Đồ-án-thiết-bị-sấy-thùng-quay-đậu-xanh năng suất 1170 kg/giờ
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP SẤY
Tổng quan về nguyên liệu
- Đậu xanh (hay còn gọi là đỗ xanh) có tên khoa học là: Vigna radiata (L.) R.WILCZEK
- Cây đậu xanh được trồng trên thế giới gồm có 3 phân loài:
1.1.2 Nguồn gốc và phân bố
- Loài đậu xanh (Vigna radiata) có nguồn gốc ở Ấn Độ và Trung Á, từ đó lan sang nhiều khu vực khác của châu Á.
- Ở Thái Lan, vết tích cây đậu xanh trồng đã được xác định cách nay khoảng
2000 năm tại khu vực Khao Sam Kaeo ở miền nam Thái Lan.
- Ở Châu Phi, trên đảo Pemba trong thời đại của thương mại Swahili, thế kỉ 9 và thứ 10, vết tích cây đậu xanh trồng cũng được phát hiện
Cây đậu xanh có khả năng thích ứng rộng, chịu hạn tốt và có thể phát triển trong điều kiện khắc nghiệt Tại châu Á, cây được trồng phổ biến ở nhiều quốc gia như Ấn Độ, Pakistan, Bangladesh, Sri Lanka, Nepal, Trung Quốc, Myanmar, Thái Lan, Việt Nam, Campuchia và Lào Ngoài ra, cây đậu xanh còn được trồng ở Trung Phi, các vùng khô và nóng ở Nam Âu, đông bắc châu Úc, Nam Mỹ và miền nam Hoa Kỳ Nó không chỉ là nguyên liệu chính trong các món ăn mặn mà còn được sử dụng trong các món ngọt.
Đậu xanh là một loại cây rau quan trọng, được trồng phổ biến khắp Việt Nam từ Bắc vào Nam Loại đậu này không chỉ có giá trị dinh dưỡng cao mà còn mang ý nghĩa đặc biệt trong văn hóa ẩm thực của người Việt.
1.1.3 Đặc điểm hình thái Đậu xanh là cây thân thảo nhỏ, mọc đứng, sống hằng niên.
Cây đậu có chiều cao từ 40 đến 80 cm, tùy thuộc vào giống và phương pháp trồng Trong điều kiện canh tác tốt, cây đậu sẽ phát triển cao hơn và đạt năng suất tối ưu, miễn là không bị đỗ ngã.
Cây đậu xanh có cấu trúc rễ gồm một rễ cái và nhiều rễ phụ, giúp cây phát triển mạnh mẽ trong đất xốp và thoáng khí, với khả năng rễ mọc sâu đến 40cm Điều này giúp cây đậu chịu hạn tốt hơn, mặc dù rễ đậu xanh lại nhạy cảm với tình trạng ngập úng, đặc biệt trong giai đoạn đầu từ 0-25 ngày sau khi gieo Sau 15 ngày gieo trồng, rễ cây bắt đầu hình thành nốt sần hữu hiệu, hỗ trợ sự phát triển của cây.
Cây đậu có cấu trúc phát triển cành đa dạng, với nhiều cành cấp 1 xuất phát từ thân chính Một số cành cấp 1 tiếp tục phát triển thêm cành cấp 2 Hoa và quả chủ yếu hình thành trên thân chính và cành cấp 1, trong khi số lượng quả trên cành cấp 2 rất hạn chế.
Cây khi mới mọc có hai lá đơn nhỏ, sau đó phát triển thành các lá kép, mỗi lá kép gồm ba lá đơn và có lông ở cả hai mặt Các lá ở ngọn rất quan trọng để nuôi trái và hạt, do đó cần được chăm sóc kỹ lưỡng để phòng ngừa sâu bệnh Hai lá đơn đầu tiên dễ bị dòi đục thân tấn công, vì vậy cần xịt thuốc kịp thời để bảo vệ cây.
Sau 18-20 ngày gieo, đậu xanh bắt đầu xuất hiện nụ hoa nhỏ nằm trong vảy nhỏ ở nách lá Nụ hoa phát triển từ các chùm hoa mọc ở kẻ lá, mỗi chùm có từ 16-20 hoa màu vàng lục, nhưng thường chỉ đậu từ 3-8 quả Hoa nở từ 34-40 ngày sau khi gieo, với màu sắc vàng lục nổi bật ở kẻ lá.
Quả đậu xanh là loại quả giáp, có hình trụ thẳng và mảnh, với số lượng nhiều và bề mặt có lông Quá trình phát triển của quả bắt đầu ngay sau khi nở và thường chín sau khoảng 18-20 ngày Quả non có màu xanh và nhiều lông tơ, trong khi quả già có màu xanh đậm và khi chín sẽ chuyển sang màu nâu đen hoặc vàng với ít lông hơn Mỗi quả thường chứa từ 5 đến 10 hạt.
Hạt đậu xanh có hình dạng tròn hơi thuôn, kích thước nhỏ, màu xanh với ruột vàng và mầm ở giữa Các giống hạt thường có màu xanh mỡ bóng hoặc mốc, bên cạnh đó cũng có những giống hạt màu vàng, nâu hay đen Trọng lượng của 1000 hạt dao động từ 30-70g, trong đó các giống hạt xanh bóng nặng hơn 55g rất thích hợp cho xuất khẩu Đậu xanh không chỉ ngon mà còn chứa nhiều giá trị dinh dưỡng, với 24% protein, 2-4% chất béo, 50% đường bột cùng nhiều vitamin B và P.
Cây đậu xanh là loại cây phát triển chủ yếu ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, có thể sinh trưởng ở độ cao từ đồng bằng đến 1.850m Đây là một trong những loại đậu quan trọng, đứng thứ ba sau đậu tương và cây lạc trong danh sách các cây công nghiệp ngắn ngày.
1.1.4 Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng
Thành phần hóa học trung bình có trong hạt đậu xanh gồm: 13,7% nước; 2,4% lipid; 4,6% xenluloza; 23% protid và 52% glucid
- Theo phân tích của Bộ Nông nghiệp Hoa Kì (USDA) thì thành phần dinh dưỡng trong hạt đậu xanh như sau:
Bảng 1.1 Giá trị dinh dưỡng trong 100g hạt đâu xanh khô
Giá trị dinh dưỡng trong 100g hạt đậu xanh khô
Thiamine (vit.B1 ) 0,621mg (54%) Riboflavin (vit.B2 ) 0,233 mg (19%) Niacin (vit.B3) 2,251 mg (15%) Axit pantothenic (B5) 1,91 mg (38%)
Ghi chú: Tỷ lệ % đáp ứng cho nhu cầu mỗi người lớn
Theo phân tích thành phần hóa học, đậu xanh cung cấp giá trị dinh dưỡng cao với 100g chứa 23,9% protein, 1,3% lipid và 53% glucid.
- Protein của đậu xanh chứa nhiều loại acid amin như lysine, methionine, trypthophan, phenilamine, valine…
Hạt đậu xanh chứa carbohydrate chủ yếu là tinh bột, chiếm từ 32-43%, với amylose chiếm khoảng 19,5-47% Nguồn tinh bột phong phú trong đậu xanh đã được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất thực phẩm.
- Hàm lượng lipid trong hạt đậu xanh rất thấp nhưng có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hạt, bột và sản xuất chế phẩm từ hạt đậu.
Đậu xanh chứa nhiều loại đường, với saccharose là chủ yếu Trong đó, glucose chiếm ưu thế hơn fructose, cùng với một số loại đường khác như raffinose, arabinose và xylose.
Đậu xanh được trồng rộng rãi ở Việt Nam, chủ yếu để làm thực phẩm Tuy nhiên, việc bảo quản đậu xanh gặp nhiều khó khăn do môi trường ẩm ướt thuận lợi cho sâu mọt phát triển Nếu điều kiện bảo quản không tốt, như nhiệt độ và độ ẩm cao, đậu sẽ bị sượng, làm giảm chất lượng Để bảo quản lâu dài, hạt đậu cần có chất lượng tốt, không bị sâu mọt và độ ẩm an toàn Do đó, quá trình phơi sấy hạt đậu sau thu hoạch đóng vai trò quan trọng trong việc bảo quản, chế biến và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Giới thiệu cơ bản về quá trình sấy
Sấy là quá trình loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu bằng cách cung cấp nhiệt, thông qua sự khuếch tán do sự chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt và bên trong vật liệu Kết quả của quá trình này là hàm lượng chất khô trong vật liệu tăng lên.
Loại bỏ nước, làm giảm khối lượng vật liệu.
Tăng thời gian bảo quản, hạn chế sự phát triển của vi sinh vật và các phản ứng sinh học.
Tạo hình cho sản phẩm.
Tăng độ bền cho sản phẩm như gỗ, vật liệu gốm, sứ,…
Tăng tính cảm quan cho sản phẩm.
Quá trình sấy dựa trên nguyên tắc cung cấp năng lượng nhiệt để chuyển đổi trạng thái của chất lỏng trong vật liệu thành hơi Cơ chế sấy bao gồm bốn quá trình cơ bản.
Cấp nhiệt cho bề mặt vật liệu.
Dòng nhiệt dẫn từ bề mặt vào vật liệu.
Khi nhận được nhiệt lượng, dòng ẩm di chuyển từ vật liệu ra bề mặt.
Dòng ẩm từ bề mặt vật liệu tách vào môi trường xung quanh.
1.2.2 Nguyên lý của quá trình sấy
Sấy là quá trình làm khô vật liệu ẩm bằng cách cung cấp năng lượng Quá trình này bao gồm các bước: gia nhiệt vật liệu ẩm, cung cấp nhiệt để khuếch tán độ ẩm trong vật liệu, và cuối cùng là đưa hơi ẩm ra khỏi vật liệu.
Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối phức tạp, bao gồm khuếch tán bên trong và bên ngoài vật liệu rắn, đồng thời diễn ra với quá trình truyền nhiệt Quá trình này diễn ra theo trình tự, chuyển nước từ pha lỏng sang pha hơi, và sau đó tách pha hơi ra khỏi vật liệu Tốc độ của quá trình được xác định bởi giai đoạn chậm nhất Động lực của quá trình sấy là sự chênh lệch độ ẩm giữa bên trong và bề mặt vật liệu Khuếch tán chuyển pha chỉ xảy ra khi áp suất hơi trên bề mặt lớn hơn áp suất hơi riêng phần trong không khí Nhiệt độ cũng đóng vai trò quan trọng, có thể thúc đẩy hoặc cản trở việc di chuyển ẩm từ bên trong ra bề mặt vật liệu.
Trong quá trình sấy, nhiệt độ và độ ẩm của không khí xung quanh có ảnh hưởng lớn đến tốc độ sấy Do đó, việc nghiên cứu quá trình sấy cần xem xét cả hai yếu tố này để hiểu rõ hơn về hiệu quả của quá trình.
Mặt tĩnh lực học liên quan đến việc sử dụng cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng để xác định mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra của vật liệu sấy cùng với các tác nhân sấy Qua đó, chúng ta có thể xác định thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy cần thiết và lượng nhiệt cần thiết cho quá trình sấy.
Mặt động lực học nghiên cứu mối quan hệ giữa độ ẩm vật liệu và thời gian sấy, cùng với các thông số như tính chất, cấu trúc, kích thước của vật liệu sấy và điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy Mục tiêu là xác định chế độ sấy và thời gian sấy phù hợp cho quá trình này.
Quá trình sấy gồm 2 phương thức:
Sấy tự nhiên là quá trình sử dụng năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời và gió để bay hơi nước trên bề mặt vật liệu.
Thực hiện đơn giản, không cần kĩ thuật cao.
Chi phí đầu tư, vận hành thấp, tốn ít nhiệt năng.
Bề mặt trao đổi nhiệt lớn
Khó thực hiện cơ giới hóa, không điều chỉnh nhiệt độ khi cần thiết.
Cường độ sấy không cao, sản phẩm sấy không đều.
Chiếm diện tích bề mặt lớn.
Sản phẩm không đạt vệ sinh do nhiễm bụi và vi sinh vật.
Quá trình sấy phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày.
Sử dụng nhiều nhân công, tốn thời gian, năng suất thấp.
Nhiều sản phẩm tạo thành không đạt yêu cầu kĩ thuật.
Sấy nhân tạo là quá trình sử dụng thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho các vật liệu ẩm Phương pháp này có nhiều dạng khác nhau, được phân loại dựa trên cách thức truyền nhiệt trong kỹ thuật sấy.
Sấy đối lưu: phương pháp sấy tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với tác nhân sấy truyền nhiệt là không khí nóng, khói lò,…
Sấy tiếp xúc là phương pháp sấy mà trong đó tác nhân sấy không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu, mà truyền nhiệt cho vật liệu thông qua một vách ngăn Phương pháp này giúp đảm bảo an toàn cho sản phẩm và kiểm soát tốt hơn quá trình sấy.
Sấy bằng tia hồng ngoại: phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vật liệu sấy.
Sấy bằng dòng điện cao tần là một phương pháp hiệu quả, sử dụng năng lượng điện trường tần số cao để làm nóng đồng đều toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu.
Sấy thăng hoa là một phương pháp sấy hiệu quả, diễn ra trong môi trường chân không cao và nhiệt độ thấp Quá trình này giúp ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi trực tiếp từ trạng thái rắn sang hơi mà không qua trạng thái lỏng.
Khắc phục được những nhược điểm của sấy tự nhiên.
Kiểm soát được những sản phẩm ra vào, nhiệt độ cung cấp.
Chất lượng sản phẩm theo yêu cầu.
Tốn ít mặt bằng, nhân công.
Tiết kiệm thời gian, tăng hiệu suất của quá trình.
+ Tốn chi phí cho đầu tư trang thiết bị, cán bộ kỹ thuật.
Chọn tác nhân sấy, chất tải nhiệt và chế độ sấy
- Tác nhân sấy là những chất dùng để đưa lượng ẩm ra từ vật liệu sấy khi ra khỏi vật liệu sấy.
Trong quá trình sấy, việc bổ sung ẩm từ vật liệu sấy vào môi trường xung quanh là điều cần thiết Nếu độ ẩm này không được loại bỏ, độ ẩm tương đối trong buồng sấy sẽ tăng lên, dẫn đến việc đạt được sự cân bằng giữa vật liệu sấy và môi trường Khi đó, quá trình thoát ẩm của vật liệu sẽ dừng lại.
- Vì nhiệm vụ của tác nhân sấy:
Gia nhiệt cho vật liệu sấy.
Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường.
Bảo vệ vật sấy khỏi bị hỏng do quá nhiệt.
Quá trình sấy diễn ra qua hai giai đoạn chính: đầu tiên là gia nhiệt vật liệu để làm ẩm hóa hơi, sau đó là mang hơi ẩm từ bề mặt vật liệu ra môi trường Nếu hơi ẩm không được thoát ra kịp thời, nó có thể ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình bốc ẩm, thậm chí làm ngừng hẳn quá trình này Để đảm bảo hơi ẩm đã bay hơi được tải ra khỏi vật liệu sấy hiệu quả, cần áp dụng các biện pháp thích hợp.
Dùng tác nhân sấy làm chất tải nhiệt.
Dùng bơm chân không để hút ẩm từ vật sấy để thải ra ngoài (sấy chân không).
Trong sấy đối lưu, tác nhân sấy đóng vai trò quan trọng, vừa cung cấp nhiệt vừa loại bỏ ẩm Những tác nhân sấy phổ biến bao gồm không khí, khói lò và hơi quá nhiệt.
Trong quá trình sấy đối lưu, chất tải nhiệt có thể được sử dụng là hơi nước hoặc khói lò, nhằm gia nhiệt cho tác nhân sấy và các bề mặt truyền nhiệt đến vật liệu.
Không khí ẩm là một trong những tác nhân sấy phổ biến, phù hợp với hầu hết các loại sản phẩm mà không gây ô nhiễm hay thay đổi mùi vị của sản phẩm sau khi sấy Tuy nhiên, khi sử dụng không khí ẩm, cần trang bị thêm bộ gia nhiệt như calorifer khí, hơi hoặc khói Nhiệt độ sấy nên được kiểm soát ở mức dưới 500ºC, vì nếu nhiệt độ quá cao, thiết bị trao đổi nhiệt sẽ cần phải được chế tạo từ thép hợp kim hoặc gốm sứ, dẫn đến chi phí cao.
Khói lò là tác nhân sấy hiệu quả, có khả năng nâng nhiệt độ lên tới 1000ºC mà không cần thiết bị gia nhiệt Tuy nhiên, việc sử dụng khói lò có thể gây ô nhiễm và tạo ra mùi khó chịu, do đó chỉ nên áp dụng cho những vật liệu không nhạy cảm với ô nhiễm như gỗ, đồ gốm và một số loại hạt có vỏ.
Hơi quá nhiệt là một tác nhân sấy lý tưởng cho các sản phẩm dễ cháy nổ và có khả năng chịu nhiệt độ cao Phương pháp sấy này thường được thực hiện ở nhiệt độ lớn hơn 100ºC, trong điều kiện áp suất khí quyển, giúp đảm bảo hiệu quả sấy mà không làm hỏng sản phẩm.
Chế độ sấy là phương pháp tổ chức quá trình truyền nhiệt và chất giữa tác nhân sấy và vật liệu, nhằm đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm đạt yêu cầu, đồng thời tối ưu hóa chi phí vận hành và năng lượng.
- Một số chế độ sấy thường gặp:
- Chế độ sấy có đốt nóng trung gian: chế độ sấy này dùng để sấy những vật 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 một phương pháp sấy kín, trong đó tác nhân sấy được hồi lưu hoàn toàn Phương pháp này thường được áp dụng để sấy các sản phẩm không chứa nước, đặc biệt là các loại sản phẩm có chứa tinh dầu cần được thu hồi.
- Chế độ sấy hồi lưu và đốt nóng trung gian
Phân loại thiết bị sấy: Do điều kiện sấy trong mỗi trường hợp khác nhau nên có nhiều cách để phân loại thiết bị sấy
Có nhiều loại thiết bị sấy dựa vào tác nhân sấy, bao gồm sấy bằng không khí, sấy bằng khói lò, và các phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa và sấy bằng dòng điện 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: sấy liên tục và sấy gián đoạn.
- Dựa vào phương thức 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, băng tải, sấy thùng quay, sấy trục và sấy phun.
- Dựa vào chiều chuyển động của vật liệu sấy và tác nhân sấy: sấy cùng chiều,sấy ngược chiều và giao chiều.
Chọn thiết bị sấy và phương thức sấy
- Chọn thiết bị sấy thùng quay
Công nghệ sấy ngày càng phát triển với nhiều loại thiết bị, mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm riêng Trong số đó, thiết bị sấy thùng quay nổi bật với khả năng sấy hiệu quả các vật liệu dạng hạt và cục nhỏ như đậu và đường Ưu điểm của sấy thùng quay là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa nguyên liệu và tác nhân sấy lớn, giúp nâng cao chất lượng sấy và đảm bảo sự đồng đều trong quá trình sấy.
Ta chọn tác nhân sấy là không khí ẩm
- Thiết kế thiết bị sấy thùng quay có các thông số sau:
+ Chọn tác nhân sấy là không khí ẩm
+ Thiết bị làm việc liên tục
+ Vật liệu sấy và tác nhân sấy đi cùng chiều
+ Thiết bị có lắp đặt các cánh đảo trộn
Thiết bị sấy thùng quay bao gồm một thùng sấy hình trụ tròn, bên trong được trang bị các cánh định hướng và đảo trộn Thùng sấy được đặt nghiêng 3º so với mặt phẳng ngang và được vận hành nhờ bánh răng và động cơ.
Quy trình sấy đậu xanh
Thu hoạch Đóng gói Kiểm tra cỡ hạt
Làm sạch Phơi (sấy sơ bộ)
Phân loại Đập, tách hạt
Quy trình thu hoạch đậu xanh bắt đầu bằng việc chặt cây và tách trái đậu ra Sau khi thu hoạch, hạt đậu xanh có độ ẩm cao từ 20-25% Đối với hạt thu hoạch cả vỏ, cần phơi và sấy sơ bộ để đạt độ khô nhất định trước khi tách hạt khỏi vỏ Việc tách hạt có thể thực hiện bằng máy hoặc bằng tay, sau đó làm sạch để loại bỏ tạp chất như cỏ, rác và đất Hạt được phân loại theo kích cỡ bằng sàng với các lưới khác nhau Sau khi phân loại, đậu được sấy cho đến khi độ ẩm đạt 14%, sau đó làm nguội tự nhiên hoặc bằng quạt Cuối cùng, kiểm tra lại kích cỡ hạt để loại bỏ hạt lép và hỏng, rồi đóng gói theo yêu cầu thị trường để sản xuất đậu xanh nguyên hạt.
- Phơi sơ bộ: nhằm để hạ bớt độ ẩm của trái đậu rồi thuận tiện cho việc tách hạt khỏi vỏ
- Dập tách hạt: có thể dùng tay thủ công hoặc dùng máy để loại vỏ đi.
Làm sạch hạt là quá trình quan trọng nhằm loại bỏ các tạp chất có thể lẫn vào trong hạt trong quá trình thu hoạch và tách hạt Để thực hiện việc này, người ta thường sử dụng sàng hoặc rây kim loại để tách biệt các tạp chất không mong muốn, đảm bảo chất lượng hạt tốt nhất.
- Phân loại: theo kích cỡ, nên có thể dùng sàng với các lớp lưới có đường kính khác lỗ khác nhau.
- Sấy: để đưa độ ẩm hạt đậu xuống độ ẩm an toàn
- Làm nguội: để giảm nóng cho hạt đậu nhằm đóng gói, hạn chế hư hỏng.
- Kiểm tra cỡ hạt: để loại bỏ những hạt lép, hỏng sau khi sấy.
- Đóng gói: đậu được đem đóng gói theo yêu cầu thị trường để có được sản phẩm đậu xanh nguyên hạt.
TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH
Các kí hiệu sử dụng
G1: Lượng vật liệu trước khi vào máy sấy (kg/h)
G2: Lượng vật kiệu sau khi ra khỏi máy sấy (kg/h)
Gk: Lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua máy sấy (kg/h)
W1: Độ ẩm của vật liệu trước khi sấy (%)
W2: Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy (%)
W: Năng suất tách ẩm (Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy) (kg ẩm/h)
L: Lượng không khí khô lý thuyết cần thiết (kg ẩm/ kgkkk) l: Lượng không khí khô lý thuyết cần thiết để tách 1kg ẩm ra khỏi vật liệu (kg ẩm/kgkkk)
Trong quá trình sấy, entanpy của không khí được xác định ở ba trạng thái: I0 (trạng thái ban đầu), I1 (trước khi vào thiết bị sấy) và I2 (sau khi ra khỏi thiết bị sấy), được đo bằng kJ/kgkkk Đồng thời, hàm ẩm của không khí cũng được ghi nhận tại ba điểm này: x0 (trạng thái ban đầu), x1 (trước khi vào thiết bị sấy) và x2 (sau khi ra khỏi thiết bị sấy), tính bằng kg ẩm/kgkkk.
Các thông số ban đầu
Năng suất: 1170 kg/h Độ ẩm của vật liệu trước khi sấy: W1!% Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy: W2%
Nhiệt độ môi trường: t₀&ºC Độ ẩm tương đối của không khí:
Nhiệt độ tác nhân sấy vào: t₁TºC
Nhiệt độ tác nhân sấy ra: t₂3ºC
Khi chọn nhiệt độ TNS, cần lưu ý rằng nếu nhiệt độ quá cao sẽ dẫn đến tổn thất nhiệt lớn và tiêu tốn năng lượng, trong khi nếu nhiệt độ quá thấp có thể gây ra hiện tượng đọng sương, làm ẩm vật liệu Do đó, nhiệt độ TNS nên được chọn cao hơn nhiệt độ điểm sương nhưng không vượt quá mức cần thiết.
Tính các thông số của không khí
2.3.1 Tính trạng thái không khí ngoài trời
Ta chọn cặp thông số ngoài trời (t₀, φ₀) = (26ºC, 83%)
Tại nhiệt độ: t₀&ºC ta có:
- Áp suất hơi bão hòa:
Với B là áp suất khí trời: B=0,981 bar
0 P b 0 (CT VII.11/95 – [2]) x0 = 0,6220,981−0,83 0,0335 0,830,0335 = 0,0181 (kg ẩm/kgkkk)
- Entanpy của không khí ẩm:
- Thể tích riêng của không khí ẩm: v0 = B 288T −φ 0
2.3.2 Xác định thông số của tác nhân sấy trước khi vào máy sấy (sau khi ra khỏi calorife)
Sau khi đi vào calorife hàm ẩm của không khí không đổi so với hàm ẩm của không khí ban đầu nên x1 = xo = 0,0181 (kg ẩm/kgkkk)
Tại nhiệt độ t₁ = 54ºC ta có:
- Áp suất hơi bão hòa:
- Độ ẩm tương đối của không khí: x1 = 0,622 B −φ φ 1 P b 1
- Entanpy của không khí ẩm:
- Thể tích riêng của không khí ẩm: v1 = B 288 −φ T 1
2.3.3 Tính các thông số của tác nhân sấy sau khi ra khỏi buồng sấy Đặc trưng của sấy lý thuyết là entanpy của TNS trước và sau khi sấy là không đổi Nên I2 = I1 = 101,3229 (kJ/kgkkk)
- Tại nhiệt độ t2 = 33ºC ta có:
- Áp suất hơi bão hòa:
- Độ ẩm tương đối của không khí: φ2 = P x 2 B b 2 (0,622 + x 2 ) = 0,0266 0,981
- Thể tích riêng của không khí ẩm v2 = B 288 −φ T 2
Bảng 2.1 Bảng tổng kết cho tác nhân sấy t, o C x, kg ẩm/kgkkk φ, % I, kJ/kgkkk
Sau khi ra khỏi calorife
Sau khi ra khỏi buồng sấy
2.3.4 Tính nhiệt độ điểm sương
- Tại nhiệt độ điểm sương ta có φ = 1
- Áp suất hơi bão hòa tương ứng:
Theo bảng I.250/312 và áp dụng phương pháp nội suy, nhiệt độ điểm sương tại Pbh được tính là 0,0411 at, tương ứng với tđs = 29°C Từ đó, ta tính được ∆t = t2 – tđs = 33 – 29 = 4°C, cho thấy các thông số về tác nhân sấy đã chọn là chấp nhận được.
Lượng ẩm được tách ra
- Phương trình cân bằng vật liệu chung:
Khối lượng vật liệu vào thùng sấy
Lượng vật liệu khô tuyệt đối
Cân bằng vật liệu cho tác nhân sấy (cân bằng theo lượng ẩm)
Coi lượng không khí khô đi qua máy sấy không bị mất trong quá trình sấy.
L: Lượng không khí khô tiêu tốn trong quá trình sấy
Lx1: Lượng ẩm không khí khô mang theo vào phòng sấy
Lx2: Lượng ẩm trong không khí khô còn lại sau khi sấy
Phương trình cân bằng ẩm: Lx1 + W = Lx2 (CT 7.23/204 – [5])
- Lượng không khí khô tiêu tốn trong quá trình sấy:
- Lượng không khí khô tiêu tốn riêng (để làm bốc hơi 1kg ẩm) l = W L = x 1
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy đi vào máy sấy:
- Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy đi ra khỏi máy sấy:
- Lưu lượng thể tích trung bình:
Bảng 2.2 Bảng tổng kết cho vật liệu sấy Đại lượng Giá trị Đơn vị
W 103,6709 kg ẩm/h l 117,5482 kgkkk/kg ẩm
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH VÀ CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
Tính toán thiết bị chính
Thời gian sấy trong điều kiện các thông số của tác nhân sấy không thay đổi có thể xác định gần đúng theo công thức sau:
Có thể lấy M theo bảng sau:
Bảng 3.1 Quan hệ giữa M và đường kính hạt d(mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Nếu độ ẩm w1 và w2 viết theo giá trị thực và thời gian sấy τ tính bằng giờ thì công thức trên được viết dưới dạng:
Với M’ = 10 -2 × M và M là hệ số phụ thuộc vào đường kính trung bình của hạt d (mm).
Chọn đường kính trung bình của hạt đậu xanh là d = 5mm, lấy M = 0,7
3.1.2.Tính thể tích thùng sấy
G1: khối lượng vật liệu vào máy sấy (kg/h) τ: thời gian sấy (giờ) β: hệ số điền đầy, β = 0,3 - 0,4 chọn β = 0,3 (CT T112 - [3]) ρ : khối lượng riêng của vật liệu sấy (kg/m 3 ), ρ 00 (kg/m 3 )
3.1.3 Đường kính và chiều dài thùng sấy
5 hay L = 5D (CT 10.1/T207 - [4]) (Với L là chiều dài thùng sấy, D là đường kính thùng sấy)
Khi đó đường kính thùng sấy được xác định:
Ta chọn D = 0,8801 m Nên chiều dài thùng sấy L = 5D = 4,4007 (m).
3.1.4 Số vòng quay của thùng sấy (n) n= m× k × L τ × D× tgαα (vòng/phút) (CT VII.52/T122 - [2])
Trong đó: α: Góc nghiêng của thùng quay, độ
Thường góc nghiêng của thùng dài là 2,3 - 3 ° , còn thùng ngắn đến 6 °
Ta chọn α = 3º tg α = 0,0524 m: Hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của cánh trong thùng, loại cánh nâng ta chọn m
= 0,5 k: Hệ số phụ thuộc vào chiều chuyển động của khí, chuyển động cùng chiều, k thuộc khoảng từ 0,2, chọn k = 3 τ: Thời gian sấy (phút)
L: Chiều dài của thùng sấy
D: Đường kính của thùng sấy
3 × L t × a × n × ρ (CT VII.54/T123 - [2]) Trong đó: n: Số vòng quay của thùng sấy. a: Hệ số phụ thuộc vào dạng cánh, a = 0,079 (Bảng 5/T123 - [2], nội suy) ρ: Khối lượng riêng xốp trung bình, ρ00 (kg/m 3 ).
Dt ,Lt : Đường kính và chiều dài của thùng (m).
Bảng 3.2 Tổng kết các kích thước của thùng sấy Đại lượng Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Số vòng quay n 4,2978 vòng/phút
Công suất của thiết bị N 1,5047 kW/h
Cân bằng nhiệt lượng
tvl1: Nhiệt độ vật liệu trước khi vào sấy, tvl1 = tmt &ºC tvl2: Nhiệt độ vật liệu sau khi ra khỏi máy sấy, tvl2 = 28ºC
Cvl: Nhiệt dung riêng của vật liệu, kJ/kg o K, coi như không đổi trước và sau khi sấy Cvl1 = Cvl2 = Cvl
Cn: Nhiệt dung riêng của nước, kJ/kgºK, Cn = 4,18 kJ/kg o K
Cvl = Cvlkhô × (1-W2) + CnW2, kJ/kgºK (CT I.44/152-[1])
Trong đó : Cvl khô: nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối
Ta có Cvl khô = 1,5 (kJ/kg o K)
3.2.1 Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy
- Nhiệt lượng do tác nhân sấy mang vào: qkkv = lIo = 117,548272,2753 = 8495,8297 (kJ/kg ẩm)
- Nhiệt lượng do TNS nhận được từ calorife sưởi cung cấp: qs = l(I1- Io) = 117,5482(101,3229 – 72,2753) = 3414,4921 (kJ/kgẩm)
-Lượng nhiệt tiêu tốn cho cả quá trình sấy:
-Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: q vls = G 1 C W vl t vl1 + C n t vl1 qvls = 1273,67091,8752 26
- Vậy tổng nhiệt lượng mang vào:
3.2.2 Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy
3.2.2.1 Nhiệt lượng tổn thất do không khí thải mang đi qkkr = lI2 = 117,5482 101,3229 = 11910,3218 (kJ/kg ẩm)
3.2.2.2 Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra q vlr =
3.2.2.3 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh
Tổn thất nhiệt qua vỏ thiết bị: qm = K F ∆ t tb
F: Diện tích bề mặt xung quanh máy sấy
∆t: Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy với môi trường xung quanh W: Lượng ẩm bay hơi
- ∑ δ λ : Tổng nhiệt trợ của máy
- δ i , λ i : Tương ứng với chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của tường buồng sấy và các lớp cách nhiệt
- α1,α2: Tương ứng với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu phía TNS và phía không khí ngoài trời (W/m 2 độ)
Tính hệ số cấp nhiệt từ TNS đến bề mặt bên trong của thùng sấy α1 α1 = k(α1’ + α1’’)
+ α1’: Hệ số cấp nhiệt từ TNS đến thành máy sấy do đối lưu cưỡng bức, W/ m 2 độ
+ α1’’: Hệ số cấp nhiệt từ TNS đến thành máy sấy do đối lưu tự nhiên, W/ m 2 độ
+ k: Hệ số điều chỉnh, k = 1,2 – 1,3 Chọn k = 1,2
- Nhiệt độ trung bình của không khí trong máy sấy ttb = t 1 +t 2
- Tiết diện tự do của thùng sấy:
4 = 0,4257 (m 3 ) Với β = 0,3 là hệ số điền đầy
- Tốc độ tác nhân sấy lý thuyết: ω ¿ = V F tb td (CT T121 - [3])
Với: ω: vận tốc trung bình trong máy sấy. ν = 1,7307 × 10 -5 m 2 /s là độ nhớt động học của không khí ở 43,5ºC
L: kích thước hình học xác định theo đường kính tương đương.
Re >10 4 nên tính theo chế độ chảy xoáy
- Phương trình chuẩn Nuxen đối với chất khí:
Trong đó: ε 1 phụ thuộc vào tỉ số
Với: Re = 19,0719.10 5 và D L = 5 => ε1= 1,0094 (Bảng V.2/T15- [2]) Vậy Nu = 0,018 x 1,0094 x ( 19,0719.10 5 ) 0.8 = 1921,6237
Với λ là hệ số dẫn nhiệt ở 45ºC của không khí λ = λ₀ 273 T +c +c ( 273 T ) 1 5 (CT I.36/T124 - [1]) λ 0 :Hệ số dẫn nhiệt của khí ở 0ºC (W/m độ).
T: nhiệt độ tuyệt đối của không khí. c: hằng số phụ thuộc vào loại khí.
Hệ số cấp nhiệt α1’ α1 ’ = Nu λ D = 1921,6237 0,0186
+ β: Hệ số dãn nở thể tích
+ ∆t: Hiệu số nhiệt độ giữa TNS vào và TNS ra
Tính hệ số cấp nhiệt của tường ra môi trường xung quanh α2 α2 = α2’ + α2’’
Trong đó: α2’: Hệ số cấp nhiệt mặt ngoài của máy sấy do đối lưu tự nhiên α2’’: Hệ số cấp nhiệt do bức xạ
Để xác định hệ số cấp nhiệt đối lưu tự nhiên cho thùng sấy nằm ngang với góc nghiêng α = 3º, ta xem như hệ số cấp nhiệt của ống nằm ngang khi không khí có thể tích lớn chuyển động tự do Các hằng số vật lý trong tính toán số Nu và Gr được lấy theo nhiệt độ trung bình của lưu chất ở xa, tức là nhiệt độ trung bình của không khí môi trường.
Bảng 3.3 Các thông số của không khí bên ngoài thùng sấy
STT Thông số Ký hiệu Giá trị Nguồn công thức Đơn vị
4 Áp suất hơi bão hòa pb 0,0335 CT 2.31/T31-[4] Bar
Nhiệt độ bên ngoài của thùng, cụ thể là t3 30ºC, được chọn là mức lý tưởng để đảm bảo tác nhân sấy có thể truyền qua thùng và lớp cách nhiệt mà không gây quá nóng, từ đó đảm bảo an toàn cho người lao động.
Do hệ số dẫn nhiệt của thép lớn nên xem nhiệt độ không đổi khi đi qua bề dày của thùng và lớp bảo vệ.
Chọn các thông số bề dày thùng dựa trên bảng I.125 và I.126/T127 - 128 - [1] Vật liệu cho thùng sấy là thép Crôm-niken, trong khi lớp cách nhiệt được làm từ bông thủy tinh.
Bảng 3.4 Chọn bề dày của thùng và vật liệu
STT Đại lượng Ký hiệu Giá trị chọn
(m) Vật liệu Hệ số dẫn nhiệt
Bề dày lớp cách nhiệt 2 0,05 Bông thủy tinh 0,0372
3 Bề dày lớp bảo vệ 3 0,005 12XH3 36,1
- Đường kính ngoài của thùng sấy:
Tại nhiệt độ t0 = 26ºC ta có các thông số bên ngoài thùng sấy:
Với λ là hệ số dẫn nhiệt ở 26ºC của không khí λ = λ₀ 273+c
C0 = 5,7 : Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
T1: Nhiệt độ tuyệt đối của thành máy sấy, ºK, T1 = t3
Nhiệt độ môi trường, ký hiệu là T2, được tính bằng ºK, với T2 = t0 Độ đen của bề mặt ngoài máy sấy, ký hiệu là ε, có giá trị từ 0,8 đến 1 Trong bức xạ giữa khí và bề mặt vật thể, do diện tích bề mặt khí lớn hơn diện tích bề mặt vật thể, độ đen của hệ được xem như bằng độ đen của vật thể.
Vậy hệ số cấp nhiệt chung: α 2= ( α 2 ' + α 2 ' ' ¿ = 1,3744 + 4,9744 = 6,3488 (W/m 2 độ)
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:
- Tính bề mặt truyền nhiệt F:
Đường kính trung bình máy sấy
Bề mặt truyền nhiệt F của máy sấy bao gồm diện tích xung quanh và diện tích 2 đầu của thùng:
Tính tổn thất nhiệt qua vỏ máy sấy
- Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và không khí bên ngoài
+ ∆tđ: Hiệu số nhiệt độ của không khí TNS vào và nhiệt độ môi trường
+ ∆tc: Hiệu số nhiệt độ của không khí TNS ra và nhiệt độ môi trường
7 = 15,1483ºC Tổn thất nhiệt từ vỏ máy sấy ra môi trường xung quanh: qm = K F ∆ t W tb = 0,6573× 14,3789× 103,6709 15,1483 = 1,3810 (kJ/kg ẩm)
3.2.2.4 Tổn thất nhiệt động học qđh h = 0,05554,19(TT1 +T2)(Tx2 – x1)
Vậy sai số nhiệt vào và nhiệt ra:
12617,9943 ¿100 = 0,8914 < 5% => các thông số đã chọn là đúng.
3.2.3 Xác định các thông số của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực
- Nhiệt lượng làm nóng vật liệu: qvl = G 2 C vl
=> ∆ = C n t0 – (Tqvl + qm + qđh h) (CT T123 - [3]) = 4,18 × 26 −¿ (42,3259 + 1,3810 + 1,2523) = 63,7208 (kJ/kg)
- Nhiệt dung riêng dẫn xuất:
Cdx(Tx1) = Cpk + Cpax1 (CT 7.10/T130
Cpk = 1,004 (kJ/kg kkk ) nhiệt dung riêng của không khí
Cpa= 1,842 (kJ/kg kkk) nhiệt dung riêng của hơi nước.
- Độ chứa ẩm x2 của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực: i’2 = 2500 +1,842t2 (CT Tr138-[3])
- Entanpy của không khí ẩm:
- Lượng tác nhân sấy cần thiết cho quá trình sấy thực tế: l’ = x 1
- Lượng tác nhân sấy thực tế:
3.2.4 Phương trình cân bằng nhiệt lượng trong quá trình sấy thực:
- Nhiệt lượng do calorifer sưởi cung cấp: qs = l’(I2’ – I0) 4,6232(101,8788 −¿ 72,2753) = 3393,2491 (kJ/kg ẩm)
- Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: qvls = G 1 ×C W vl ×t vl 1 +Cn.tvl1
- Nhiệt lượng do không khí mang vào: qkkv =l’.I0 = 114,6232 x 72,2753 = 8284,4254 (kJ/kg ẩm)
- Tổng lượng nhiệt mang vào:
= 12385,347 (kJ/kg ẩm) 3.2.4.2 Nhiệt lượng ra
- Nhiệt do không khí mang ra: qkkr =l’ × I 2 ' = 114,6232 x 101,8788 = 11677,6745 (kJ/kg ẩm)
- Nhiệt do vật liệu sấy mang ra: qvlr = 592,5632 (kJ/kg ẩm)
- Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh: qtt+qdh
Tổn thất nhiệt qua vỏ máy sấy: qm= 1,3810 (kJ/kg ẩm)
Tổn thất nhiệt động học: qdh= 1,2523 (kJ/kg ẩm)
- Tổng nhiệt lượng mang ra: Σqq r =q kkr +q vlr +q tt +q dh =11677,6745+592,5632+1,3810+1,2523
Sai số nhiệt vào và nhiệt ra ở quá trình sấy thực:
Vậy các giả thiết và các quá trình tính toán trên đều phù hợp với yêu cầu.
TÍNH CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ
Calorife
Calorife là thiết bị truyền nhiệt quan trọng dùng để gia nhiệt gián tiếp cho không khí sấy, giúp nâng cao hiệu quả quá trình sấy bằng cách tăng nhiệt độ không khí từ t0 đến t1 Thiết bị này không chỉ cung cấp nhiệt lượng cần thiết cho vật liệu sấy mà còn giảm độ ẩm tương đối, từ đó cải thiện khả năng nhận ẩm của vật liệu Trong số các loại calorifer, calorifer khí-hơi được ưa chuộng hơn nhờ vào cấu trúc vách ngăn, với hơi nước bão hòa ngưng tụ bên trong ống và không khí chuyển động bên ngoài Hệ số trao đổi nhiệt của nước ngưng tụ vượt trội hơn hẳn so với hệ số trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ống và không khí, đảm bảo hiệu suất sấy tối ưu.
Nhiệt độ không khí vào calorifer bằng nhiệt độ môi trường: t1’ = t0 = 26ºC.
Nhiệt độ không khí ra khỏi calorifer bằng nhiệt độ không khí vào máy sấy t2’= t1 = 54ºC.
Xác định kích thước ống truyền nhiệt
Chọn thiết bị là loại có ống chùm Không khí nóng đi ngoài ống, hơi nước đi trong ống và chuyển động chéo dòng.
Chọn ống truyền nhiệt bằng đồng có gân để nâng hệ số truyền nhiệt, hệ số dẫn nhiệt của đồng là λ85 (W/mđộ) (Bảng I.123/T125 - [1]).
- Đường kính ngoài của ống: dng = 0,03 (m)
- Đường kính trong của ống: dtr = 0,025 (m)
- Chiều dày của ống: δ =¿ d ngα −d 2 tr = 0,03−0,025 2 = 0,0025 (m)
- Đường kính của gân: dg = 1,4 × dng = 1,4 x 0,03 = 0,042 (m)
- Chiều cao của gân: h = d gα −d 2 ngα = 0,042−0,03 2 = 0,006 (m)
- Số gân trong trên mặt ống: m = b l gα = 0,01 1,2 = 120
- Tổng chiều dài của gân: Lg = b.m = 0,002.120 = 0,24 (m)
- Tổng chiều dài không gân: Lkg = l - Lg = 1,2- 0,24 = 0,96 (m)
- Thể tích riêng của không khí:
- Lưu lượng không khí khô đi vào calorifer:
4.1.1 Tính hệ số truyền nhiệt K
- Nhiệt độ trung bình của không khí trong calorife: ttb ttb = thn - Δtt tb
+ Chọn nhiệt độ hơi nước bão hòa khi vào là: thnd = 120ºC
+ Chọn nhiệt độ hơi nước bão hòa khi ra là: thns = 100ºC
46 = 67,1654ºC ttb = thn- Δtt tb = 120 – 67,1654= 52,8346ºC Ứng với nhiệt độ ttb= 53,8346ºC ta có bảng giá trị sau: (Bảng I.255/T318 - [1])
Bảng 4.1 Các thông số ứng với giá trị t tb R,8346ºC Đại lượng Giá trị Đơn vị
Hệ số dẫn nhiệt 2,8498 10 -2 W/m 0 C Độ nhớt động lực g 18,2391 10 -6 m 2 /s
4.1.1.1 Tính hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa đến thành ống bên trong α 1 =2,04 × A × √ 4 H × ∆t r (W/m 2 độ) (CT V.101/28-[2]) Với: H = 1,2m: chiều cao ống. r: ẩn nhiệt hoá hơi J/kg (ở nhệt độ đầu 120ºC) (Bảng I.250/T312 - [1]) r = 2207 × 10 3 ( J/kg)
Hệ số A có trị số phụ thuộc vào tm ( nhiệt độ màng).
Chọn tT = 119,84ºC: Nhiệt độ tại thành trong của ống
∆t: Hiệu số nhiệt độ giữa nhiệt độ hơi ngưng tụ và nhiệt độ thành calorife.
Thay số vào ta tính được: α 1 = 2,04 × 187,9640 × √ 4 2207 1,2x x 0,16 10 3 = 22326,9871 (W/m 2 C)
Vậy nhiệt lượng riêng là: q1 = α 1 ∆ t = 22326,9871 × 0,16 = 3572,3179 (W/m 2 )
Tính hệ số cấp nhiệt từ mặt ống đến không khí chuyển động trong calorife α2
-Lưu thể chảy qua bên ngoài ống chùm có gân:
Nu=C × ( d b ngα gα ) −0,54 × ( b h gα ) −0,14 × R e n × P r 0,4 (CT V.57/T20 - [2]) Trong đó : dng: đường kính ngoài của ống; dng = 0,03 (m) bg: bước của gân ; bg = 0,01 (m) h: chiều cao gân ; hg = 0,006 (m)
C, n: các đại lượng phụ thuộc cách sắp xếp ống
Vì bố trí các ống thẳng hàng, nên ta có: c = 0,116 và n = 0,72 (T20 - [2]) Chọn số ống xếp theo hàng ngang là 28 ống (i()
Khoảng cách giữa các ống là x = 0,015m
Khoảng cách giữa ống ngoài cùng đến thành thiết bị là x’ = 0,01m
- Chiều dài của calorife là:
- Diện tích theo tiết diện ngang của calorife:
- Diện tích cản của gân:
- Diện tích cản của ống:
- Vận tốc của không khí: ω kk = F V td (CT T121 - [3])
-Chuẩn số Reynol: Re = ω kk γ b gα (CT V.36/T13 - [ 2])
Hệ số cấp nhiệt đối lưu α2: α 2 = Nu × λ b gα = 13,81532,8498 × 10 −2
Hệ số cấp nhiệt thực tế: αT = 28,6 (Đồ thị V.17b/20-[2]
4.1.1.2 Tính hệ số truyền nhiệt K
F tr +r t (W/m 2 độ) (CT V.58/20-[2]) Trong đó:
- Fbm: bề mặt ngoài toàn bộ của ống kể cả bề mặt gân tính cho một đơn vị chiều dài của ống, m 2
- Ftr: bề mặt trong của ống tính cho một đơn vị chiều dài của ống, m 2
- ∑rt: tổng nhiệt trở của tường và các lớp cặn bẩn
- Diện tích bề mặt trong của một ống:
- Diện tích bên ngoài của một ống:
- Diện tích phần có gân:
- Diện tích phần không gân:
- Diện tích bên ngoài của một ống:
Vậy các kích thước lựa chọn ở trên có thể chấp nhận được.
4.1.2 Tính bề mặt truyền nhiệt
Nhiệt lượng calorifer cần cung cấp cho tác nhân sấy:
4.1.3 Tính các ống truyền nhiệt và kích thước calorife
- Diện tích bề mặt trung bình của một ống:
- Tổng số ống truyền nhiệt trong calorife: n = F F tb = 62,5086 0,1085 = 576,2189
Chọn số ống xếp theo hàng dọc là: m = n i = 577 28 = 21 ống (m = 21)
Hch: Chiều cao của lớp chắn, chọn Hch = 0,15m
Tính và chọn xyclon
Cyclon là thiết bị dùng để thu hồi các sản phẩm sấy bay theo tác nhân.
Trong quá trình sấy, không khí nóng tiếp xúc nhanh chóng với vật liệu, dẫn đến việc một phần bụi trong nguyên liệu bị cuốn theo Để thu hồi đậu xanh và làm sạch không khí trước khi xả ra môi trường, người ta lắp đặt cyclone ở đường ống thoát khí.
Dựa trên năng suất của cyclon và lưu lượng không khí, chúng tôi đã lựa chọn loại cyclon LIH – 24 thuộc nhóm 2, với năng suất cao và góc nghiêng cửa vào α = 24˚, nhằm tách sơ bộ bụi có kích thước hạt lớn và nồng độ cao.
- Không khí vào cyclon chính là không khí sau khi ra khỏi máy sấy, có các thông số như sau:
+ Khối lượng riêng 𝛒k = 1,1539 (kg/m 3 ) (Bảng I.255/318 – [1]) + Thể tích riêng: v= ρ k 1 = 1,1539 1 = 0,8666 (m 3 /kg)
- Lưu lượng không khí vào cyclon:
- ∆Pcyclon là trở lực cyclon, ta có:
- Tốc độ quy ước: ω q = √ 2× ∆ P ξ × ρ cyclon k (CT III.48/522-[1]) + Với ξ: hệ số phụ thuộc vào kiểu cyclon
+ Chọn loại cyclon là cyclon đơn (LIH – 24) thì ξ = 60
D= √ 0,785 V ×ω q (CT III.47/522-[1]) Trong đó : V: lưu lượng khí đi vào cyclon ω q : tốc độ quy ước (m/s)
Dựa vào đường kính theo tiêu chuẩn ta chọn D = 900 mm (phù hợp với đường kính của cyclon ЦH - 24 nằm trong khoảng 400 - 1000mm) ( Bảng III.4/T524 - [1]).
Bảng 4.2 Kích thước cơ bản của cyclon ЦH – 24H – 24
1 Chiều cao cửa vào (kích thước bên trong)
2 Chiều cao ống trung tâm có mặt bích h1 2,11D 1,899 m
3 Chiều cao phần hình trụ h2 2,11D 1,899 m
4 Chiều cao phần hình nón h3 1,75D 1,575 m
5 Chiều cao phần bên ngoài ống tâm h4 0,4D 0,36 m
7 Đường kính ngoài của ống ra d1 0,6D 0,54 m
8 Đường kính trong của cửa tháo bụi d2 0,4D 0,36 m
9 Chiều rộng của cửa vào b 1 b
10 Chiều dài của ống cửa vào L 0,6D 0,54 m
11 Khoảng cách từ tận cùng cyclon đến mặt bích h5 0,24D 0,216 m
12 Góc nghiêng giữa nắp và ống vào α 24 độ
13 Đường kính trong của cyclon
14 Hệ số trở lực của cyclon ξ 60
Tính trở lực và chọn quạt
Quạt là thiết bị quan trọng trong hệ thống thông gió, có chức năng vận chuyển không khí và tạo áp suất cho dòng khí Nó cung cấp áp suất động học cần thiết để di chuyển không khí, đồng thời giúp khắc phục trở lực trong đường ống vận chuyển.
- Năng suất của quạt được đặc trưng bởi thể tích khí đi vào hay đi ra thiết bị sấy.
- Do hệ thống sấy dài, có trở lực lớn nên ta dùng 2 quạt đặt ở đầu và cuối hệ thống:
Quạt đẩy, đặt ở đầu hệ thống, có nhiệm vụ cung cấp không khí cho calorife Không khí từ bên ngoài được quạt đẩy đưa vào calorife để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, sau đó không khí nóng sẽ được chuyển vào thùng sấy.
+ Quạt đặt ở cuối hệ thống (quạt hút): hút tác nhân sấy qua thùng sấy để cấp nhiệt cho vật liệu sấy và qua cyclon để thu hồi bụi
4.3.1 Tính trở lực của quá trình
Ta có: ∆P = ∆Pm +∆Pcb +∆Pcyc + ∆Pc +∆Pqd + ∆Pqh + ∆Ps
∆Pm: Trở lực do ma sát trong từng đoạn ống dẫn (N/m 2 )
∆Pcb: Tổng trở lực cục bộ do đột mở và đột thu (N/m 2 )
∆Pcyclon: Trở lực cục bộ do cyclon (N/m 2 )
∆Pcalorife: Trở lực cục bộ do calorifer (N/m 2 )
∆Pqd: Trở lực do áp suất động ở đầu ra của quạt đẩy (N/m 2 )
∆Pqh: Trở lực do áp suất động ở đầu vào của quạt hút (N/m 2 )
∆Ptq: Trở lực của thùng quay (N/m 2 )
Bảng 4.3 Bảng tóm tắt các thông số của không khí trên đường ống
Sau khi ra khỏi calorife
Sau khi ra khỏi buồng sấy t ( 0 C) 26 54 33 r (Kg/m 3 ) 1,181 1,0798 1,1539 v 1 r(m 3 / kgkkk)
4.3.1.1 Trở lực do ma sát trên đường ống
Trở lực ống dẫn từ miệng quạt đẩy đến calorifer
- Chọn đường ống có đường kính d = 0,35m
- Chọn chiều dài ống dẫn từ miệng quạt đến calorifer là l0 = 1,2m.
- Vận tốc dòng khí trong ống:
V0’: Lưu lượng không khí vào calorifer
(CT V.36/T13 - [ 2]) ν0: Độ nhớt động của không khí vào calorifer ứng với trạng thái không khí ngoài trời, t = 26ºC, ν0 = 15,6210 -6 (m 2 /s), 𝛒0 =1,1810 kg/m 3
Vì Re > 4000 nên không khí trong ống theo chế độ chảy xoáy.
- Ở chế độ chảy xoáy, ta có thể dùng công thức sau để xác định hệ số ma sát cho cả 3 khu vực:
=−2 × log [ ( 6,81 ℜ ) 0,9 + 3,7 ∆ ] (CT II.65/380-[1]) Trong đó:
∆: Độ nhám tương đối, ∆ = d td
dtd: Đường kính tương đương của ống, d = 0,35 m ε: Độ nhám tuyệt đối Chọn ε = 10 -4 m (Bảng II.15/381-[1])
Vậy trở lực đường ống từ miệng quạt đẩy đến calorifer:
Trở lực đường ống từ calorifer đến trước thùng nạp liệu
- Chọn đường ống có đường kính là d = 0,35m
- Chiều dài ống dẫn từ calorifer đến thùng nạp liệu là l1 = 1m
- Vận tốc dòng khí trong ống:
V1’: Lưu lượng không khí ra khỏi calorifer
(CT V.36/T13 - [ 2]) ν1: Độ nhớt động của không khí sau khi ra khỏi calorifer, t = 54ºC, ν1 = 18,3610 -6 (m 2 /s), 𝛒1 = 1,0798 kg/m 3
Vì Re > 4000 nên không khí trong ống theo chế độ chảy xoáy.
- Ở chế độ chảy xoáy, ta có thể dùng công thức sau để xác định hệ số ma sát cho cả 3 khu vực:
∆: Độ nhám tương đối, ∆ = d td
dtd: Đường kính tương đương của ống, d = 0,35 m ε: Độ nhám tuyệt đối Chọn ε = 10 -4 m (Bảng II.15/381-[1])
Vậy trở lực đường ống từ calorifer đến trước thùng nạp liệu:
Trở lực đường ống từ thùng chứa sản phẩm đến cyclon:
- Chọn đường ống có đường kính là d = 0,3m
- Chọn chiều dài đoạn ống l2 = 1,2m
- Lưu lượng không khí trong đoạn ống chính là lưu lượng không khí sau khi ra khỏi phòng sấy:
- Vận tốc dòng khí trong ống: ω2 = V F ₂ ₂ ’ (CT T121 - [3]) ¿ 2,8606
(CT V.36/T13 - [ 2]) ν2: Độ nhớt động của không khí sau khi ra khỏi máy sấy, t = 33ºC, ν2 ,2910 -6 (m 2 /s), 𝛒2 = 1,1539 kg/m 3
Vì Re > 4000 nên không khí trong ống theo chế độ chảy xoáy.
- Ở chế độ chảy xoáy, ta có thể dùng công thức sau để xác định hệ số ma sát cho cả 3 khu vực:
=−2× log [ ( 6,81 ℜ ) 0,9 + 3,7 ∆ ] (CT II.65/380-[1]) Trong đó: ∆: Độ nhám tương đối, ∆ = d td
dtd: Đường kính tương đương của ống, d = 0,3m ε: Độ nhám tuyệt đối Chọn ε = 10 -4 m (Bảng II.15/381-[1])
Vậy trở lực đường ống từ thùng chứa sản phẩm đến cyclon:
Trở lực đường ống từ cyclon đến góc khuỷu
- Chọn chiều dài ống dẫn là l3 =0,6m
- Lưu lượng không khí sau khi ra khỏi cyclon bằng lưu lượng không khí ra khỏi thùng sấy: ω3 = ω2 = 40,4899 (m/s) ν2 = 16,2910 -6 m 2 /s λ3 = λ2 = 0,0162
- Trở lực đường ống từ cyclon đến góc khuỷu:
Trở lực ống dẫn từ góc co đến quạt hút
- Chọn chiều dài ống dẫn là l4 = 0,8m
- Trở lực ống dẫn từ góc co đến quạt hút:
Trở lực do ma sát trong thùng sấy:
- Lưu lượng thể tích trung bình trong thùng sấy:
- Vận tốc không khí trong thùng sấy ω 5 = V F tb td (CT T121 - [3])
- Ở nhiệt độ trung bình trong thùng sấy 43,5ºC , 𝛒 =1,1158 (kg/m 3 ), ν = 17,306510 -6 (m 2 /s)
Vì Re = 3,5349 × 10 5 > 4000 => chế độ chảy xoáy.
Trở lực ống dẫn từ bộ lọc không khí đến miệng quạt đẩy
- Chọn đường ống có đường kính d = 0,35m
- Chọn chiều dài ống dẫn từ bộ lọc không khí đến quạt là l6 = 0,4m.
- Vận tốc dòng khí trong ống: ω₆ = V F ₀ ₆ ´ (CT T121 - [3])
V0’: Lưu lượng không khí vào calorifer
Re = ω ₆ ν ×d ₀ (CT V.36/T13 - [ 2]) ν0: Độ nhớt động của không khí vào calorifer ứng với trạng thái không khí ngoài trời, t = 26ºC, ν0 = 15,6210 -6 (m 2 /s), 𝛒0 =1,1810 kg/m 3
Vì Re > 4000 nên không khí trong ống theo chế độ chảy xoáy.
- Ở chế độ chảy xoáy, ta có thể dùng công thức sau để xác định hệ số ma sát cho cả 3 khu vực:
∆: Độ nhám tương đối, ∆ = d td
dtd: Đường kính tương đương của ống, d = 0,35 m ε: Độ nhám tuyệt đối Chọn ε = 10 -4 m (Bảng II.15/381-[1])
Vậy trở lực đường ống từ miệng quạt đẩy đến calorifer:
Vậy trở lực do ma sát: Σq∆P m = ∑ i=0
4.3.1.2 Tính tổng trở lực cục bộ
Trở lực cục bộ do đột mở từ đường ống đến calorifer:
- Diện tích mặt cắt ngang đường ống:
- Diện tích mặt cắt ngang calorifer:
- Đường kính tương đương: d tđ = 4 × F 0
∏0 : Chu vi mặt cắt ngang của đường ống
Vì Re > 4000 nên không khí trong ống theo chế độ chảy xoáy.
Vì Re > 10 3 nên giá trị hệ số trở lực tra theo bảng N 0 11/387-[1] : hệ số trở lực ξ1 = 0,8733
Trở lực cục bộ do đột thu từ calorifer vào đường ống:
- Diện tích mặt cắt ngang đường ống:
- Diện tích mặt cắt ngang calorifer:
∏0 : Chu vi mặt cắt ngang của đường ống
Vì Re > 3,510 3 nên giá trị hệ số trở lực tra theo bảng N 0 13/388-[1] : hệ số trở lực ξ2 = 0,4811
Trở lực cục bộ do đột mở từ đường ống vào thùng tiếp liệu
- Chọn chiều rộng thùng tiếp liệu :1 m
- Chiều dài thùng tiếp liệu: 1,8 m
- Diện tích mặt cắt ngang của thùng tiếp liệu : Ftl = 1,8 x 1 = 1,8 (m 2 )
Vì Re >10 3 nên giá trị hệ số trở lực tra theo bảng N 0 11/387-[1] : hệ số trở lực ξ3 = 0,8985
Trở lực cục bộ do đột thu từ thùng chứa sản phẩm ra ống dẫn:
- Chọn chiều dài thùng chứa sản phẩm: 2m
- Chiều rộng thùng chứa sản phẩm: 1,1m
- Diện tích mặt cắt ngang của thùng tiếp sản phẩm : Ftsp = 21,1 = 2,2 (m 2 )
- Diện tích mặt cắt ngang đường ống:
Vì Re > 3,510 3 nên giá trị hệ số trở lực tra theo bảng N 0 13/388-[1] : hệ số trở lực ξ4 = 0,4926
Tổng trở lực cục bộ: Σq ∆ P cb = ∆ P cb1 + ∆ P cb2 + ∆ P cb3 + ∆ P cb4
Trở lực cục bộ do cyclon:
- Gọi ∆Pcyclon là trở lực cyclon, ta có:
∆ p xiclon ρ k = 740, với ρk: là ρ của không khí ở 33ºC Vậy D ∆ Pcyclon = 7401,1539 = 853,8860 (N/m 2 )
- Nhiệt độ trung bình của không khí nóng trong calorifer: t tb= 54+ 2 33 = 43,5ºC
- Tại nhiệt độ này các thông số của không khí:
- Vận tốc không khí trong calorifer:
= 17,307× 0,35 x 1,6408 10 −6 = 3,318310 4 > 4000 nên không khí chuyển động theo chế độ xoáy.
Đối với ống xếp theo kiểu hành lang, công thức tính toán được đưa ra là ζ = (6 + 9m) × (ds) − 0,23 × ℜ − 0,26 Trong đó, s là khoảng cách giữa các trục ống theo phương cắt ngang của dòng chuyển động, được tính là s = dg/2 + x = 0,042/2 + 0,015 = 0,036 m Số dãy ống chùm theo phương chuyển động được xác định bằng m = i ¿ 28, và đường kính ống d = dng = 0,03m Cuối cùng, giá trị ξ được tính là ξ = (6 + 9 × 28) × (0,036/0,03) − 0,23 × (3,318310^4) − 0,26 = 16,5184.
Vậy trở lực do calorifer:
4.3.1.5 Tính trở lực do thùng quay
Cho phép lấy ∆Ps = 20 ÷ 30%∆Pcb
Vậy tổng toàn bộ trở lực quạt phải khắc phục là: Σq ∆ P= Σq ∆ P m + Σq ∆ P cb + Σq ∆ P cyclon + Σq ∆ P qđ + Σq ∆ P qh + Σq ∆ P calorife + Σq ∆ P tq
Quạt là thiết bị quan trọng trong việc chuyển không khí và tạo áp suất cho các hệ thống như calorife, máy sấy, đường ống và cyclon Năng lượng mà quạt cung cấp không chỉ tạo ra áp suất động học cho dòng khí di chuyển mà còn giúp khắc phục trở lực trong quá trình vận chuyển qua ống.
Năng suất của quạt được đặc trưng bởi thể tích khí đi vào hay di ra thiết bị sấy.
Một là dùng để đẩy không khí đi vào calorife
Hai là hút khí thải hỗ trợ quá trình lọc bụi cho cyclon
Không khí được coi là ít bẩn nên năng suất quạt được lấy bằng lưu lượng thể tích không khí theo tính toán ở điều kiện làm việc:
Chọn hệ số dự trữ K3 = 1,1
- Năng suất quạt đẩy thực tế:
- Tổn thất quạt đẩy cần khắc phục: ΣΔPP d = ΣΔPP 2 = 2252,5680 (N/m 2 )
- Áp suất toàn phần Hđ:
+ Hp: trở lực tính toán của hệ thống, Hp = 2252,5680 (N/m 2 )
+ t: nhiệt độ làm việc của khí, t = 54ºC
+ B: áp suất tại chỗ đặt quạt, B = 735,6mmHg
+ 𝛒: khối lượng riêng của khí ở điều kiện chuẩn, 𝛒 = 1,2 kg/m 3
+ 𝛒k: khối lượng riêng của không khí ở điều kiện làm việc, 𝛒k =1,181 kg/m 3
- Với năng suất Q đ = 11068,0781 (m 3 /h) và H đ = 2337,3406 ( N/ m 2 ) Chọn loại quạt Ц.4-70 N 0 8 (Hình II.52a/485 –[1]).
- Công suất trên trục động cơ điện:
Công thức tính công suất quạt được xác định bởi 1000× n qđ × n tr × 3600 (kW), trong đó ηqđ là hiệu suất của quạt, được tra cứu từ đồ thị đặc tuyến hình II.52a/485 với giá trị ηqđ = 0,605 Hiệu suất truyền động của trục (ηtr) cũng được xem xét, với ηtr = 0,98 do trục quạt nối với trục động cơ thông qua khớp trục.
Chọn hệ số dữ trữ K3 = 1,1
- Năng suất quạt hút thực tế:
- Tổn thất quạt hút cần khắc phục: ΣΔPP h = ΣΔPP 2 = 2252,5680 (N/m 2 )
- Áp suất toàn phần Hh:
+ Hp: trở lực tính toán của hệ thống, Hp = 2252,5680 (N/m 2 )
+ t: nhiệt độ làm việc của khí, t = 33ºC
+ B: áp suất tại chỗ đặt quạt, B = 735,6mmHg
+ 𝛒: khối lượng riêng của khí ở điều kiện chuẩn, 𝛒 = 1,2 kg/m 3
+ 𝛒k: khối lượng riêng của không khí ở điều kiện làm việc, 𝛒k=1,1539kg/m 3
- Với năng suất Q h = 11328,0182 ( m 3 /h) và H h = 2337,1711 (N/ m 2 ) Chọn loại quạt Ц.4-70 N 0 8 (Hình II.52a/485 –[1]).
- Công suất trên trục động cơ điện:
Công thức tính công suất quạt được xác định bằng 1000 × n × qđ × ntr × 3600 (kW), trong đó ηqh là hiệu suất của quạt, với giá trị ηqh = 0,61 theo đồ thị đặc tuyến hình II.52a/485 Bên cạnh đó, hiệu suất truyền động của trục (ηtr) là 0,98, do trục quạt được kết nối với động cơ thông qua khớp trục.
Vậy cả hai quạt đều sử dụng quạt ly tâm II.4 – 70N 0 8 với ηqđ = 0,605 và ηqh 0,61
Công suất thiết lập đối với động cơ:
