Tính toán thiết kế hệ thống sấy bánh phở

à bảo quản. Bánh phở khô là loại sản phẩm hút ẩm không nhiều so với bánh đa nem hoặc giấy tinh bột gói kẹo do đó việc bảo quản không quá phức tạp. Bánh phở sau khi được sấy khô xong được đóng gói ngay. Trọng lượng mỗi gói khoảng 0,5kg, 1kg tuỳ theo yêu cầu của người tiêu dùng. Đối với bánh phở nắm có thể xâu thành chuỗi để tiện đưa đi không bị dập gãy. Lượng bánh phở chưa kịp đóng gói có thể cho vào túi nilon lớn buộc kín sau sử dụng dần. Bánh phở khô có ưu điểm là có thể vận chuyển đi xa mà không sợ hỏng, nhu cầu tiêu dùng của nhân dân là nhiều, khả năng sản xuất lớn, kỹ thuật sản xuất không phức tạp và ở đâu cũng có thể làm được. Trên đây là toàn bộ các công đoạn của quy trình công nghệ sản xuất bánh phở khô nước ta hiện nay. Tuỳ theo điều kiện kinh tế ở mỗi nơi mỗi khác và khả năng tiêu thụ mà người sản xuất có thể tổ chức sản xuất ở quy mô và trang bị như thế nào cho phù hợp. Phần II: Phân tích quá trình và lựa chọn phương án sấy I- Phân tích quá trình sấy: Khi sấy thì lượng ẩm trong sản phẩm sấy bay hơi và giảm dần theo thời gian, do đó tốc độ sấy cũng biến đổi theo thời gian và nó biến đổi theo độ ẩm của sản phẩm sấy, qua quá trình nghiên cứu người ta thấy quá trình sấy của sản phẩm ướt đến độ ẩm cân bằng gồm ba giai đoạn chính. 1. Giai đoạn đốt nóng vật. Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật liệu sấy vào thiết bị sấy tiếp xúc với tác nhân sấy cho tới khi nhiệt độ vật đạt đến bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt ( tư ). Trong quá trình này toàn bộ vật liệu sấy được gia nhiệt, ẩm lỏng trong vật cũng được gia nhiệt cho tới khi đạt đến nhiẹt độ sôi tương ứng với phân áp suất hơi nước trong môi trường không khí của thiết bị sấy. Do bị làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm chút ít do bay hơi ẩm còn nhiệt độ của vật thì tăng dần từ nhiệt độ ban đầu cho đến khi bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt. Tuy vậy sự tăng nhiệt độ trong quá trình này xảy ra không đồng đều ở phần ngoài và phần trong vật. Vùng trong vật đạt tới tư chậm hơn. Đối với vật dễ sấy thì giai đoạn làm nóng xảy ra rất nhanh. 2. Giai đoạn sấy giảm dần. Kết thúc quá trình gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt. Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ hoá hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt lượng cung cấp chỉ để hoá hơi nước, ẩm sẽ hoá hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hoá hơi. Do nhiệt độ TNS không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ giữa vật và môi trường cũng không đổi. Do vậy tốc độ bay hơi ẩm của vật cũng không đổi. Điều này làm tốc độ giảm của độ chứa ẩm của vật theo thời gian không đổi, có nghĩa là tốc độ sấy không đổi: Trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi, biến thiên của độ chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính, ẩm được thoát ra trong giai đoạn này là ẩm tự do. Khi độ ẩm của vật đạt đến trị số giới hạn uk = ucbmax thì giai đoạn sấy tốc độ không đổi chấm dứt. Đồng thời cũng là chấm dứt giai đoạn thoát ẩm tự do chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ giảm dần. 3> Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần. Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi, ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại trong vật là ẩm liên kết. Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn so với ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ (ẩm liên kết càng chặt). Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi có nghĩa là tốc độ sấy trng giai đoạn này nhỏ hơn và càng giảm đi theo thời gian sấy. Quá trình sấy càng tiếp diễn, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm của vật giảm đến bằng độ ẩm cân bằng ứng với điều kiện môi trường trong thiết bị sấy thì quá trình thoát ẩm của vật ngừng lại, có nghĩa là tốc độ sấy bằng không (). Trong giai đoạn này nhiệt độ vật tăng lớn hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt. Nhiệt độ ở các lớp bên ngoài bề mặt tăng nhanh hơn còn càng sâu vào bên trong vật nhiệt độ tăng chậm do đó hình thành gradien nhiệt độ trong vật sấy. Khi độ ẩm của vật đã đạt đến độ ẩm cân bằng thì lúc này giữa vật sấy và môi trường có sự cân bằng nhiệt và ẩm. Có nghĩa là không có sự trao đổi nhiệt và chất giữa vật và môi trường ( nhiệt độ vật bằng nhiệt độ môi trường, còn độ ẩm của vật là độ ẩm cân bằng ). Đường cong vận tốc sấy được mô tả như sau: B K1 Wk A C W% dw Fdt Hình 8: Đường cong vận tốc sấy Đoạn AB: giai đoạn đốt nóng sản phẩm sấy, nhiệt độ sản phẩm sấy tăng nhanh đến nhiệt độ tác nhân sấy, độ ẩm sản phẩm thay đổi không đáng kể, vận tốc sấy tăng nhanh đến giá trị cực đại. Đoạn BK1: giai đoạn vận tốc sấy không đổi, độ ẩm sản phẩm sấy giảm nhanh, nhiệt độ sản phẩm sấy không đổi. Giai đoạn này chỉ bốc hơi ở bề mặt sản phẩm sấy. Đoạn K1C: giai đoạn vận tốc sấy giảm dần, nhiệt độ của sản phẩm sấy tăng lên dần, độ ẩm của vật liệu tăng lên dần đến cân bằng và khi nó bằng giá trị độ ẩm cân bằng thì nhiệt độ của sản phẩm sấy bằng nhiệt độ của tác nhân sấy, II- Lựa chọn phương án sấy: I. Sơ lược về các thiết bị sấy: 1> Thiết bị sấy đối lưu. Trong các thiết bị sấy đối lưu năng lượng vật liệu sấy nhận được bằng phương pháp truyền nhiệt đối lưu, do đó tác nhân sấy đồng thời là chất tải nhiệt để cung cấp năng lượng cho vật liệu sấy và mang ẩm thoát từ vật sấy thải vào môi trường. Tác nhân sấy trong thiết bị sấy đối lưu thường là không khí nóng hoặc khói lò. Thiết bị sấy đối lưu có thể có các dạng sau: a> Thiết bị sấy buồng. Thiết bị sấy buồng thường để sấy các vật liệu dạng cục, hạt với một năng suất không lớn lắm. Thiết bị sấy buồng thường là thiết bị sấy làm việc theo chu kỳ. Buồng sấy có thể làm bằng thép tấp hai lớp giữa có lớp cách nhiệt hoặc đơn giản xây bằng ghạch đỏ có cách nhiệt hoặc không. Dung lượng của buồng sấy có thể từ mấy dm3 đến mấy m3. Thiết bị sấy buồng thường là không khí nóng hoặc khói lò. Không khí được đốt nóng nhờ calorifer điện hoặc calorifer khí - khói. Calorifer được đặt phía dưới các thiết bị đỡ vật liệu hoặc hai bên sườn buồng sấy. Trong thiết bị sấy buồng ta có thể tổ chức cho tác nhân sấy lưu động tự nhiên (không có quạt) hoặc cưỡng bức nhờ một hệ thống quạt gió. Kết cấu của thiết bị sấy buồng đối lưu cưỡng bức có đốt nóng trung gian có thể có dạng như hình vẽ sau: 1. Xe goòng chứa vật liệu 2. Quạt li tâm 3. Động cơ kéo quạt 4, 5. calorifer 6. Cửa buồng sấy 7. ống dẫn không khí 8. ống thải tác nhân 9. vách ngăn Hình 9: Thiết bị sấy buồng có đốt nóng trung gian. Khi thiết kế thiết bị sấy buồng với các tác nhân sấy đối lưu tự nhiên chúng ta cần bố trí các thiết bị phụ như giá đỡ, khay... sao cho tác nhân sấy có thể và dễ dàng đi qua vật liệu sấy để truyền nhiệt và nhận ẩm thải ra ngoài. Vì vậy, mật độ vật liệu sấy trên khay, khe hở giữa thành khay với tường thiết bị sấy, kích thước và vị trí lỗ thoát ẩm có một ý nghĩa đặc biệt trong thiết bị sấy buồng. Khe hở giữa thành khay và tường thiết bị sấy nên bố trí để cho thao tác dễ dàng, thường lấy bằng d = 50 ¸ 100 mm. Mật độ vật liệu sấy trên khay cũng có một ý nghĩa đặc biệt. Nếu vật liệu sấy có mật độ quá lớn tác nhân sấy khó lưu chuyển dẫn đến thời gian sấy dài và vật liệu khô không đều, do đó chất lượng và năng suất thiết bị có thể giảm. Ngược lại, nếu mật độ vật liệu sấy trên khay quá bé thì điều kiện truyền nhiệt truyền chất được tăng cường thời gian sấy sẽ giảm, chất lượng sấy sản phẩm cao nhưng năng suất thiết bị không lớn. Vì vậy, mật độ vật liệu sấy trên khay có một giá trị tối ưu. Giá trị tối ưu này phụ thuộc vào từng loại vật liệu sấy và thường được xác định theo thực nghiệm. Đối với vật liệu sấy là thực phẩm có dạng cục và hạt mật độ vật liệu sấy trên khay nằm trong khoảng 2 ¸ 5 kg/m2. Về phần kết cấu, phần trên của thiết bị sấy buồng nên bố trí theo dạng chóp, đỉnh chóp là lỗ thoát ẩm. Kích thước của lỗ thoát ẩm cần cân xứng với thiết bị và có cơ cấu điều chỉnh lượng tác nhân thoát ra ngoài bằng van con bướm. Theo kinh nghiệm, đối với thiết bị sấy buồng đối lưu tự nhiên hoạt động gián đoạn giai đoạn đốt nóng vật liệu sấy kéo dài và tiêu tốn nhiều nhiệt lượng. Để giảm thời gian đốt nóng và tiết kiệm năng lượng cần hạn chế lượng tác nhân thải ra ngoài. Lượng tác nhân thải ra ngoài môi trường ở giai đoạn đốt nóng vật liệu sấy trong thiết bị sấy buồng đối lưu tự nhiên về mặt lý luận cũng như thực tiễn cho thấy một giá trị tối ưu. Giá trị này xác định bằng thực nghiệm. Ưu điểm của thiết bị sấy buồng là có kết cấu đơn giản, dễ vận hành, không yêu cầu lớn mặt bằng. Nhược điểm của thiết bị sấy buồng là năng suất thấp, khó tự động hoá, vốn đầu tư không đáng kể. Vì vậy, thiết bị sấy buồng thích hợp nhất với các xí nghiệp nhỏ, lao động thủ công là chính, chưa có điều kiện kinh phí để xây dựng các thiết bị sấy có năng suất cao dễ cơ giới hoá. b> Thiết bị sấy hầm. Thiết bị sấy hầm là một trong những thiết bị sấy đối lưu được dùng phổ biến trong công nghiệp. Nó cũng được dùng để sấy các vật liệu dạng cục, hạt... với năng suất cao và có thể dễ dàng cơ giới hoá. Khác với các thiết bị buồng là sấy từng mẻ, trong thiết bị sấy hầm vật liệu sấy được đưa vào và lấy ra gần như liên tục. Hầm sấy thường dài từ 10 ¸ 15 m hoặc lớn hơn. Chiều cao và chiều dài hầm phụ thuộc vào xe goòng và khay tải vật liệu sấy. Đối với điều kiện Việt Nam chiều cao hầm sấy vào khoảng 1200 ¸ 1600 mm và chiều rộng hầm từ 1200 ¸ 1400 mm. Hầm sấy thường được xây bằng gạch đỏ có cách nhiệt hoặc không. Trần hầm sấy làm bằng bêtông cách nhiệt. Khi xây dựng hầm sấy chúng ta chú ý đến vấn đề xử lý nền hầm sấy. Theo kinh nghiệm tổn thất nhiệt qua nền đối với điều kiện Việt Nam là rất lớn và phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa chất nơi xây dựng như: độ ẩm của đất, phía dưới có nước ngầm hay không ... có thể lấy tổn thất qua nền vào khoảng qN =10 ¸ 15 W/m2. Thiết bị chuyền tải vật liệu sấy trong thiết bị sấy hầm thường là xe goòng hoặc băng tải. Xe goòng dùng trong thiết bị sấy hầm ở Việt Nam chưa được tiêu chẩn hoá. Hiện nay thường dùng xe goòng cao từ 1100 ¸ 1500 mm, dài và rộng từ 500 ¸ 1000 mm. Trên xe bố trí từ 10 ¸ 15 khay tải vật liệu với diện tích mỗi khay trên dưới 1 m2. Cũng như trong thiết bị sấy buồng mật độ vật liệu sấy trên khay ở đây cũng phụ thuộc vào từng loại vật liệu và cũng bố trí từ 2 ¸ 5 kg/m2. Khe hở giữa hai thanh ngoài của các khay với hai tường bên, giữa đỉnh và trần hầm sấy phải đảm bảo cho xe goòng dịch chuyển dễ dàng nhưng không quá lớn, theo kinh nghiệm các khe hở này lấy trong khoảng từ 50 ¸ 100 mm. Trong thiết bị sấy hầm tác nhân sấy chủ yếu là không khí nóng. Calorifer để gia nhiệt cho không khí trong thiết bị sấy hầm thường dùng là calorifer khí - khói hoặc calorifer khí - hơi, tuỳ nguồn năng lượng là hơi nước hay khói lò của cơ sở sản xuất. Calorifer thường được bố trí trên nóc hầm sấy, do đó có hai cách đưa tác nhân sấy vào hầm từ trên trần xuống hoặc đưa vào từ hai bên hầm sấy. Cách thứ nhất có kết cấu gọn nhẹ nhưng theo kinh nghiệm sự phân bố tác nhân sấy trong hầm đặc biệt là ở giai đoạn đầu của hầm sấy không đều. Điều đó có ảnh hưởng đến chất lượng và năng suất của sản phẩm sấy. Cách thứ hai khắc phục được nhược điểm của cách thứ nhất nhưng kết cấu phức tạp hơn và yêu cầu mặt bằng lớn hơn để bố trí hai ống dẫn và cửa phân phối tác nhân sấy. Để tiết kiệm năng lượng và nhiều khi còn do yêu cầu công nghệ sản phẩm sấy phải được sấy dịu để chống nứt nẻ, trong thiết bị sấy hầm người ta còn dùng tái tuần hoàn. Vấn đề tái tuần hoàn là vấn đề của kinh tế - kỹ thuật. Khi thiết kế phải cân nhắc, tính toán lượng nhiên liệu tiết kiệm được với vốn đầu tư và vật liệu tăng lên để thực hiện tái tuần hoàn. Vấn đề thải ẩm trong thiết bị sấy hầm không có gì đặc biệt. Nó thực hiện nhờ một ống thoát ẩm lấy từ trên nóc hầm sấy, ở phần cuối dẫn ra ngoài nhờ quạt thải ẩm. Xe goòng tải vật liệu trong hầm sấy có thể bố trí từ 10 ¸ 15 xe hoặc nhiều hơn và hệ thống xe goòng này dịch chuyển theo chiều dài hầm sấy có thể thực hiện bằng thủ công hoặc cơ giới hoá nhờ tời đẩy hoặc tời kéo. Tời trong thiết bị sấy hầm là một hệ thống cơ giới gồm một động cơ, một hộp giảm tốc và một cơ cấu đẩy hoặc kéo. Tời đẩy hoặc kéo dùng trong các thiết bị sấy hầm ở Việt Nam cũng chưa được chuẩn hoá. Thông thường, chúng ta phải tự thiết kế hoặc chọn hệ thống tời đẩy hoặc kéo tuỳ thuộc vào khối lượng xe goòng, khay, vật liệu sấy và tổng các ma sát có thể có của hệ thống. c> Thiết bị sấy tháp. Thiết bị sấy tháp là thiết bị sấy chuyên dụng để sấy các loại hạt như thóc, ngô, đậu... có độ ẩm ban đầu không lớn lắm () vật liệu sấy có thể tự dịch chuyển dễ dàng từ trên đỉnh tháp xuống dưới nhờ chính trọng lượng của nó. Đôi khi trong thiết bị sấy tháp người ta còn đặt các kết cấu cơ khí thêm để làm chậm hoặc tăng cường tốc độ dịch chuyển của khối hạt. Sản phẩm sấy trong thiết bị sấy tháp có thể lấy ra liên tục hoặc định kỳ. Đặc điểm của thiết bị sấy tháp khác với các thiết bị sấy buồng, hầm là các kênh gió nóng và các kênh thải ẩm được bố trí xen kẽ ngay trong khối vật liệu sấy. Tác nhân sấy từ kênh dẫn gió nóng luồn lách qua lớp vật liệu sấy để thực hiện quá trình sấy rồi nhận thêm ẩm đi vào kênh thải ra ngoài. Trong thiết bị sấy tháp nhiệt lượng vật liệu sấy nhận được gồm hai thành phần: thành phần đối lưu giữa tác nhân sấy nhận được gồm hai thành phần: thành phần đối lưu giữa tác nhân sấy với khối hạt và thành phần dẫn nhiệt giữa bề mặt các kênh gió nóng, kênh thải ẩm với chính lượng vật liệu ẩm nằm trên đó. Để tăng năng suất thiết bị ngoài phương pháp mở rộng dung lượng tháp, ở một mức độ đáng kể người ta còn tìm cách tăng tốc độ tác nhân chuyển động qua lớp hạt, tốc độ này có thể từ 0,2 ¸ 0,3 m/s đến 0,6 ¸ 0,7 m/s hoặc lớn hơn. Tuy nhiên, tốc độ tác nhân khi ra khỏi ống góp kênh thải ẩm theo kinh nghiệm không nên vượt quá 6 m/s để tránh hạt bị cuốn theo tác nhân đi vào hệ thống thải ẩm và đọng lại trong các đoạn ống dẫn đến quạt thải. Hệ số truyền nhiệt giữa tác nhân và lớp hạt có thể xác định theo công thưcs kinh nghiệm của V.N. Timôphêev [10] Khi Re = 20 ¸ 200 thì Nu = 0.106.Re Khi Re > 200 thì Nu = 0,610.Re0,67 Kết cấu và cách bố trí các kênh dẫn và kênh thải ẩm có một ý nghĩa đặc biệt nó ảnh hưởng đến sự dịch chuyển của lớp hạt và độ sấy đồng đều của sản phẩm. Nói cách khác nó góp phần tăng năng suất thiết bị và nâng cao chất lượng sản phẩm sấy. Kết cấu và cách bố trí các kênh dẫn và thải tác nhân có thể thực hiện theo sơ đồ trang sau: (a) (b) Hình 10: Sơ đồ bố trí kênh dẫn và thải (a) Kênh dẫn và thải đơn (b) Kênh dẫn và thải nhiều Theo kinh nghiệm khoảng cách tối thiểu giữa hai kênh để cho vật liệu sấy chuyển động phụ thuộc vào từng loại vật liệu và có thể từ 10 ¸ 100 mm hoặc lớn hơn. d> Thiết bị sấy thùng quay. Thiết bị sấy thùng quay cũng là một thiết bị sấy chuyên dùng để sấy vật liệu dạng hạt hoặc bột nhão, cục nhưng có thể có độ ẩm ban đầu lớn, và khó tự dịch chuyển nếu dùng thiết bị sấy tháp. Phần chính của thiết bị sấy thùng quay là một trụ tròn đặt nằm nghiêng so với mặt phẳng ngang một góc nào đó cố định hoặc biến đổi. Thông thường, góc nghiêng đó nằm trong khoảng 1/15 ¸ 1/50. Trong thùng quay tuỳ theo tính chất của vật liệu sấy, người ta có thể đặt các cánh xáo trộn, vách ngăn để tăng cường quá trình sấy. Hình dạng và cách bố trí cac vách ngăn có thể bố trí theo sơ đồ sau: a> Cánh nâng b> Cánh nâng có phân cách c.d> Cánh phân bố đều e> Cánh hỗn hợp e> Cánh phân vùng Hình 11: Sơ đồ cấu tạo cánh trong thiết bị sấy thùng Đối với vật liệu sấy dạng cục to nhưng xốp, nhẹ trong thùng sấy có thể bố trí các cách như hình (a). Ngược lại, với vật liệu sấy dạng cục to, nặng thì nên bố trí cánh có phân vùng rơi như hình (b). Khi sấy vật liệu dạng hạt hoặc cục nhỏ, nhẹ người ta thường dùng dạng cánh và phân vùng như hình (c) và hình (d). Đối với vật liệu sấy có kính thước hạt quá bé có thể tạo thành bụi thì nên dùng cánh có vách ngăn dạng (e). Độ điền đầy của vật liệu sấy trong thùng cũng phụ thuộc vào dạng vật liệu sấy và cấu tạo của thùng sấy có thể đạt từ 20 ¸ 50%. Tác nhân sấy sử dụng trong thiết bị sấy thùng quay thường là không khí nóng hoặc khói lò. Nó có thể chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều chuyển động của vật liệu sấy. Nhưng do kết cấu, trong phần lớn các trường hợp người ta bố trí tác nhân sấy và vật liệu sấy chuyển động cùng chiều, hơn nữa, cũng do kết cấu không thuận tiện nên trong thiết bị sấy thùng quay người ta ít dùng sơ đồ tái tuần hoàn tác nhân. Tốc độ tác nhân sấy trong thiết bị sấy thùng quay phụ thuộc vào vật liệu sấy và khối lượng riêng của nó. Để tránh vật liệu sấy cuốn theo tác nhân thì tốc độ tác nhân ở cửa ra của thùng quay không nên vượt quá 2 ¸ 3 m/s. Ngoài ra vì lý do an toàn lao động và vệ sinh môi trường, thiết bị sấy thùng quay không nên làm việc ở áp suất dương. Nhiệt lượng tiêu hao trong thiết bị sấy thùng quay khi tác nhân là khói lò thường từ 3600 ¸ 6300 kJ/kg ẩm. Nếu tác nhân là không khí nóng, được gia nhiệt bằng hơi nước thì lượng hơi nước (thường là hơi nước bão hoà) tiêu tốn cho 1 kg ẩm bốc hơi vào khoảng 1,5 ¸ 2 kg hơi/kg ẩm. Đường kính của thùng quay có thể bằng 1200, 1400, 1600, 2000, 2400, 2800 mm. Tỷ lệ giữa chiều dài so với đường kính thùng quay là L/D tối thiểu nên lấy 3,4 và tối đa nên lấy 7, nghĩa là L/D = 3,5 ¸ 7. Số vòng quay của thùng sấy n= 1,5 ¸ 8 vòng/phút. Hình 12: Thiết bị sấy thùng quay. 1. Cửa dẫn khói 2. ống nạp liệu 3. Cơ cấu bịt kín 4. Cánh xoắn tải vật liệu 5. Vành đai 6. Thân thùng sấy 7. Bánh răng lớn 8. Cửa thải khói lò 9, 11. Gối đỡ 10. Hộp giảm tốc. e> Thiết bị sấy khí động. Thiết bị sấy khí động thường dùng để sấy các vật liệu dạng hạt bé, nhẹ xốp như than cám, cỏ hoặc rau băm nhỏ, các tinh thể ... phần chính của thiết bị sấy khí động là một ống thẳng đứng, trong đó vật liệu sấy được không khí nóng hoặc khói lò cuốn đi từ dưới lên trên và dọc theo ống thì quá trình sấy xảy ra. Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ sau: 1. Phễu chứa vật liệu ẩm 2. Buồng sấy 3. Buồng đốt 4. Vùng trao đổi ẩm tiếp xúc 5,6. ống thải khí và quạt 7,8. Buồng làm lạnh 9. Thiết bị tháo liệu 10. ống tuần hoàn vật liệu 11. Quạt cho vùng làm lạnh 12. Vùng phân ly Hình 13: Thiết bị sấy khí động Như vậy, tác nhân sấy đồng thời là động lực di chuyển vật liệu sấy từ đầu thiết bị đến cuối thiết bị sấy. Do đặc điểm đó, thiết bị sấy khí động thường chỉ dùng để tách ẩm bề mặt của vật liệu. Tốc độ tác nhân sấy phải lớn để vừa thắng sự rơi tự do của vật liệu sấy và đồng thời cuốn vật liệu đi theo. Tốc độ tác nhân phụ thuộc vào dạng vật liệu sấy, kích thước hạt và khối lượng riêng của hạt, có thể đạt từ 10 ¸ 40 m/s. Đường kính của ống sấy thông thường không lớn lắm, khoảng 1m. Theo kinh nghiệm cho thấy tốc độ tác nhân không nên quá lớn đối với tốc độ rơi tự do của vật liệu sấy để cho vật liệu sấy nhận nhiệt và bốc hơi ẩm vào tác nhân. Thiết bị sấy khí động chỉ kinh tế khi kích thước vật liệu sấy bé, chứa ẩm bề mặt. Khi kích thước hạt tăng lên thì năng lượng dùng cho quạt đẩy và quạt hút quá lớn, hơn nữa hệ số truyền nhiệt khi đó cũng giảm. Theo kinh nghiệm kích thước hạt tính theo đường kính tương đương nên nằm trong 8 ¸ 10 mm. Nhược điểm lớn nhất của thiết bị sấy khí động là tiêu tốn năng lượng lớn, nhất là điện năng dùng cho quạt, điều kiện vệ sinh công nghiệp khó thực hiện tốt và có khả năng nguy hiểm nếu vật liệu sấy có thể cháy nổ. f> Thiết bị sấy tầng sôi. Thiết bị sấy tầng sôi thường dùng để sấy vật liệu dạng cục, hạt, có kích thước như thiết bị sấy khí động. Thiết bị sấy tầng sôi có ưu điểm là cường độ bốc hơi rất lơn, có thể đạt hàng trăm kg ẩm/m3 thể tích thiết bị sấy trong 1 giời. Trong thiết bị sấy tầng sôi có thể dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ sấy và vật liệu sấy khô khá đồng đều. Nguyên lý làm việc của thiết bị sấy tầng sôi như hình sau: Nhược điểm của thiết bị sấy tầng sôi là tiêu tốn điện năng rất lớn để tạo ra áp lực đáng kể nhằm duy trì trạng thái “sôi” của vật liệu sấy (300 ¸ 500 mm cột nước). g> Thiết bị sấy phun. Thiết bị sấy phun là thiết bị sấy chuyên dùng để sấy các vật liệu sấy dạng dung dịch huyền phù, ví dụ trong công nghệ sản xuất sữa bột, bột đậu nành, bột trứng v.v….Cấu tạo chủ yếu của hệ thống sấy phun gồm một bơm dịch thể, một buồng sấy hình trụ trong đó người ta bố trí các vòi phun và cuối cùng là xyclon để thu hồi sản phẩm bay theo tác nhân sấy. Vật liệu sấy được bơm nén qua vòi phun vào buồng sấy dưới dạng sương mù, ở đây vật liệu sấy trao đổi nhiệt ẩm với tác nhân sấy. Phần lớn sản phẩm sấy được sấy khô dưới dạng bột rơi xuống dưới, phần còn lại bay theo tác nhân sấy đi qua xyclon và được thu hồi trở lại. 2> Thiết bị sấy tiếp xúc a> Thiết bị sấy tiếp xúc bề mặt. Thiết bị sấy tiếp xúc bề mặt được sử dụng trong công nghiệp dệt, công nghiệp giấy hoặc trong công nghiệp thực phẩm để sấy vải, giấy ... Bộ phận chủ yếu của thiết bị này là một hình trụ tròn. Vật liệu sấy được đặt tiếp xúc trực tiếp trên một phần của bề mặt đốt nóng. Trong thiết bị sấy tiếp xúc hình trụ tròn, bề mặt được đốt nóng bằng hơi nước bão hoà. Vật liệu sấy được nhận trực tiếp từ bề mặt đốt nóng bằng dẫn nhiệt và ẩm thoát ra ngoài có thể trực tiếp đi vào không gian của máy hoặc trong một buồng sấy riêng có hệ thống quạt thải ra môi trường. Thiết bị sấy tiếp xúc có cường độ sấy cao và hiệu quả sử dụng năng lượng cũng tương đối cao. Để tăng cường quá trình sấy trong thiết bị sấy tiếp xúc có thể có hai cách: Cách thứ nhất tăng nhiệt độ bề mặt đốt nóng. Bề mặt đốt nóng thường duy trì nhiệt độ khoảng 100 ¸ 1100C. Để tăng nhiệt độ này ta phải tăng áp suất của hơi nước bão hoà, điều đó dẫn đến một loạt các vấn đề liên qua đến lò hơi và hệ thống dẫn hơi hoặc phải dùng lò hơi làm việc môi chất có nhiệt độ bão hoà cao như: difenyl, difenyl oxyt ... Cách thứ hai là kết hợp giữa thiết bị sấy tiếp xúc với sấy đối lưu. Trong thiết bị sấy tiếp xúc - đối lưu hỗn hợp. Một mặt vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ bề mặt đốt nóng, còn mặt kia nhận nhiệt từ một tác nhân sấy bằng truyền nhiệt. Đôi khi để tăng cường truyền nhiệt và để tăng chất lượng sản phẩm người ta còn dùng thiết bị sấy tiếp xúc - bức xạ hỗn hợp. b> Thiết bị sấy tiếp xúc trong môi trường chất lỏng. Thiết bị này là thiết bị chuyên dùng để sấy gỗ và một số vật liệu khác. Trong thiết bị sấy này để sấy gỗ người ta thường dùng chất lỏng là các chất hữu cơ, sản phẩm của công nghiệp dầu mỏ. Ưu điểm của thiết bị sấy kiểu này là cường độ sấy cao, do đó thời gian sấy giảm đi rất nhiều. Ví dụ: gỗ thông tấm dày 25 mm có độ ẩm ban đầu 60% và độ ẩm cuối 12% thì thời gian sấy khoảng 6 ¸ 8 giờ. Trong lúc đó nếu sử dụng thiết bị sấy đối lưu, dùng không khí nóng làm tác nhân sấy chúng ta cần khoảng 60 ¸ 70 giờ. Nhược điểm của thiết bị này là khó đảm bảo vệ sinh công nghiệp và tổn thất tác nhân (chất lỏng nóng) khá lớn, khoảng 20 kg/m3 sản phẩm. Ở Việt Nam công nghiệp chế biến thực phẩm người ta cũng dùng thiết bị sấy tiếp xúc trong chất lỏng nóng để gia công một số sản phẩm thực phẩm, chẳng hạn để sản xuất mì ăn liền ... Ở đây, sản phẩm không những được sấy mà còn được tẩm các hương vị và các hương liệu cần thiết. Vì vậy, trong công nghiệp thực phẩm người ta gọi thiết bị sấy loại này là thiết bị chiên và quá trình sấy gọi là quá trình chiên. Tác nhân sấy - tẩm ở đây thường dùng là những loại dầu thực vật ăn được như macarin... thiết bị này được dùng khá phổ biến ở nước ta. 3> Thiết bị sấy bức xạ. Thiết bị sấy bức xạ dùng điện năng thường được dùng để sấy các vật liệu dạng tấm phẳng như giấy, vải hoặc các màng mỏng của các chi tiết máy sau khi sơn, phim ảnh sau khi tráng rửa. Ưu điểm của sấy bức xạ là cường độ sấy khá lớn so với sấy tiếp xúc hoặc sấy đối lưu. Ví dụ trong sấy tiếp xúc với nhiệt độ tác nhân là 1000C, tốc độ tác nhân là 2 m/s dòng nhiệt truyền cho vật liệu sấy chỉ đạt 870 W/m2. Trong thiết bị sấy bức xạ, nếu bề mặt bức xạ có nhiệt độ 6000C thì dòng nhiệt có thể đạt được 26000 W/m2 nghĩa là lớn hơn khoảng 30 lần. Ưu điểm thứ hai của sấy bức xạ là do tia bức xạ có thể đi sâu vào trong lòng vật liệu sấy. Do đó gradien nhiệt độ không lớn, điều đó dẫn đến quá trình truyền chất trong lòng vật được tăng cường, vật liệu sấy khô đồng đều hơn. Nhược điểm cơ bản của thiết bị sấy bức xạ là tiêu tốn nhiều điện năng. Phần 3: Lựa chọn phương án sấy Theo những ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp sấy ở trên ta thấy với năng suất tương đối lớn ta chọn phương án sấy là sấy hầm. Vì sấy hầm là một phương pháp sấy khá phổ biến, có thể sấy liên tục hoặc gián đoạn, dễ sử dụng, dễ vận hành, dễ chế tạo và vốn đầu tư ban đầu không quá cao và cũng có thể dùng để sấy các sản phẩm cần sấy khác. Phần 4: Tính toán hệ thống I. Chọn nhiệt độ tác nhân: Ta chọn nhiệt độ tác nhân vào là 800C và nhiệt độ tác nhân ra là 400C để tránh hiện tượng đọng sương. Trong giai đoạn sấy sơ bộ, chọn độ ẩm nguyên liệu vào là 60% vì lượng ẩm một phần do quá trình gia nhiệt và nghiền. Độ ẩm sản phẩm ra là 20%. Giai đoạn sấy khô lần cuối, độ ẩm nguyên liệu vào là 20% và độ ẩm sản phẩm là 14%. II. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống. III. Tính nhiệt cho hầm sấy. 1. Năng suất sấy và năng suất bốc hơi ẩm. Năng suất sấy tính theo yêu cầu G2 = 48 kg/h Năng suất sấy tính theo vật liệu ẩm: kg/h Trong đó: w1 - Độ ẩm sản phẩm ra w2 - Độ ẩm nguyên liệu vào Năng suất bốc hơi ẩm: W = G1 - G2 = 96 - 48 = 48 kg/h 2. Xây dựng quá trình sấy lý thuyết và tính lượng không khí cần thiết:. * Lượng tác nhân sấy cần thiết theo lý thuyết: Với điều kiện nhiệt độ, áp suất trung bình ở miền Bắc được chọn t0 = 250C j0 = 85% B = 745 mmHg Tra đồ thị I - d ta tìm được độ chứa ẩm d0 và entapi I0 của không khí ở trạng thái này: d0 = 17 g/kg không khí I0 = 65,5 KJ/kg không khí Chọn thông số tác nhân sấy khi vào hầm sấy: t1 = 800C d1 = d0 = 17 g/kg không khí Tra đồ thị I - d tìm được entapi I1 = 125 KJ/kg không khí Chọn t0 ra của không khí là t2 = 400C Nếu quy trình sấy không có tổn thất nhiệt thì ta sẽ được qui trình sấy lý thuyết và tra đồ thị I - d ta tìm được d20 = 32 g/kg không khí. Ta tìm được sơ bộ lượng không khí khô là: kg không khí/kg ẩm L0 = W.l0 = 48.66,6 » 3196,8 kg không khí/h Hình 14: Đồ thị quá trình sấy lý thuyết Với nhiệt độ ˚C và =6%. Theo bảng “thể tích không khí ẩm trong kg không khí kho “ ta xác định đợc thể tích tác nhân sấy tại điểm B (=6%, t = 800C, vB = 1,07). m3/h Thể tích tác nhân sấy tại điểm C (=65%, t = 400C, vC =0,95). ==3196,8.0,95 =3037 m3/h Thể tích tác nhân sấy tại điểm A (=85%, t = 250C,vA = 0,9) = 3196,8.0,9 = 2877 m3/h Do đó lưu lượng thể tích trung bình của hầm sấy bằng: m3/h Hay m3/s IV. Xác định kích thước hầm sấy. 1. Kích thước phên phơi bánh: Phên vật liệu là nứa đan lồng một, kích thước lỗ 15x15. Mỗi phên có kích thước là: DxRxC =1600x600x10.Phên được đặt nằm ngang trên các gò hàn trên xe. Chọn kích thước giữa 2 phên liên tiếp là 26mm một xe có 2 tầng. mỗi tầng xếp 20 phên. Hai tầng xếp 40 phên. Sản phẩm 1phên khi ra là 0,3 kg/phên. Một hầm sấy chứa 4 xe. Vậy số sản phẩm của 1 lần sấy là: 40() x 4 (xe) x0.3kg = 48 kg sp/mẻ sấy. 2> Kích thước xe: Dài : 1600 + 30 = 1630 mm. Rộng : 600 + ( 2x15) = 630mm. Cao : (10 x 40) + (40 x 26)= 1450mm Hầm sấy chứa 4 xe sấy dài 1830 .Hai đầu hầm có hai khoảng trống để phân gió. Vậy hầm có kích thước (kích thước trong): Dài : 1630 x 4 + 455 x 2 = 7430 mm. Rộng : 630 + (2 x 30) = 690 mm. Cao : 1450 + 50 = 1500 mm. Sau khi xác định kích thước trong của hầm ta quyết định kết cấu tường, trần, nền hầm sấy.Tường hai bên được xây bằng gạch đỏ, mỗi lớp 110. Trần hầm sấy gồm hai lớp lớp bê tông cốt thép dày 70 mm (tấm đan) và lớp xỉ cách nhiệt dày 100 mm. Nền hầm sấy được xử lý bình thường gồm một lớp bê tông gạch vỡ, một lớp xỉ than cách nhiệt sau đó láng một lớp xi măng. Cửa hầm sấy làm bằng tôn hai lớp giữa có bông thuỷ tinh cách nhiệt Như vậy hầm sấy có kích thước ngoài là: Dài : 7430 mm Rộng : 690 + 2 x 150 = 990 mm. Cao : 1500 + 150 = 1650 mm. Diện tích hai bên tường là: 2 x 7430 x 1650 =24,5 m2 Diện tích trần hầm sấy: Ftr = 7430 x 990 = 7,4 m2 V. Tính toán nhiệt cho hầm sấy. Tính nhiệt cho hầm sấy với nội dung là tính tổng tổn thất nhiệt trong tất cả các trường hợp để từ đó biết được nguồn năng lượng loại nào và sẽ sử dụng bao nhiêu kg để có thể cho được nhiệt lượng đã tổn thất trong quá trình sấy. Hoặc nói một cách cụ thể là bằng tổng nhiệt sinh ra. 1. Nhiệt lượng cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm: q1 = i2 - Ca.q1 = 2500 - 4,18 x 25 = 2396 kJ/kg ẩm. Hoặc nhiệt lượng cần thiết để bốc hơi W kg ẩm trong 1 giờ sẽ là: Q1 = W x q1 = 48 x 2396 = 115008 kJ/h. 2. Tổn thất nhiệt do 1kg vật liệu sấy mang đi: Trong đó: G2 = 48 kg/h: lượng sản phẩm lấy ra trong thời gian một giờ W = 48 kg/h: lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ Cvl: nhiệt dung riêng của bánh phở Cvl = 3,5 kJ/kgđộ. - nhiệt độ vật liệu khi vào và ra: =25˚C; =40˚C Do đó: kJ/kg ẩm. Hoặc nhiệt lượng tổn thất do bốc hơi W kg ẩm của vật liệu trong một giờ: Q2 = q2 x 48 = 53 x 48 = 2544 kJ/h. 3. Tổn thất do xe mang đi: Xe làm bằng thép thẳng 40 x 40 hàn thành khung.Dưới có bốn bánh xe, mỗi xe nặng 50 kg ® Bốn xe nặng: 50 x 4 = 200 kg. Vậy nhiệt lượng để đốt nóng xe: Q3=m.C3.(t2 - t1). Trong đó: M = 200 kg - khối lượng của 4 xe. C3 = 0,44 kJ/kg độ - nhiệt dung riêng của thép hàn xe. t1=250C; t2=800C - nhiệt độ đầu và cuối của xe. Do đó: Q3 = 200 x 0,44 x (80 - 25) = 4840 kJ/kg ẩm. ® kJ/kg ẩm. 4. Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh. 4.1> Tổn thất nhiệt qua hai tường bên (QI): * Giả thiết tốc độ tác nhân sấy: Để tính tổn thất ra môi trường chúng ta giả thiết tốc độ tác nhân sấy trong hầm thông qua kết cấu của hầm đã xác định và kích thước của xe goòng đã chọn, ta tính được tiết diện tự do của hầm sấy bằng: Tiết diện hầm sấy: FH = BH.HH = 690 x 1500 = 1035000 = 1,04 m2 T (mặt cắt ngang) Tiết diện phên chiếm: 600 x 10 x 40 = 240000 = 0,24 m2 Tiết diện khung xe chiếm : 7(m) x 0,04 = 0,28 m2 Tiết diện bánh xe và tấm chắn dưới: 1000 x 200 = 200000 = 0,2 m2 Tiết diện chiếu tổng: Fe = 0,24 + 0,28 + 0,2 = 0,72 m2 Tiết diện tự do: F = 1,41 - 0,72 = 0,69 m2 ® Vì lượng tác nhân sấy trong quá trình sấy thực phải lơn hơn lưu lượng tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết nên tốc độ tác nhân sấy giả thiết để tính toán các tổn thất cũng phải lớn hơn w0. Ta giả thiết trước tốc độ tác nhân trong hầm sấy v = 1,6 m/s. Tính tổn thất nhiệt ra môi trường xunh quanh, ta sử dụng công thức: Q4 = 3,6.K.F.t [1] Trong đó: F: Diện tích hai bên tường sấy. F = 2.H.L = 2.7430.1650 = 24,5 m2 K: hệ số truyền nhiệt: [4] + Tính 1 : Hệ số cấp nhiệt từ trong hầm đến mặt trong của tường. Với giả thiết v = 1,6 m/s, a1 được tính như sau: a1 = 6,15 + 4,17.v = 6,15 + 4,17.1,6 = 12,8 W/m20K Dòng nhiệt do tác nhân truyền cho mặt trong của tường hầm sấy bằng: q1=1(t2 - t1). Ở đây: t1 : nhiệt độ trung bình trong hầm sấy. 0C tT1: nhiệt độ mặt tường trong hầm sấy. Giả sử t1 và tT1 chênh lệch nhau 3,5 0C và tT1=60-3,5 = 56,50C Ta có: q1=12,8 x 3,5 = 44,8 W/m2 + Tính 2: Nhiệt độ mặt ngoài tường tính theo công thức: Ở đây t : chiều dày tường gạch t =0,15 m. t : hệ số dẫn nhiệt của gạch: t=1,45 W/mđộ Biết nhiệt độ trong phòng đặt thiết bị t2 = 30 0C và nhiệt độ mặt ngoài tường hầm sấy tT2 = 410C. Ta tìm được nhiệt độ chênh lệch giữa mặt tường ngoài và môi trường là: tT2 - t2 = 41 - 30 = 110C. Nhiệt độ trung bình không khí gần ngoài mặt tường ngoài là: tm = (41 + 30)/2 = 35,50C. Từ nhiệt độ này ta tìm được các thông số của khí: Theo tài liệu [3] ta tìm được các thông số của không khí: = 2,65.10-2 W/mđộ n = 15,8.10-6 m2/s Pr = 0,70 Vậy tiêu chuẩn Gratgôp là: Gr== Trong đó: g : gia tốc tự do g = 9,81 m/s. : hệ số trao đổi nhiệt : hiệu nhiệt độ tường và môi trường Dt = 110C : độ nhớt động học. l : chiều cao hầm. l = 1,5 m. Tiêu chuẩn Nuxen trong truyền nhiệt đối lưu tự nhiện bằng: Nu = C.(Gr.Pr)n = 0,135.(4,72.109.0,7)1/3= 202 Vậy hệ số truyền nhiệt 2 bằng: =3,57 W/m20K Như vậy dòng nhiệt truyền từ mặt ngoài tường hầm sấy vào môi trường bằng: q2 = 2.2 = 3,57.11 = 39,5 W/m2 . Sai số giữa dòng nhiệt từ hầm sấy ra tường và từ mặt ngoài tường ra môi trường: Dq% = =1,2%. Sai số này < 5% nằm trong giới hạn cho phép của công thức trên nên ta chấp nhận giả thiết trên là đúng. Thay số vào cho trường hợp một vách, ta tính được hệ số truyền nhiệt K: ==2,13 W/m2 độ Tổn thất qua hai tường bên là: QT =3,6.KT.FTt =3,6 x 2,13 x 24,5 x (80 - 40) = 7514 kJ/h Hay: kJ/kg ẩm 4.2> Tổn thất nhiệt qua trần: Tổn thất nhiệt qua trần cũng tính tương tự. Hệ số cấp nhiệt đối lưu tự nhiên giữa trần và môi trường: = 1,2 x 3,57 = 4,3 W/m20K Do đó: W/m2độ. Vậy: Qtr = 3,6.KtrFtr.t Qtr=3,6.1,92.7,4.(60-30) = 1534 kJ/h Hay: qtr = kJ/kg ẩm Trong đó: 2,3 : Chiều dày trần lớp bê tông và lớp xỉ than. 2,3: Hệ số dẫn nhiệt của bê tông và xỉ than. Ftr : Diện tích trần. t :Chênh lệch nhiệt độ trung bình trong hầm và phòng máy. 4.3> Tổn thất nhiệt qua cửa: Cửa hầm làm bằng thép 2 lớp giữa có lớp cách nhiệt bông thủy tinh dày 50 mm = 0,05 m. Công thức tính như sau: Qc=3,6Kc .Fct [2] Trong đó: Fc =2.HHBH = 2 . 1650 . 990 = 3267000 = 3,3 m2 ® t = (80 + 40)/2 - 25 = 350C. Kc :hệ số truyền nhiệt qua cửa. Trong đó: 1 =11,15 : hệ số cấp nhiệt từ hầm đến mặt trong cửa. 2 = 4,04 : Hệ số cấp nhiệt từ mặt ngoài cửa đến môi trường. 1 = 0,04 : Hệ số dẫn nhiệt của bông thủy tinh. =0,05m : Chiều dày cửa bằng bông thủy tinh. Thay số vào ta tính KC: W/m20K Do đó: Qc=3,6 x 0,6 x 3,3 x 35 = 249,48 kJ/h Hoặc: kJ/kg ẩm. 4.4> Tổn thất nhiệt qua nền: Mật độ dòng nhiệt tổn thất qua nền được lấy theo kinh nghiệm: qn = 10 W/m2 [6] Công thức tính nhiệt lượng tổn thất qua nền: Qn = 3,6.Fn.qn [2] Qn = 3,6 x 7,4 x 10 = 266,4 kJ/h. Trong đó: Fn = Ftr = 7,4 m2 4.5> Tổng tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che: Q4=QT + Qtr + Qc + Qn Q4 = 7514 + 4840 + 309 + 266,4 = 12870 kJ/h. Hay: kJ/kg ẩm 5. Tổng tất cả các tổ thất bằng. QS =Q2 + Q3 + Q4 Thay số vào, ta được: QS = 2544 + 4840 + 12870 = 20254 kJ/h Hay: kJ/kg ẩm. VI. Tính toán quá trình sấy thực. 1. Xây dựng đồ thị cho quá trình sấy thực. Trạng thái không khí ngoài trời được biểu diễn bằng điểm A với các thống số (t0 = 250C, j = 85%). Trạng thái tác nhân sấy trước khi vào buồng sấy được biểu diễn bằng điểm B (t1 = 800C, d1 = d0 = 17 g/kg không khí). Đồ thị quá trình sấy thực Nếu trong quá trình sấy không có tổn thất nhiệt thì ta sẽ được quá trình sấy lý thuyết là đoạn BC0. Nhưng như ở trước đã tính, tổn thất nhiệt trong hầm sấy là một giá trị âm nên quá trình sấy thực tế sẽ chạy theo đường BC. Dựa vào giá trị qå đã tính, ta sẽ tìm được điểm C. Theo công thức: D = Ca.q1 - qå Trong đó: Ca: nhiệt dung riêng của nước. q1 = 25 0C: Nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ nước. Thay số ta có: D = 4,18.25 – 363,4 » - 258,9 kJ/kg ẩm Do D có giá trị âm nên điểm C nằm ở phía dưới điểm C0. Ta xây dựng đồ thị quá trình sấy thực như sau: Trên đồ thị sấy lý thuyết AB C0: Trên đường BC0 ta lấy một điểm E bất kỳ. Từ E kẻ một đường song song với trục 0d cắt AB tại điểm F. Từ E kẻ một đường song song với trục OI. Trên đường thẳng kéo dài đó ta lấy một điểm D. Đoạn ED được xác định như sau: ED = DF. Ở đây: D là giá trị ta vừa tính trên. m = 1000. Trong đó: MI : Tỷ lệ xích trên trục tung: MI =1,8 mm/kg. Md : Tỷ lệ xích trên trục hoành: Md = 3,7 mm/kg. EF = 57 mm Do thực trên đồ thị khác Ta có: mm Nối điểm B(d1 = d0; t1 = 800C) với điểm D cắt đường t2= 40 0C ta được điểm C. Điểm C chính là trạng thái tác nhân của không khí sau hầm sấy. Từ điểm C ta tìm được: I2 =121 KJ/kg kk d2 = 30 g/kg kk 2.Xác định lượng không khí thực tế cần cho quá trính sấy. a> Lượng không khí. + Lượng không khí khô cần bốc hơi 1 kg ẩm: kg kk/kg ẩm. + Lượng không khí khô cần để bốc hơi W kg ẩm trong một giờ. L = l.W = 77 x 48 = 3696 kg kk/kg ẩm. +Lượng tác nhân đi vào hầm sấy (tại điểm B, sau calorifer): L B = (1 + d0).L LB = (1 + 0,017).3696 = 3758,8 kg/h. + Tương tự lượng tác nhân ở điểm C được tính: L C= (1 + d2).L LC = (1 + 0.03).3696 =3806,9 kg/h. b> Thể tích tác nhân ở các điểm A, B, C. Theo [6] VA = LA.vA =3696 x 0,9 = 3326,4 m3/h. VB = LB.vB = 3758,8 x 1,07 = 4022 m3/h. VC = LC.vC = 3806,9 x 0,95 =3616,6 m3/h. Thể tích trung bình của tác nhân sấy trước và sau quá tình sấy thực là: VTB = (VB + VC)/2 = (4022 + 3616,6)/2 = 3819,3 m3/h VTB = 3819,3/3600 = 1,06 m3/s 3. Kiểm tra tốc độ tác nhân sấy trong hầm: Tốc độ thực của tác nhân chuyển động trong buồng sấy: Với giả thiết ban đầu v = 1,6 m/s. Vậy sai số là: . Sai số nằm trong phạm vi ứng dụng công thức tính hệ số cấp nhiệt . 4. Cân bằng nhiệt và hiệu suất buồng sấy. a> Cân bằng nhiệt. Trước hết ta tính tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi Q5 và q5: Q5 = L.Ck(t2- t0) Trong đó: L- lượng tác nhân trung bình trước và sau hầm sấy; L=3819,3 m3/s Ck - nhiệt dung riêng của không khí; Ck = 1,005 kJ/kg độ. t2 - nhiệt độ không khí ra khỏi hầm sấy. t1 - nhiệt độ không khí ra ngoài trời Thay các giá trị vào công thức trên ta có: nhiệt tổn thất do tác nhân mang đi: Q5= 3819,3 x 1,005 x (40 - 25) = 57576 kJ/kg ẩm. Hay: kJ/kg ẩm Ta có bảng cân bằng nhiệt sau đây: TT Đại lượng Ký hiệu kJ/kgẩm % 1 Nhiệt lượng có ích q1 2396 60,2 2 Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy q5 1200 30,1 3 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra q2 53 1,4 4 Tổn thất nhiệt do xe mang ra q3 101 2,5 5 Tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh q4 268 5.8 6 Tổng nhiệt tiêu hao q 4018 100 Hiệu suất hầm sấy: V nI. Tính toán diện tích truyền nhiệt và lượng than cho quá trình sấy: 1. Tính bề mặt truyền nhiệt. Chúng ta sấy bằng phở bằng khói lò gián tiếp. Than cháy sinh khói lò. Khói lò đốt nóng ống sấy nhiệt, quạt thổi gió đi trong ống nhiệt, ở đây không khí nhận nhiệt từ thành ống rồi đi vào hầm sấy để sấy vật liệu. Ta có phương trình cân bằng nhiệt sau đây: Lượng nhiệt khói mất đi bằng lượng nhiệt không khí sấy nhận (bỏ qua tổn thất): QK = GK.CK(tkv - tkr) = GKK..CKK(t1 - t2) Trong đó: GKK; GK - Lượng khói chạy ngoài ống và lượng không khí chạy trong ống. CK; CKK - Nhiệt dung riêng trong bình của khói và của không khí sấy. tkv - nhiệt độ của khói vào. tkr- nhiệt độ của khỏi ra. GKK - lượng không khí chuyển động trong ống. t1; t2 nhiệt độ ra và vào của không khí sấy; t1=800C; t2= 250C. Ta có phương trình truyền nhiệt: Qk =k.F.t [4] Trong đó: K - Hệ số truyền nhiệt, W/ m2 độ. F - bề mặt trao đổi nhiệt, m2. Dt - hiệu nhiệt độ trung bình. Tính hệ số truyền nhiệt: ; Trong đó: aK - hệ số cấp nhiệt của khói đến bề mặt ngoài ống. aKK - bề mặt trong ống đến không khí trong ống. d, l - bề dày và hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép; d = 0,005 m; l= 46,5 W/m độ. Chọn nhiệt độ của khói vào là: tkv =6000C; có Ck = 1,214 kJ/kg độ. [4] Lưu lượng của khói ngoài ống chọn Gk=1 kg/s. Ta đã tính được nhiệt lượng tiêu hao (nhiệt lượng cần thiêt) cho quá trình sấy: Khi bỏ qua tổn thất của môi trường thì nhiệt của không khí nhận Q bằng nhiệt của khói nhả ra Qk và bằng nhiệt truyền qua vách ống Q2: Q = Qk = Q2 = 41,16 kJ/h. Để tìm nhiệt độ của khói ta dùng công thức: tKR = tKV - [4] Ta có: Nhiệt độ trung bình của khói: * Xác định hệ số cấp nhiệt của khó lò cho thành ống: Ta có: [11] Trong đó: d2 - đường kính ngoài của ống d2 = 60 =0,06 m. l2 - Hệ số dẫn nhiệt của khói lò l2 = 0,0742 W/m độ. aK - Hệ số cấp nhiệt của khói. Mặt khác các hàng ống ở đây ta xếp so le nhau, nên theo chuẩn số Nuxen ta có thể tính theo công thức sau: Nu = 0,41.Re0,6.Pr0,33.A.e s [4] Trong đó: Pr = 0,62 [4] A - hệ số kể đến ảnh hưởng của chiều dòng nhiệt. Do Pr thay đổi ít nên: Với ống thẳng es =1 Re= [4] Trong đó: wk - tốc độ của khói, chọn wk = 1 m/s. d2 = 0,06 m - đường kính ngoài của ống. gk = 93,61.10-6 , m2/s Thay số vào ta có: Vậy ta có: Nu = 0,41.Re0,6.Pr0,33.A.s Nu= 0,41.(6400)0,6.(0,62)0,33.1.1 = 123 Hệ số cấp nhiệt aK được tính như sau: W/m2 độ * Xác định hệ số cấp nhiệt aKK từ mặt trong ống đến không khí sấy (tác nhân sấy): [11] Trong đó: d 1 - đường kính ống dẫn, d1 = 0,06 m (lấy d1= d2). lKK - hệ số dẫn nhiệt của tác nhân sấy, lKK = 0,0283 W/m độ. aKK - Hệ số cấp nhiệt của mặt trong ống đến tác nhân sấy. Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy: Trong đó: lKK = 18,25.10-6 m2/s - độ nhớt của tác nhân ở 55˚C. d1 = 0,06 m - đường kính trong ống. wkk=3,5 m/s (chọn). ® Vì Re > 1.104 nên không khí sấy trong ống chảy rối, ta áp dụng công thức: Nu =0,21.Re0,8.Pr0,43.A.es.e1 [4] Trong đó: Pr - chuẩn số Prant Pr = 0,697 [4] A = 1. e1 = 1; eR = 1. Thay vào công thức tính Nu: Nu = 0,21.(1,15.104)0,8.(0,697)0,43.1.1.1 = 210 Thay vào tính KK: W/mđộ Và hệ số truyền nhiệt K: K= W/m2 độ. * Xác định hiệu nhiệt độ trung bình Dt: [4] Trong đó: Dtd = tKKR - tKKV = 80 - 25 = 550C. Dtc =tkv - tKR = 600 - 566 = 340C. Thay số vào ta có: ttb= * Thay các giá trị vào ta tìm được diện tích truyền nhiệt F như sau: * Tính số ống dẫn nhiệt: Nếu chọn ống f60, dài 1,2m thì diện tích bề mặt ngoài của 1m là: F0 = p.fô.L = 3,14 x 0,06 x 1,2 = 0,226 m2 ® Vậy số ống trao đổi nhiệt sẽ là: ống 2. Tính lượng than tiêu thụ: Nếu lấy hiệu suất của buồng đốt là = 60% = 0,6. Nhiên liệu ta sử dụng là than có các thành phần tính theo phần trăm như sau: C = 36,70; H = 2,70; S = 3,2; N = 0,7; O = 11,1; A = 20,60; W = 25 Nhiệt dung riêng của nhiên liệu Cnl = 0,5 kcal/kg độ. Nhiệt trị cao của nhiên liệu xác định theo công thức sau: Qc= 81.C+300.H - 26.(O - S) Thay số vào ta có: Qc = 81 x 36,7 + 300 x 2,7 - 26 x (11,1 - 3,2) = 3577 kcal/kg. Qc = 14952 kJ/kg. Chúng ta đã có nhiệt lượng tiêu hao cần cho quá trình sấy là: Q = 149040 kJ/h. Vậy lượng than cần cho quá trình sấy là: 3. Diện tích gi lò: Số ống f60 là L = 1200. Cách bố trí ống như sau: Chiều ngang 5 ống cách nhau tB =120 mm. Chiều cao 14 hàng ống. Hai hàng liên tiếp xếp so le nhau khoảng cách hàng theo chiều cao th=60. ® Vậy diện tích gi lò được chọn: Rộng : Bg = 500 mm. Dài : Dg = 700 mm. Lượng than cho vào đợt đầu: Lớp than dày 10 (HT). Tđ = Bg.Dg.HT.g Tđ = 0,5.0,7.0,01.0,9 = 0,0315 tấn = 31,5 kg Với: g - khối lượng riêng của than đá g = 0,9 T/m3. VII. Tính toán khí động và chọn quạt gió. 1. Quạt và cách chọn quạt. 1.1. Các loại quạt dùng trong hệ thống sấy. Để vận chuyển tác nhân sấy trong các hệ thống sấy thường dùng hai loại quạt: quạt ly tâm va quạt hướng trục. Chọn loại quạt nào, số hiệu bao nhiêu phụ thuộc vào đặc trưng của hệ thống sấy, trở lực mà quạt phải khắc phục Dp, năng suất mà quạt cần tải V cũng như nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy. Khi chọn quạt, giá trị cần phải xác định là hiệu suất của quạt, số vòng quay của quạt. Quạt ly tâm chia làm ba loại theo tổng cột áp mà nó tạo ra Dp: Quạt hạ áp: Dp £ 100 mmH2O. Quạt trung áp: Dp = (100 ¸ 300) mmH2O. Quạt cao áp: Dp ³ (300 ¸ 1500) mmH2O. Căn cứ vào vòng quay riêng nN ta chia chúng thành các nhóm sau: Quạt quay chậm : nN = 100 ¸ 200; Quạt quay vừa : nN = 200 ¸ 600; Quạt quay nhanh : nN = 600 ¸ 1200; Quạt quay đặc biệt nhanh : nN = 1200 ¸ 4000. Để tiện cho công việc lắp đặt theo yêu cầu sử dụng, người ta sản xuất quạt ly tâm có hai chiều quay với các giá trị gá đỡ khác nhau. Nếu roto của quạt quay theo chiều kim đồng hồ chúng ta có loại quạt quay phải và ngược lại ta có quạt quay trái. Quạt ly tâm có thể gắn trực tiếp với động cơ điện qua một bánh đai. 2. Tính chọn quạt. Đối với hệ thống sấy này ta chọn quạt là dạng quạt đẩy. Vậy lượng không khí mà quạt cần đẩy chính là lượng không khí có trạng thái điểm A. Với VA = 2877 m3/h. Công suất của quạt được xác định theo công thức: , kW [7] Trong đó: V- lưu lượng thể tích của không khí, m3/s. H0 - Tổng trở lực của hệ thống đã quy về điều kiện tiêu chuẩn, mmH2O ; mm H2O Trong đó: r0 - khối lượng riêng của không khí ở điều kiện tiêu chuẩn, r0=1,29 kg/m3. rtb - khối lượng riêng trung bình của không khí trong buồng sấy, kg/m3 hq- hiệu suất của quạt. Công suất động cơ điện là: Trong đó: Kđc - Hệ số an toàn. hk- hiệu suất của khớp nối. H - Trở lực thủy lực của toàn bộ hệ thống, N/m2 2.1> Tính trở lực của hệ thống. Áp suất của quạt H bằng tổng áp suất động năng Hd và áp suất tĩnh (bỏ qua chiều cao địa lý vì khối lượng riêng của không khí nhỏ): H = Ht + Hd Trong đó: Ht: tổng tổn thất tĩnh của đường ống: ; m Hd: tổn thất áp suất động năng: ; m 2.1.1> Tổn thất tĩnh của đường ống: Tổn thất tĩnh của đường ống bao gồm tổn thất cục bộ và tổn thất do ma sát của đường ống và hệ thống: [8] H1 cũng có thể được tính như sau: H1 = S.l.R + S.z ; mmH2O. Trong đó: l - hệ số ma sát giữa dòng khí và ống l, d - chiều dài và đường kính ống, m x - hệ số trở lực cục bộ w - vận tốc không khí trong ống, m/s r - khối lượng riêng của không khí, kg/m3 R - hệ số tổn thất trở lực do ma sát trên 1m ống thẳng (mmH2O/m) tra đồ thị . z - trở lực cục bộ (mmH2O) phụ thuộc vào cấu tạo các đoạn ống to, nhỏ, đột thu, đột mở, van, cút.... + Tính trở lực cục bộ và ma sát trên đoạn ống cong và ống thẳng: + Trở lực của cút cong: Ống đưa tác nhân đến hầm sấy tiết diện 200 x 200 thì đường kính tương ứng là: [8] Trong đó: a, b - kích thước các cạnh của ống. a = b = 200 mmm = 0,2 m Vậy: [8] Z được xác định như sau: ; mmH2O Với: x - trở lực cục bộ, tra bảng [129 - 8], R* = 400, D = 200 ® x = 0,1 g - trọng lượng riêng của không khí, N/m3, g=g.rK=9,8.1,029=10;[N/m3]. g - gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s2. rK - khối lượng riêng của không khí ở 600C; rK = 1,029 kg/m3 w - vận tốc không khí trong ống: ; Với Q = 2772 kg không khí/h ® Ta có: Thay số vào ta tính được Z: Máy sấy có 1 cút và 2T ta tính tương tự 3 cút, vậy: SZ = 19,2.3 = 57,6 » 58 mmH2O. + Trở lực tại các đoạn ống thẳng: Tổng các đoạn ống thẳng 5000 mm =5 m Trở lực trên đoạn ống thẳng = LR R - tổn thất trở lực do ma sát trên 1m chiều dài, R phụ thuộc vào: R = f(w, d, v) Với tốc độ: w = 19,4 m/s Đường kính ống: dtd = 200 mm. Lưu lượng gió: Trên đồ thị [127-8] ta tra được: R = 3 mmH2O/m. Vậy trở lực trên đoạn ống thẳng: Sl.R = 5.3 = 15 mmH2O. Và : H1 = Sl.R + SZ H1 = 15 + 58 = 73 mmH2O. + Trở lực của calorifer (buồng đốt). Calorifer khói lò (buồng đốt) có kích thước: Dài x Rộng x Cao = 900 x 720 x 1680 Số ống là 70 ống fô = 60. Ống xếp so le nhau, 14 hàng theo chiều cao và 5 hàng theo chiều ngang. Các hàng ngang cách nhau 120 mm Các hàng theo chiều cao ống cách nhau 60 mm Gió được quạt hút đi trong ống * Tính tốc độ gió đi trong ống. + Tiết diện của 70 ống: Sô = 70.p.r2 = 70.3,14.0,032 = 0,22 m2. + Lượng khí quạt hút: 0,747 m2/s = Q Tốc độ gió trong ống: m/s Với các thông số: n = 3,4 m/s; V = 0,747 m3/s; d = 60 mm. Tra bảng trang [127-XII] ta được: R = 0,38 Số ống f60 dài: 70.1,2 = 84 m Vậy trở lực của buồng đốt: Sl.R = 84.0,38 = 31,92 mmH2O » 32 mmH2O + Trở lực trong hầm sấy: Buồng sấy sấy các tấm bánh xếp song song theo phương thẳng đứng. Ta xem như không khí chuyển động theo các kênh song song có kích thước: Chiều dài kênh là chiều dài hầm L = 6400 Chiều cao là chiều cao tấm phên h = 650 Chiều rộng bằng khoảng cách giữa 2 tấm B = 40 Và nếu xem không khí chuyển động theo các kênh như vậy trong hầm thì toàn bộ hầm có 42 kênh. Ta tính trở lực trong hầm: - Tốc độ gió trong hầm: Trong đó: F: diện tích tự do của hầm sấy F = 0,75 m2 V: lưu lượng gió V = 0,747 m3/s Đường kính tương đương; Trở lực trên 1m chiều dài R = 0,04 mmH2O. Trở lực 1 kênh: 6,4 m x 0,04 = 0,256 mmH2O. ® Trở lực 42 kênh của buồng sấy: 0,256 x 42 » 10,5 mmH2O. » 11 mmH2O. Trở lực (tổn thất) do áp suất tĩnh: Trở lực trên các đoạn cút cong = 58 mmH2O. Trở lực trên đoạn ống thẳng = 73 mmH2O. Trở lực qua buồng đốt = 32 mmH2O. Trở lực trong hầm sấy = 11 mmH2O. Ht = 58 + 73 + 32 + 11 = 147 mmH2O. 2.1.2> Trở lực do động năng của dòng khí. Khi chuyển động trong ống dẫn và hệ thống chung áp lực toàn phần của quạt được xác định không chỉ bởi áp suất tĩnh (tính ở phần trên) mà còn bởi áp suất do động năng. Áp suất của động năng do dòng khí gây ra là: Trong đó: C2 : vận tốc của dòng khí ở cửa đẩy, V: lưu lượng quạt, V = 0,747 m3/s F: diện tích tiết diện cửa ra, F = 0,2 x 0,2 = 0,04 m2 ® Thay vào ta có: Đổi ra mmH2O ta có công thức: g . rK . hK = g . r . h ® Trong đó: r = 1000 kg/m3 : khối lượng riêng của nước rK = 1 kg/m3 : khối lượng riêng của không khí ở 800C hK : chiều cao tổn thất Và: Vậy trở lực chung (hay gọi là áp suất chung của quạt) H = Ht + Hđ = 174 + 18 = 192 mmH2O 2.2 Tính và chọn quạt: Lưu lượng không khí cần cho quá trình sấy là: Q = 2772 kg/h Áp suất toàn phần của quạt là: H = 192 mmH2O Không khí sấy từ 250C được đốt nóng lên 800C Khối lượng riêng của không khí ở 250C là: rK25 = 1,185 kg/m3 Khối lượng riêng của không khí ở 800C là: rK80 = 1,000 kg/m3 Ở 250C cột áp của không khí HK là: rK . HK = r . H [8] Với: - r: khối lượng riêng của nước HK = 192 mmH2O = 0,192 mH2O Thay số vào ta có: cột không khí Lưu lượng thể tích qua quạt trong trường hợp quạt đẩy: ; m3/s [8] Ở đây: GK = 2772 kgkk/h rK80 = 1 kg/m3; khối lượng riêng của không khí ở 800C ® ; m3/s Công suất quạt: [8] Trong đó: K - hệ số an toàn; K = 1 r - khối lượng riêng của không khí ở 800C G - gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s2 HK = 104m cột không khí Q = 0,743 m3/s h = 0,6 hiệu suất quạt ® Chọn công suất quạt: Nđc = 1,5 kW Q = 2772 . 1 = 2772 m3/h H = 192 mmH2O Tra bảng (208-XII) Q = 2820 m3/h N = 4,5 kW H = 217 mmH2O N = 2900 v/ph Quạt có ký hiệu: QLT 2820 - 217. TÀI LIỆU THAM KHẢO Những vấn đề cơ bản của kỹ thuật và công nghệ sấy các sản phẩm thực phẩm. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội 1980. Hệ thống sấy công nghiệp và dân dụng. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 1994. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất, tập 1. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. Thiết bị trao đổi nhiệt. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. Kỹ thuật nhiệt. Nhà xuất bản Giáo Dục 1995. Hướng dẫn thiết kế thiết bị sấy. Trường đại học bách khoa hà nội 1991. Kỹ thuật sấy. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 1999. Bơm quạt máy nén. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 1999. Các quá trình và công nghệ cơ bản trong sản xuất thực phẩm. Nhà xuất bản giáo dục 1995. Tính toán và thiết kế hệ thống sấy. Nhà xuất bản giáo dục 2001. Kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2002