 – 2 giới thiệu sơ đồ cấu tạo của thiết bị sấy băng tải

Thiết bị sấy băng tải gồm một buồng sấy hình khối chữ nhật 2, trong đó có một hay vài băng tải 4 chuyển động chậm nhờ nhận truyền động từ các tang quay Các băng này tựa trên các con lăn 3 để khỏi bị võng xuống, băng này làm bằng vải cao su, bằng kim loại hay lưới kim loại và chuyển động với vận tốc khoảng 0,3  0,6 mét/phút

Vật liệu sấy do phễu cấp liệu 1 cung cấp vào buồng sấy và được các băng tải 4 vận chuyển dần xuống phía dưới, ngược chiều với tác nhân sấy do quạt 7 và calorifer 6 cung cấp đi lên, các tấm chắn 8 làm nhiệm vụ dẫn hướng dòng không khí nóng di

chuyển

6.2.2 Tính toán, thiết kế

Chọn tốc độ tác nhân sấy đi xuyên qua lớp hạt vật liệu sấy và băng tải sao cho nhỏ hơn vận tốc lắng của vật liệu sấy đã khô theo điều kiện:

6 , 0 h g

P





Trong đó:

P: trở lực thuỷ lực của lớp vật liệu sấy,

: khối lượng riêng của vật liệu sấy [kg/m 3 ],

g: gia tốc trọng trường [m/s 2 ],

h: chiều dày lớp vật liệu sấy [m]

Chọn chiều dày lớp vật liệu sấy h = 50  250 mm

Tính khối lượng vật liệu sấy trên 1 m 2 băng tải:

] m / kg [ h

.

Bề mặt làm việc của băng tải:

9

Không khí vào

Tác nhân sấy

Vật liệu sấy 1

4

5

6

8

7

Hình 6 – 2: Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy băng tải

1 Phễu cấp liệu, 2 Buồng sấy, 3 Con lăn đỡ,

4 Băng tải, 5 Thùng chứa sản phẩm, 6 Calorifer,

7 Quạt, 8 Tấm chắn, 9 Ống thải tác nhân sấy

] m [ m

m

F

Trong đó: m - năng suất sấy [kg]

Chọn chiều dài băng tải là B[m]

Tính chiều dài băng tải nằm trong khoang sấy:

] m [ B

F

Vận tốc của băng tải:

] h / m [ t

L

Trong đó: t - thời gian sấy [h]

6.3 Thiết bị sấy tầng sôi

6.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Hình 6 – 3 giới thiệu sơ đồ cấu tạo của thiết bị sấy tầng sôi

Bộ phận chính của thiết bị sấy là buồng sấy 2, phía dưới buồng sấy đặt sàn phân phối 3 Không khí có áp suất lớn và nhiệt độ thích hợp do quạt 4 và calorifer 5 cung

cấp được thổi từ dưới sàn phân phối lên và làm cho lớp hạt vật liệu dao động như là

“sôi”, nên được gọi là máy sấy tầng sôi Trong quá trình sôi, không khí bị thổi cưỡng bức qua các hạt vật liệu ở vận tốc đủ lớn để vượt qua trọng lực của hạt vật liệu và duy

Hình 6 – 3: Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy tầng sôi

1 Phễu cấp liệu, 2 Buồng sấy , 3 Sàn phân phối,

4 Quạt, 5 Calorifer, 6 Thùng chứa, 7 Tấm chắn, 8 Cyclone

Sản phẩm

Tác nhân sấy

Không khí vào

Vật liệu sấy

6

7

3

2

8

Thu hồi bụi

1

trì các hạt ở trạng thái lơ lửng Vật liệu sấy ở trạng thái sôi nhận nhiệt và nhả ẩm cho tác nhân sấy trở nên nhẹ hơn, theo tác nhân đi lên lớp trên đồng thời nó cũng di chuyển

ngang trong quá trình sấy liên tục và được lấy ra ở thùng chứa 6 ở một độ cao thích hợp nhờ tấm chắn 7 Các sản phẩm dạng hạt bụi nhỏ bay theo tác nhân sấy được thu hồi nhờ cyclone 8

Thiết bị sấy tầng sôi là thiết bị sấy ít gặp trong công nghệ sau thu hoạch và chế biến nông sản thành thương phẩm ở Việt Nam

