Trong những năm gần đây nền nông nghiệp nước ta đã đạt được nhiều thành tựu to lớn. Ngoài việc đáp ứng nhu cầu tiêu dùng nội địa, nước ta đã bắt đầu xuất khẩu nông sản cùng với các chế phẩm của nó. Do đó việc ứng dụng các công nghệ mới đóng một vai trò hết sức quan trọng. Trong đó, công nghệ sấy là khâu quan trong trọng trong công nghệ sau thu hoạch, chế biến và bảo quản nông sản. Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng trong rất nhiều ngành công nông nghiệp. Quá trình sấy không chi là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật liệu một cách đơn thuần mà là một quá trình công nghệ. Nó đòi hỏi sau khi sấy vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp. Để thực hiện quá trình sấy người ta sử dụng một hệ thống gồm nhiều thiết bị như thiết bị sấy (hầm sấy, tháp sấy, thùng sấy, v.v…), thiết bị đốt nóng tác nhân (clorifer) hoặc thiết bị làm lạnh để làm khô tác nhân, quạt, bơm và một số thiết bị phụ như hầm đốt, xyclon, v.v… Chúng ta gọi hệ thống các thiết bị thực hiện một quá trình sấy cụ thể nào đó là một hệ thống sấy. Hầm sấy là một trong những hệ thống sấy đối lưu thông dụng nhất. Nếu hệ thống sấy hầm là hệ thống sấy từng mẻ, năng suất không lớn và có thể tổ chức cho tác nhân sấy đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức thì hệ thống sấy hầm có năng suất lớn hơn, có thể sấy liên tục hoặc bán liên tục và luôn luôn là hệ thống sấy đối lưu cưỡng bức. Sấy nông sản là một quy trình công nghệ phức tạp. Nó có thể thực hiện trên những thiết bị sấy khác nhau. Ứng với một loại nông sản ta cần chọn chế độ sấy thích hợp nhằm đạt năng suất cao, chất lượng sản phẩm sấy tốt và tiết kiệm năng lượng. Để có một cái nhìn trực quan và thực tế hơn, trong quá trình làm đồ án, em đã được giao đề tài cụ thể là “thiết kế hệ thống sấy hầm dùng để sấy khoai tây với năng suất 3 tấn/ngày”.
TỔNG QUAN
Tổng quan về các phương pháp sấy
Khái niệm về phương pháp sấy
Quá trình sấy là phương pháp loại bỏ nước khỏi các vật thể ẩm, nhằm làm khô chúng Đối tượng của quá trình này chủ yếu là các vật chứa ẩm, tức là những vật có chứa một lượng chất lỏng nhất định, thường là nước, nhưng cũng có thể là dung môi hữu cơ trong một số trường hợp.
Mục đích của quá trình sấy
Giảm chi chí vận chuyển (do giảm tổng khối lượng toàn khối thực phẩm) Đồng thời giảm hao hụt trong vận chuyển do hư hỏng.
Với mức vốn đầu tư thấp, sản phẩm vẫn duy trì được những đặc tính nổi bật như độ dẻo, độ dai, màu sắc hấp dẫn, hương vị thơm ngon và độ bóng sáng Đồng thời, sản phẩm không bị nứt nẻ hay cong vênh, giúp tăng cường khả năng bảo quản hiệu quả.
Sấy còn là một quá trình hoàn thiện một số loại sản phẩm đặc trưng(mít sấy khô, hoa quả sấy khô, )
1.1.1 Các phương pháp tách ẩm
Tùy thuộc vào tính chất và độ ẩm của vật liệu, cũng như yêu cầu và mức độ khô cần thiết, có nhiều phương pháp khác nhau để tách ẩm ra khỏi vật liệu.
Phương pháp cơ học là kỹ thuật sử dụng các thiết bị như máy ép, máy lọc và máy ly tâm để tách nước khỏi vật liệu Phương pháp này thường được áp dụng khi không cần tách triệt để, mà chỉ cần loại bỏ một lượng nước sơ bộ.
Phương pháp hóa lý sử dụng các hóa chất có khả năng hút nước mạnh như CaCl2 khan và H2SO4 đậm đặc để loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu Mặc dù phương pháp này có chi phí cao và phức tạp, nhưng nó chủ yếu được áp dụng để hút ẩm trong hỗn hợp khí nhằm bảo quản máy móc và thiết bị.
Phương pháp nhiệt: dùng nhiệt năng làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu, được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp và đời sống.
1.1.2 Phân loại quá trình sấy
Phân loại theo tác nhân sấy
Sấy tự nhiên là phương pháp sử dụng nắng và gió làm tác nhân chính, tuy nhiên, thời gian sấy thường kéo dài và cần nhiều diện tích sân phơi Phương pháp này cũng gặp khó khăn trong việc điều chỉnh độ ẩm cuối cùng của vật liệu sấy, vì nó phụ thuộc vào điều kiện khí hậu.
Sấy nhân tạo là quá trình cung cấp nhiệt bằng cách sử dụng các tác nhân như khói lò, không khí nóng hoặc hơi quá nhiệt, và các tác nhân này sẽ được hút ra khỏi thiết bị sau khi quá trình sấy hoàn tất Phương pháp này nhanh chóng, dễ dàng điều khiển và hiệu quả hơn so với sấy tự nhiên.
Phân loại theo phương thức truyền nhiệt
Phương pháp sấy đối lưu là một hệ thống sấy phổ biến, trong đó vật liệu sấy nhận nhiệt từ một dịch thể nóng, thường là không khí nóng hoặc khói lò Hệ thống này được chia thành nhiều loại khác nhau, bao gồm hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy thùng quay, hệ thống sấy tháp và hệ thống sấy khí động.
Phương pháp sấy bức xạ là kỹ thuật trong đó vật liệu sấy hấp thụ nhiệt từ nguồn bức xạ, giúp ẩm di chuyển từ bên trong ra bề mặt và sau đó khuếch tán vào môi trường xung quanh Trong hệ thống này, độ chênh lệch áp suất hơi nước giữa vật liệu và môi trường được tạo ra thông qua việc đốt nóng vật liệu.
Phương pháp sấy tiếp xúc là quá trình trong đó vật liệu sấy hấp thụ nhiệt từ một bề mặt nóng Trong các hệ thống sấy tiếp xúc, độ chênh lệch phân áp được tạo ra bằng cách tăng áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu Các hệ thống sấy phổ biến bao gồm sấy lô và sấy tang.
Phương pháp sấy bằng điện trường dòng cao tần sử dụng nguồn nhiệt từ dòng điện cao tần, tạo ra điện trường cao tần trong vật sấy, giúp làm nóng và sấy khô hiệu quả.
Phương pháp sấy thăng hoa là quá trình sấy diễn ra trong môi trường chân không cao và nhiệt độ thấp, giúp loại bỏ ẩm tự do trong vật liệu Quá trình này khiến ẩm đóng băng và bay hơi trực tiếp từ trạng thái rắn thành hơi mà không qua trạng thái lỏng.
Phương pháp sấy tầng sôi sử dụng nguồn nhiệt từ không khí nóng được quạt thổi vào buồng sấy, làm sôi lớp hạt và sau một khoảng thời gian, hạt khô sẽ được tháo ra ngoài Trong khi đó, phương pháp sấy phun thường được áp dụng để sấy các sản phẩm ở dạng lỏng.
Thiết bị sấy hầm được ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp, chuyên dùng để sấy các loại vật liệu như hạt, cục, lát với năng suất cao và khả năng cơ giới hóa dễ dàng.
Vật liệu sấy được đưa vào và lấy ra gần như liên tục.
Hầm sấy có chiều dài thường từ 10-15m hoặc lớn hơn, kích thước chiều cao và chiều ngang phụ thuộc vào loại xe goong và khay tải vật liệu sấy Hầm được xây dựng bằng gạch đỏ, có thể có hoặc không có lớp cách nhiệt.
Thiết bị truyền tải thường là xe goong hoặc băng tải
Tác nhân sấy: chủ yếu là không khí nóng.
Chọn thiết bị sấy khoai tây
Khoai tây là một loại cây nông nghiệp quan trọng, nổi bật với các củ lớn chứa nhiều tinh bột và vị ngọt Loài cây này không chỉ là nguồn cung cấp rau ăn củ thiết yếu mà còn có mối quan hệ họ hàng xa với khoai lang, có nguồn gốc từ Nam Mỹ.
Một củ khoai tây bình thường có chứa (80%) là nước, (17,1%) là carbohydrate, (1,6%) là protein, (3%) là chất xơ và hầu như không có chất béo.
Khoai lang chủ yếu bao gồm carbohydrates, với 53% là tinh bột và 23% là các loại đường đơn giản như glucose, fructose, sucrose và maltose Chỉ số đường huyết của khoai lang dao động từ 44-96, cho thấy nó không phù hợp cho bệnh nhân tiểu đường do chỉ số đường huyết tương đối cao Ngoài ra, khoai lang luộc có chỉ số đường huyết thấp hơn so với khoai lang chiên và nướng.
Tinh bột:Tinh bột thường được chia thành 3 loại khác nhau dựa trên đặc điểm quá trình tiêu hóa.Tỷ lệ tinh bột trong khoai lang là như sau:
Tinh bột tiêu hóa nhanh (80%) nhanh chóng bị phá vỡ và hấp thụ, tăng giá trị chỉ số đường huyết.
Tinh bột tiêu hóa chậm (9%), trong đó phân hủy chậm hơn và gây ra sự tăng nhỏ hơn lượng đường trong máu.
Tinh bột (12%) trong khoai lang khi trải qua quá trình tiêu hóa hoạt động như chất xơ, hỗ trợ sự phát triển của các vi khuẩn ruột có lợi Để tăng lượng tinh bột này, bạn có thể làm nguội khoai lang sau khi nấu nướng.
Khoai tây chứa nhiều thành phần dinh dưỡng, nhưng trong quá trình sấy, tinh bột trong khoai lang là yếu tố quan trọng cần chú ý Tinh bột có khả năng hồ hóa khi gặp nhiệt độ cao, vì vậy việc lựa chọn phương pháp và nhiệt độ sấy phù hợp là rất cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm không bị giảm sút.
1.2.2 Lựa chọn phương pháp và chế độ sấy
Một câu hỏi đặt ra ở đây là tại sao phải sấy khoai tây?
Khoai tây là thực phẩm giàu dinh dưỡng và rất phổ biến, với hàng trăm loại khác nhau được phân biệt theo kích thước, hình dạng, màu sắc và mùi vị Ở nhiều quốc gia, đặc biệt là châu Âu và Mỹ, khoai tây là món ăn quen thuộc, cung cấp khoảng 45% vitamin C cho nhu cầu hàng ngày trong 150g Ngoài ra, khoai tây có ít năng lượng hơn bưởi, nhiều kali hơn chuối và cung cấp nhiều sắt hơn các loại rau củ khác Chúng cũng chứa nhiều chất xơ, vitamin B6 và các khoáng chất như đồng, mangan.
Khoai tây có thời gian thu hoạch ngắn nhưng khó bảo quản tươi, vì vậy cần được sơ chế thành nguyên liệu có thể lưu trữ lâu dài Thông thường, khoai tây được chế biến thành dạng lát Quy trình sơ chế này bao gồm một số công đoạn chính.
Thành phẩm Đóng gói, bảo quản
Để làm nguội củ tươi sau khi thái, cần ngâm ngay lát vào nước sạch hoặc dung dịch xử lý nhằm ngăn chặn hiện tượng oxy hóa gây sẫm màu Khoai lang và sắn có thể ngâm trong dung dịch nước vôi khoảng 30 phút để giữ màu trắng đẹp, trong khi khoai tây nên được ngâm trong dung dịch natri sunfit hoặc natri bisunfit với tỷ lệ 1‰ trong 30 phút Sau khi ngâm, cần vớt lát lên rổ để thoát nước và đảo trộn để tăng hiệu quả Cuối cùng, lát cần được hong gió trước khi sấy để giảm thời gian sấy.
Khi sấy lát, các lát đã được hong cho se lớp mặt cần được xếp lên khay sấy với chiều dày khoảng 20mm Việc xếp lộn xộn các lát trên khay sẽ tăng bề mặt bay hơi nước, từ đó cải thiện hiệu quả sấy Khay sấy nên được làm bằng nhôm, và nhiệt độ không khí nóng tiếp xúc với sản phẩm sấy phải được kiểm soát để đảm bảo làm bay hơi ẩm mà không làm biến đổi chất lượng của sản phẩm.
Trong giai đoạn đầu của quá trình sấy, nhiệt chủ yếu được sử dụng để làm nóng sản phẩm, dẫn đến việc ẩm ở bề mặt thoát ra mạnh mẽ khi nhiệt độ đạt đến mức bay hơi Quá trình bay hơi diễn ra đồng thời với sự chuyển dịch ẩm từ bên trong ra bề mặt, trong khi nhiệt tiếp tục tác động sâu vào bên trong, làm tăng nhiệt độ và thúc đẩy quá trình này Thời gian sấy không đồng đều, do đó cần thiết phải đảo trộn cả trên một khay và giữa các khay; việc này có thể giảm thời gian sấy tới 1/3 Tuy nhiên, một số thiết bị sấy không cho phép đảo trộn, vì vậy việc thiết kế và bố trí thiết bị sao cho phân bổ nhiệt đồng đều ở các tầng khay và khu vực sấy là rất quan trọng.
Thiết bị này có khả năng truyền nhiệt và thoát ẩm hiệu quả, giúp làm khô khối lát trong vòng 8 – 10 giờ đến độ ẩm cuối cùng khoảng 12 – 12,5% Sau khi sấy, các lát cần được làm nguội trước khi tiến hành bảo quản.
Lựa chon phương pháp sấy
Sản phẩm sấy từ khoai tây tươi cần đảm bảo yêu cầu vệ sinh thực phẩm, vì vậy phương pháp sấy bằng không khí được lựa chọn Đặc tính của vật liệu sấy là nho, và năng suất sấy chỉ ở mức trung bình, do đó công nghệ sấy buồng kiểu đối lưu cưỡng bức với quạt thổi là lựa chọn phù hợp.
Không khí ngoài trời được gia nhiệt qua Calorifer khí-hơi, đạt nhiệt độ phù hợp và độ ẩm tương đối thấp, sau đó được quạt thổi vào hầm sấy Trong buồng sấy, không khí khô tiến hành trao đổi nhiệt - ẩm với khoai lang tươi, làm tăng độ ẩm tương đối của không khí và đồng thời rút hơi nước từ vật liệu sấy ra ngoài Cuối cùng, không khí này được thải ra môi trường.
Lựa chọn thiết bị sấy
Sấy hầm là phương pháp hiệu quả với năng suất cao, đặc biệt phù hợp cho việc sấy khoai tây Để đảm bảo sản phẩm sấy đạt độ đồng đều, thiết bị thường được trang bị thêm hệ thống phân gió tại khu vực tác nhân sấy.
Xe goong được đưa vào bằng tời và đường ray Để bảo vệ sản phẩm khỏi nhiệt độ cao tại cửa lấy sản phẩm ra, cửa được thiết kế tự động Sau khi làm nguội, sản phẩm sẽ được lấy ra khỏi khay và chuyển đi bảo quản.
TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT
Thông số ban đầu
2.1.1 Tính năng suất sấy trong một giờ
Năng suất sấy trong hệ thống sấy hầm là lượng nguyên liệu cấp trong một ngày.
Với G = 3.103 kg/ngày Vật liệu vào và ra khỏi thiết bị sấy có độ ẩm tương đối là 1 80%, 2 = 12% Năng suất sấy trong một giờ là:
Khối lượng vật liệu sấy vào thiết bị:
2.1.2 Tính lượng ẩm bốc hơi trong một giờ
Chọn hệ thống sấy hầm không hồi lưu, tác nhân sấy là không khí nóng đi ngược chiều với vật liệu sấy.
Thông số không khí ngoài trời: t0 = 200C và 0 85% Chọn nhiệt độ tác nhân sấy vào hầm sấy: t1 1200C Nhiệt độ không khí ra khỏi hầm sấy là: t2 400C
Nhiệt độ vật liệu sấy ra khỏi hầm: tv2 = t1 - ∆t, ta chọn ∆t = 100C
Thời gian sấy chọn theo kinh nghiệm: τ = 8 giờ
Nguồn năng lượng để cung cấp nhiệt cho tác nhân sấy là hơi nước bão hoà ở áp suất3at.
Tính toán quá trình sấy lý thuyết
Ta có sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy như hình vẽ:
Trong đó: 1 Quạt, 2: Calorifer, 3: Hầm sấy Đồ thị I – d khảo sát quá trình sấy lý thuyết được thể hiện như hình vẽ:
2.2.1 Thông số của không khí ngoài môi trường
Bằng cách sử dụng cặp thông số (t0 = 200°C, ω = 85%), chúng ta có thể áp dụng công thức giải tích hoặc phương pháp đồ thị I-d để xác định các thông số tương ứng với các điểm trên đồ thị.
Trong đó: P là áp suất không khí ẩm = 745
Ck=1 KJ/Kg o: Nhiệt dung riêng của không khí khô
Ch=1,97 KJ/Kg o: Nhiệt dung riêng của hơi nước
R%00 KJ/Kg: Nhiệt hóa hơi
2.2.2 Thông số của tác nhân sấy tại điểm sau khi ra khỏi calorifer
Thông số của tác nhân sấy tại điểm sau khi ra khỏi calorifer: t1 = 1200C, với d1 = d0 = 0,0126 (kg/kgkk)
Phân áp suất bão hoà hơi nước ở nhiệt độ t1= 1200C là:
2.2.3 Thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết
Thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết (I2 = I1)
Phân áp suất bão hòa hơi nước Pb2 ở nhiệt độ t2 = 400C là:
235,5+40 Độ ẩm tương đối 2 là:
Lưu lượng không khí cần thiết để bốc hơi một kg ẩm là:
Lưu lượng không khí cẩn thiết để bốc hơi W = 96,6 kg ẩm/h là:
Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy lý thuyết: q0 = l0.(I1 – I0) = 31,84.(154,47 – 51,996) = 3262,77(kJ/kg ẩm)
Lưu lượng của tác nhân sấy là:
Trạng thái không khí bên ngoài
Trạng thái không khí khi đi vào hầm sấy
Trạng thái sau khi đi ra khỏi buồng sấy
Entanpi I của không khí (kJ/kg KK) 59,996 154,47 154,47
XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ SẤY
Các xe gòong, trên xe để các khay đựng vật liệu
Ta chọn các kích thước khay Lk x Bk x Hk = 800 x 1200 x 40 (mm) Mỗi khay nặng 5kg và cách nhau 40 mm.
Chọn số xe =8(+1 xe dự phòng) Mỗi xe gồm 4 thanh trụ có ϕ25mm, 4 bánh có ϕ0mm, cách xe 20mm và mỗi xe chứa 12 khay (=> mỗi khay chứa 1000 ≈
Kích thước xe: Lx x Bx x Hx = (800+25.2) x (1200+25.2) x (40.12+40.11+100+20)
Kích thước hầm sấy
3.2.1 Chiều cao bên trong của hầm
3.2.2 Chiều rộng bên trong của hầm
Kích thước tường bao và trần hầm sấy
Hầm sấy được xây dựng với các thành phần chính gồm tường gạch đỏ dày 250 mm, nắp bê tông cốt thép dày 70 mm và lớp cách nhiệt trần dày 150 mm Kích thước phủ bì của hầm sấy sẽ được xác định từ các thông số này.
TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY THỰC
Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi q v
Để tính toán tổn thất nhiệt từ vật liệu sấy, cần biết nhiệt độ vật liệu ra khỏi hầm sấy tv2 và nhiệt dung riêng Cv2 Trong sấy nông sản, nhiệt độ vật liệu thường thấp hơn nhiệt tác nhân sấy từ 5 đến 10 độ C Vì vật liệu sấy và tác nhân sấy di chuyển ngược chiều nhau, ta có công thức tV2 = t2 – (5 ÷ 10 độ C), từ đó chọn tV2 = 120 – 10 = 110 độ C.
Nhiệt dung riêng của khoai tây là: Ck = 1,4214 (kJ/kgK), do đó khoai tây có nhiệt dung riêng khi ra khỏi hầm sấy là:
Cv2 = Ck.(1- 2) + Ca.2 = 1,4214.(1 – 0,12) + 4,18.0,12 = 1,752 (kJ/kgK)
Tổn thất do vật liệu sấy mang đi bằng: qv = G2.Cv2.(tv2 – tv1)
Tổn thất do thiết bị chuyền tải mang ra khỏi hầm
4.2.2 Tổn thất do xe goòng mang đi
Xe goòng được chế tạo từ thép CT3 với khối lượng 50 kg Nhiệt dung riêng của thép là 0,5 kJ/kgK Khi ra khỏi hầm sấy, nhiệt độ của xe goòng đạt 1200C, tương đương với nhiệt độ của tác nhân sấy.
4.2.2 Tổn thất do khay sấy mang đi
Khay đựng vật liệu sấy được chế tạo từ nhôm, với trọng lượng mỗi khay là 5 kg Nhiệt độ của khay khi ra khỏi hầm sấy tương đương với nhiệt độ của tác nhân sấy, cụ thể là tk2 = t1 = 1200C Theo phụ lục 4, nhiệt dung riêng của nhôm được xác định là Ck = 0,86 kJ/kgK Từ đó, có thể tính toán tổn thất nhiệt do khay sấy mang đi.
Như vậy tổn thất do thiết bị chuyền tải là: qvc = qx + qk = 25,88 + 53,4 = 79,28 (kJ/kg ẩm)
Tổn thất ra môi trường
4.3.1 Phân bố nhiệt độ qua tường hầm sấy
Tường xây bằng gạch dày δ1= 250 mm và hệ số dẫn nhiệt λ1 = 0,7 W/ m.K
Chúng ta xem tác nhân sấy chuyển động đối lưu cưỡng bức với tốc độ v = 1,5 m/s và không khí phía ngoài đối lưu tự nhiên chảy rối.
Tổn thất qua tường bao
Với đây tf1 = � +� ₁ ₂ = 120+40 = 80℃, tf2=t0 oC
Diện tích hai tường bên của hầm sấy bằng:
1, 1: chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của tường
1: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức của tác nhân sấy với bề mặt tường, W/mK
Theo bảng 3 tài liệu [2] ta có hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức khi khí chuyển động dọc theo bề mặt vách, đối với bề mặt nhám, v < 5 m/s
2: Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên từ tường tới không khí bên ngoài
Giả sử nhiệt độ vách trong của tường là tw1 = 72,7℃.
Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt đối lưu giữa tác nhân sấy và mặt trong của tường: q1 = α1.(ttb – tw1) = 12,42.(80 - 72,7) = 90,666 W/m2
Mật độ dòng nhiệt do dẫn nhiệt: q2 = (tw1 – tw2) ⇨ tw2 = tw1 – q2
Như vậy độ chênh lệch nhiệt độ giữa tường ngoài và môi trường là: Δt2 = tw2 – t0 = 40,32 – 20 = 20,32°C
Nhiệt độ xác định tm bằng: tm = � w2 +� 0 = 40,32+20 = 30,16°C
Từ nhiệt độ này ta được các thông số không khí: β = 1
6 = 303,16 1 Tra sổ tay hóa công tập 1 trang 318 và nội suy ở khoảng [30, 40]: λ = 2,67.10 -2 (W/m.độ)
Chuẩn số Nu trong truyền nhiệt đối lưu tự nhiên:
Trong đó: hệ số C và n phụ thuộc vào chế độ chuyển động của chất lỏng Ở chế độ chảy xoáy C = 0,135; n = 1/3.
Vì vậy hệ số truyền nhiệt α2 bằng: α = ��.� = 178,9.2,67.10 −2
Dòng nhiệt do truyền nhiệt đối lưu giữa mặt ngoài của tường và môi trường là: q3 = α2.Δt2 = 4,52.20,16 = 91,123 W/m2
Bằng phương pháp lặp, giả thiết nhiệt độ tường nóng để tính dòng nhiệt truyền từ tác nhân cho tường q1 Từ dòng nhiệt này và nhiệt độ tw1, ta xác định nhiệt độ mặt ngoài của tường là tw2 Dựa vào nhiệt độ t và nhiệt độ môi trường ttb, ta tính được lượng nhiệt do truyền nhiệt đối lưu tự nhiên giữa tường ngoài của hầm sấy và môi trường Nếu sai số không quá 5%, kết quả tính toán được xem là chấp nhận được.
Như vậy sai số giữa q1 và q3 là: Δq% = q1−q3 100% = 90,666−91,123 100% = 0,5% < 5% ( thỏa mãn). q 3
Hệ số truyền nhiệt là:
Như vậy tổn thất qua hai tường bên là:
4.3.2 Tổn thất nhiệt qua trần hầm sấy
Tổn thất qua trần sẽ được tính như tổn thất các tường bên với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu được tăng thêm 30% Như vậy ta có α₂′ = 1,3α₂ = 1,3.4,52 = 5,876 W/m2K.
Khi đó hệ số truyền nhiệt K’ bằng:
λ₂ = 1,55 W/m2K – hệ số dẫn nhiệt của nắp hầm bằng bê tông cốt sắt.
λ₃ = 0,7 W/m2K – hệ số dẫn nhiệt của gạch.
Diện tích trao đổi nhiệt qua trần là:
4.3.3 Tổn thất qua cửa hầm sấy
Cửa hầm sấy được làm bằng thép có δc = 0,05m; λ� = 0,16
W/mK Hệ số nhiệt truyền qua cửa:
Cửa phía tác nhân sấy có chênh lệch nhiệt độ là (t1 – t0), đầu ra có chênh lệch nhiệt độ là (t2 – t0) Vậy tổn thất nhiệt qua cửa hầm sấy là:
4.3.4 Tổn thất qua nền hầm sấy
Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy là: ttboC Và khoảng cách từ hầm đến phân xưởng là 2m
Tra bảng 7.1 tài liệu [1] ta có tổn thất nhiệt riêng qua 1 m 2 nền là: qnI,3(W/ m2)
Do đó: Qn = 3,6.Fn.qn = 3,6.15,84.49,3 = 2811,283 kJ/h
Vậy tổng tổn thất nhiệt ra môi trường là:
Qm = Qt + Qtr + Qc + Qn = 13589,076 kJ/h
Tính cho 1kg ẩm: qm = Qm/W = 140,67 (kJ/kg ẩm) qtong = qv + qvc + qm = 46,36 + 79,28 +140,67&6,31 (kJ/kg ẩm)
Tổng tổn thất nhiệt trong quá trình sấy thực
= Cn.tv1 – (qv + qvc + qm)
Tính toán quá trình sấy thực
Đồ thị I – d biểu diễn quá trình sấy thực
Entanpi sau quá trình sấy thực:
I2’ = I1 + ∆.(d2 – d1) = 154,47 – 182,71.(0,044 – 0,0126) = 148,73 kJ/kg KK Lượng chứa ẩm: d2’ = r+1,97.t₂ I2 � −t₂
= 0,0421 kg/kg KK = 42,1 g/kg KK Độ ẩm tương đối thực tế: φ′ 2 = d₂′p
Tiêu hao không khí thực tế:
Lượng tác nhân sấy tại A: LA = (1 + d0).Ltt = (1 + 0,0126).3274,546 = 3315,805 kg/h Lượng tác nhân sấy tại B: LB = (1 + d0).Ltt = 3315,805 kg/h
Lượng tác nhân sấy tại C’: LC’ = (1 + d2’).Ltt = (1 + 0,0421).3274,546 = 3412,404 kg/h
Theo phụ lục 5 trong sách Kỹ thuật sấy của thầy Trần Văn Phú, thể tích không khí ẩm của 1 kg không khí khô ϑ (m³/kg KK) thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm.
Tại A: t0 = 20℃ ; φ₀ = 85% có ϑA = 0,864 m3/kg KK Suy ra thể tích của tác nhân sấy tại điểm A là: vA = LA ϑA = 3315,805.0,864 = 2864,85 m3/h.
Tại B: t1 = 120℃ ; φ₁ = 1,0% có ϑB = 1,125 m3/kg KK Thể tích tác nhân sấy tại điểm B là: vB = LB ϑB = 3315,805.1,125 = 3730,28 m3/h.
Tại C’: t2 = 40℃ ; φ₂′ = 86,26% có ϑC’ = 0,967 m3/kg KK Thể tích của tác nhân sấy tại C’ là: vC = LC’ ϑC’ = 3412,404.0,967 = 3308,50 m3/h.
Thể tích trung bình của tác nhân sấy trước và sau hầm sấy là: vtb = (vB + vC)/2 = (3730,28+3308,50)/2 = 3519,39 m3/h ≈ 1 m3/s
Diện tích thực mà tác nhân sấy đi qua là
Như vậy vận tốc trung bình của tác nhân trong hầm sấy bằng: v = vtb/F = 1/0,8 = 1,25 m/s
So với giả thiết 1,5 m/s sai số là 1,25−1,5 100% = -16%
Tiêu hao nhiệt thực tế: qtt = ltt.(I1 – I0) = 33,898.(154,47 – 51,996) = 3473,66 kJ/kg ẩm
Nhiệt lượng có ích để bốc hơi 1kg ẩm là: q1 = i2 – Ca.tv1 = (2500+1,8.3,6)−4,18.20 = 2422,88 kJ/kg ẩm
Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi được tính bằng công thức q2 = ltt.(Cpk + d0.Ch).(t2−t0) với kết quả là 694,78 kJ/kg ẩm Tổng nhiệt lượng có ích và các tổn thất được xác định bằng q’ = q1 + q2 + qv + qvc + qm, với giá trị cụ thể là 3383,97 kJ/kg ẩm, trong đó q1 là 2422,88 kJ/kg ẩm, qv là 266,31 kJ/kg ẩm.
Nhiệt lượng tiêu hao q và tổng nhiệt lượng có ích cùng với các tổn thất q’ phải tương đương nhau Tuy nhiên, trong quá trình tính toán, việc làm tròn hoặc sai số có thể dẫn đến những sai sót trong kết quả Sai số tuyệt đối được thể hiện qua công thức: qtt − ε = q′.
Bảng cân bằng nhiệt hệ thống sấy
STT Đại lượng Ký hiệu Đơn vị
2 Tổn thất do tác nhân sấy q2 694,78 20,5
3 Tổn thất do vật liệu sấy qv 46,36 1,4
4 Tổn thất do TBVC qvc 79,28 2,3
5 Tổn thất do môi trường qm 140,67 4,2
6 Tổng nhiệt lượng theo tính toán q’ 3383,97 100,0
7 Tổng nhiệt lượng tiêu hao qtt 3473,66 100,0
Qua bảng cân bằng nhiệt cho thấy:
Tổn thất do vật liệu sấy, thiết bị vận chuyển và môi trường lần lượt chiếm 1,4%, 2,3% và 4,2%, tổng cộng chỉ 7,9% Khi thiết kế hệ thống sấy hầm, có thể ước lượng tổng ba tổn thất này khoảng 10% Hiệu suất sử dụng nhiệt đạt 71,6%.
TÍNH CHỌN CALORIFER VÀ THIẾT BỊ PHỤ
Tính chọn calorifer
Công suất nhiệt của calorifer:
Với ηs = 0,95 là hiệu suất nhiệt của calorifer
Tiêu hao hơi của calorifer
r = 2171 kJ/kg – nhiệt hóa hơi của nước ở p = 3 at (Bảng I.251 T.314 sổ tay hóa công I)
2171 Ở đây ta chọn dùng 2 calorifer nên tiêu hao hơi trên 1calorifer là: D = 79,2 kg/h
Xác định bề mặt trao đổi nhiệt của calorifer
� = � � �� Độ chênh nhiệt độ trung bình
th là nhiệt độ bão hòa của hơi nước ở áp suất 3at
Hệ số truyền nhiệt k được xác định theo bảng 4 ở phần phụ lục 1 Ở đây ta giả thiết lưu tốc của không khí qua calorifer là: ρυ = 5 kg/m 2 s
Ta sử dụng 2 calorifer, 1 chiếc có bề mặt truyền nhiệt là: F = 86,0/2 = 43,0 m 2
Tra bảng phần phụ lục ta chọn được calorifer KΦ9 kiểu I diện tích tiết diện khí đi qua là f = 0,486 m 2
Kiểm tra lại lưu tốc không khí qua calorifer: ρυ = L/f = 3274,546/(3600.2.0,486) = 0,94 (kg/m 2 s)
Lưu tốc không khí nhỏ thì sẽ gây ra trở lực không khí nhỏ
Vậy ta chọn 2 calorifer KΦ9 kiểu I có diện tích bề mặt trao đổi nhiệt là 30,4 m 2
Trở lực phía không khí của calorifer là Δpcal = 3,0 mmH2O
Các kích thước của calorifer là: A = 1250 mm; B = 902 mm; C = 200 mm.
Tính toán khí động và chọn quạt gió
Trở lực trong hệ thống bao gồm ba thành phần chính: trở lực của calorifer, trở lực ma sát trong kênh dẫn khí và trở lực cục bộ tại các tiết diện như chỗ ngoặt và ống đột thu.
5.2.1 Trở lực đường ống từ miệng quạt đến caloriphe
- Chọn đường ống dẫn làm bằng tôn sơn đỏ có độ nhám ε = 10 -4 m
- Vận tốc đường ống là: ω1 Trong đó:
Lưu lượng thể tích chất khí trong đường ống là: V1 = VA = 2864,85 m3/h = 0,79 m3/h Tiết diện của đường ống là:
Tại t = 20°C: ρ1 = 1,205 kg/m3 và 1 = 15,06.10-6 m2/s Chuẩn số Re:
Không khí đi trong ống theo chế độ chảy xoáy
Giá trị hệ số ma sát được tính theo công thức: λ = 0,1.(1,46 100
Vậy trở lực trên ống từ miệng quạt đến caloriphe là:
5.2.2 Trở lực trên đoạn ống thẳng từ caloriphe đến cút cong
Lưu lượng thể tích chất khí trong đường ống là V2=VB= 3730,28 m3/h= 1,036 m3/s Vận tốc khí đi trong đường ống là: ω2 = � 2 = 1,036 = 6,8 (m/s)
Không khí đi trong ống theo chế độ chảy xoáy.
Giá trị hệ số ma sát được tính theo công thức: λ2 = 0,1
Vậy trở lực trên ống từ miệng quạt đến caloriphe là: Δp = � � 2 � � 2 2 = 0,0184 0,5 0,898 6,8 2 = 0,434 (N/m 2 )
5.2.3 Trở lực tại nút cong
γ trọng lượng riêng của không khí γ = g.ρ = 9,81.0,898 = 8,8(N/m 3 )
ω3 = ω2 = 6,8 m/s là vận tốc không khí trong ống
5.2.4 Trở lực đoạn ống từ cút cong đến cút thẳng Đoạn đường ống có 1 cút cong và 1 cút thẳng l=0,2 d=0,44
5.2.5 Trở lực caloriphe chọn theo kinh nghiệm Δp5= 70 (N/m2)
5.2.6 Trở lực đoạn ống kiểu vát vào hầm sấy Δp6 = 20 (N/m2)
5.2.7 Trở lực trong hầm sấy
Hầm sấy có các xe goong song song nhau, mỗi xe có 12 khay dài 800mm, mỗi khay cách nhau 40mm Vận tốc trong hầm là � = 1,25 �/�
5.2.8 Chọn quạt Để vận chuyển tác nhân sấy trong các hệ thống người ta thường dùng hai loại quạt là quạt ly tâm và quạt hướng trục Chọn loại quạt nào, số hiệu bao nhiêu phụ thuộc vào đặc trưng của hệ thống sấy, trở lực mà quạt phải khắc phục, quạt cần tải đi lưu lượng thể tích khí cũng như lưu lượng và nhiệt độ của tác nhân sấy Khi chọn quạt, giá trị cần xác định là hiệu suất của quạt.
Nhiệt độ trung bình của không khí trong hầm sấy là: ttb 80°C, Từ công thức: ρ =(1+0,00367 ).7 1,293.� �
( Theo công thức tính khối lượng riêng của không khí – trang 14 – Sách “ Sổ tay quá trình công nghệ và thiết bị hóa chất – Tập 1” )
Lưu lượng khí trung bình trong quá trình sấy là:
Ta chọn 2 quạt ly tâm Ц 4 – 70 N 0 4 với tốc độ quạt là ω = 130 rad/s Hiệu suất quạt là η = 0,6
