Đề tài Tính toán thiết kế máy sấy chè năng xuất 2000 Kg/mẻ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM &œ BÀI TIỂU LUẬN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRUYỀN CHẤT §Ò Tµi: NGHIÊN CỨU VỀ KĨ THUẬT SẤY CHÈ Thành viên nhóm: GVHD. 1.Đặng Hữu Phú ĐỖ THÀNH NGHĨA 2.Trần Hải Quân 3.Nguyễn Văn Phúc 4.Nguyễn Trọng Nhàn 5.Đào Thị Bích Phượng 6.Cao Thanh Quang MỤC LỤC Trang Mục lục…....................................................................................................1 Lời nói đầu…………………………………………………………………3 CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU. Đặt vấn đề……………………………………………………………..4 Mục đích đề tài………………………………………………………..5 Yêu cầu………………………………………………………………….5 CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY. I. CHỌN PHƯƠNG PHÁP SẤY………………………………………….10 1.3 Chọn loại máy sấy cho chè……………………………………………...17 1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy sấy băng tải………………….18 II TÍNH TOÁN SẤY…………………………………………………………19 2.1 Chọn tác nhân sấy và chế độ sấy…………………………………………19 2.1.1 chọn tác nhân sấy………………………………………………………19 2.1.2 Chế độ sấy……………………………………………………………...19 2.2 Chọn nhiệt độ sấy……………………………………………………........20 2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới chế độ sấy…………………………............20 2.2.2 Lựa chọn chế độ sấy……………………………………………………..22 2.3 Tính toán vật liệu và tác nhân sấy…………………………………………23 2.4 Tính toán quá trình sấy lý thuyết…………………………………………..24 2.4.1 Kích thước cơ bản của máy sấy băng tải…………………………………26 2.4.2 Tính thời gian sấy………………………………………………………...26 Lời nói đầu k ỹ thuật sấy là một môn học quan trọng của sinh viên ngành Nhiệt lạnh. Đồng thời nó được ứng dụng rộng rãi và giữ một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống. Vì vậy tầm quan trọng của Kỹ thuật sấy là rất lớn. Hiểu biết lý thuyết và vận dụng nó trong thực tiễn là một yêu cầu cần thiết đối với một kỹ sư ngành Nhiệt. Để nắm vững lý thuyết và chuẩn bị tốt trong việc trở thành một kỹ sư trong tương lai. Tiểu luận môn học Kỹ thuật sấy trong ngành Nhiệt lạnh là một môn học giúp cho sinh viên làm quen với kỹ năng thiết kế, tra cứu và sử dụng tài liệu được tốt hơn, vận dụng kiến thức đã học vào việc thiết kế một hệ thống máy sấy cụ thể. Ngoài ra môn học này còn giúp sinh viên củng cố kiến thức của các môn học liên quan, vận dụng khả năng nghiên cứu, sáng tạo và phát triển khả năng làm việc theo nhóm. Trong quá trình thực hiện đồ án môn học này, với kiến thức còn hạn hẹp nên còn nhiều thiếu sót,mong thầy góp ý thêm cho bài tiểu luận đươc hoàn thiện.Em xin cảm ơn. CHƯƠNG 1 : Mở Đầu ĐẶT VẤN ĐỀ. Hiện sản phẩm chè của Việt Nam đã có mặt trên 110 quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới, trong đó thương hiệu “CheViet” đã được đăng ký và bảo hộ tại 70 thị trường quốc gia và khu vực như Mỹ, EU và Nga. Đưa Việt Nam trở thành quốc gia đứng thứ 5 trên thế giới về sản lượng cũng như kim ngạch xuất khẩu chè.Để tăng chất lượng sản phẩm, các đơn vị kinh doanh đã chú trọng đầu tư xây dựng nhà xưởng chế biến với dây chuyền, thiết bị tiên tiến, đưa công nghệ mới vào sản xuất, phục vụ sản xuất, chế biến sản phẩm chè ngay tại vùng nguyên liệu, tạo ra nhiều chủng loại sản phẩm phong phú, đa dạng, đáp ứng nhu cầu của thị trường trong nước và xuất khẩu. Bên cạnh đó, các doanh nghiệp còn cân nhắc, tính toán cả về cơ cấu và tỷ trọng giống, loại bỏ dần giống bị thoái hoá, kém năng suất, nhập giống chè ngoại trồng thay thế, mở rộng đồng chè giống chất lượng cao thích ứng với nhu cầu thị trường. Để tìm hiểu trao đổi kinh nghiệm về phương thức sản suất chè và sấy chè chúng tôi tham gia việc “ Tính toán thiết kế máy sấy chè năng xuất 2000 Kg/mẻ”. Vào mùa thu hoạch chè tại tỉnh Sơn La. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI. Nghiên cứu, tính toán thiết kế, đưa ra quy trình sấy xoài thành phẩm có chất lượng cao góp phần cải thiện xoài nguyên liệu, nâng cao giá trị kinh tế. Góp phần đa dạng hóa sản phẩm trái cây sấy và sản phẩm từ xoài. Đóng góp một phần vào việc giải quyết tình trạng ứ đọng nguyên liệu và ổn định giá cả vào lúc chính vụ. YÊU CẦU. Xác định các thống số đầu vào và đầu ra của nguyên liệu: nồng độ đường, nồng độ acid, độ ẩm, nhiệt độ,… Xát định nhiệt độ sấy, thời gian sấy. Xát định lưu lượng TNS và lượng nhiệt cần thiết. Xát định hiệu suất máy sấy. CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY Năng suất thiết bị sấy: G2 = 2000 kg khô/ mẻ I. Chọn phương pháp sấy. 1.1 Chọn loại máy sấy cho chè. Qua tìm hiểu ưu, nhược điểm của các loại máy sấy và căn cứ vào đặc tính của chè ta nên chọn máy sấy băng tải cho việc sản suất chè xanh. Ưu điểm của phương pháp sấy băng tải này là: Làm việc liên tục phù hợp với sản suất hiện đại Dễ dàng khống chế các thông số sấy Có thể khống chế chiều dày của lớp chè trong quá trình sấy dễ dàng Độ ẩm trong chè tương đối đồng đều Nhược điểm: Kết cấu cũng như cấu tạo phức tạp. Đòi hỏi một số loại kim loại không gỉ. 1.2 Thieát bò saáy baèng baêng taûi: Goàm moät phoøng hình chöõ nhaät, trong ñoù coù moät vaøi baêng taûi chuyeån ñoäng chaäm nhôø caùc tay quay. Caùc baêng naøy töïa treân caùc con laên ñeå khoûi bò voõng xuoáng, baêng naøy laøm baèng sôïi boâng taåm cao su, baèng kim loaïi hay löôùi kim loaïi vaø chuyeån ñoäng vôùi toác ñoä khoaûng 0,3 ¸ 0.6 m/phuùt. Loaïi thieát bò naøy coù theå duøng ñeå saáy rau quaû, nguõ coác, than ñaù… Caáu taïo: Pheåu nhaän vaät lieäu saáy Truïc laên daãn VLS Phoøng saáy hình chöõ nhaät Con laên ñôõ Baêng taûi Caloriphe söôûi Thuøng chöùa saûn phaåm Loø ñoát 9. tấm chắn khí nóng-tns 10. ống khói 1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy sấy băng tải. 1.2.1 Cấu tạo. 1: lò đốt 2: ống khói 3: calorifer 4: quạt 5: buồng sấy 6: băng tải sấy 7: băng tải cấp liệu 8: cửa tháo chè 1.2.2 Nguyên lý hoạt dộng máy sấy. Quạt thổi không khí nóng từ calorifer vào buồng sấy từ dưới lên, buồng sấy là một hộp kim loại có 4 băng chuyền. Nguyên liệu nhờ băng tải cấp liệu 7 vào băng chuyền trên cùng rồi lần lượt đi xuống phía dưới. Sau khi qua khỏi băng chuyền dưới cùng thì chè ra khỏi máy sấy theo cửa 8. Năng suất của máy thường là 100 - 120 kg chè/giờ, vận tốc không khí nóng 0,5 m/s. Tốc độ băng chuyền 1 tăng 47 % và băng chuyền 2 tăng 20 % so với băng chuyền 3, tốc độ băng chuyền 4 giảm 20 % so với băng chuyền 3. Vì thế, độ dày của chè rải trên băng chuyền sẽ tăng từ băng chuyền 1 đến băng chuyền 4, phù hợp với thực tế là chè sẽ khô dần từ trên xuống dưới. II Tính toán sấy: 2.1 Chọn tác nhân sấy và chế độ sấy. 2.1.1 chọn tác nhân sấy. Đối với chè là sản phẩm con người dùng để uống cho lên trong quá trình sấy chè yêu cầu tác nhân sấy phải sạch không bị ô nhiễm và bám bụi nên ta chọn tác nhân sấy là không khí nóng. 2.1.2 Chế độ sấy. Đối với sấy chè, hiện nay trong nước ta cũng như trên thế giới thường dùng tác nhân sấy là không khí nóng. Với tác nhân không khí, người ta thường chia hai phương pháp sấy: Phương pháp sấy hai lần. Phương pháp sấy một lần. - Phương pháp sấy hai lần: + Lần thứ I: Dùng nhiệt độ sấy từ 90-95 oC, thời gian sấy kéo dài 12-15 phút, sau khi sấy độ ẩm của chè còn lại từ 18-20 %. + Lần thứ II: Dùng nhiệt độ sấy từ 80-85 oC thời gian sấy gần như lần I, độẩm của sản phẩm sau khi sấy lần thứ II khoảng 3-5 %. + Giữa hai lần sấy (sau khi sấy lần I) chè được rải mỏng và làm nguội tự nhiên hoặc cưỡng bức. Mục đích làm cho phần ẩm tiếp tục bốc hơi đi, mặt khác tạo điều kiện phân bố ẩm đồng đều trong sản phẩm tránh hiện tượng ẩm cục bộ “trong ướt ngoài khô”. - Phương pháp sấy 1 lần: Xu hướng hiện nay, trong sản xuất người ta dùng phương pháp sấy một lần, phương pháp này dùng nhiệt độ sấy >1200 C. Ưu điểm của phương pháp này nâng cao được hiệu suất sử dụng của thiết bị sấy, nếu đảm bảo đúng điều kiện kỹ thuật thì chất lượng của sản phẩm vẫn được đảm bảo. Nhược điểm của phương pháp này: khó khống chế điều kiện kỹ thuật trong qúa trình sấy đối với nguyên liệu tươi có chất lựông không đồng đều. 2.2 Chọn nhiệt độ sấy. 2.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới chế độ sấy. - Nếu tăng nhiệt độ sấy chè khoảng 1400C thì sẽ làm tăng vận tốc sấy, đồng thời làm giảm thời gian sấy 40-50 %, như vậy, sẽ giảm được kích thước thiết bị, giảm được giá thành sản xuất thiết bị, mang lại hiệu quả kinh tế về sử dụng nhiên liệu, năng lượng...do đó giảm được giá thành sản xuất. Tuy nhiên đứng về quan điểm chất lượng sản phẩm thì phải kểđến tính chất và chất lượng của chè, nghĩa là phải chọn nhiệt độ sấy thích hợp cho từng giai đoạn sấy và cho từng loại sản phẩm. Nhiệt độ thích hợp của sấy chè đen nằm trong khoảng 80-85 0C. -Ở nhiệt độ sấy nhỏ hơn 80 0C có thể do những quá trình sinh hoá có lợi cho chất lượng của chè xảy ra chưa hoàn toàn, còn ở nhiệt độ sấy lớn hơn 85 0C mà chất lượng chè bị giảm là do sự tổn thất (thăng hoa) mạnh mẽ các tinh dầu có trong chè nguyên liệu hoặc sinh ra trong quá trình lên men. Ảnh hưởng của không khí (tác nhân sấy) - Nếu vận tốc của không khí sấy tăng sẽ làm tăng cường độ bốc ẩm, giảm được thời gian sấy. Nhưng nếu vận tốc sấy tăng quá mức sẽ làm cho quá trình khô quá nhanh, gây ảnh hưởng đến hình dáng và chất lượng của chè, đồng thời còn gây tổn thất về hương thơm của chè và ở mức độ nào đó gây tổn thất nhiệt do không khí mang ra ngoài. - Nếu nhiệt độ sấy không đổi (t =80 0C), mật độ của chè trên băng chuyền sấy cố định (1,5 kg/m2) thì cường độ bốc ẩm của lớp chè sấy phụ thuộc vào vận tốc chuyển động của không khí sấy. - Trong sản xuất để đảm bảo chất lượng chè, thời gian sấy và năng suất của thiết bị, cũng như tổn thất nhiệt không cần thiết, thường người ta chọn vận tốc chuyển động của không khí sấy trong thiết bị sấy cũng như xuyên qua lớp chè <0,5 m/s. Người ta có thể dùng lưu lượng quạt 16.000 m3/h. - Sấy chè trong qua trình chế biến chế biến chè xanh : chè vò xong đem vào sấy .Thủy phần của chè lúc này =45-48%. Lúc đầu sấy ở nhiệt độ 120oC để giết men làm cho có hương vị và màu sắc của chè xanh .khi thủy phân đã làm giảm xuống 20-25% , lúc đó có thể sấy ở nhiệt độ 80-85oC . Nếu thòi gian đầu sấy ở nhiệt dưới 100oC chè sẽ bị chua nếu sấy ở nhiệt độ quá 120oC sẽ làm cho lớp ngoài của chè khô quá nhanh, tạo nên lóp vỏ cưng, hạn chế việc thoát ẩm trong búp chè và chè bị cháy có mùi khét , nước chè sẽ bị đục. 2.2.2 Lựa chọn chế độ sấy. - Nhiệt độ: thường sấy chè ở 800 C, nếu sấy ở nhiệt độ cao hơn 80 0C thì chè mất đi nhiều hương thơm và màu sáng, nếu sấy thấp hơn 80 0 C thì quá trình sấy kéo dài, các enzym trong chè không được đình chỉ kịp thời, chè dễ bị len men quá mức. - Tốc độ không khí trong máy sấy chè: tốc độ không khí nóng trong máy sấy chè thường khống chế ở 0,5 m/s, nếu khống chế nhỏ hơn tốc độ này thì thời gian sấy kéo dài và nếu khống chế ở khoảng 0,6 m/s thì chè vụn sẽ bị cuốn theo. - Độ dày của lớp chè rải trên băng chuyền máy sấy: thực nghiệm cho thấy nếu tốc độ không khí nóng trong máy sấy chè < 0,5 m/s thì độ dày của lớp chè rải trên băng chuyền không ảnh hưởng đến chất lượng chè sấy được. Do đó, nếu ta khống chế tốc độ không khí bằng 0,5 m/s và sấy hai lần thì độ dày của các lớp chè rải trên băng chuyền là: Sấy lần 1: 2 ¸ 2,5 cm Sấy lần 2: 3 ¸ 5 cm Ngoài các phần chè non già khác nhau thì độ dày của lớp chè rải trên băng chuyền cũng khác nhau, thường thì độ dày chè non sẽ nhỏ chè già. 2.3 Tính toán vật liệu và tác nhân sấy. Tính lượng vật liệu sấy vào buồng sấy: G1=G2 100-ω2100-ω1 G1=2000100-4100-25 = 2560 kg/mẻ Lượng ẩm bốc hơi trong 1 mẻ: W=G1-G2=2560 – 2000= 560 ( kg/mẻ ). Thông số không khí ngoài trời: lấy địa điẻm là Sơn La có nhiệt độ không khí trung bình t0= 300C và độ ẩm chọn mùa hè φ0=75% và áp suất khí quyển p = 757 mmHg .Chọn nhiệt độ tác nhân sấy (TNS) để sấy là t1= 800C. 2.4 Tính toán quá trình sấy lý thuyết. Các thông số không khí ngoài trời : t0 = 300C và φ0=75%. Dựa vào đồ thị I – d của không khí ẩm ta xác định. Điểm O có giá trị sau: do= 0,02 (Kg/Kgkk) Io= 81,2 (kJ/kgkk) Không khí vào calorifer nhận nhiệt từ hơi nước và tăng lên nhiệt độ t1 = 800C. Quá trình đốt nóng không khí trong Calorifer là quá trình có d= const nên d1 = d0 = 0,02(kg/kgkk) Điểm 1 được xác định bằng 2 thông số t1, d1. I1 = 133,2 (kJ/kgkk) ; φ1= 3.2 % P hbh1=0,4736 (bar) Ph1=0.01515(bar) Tư =40oC TNS trạng thái 1 đi vào máy sấy đốt nóng vật liệu sấy và nhận ẩm. trong điều kiện lí tưởng bỏ qua tổn thất thì: I2=I1=133,2 (kJ/kgkk) Ta tính nhiệt độ ra khỏi thiết bị sấy ( TBS) là t2 Thế sấy : ε = t2 – tư Ta có t2 = tư . 1,15 = 40 . 1,15 = 46 0C Vậy xác định được điểm 2 là giao I1 = I2 = const và t1 = t2 = const Từ đồ thị I – D ta tìm được : d2 = 0,0336 (kg/kgkk) φ2=65% Với độ ẩm φ2=65% đảm bảo không sảy ra hiện tượng đọng sương cửa ra hầm Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm:d2-d0 l0 = 1d2-d0 = 10,0336-0,02 = 73,53 (kgkk/kg ẩm) Lượng tác nhân sấy cần thiết để bốc hơi lượng ẩm trong VLS : L0 = W . l0 = 560 . 73,53 = 41176,8 (kgkk/mẻ) Nhiệt lượng tiêu hao riêng lý thuyết : Phương trình cân bằng năng lượng cho TBS lý tưởng : q0 = l0. ( I1 – I0 ) = l0. ( I2 – I0 ) = 73,53 . ( 133,2 – 81,2 ) = 3823,56 (kJ/kg ẩm) Nhiệt lượng tiêu hao toàn quá trình sấy lý thuyết; Q0 = W . q0 = 560 . 3823,56 = 2141193,6 (kJ/mẻ) 2.4.1 Kích thước cơ bản của máy sấy băng tải. Theo thực nghiệm, với khối lượng chè ban đầu là 3622,6 kg/mẻ thì ta chọn hệ thống với kích thước như sau: Chiều dài : 14 m Chiều rộng : 2,5 m Chiều cao : 3,5 m Số băng tải : 4 băng Khoảng cách các băng tải ; 25 cm 2.4.2 Tính thời gian sấy. Chọn vận tốc tác nhân sấy qua buồng sấy : v = 0,5 m/s Diện tích tiết diện tác nhân sấy đi qua : Ftd = 3,5 . 2,5 = 8,75 m2 Lưu lượng tác nhân sấy qua buồng sấy : Gtns = v.Ftns = 8,75 . 0,5 = 4,375 m3/s Thời gian sấy vật liệu là tổng thời gian của 3 giai đoạn sấy : τ= τo+ τ1+τ2 Với τ0 : thời gian đốt nóng vật liệu τ1 : thời gian sấy đẳng tốc τ2 : thời gian sấy giảm tốc A .Thời gian đốt nóng vật liệu sấy . F0 = aτ0R2 Trong đó : Va a – hệ số dẫn nhiệt độ của vật liệu sấy ( với a = γρ.C ) R – phân nửa chiều dày của vật liệu sấy F0 – chuẩn số furê xác định sự phụ thuộc giữa tốc độ biến đổi trường nhiệt trong vật với các kích thước và đặc trưng của vật đó Từ đây ta suy ra τ0=F0R2a = 1,8. (2,35.10-3)21,634.10-7 = 60 ( giây) = 1 phút B. Thời gian sấy đẳng tốc. Xác định tốc độ sấy U thông qua việc xác định mật độ dông nhiệt J1b và cường độ bay hơi ẩm trên bề mặt vật liệu J2b Theo các quy luật truyền nhiệt và truyền chất giai đoạn sấy đẳng tốc hầu như giống nhau đối với tất cả các vật liệu ẩm. Trên cơ sở cân bằng nhiệt lượng: J1b = J2b . r Trong đó : r là ẩn nhiệt hóa hơi, r = 2500 (kJ/kg) J1b = α1. (tm-tb) tm là nhiệt độ VLS , tm = 800C tb là nhiệt độ bề mặt VLS, tb = tư = 400C α1 là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, tính theo vận tốc không khí, với vận tốc khí v < 2 m/s thif dược tính theo công thức: α1=5,6+4.v=5,6+4. 0,5=7,6 ( W/m2 độ ) =27360(J/m2hđộ) Suy ra J1b = 27360. ( 80 – 40 ) = 1094,4 ( KJ/m2h ) Vậy : J2b = J1br=1094,42500=0,437 ( kg/m2h ) Do trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi , nhiệt dộ trung bình VLS không đổi, ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của trường nhiệt độ t đến độ chứa ẩm u. Giải bài toán khuếch tán ẩm đối xứng trong tấm phẳng với điều kiện biên loại 2, ta được: U = 100.J1bR.ρv= 100.0,4372,35.10-3.400=46,5( %h ) Ta có: τ1= ω1-ωx1U Trong đó: ω1 – độ ẩm đầu vào VLA , % ωx1 – độ ẩm tới hạn cuối giai đoạn sấy đẳng tốc với ωx1=1χ+ ωcb ωcb – độ ẩm cân bằng , % U – tốc độ sấy χ – hệ số sấy tương đối phụ thuộc vào độ ẩm ban đầu χ=1,8ω1 Suy ra χ= 1,825 = 0,072 Nên : ωx1= 10,072+5,5 =19,4 % Vậy τ1= 25-19,446,5=0,12 ( h ) = 8 ( phút) C. Thời gian sấy giảm tốc . Nếu trong giai đoạn đẳng tốc quy luật dωdτ=U=const của hầu hết các vật liệu ẩm là như nhau thì trong giai đoạn giảm tốc quan hệ đó rất khác nhau tùy từng loại vật liệu. A.V Luikov thấy rằng trong giai đoạn giảm tốc, dặc trưng dωdτ=f(ω ) của các loại vật liệu khác nhau là khác nhau. Khi độ ẩm ω= ωx1 thì xem như tốc dộ giai đoạn này bằng tốc độ giai đoạn đẳng tốc. τ2= - 1χ.U . lnχω2-ωcb = - 10,072.46,5. ln0,07225-5,5=0,1 ( h) = 6 ( phút) Tổng thời gian sấy vật liệu là : τ= τo+ τ1+τ2=1+8+6=15 ( phút ). TÀI LIỆU THAM KHẢO: PGS-TSKH Trần Văn Phú, Tính toán và thiết kế hệ thống sấy, NXB Giáo dục, 2002. PGS-TSKH Trần Văn Phú, Kỹ thuật sấy, NXB Giáo dục, 2008. Th.S Bùi Trung Thành, Giáo trình lý thuyết sấy & tính toán thiết kế hệ thống sấy, ĐHCN Tp Hồ Chí Minh, 2007. PGS Hoàng Đình Tín, Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, NXB Khoa học kỹ thuật, 2001. PGS Hoàng Đình Tín – Bùi Hải, Bài tập Nhiệt động học kỹ thuật và truyền nhiệt, NXB DHQG Tp Hồ Chí Minh, 2004. PGS TS Phạm Văn Trí – Dương Đức Hồng – Nguyễn Công Cẩn, Lò công nghiệp, NXB KHKT, 1999.