Thiết bị sấy tầng sôi có ưu điểm là thích hợp với vật liệu dạng hạt, độ khô sản phẩm rất đồng đều, cường độ sấy mãnh liệt do sự tiếp xúc triệt để giữa vật liệu và tác nhân sấy, cho phép sấy ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ cho phép vì thời gian tiếp xúc ngắn Hiệu suất sử dụng thiết bị cao, giá thành đầu tư thấp Nhưng có nhược điểm là sấy được vật liệu có độ ẩm quá lớn, cục to, dễ vỡ vụn, tổn thất thuỷ lực lớn, thiết bị bị

ăn mòn nhanh

6.3.2 Tính toán, thiết kế

Chiều cao lớp sôi xác định theo biểu thức:

0 0

H Y 1

Y 1 H





Trong đó:

Y 0 : độ rỗng của vật liệu ở trạng thái tĩnh,

Y: độ rỗ của vật liệu trong lớp sôi,

H 0 : chiều cao vật liệu ở trạng thái tĩnh

Gọi v k : vận tốc của dòng khí (tác nhân sấy) thổi vào ống sấy,

v cb : vận tốc cân bằng của hạt vật liệu sấy

Vận tốc không khí yêu cầu để giữ các hạt vật liệu ở trạng thái lơ lửng gọi là vận tốc cân bằng (vận tốc tới hạn)

Do vậy: v k > v cb : hạt sẽ bay

v k = v cb : hạt lơ lửng

v k < v cb : hạt sẽ lắng xuống

Vận tốc cân bằng thay đổi tuỳ từng loại sản phẩm và đặc biệt còn phụ thuộc vào mật độ và kích thước hạt vật liệu

Phương trình cân bằng giữa lực trọng trường tác dụng lên hạt vật liệu và lực nâng

do dòng khí thổi lên:

2

v 4

d g ) (

6

k

2 td k

h

3

(6 – 9) Trong đó:

d td : đường kính tương đương của hạt vật liệu [mm],

h , k : khối lượng riêng của hạt vật liệu và không khí [kg/m 3 ],

g: gia tốc trọng trường [m/s 2 ],

: hệ số trở lực,

v cb : vận tốc cân bằng của hạt vật liệu [m/s]

Việc xác định vận tốc cân bằng theo công thức (6 – 9) rất khó khăn vì hệ số trở lực  phụ thuộc vào v cb Trong thực tế, vận tốc cân bằng thường xác định theo phương pháp đồng dạng dựa vào các phương trình tiêu chuẩn

Tính vận tốc tới hạn của dòng tác nhân sấy dựa vào phương trình tiêu chuẩn của

Fedorov, khi Fe = 40  200:

52 , 0 56

, 1 th

e 0 , 19 Fe 0 , 22 Ar

Theo thực nghiệm, vận tốc tối ưu của tác nhân chọn trong khoảng:

Trong đó:

Re: tiêu chuẩn Reynold:



d td

Re

Fe: tiêu chuẩn Fedorov:

3

2 3

) (

4

k

k v td

g d

Fe







 



Ar: tiêu chuẩn Archimede:

k

k v

d Ar









2

 Diện tích sàn phân phối:

] m [

v 3600

L

tu

Trong đó:

L: lưu lượng không khí cần thiết cho quá trình sấy [kg/h],

v tư : vận tốc tối ưu của tác nhân sấy [m/s], xác định dựa vào (6 – 11),

: khối lượng riêng của vật liệu sấy [kg/m 3 ]

Phương trình trao đổi nhiệt trong lớp sôi:

Trong đó:

: hệ số trao đổi nhiệt trong lớp sôi,

F: tổng diện tích bề mặt hạt vật liệu trong lớp sôi,

t: độ chênh lệch nhiệt độ giữa tác nhân sấy và vật liệu

Khối lượng vật liệu sấy thường xuyên nằm trong buồng sấy:

t 6

d Q









Trong đó: d td – đường kính tương đương của hạt vật liệu sấy

6.4 Thiết bị sấy khí động

6.4.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Thiết bị sấy khí động hay còn gọi là thiết bị sấy khí thổi, sơ đồ cấu tạo như hình 6 – 4

Thiết bị sấy khí động dùng sấy vật liệu dạng hạt nhỏ hay tinh thể chóng khô

Vật liệu vào thiết bị và được dòng khí có tốc độ 10  20 m/s cuốn theo lên ống thẳng đứng cao từ 10  20 mét Sau đó vào phòng giảm tốc độ rồi vào cyclone thu hồi

sản phẩm

Thời gian sấy rất ngắn chỉ khoảng 5  7 giây

Ưu điểm: Bề mặt tiếp xúc pha lớn nên quá trình sấy rất mãnh liệt; thời gian sấy nhanh nên cho phép sấy ở nhiệt độ cao Thiết bị cấu tạo gọn, đơn giản

Nhược điểm: Khó điều chỉnh quá trình, tốn nhiều năng lượng

2

Không khí vào

1

4

3

9

8

6

Hình 6 – 4: Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy khí động

1 Quạt, 2 Calorifer, 3 Phễu cấp liệu, 4 Buồng sấy

5 Thùng giảm áp, 6 Ống thải tác nhân sấy,

7 Thiết bị lọc, 8 Cyclone, 9 Vis tải tháo liệu

6.4.2 Tính toán, thiết kế

Chiều dài ống sấy:

Trong đó: l 1 , l 2 , l 3: chiều dài ống sấy tương ứng với các giai đoạn sấy gia nhiệt, tốc độ sấy không đổi và tốc độ sấy giảm

t F

Q

l i





Đường kính ống sấy:

] m [ v

900

V D

k



Trong đó:

V: lưu lượng tác nhân sấy,

v k : vận tốc tác nhân sấy

6.5 Thiết bị sấy phun

6.5.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

a Loại tháp: Xem hình 6 – 5a

Cấu tạo gồm có tháp cao 4, ở đỉnh tháp có vòi phun 3 cố định hoặc chuyển động quay Dung dịch chứa ở thùng chứa 1 có nhiệt độ thích hợp nhờ bơm 2 bơm lên đỉnh

tháp và phun qua vòi thành sương mù

Quá trình sấy thông gió tự nhiên qua cửa 5 Sản phẩm lấy ra ở đáy tháp gián đoạn

hay liên tục

Tháp có thể cao đến 60 m, đường kính từ 1  10 m

b Loại thùng: Xem hình 6 – 5b

Cấu tạo gồm thùng hình trụ 7 có đáy côn Nắp trên lắp động cơ điện 3 truyền động cho đầu vòi phun 4 có tốc độ quay rất lớn (2000  6000 vòng/phút)

Calorifer 2 để đốt nóng không khí Sản phẩm được thu hồi ở cyclone 6, còn không khí thải ra ngoài nhờ quạt 5

c Cơ chế của quá trình, các phương pháp phun bụi và ứng dụng:

- Cơ chế: Việc phun chất lỏng thành bụi mù trong buồng sấy và quá trình tiến hành rất nhanh đến mức không kịp đốt nóng vật liệu lên quá giới hạn cho phép Sản phẩm thu được ở dạng bột mịn nên sau đó không cần nghiền mịn nữa

Cường độ sấy tăng tỉ lệ thuận với sự tăng của bề mặt tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy; tức là phụ thuộc vào độ phân tán của chất lỏng được phun thành bụi

- Các phương pháp phun bụi:

 Ly tâm: Cho chất lỏng đi vào một đĩa quay nhanh khoảng 2000  6000 vòng/phút, có thể phun huyền phù và chất lỏng nhớt thành bụi mù

 Cơ khí: Nhờ vòi phun; trong đó chất lỏng được đẩy bằng bơm với áp suất

tới 200 at Để phun đều và tạo tia nhỏ, các vòi phun có đực nhiều lỗ nhỏ với đường kính khoảng 0,5 mm Loại này không thuận tiện đối với dung

dịch huyền phù và các dung dịch nhớt

 Dùng khí nén: Nhờ các vòi phun trong đó chất lỏng được đẩy bằng không

khí nén với áp suất 2,5  6 at

Trong 3 loại trên, loại ly tâm thường dùng hơn vì nó có hiệu quả cao nhất, nhưng

có nhược điểm là tiêu hao năng lượng nhiều nhất

- Ứng dụng: Thiết bị sấy phun được dùng để sấy các dung dịch như: bột cà phê,

ca cao, sữa bò, sữa đậu nành, phân u-rê, …

Không khí nóng

Tác nhân sấy

1

2

3

5

4

6

Hình 6 – 5a: Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy phun loại tháp

1 Thùng chứa dung dịch, 2 Bơm, 3 Vòi phun bụi mù,

4 Buồng sấy, 5 Cửa thông gió tự nhiên, 6 Sản phẩm

6.5.2 Tính toán, thiết kế

a Đường kính buồng sấy

Đường kính buồng sấy D cần chọn phải lớn hơn đường kính chùm tia phun D Theo thực nghiệm:

Khi sấy vật liệu không chịu được nhiệt độ càng cao, chọn đường kính buồng sấy càng lớn

b Chiều cao buồng sấy

Chiều cao buồng sấy hữu ích:

] m [ D

V 4

Trong đó:

V s : thể tích phần sấy của buồng [m 3 ],

D: đường kính buồng sấy [m]

Khi xác định kích thước của buồng sấy phun cần chú ý quan hệ giữa chiều cao và đường kính buồng sấy:

Hình 6 – 5b: Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy phun loại thùng

1 Lọc bụi, 2 Calorifer, 3 Động cơ điện,

4 Vòi phun, 5 Quạt, 6 Cyclone, 7 Buồng sấy

Không khí ra

Sản phẩm

Không khí vào

4

6

7

5

3

2

1

H s /D  1,5  2,5 (6 – 20) Nếu độ ẩm của dung dịch vào buồng sấy càng nhỏ và công suất sấy càng lớn thì

chọn tỉ số H s /D càng nhỏ

Khi sấy để thu được sản phẩm dạng bột khô thì chọn tỉ số H s /D  5

c Thời gian sấy

Thời gian sấy là thời gian vật liệu lưu chuyển trong buồng sấy:

] s [ v v

H

k cb

s





Trong đó:

v cb : vận tốc cân bằng của hạt vật liệu sấy (đã khô) [m/s],

v k : vận tốc của tác nhân sấy [m/s]

Dấu (+) khi vật liệu sấy và tác nhân sấy chuyển động cùng chiều,

Dấu (-) khi vật liệu sấy và tác nhân sấy chuyển động ngược chiều

Để hạt vật liệu sấy lắng tụ, trong sấy phun thường chọn v k < v cb

6.6 Thiết bị sấy dùng bơm nhiệt ():

Các thiết bị sấy dùng bơm nhiệt (TBSDBN) hoạt động bằng điện để tách ẩm có nhiều ưu điểm hơn so với các máy sấy dùng không khí nóng trong một số ứng dụng về sấy trong công nghiệp và nông nghiệp TBSDBN tiêu thụ năng lượng thấp hơn, chất lượng sản phẩm cao và ổn định hơn, các kết quả về sấy ổn định bất kể các điều kiện về thời tiết Cách để thực hiện được điều này là thu hồi lại ẩn nhiệt tích tụ trong hơi ẩm

do kết quả của quá trình sấy Tiến trình này thực hiện sự ngưng tụ hơi ẩm trong khí sấy Có nhiều loại bơm nhiệt như nén hơi, nhả ẩm, điện nhiệt, … nhưng chỉ có loại nén hơi là được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp do hiệu suất cao và cấu tạo đơn giản Trong lĩnh vực kinh tế và môi trường, TBSDBN ngoài việc tiêu thụ năng lượng thấp hơn nó còn giảm lượng khí CO2 thải ra ngoài môi trường so với các máy sấy dùng không khí nóng Thêm vào đó, hiệu suất sử dụng năng lượng cao của TBSDBN và lượng khí CO2 thải ra ngoài môi trường thấp khi sử dụng nguồn năng lượng điện có tác dụng tốt với môi trường hơn là các máy sấy dùng nhiên liệu khác trong một số lĩnh vực rộng lớn của việc ứng dụng về sấy

6.6.1 Các nguyên lý cơ bản

* TBSDBN đơn giản

TBSDBN đơn giản được minh hoạ như Hình 6 – 6 Nó bao gồm một buồng kín (đối với không khí và hơi nước) chứa sản phẩm cần sấy khô, một hệ thống tuần hoàn không khí và các thành phần cơ bản của hệ thống điều hoà nhiệt độ hay làm lạnh Máy nén rút khí (chuyển tải) làm lạnh có áp suất thấp từ thiết bị bay hơi và nén

nó trở thành khí có áp suất cao và nóng lên tới bình ngưng tụ Ở bình ngưng tụ nhiệt của hơi nóng được hấp thu do không khí của hệ thống sấy đi ngang qua Do vậy, khí chuyển tải có áp suất cao và nóng sẽ ngưng lại thành chất lỏng có áp suất cao và nóng