TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY BĂNG TẢI

Máy sấy băng tải sử dụng hơi nước và đối lưu để đẩy hơi nước vào sâu trong nguyên liệu làm cho nguyên liệu khô nhanh, từ đó giúp tăng độ bền, mà giảm bớt khối lượng vật liệu, bảo quản sản phẩm tốt hơn và nâng cao giá trị của sản phẩm.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC

SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỀ TÀI

BÀI TẬP LỚN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

HỆ THỐNG SẤY BĂNG TẢI

SVTH:

Niên học: 2019-2020

TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH Các thông số ban đầu

Trong đồ án này, em có nhiệm vụ là tính toán thiết kế hệ thống sấy băng tải để sấy cá cơm Chọn các thông số cho tính toán như sau:

- Năng suất sấy dầu vào: 1300kg/h

- Độ ẩm vật liệu vào: 1 = 75%

- Độ ẩm vật liệu ra: 2 = 12%

- Nhiệt độ môi trường tại Bình Thuận: t0 = 270C

- Độ ẩm tương đối tại Bình Thuận: 0 = 79%

- Nhiệt độ TNS vào: t1 = 1000C

- Nhiệt độ TNS ra: t2 = 700C

Lượng ẩm được tách ra

Trong đó:

w: lượng ẩm được tách ra (%)

G1, G2: lượng vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi máy sấy (kg/h)

w1: độ ẩm của vật liệu trước khi sấy, tính theo % khối lượng vật liệu ướt

w2 : độ ẩm của vật liệu sau khi sấy, tính theo % khối lượng vật liệu ướt

Suy ra: w= (kg/h)

Khối lượng vật liệu ra

G2 = G1 - w

= 1300 - 930,68= 369,3(kg/h)

Lượng vật liệu khô tuyệt đối

1 2

k 1100 w 2 100 w

= 1300.(kg/h)

Tính các thông số của không khí

Tính trạng thái không khí ngoài trời

+ Phân áp bão hòa theo nhiệt độ:

Trong đó: Pb: phân áp suất bão hòa của hơi nước (bar)

t0: nhiệt độ không khí (ºC)

Suy ra: (bar)

+ Hàm ẩm ban đầu:

o b 0

o b

.P

x 0,622

P P

j

=

- j Trong đó: d0: hàm ẩm ban đầu (kg/kgkkk)

o

j : độ ẩm tương đối của không khí

Pb: phân áp suất bão hòa của hơi nước (bar) P: ấp suất khí quyển (bar)

Nên: (kg/kgkkk)

+ Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm:

I = t + (2493 1,97.t ).x +

+ Thể tích riêng của không khí ẩm:

0

b

288.T v

P P

=

- j Với: v0: thể tích riêng của không khí ẩm (m3/kgkkk)

T: nhiệt độ không khí (K)

j : độ ẩm tương đối của không khí

P: áp suất khí quyển (N/m2)

Pb: phân áp suất bão hòa của hơi nước (N/m2)

Suy ra:

Tính toán không khí đưa ra khỏi calorifer

+ Hàm ẩm của không khí là không thay đổi:

t1 = 100ºC, d1 = d0 = 0,018 (kg/kgkkk)

+ Phân áp bão hòa hơi nước theo nhiệt độ:

+ Ta có:

d1 = d0 = 0,018 (kg/kgkkk)

1 1

1 bh

1 bh

.P

P P

j

=

- j

0,018

1

1 1

x P

P (0,622 x )

j =

+

= = 0,0276 = 2,76%

+ Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm:

I1 = + t 1 (2493 1,97.t ).x + 1 1

= 100 + (2493 + 1,97 100) 0,018 = 148,42 (kJ/kgkkk) + Thể tích riêng của không khí ẩm:

v1 1

1

1 bh

288.T

P P

=

- j

= = 1,127 (m3/kgkkk)

Tính toán không khí ra thiết bị sấy

Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm không đổi: I1= I2= 148,42 (kJ/kgkkk)

Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi máy sấy: t2 = 70ºC

+ Phân áp suất bão hòa hơi nước theo nhiệt độ:

+ Ta có:

I1 = I2 = 148,42 (kJ/kgkkk)

Mà:

I = t + (2493 1,97.t ).x +

d

2 2 2

2

I t x

2493 1,97.t

-=

+

= = 0,0298 (kg/kgkkk)

+ Ta lại có:

d

2 2

2 bh 2

2 bh

.P

x 0,622

P P

j

=

- j

2

2 2

x P

P (0,622 x )

j =

+

= = 0,146 = 14,6%

+ Thể tích riêng của không khí ẩm:

2 2

2 bh

288.T v

P P

=

- j

= = 1,055 (m3/kgkkk)

Kiểm tra nhiệt độ đọng sương

Tại nhiệt độ đọng sương ta có: j = 1

Từ công thức: d

ts

ts

bh 2

bh

.P

j

=

- j

Áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ đọng sương:

= = 0,045 (bar)

Tra bảng và tính, ta có nhiệt độ tương ứng với Pbh ts

= 0,045 là nhiệt độ đọng sương: ts = 31,033ºC

Chênh lệch nhiệt độ đọng sương với nhiệt độ tác nhân sấy khi đi ra khỏi thiết bị sấy là:

Cân bằng vật liệu cho tác nhân sấy (cân bằng theo lượng ẩm)

Coi không khí khô đi qua máy sấy không bị mất đi trong quá trình sấy Lượng không khí khô tiêu tốn trong quá trình sấy: L

Khi làm việc ổn định thì không khí sấy mang theo lượng ẩm: L.d1

Sau khi sấy lượng ẩm bốc ra từ vật liệu: w

Lượng ẩm không khí ra khỏi máy sấy: L.d2

Lúc này ta có phương trình cân bằng vật liệu theo lượng ẩm:

L.d1 + w = L.d2

= = 78871,18644 (kgkkk/h)

Vậy lượng không khí khô tiêu tốn cần thiết để làm bốc hơi 1kg ẩm trong vật liệu:

l = =

= = 84,75 (kgkkk/kg ẩm bay hơi)

Lượng không khí khô cần: 930,68 = 78875,13(kg kk khô/h)

Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy đi vào máy:

V = v L= 1,127 78875,13 = 88892,27151 (m3/h)

Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy đi ra khỏi máy sấy:

V = v L= 1,055 78875,13 = 83213,26215 (m3/h)

Lưu lượng thể tích trung bình:

V

2

+

=

= = 86052,77( = 23,9 (

Bảng 2.1 Bảng tổng kết cho vật liệu sấy

G1: khối lượng vật liệu vào thùng sấy (kg/h) 1300

G2: khối lượng vật liệu ra khỏi thùng sấy (kg/h) 369,3

Gk: khối lượng vật liệu khô tuyệt đối (kg/h) 325

w: lượng ẩm được tách ra (kg/h)

l: lượng không khí khô để bốc hơi 1 kg ẩm (kgkkk/kg ẩm) 84,75

L: lượng không khí khô để bốc hơi w kg ẩm (kgkkk/h) 78871,18644

Bảng 2.2 Bảng tổng kết cho tác nhân sấy

Trước khi vào calorifer 25ºC 0,018 79 72,83

Sau khi ra khỏi calorifer 100ºC 0,018 2,76 148,42 Sau khi ra khỏi buồng sấy 70ºC 0,0298 14,6 148,42

TÍNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ SẤY Băng tải

Số lượng băng tải

Ta có

khối lượng riêng của nước: n = 998 kg/m3

khối lượng riêng của cá cơm: o = 620 kg/m3

= 866 kg/

Thể tích vật liệu chứa trong thiết bị:

V= V1

V1, G1, 1: thể tích, khối lượng và khối lượng riêng của vật liệu vào thiết bị

 : thời gian sấy

V= = = 1,39

Năng suất của thiết bị sấy băng tải

V 1 =

: chiều dày lớp vật liệu trên băng tải, m

 = 0,03m

B: chiều rộng băng, m

Lb: chiều dài băng tải, m

Chọn B = 2 m Thay số vào phương trình trên ta được:

= = = 11,58 m

Ta chia băng tải thành i = 2

Tính con lăn đỡ bang

Khoảng cách giữa 2 con lăn ở nhánh có tải:

lt = A – 0,625B

A: hằng số phụ thuộc khối lượng riêng của vật liệu

 = 57,91< 1000 kg/m3 A= 1750mm

Vậy: lt = 1,75 – 0,625 x 2 = 0,45 m

Khoảng cách giữa hai con lăn ở nhánh không tải: lo = 2lt = 2 x 0,45 = 0,9 m

Số con lăn bằng:

Nhánh không tải: chọn 13

Nhánh có tải: chọn 26

tổng số con lăn cần dùng là: n = (n1 + n2 ) i = (13 + 26) 1 = 39 con lăn Kích thước con lăn:

Đường kính 130mm

Chiều dài 1500mm

Làm bằng thép CT3

Kích thước bánh lăn:

Đường kính 300mm = 2

Chiều dài 2000mm Làm bằng thép CT3

Kích thước thân thiết bị

Chiều dài: Lh = lb + 2 Lbs = 11,58 + 2.0,5 = 12,58 m

Chiều cao: chọn khoảng cách giữa 2 băng là 0,9 m

Hh = i dbăng + (i-1)d + 2dbs = 1.0,3 + 2.0,9 = 2,1 m

Chiều rộng: Bh = B + 2Bbs = 2 + 2.0,3 = 2,6 m

Tính vận tốc dòng khí trong quá trình sấy lý thuyết:

=

với k: vận tốc TNS trong hầm sấy

Vtb: lưu lượng thể tích trung bình

Ftd: tiết diện tự do giữa hai tầng băng tải:

Ftd= Bh d = 2,6 0,9 = 2,34 m2

= 9,43 m/s

TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG Sấy lý thuyết

Năng lượng tiêu hao cho quá trình sấy lý thuyết:

72808,725 (148,42 – 72,83) = 5503611,523 (kJ/h) = 1528780,979 (W) Năng lượng tiêu hao tính cho 1kg ẩm bay hơi:

Tổn thất hao nhiệt trong quá trình sấy thực

Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra khỏi hầm

Với Khối lượng vật liệu đầu ra , kg/h

W: lượng ẩm cần tách, kg/h

nhiệt dung riêng của vật liệu ra khỏi hầm sấy, kJ/kg.độ

nhiệt độ vật liệu lúc vào và ra khỏi hầm sấy

= 70

Nhiệt dung riêng của cá cơm ra khỏi hầm sấy:

nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối

1,5 kgJ/kg.độ ( chọn trong khoảng từ 1,2 dến 1,7 đối với vật liệu là thực phẩm)

nhiệt dung riêng của nước

4,18 kJ/kg.độ

= 1,5 (1-0,05) + 4,18 0,05 = 1,634 kgJ/kg.độ

Ta được:

= = 27,807 kJ/kg ẩm

Tổn thất để đun nóng phận vận chuyển chiếm khoảng 2%

Nhiệt tổn thất ra môi trường

Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh bao gồm:

- nhiệt tổn thất qua tường:

- nhiệt tổn thất qua trần:

- nhiệt tổn thất qua nền:

- nhiệt tổn thất qua cửa:

- nhiệt tổn thất do mở cửa:

Tổn thất nhiệt qua tường

Hệ số truyền nhiệt tính theo công thức:

với:

1: hệ số cấp nhiệt từ TNS vào tường, W/m2.độ

2: hệ số cấp nhiệt từ mặt ngồi hầm sấy ra môi trường, W/m2.độ

i : hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu làm

tường, W/mđộ Tường gồm 2 lớp:

- một lớp gạch 1= 250mm

- một lớp cách nhiệt 2= 50mm

(bông thuỷ tinh) Tra bảng T416,

TL [5] ta được: 1 = 0,77 W/m2độ

2 = 0,058 W/m2độ

Tính hệ số cấp nhiệt 1 :

1 = A(’

1 + ”

1) W/m2độ với A = 1,2 –1,3 : hệ số tùy thuộc chế độ chuyển động của khí A= 1,2

’

1: hệ số cấp nhiệt của không khí chuyển động cưỡng bức, W/m2đ

”

1: hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiện, W/m2độ

Như vậy không khí nóng được vận chuyển bằng quạt thì hệ số cấp nhiệt sẽ bao gồm ảnh hưởng của đối lưu tự nhiên & đối lưu cưỡng bức

Tính hệ số cấp nhiệt của không khí nóng chuyển động cưỡng bức:

Công thức tổng quát cho khí chảy dọc theo tường phẳng:

, W/.độ

: hệ số dẫn nhiệt của không khí ở nhiệt độ trung bình, W/mđộ

t = 0,0309 , W/m2độ

Nu1’= c Ren

c, n: hệ số phụ thuộc vào chế độ chuyển động của khí

Chuẩn số Re được tính theo công thức:

t = 9,43 m/s : vận tốc dòng khí trong hầm

t = 0,986 kg/m3: khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ trung bình

t = 21,3.10-6 Pa.s: độ nhớt của khí ở nhiệt độ trung bình

dtđ : đường kính tương đương của hầm sấy

= = = 2,3 m

Re = = 1004007,23

Re lớn hơn 4.1 thì c = 0,032 và n = 0,8

Nu1’= 0,032 x (1004007,23)0,8 = 2025,53

= 4,97 W/m2độ

Tính hệ số cấp nhiệt của không khí nóng chuyển động tự nhiên:

Nu1’’=  (Gr.Pr)m

, m: hệ số phụ thuộc vào tích số (Gr.Pr) Công thức tính Grassholf (Gr)

Gr =

Ttb= 85+ 273 = 358K, nhiệt độ trung bình của TNS, K

g = 9,81 m2/s : gia tốc trọng trường

T= ttb – tT1, K

ttb : nhiệt độ trung bình của TNS

tT1: nhiệt độ tường tiếp xúc với TNS

Các thông số sử dụng trong công thức tính Gr lấy theo nhiệt độ của màng tm

chọn tT1 = 84,45 oC

T = 85- 84,45 = 0,55oC

 t = 0,986 kg/m3

t = 21,3.10-6 Pa.s

Công thức tính chuẩn số Pr:

Pr =

CT: nhiệt dung riêng đẳng áp, J/kgđộ

CT = 1010 J/kgđộ

Pr = = 0,701

Gr Pr = 1,404176091.1 0,701 = 9,84327.1

ta có  = 0,135 và m= 1/3

Nu1’’= 0,135.(9,84327.1012)1/3 = 2893,21

1 =1,2 (4,97 +42,57) = 57,048 W/m2độ

Nhiệt tải riêng truyền từ tác nhân sấy vào tường sấy:

q1= 1T= 57,432 x 0,55 = 31,59 W/m2

Tính hệ số cấp nhiệt 2

2 = 2’ + 2”

2’: hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiên

2”: hệ số cấp nhiệt do bức xạ nhiệt từ tường ngồi của hầm sấy ra môi trường

Tính 2’:

Không khí chuyển động tự do bên ngồi tường hầm sấy thẳng đứng thì:

2’= 1,98

t2 = tT2 – txq : hiệu số giữa nhiệt độ tường và không khí

xung quanh, oC chọn tT2 = 29oC

txq = 27oC

t2 = 29 – 27 = 2oC

TT2 = 29 + 273 = 302K

TT2: nhiệt độ của tường hầm sấy phía tiếp xúc với không khí bên ngồi

Tt = 27 + 273 = 300 K : nhiệt độ của tường phân xưởng

T2 = 27 + 273 = 300 K : nhiệt độ của không khí bên ngòai

C1-2 = 4,15 – 4,25 W/m2K4: hệ số bức xạ chung Chọn C1-2= 4,15 W/m2K4

2 = 2,35 + 4,527 = 6,877

Nhiệt tải riêng truyền từ mặt ngồi tường hầm sấy ra môi trường xung quanh:

q2= 2t2 = 6,877 x 2 = 13,754 W/m2

hệ số truyền nhiệt là

Tính nhiệt tổn thất qua tường

Ft = 2LhHh = 2x11,58x2,1 = 48,636 m2

Tổn thất nhiệt qua trần

Lớp cách nhiệt dày 2 = 50 mm, 1 = 0,058 W/m2 độ

Lớp bêtông dày 2 = 100 mm, 2 = 1,28 W/m2 độ

1 = A(’

1 + ”

1) , A=1,2

Hệ số cấp nhiệt của không khí nóng cưỡng bức:

= 4,97 W/m2độ

Hệ số cấp nhiệt của không khí nóng chuyển động tự nhiên:giảm 30%

1 = 1,2 (4,97 +29,799) = 41,7228 W/m2độ

Hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiên cũng tính như trên nhưng phải tăng thêm 30%

TT2 = 29 + 273 = 302K

TT2: nhiệt độ của tường hầm sấy phía tiếp xúc với không khí bên ngồi

Tt = 27 + 273 = 300 K : nhiệt độ của tường phân xưởng

T2 = 27 + 273 = 300 K : nhiệt độ của không khí bên ngòai

C1-2 = 4,15 – 4,25 W/m2K4: hệ số bức xạ chung Chọn C1-2= 4,15 W/m2K4

2 = 3,055 + 4,527 = 7,582

Ft = LhHh = 11,58x2,1 = 24,318 m2

Nhiệt tổn thất qua nền

Diện tích nền Fn

Ft = LhHh = 11,58x2,1 = 24,318 m2

: tổn thất riêng của 1m2 nền, phụ thuộc vào nhiệt độ trung bình và vị trí hầm sấy trong phân xưởng

Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy trong hầm là 85oC, giả sử tường hầm sấy cách tường bao che của phân xưởng 2m Tra bảng

Tổn thất qua cửa

Cửa gồm 3 lớp:

Lớp tiếp xúc với không khí xung quanh và tác nhân bằng Al có 1 = 2 = 2mm

ta có 1= 203,5 W/m2độ

Lớp giữa cách nhiệt bề dầy 2 = 28mm, 2= 0,058 W/m2độ

Ft = 2BhHh = 2x2,6x2,1 = 5,46 m2

Nhiệt tổn thất do mở cửa

Theo kinh nghiệm qmc bằng 10%(qt và qn)

+)=1,4231

Tổn thất nhiệt động học

Đây là lượng nhiệt tiêu tốn để làm thay đổi trạng thái của tác nhân sấy ở đầu hầm với trạng thái (d1, T1) thành (d2, T2)

qđh = A(d2 – d1)(T1+T2) J/kg ẩm

Trong đó:

A: hệ số thực nghiệm, A=0,0055

T1, T2: nhiệt độ tác nhân trước và sau hầm sấy, K

qđh = 0,0055.(0,0298-0,018).(70+273+100+273) = 0,0464684 J/kg ẩm, quá nhỏ nên bỏ qua

Tổng nhiệt lượng tổn thất qua môi trường xung quanh:

qxq = qt + qtr + qn + qc + qmc

= 8,548 + 5,268 + 5,683 + 2,031 + 1,4231 = 22,953

TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY THỰC

Lượng nhiệt cần bổ sung được tính như sau:

= 4,18 27 - 22,935 – 27,807 – 128,125 = - 66,007

Gọi:

tvl1: nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy, thường lấy bằng nhiệt độ môi trường

tvl1 = to = 27oC

tvl2: nhiệt độ cuối của vật liệu sấy khi ra khỏi thiết bị sấy

tvl2 = t2 = 70oC

Cvl: nhiệt dung riêng của vật liệu, coi như không đổi trước và sau khi sấy Cvl1

= Cvl2 = Cvl

Ca: nhiệt dung riêng của nước

Ca = 4,18 (kJ/kg.K)

Cpk: nhiệt dung riêng của không khí khô

Cpa: nhiệt dung riêng của hơi nước

Theo định nghĩa , 0

Như vậy điểm C0 sẽ di chuyển đến điểm C’ và đường BC’ sẽ nằm dưới đường BCo.

Hàm ẩm d2’:

d2’ =

trong đó:

Cdx (do) = Cpk + Cpa.d0

= 1,004+ 1,842 0,018=1,037 kJ/kg

i2: entalpy mol của 1 kg hơi nước

i2 = 2500 + 1,842t2

= 2500 + 1,842 70 = 2628,94 kJ/kg

Lượng nhiệt tiêu hao riêng:

q= qo -  = 6406,2525 + 66,007 = 6472,2595 kJ/kgẩm

Nhiệt lượng có ích để bốc hơi ẩm:

q1 = i2 – Ca.tvl1 = (2500 + 1,842 x 70) – 4,18 x 27 = 2516,08 kJ/kgẩm Hiệu suất của thiết bị sấy thực: