Thiết kế hệ thống sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 1600kg sản phẩm/h

Yêu cầu đối với công nghệ sấy nông sản và thực phẩm là phải giải phóngthủy phần trong vật liệu sấy xuống mức cần thiết trong thời gian chấp nhận đểđược các yêu cầu nghiêm ngặt như: không

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN THIẾT BỊ

Họ và tên sinh viên: Trương Viết Lợi

Lớp: Công nghệ sau thu hoạch 48

Ngành: Công nghệ sau thu hoạch

1/ Tên đề tài:

Thiết kế hệ thống sấy thùng quay cà phê thóc năng suất 1600kg sản phẩm/h

2/ Các số liệu ban đầu:

- Nguyên liệu: Cà phê thóc ướt Arabica

- Năng suất sản xuất sản phẩm: 1600kg/h

- Độ ẩm ban đầu của sản phẩm: w1 = 25%

- Độ ẩm cuối cùng của sản phẩm: w2 = 13,5%

- Nhiệt độ tác nhân sấy vào: t1 = 80ºC

- Nhiệt độ tác nhân sấy ra: t2 = 38ºC

- Độ ẩm môi trường: φ0 = 81%

- Nhiệt độ môi trường: t0 = 25oC

3/ Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

- Đặt vấn đề

- Chương 1: Tổng quan về sấy và nguyên liệu cà phê

- Chương 2: Tính cân bằng vật chất của quá trình

- Chương 3: Tính cân bằng năng lượng

- Chương 4: Tính toán thiết bị chính

- Chương 5: Tính toán thiết bị phụ trợ

- Kết luận

- Tài liệu tham khảo

- Phụ lục

4/ Giáo viên hướng dẫn:

Họ và tên giáo viên: ThS Nguyễn Quốc Sinh

5/ Ngày giao nhiệm vụ:

6/ Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

Thông qua bộ môn Ngày tháng năm 2018

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

ThS Nguyễn Quốc Sinh

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tỷ lệ các thành phần cấu tạo hạt cà phê (% theo quả tươi) 7

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của nhân cà phê (Tr.25, [6]) 8

Bảng 2.1 Bảng tổng kết cho vật liệu sấy 18

Bảng 2.2 Bảng tổng kết cho tác nhân sấy 18

Bảng 3.1 Chọn bề dày thùng sấy 26

Bảng 3.2 Các thông số của tác nhân sấy bên ngoài thùng sấy 27

Bảng 5.1 Các giá trị tại ttb = 69,8969oC 36

Bảng 5.2 Các kích thước cơ bản của cyclon LIH – 24 43

Bảng 5.3 Các thông số của không khí trên đường ống 44

DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ

Hình 1.1 Cấu tạo của quả cà phê 7

Sơ đồ 1: Sơ đồ hệ thống sấy thùng quay để sấy cà phê thóc 10

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MỤC LỤC

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SẤY VÀ NGUYÊN LIỆU CÀ PHÊ 2

1.1 Khái niệm chung về quá trình sấy 2

1.1.1 Khái niệm 2

1.1.2 Nguyên lí quá trình sấy 2

1.1.3 Phân loại phương pháp sấy 3

1.1.4 Tác nhân sấy, chất tải nhiệt và chế độ sấy và thiết bị sấy: 4

1.2 Giới thiệu về nguyên liệu 6

1.2.1 Cấu tạo quả cà phê 6

1.2.2 Thành phần hóa học của cà phê 8

1.2.3 Quá trình sấy cà phê thóc 8

CHƯƠNG 2 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH 13

2.1 Các thông số ban đầu 13

2.2 Lượng ẩm được tách ra 13

2.3 Khối lượng vật liệu vào thùng sấy 13

2.4 Lượng vật liệu khô tuyệt đối 13

2.5 Tính các thông số của không khí 14

2.5.1 Tính trạng thái không khí ngoài trời 14

2.5.2 Tính toán không khí đưa ra khỏi calorifer 15

2.5.3 Tính toán không khí ra khỏi buồng sấy 16

2.5.4 Kiểm tra nhiệt độ đọng sương 17

2.5.5 Cân bằng vật liệu cho tác nhân sấy (cân bằng theo lượng ẩm) 17

CHƯƠNG 3 TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 20

3.1 Tính cân bằng nhiệt lượng 20

3.1.1 Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy 20

3.1.2 Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy 21

3.2 Tính toán quá trình sấy thực tế 30

3.2.1 Nhiệt lượng bổ sung thực tế 30

3.2.2 Xác định các thông số của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực 30

3.2.3 Phương trình cân bằng nhiệt lượng: ∑qv = ∑qr 31

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 33

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 34

5.1 Calorifer 34

5.1.1 Số liệu chọn và tính kích thước 34

5.1.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt 35

5.1.3 Tính bề mặt truyền nhiệt 40

5.1.4 Tính các ống truyền nhiệt và kích thước calorifer 41

5.2 Tính và chọn cyclon 42

5.3 Tính trở lực và chọn quạt 44

5.3.1 Tính trở lực của quá trình 44

5.3.2 Tính và chọn quạt 57

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, cà phê là một mặt hàng nông nghiệp xuất khẩuquan trọng của Việt Nam có kim ngạch hàng năm từ 400 đến 600 triệu Đô la

Mỹ, chỉ đứng sau gạo Cà phê đang giữ vị trí trong nền kinh tế nước ta

Hiện nay cà phê Việt Nam đã xuất hiện khắp châu lục từ Bắc Mỹ, Tây

Âu, Đông Âu đến Úc, Nam Á, Chất lượng của hạt cà phê Việt Nam phụ thuộcvào nhiều yếu tố khác nhau Trong đó, quá trình bảo quản ảnh hưởng rất lớn đếnchất lượng, nhất là đối với các mặt hàng khô Thời gian của quá trình bảo quảnnày dài hay ngắn phụ thuộc nhiều vào độ ẩm của thực phẩm Vì vậy, quá trìnhsấy cà phê hết sức quan trọng và ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm

Yêu cầu đối với công nghệ sấy nông sản và thực phẩm là phải giải phóngthủy phần trong vật liệu sấy xuống mức cần thiết trong thời gian chấp nhận đểđược các yêu cầu nghiêm ngặt như: không tạo mùi lạ từ các tác nhân sấy, tổnthất vitamin, đường, đạm, tinh dầu thơm, chất khô ở mức thấp nhất Các chỉ sốcảm quan phải hấp dẫn đối với người tiêu dùng

Kỹ thuật sấy đã được nghiên cứu từ khá lâu và được ứng dụng phổ biểntrong quá trình sấy hiện nay Đối với sản phẩm cà phê, người ta có khá nhiềusản phẩm sấy khác nhau như: sấy vỉ ngang, hầm sấy, sấy thùng quay, trong đó

hệ thống sấy thùng quay đang được ứng dụng khá nhiều vì nó có nhiều ưu điểmvượt trội so với phương pháp khác

Trong đồ án này em có nhiệm vụ “Thiết kế hệ thống sấy thùng quay đểsấy cà phê thóc với năng suất 1600kg sản phẩm /h “

Nhằm tìm hiểu kỹ hơn về nguyên liệu và đặc biệt là sấy cà phê bằngthùng quay cũng như làm quen với việc tính toán, thiết kế một thiết bị chếbiến thực phẩm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SẤY VÀ NGUYÊN LIỆU CÀ PHÊ 1.1 Khái niệm chung về quá trình sấy

1.1.1 Khái niệm

Sấy là quá trình tách nước (ẩm) ra khỏi vật liệu rắn hay dung dịch khi có

sự thay đổi trạng thái bốc hơi hoặc thăng hoa Kết quả là làm cho hàm lượngchất khô của vật liệu tăng lên

Đây là một quá trình kỹ thuật rất phổ biến và rất quan trọng trong côngnghiệp và đời sống

Mục đích của quá trình sấy:

- Kéo dài thời gian bảo quản

- Tăng tính cảm quan cho thực phẩm

- Làm chín một phần sản phẩm thực phẩm

- Tạo hình cho sản phẩm thực phẩm

- Giảm nhẹ khối lượng thuận tiện cho quá trình vận chuyển

1.1.2 Nguyên lí quá trình sấy

Sấy là quá trình làm khô vật liệu ẩm khi được cung cấp năng lượng theotrình tự: gia nhiệt vật liệu ẩm, cấp nhiệt để làm khuếch tán ẩm trong vật liệu, đưahơi ẩm thoát khỏi vật liệu

Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn rấtphức tạp vì nó bao gồm cả quá trình khuếch tán bên trong và cả bên ngoài vậtliệu rắn đồng thời với quá trình truyền nhiệt Đây là một quá trình nối tiếp, nghĩa

là quá trình chuyển lượng nước trong vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi, sau đốtách pha hơi ra khỏi vật liệu ban đầu, vận tốc của toàn bộ quá trình được quyếtđịnh bởi giai đoạn nào chậm nhất

Động lực của quá trình là sự chênh lệch độ ẩm ở trong lòng vật liệu vàbên trên bề mặt vật liệu Quá trình khuếch tán chuyển pha này chỉ xảy ra khi ápsuất hơi trên bề mặt vật liệu lớn hơn áp suất hơi riêng phần của hơi nước trongmôi trường không khí xung quanh

Trong quá trình sấy thì nhiệt độ và môi trường không khí ẩm xung quanh

có ảnh hưởng rất lớn và trực tiếp đến vận tốc sấy

Hai mặt của quá trình sấy cần nghiên cứu:

+ Mặt tĩnh lực học: tức là dựa vào cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệtlượng ta sẽ tìm được mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy,tác nhân sấy từ đố xác định được thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy, lượngnhiệt cần thiết cho quá trình sấy.

+ Mặt động lực học: tức là nghiên cứu mối quan hệ của sự biến thiên của

độ ẩm vật liệu với thời gian sấy và các thông số của quá trình như: tính chất, cấutrúc, kích thước của vật liệu sấy và các điều kiện thủy động lực học của tác nhânsấy để từ đó xác định được chế độ, tốc độ và thời gian sấy phù hợp

1.1.3 Phân loại phương pháp sấy

 Sấy tự nhiên

Tiến hành bay hơi bằng năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời,năng lượng gió… (gọi là quá trình bay hơi tự nhiên)

+ Ưu điểm của phương pháp này là:

- Tiến hành một cách đơn giản, dễ dàng, không đòi hỏi kĩ thuật cao

- Chi phí đầu tư thấp

+ Nhưng bên cạnh đó phương pháp này lại đem theo rất nhiều nhược điểm:

- Khó điều chỉnh các thông số kĩ thuật khi sấy, phụ thuộc vào khí hậu

- Cần diện tích lớn để thực hiện quá trình sấy

- Độ ẩm sau khi sấy không điều chỉnh được để đảm bảo yêu cầu

- Sản phẩm sấy không đều, dễ bị nhiễm bẩn, nhiễm vi sinh vật

- Đòi hỏi sứa lao động, nhân công lớn

- Tốn thời gian, năng suất thấp

 Sấy nhân tạo

Thường được tiến hành trong các thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho cácvật liệu ẩm Sấy nhân tạo có nhiều dạng, tùy theo phương pháp truyền nhiệt màtrong kỹ thuật sấy có thể chia ra thành nhiều dạng:

- Sấy đối lưu: phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy, mà

tác nhân truyền nhiệt là không khí nóng, khói lò,…

- Sấy tiếp xúc: phương pháp sấy không cho tác nhân tiếp xúc trực tiếp vật

liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một vách ngăn

- Sấy bằng tia hồng ngoại: phương pháp sấy dùng năng lượng của tia

hồng ngoại do nguồn điện phát ra truyền cho vật liệu sấy

- Sấy bằng dòng điện cao tần: phương pháp dùng dòng điện cao tần để

đốt nóng toàn bộ chiều dày của vât liệu sấy

- Sấy thăng hoa: phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không

cao, nhiệt độ rất thấp, nên độ ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từtrạng thái rắn thành hơi không qua trạng thái lỏng

Ngoài ra còn có sấy lạnh, sấy phun,…

Ưu điểm của sấy nhân tạo đó là khắc phục được những nhược điểm củaphương pháp sấy tự nhiên Nhưng cũng kéo theo những nhược điểm không tránhkhỏi đó là tốn chi phí đầu tư trang thiết bị và chi phí để vận hành, hoạt độngthiết bị đó thực hiện quá trình sấy

1.1.4 Tác nhân sấy, chất tải nhiệt và chế độ sấy và thiết bị sấy:

1.1.4.1 Tác nhân sấy

Tác nhân sấy là những chất dùng để tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy và đưa

ẩm đi ra khỏi thiết bị sấy

Trong quá trình sấy, cần có tác nhân sấy để thực hiện tách ẩm ra khỏi vậtliệu để đảm bảo đưa vật liệu về độ ẩm an toàn Đồng thời, khi sấy môi trườngbao quanh vật liệu sấy luôn luôn được bổ sung một lượng ẩm tách ra từ vật liệu.Nếu độ ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối của buồng sấy sẽ tănglên và quá trình thoát ẩm của vật liệu sẽ dừng lại,

Do đó có thể nhận tấy nhiệm vụ của tác nhân sấy:

+ Gia nhiệt cho vật liệu sấy

+ Tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy

+ Đưa ẩm ra khỏi thiết bị sấy

Cơ chế của quá trình sấy gồm 2 giai đoạn: Gia nhiệt cho vật liệu sấy đểlàm ẩm hóa hơi và mang hơi ẩm từ bề mặt vật vào môi trường Nếu ẩm thoát rakhỏi vật liệu mà không mang đi kịp thời sẽ ảnh hưởng tới quá trình bốc ẩm từvật liệu sấy thậm chí làm ngừng trệ quá trình thoát ẩm Để tải ẩm đã bay hơi từvật liệu sấy vào môi trường có thể dùng các biện pháp:

+ Dùng tác nhân sấy làm chất tải nhiệt

+ Dùng bơm chân không để hút ẩm từ vật liệu sấy thải ra ngoài ( sấy chân không)

Trong sấy đối lưu vai trò của tác nhân sấy đặc biệt quan trọng vì nó đóngvai trò vừa tải nhiệt vừa tải ẩm Các tác nhân sấy thường dùng là không khí nóng

và khói lò, hơi quá nhiệt, chất lỏng…

+ Không khí ẩm: là loại tác nhân sấy thông dụng nhất có thể dùng cho hầuhết các loại sản phẩm Dùng không khí ẩm không làm sản phẩm sau khi sấy bị ônhiễm cũng như làm thay đổi mùi vị của nó Tuy nhiên dùng không khí ẩm làmtác nhân sấy cần trang bị thêm bộ gia nhiệt không khí (calorifer khí, hơi hay khíhoặc khói), nhiệt độ sấy không quá cao, thường nhỏ hơn 1800C vì nếu nhiệt độquá cao thiết bị trao đổi nhiệt phải được chế tạo bằng thép hợp kim hay gốm sứvới chi phí cao

+ Khói lò: khói lò dùng làm tác nhân sấy có thể nâng nhiệt độ sấy lên

10000C mà không cần thiết bị gia nhiệt, tuy nhiên làm vật liệu sấy bị ô nhiễmgây mùi khói Vì vậy khói chỉ dùng cho các vật liệu không sợ ô nhiễm như gỗ,

đồ gốm, một số loại hạt có vỏ

+ Hơi qua nhiệt: tác nhân sấy này được dùng cho các loại sản phẩm dễ bịcháy nổ và thường có khả năng chịu được nhiệt độ cao Vì vậy sấy bằng hơi quánhiệt nhiệt độ thường lớn hơn 1000C (sấy ở áp suất khí quyển)

1.1.4.2.Chế độ sấy

Chế độ sấy là cách thức tổ chức quá trình truyền chất giữa tác nhân sấy vàvật liệu sấy và các thông số của nó để đảm bảo năng suất, chất lượng sản phẩmtheo yêu cầu và chi phí vận hành cũng như chi phí năng lượng hợp lý

Một số chế độ sấy thường gặp:

- Chế độ sấy có đốt nóng trung gian: Chế độ sấy này dùng để sấy những

vât liệu không chịu được nhiệt độ cao

- Chế độ sấy hồi lưu một phần: Chế độ này khá tiết kiệm năng lượng

nhưng lại tốn nhiều chi phí đầu tư thiết bị

- Chế độ sấy hồi lưu toàn phần: Là chế độ sấy kín, tác nhân sấy được hồi

lưu hoàn toàn

- Chế độ sấy hồi lưu và đốt nóng trung gian.

1.1.4.3 Thiết bị sấy

Thiết bị sấy là thiết bị mà tại đó vật liệu được tách ẩm để sau khi ra khỏithiết bị sấy vật liệu đạt độ ẩm an toàn Do điều kiện sấy trong mỗi trường hợpkhác nhau nên có nhiều cách để phân loại thiết bị sấy:

- Dựa vào tác nhân sấy: có thiết bị sấy bằng không khí hoặc bằng khói

lò, các thiết bị sấy bằng phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng dòngđiện cao tần

- Dựa vào áp suất làm việc: có thiết bị sấy chân không và thiết bị sấy ở

áp suất thường

- Dựa vào phương thức làm việc: có sấy liên tục và sấy gián đoạn.

- Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy

tiếp xúc, thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy bức xạ,…

- Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy thùng

quay, sấy phun,…

- Dựa vào chiều chuyển động của vật liệu sấy và tác nhân sấy: sấy cùng

chiều, ngược chiều, giao chiều

1.2 Giới thiệu về nguyên liệu

Cà phê là loại cây công nghiệp, có nguồn gốc từ êtiôphia (cà phê chè) vàvùng bắc phi (cà phê vối), là cây công nghiệp có thân lớn, màu xanh đậm, láhình oval, quả hình bầu dục, hoa màu trắng, quả khi còn non màu xanh, chínchuyển sang đỏ

Hạt cà phê khi chín chứa đầy đủ các loại chất dinh dưỡng như: glucid,

lipid, vitamin, cafein… Đặc biệt cà phê còn chứa một số chất mùi đặc trưng, khi

chế biến có mùi thơm riêng biệt và hấp dẫn

Do đó các sản phẩm chế biến từ cà phê rất nhiều Từ những sản phẩm mà

cà phê là nguyên liệu chính như cà phê rang xay, cà phê hòa tan đến những sảnphẩm mà cà phê được bổ sung vào tạo nên mùi vị cho sản phẩm như bánh kẹo,

đồ uống…

1.2.1 Cấu tạo quả cà phê

Quả cà phê gồm: lớp vỏ quả, lớp vỏ thịt, lớp nhớt, lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa

và nhân

Hình 1.1 Cấu tạo của quả cà phê

- Lớp vỏ quả: là lớp màng mỏng, mềm, dai Vỏ quả cà phê chè mềm hơn vối và

mít Trong vỏ quả có alkaloid, tannin, cafein, các loại enzyme.

- Lớp vỏ thịt: là phần dưới lớp vỏ quả, gồm những tế bào mềm, không

có cafein, tannin, chưa nhiều đường và pectin.

- Lớp nhớt: nằm sát nhân, khó tách ra Thành phần chính là pectin, các

loại đường khử, cellulose, enzyme pectase Đặc tính của lớp này là không hòa tan

trong nước, hút ẩm rất mạnh vì vậy trở ngại khi phơi sấy khô và bảo quản hạt

- Lớp vỏ trấu: là lớp kế tiếp lớp vỏ thịt, chứa nhiều cellulose nên khá

cứng, là một màng bán thấm thô có nhiệm vụ bảo vệ cho nhân

- Lớp vỏ lụa: khi loại bỏ lớp vỏ trấu còn một lớp vỏ mỏng, mềm gọi là

vỏ lụa Đặc tính khác nhau tùy vào mỗi loại cà phê Với vỏ lụa cà phê chè màutrắng bạc, dễ bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến

- Nhân cà phê: là phần nằm trong cùng của hạt Một quả cà phê thường có từ

1, 2 hoặc 3 nhân Thường chỉ có 2 nhân, trong nhân có chứa phôi và mô dinhdưỡng

Bảng 1.1 Tỷ lệ các thành phần cấu tạo hạt cà phê

(% theo quả tươi)(Tr.23, [6])

Thành phần Cà phê chè (%) Cà phê vối (%)

1.2.2 Thành phần hóa học của cà phê

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của nhân cà phê (Tr.25, [6])

1.2.3 Quá trình sấy cà phê thóc

1.2.3.1 Chọn thiết bị sấy và phương thức sấy

Thiết bị gồm 1 hình trụ đặt dốc khoảng 3-6° so với mặt phẳng nằm ngang,

có 2 vành đai khi thùng quay thì trượt trên các con lăn tựa Khoảng cách giữacác con lăn có thể điều chỉnh được để thay đổi góc nghiêng của thùng Thùngquay được nhờ lắp chặt trên thân thùng, các bánh răng ăn khớp với nhau nối với

mô tơ thông qua hộp giảm tốc

Trong hệ thống này, vật liệu sấy được đảo trộn mạnh, tiếp xúc với tác nhânsấy Do đó trao đổi nhiệt mạnh tốc độ sấy nhanh và độ đồng đều của sản phẩm cao.Ngoài ra thiết bị làm việc với năng suất cao và làm việc ở áp suất khí quyển.

Dây chuyền sấy cà phê bằng máy sấy thùng quay này rất phù hợp cho quytrình công nghệ chế biến sản xuất cà phê thóc, độ ổn định cao, chất lượng cà phêđạt các yêu cầu kỹ thuật

- Chọn phương thức sấy

Để sấy cà phê thóc người ta dùng phương pháp sấy nóng và đối với cà phêthóc chỉ còn lớp vỏ trấu bên ngoài nên trong quá trình sấy bảo đảm không bịnhiễm bụi bẩn, nhiễm độc và yêu cầu nhiệt độ sấy không quá cao nên ta chọn tácnhân sấy là không khí nóng và tác nhân tải nhiệt là hơi nước để tiện cho việcđiều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy khi cần thiết

Thông thường chiều chuyển động của tác nhân sấy có thể cùng chiều,ngược chiều hay chéo dòng Dựa vào tính chất vật liệu của cà phê nên ta chọnphương thức sấy cùng chiều vì tốc độ sấy ban đầu cao, ít bị co ngót, sản phẩm ít

bị biến tính, giảm nguy cơ hư hỏng do vi sinh vật, tránh sấy quá khô và tác nhânsấy khỏi mang theo vật liệu sấy như sấy ngược chiều Mặt khác với nhiệt độ tácnhân sấy ban đầu không cao lắm thì khi sấy cùng chiều vật liệu sấy và tác nhânsấy sẽ tiếp xúc tốt hơn, quá trình sấy diễn ra nhanh hơn

Chọn thiết bị làm việc gián đoạn vì sau một thời gian sấy sản phẩm đủ độ

ẩm yêu cầu thì bắt đầu dừng thiết bị và tháo lắp ra Như vậy có thể điều chỉnhđược lượng sản phẩm ra nếu không đảm bảo chất lượng

1.2.3.2 Hệ thống sấy thùng quay

- Sơ đồ hệ thống sấy thùng quay

Sơ đồ 1: Sơ đồ hệ thống sấy thùng quay để sấy cà phê thóc

- Thuyết minh sơ đồ

Vật liệu sấy là cà phê thóc đã qua phân loại, tách vỏ và qua hệ thống sấytĩnh để nâng nhiệt độ lên gần nhiệt độ tác nhân sấy, để tránh hiện tượng chênh

Sản phẩm Băng tải

Cơ cấu nhập liệu Gàu tải

Cà phê thóc ướt

lệch nhiệt độ quá cao giữa tác nhân sấy và cà phê gây ra hiện tượng cháy cà phê.

