Thiết kế hệ thống thiết bị sấy tầng sôi dùng để sấy ngô

Để bảo quản các nông sản khỏi bị hỏng thì cần sử dụng các thiết bị sấytương ứng với các phương pháp sấy khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu và cácchế độ sấy.. 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẤY Q

Thiết kế hệ thống thiết bị sấy tầng sôi dùng để sấy ngô Các số liệu ban đầu:

• Năng suất thiết bị sấy: G2 = 550 kg/h

• Nhiệt độ không khí trước khi vào calorife: to = 20oC

• Độ ẩm tương đối: ϕ0 =85%

• Độ ẩm của vật liệu sấy: W1 =35%; W2 = 15%

• Nhiệt độ vào buồng sấy của không khí: t1 = 85oC

• Nhiệt độ vào buồng sấy của không khí: t2 =45oC

Mục lục

PHẦN I : MỞ ĐẦU

Trong công nghiệp sản xuất và chế biến nguyên liệu, luôn có những yêu cầu

về sấy vật liệu ẩm Đặc biệt các thiết bị sấy đóng vai trò vô cùng quan trọng trongcông nghệ sấy

Trên thế giới, thì kỹ thuật sấy trở thành một ngành khoa học và phát triển từnhững năm 50 của thế kỉ XX Nhờ các thành tựu khoa học nói chung, kỹ thuật sấynói chung, chúng ta đã giải quyết những vấn đề kỹ thuật sấy cho các ngành côngnghiệp cũng như nông nghiệp Đặc biệt là kỹ thuật sấy các nông sản với quy môcông nghiệp làm phong phú các mặt hàng nông sản

Là một quốc gia nằm trong vùng nhiệt đới, Việt Nam có những sản phẩm từnông ngành nông nghiệp vô cùng phong phú như lúa gạo, ngô, khoai, sắn, đậu,lạc…vv Để bảo quản các nông sản khỏi bị hỏng thì cần sử dụng các thiết bị sấytương ứng với các phương pháp sấy khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu và cácchế độ sấy Tuy nhiên, hiện nay ở nước ta, các thiết bị sấy có hiệu quả cao chủ yếuđược nhập khẩu với giá thành cao nên chi phí sản suất lớn dẫn tới các mặt hàngnông sản mang suất khẩu thị trường nước ngoài không thu được nhiều lợi nhuận Chính vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế các thiết bị sấy có ý nghĩa vô cùngquan trọng, nó quyết định đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm, việc sử dụng hợp

lí nhiên liệu, góp phần làm giảm chi phí và tăng thời gian bảo quản dẫn tới làmgiảm giá thành nông sản

• Nguyên tắc của quá trình sấy:

Cung cấp năng lượng nhiệt nhằm biến đổi trạng thái pha của chất lỏng trong vậtliệu thành hơi Cơ chế được mô tả bằng 4 quá trình sau:

− Cấp nhiệt vào bề mặt vật liệu

− Dòng nhiệt từ bề mặt dẫn vào trong vật liệu

− Khi nhận được nhiệt lượng, dòng ẩm di chuyển ra ngoài bề mặt

− Dòng ẩm từ bề mặt vật liệu đi vào môi trường xung quanh

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẤY

Quá trình sấy có thể tiến hành bằng nhiều cách: có thể tiến hành bay hơi tựnhiên bằng năng lượng mặt trời, năng lượng gió… ( hay còn gọi là quá trình phơikhô) Áp dụng ở các hộ gia đình sản xuất nhỏ lẻ cho năng suất thấp; sấy nhân tạo,

áp dụng trong các ngành công nghiệp cho năng suất cao.Tùy theo cách thức truyềnnhiệt, trong kỹ thuật sấy chia ra như sau:

- Sấy đối lưu: là phương pháp cho không khí nóng khói lò (tác nhân sấy), tiếpxúc trực tiếp với vật liệu sấy

- Sấy tiếp xúc : là phương pháp không cho tác nhân sấy tiếp xúc trực tiếp vớivật liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt gián tiếp cho vật liệu sấy thông quamột vách ngăn

- Sấy bằng tia hồng ngoại: là phương pháp sấy dùng năng lượng cảu tia hồngngoại mang năng lượng nhiệt truyền cho vật liệu sấy

- Sấy bằng điện cao tần: là phương pháp sấy dùng năng lượng điện trường cótần số cao để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của khối vật liệu sấy

- Sấy thăng hoa:là phương pháp sấy trong môi trường có áp suất dư âm ( độchân không cao) và nhiệt độ thấp, ẩm sẽ đóng băng sau đó thăng hoa thànhdạng đi ra khỏi vật liệu nhờ chênh lệch áp suất.

Trong công nghiệp, chủ yếu là dùng hai phương pháp đầu, ba phương phápcuối ít được sử dụng và còn được gọi là phương pháp đặc biệt

2.3 CÁC THIẾT BỊ SẤY

Dựa vào các phương pháp sấy, trong kỹ thuật sấy có các thiết bị sấy như sau:

2.3.1 Thiết bị sấy đối lưu

Thiết bị sử dụng phương pháp sấy đối lưu Đây là phương pháp sấy thông dụngnhất Thiết bị sấy đối lưu bao gồm: thiết bị sấy buồng, thiết bị sấy hầm, thiết bị sấy khíđộng, thiết bị sấy tầng sôi, thiết bị sấy tháp, thiết bị sấy thùng quay, thiết bị sấy phun…

2.3.2 Thiết bị sấy tiếp xúc

Thiết bị này sử dụng phương pháp sấy tiếp xúc, gồm 2 kiểu:

1. Thiết bị sấy tiếp xúc với bề mặt nóng kiểu tang quay hay lò quay

2. Thiết bị sấy tiếp xúc trong chất lỏng

2.3.3 Thiết bị sấy bức xạ

Thiết bị này sử dụng phương pháp sấy bức xạ Thiết bị sấy này dùng thích hợpvới một số loại sản phẩm

2.3.4 Thiết bị sấy dùng điện trường cao tần

Thiết bị sấy này dùng phương pháp sấy bằng điện trường cao tần

2.3.5 Thiết bị sấy thăng hoa.

Thiết bị này sử dụng phương pháp hóa hơi ẩm là thăng hoa Việc thải ẩm sử dụnghút chân không kết hợp với bình ngưng tụ ẩm

2.3.6 Thiết bị sấy chân không thông thường

Thiết bị này sử dụng các thải ẩm bằng máy hút chân không Do buồng sấy cóchân không nên không thể dùng cấp nhiệt bằng đối lưu, việc cấp nhiệt cho vật ẩmbằng bức xạ hay dẫn nhiệt…

Các thiết bị sấy dùng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như công nghiệpchế biến gỗ, chế biến lâm sản, lương thực thực phẩm, hải thủy sản, lượng thực, y tế,

công nghiệp khai thác mỏ, chế biến khoáng sản,…

Các thiết bị sấy phổ biến như:

− Thiết bị sấy tầng sôi

− Thiết bị sấy thùng quay

− Thiết bị sấy phun

− Thiết bị sấy thăng hoa

− Lò điện

− Thiết bị sấy kiểu ống khí động dùng để sấy cát.

Trong đồ án, em sẽ trình bày nội dung liên quan đến thiết bị sấy tầng sôi.

2.3.7 Giới thiệu về thiết bị sấy tầng sôi:

Một trong những phương thức của sấy đối lưu là sấy tầng sôi, đây cũng làphương thức sấy phổ biến để sấy nông sản

Sấy tầng sôi là một trong những thiết bị sấy tân tiến nhất Quá trình sấy tronglớp sôi bề mặt tiếp xúc pha là lớn nhất, vật liệu được khuấy trộn một cách mãnh liệt,nên cường độ sấy rất cao và sấy đồng đều

• Đặc điểm cấu tạo:

Hình 1 : Thiết bị sấy tầng sôi trongthực tế

• Ưu, nhược điểm:

- Ưu điểm:

+ Cường độ sấy lớn

+ Năng suất cao

+ Cấu tạo đơn giản, sấy đồng đều

+ Có thể cơ khí hóa và tự động hóa hoàn toàn

- Nhược điểm:

+ Chế độ làm việc khó khống chế.

+ Tạo bụi trong quá trình sấy

+ Vật liệu có thể bị vỡ khi bị đỏa trộn mạnh

+ Tốn năng lượng cho các thiết bị thu hồi

2.3.8: Đặc tính của vật liệu sấy: Ngô

Ngô cây lương thực quan trọng trên toàn thế giới bên cạnh lúa mỳ và lúa gạo

Ở các nước Trung Mỹ, Nam Á và Châu Phi, người ta sử dụng ngô làm lương thựcchính cho người với phương thức rất đa dạng theo vùng địa lý và tập quán mỗi nơi.Tại Việt Nam, ở những vùng miền núi, vùng khó khăn, đồng bào các dân tộc thiểu

số vẫn còn tập quán sử dụng ngô làm lương thực chính.Thống kê của tổ chức lương

thực thế giới (FAO) về ngô như sau :

Năm (1000 ha)Diện tích Năng suất(tấn/ha) Sản lượng(1000 tấn)

Bảng 2.1 : Diện tích, năng suất, sản lượng ngô trên thế giới ( FAO – 2010)

Ở nước ta, ngô là cây lương thực quan trọng thứ 2 sau lúa nước, nhưng cho đếncuối những năm 1970 năng suất ngô Việt Nam chỉ đạt chưa đến 10 tạ/ha (chưa bằng30% năng suất trung bình thế giới) do trồng các giống ngô địa phương với kỹ thuậtcanh tác lạc hậu Từ giữa những năm 1980, nhờ hợp tác với Trung tâm Cải tạo Ngô

và Lúa mỳ Quốc tế, nhiều giống ngô cải tiến đã được trồng ở nước ta, góp phần đưanăng suất tăng lên gần đạt 15 tạ/ha vào đầu những năm 1990

Năm Diện tích (1000 ha) Năng suất (tạ/ha) Sản lượng(1000 tấn)

Bảng 2.2 Sản xuất ngô ở Việt Nam từ năm 1961 đến những năm gần đây

(Nguồn : Cục thống kê Việt Nam - 2010)

Dưới đây là một số nội dung nghiên cứu về cây ngô và hạt ngô :

• Đặc điểm cấu tạo, tính chất về ngô

Các cơ quan sinh dưỡng ngô gồm: rễ, than, lá nhiệm vụ duy trì đời sốngcủa cây Phôi và hạt là khởi thủy cây mầm

Các cơ quan sinh sản đực (bông cờ), cái( mầm ngô) khác nhau nhưngtrên cùng một cây Ngô giao phấn chéo nhờ gió và côn trùng

Khi thu hoạch, con người sử dụng hạt ngô là thực phẩm, hạt ngô thuộcloại quả dĩnh gồm 4 bộ phận chính: vỏ hat, lớp aleron, phôi và nội nhũ

− Vỏ hạt (6-9% khối lượng hạt ngô) là màng nhẵn bao bọc xung quanh hạt

có màu trắng, màu tím và vàng tùy thuộc vào giống

− Lớp aleron (6-8% khối lượng hạt ngô) nằm sau vỏ hạt bao bọc lấy nội nhũ

và phôi

− Nội nhũ (70-85% khối lượng hạt ngô) là bọ phận chính chứa đầy các chấtdinh dưỡng để nuôi phôi Nội nhũ chứa tinh bột Tinh bột nội nhũ gồm 3

loại: bột, sừng và pha lê, đặc điểm và màu sắc nội nhuxlaf căn cứ phânloại ngô.

− Phôi (8-15% khối lượng hạt ngô) bao gồm lá mầm, trụ dưới lá mầm, rễmầm và chồi mầm Phôi ngô chiếm gần 1/3 thể tích hạt, bao quanh ngô cólớp tế bào xốp giúp cho vận chuyển nước vào phôi và ngược lại thuận lợi

• Thành phần hóa học và có trong hạt ngô.

PHẦN 3: SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

3.1 SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

( Vẽ trên khổ giấy A 3 ) 3.2: THUYẾT MINH SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN

PHẦN 4: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ

4.1 CÂN BẰNG VẬT LIỆU

• Dùng các kí hiệu như sau:

 G1: Lượng vật liệu ẩm đi vào máy sấy

 G2: Lượng vật liệu ra khỏi máy sấy

 w1,w2: Độ ảm ban đầu và cuối của vật liệu( tính theo khối lượng) ,%

 W: Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy, kg/h

 Gk: Lượng vật liệu khô tuyệt đối

• Tính toán cân bằng vật liệu

Theo phương trình cân bằng vật liệu ta có:

Lượng vật liệu ẩm đi vào máy sấy:

G1= G2 = 550 = 719,23 kg/h

Suy ra: W= 719,23 -550 = 169,23 kg/h

Và lượng vật liệu khô tuyệt đối :

Gk = G2 = 550 = 467,5 kg/h

4.2 QUÁ TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT

Các thông số của quá trình sấy:

 I: Ethanpy, kJ/kgkkk

 t: Nhiệt độ, oc

 x: Hàm ẩm, kg/kgkkk

 ϕ: Độ ẩm tương đối, % khối lượng.

• Thông số của tác nhân sấy (I 0, x0 , t 0 và ϕ0 )

từ thông số ban đầu : t0 = 20oc, = 85%

Áp suất hơi nước bão hòa tại = 20oC được tính bằng:

= exp ( 2.11 -TL2/T.25) = exp = 0,02331 bar

Áp suất chung lấy giá trị là P = 745 mmHg = = 0,9933 bar

Ckk = Ckkk – Ch = 1,004 + 1,842 0,01264 = 1024,9 J/kgoc = 1,02728 kJ/kgoCTrong đó : Ckkk là Nhiệt dung của không khí khô, lấy bằng 1,004 kJ/ kgoc

Ch là Nhiệt dung riêng của hơi nước, lấy bằng 1,842 J/kgoc

• Thông số của không khí ở calorife (I 1 ,, t 1 và ϕ1)

Quá trình gia nhiệt trong calorife là quá trình có x= const

nên = = 0,01264 kgẩm /kgkkk

- Ethanpy : I1 = 1,004.t1 + x 1( 2500 + 1,842.t1 )

= 1,004.85 + 0,01264.(2500 + 1,842.85)

= 118,919 kJ/kgkkk

- Áp suất hơi nước bão hòa ứng với nhiệt độ t1 = 85oC là:

= exp = = exp = 0,56954 barKhi đó 1 = = 0,0348 3,5%

• Thông số của tác nhân sấy sau buồng sấy (I2 , , t 2 và ϕ2)

- Đối với máy sấy lý thuyết thì I1 = I2 = 118,919 kJ/kgkkk

- Độ chứa ẩm x2 có thể tính theo công thức :

x 2 = (2.19 – TL2/ T.15)

= = 0,02855 kgẩm / kgkkk

- Tính độ ẩm tương đối của tác nhân sấy sau quá trình sấy:

ở t2 = 45oc, áp suất hơi nước bão hòa là :

= exp = = exp= 0,09495 barVậy ϕ2 = = = 0,462 = 46,2 %

4.2.3 Lượng không khí lý thuyết

- Lượng không khí khô tiêu tốn riêng cho 1kg ẩm bốc hơi là :

- Vẽ các đường I0, I1 và I2 song song với trục x

- Trên trục tung, vẽ các đường đẳng nhiệt t0, t1 và t2 Các đường này tạo với trụcmột góc nhất định và chúng có đọ dốc tăng dần khi nhiệt độ tăng

• Biểu diễn các trạng thái:

- Trạng thái đầu tiên của không khí được xác định bởi điểm A( x0 , t0 )

- Không khí bắt đầu đi vào calorife, đốt nóng không khí thì nhiệt độ tăng từ t0

lên t1 và hàm ẩm x = const (x0 = x1)

- Sau khi không khí ra khỏi calorife, trạng thái được xác định bởi điểm B(x1 , t1)

- Đoạn thẳng AB biểu diễn giai đoạn đốt nóng không khí trong calorife

- Điểm C( x2 , t2) biểu diễn trạng thái cuối của không khí trong quá trình sấy líthuyết, C nằm trên đường I1 ( vì I1 = I2)

- Như vậy, đường gấp khúc ABC biểu diễn quá trình sấy lý thuyết trên đồ thi I –x

4.3 QUÁ TRÌNH SẤY THỰC

4.3.1 Các thông số của quá trình sấy thực

• Thông số của không khí:

Như đã tính ở phần lí thuyết, không khí là tác nhân sấy đi vào :

 Áp suất hơi nước bão hòa ở 20oC : = 0,02331 bar

 Áp suất chung : B = = 0.9933 bar

• Thông số của vật liệu sấy:

 Các kích thước của ngô: tra phụ lục 7 (trang 351/tài liệu [2])

 Dài: l = 12 mm

 Rộng: a= 7mm

 Dày: b= 5 mm

 Nhiệt dung riêng: C = 1,55 (KJ/Kg)

 Khối lượng riêng rắn: ρv = 1300 Kg/m3

 Hệ số hình dạng : dtd= 0,0075 (m)

4.3.2 Tính các đại lượng cần thiết

• Tốc độ làm việc tối ưu:

- Trước tiên, cần tính chuẩn số Fe: Fe =

Ở điều kiện t = 0,5(t1 + t2) = 0,5(85+ 45)= 65oC, tra phụ lục tài liệu ta được cácthông số như sau :

• Xác định sơ bộ diện tích ghi và chiều cao:

- Diện tích FG và chiều cao vật liệu sấy sẽ được tính chính xác khi tính đượclương tác nhân sấy thực tế Tính đến diện tích chiếm chỗ của lưới thép, lấy sơ

bộ diện tích ghi bằng 1,2 – 1,5 Diện tích ghi tính theo lượng tác nhân sấy lýthuyết Vậy ta có:

FG = = = 0,99 m2

Vậy đường kính ghi sơ bộ :

Và nhiệt độ ngoài môi trường t0 = 200C tốc độ trao đổi nhiệt wt = 3,467 (m/s) Nhiệt độ trung bình của TNS ttb = (85+45)0,5 = 650C

Chạy chương trình tổn thất nhiệt viết trong ngôn ngữ psscal Ta được:

tw1= 55,3619: Nhiệt độ mặt trong của buồng sấy

tw2 = 55,334150C : Nhiệt độ măt ngoài của buồng sấy

 Để kiểm tra điều kiện ta có sai số tương đối :

• Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi

Nhiệt độ VLS sau quá trình sấy tv2 thường lấy theo điều kiện tv2 khoảng (5÷10)

0C Ở đây: tv2 = 45 – 5 = 400C

Nhiệt dung riêng Cv = 1,55 kJ/kgK

Khi đó nhiệt lượng do VLS mang đi là :

4.3.3 Xác định thông số của quá trình sấy thực

Sau khi đã có giá trị tổng tổn thất nhiệt chúng ta có thể xây dựng quá trình sấy

thực trên đồ thị I-x Trạng thái TNS sau quá trình sấy thực bằng điểm C Từ điểm C

chúng ta tìm được entanpy I2, lượng ẩm d2 và độ ẩm tương đối Đương nhiên cácthông số này cũng có thể tính toán bằng:

- Độ chứa ẩm của không khí sau buồng sấy x2 :

Bảng cân bằng vật liệu và hiệu suất buồng sấy:

4 Tổng tổn thất ra môi trường qmt 19,2 0,45

5 Tổng nhiệt lương tiêu hao q 4255,44 100

4.4 Các số liệu tính toán được:

• Số liệu ban đầu:

• Khối lượng vật sấy trên ghi G:

- Trước hết ta tính tiêu chuẩn Nu, giả sử thêm nếu với Fe = 247,759 thì có thểtính theo công thức :

• Khối lượng hạt thực tế nằm trên ghi.

Trước đây, chọn sơ bộ H = 0,25 m Thực tế H = 0,3 m, do đó khối lượng hạtthường xuyên nằm trên ghi được tính bằng :

G = 252 = 302 kg

- Thời gian sấy trung bình :

= (10.36 – TL2/T.157)

= = 0,48 giờ = 29 phút

PHẦN 5: TÍNH KÍCH THƯỚC CỦA THIẾT BỊ

5.1 Thông số cần thiết cho tính toán

 Nhiệt độ tác nhân vào: t1 = 85 0C

 Nhiệt độ tác nhân ra : t2 = 45 0C

 Nhiệt độ tính toán trung bình: t = 65 0C

 Khối lượng riêng: ρk = 1,037 kg/m3

= = 9,1 m/s ( : Độ xốp của lớp sôi, với hạt cầu ta chọn = 0,4)

- Tỷ số tiết diện chảy và lưới:

νak = = 5,7 Chọn lưới có cách đục lỗ như sau:

5.6 Chiều cao buồng sấy:

Khối lượng hạt thưc tế nằm trên ghi Trước đây chúng ta chọn sơ bộ H = 0,25m.Thực tế Hs = 0,3m

Để đảm bảo quá trình hoạt động ta chọn chiều cao buồng phân ly bằng 2,5 lầnchiều cao lớp tầng sôi Hp = 0,3.2,5 = 0,75 m

Vậy chiều cao lớp buồng sấy H = 0,58+1,45 = 1.05 m

5.7 Bề dày của thiết bị

Nên Smm

Vậy bề dày lưới là: 5 mm

5.7.2 Buồng sấy

Thân buồng sấy chịu tác dụng của lực nén chiều trục

Theo điều kiện bền khi lta có:

S = Trong đó:

− Điều kiện ổn định:

Ta có: S

Trong đó:

E = 19,6.104 N/mm2 (môdun đàn hồi)Khi:

= = 140,875 250 thì thông số này phụ thuộc vào trị số

Vậy: = 0,28 mm

Ta thấy S = 3 mm thoả mãn điều kiện ổn định

− Điều kiện bền:

0,118.19,6.104 = 61,565 N/mm2

vì σ = 61,565 nên thoả điều kiện bền

Vậy chiều dày thiết bị là S = 3 mm

5.7.3 Bộ phận nạp liệu

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

Năng suất của vít tải được tính theo công thức:

 ρ: khối lượng riêng của ngô, Tấn/m3 ρ =850 kg/m3

 φ: hệ số chứa đầy, đối với ngô ta chọn bằng 0,4

 C: hệ số tính tới việc giảm năng suất khi vít tải đặt nghiêng Trongtrường hợp này do vít tải đặt nằm ngang nên C=1

Thế vào ta được:

Q = 47.0,2230.0,168500,4.1 = 3068,16 kg/phút = 51,136 kg/sCông suất của động cơ truyền động cho vít tải: