Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Khóa luận tốt nghiệp đại học Chương 3 Tính toán và thiết kế hệ thống sấy hồng ngoại Trang 46 Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY HỒNG NGOẠI 3 1 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị sấy hồng ngoại Sơ đồ cấu tạo Hình 3 1 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị Trong đó 1 – Tủ điều khiển 2 – Đèn sấy 3 – Lỗ thông khí 4 – Khay sấy 5 – Buồng sấy 6 – Quạt hút ❖ Nguyên lý hoạt động của thiết bị Thiết bị sấy sau khi khởi động sẽ được cài đặt nhiệt độ sấy và thời gian sấy phù hợp Sau đó ta sử d.
Trang 1Chương 3
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ SẤY HỒNG NGOẠI 3.1 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị sấy hồng ngoại
Sơ đồ cấu tạo
Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo của thiết bị
❖ Nguyên lý hoạt động của thiết bị:
Thiết bị sấy sau khi khởi động sẽ được cài đặt nhiệt độ sấy và thời gian sấy phù hợp Sau đó ta sử dụng bộ điều chỉnh công suất để tăng dần độ sáng của đèn và bắt đầu quá trình sấy Trong khi sấy, nếu nhiệt độ của buồng sấy tăng lên quá cao so với nhiệt độ cài đặt thì sẽ có 2 trường hợp:
- Trường hợp 1: Lúc này ta sẽ dùng bộ điều chỉnh công suất để hạ độ sáng của đèn hồng ngoại xuống để giảm nhiệt độ buồng sấy xuống mức phù hợp
- Trường hợp 2: Ta sử dụng mạch điều khiển đèn tự động để ngắt đèn sấy dựa trên các cảm biến nhiệt độ, lúc này quạt hút sẽ đưa nhiệt lượng thừa ra ngoài để giảm nhiệt độ trong buồng sấy xuống Sau khi nhiệt độ buồng sấy được hạ thấp xuống dưới mức cài đặt thì đèn sấy sẽ sáng lại và tiếp tục cung cấp nhiệt lượng cho quá trình sấy Hiện tượng này
sẽ lặp đi lặp lại cho đến khi hết thời gian sấy đã được cài đặt
Trang 2Sau khi hết thời gian sấy thì chuông báo của thiết bị sẽ reo lên thông báo cho người vận hành quá trình sấy đã xong Sau đó thiết bị sẽ tự động tắt Kết thúc quá trình sấy
3.2 Số liệu thiết kế ban đầu
Nhiệt độ ảnh hưởng rất nhiều đến việc bảo quản cũng như quá trình sản xuất đưa vào quá trình sấy, môi trường sản xuất thực phẩm ở khoảng 24oC ÷ 26oC là thích hợp để sản xuất, chính vì thế lựa chọn nhiệt độ môi trường xung quanh là tf= 25oC
Khối lượng vật liệu đưa vào quá trình sấy G1= 10kg
Dựa vào bảng 3 [24] chọn độ ẩm ban đầu của dứa W1= 86,5%
Theo [10] ta được:
• Nhiệt độ sấy hồng ngoại thích hợp của dứa 50oC < ts <70oC lựa chọn ts=
55oC
• Thời gian sấy hồng ngoại trung bình của dứa là 420 phút Vậy theo tài liệu
trên ta chọn thời gian sấy τ = 7 giờ (420 phút)
Dựa vào [17] áp dụng cường độ bức xạ hồng ngoại trong quá trình sấy Iλ= 6,4 kW/m2
Dựa vào [8] lựa chọn độ ẩm sau quá trình sấy W2= 12,3 %
Khối lượng sản phẩm đầu ra sau quá trình sấy:
• W1: Độ ẩm ban đầu của dứa trước khi sấy, %
• W2: Độ ẩm của dứa ở cuối quá trình sấy, %
• G1: Khối lượng vật liệu ban đầu, kg
• G2: Khối lượng dứa ở cuối quá trình sấy, kg
Lượng ẩm bốc hơi trong suốt quá trình sấy:
W = G1 – G2 = 10 – 1,539 = 8,461 kg/mẻ (3.2)Khối lượng chất khô có trong vật liệu:
bd
G
= = = 8,65 kg (3.4) Lượng nước còn lại trong dứa sau khi kết thúc quá trình sấy:
Wcl = Wbd – W= 8,65 – 8,461= 0,189 kg (3.5)
Trang 33.3 Tính toán thiết kế không gian sấy
Hình 3.2 Dứa được bố trí sơ bộ để tính diện tích Hình 3.3 Khối lượng dứa sơ bộ
Dựa vào [7] nhóm chọn lát dứa có chiều dày 1cm.Từ thử nghiệm thực tế của nhóm khi cắt dứa với độ dày 1 cm thì khi sắp xếp ta có được 0,6 kg cho 0,125 m2 Vì thế với điều kiện ban đầu khi sấy 10 kg thì cần diện tích khay sấy cần thiết:
210.0,125
30,6 2,083
khay
F = m chọn Fkhay = 2,1 m2 (3.6)
Chọn số khay cho thiết bị là 4
Diện tích mỗi khay là:
2 1
2,1 0,525
khay khay
Suy ra chiều dài khay là d = 0,75m và chiều rộng khay r = 0,7m là tối ưu nhất, giả sử thiết
kế bề dày khung khay sấy δ = 20mm = 0,02m
Mật độ hay khối lượng dứa trên một khay:
4
G z n
Trang 4R = r + 2.k1 = 0,7 + 2.0,1 = 0,9m (3.9)
• Chiều dài của buồng sấy lúc này là:
D = d + 2.k1 = 0,75 + 2.0,1 = 0,95m (3.10)
Để vật liệu được sấy đồng đều đảm bảo các bề mặt đều được sấy nên sắp xếp 1 hàng đèn
ở mặt trên và một hàng đèn ở mặt dưới, vì thế với khi thiết kế 4 khay thì phải cần 5 hàng đèn để đảm bảo quá trình sấy Hơn nữa để bố trí đèn giữa các khay cũng cần một khoảng cách nhất định để có thể điều chỉnh nên chọn khoảng cách giữa các khay để bố trí đèn là
k2 = 200mm = 0,2m Chiều cao buồng sấy lúc này:
H = 5.k2 + 4.δ = 5.0,2 + 4.0,02 = 1,08m (3.11)
Vậy kích thước buồng sấy: 0,95m x 0,9m x 1,08m (DxRxH)
3.4 Tính nhiệt tải cho thiết bị sấy
Nhiệt tải cho thiết bị sấy được tính bằng các công thức sau:
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 (3.12)
Trong đó:
• Q: Nhiệt tải của thiết bị sấy, kJ
• Q1: Nhiệt đốt nóng bay hơi ẩm, kJ
• Q2: Nhiệt đốt nóng lượng nước không bay hơi còn lại trong sản phẩm, kJ
• Q3: Nhiệt đốt nóng lượng chất khô trong sản phẩm, kJ
• Q4: Tổn thất nhiệt qua khay chứa vật liệu, kJ
• Q5: Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh, kJ
3.4.1 Xác định nhiệt dung riêng chất khô của dứa
Theo tài liệu [24] ta có được thành phần phần trăm của các chất khô có trong dứa được thể hiện ở bảng 3.1
Bảng 3.1 Thành phần các chất khô trong dứa
Trang 5Q1 = W.(r + Cp.Δt) = W.[r + Cp.(ts – tf)] (3.15)
= 8,461.[2500 + 4,186.(55 – 25)] = 22215,032 kJ
Trong đó:
• W: Lượng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy, W = 8,461 kg
• Cp: Nhiệt dung riêng của nước, Cp = 4,186 kJ/kg
• ts: Nhiệt độ sấy, ts = 55oC
• tf: Nhiệt độ ban đầu của vật liệu, tf = 25oC
3.4.3 Tính nhiệt đốt nóng lượng nước không bay hơi còn lại trong sản phẩm
Nhiệt đốt nóng lượng nước không bay hơi còn lại trong sản phẩm:
Q2 = Wcl.Cp.Δt = Wcl.Cp.(ts – tf) (3.16)
= 0,189.4,186.(55 – 25) = 23,735 kJ
Trong đó:
• Wcl: Lượng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy, Wcl = 0,189 kg
3.4.4 Tính nhiệt đốt nóng lượng chất khô trong sản phẩm
Nhiệt đốt nóng lượng chất khô trong sản phẩm:
Q3 = GK.Cpk.Δt = GK.Cpk.(ts – tf) (3.17)
= 1,35.3,878.(55 – 25) = 157,059 kJ
Trong đó:
• GK: Khối lượng chất khô có trong vật liệu, GK = 1,35 kg
• Cpk: Nhiệt dung riêng chất khô của dứa, Cpk = 3,878 kJ/kg
Theo công thức 2.12 của Cengel (1998), trong một số trường hợp có thể xem hệ số hấp thụ của vật liệu bằng với hệ số phát xạ: ε(T) = α(T)
Hệ số phát xạ của thực phẩm nằm trong khoảng 0,85 – 1,0 Giả sử như chọn hệ số phát xạ của dứa ở 0,85 thì nhiệt lượng cần thiết (QCT) của các bóng đèn hồng ngoại lúc này:
3.4.5 Tính tổn thất qua khay chứa vật liệu
Với thiết kế như ban đầu chiều dài khay d= 0,75m, chiều rộng khay r= 0,7m được làm bằng inox 304 không gỉ theo tiêu chuẩn của tổ chức công nghiệp Nhật Bản (JIS), được đục lỗ dày δlưới = 1,5 mm = 0,0015m, diện tích lỗ chiếm 30% đây là loại inox không gỉ chịu được nhiệt độ phù hợp với yêu cầu thiết kế và hơn hết đây là loại inox rất phổ biến, giá thành rẻ phù hợp với người tiêu dùng Inox SUS304 có khối lượng riêng ρinox = 7930 kg/m3, nhiệt dung riêng Cinox = 0,5 kJ/kg.K
Phần khung bao bọc bên ngoài khay được làm bằng thép không gỉ có kích thước:
• 2 đoạn có kích thước 5mm x 20mm (a x b), chiều dài thanh l1= 0,75m
Trang 6• 2 đoạn có kích thước 5mm x 20mm (a x b), chiều dài thanh l2= 0,7m
Khối lượng của tấm lưới inox dùng để đỡ vật liệu:
Glưới = V.(100%-30%).ρinox = d.r δlưới.(1-0,3).7930 (3.19)
= 0,75.0,7.0,0015.(1-0,3).7930= 4,37 kg
Khối lượng khung khay:
Gkhung = (2.a.b.l1 + 2.a.b.l2 – 2.a.l1 δlưới – 2.a.l2 δlưới) ρinox (3.20)
= (2.0,005.0,02.0,75 + 2.0,005.0,02.0,7 – 2.0,005.0,75.0,0015 -
2.0,005.0,7.0,0015).7930 = 2,127 kg
Trong đó:
• a: Chiều rộng của thanh làm khung khay, a= 5mm = 0,005m
• b: Chiều cao của thanh làm khung khay, b= 20mm = 0,02m
• δlưới: Chiều dài của tấm lưới, δlưới = 0,0015m
• l1: Chiều dài của thanh làm khung khay, l1= 0,75m
Khối lượng của mỗi khay chứa:
Gkhay = Glưới + Gkhung = 4,37 + 2,127 = 6,497 kg (3.21)
Tổn thất nhiệt qua khay chứa vật liệu:
Q4 = n.Gkhay.Cinox.Δt = n.Gkhay.Cinox.(ts – to) (3.22)
= 4.6,497.0,5.(55 – 25) = 389,82 kJ
3.4.6 Tổn thất nhiệt ra môi trường
3.4.6.1.Tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt
Thân máy sấy được làm bằng 3 lớp với lớp trong và ngoài là inox SUS304 với chiều dày
δ1 = δ3 = 1,5mm, hệ số dẫn nhiệt λ1 = λ3 = 16,2 W/mK; lớp bông thủy tinh Remak ở giữa dày δ2 = 25mm, hệ số dẫn nhiệt chọn λ2 = 0,035 W/mK
Hệ số tỏa nhiệt (α1) bên trong buồng sấy: với ts= 55oC tra phụ lục 6 [23] tiến hành nội suy
ta được các thông số của không khí
Trang 7 = = = W/m2K (3.26)
Hệ số tỏa nhiệt (α2) bên ngoài buồng sấy: với tf= 25oC tra phụ lục 6 [23] tiến hành nội suy
ta được các thông số của không khí
= = = W/m2K (3.30)
Trang 8Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách:
3.4.6.2.Tổn thất nhiệt tại các mặt bên của buồng sấy
Tổng diện tích 4 bề mặt bên của buồng sấy:
Trang 9Tiêu chuẩn Nusselt:
1/30,1
Nu= Ra = 0,1.(11,64.108)1/3 = 105,192 (3.37)
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu:
Nu L
= 105,192.0,0267
1,08
= = 2,6 W/m2K (3.38) Tổn thất nhiệt do đối lưu ra môi trường:
• Ts: Nhiệt độ trong quá trình sấy, K
• Tf: Nhiệt độ môi trường xung quanh, K
• τ: Thời gian sấy, τ=7 giờ
• F1: Tổng diện tích 4 bề mặt bên của buồng sấy, m2
Tổng tổn thất nhiệt qua 4 mặt bên:
dl bx
Q =Q +Q = 2740,972 + 1579,359 = 4320,331 kJ (3.41)
3.4.6.3 Tổn thất nhiệt tại mặt trên và dưới của buồng sấy
Diện tích mặt trên và mặt dưới của buồng sấy giống nhau:
F2 = D.R = 0,95.0,9 = 0,855 m2 Chu vi mặt trên và mặt dưới của buồng sấy giống nhau:
P = 2.(D + R) = 2.(0,95 + 0,9) = 3,7m Nhiệt độ trung bình tính toán tm = 30,23oC và các thông số tra theo nhiệt độ đó cũng giống như trên
• = 1,164 kg/m3
• Cp = 1,005 kJ/kg
• = 16,022.10-6 m2/s
• = 0,0267 W/m.K
Trang 10F L
P
= = = 0,231m (3.42) Với L’: Kích thước xác định cho một mặt ( trên và dưới), m
Tiêu chuẩn Rayleigh cho một mặt:
3 w
2
.( ) '' '.Pr g t t f L Pr
−
Trong đó:
• Ra’: Tiêu chuẩn Rayleigh cho một mặt ( trên và dưới)
• L’: Kích thước xác định cho một mặt ( trên và dưới), m
Mặt trên:
Tiêu chuẩn Nusselt đối với mặt trên (Nu’):
1/3' 0,1 '
Nu = Ra = 0,1.(11,39.106)1/3 = 22,5 (3.44)
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu đối với mặt trên (α’):
' 22,5.0, 0267'
Nu L
= = = 2,601 W/m2.K (3.45)
Trong đó:
• Nu’: Tiêu chuẩn Nusselt đối với mặt trên
• L’: Kích thước xác định cho một mặt ( trên và dưới), m
Tổn thất nhiệt do đối lưu ra môi trường ở mặt trên:
• α’: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu đối với mặt trên, W/m2.K
• F2: Diện tích mặt trên của buồng sấy, m2
Mặt dưới:
Tiêu chuẩn Nusselt đối với mặt dưới (Nu”):
1/4'' 0, 27 '
Nu = Ra = 0,27.(11,39.106)1/4= 15,685 (3.47)
Trang 11Hệ số tỏa nhiệt đối lưu đối với mặt dưới (α”):
'' 15,685.0,0267''
Nu L
= = = 1,813 W/m2.K (3.48)
Trong đó:
• Nu”: Tiêu chuẩn Nusselt đối với mặt trên
• L’: Kích thước xác định cho một mặt ( trên và dưới), m
Tổn thất nhiệt do đối lưu ra môi trường ở mặt dưới:
• α’: Hệ số tỏa nhiệt đối lưu đối với mặt trên, W/m2.K
• F2: Diện tích mặt trên của buồng sấy, m2
• Q'52dl Tổn thất nhiệt do đối lưu ra môi trường ở mặt dưới, kJ
Tổn thất nhiệt do bức xạ nhiệt ra môi trường:
• Ts: Nhiệt độ tỏng quá trình sấy, K
• Tf: Nhiệt độ môi trường xung quanh, K
• τ: Thời gian sấy, τ=7 giờ
• F2: Diện tích mặt trên của buồng sấy, m2
Tổn thất nhiệt qua mặt trên và mặt dưới:
Q = QCT + Q4 + Q5 = 26348,031 + 389,82 + 9584,577 = 36322,428 kJ (3.53)
3.5 Công suất cần thiết của đèn hồng ngoại
Dựa vào Zhongli và Pan (2011) có thể thấy hiệu suất đèn hồng ngoại nằm ở η = 88%, nên công suất cần thiết của đèn hồng ngoại là:
Trang 1236322, 428 0,88.7.3600
Q P
= = = 1,638 kW (3.54)
Để đảm bảo dứa được sấy khô đồng đều phân bố đèn trải đều ta chọn phân bố 4 bóng đèn cho mỗi hàng, mà có tất cả năm hàng đèn nên tổng số bóng đèn cần thiết là 20 bóng đèn Công suất một bóng đèn:
Hình 3.4 Kích thước trung bình của lát dứa
❖ Diện tích bề mặt chiếm chỗ của các lát dứa:
Vì các lát dứa có dạng hình tròn Ddứa = 0,08m suy ra Rdứa = 0,04m, dứa dày δdứa = 1cm = 0,01m
f = 2π.Rdứa δdứa + 2.π.(Rdứa)2
= 2π.0,04.0,01 + 2π.(0,04)2 = 0,0126 m2 (3.45)
❖ Khối lượng trung bình mỗi lát dứa:
Như từ thử nghiệm mẫu với 18 lát dứa chiếm 0,125m2 thì chiếm khối lượng 600g = 0,6kg nên khối lượng trung bình mỗi lát:
Trang 13Như vậy cho thấy Qvl< QCT nên đảm bảo cung cấp đủ nhiệt lượng cho quá trình sấy
❖ Tổng nhiệt lượng cần thiết cho quá trình sấy:
Trang 14❖ Tổng nhiệt lượng phát ra:
Tổng diện tích chứa vật liệu của khay: F = 2,1 m2
Thời gian để nhiệt độ vật liệu đạt đến nhiệt độ sấy 55oC
44352
0,131 7,86 3600 6, 4.2,1.7.3600
den o
3.7 Mô hình bố trí các thiết bị trong máy sấy
Theo thông số của đèn sấy có góc chiếu là 360o Mỗi hàng đèn gồm có 4 bóng đèn vì vậy
có 2 cách bố trí được đặt ra:
Cách 1: Bố trí 4 đèn theo cạnh buồng sấy
Hình 3.5 Bố trí đèn theo 4 cạnh buồng sấy
Khi bố trí theo cách này thì cự ly giữa các đèn sẽ gần nhau hơn sẽ không thể tối ưu hết được góc chiếu của đèn Làm cho vật liệu khô không đồng đều Vật liệu tập trung chính giữa sẽ khô nhanh hơn vật liệu được xếp ở 4 góc của khay sấy Hơn nữa khi bố trí theo cách này 1 hàng bóng đèn sẽ được lắp lên vị trí cửa buồng sấy, vì vậy sẽ khó khăn trong lúc đưa khay sấy vào và lấy khay sấy ra
Cách 2: Bố trí đèn theo 4 góc của buồng sấy
Trang 15Hình 3.6 Bố trí đèn theo 4 góc của buồng sấy
Khi bố trí theo cách này khoảng cách giữa các đèn sẽ được đưa ra xa nhất Từ đó góc chiếu của đèn sẽ được tối ưu và phân bố đồng đều hơn Đèn được bố trí cố định trên khung của máy sấy nên việc thao tác mở cửa buồng trong quá trình sấy sẽ không ảnh hưởng gì nhiều đến việc sấy Thao tác đưa vào lấy ra cũng thuận tiện hơn
− Nút nhấn ON, OFF: Khởi động và dừng máy
− Contactor (M): Có chức năng duy trì mạch điện
− Timer DH48S (T1): Cài đặt thời gian sấy
− Timer T21 (T2): Cài đặt khoảng thời gian chuông reo khi hết thời gian sấy
− Chuông: Khi hết thời gian cài đặt thì chuông sẽ kêu lên
− Bộ điều khiển nhiệt độ CKC CH702: Cài đặt nhiệt độ sấy, đảm bảo buồng sấy luôn duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình sấy Thiết bị cảm biến nhiệt độ được lắp trực tiếp trong buồng sấy, gồm 4 cảm biến được lắp phía dưới mỗi khung đỡ khay sấy
Trang 16Hình 3.7 Bộ điều khiển nhiệt độ CKC CH702
− Dimmer: Bộ điều chỉnh công suất chiếu sáng của các bóng đèn hồng ngoại
− Rơle bán dẫn dạng rắn SSR: Khi kết nối với bộ điều khiển nhiệt độ CKC CH702 thì sẽ có 2 dạng ngõ ra cơ bản là đóng mở tiếp điểm (chân 7,8,9) và ra điện áp để đóng
mở cho SSR (chân 5 ,6) và chúng ta sẽ sử dụng ngõ ra dạng SSR vì đóng ngắt liên tục thì SSR sẽ làm việc bền hơn Contactor
Hình 3.8 Rơle bán dẫn dạng rắn (SSR)
− Bóng đèn sấy hồng ngoại công suất 100W: Phát ra tia hồng ngoại để sấy khô vật liệu
3.8.2 Sơ đồ mạch điều khiển và nguyên lý hoạt động
❖ Sơ đồ mạch điều khiển
Trang 17
Hình 3.9 Sơ đồ mạch điều khiển
❖ Nguyên lý hoạt động:
- Đóng CB cấp điện, ấn nút ON để khởi động máy Lúc này mạch điện sẽ kín dòng điện đi qua contactor làm cho tiếp điểm thường mở sẽ đóng lại giúp duy trì mạch hoạt động liên tục Cài đặt thời gian sấy trên Timer T1, cài đặt nhiệt độ sấy trên thiết bị điều chỉnh nhiệt
độ CKC, cài đặt chuông reo trong bao lâu trên Timer T2 thì dừng máy Điều chỉnh độ sáng của 20 bóng đèn hồng ngoại bằng 5 Dimmer (mỗi Dimmer điều chỉnh 1 hàng đèn)
để thực hiện quá trình sấy Khi nhiệt độ trong buồng sấy quá cao vượt quá nhiệt độ cài đặt thì SSR sẽ làm nhiệt vụ ngắt mạch sáng của đèn Khi nhiệt độ hạ xuống SSR đóng lại và đèn tiếp tục sáng, lặp đi lặp lại cho đến khi hết thời gian sấy đã cài đặt Khi hết thời gian sấy, tiếp điểm thường mở đóng chậm của T1 sẽ đóng lại lúc này chuông báo sẽ reo, khi hết thời gian của Timer T2 tiếp điểm thường đóng mở chậm sẽ hở ra, lúc này mạch bị hở
nên máy sấy sẽ dừng lại Nút nhấn OFF dùng để tắt máy sấy khẩn cấp khi cần thiết
