Đồ án môn học Kỹ thuật sấy là một học phần quan trọng và hữu ích, trong học phần này sinh viên được trực tiếp tính toán, thiết kế, lựa chọn một hệ thống thiết bị sấy cụ thể. Công việc này không những giúp cho sinh viên củng cố và phát triển hơn những kiến thức lý thuyết mà còn giúp cho sinh viên được làm quen, tích lủy kinh nghiệm cho công việc tương lai của mình.Dưới đây là bản thuyết minh ghi lại toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế bản đồ án với đề tài: Sấy cà phê nhân 1000kg khômẻ bằng thiết bị sấy thùng quay.
Trang 1LỜI NÓI ĐẦU
Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều ngành công nghiệp như trong công nghiệp chế biến nông – hải sản, công nghiệp chế biến gổ, công nghiệp sản suất vật liệu xây dựng nó đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống sinh hoạt và sản suất của con người
Ở khoa Nhiệt trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, sau khi học xong các học phần lý thuyết về kỹ thuật sấy và chuyên đề sấy thì sinh viên sẽ bước sang giai đoạn làm đồ án môn
học Đồ án môn học Kỹ thuật sấy là một học phần quan trọng và hữu ích, trong học phần này
sinh viên được trực tiếp tính toán, thiết kế, lựa chọn một hệ thống thiết bị sấy cụ thể Công việc này không những giúp cho sinh viên củng cố và phát triển hơn những kiến thức lý thuyết mà còn giúp cho sinh viên được làm quen, tích lủy kinh nghiệm cho công việc tương lai của mình
Dưới đây là bản thuyết minh ghi lại toàn bộ quá trình tính toán, thiết kế bản đồ án với đề
tài: Sấy cà phê nhân 1000kg khô/mẻ bằng thiết bị sấy thùng quay Với sự hướng dẫn, dạy
bảo tận tình của thầy TS Trần Văn Vang, Khoa CN Nhiệt – Điện lạnh, ĐHBK Đà Nẵng, nhóm sinh viên 08-15A đã hoàn thành bài thuyết minh và bản vẽ hệ thống sấy Dù đã có
nhiều cố gắng nhưng do các sinh viên còn nhiều hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm thực tế nên bản thuyết minh chắc này vẫn có những thiếu sót, những điều chưa hợp lý do dó cần có
sự chỉ bảo thêm để bản thuyết minh có thể hoàn thiện
Đà Nẵng, ngày 23, tháng 11 , năm 2011
Sinh viên thực hiện
Nhóm 08-15A
Trang 2MỤC LỤC
Trang
1.2.1 Giới thiệu các phương pháp sản xuất cà phê 6
2.2.1 Tính toán trạng thái không khí bên ngoài 102.2.2 Tính toán trạng thái không khí vào thùng sấy 112.2.3 Tính toán trạng thái không khí ra khỏi thùng sấy 11
2.2.5 Tính toán lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy 12
4.1.4 Tính bề mặt truyền nhiệt F của calorifer 18
Trang 34.2 Tính trở lực và chọn quạt gió 19
4.2.2 Chọn quạt gió cho hệ thống sấy thùng quay 20
PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ TRONG NHÓM 8:
Chương 1+ Phần 4.1: Nguyễn Quang Hiếu
Chương 2+ Phần 4.2: Nguyễn Trọng Hiếu
Chương 3: Nguyễn Đình Vũ
Trang 4Chương 1: NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU SẤY
1.1 Đặc tính chung của quả cà phê:
1.1.1 Cấu tạo giải phẫu quả cà phê:
Quả cà phê đưa vào chế biến gồm có các phần sau: lớp vỏ quả, lớp nhớt (vỏ nhớt), lớp
vỏ trấu (lớp vỏ thóc), lớp vỏ lụa và nhân
Lớp vỏ quả: là lớp vỏ ngoài, mềm, ngoài bì có màu đỏ, vỏ của cà phê chè (arabica) mềm hơn so với vỏ cảu cà phê vối (robusta) và cà phê mít (excelsa)
Dưới lớp vỏ mỏng là lớp vỏ thịt, gọi là trung bì, vỏ thịt cà phê chè mềm, chứa nhiều chất ngọt, dễ xay xát hơn Vỏ cà phê mít cứng và dày hơn
Hạt cà phê sau khi loại các chất nhờn và phơi khô gọi là cà phê thóc, vì bao bọc nhân là lớp vỏ cứng nhiều chất xơ gọi là vỏ trấu tức là nội bì Vỏ trấu của cà phê chè mỏng và dễ đậphơn cà phê vối và cà phê mít
Xát cà phê thóc còn 1 lớp vỏ mỏng, mềm gọi là vỏ lụa, chúng có màu sắc và đặc tính khác nhau tùy theo loại cà phê Vỏ lụa cà phê chè có màu trắng bạc rất mỏng và dễ bong ra trong quá trình chế biến khác với cà phê mít
Trong cùng là lớp nhân cà phê Lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng có những tế bào nhỏ, trong có chứa những chất dầu Phía trong có những tế bào lớn và mềm hơn Một quả cà phê thường có 1,2 hoặc 3 nhân Nhưng thông thường thì có 2 nhân
Bảng tỉ lệ giữa các phần cấu tạo của quả cà phê (tính theo % quả tươi):
Trang 51.1.2 Cấu tạo của nhân cà phê:
Nhân cà phê có cấu tao như hình trên bao gồm:
+ Phôi
+ Mô dinh dưỡng
1.1.3 Thành phần hóa học của nhân cà phê:
-Vỏ quả: Có màu đỏ do chất antoxian và các vết alkaloid, trong vỏ chứa 21,5 – 30% chất khô (tanin, caffein, các enzyme, …)
-Vỏ thịt: Là những tế bào mềm chứa nhiều đường và pectine, ngoài ra còn có enzyme pectinase phân giải pectine trong quá trình lên men và lên men đường làm pH dao động trong khoảng 5,6 – 6,4
- Vỏ trấu: Chứa chủ yếu là cellulose, một ít caffein (0,4%) do khếch tán từ vỏ trong lúc phơi khô hoặc lên men
- Nhân: Nước chiếm 10 – 12%, protein chiếm 9 – 11%, lipid chiếm 10 – 13%, các loại đường chiếm 5 – 10%, tinh bột chiếm 3 – 5% Ngoài ra còn có một số chất thơm, khoáng và alkaloid Thành phần hóa học của nhân quyết định chất lượng cà phê, nó phụ thuộc vào chủng loài, điều kiện đất đai, kỹ thuật canh tác, phương pháp chế biến bảo quản, …Và trong chế biến cà phê thì thành phần hóa học của nhân là nhân tố quan tâm hàng đầu
Trang 6Bảng thành phần hóa học của nhân cà phê:
1.1.4 Tính chất vật lý của cà phê nhân:
Cà phê nhân được bóc ra từ cà phê thóc, có hình dạng bầu dục, chiều dài khoảng 1cm, rộng khoảng 0,5cm
- Khối lượng riêng: ρ = 650 kg/m3
- Nhiệt dung riêng: c = 0,37 kcal/kg 0C
- Độ ẩm: ω1 = 20%, ω2 = 12%
1.2 Quy trình sản xuất cà phê nhân:
1.2.1 Giới thiệu các phương pháp sản xuất cà phê nhân:
Sản xuất cà phê nhằm mục đích loại bỏ các lớp vỏ bao bọc quanh hạt nhân cà phê để thu được cà phê nhân Để cà phê sống có một giá trị thương phẩm cao chúng ta phải sấy khô đến một mức độ nhất định (độ ẩm mà nhà chế biến yêu cầu) rồi sau đó tiếp tục các quá trình chế biến tinh khiết hơn như chế biến cà phê rang, cà phê bột thô, cà phê hòa tan, hoặc các sảnphẩm khác có phối chế như: cà phê sữa, các loại bánh kẹo cà phê
Trang 7Để sản xuất cà phê nhân người ta có thể áp dụng 2 phương pháp:
- Phương pháp chế biến ướt (phương pháp ướt)
- Phương pháp chế biến khô (phương pháp khô)
Phương pháp ướt: gồm 2 giai đoạn chính :
- Giai đoạn xát tươi và phơi sấy loại bỏ các lớp vỏ, thịt và các chất nhờn bên ngoài và phơi sấy khô đến mức nhất định
- Giai đoạn xay xát, loại bỏ các lớp vỏ trấu và một phần vỏ lụa, tọa thành ca phê nhân.Phương pháp khô: Chỉ có một giai đoạn chính là sau khi phơi quả cà phê đến mức độ nhất định, dùng máy xát khô loại bỏ các lớp vỏ bao bọc nhân, không cần qua giai đoạn cà phê thóc
Công nghê sản xuất cà phê nhân theo phương pháp ướt sản phẩm có chất lượng cao, ổn định nhưng gia công phức tạp, vốn đầu tư lớn còn công nghệ sản xuất theo phương pháp khô thì đơn giản, vốn đầu tư thấp, chất lượng sản phẩm không cao Hiện nay ở nước ta, các nhà máy, xí nghiệp sản xuất cà phê nhân chủ yếu sử dụng phương pháp khô (phương pháp cổ điển)
1.2.2 Dây chuyền sản xuất cà phê nhân:
1 Dây chuyền sản xuất cà phê nhân bằng phương pháp ướt:
Thu nhận và bảo quản quả cà phê
Phân loại và làm sạch
Xát tươi
Rửa
Làm ráoXát khô (loại bỏ các vỏ bao bọc nhân)
Đóng bao và đưa vào bảo quảnThu được cà phê nhân
Sấy
Trang 82 Dây chuyền sản xuất cà phê nhân bằng phương pháp khô:
Nguyên liệu cà phê tươi
Làm khô quả cà phê
Bóc vỏ quả khô và quả lửa
Phân loại
Đấu trộn và đóng bao
Trang 9Chương 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY
2.1 Chọn thiết bị sấy:
2.1.1 Chọn phương pháp sấy:
Ở đây dùng để sấy cà phê nhân ta chọn phương pháp sấy nóng Trong phương pháp này, TNS và VLS được đốt nóng Do TNS được đốt nóng nên độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp suất hơi nước pam trong TNS giảm Mặc khác do nhiệt độ của VLS tăng lên nên mật độ hơi nước trong các mao quản tăng nên phân áp suất hơi nước pab trên bề mặt vật liệu tăng Nhờ đó mà hiệu số giữa phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật và phân áp suất hơi nướctrong TNS tăng làm tăng quá trình dịch chuyển ẩm trong lòng VLS ra bề mặt và đi vào môi trường
Đối với phương pháp sấy lạnh, phương pháp sấy nóng có ưu điểm là: cường độ sấy lớn
do độ chênh lệch áp suất pab - pam có thể đạt được rất lớn Trong hệ thống sấy nóng không phải dùng máy lạnh và máy hút ẩm nên chi phí đầu tư rẻ hơn và vận hành đơn giản hơn
2.1.2 Chọn thiết bị sấy:
Ở đây ta chọn thiết bị sấy thùng quay là thiết bị chuyên dùng để sấy hạt, cục nhỏ Loại thiết bị này được dùng rộng rãi trong công nghệ sấy các vật ẩm dạng hạt có kích thước nhỏ sau khi thu hoạch Trong hệ thống này VLS được đảo trộn mạnh, tiếp xúc nhiều với TNS, dotrao đổi nhiệt mạnh, tốc độ sấy nhanh và độ đồng đều của sản phẩm cao Ngoài ra thiết bị có thể làm việc với năng suất lớn
Thiết bị sấy thùng quay ở đây là thiết bị làm việc theo chu kỳ, cấu tạo chính là một thùng sấy hình trụ tròn đặt nằm ngang và một ống dẫn khí đặt ở giữa đồng tâm với trục thùng Vật liệu đổ vào thùng với khối lượng bằng một mẻ sấy, thùng quay liên tục với vận tốc nhất định nhờ một động cơ điện thông qua một hộp giảm tốc Khí nóng được đưa vào ống dẫn khí, theo ống dẫn khí vào giữa thùng và phân phối ra xung quanh qua các lổ ở xung quanh ống Khí nóng hòa trộn với vật liệu do thùng quay và sấy khô vật liệu Khí thoát xuyên qua các lổ ở vỏ thùng và thoát ra ngoài Khi vật liệu khô phải dừng máy và mở cửa để
đổ vật liệu trong thùng ra Sau đó lại cho vật liệu vào để sấy mẻ sau
2.1.3 Chọn tác nhân sấy và chế độ sấy:
Chọn tác nhân sấy: đối với cà phê nhân chỉ còn lớp lụa bên ngoài nên trong quá trình
sấy yêu cầu sạch, không bị ô nhiểm, bám bụi và nhiệt độ sấy không cao nên ta chọn TNS là không khí nóng
Chọn chế độ sấy: chế độ sấy trong hệ thống thùng quay bao gồm các yếu tố:
- Hồi lưu hay không hồi lưu : ở đây ta chọn chế độ sấy không có hồi lưu TNS
- Chiều chuyển động và tốc độ chuyển động tương đối của TNS và VLS: ở đây TNS được thổi vào ống dẫn khí đặt bên trong thùng sấy, khí nóng sẽ chuyển động ra vùng không gian trong thùng sấy qua các lổ trên ống dẫn khí và hòa trộn với VLS
- Nhiệt độ vào và ra của TNS:
+ Nhiệt độ không khí vào: t1 = 80°C
+ Nhiệt độ không khí ra: t2 = th + (5÷10)0C (với th là nhiệt độ đốt nóng cho phép của hạt cà phê nhân, t2 sẽ được xác định cụ thể ở phần 2.2.Tính toán quá trình sấy lý thuyết)
2.1.4 Chọn thời gian sấy:
Trang 10d0 = d1
t2
(g/kgkkk) (kJ/kgkkk)
Việc xác định thời gian sấy đóng vai trò quan trọng trong thiết kết và vận hành thiết bị sấy Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy như loại vật liệu sấy, hình dáng, kích thước hình học của vật liệu, độ ẩm đầu và cuối của vật liệu, loại thiết bị, chế độ sấy
Đối với hệ thống sấy thùng quay ta có thể xác định thời gian sấy theo công thức thực nghiệm sau: (công thức 10.12/trang210/tài liệu [1])
ω1 – ω2 = M(0,185τ + 3)Trong đó:
ω1, ω2 : độ ẩm của VLS trước và sau quá trình sấy, ω1 = 20%, ω2= 12%
M : hệ số phụ thuộc vào đường kính trung bình của hạt d, ở đây ta tính được d = 7mm Tra M theo d ở bảng 10.3/trang210/tài liệu[1], ta có M = 0,53
τ : thời gian sấy
2.2 Tính toán quá trình sấy lý thuyết:
Đồ thị biểu diễn trạng thái của không khí trong quá trình sấy lý thuyết:
Điểm 0(t0,φ0) : trạng thái không khí bên ngoài
Điểm 1(t1,φ1) : trạng thái không khí vào thùng sấy
Điểm 2(t2,φ2) : trạng thái không khí ra khỏi thùng sấy
0-1: quá trình gia nhiệt không khí trong calorife (d = const)
1-2 : quá trình thay đổi trạng thái không khí trong thùng sấy(I = const)
2.2.1 Tính toán trạng thái không khí bên ngoài:
Trạng thái không khí bên ngoài (thùng sấy) có thể coi như giống với trạng thái không khí ở nơi lắp đặt hệ thống sấy, ở đây hệ thống sấy được đặt ở Đak Lak với các thông số khí hậu là: nhiệt độ không khí trung bình t0 = 23°C, độ ẩm không khí trung bình φ0 = 82%, áp suất khí quyển B = 757mmHg
Trang 11pbh0 = exp(12 -
0
5 , 235
42 , 4026
2.2.2 Tính toán trạng thái không khí vào thùng sấy:
Nhiệt độ không khí: t1 = 80°C
Độ chứa hơi: d1 = d0 = 0,0145kga/kgkkk
Phân áp suất hơi nước bão hòa:
bh k
2.2.3 Tính toán trạng thái không khí ra khỏi thùng sấy:
Do quá trình sấy lý thuyết nên I20 = I1 = 118,7kJ/kgkkk
Ta xác định nhiệt độ đốt nóng cho phép của hạt cà phê th (theo công thức 10.9/trang210/tài liệu[1]):
τ: thời gian sấy, τ = 65phút
ωtb : độ ẩm trung bình của vật liệu trước và sau qúa trình sấy,
= t2 – tv2 = 10o C, ở đây tv2 là nhiệt độ VLS ra khỏi thùng sấy Khi đó t2 = tv2+10o C
≤ th + 10o C hay t2 ≤ 62o C Để đảm bảo tính kinh tế chúng ta sẽ chọn t2 sao cho độ ẩm tương đối không quá bé nhưng củng không quá gần trạng thái bão hòa Tuy nhiên khí đó phân áp suất của hơi nước trong không khí tăng do đó cường độ sấy sẽ giảm
Nếu chọn t2 bằng nhiệt độ cho phép nghĩa là t2 = 62°C khi đó:
Phân áp suất hơi nước bão hòa:
Trang 12Như vậy với nhiệt độ t2 = 62°C thì độ ẩm tương đối của không khí φ2 còn quá bé so với điều kiện kinh tế nên ta chọn lại t2 = 40°C, với nhiệt độ này ta tính được:
Phân áp suất hơi nước bão hòa: pbh2 = 0,073bar
Độ chứa hơi: d20 =0,0305kga/kgkkk
Như vậy nhiệt độ t2 đã chọn lại là tương đối tiết kiệm về mặt nhiệt lượng Để kiểm tra nhiệt
độ t2 có hợp lý hay không về mặt trao đổi nhiệt ẩm chúng ta phải biết quan hệ phân áp suất hơi nước trên bề mặt hạt : ph =f(t, ) và phân áp suất hơi nước pa trong TNS ở nhiệt độ t2 Chính độ chênh ph - pa quyết định cường độ sấy ở phần cuối của thùng sấy Do đó nhiệt độ t2
không những phải đảm bảo tính kinh tế về mặt tiết kiệm nhiệt lượng mà còn phải đảm bảo độchênh ph - pa đủ lớn, rất tiếc chúng ta chưa có đường cong thực nghiệm này, vì thế từ đây
về sau ta vẫn tính cho nhiệt độ t2 = 40°C
2.2.4 Tính toán lượng tiêu hao tác nhân sấy
Tiêu hao không khí lý thuyết:
1 2 2
10
1
5787
5947,585 /0,973
20
20
5787
5408, 411 /1,07
2.2.5 Tính toán lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy:
Lượng nhiệt tiêu tốn để làm bay hơi 1kg ẩm:
q = l0(I1 - I0) = 62,5.(118,7 - 60) = 3668,75kJ/kgaLượng nhiệt tiêu tốn để làm bay hơi W kg ẩm:
Q = q.W = 3668,75.92,59 = 339689,56kJ/h = 94,36kW
2.3 Xác định kích thước thiết bị sấy:
2.3.1 Tính khối lượng VLS vào thùng sấy:
Khối lượng VLS vào thùng sấy:
G1 = W + G2
Trang 13Trong đó:
W: lượng ẩm bốc hơi trong 1 mẻ sấy, W = 100kg/mẻ
G2 : năng suất của thiết bị sấy, G2 = 1000kg/mẻ
G1 = 100 + 1000 = 1100kg/mẻ
2.3.2 Tính kích thước thùng sấy:
Xác định thể tích thùng sấy V: thể tích thùng sấy được xác định theo công thức sau:
V = 1
G
Trong đó
G1: khối lượng VLS vào thùng sấy trong 1 mẻ, G1 = 1100kg/mẻ
ρ : khối lượng riêng của hạt nhân cà phê, ρ = 650kg/mkg/m3
1500
210
Trang 14Chương 3: TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY
3.1 Mục đích tính toán nhiệt:
Mục đích của tính toán nhiệt là xác định tiêu hao không khí dùng cho quá trình sấy L,kg/h và tiêu hao nhiệt Q, kj/h Đồng thời qua việc thiết lập cân bằng nhiệt và cân bằng nănglượng của hệ thống sẽ xác định được hiệu suất sử dụng nhiệt và hiệu xuất sử dụng nănglượng của hệ thống cũng như tiêu hao riêng nhiệt của thùng sấy và hệ thống
3.2 Tính tổn thất nhiệt:
3.2.1 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra ngoài:
Nhiệt dung riêng của cà phê ra khỏi thùng sấy :
Cv2 = Cvk.(1-2) + Ca 2 kJ/kgK
Ca- là nhiệt dung riêng của nước, Ca = 4,18 kJ/kgK
Cvk- là nhiệt dung riêng của cà phê khô, Cvk = 0,37 kcal/kg.K = 1,549 kJ/kgK
Thùng làm bằng thép có chiều dày = 3mm, hệ số dẫn nhiệt = 71,58 W/mK (theo
tài liệu kỹ thuật sấy nông sản-Trần Văn Phú) Như vậy thùng sấy có đường kính D2/D1
=1,303/1,3 Do đó kết cấu thùng sấy thỏa mãn quan hệ D2 /D1< 2 nên có thể xem trao đổinhiệt đối lưu giữa TNS với môi trường qua vách phẳng
Phía trong thùng sấy là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên Khi đó hệ số trao đổi nhiệt đốilưu tự nhiên giữa tác nhân sấy với bề mặt trong của thùng sấy tính theo công thức (7.50)trang 145-TT&TKHTS:
1
= 1,715(tf1- tw1)0 , 333
Ở đây tw1 là nhiệt độ mặt trong của thùng sấy chưa biết
Trang 15Trao đổi nhiệt đối lưu phía ngoài giữa mặt thùng sấy với không khí xung quanh theokinh nghiệm là trao đổi nhiệt đối lưu cưởng bức (vì có sử dụng quạt hút để lấy không khí rangoài) Do đó hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 2 sẽ dược tính theo công thức (7.46) trang 144-TT&TKHTS:
Như vậy mật độ dòng nhiệt sẽ phải thõa mãn đẳng thức :q1 = q2 = q3= q
Giải hệ phương trình bằng phương pháp lặp với sai số 1% Giả sử cho tw2 = 310C,
ta sẽ kiểm tra giá trị này Với tw2 thì ta có:
q3 = 14,49.(31 - 23) = 119,92 W/m2
tw1 =
3 2
Đường kính trung bình của thùng sấy là:
Q = Q v + Q mt = 22376,4 + 9166,83 = 31543,23 kJ/h
q = q v + q mt = 241,67 + 99 = 340,67 kJ/kgẩm
3.3 Tính toán quá trình sấy thực tế:
Ta có: = C t - (q + q ) = 4,18.23 – 340,67 = -244,53 (kJ/kg ẩm) < 0