Độ ẩm của cà phê lúc này là 25%

Tác nhân sấy là không khí được quạt đẩy đưa vào calorifer gia nhiệt đểnâng nhiệt độ lên 80℃ Tác nhân sấy vào cùng chiều với cà phê làm cho diệntích tiếp xúc giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy lớn, lúc này lượng nhiệt cung cấpcho tác nhân sấy và vật liệu sấy cao làm cho lượng ẩm trên bề mặt vật liệu thoát

ra nhanh hơn nên tốc độ sấy nhanh hơn Nhiệt độ tác nhân sấy sẽ giảm dần vàkhi vật liệu ra khỏi thùng sấy thì nhiệt độ còn 38oC

Tại thùng sấy, cà phê sẽ đi sâu vào thùng sấy, được xáo trộn bởi các cánhđảo trộn để nâng và đảo trộn vật liệu sấy do đó tăng cường bề mặt trao đổi nhiệtgiữa vật liệu sấy và tác nhân sấy

Trong thùng, cà phê thóc được nâng lên ở độ cao nhất định rồi rơi xuống.Trong quá trình đó vật liệu sấy được trao đổi nhiệt với tác nhân sấy và làm bayhơi ẩm Khi đi hết chiều dài thùng sấy thì cà phê đảm bảo độ ẩm yêu cầu cầnthiết cho quá trình bảo quản

Sản phẩm sau khi sấy xong đi qua cửa tháo liệu trên thùng sấy và được tháo

ra ngoài qua cửa nhờ cơ cấu băng tải vận chuyển đi đóng gói Cơ cấu băng tải còn

có tác dụng làm nguội cà phê một cách tự nhiên trước khi đóng gói Còn tác nhânsấy đi qua cyclon thu hồi bụi và được thải ra ngoài môi trường nhờ quạt hút

1.2.3.3 Biến đổi của nguyên liệu sau quá trình sấy

- Biến đổi vật lý

+ Khối lượng của vật liệu giảm

+ Vật liệu chuyển từ trạng thái ẩm sang trạng thái khô

+ Nhiệt độ vật liệu tăng

- Biến đổi hóa học

+ Ở nhiệt độ cao, protein của hạt cà phê bị biến tính và keo tụ lại

+ Chất béo trong hạt bị phân giải ở nhiệt độ cao, do đó làm hàm lượngaxit béo trong hạt tăng lên

+ Tinh bột trong hạt tạo thành dextrin dưới ảnh hưởng của nhiệt độ

+ Ở nhiệt độ cao, vitamin bị tổn thất nhiều

- Biến đổi hóa lý

Việc bốc hơi ẩm từ bề mặt tạo ra sự chênh lệch ẩm giữa lớp bề mặt và cáclớp bên trong vật liệu, kết quả là có sự khuếch tán ẩm từ các lớp bên trong ra lớp

bề mặt của vật liệu

- Biến đổi cảm quan

Cà phê thóc ướt sau khi sấy đạt độ ẩm là 13,5% có màu sẫm hơn so vớilúc trước khi vào máy sấy độ ẩm là 25%

- Biến đổi sinh học

Biến đổi sinh học chủ yếu diễn ra trong quá trình sấy là sự ức chế và tiêudiệt các vi sinh vật trên bề mặt vật liệu

CHƯƠNG 2 TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH 2.1 Các thông số ban đầu

Trong đồ án này, em có nhiệm vụ là tính toán thiết kế hệ thống sấy thùngquay để sấy cà phê thóc Chọn các thông số cho tính toán như sau:

- Năng suất sấy: 1600kg/h

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 ướtw2 : độ ẩm của vật liệu sau khi sấy, tính theo % khối lượng vật liệu ướt

(kg/h)

2.5 Tính các thông số của không khí

2.5.1 Tính trạng thái không khí ngoài trời

+ Phân áp bão hòa theo nhiệt độ:

(CT 2.31, Tr31, [5])Trong đó: Pb: phân áp suất bão hòa của hơi nước (bar)

t0: nhiệt độ không khí (ºC)

+ Hàm ẩm ban đầu: (CT VII.11, Tr95, [3])Trong đó: x0: hàm ẩm ban đầu (kg/kgkkk)

: độ ẩm tương đối của không khí Pb: phân áp suất bão hòa của hơi nước (bar)

P: ấp suất khí quyển (bar)

2.5.2 Tính toán không khí đưa ra khỏi calorifer

+ Hàm ẩm của không khí là không thay đổi:

v1 (CT VII.8, Tr94, [3])

2.5.3 Tính toán không khí ra khỏi buồng sấy

Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm không đổi: I1= I2= 124,0257(kJ/kgkkk)

Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi máy sấy: t2 = 38ºC

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

(CT VII.11, Tr95, [3])



+ Thể tích riêng của không khí ẩm:

(m3/kgkkk)

2.5.4 Kiểm tra nhiệt độ đọng sương

Tại nhiệt độ đọng sương ta có: = 1

Từ công thức: (CT VII.11, Tr95, [3])

độ đọng sương:

(bar)Tra bảng và tính toán (bảng II.251, Tr314, [2]), ta có nhiệt độ tươngứng với = 0,0501 là nhiệt độ đọng sương: ts = 32,5ºC

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

Chênh lệch nhiệt độ này là hợp lí, vậy thông số đã chọn là chính xác

2.5.5 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 sấyLượng không khí khô tiêu tốn trong quá trình sấy: L

Khi làm việc ổn định thì không khí sấy mang theo lượng ẩm: L.x1

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

Lượng ẩm không khí ra khỏi máy sấy: L.x2

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

L.x1 + w = L.x2 (Suy ra từ công thức 7.13, Tr131, [5])



(kgkkk/h)Vậy lượng không khí khô tiêu tốn cần thiết để làm bốc hơi 1kg ẩmtrong vật liệu:

Bảng 2.1 Bảng tổng kết cho vật liệu sấy

G1: khối lượng vật liệu vào thùng sấy (kg/h) 1845,3333

G2: khối lượng vật liệu ra khỏi thùng sấy (kg/h) 1600

Gk: khối lượng vật liệu khô tuyệt đối (kg/h) 1384

Trước khi vào calorifer 25ºC 0,0166 81 67,226

Sau khi ra khỏi calorifer 80ºC 0,0166 5,47 124,0257Sau khi ra khỏi buồng sấy 38ºC 0,0335 76,25 124,0257

CHƯƠNG 3 TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 3.1 Tính cân bằng nhiệt lượng

Cn: nhiệt dung riêng của nước

Ta có, nhiệt dung riêng của vật liệu với w2:

Cvl = Ck.(1 – w2) + Cn.w2 (kJ/kg.K) (CT 7.40, Tr141, [5])Trong đó:

Ck là nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối Ck = 1,547 ( kJ/kg.K)

 Cvl = 1,547.(1 – 0,135) + 4,1816.0,135 = 1,9027 (kJ/kg.K)

Trong quá trình sấy lí thuyết thì không bổ sung nhiệt lượng thêm, không tổnthất nhiệt qua kết cấu bao che cũng như là tổn thất nhiệt do thiết bị chuyển tải:

QBS = QBC = QCT = 0

3.1.1 Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy

+ Nhiệt lượng do tác nhân sấy mang vào: qkkv

= 59,2024.67,226 = 3979,9399 (kJ/kgkk ẩm)

+ Nhiệt lượng do calorifer cung cấp: qs

qs = l.(I1 - I0) (CT 7.16, Tr131, [5]) = 59,2024.(124,0257 – 67,226) = 3362,6738 (kJ/kg)

+ Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: qvls

qvls = (Tr206, [8])

+ Tổng lượng nhiệt vào:

∑¿¿qv = qkkv + qs + qvls = 3979,9399 + 3362,6738 + 414,7581 = 7757,3718 (kJ/kg)

3.1.2 Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy

3.1.2.1 Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi: q kkr

Với: F: diện tích bề mặt xung quanh máy sấy

Δt: hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy với môi trường xung quanh w: lượng ẩm bay hơi ; K: hệ số truyền nhiệt

(W/m2.K) (CT 7.42, Tr142, [5])Trong đó: : hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến bề mặt trong củathùng sấy

∑δ λ: tổng nhiệt trở của máy sấy

: hệ số cấp nhiệt của thành thùng ra môi trường xung quanh

 Tính hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến bề mặt trong của thùng sấy

v = 18,868.10-6 (m2/s) (Bảng I.255, Tr318, [2])+ Thời gian sấy:

(w1 – w2) = M’.(11,1 + 3) (CT 10.13, Tr210, [5])Trong đó M’ = 10-2.M , với M là hệ số phụ thuộc vào đường kính trungbình của hạt

Chọn đường kính trung bình hạt cà phê là d = 8mm

Tra bảng 10.3 (Tr210, [5]), ta có:

M = 0,47 -> M’ = 0,47.10-2Suy ra:

= 1,9341 (h) = 116,04 (phút)

+ Thể tích thùng sấy:

Trong đó: V: thể tích thùng sấy (m3)

G1: khối lượng nguyên liệu vào thiết bị sấy (kg/h)

: thời gian sấy (h)

(Tr219, [5])Theo bảng VII.25 (Tr123, [3]): hệ số điền đầy trong hệ thống sấy thùngquay chiếm khoảng từ 10÷25% thể tích thùng sấy Ta chọn: = 0,25

+ Tốc độ tác nhân sấy lý thuyết:

(m/s) (Tr219, [5])+ Chế độ chảy của tác nhân sấy trong thiết bị:

- Chuẩn số Reynolds:

(CTV.36, Tr13, [3])Với = 18,868.10-6 (m2/s) là độ nhớt động học của không khí

D: kích thước hình học xác định theo đường kính tương đương

Nên: Re

- Chuẩn số Nuselt đối với chất khí:

Vì Re > 104 nên tác nhân sấy chuyển động tương ứng với chế độ chảyxoáy (rối)

(Tr13, [3])Khi đó: Nu = 0,018.ε1.Re0,8 (CT V.42, Tr16, [3])Với: ε1 là hệ số phụ thuộc vào tỉ lệ L/D và Re

Mà L/D = 4 và Re = 178546,923; nên: ε1 = 1,1661 (Bảng V.2, Tr15, [3])Nên: Nu = 0,018.1,1661.( 178546,923)0,8 = 333,7415

Trong đó:

λ: hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ ở 59oC

( CT I.36, Tr124, [2]) λ0: hệ số dẫn nhiệt ở 00C

c: hằng số phụ thuộc vào loại khí

T: nhiệt độ tuyệt đối của không khíTra bảng I.122, trang 124 Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa họctập 1, ta có: c = 122, λ0 = 0,0201

: hệ số cấp nhiệt mặt ngoài của máy sấy do đối lưu tự nhiên

: hệ số cấp nhiệt do bức xạ

Tính α 2 ’:

Chọn nhiệt độ thành ngoài của máy sấy (phần tiếp xúc với không khí) làt3= 330C Đây là nhiệt độ thích hợp để tác nhân sấy sau khi truyền qua váchthùng và lớp cách nhiệt phía ngoài thùng sao cho không còn quá nóng, an toàncho người lao động

Thùng đặt nằm ngang với góc nghiêng nhỏ nên xem như là hệ số cấpnhiệt của ống nằm ngang khi không khí có thể tích lớn và chuyển động tự do

Xem như nhiệt độ không đổi trong quá trình truyền qua bề dày thân thùng.Chọn vật liệu làm thùng sấy là CT3 và vật liệu cách nhiệt là bông thủy tinh Tra bảng XII.7 (Tr313,[3]) ta được hệ số dẫn nhiệt của CT3 là 50(W/m.độ) và bảng I.126 (Tr128, [2]) ta có được hệ số dẫn nhiệt của bông thủytinh là 0,0372 (W/m.độ) Lựa chọn các thông số kích thước bề dày thânthùng sấy, ta được bảng sau:

Bảng 3.1 Chọn bề dày thùng sấy

hiệu

Giá trị chọn (m)

Vật liệu Hệ số dẫn

nhiệt λ

Bảng 3.2 Các thông số của tác nhân sấy bên ngoài thùng sấy

STT Thông số Ký hiệu Đơn vị Nguồn công thức Giá trị

2 Hệ số dẫn nhiệt λ0 W/m.độ Bảng I.255,Tr318,[2] 0,02635

3 Độ nhớt μ0 Ns/m2 Bảng I.255,Tr318,[2] 1,84.10-5

4 Áp suất bão hòa pb At Bảng I.250,Tr312,[2] 0,0323

5 Khối lượng riêng ρ0 Kg/m3 Bảng I.255,Tr318,[2] 1,185

Hệ số cấp nhiệt

(W/m2.độ)

Tính α 2 ”:

= (W/m2.độ)

Trong đó:

C0: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối, C0 = 5,7

T1: nhiệt độ tuyệt đối của thành máy sấy (0K), T1 = t3 + 273

T2: nhiệt độ của môi trường (0K), T2 = t0 + 273

ε: độ đen của bề mặt ngoài máy sấy

Đối với bức xạ giữa khí và bề mặt vật thể, do bề mặt của khí lớn hơn bềmặt vật thể nên độ đen của hệ xem như bằng độ đen của vật thể:

ε = 0,8 ÷ 1, chọn ε = 0,8 (Tr39, [3])

Vậy: = 1,8571 + 5,0248 = 6,8819 (W/m2.độ)

 Hệ số truyền nhiệt K:

Hệ số truyền nhiệt K đối với tường hình ống có chiều dày không dày lắm

so với đường kính, khi bỏ qua nhiệt trở của lớp cách nhiệt:

(CT 7.42, Tr142, [5])