Đồ án thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg h
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
Kỹ thuật sấy là một ngành khoa học phát triển mãi từ những năm 50
đến 60 ở các Viện và các trường đại học trên thế giới chủ yếu giải quyết
những vấn đề kỹ thuật sấy các vật liệu cho công nghiệp và nông nghiệp.
Trong những năm 70 trở lại đây người ta đã đưa kỹ nghệ sấy các nông
sản thành những sản phẩm khô, không những kéo dài thời gian bảo quản
mà còn làm phong phú thêm các mặt hàng sản phẩm như: trái cây, cà phê,
sữa, bột, cá khô, thịt khô. Đối với nước ta là nước nhiệt đới ẩm, việc nghiên
cứu công nghệ sấy để sấy các nguyên vật liệu có ý nghĩa đặc biệt: kết hợp
phơi sấy để tiết kiệm năng lượng, nghiên cứu công nghệ sấy và thiết bị sấy
phù hợp với từng loại nguyên vật liệu để đạt được chất lượng cao nhất.
Đặc biệt là sấy cà phê nhân, đó là thành phẩm để chế biến cafe bột, cafe
sửa và các loại bánh kẹo cao cấp ...
Do đặc điểm cà phê nhân sau khi sấy phải đảm bảo mùi thơm, màu sắc
đặt trưng nên có nhiều phương pháp sấy khác nhau như sấy thùng quay, sấy
hầm, sấy tháp …
Trong đồ án này em có nhiệm vụ thiết kế thiết bị sấy thùng quay để
sấy cà phê nhân với năng suất 2000kg/h
Đây là lần đầu tiên tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống sấy mang tính
chất đào sâu chuyên ngành. Do kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh
khỏi sai sót trong qúa trình thiết kế. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ
và chỉ bảo tận tình của thầy giáo để tôi có thể hoàn thành tốt đồ án này.
1
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
Phần I
TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM - PHƯƠNG PHÁP
DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
I. Tổng quan về sản phẩm
1. Cấu tạo giải phẫu quả cà phê
Quả cà phê gồm có những phần sau : lớp vỏ quả, lớp nhớt, lớp
vỏ trấu, lớp vỏ lụa, nhân
1.
Vỏ quả .
5
2.
Lớp thịt vỏ thịt.
4
3
3.
Vỏ trấu.
2
4.
Vỏ lụa.
1
5.
Nhân.
+ Lớp vỏ quả : là lớp vỏ ngoài, mềm, ngoài bì có màu đỏ, vỏ
của cà phê chè mềm hơn cà phê vối và cà phê mít.
+ Dưới lớp vỏ mỏng là lớp vỏ thịt, gọi là trung bì, vỏ thịt cà phê chè
mềm, chứa nhiều chất ngọt, dễ xay xát hơn. Vỏ cà phê mít cứng và dày hơn.
+ Hạt cà phê sau khi loại các chất nhờn và phôi khô gọi là cà phê
thóc, vì bao bọc nhân là một lớp vỏ cứng nhiều chất xơ gọi là vỏ “trấu” tức là nội
bì. Vỏ trấu của cà phê chè mỏng và dễ dập vỡ hơn là cà phê vối và cà phê mít.
+ Sát cà phê thóc còn một lớp vỏ mỏng, mềm gọi là vỏ lụa, chúng
có màu sắc và đặc tính khác nhau tùy theo loại cà phê. Vỏ lụa cà phê chè có
màu trắng bạc rất mỏng và dễ bong ra khỏi hạt trong quá trình chế biến .
Vỏ cà phê vối có màu nâu nhạt. Vỏ lụa cà phê mít màu vàng nhạt bám sát
vào nhân cà phê.
+ Trong cùng là nhân cà phê. Lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng
có những tế bào nhỏ, trong có chứa những chất dầu. Phía trong có những tế bào
lớn và mềm hơn
Bảng 1: Tỷ lệ các phần cấu tạo của quả cà phê (tính theo % quả
tươi).
Các loại vỏ và nhân
- Vỏ quả
Cà phê chè
(%)
43 - 45
2
Cà phê vối
(%)
41 - 42
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
- Lớp nhớt
20 - 23
21 - 42
- Vỏ trấu
6 - 7,5
6-8
- Nhân và vỏ lụa
26 - 30
26 - 29
2. Thành phần hóa học của cà phê nhân.
Bảng2. 5: Thành phần hóa học của nhân cà phê
THÀNH PHẦN HÓA
TÍNH BẰNG
TÍNH BẰNG
HỌC
m/100g
mg/100g
- Nước
8 - 12
- Chất dầu
4 - 18
- Đạm
1,8 - 2,5
- Protein
9 - 16
- Cafein
1 (Arabica ), 2 (Robusta)
- Clorogenic axit
2
- Trigonelline
1
- Tanin
2
- Cafetanic axit
8-9
- Cafeic axit
1
- Pentozan
5
- Tinh bột
5 - 23
- Saccaro
5 - 10
- Xenlulo
10 - 20
- Hemixenlulo
20
- Linhin
4
- Canxi
85 - 100
- Photphat
130 - 165
- Sắt
3 - 10
- Natri
4
- Mangan
1 - 45
3. Tính chất của cà phê nhân
Càphê nhân được bóc ra từ cà phê thóc. Cà phê nhân có hình
dáng bầu dục, có chiều dài khoảng 1cm,chiều rộng khoảng 0,5cm.
- Khối lượng riêng: = 650 kg/m3
- Nhiệt dung riêng: c=.0,37 (kcal/kg 0C)
II. QUY TRÌNH SẢN XUẤT CÀ PHÊ NHÂN
1. Giới thiệu phương pháp sản xuất cà phê nhân
Sản xuất cà phê nhân nhằm mục đích loại bỏ các lớp bao vỏ
bọc quanh hạt nhân cà phê để thu được cà phê nhân . Để cà phê nhân đạt
giá trị thương phẩm cao thì ta phải sấy khô đến mức độ nhất định. Rồi sau
đó tiếp tục các quá trình chế biến tinh khiết hơn như chế biến cà phê rang,
3
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
cà phê bột thô, cà phê hòa tan... Hoặc các sản phẩm khác có phối chế như :
cà phê sữa, các loại bánh kẹo cà phê .
Trong kỹ thuật sản xuất cà phê nhân có 2 phương pháp chính :
- Phương pháp sản xuất ướt .
- Phương pháp sản xuất khô.
+ Phương pháp sản xuất ướt : gồm 2 giai đoạn chính:
- Giai đoạn xát tươi và phơi sấy loại bỏ các lớp vỏ, thịt và các
chất nhờn bên ngoài và phơi sấy khô đến mức độ nhất định.
- Giai đoạn xay xát, loại bỏ các lớp vỏ trấu và một phần vỏ lụa,
tạo thành cà phê nhân.
Quả cà phê
+ Phương pháp sản xuất khô : chỉ có một giai đoạn chính là sau khi
phơi quả cà phê đến mức độ nhất định dùng máy xát khô loại bỏ các lớp vỏ
bao bọc nhân, không cần qua Thu
giai đoạn
nhậnsản xuất cà phê thóc.
So sánh 2 phương pháp ta thấy :
Phương pháp chế biến khô tuy đơn giản, ít tốn năng lượng, nhân
Sàncóphân
công nhưng phương pháp này
nhiềuloại
hạn chế là phụ thuộc vào điều kiện
thời tiết. Nó chỉ phù hợp với nơi có điều kiện khí hậu nắng nhiều mưa ít,
không đáp ứng được những yêu cầu về mặt chất lượng.
Bể xiphông
Phương pháp chế biến ướt phức tạp hơn, tốn nhiều thiết bị và
năng lượng hơn, đồìng thời đòi hỏi dây chuyền công nghệ cũng như thao
tác kỹ thuật cao hơn. Nhưng phương pháp này thích hợp với mọi hoàn
tách
vỏ thời rút ngắn được thời gian sản
cảnh, mọi điều kiện khí hậuMáy
thời tiết.
Đồng
xuất, tăng năng suất của nhà máy và nâng cao chất lượng sản phẩm cà phê
nhân.
2. Dây chuyền sản xuất
cà phê
nhân
( phương pháp ướt)
Máy
đánh
nhớt
Hệ thông sấy tỉnh
SẤY
Cà phê nhân
4
Đóng bao - bảo quản
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
3. Thuyết minh quy trình công nghệ
Nguyên liệu là cà phê quả tươi , có độ chín hơn 90%. Cà phê
quả phải có độ chín đều, nguyên liệu phải được chế biến ngay sau 24h thu
hái. Cà phê sau khi thu hoạch về được đưa vào sàng phân loại nhằm loại ra
những tạp chất, đất đá lẩn trong nguyên liệu. Cà phê sau khi ra khỏi sàng
phân loại thì đi vào bể xiphông để phân loại quả cafe xanh, không đảm bảo
chất lượng. Cà phê chính phẩm sau khi ra khỏi bể xi phông thì đến máy bóc
vỏ quả và vỏ thịt. Tại đây vỏ quả và vỏ thịt bị xé nhờ dòng nước phun với
áp lực cao. Cà phê chính phẩm sau khi tách vỏ thì đưa vào thiết bị đánh
nhớt. Mục đích của công đoạn này là loại bỏ lớp nhớt dính trên vỏ. Hạt cafe
sau khi đánh nhớt xong thì đưa qua hệ thông sấy tĩnh rồi đưa vào thiết bị
sấy thùng quay để đưa độ ẩm của cafe về 10-12% thuận lợi cho quá trình
bảo quản chế biến sau này. Sau khi cà phê được sấy xong thì được đóng
bao, bảo quản.
4. Sô ñoă heô thoâng saây cà phê
7
3
5
4
6
1
2
1.
2.
3.
4.
Quát ñaơy
5. Thuøng thaùo lieôu
Caloriphe
6. Xyclon
Thuøng nhaôp lieôu vaø daên khí vaøo
7.
Quát huùt
Thuøng sấy
5
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
5. Thuyết minh quy trình công nghệ
Vật liệu sấy là cà phê nhân sau khi đã qua phân loại, tách võ và
qua hệ thống sấy tĩnh để nâng nhiệt độ lên gần nhiệt độ tác nhân sấy để
tránh hiện tượng chênh lệch nhiệt độ quá cao giửa tác nhân sấy và cà phê
gây hiện tượng cháy cà phê. Độ ẩm của cà phê lúc này là 21%. Tác nhân
sấy là không khí sau khi qua caloriphe gia nhiệt để nâng nhiệt độ lên 800C.
Tác nhân sấy vào cùng chiều với cà phê.
Thùng sấy được đặt nằm nghiên góc 30 so với mặt phẳng ngang.
Chuyể động quay của thùng được thực hiện nhờ bộ truyền động, qua hộp
giảm tốc đến bánh răng gắn trên thùng. Bên trong thùng có lắp đặt các cánh
đảo trộn để nâng và đảo trộn vật liệu sấy do đó tăng cường bề mặt trao đổi
nhiệt giửa vật liệu sấy và tác nhân sấy.
Trong thùng cà phê nhân được nâng lên ở độ cao nhất định rồi
rơi xuống. Trong quá trình đó vật liệu sấy được trao đổi nhiệt với vật liệu
sấy và làm bay hơi ẩm. Khi đi hết chiều dài thùng sấy thì cà phê đảm bảo
độ ẩm yêu cầu cần thiết cho quá trình bảo quản
Sản phẩm sau khi sấy xong được đưa vào buồng tháo liệu và được
tháo ra ngoài qua cửa 5. Còn tác nhân sấy đi qua xyclon thu hồi bụi trước
khi thải ra ngoài môi trường.
6
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
Phần II
TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ - THIẾT BỊ CHÍNH
Số liệu ban đầu :
Năng suất sấy :
2000kg/h
Nhiệt độ môi trường :
25 0C
Độ ẩm tương đối :
82%
Độ ẩm vật liệu vào:
21%
Độ ẩm vật liệu ra:
12%
Nhiệt độ TNS vào:
80 0C
Nhiệt độ TNS ra:
450C
I. TÍNH CÁC THÔNG SỐ CỦA KHÔNG KHÍ
1. Các công thức sử dụng:
- Phân áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí ẩm theo nhiệt
độ:
4026,42
p b exp 12
235,5 t o C
bar
(CT 2.31/31 -TTTKHTS)
- Độ chứa ẩm:
x 0,621
.pb
B .pb
kg/kgkk
(CT2.73/273 - TTTKHTS)
Với:
B: áp suất khí trời, B = 1at = 0,981 bar
- Enthapy của không khí ẩm:
I C pk .t x ( r C pa .t ) 1,006.t x ( 2500 1,842.t )
kJ/kgkk (CT2.24/29 - TTTKHTS)
Với: Cpk : nhiệt dung riêng của không khí khô,
Cpk = 1,006 kJ/kgoK
Cpa : nhiệt dung riêng của hơi nước,
Cpa = 1,842 kJ/kgoK
r : ẩn nhiệt hóa hơi của nước,
r =2500 kJ/kg
- Thể tích riêng của không khí ẩm:
v
RT
288.T
M (B . p b ) B . p b
Với:
.
m3/kgkk (CT VII.8/94 - STQTTB tập 2)
R : hằng số khí, R =8314 J/kmol.độ
M: khối lượng không khí, M = 29 kg/kmol
7
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
B: áp suất khí trời và phân áp suất bão hòa của hơi nước
trong không khí, N/m2
- Lưu lượng không khí ẩm:
V = v.L
,m3/kg
với: .
L : lưu lượng không khí khô, kg/h
. v : thể tìch riêng, m3
2. Tính toán quá trình sấy lý thuyết.
Quá trình sấy lý thuyết không có hồi lưu biểu diễn trên đồ thị I-d
(hình vẽ)
I (kJ /kgkkk)
1
t1
2
t0
0
0
d0 =d1
t2
I 2 =I 3
d2
d(g/kgkkk)
+ Điểm 0(t0, 0 ) là trạng thái không khí bên ngoài
+ Điểm 1(t1, 1 ) là trạng thái không khí vào buồng sấy
+ Điểm 2(t2, 2 ) là trạng thái không khí sau quá trình sấy lý thuyết
3.Trạng thái không khí ngoài trời
Hàm ẩm ban đầu
xo 0,622
o . pbo
B o . pbo
ppo : áp suất hơi bão hòa ở 250C
4026,42
pbo exp 12
235,5 t o
4026,42
exp 12
0,03154 (bar)
235,5 25
=> xo =
0,622
0,82 * 0,03154
0,981 0,03154 * 0,82
Hàm nhiệt ẩm của không khí
8
= 0,0168 (kg/kgkkk)
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
I o 1.006.t o xo (2500 1,842.t o )
1,006.25 0,0168.(2500 1,842.25) 67,924
(kJ/kgkk)
Thể tích riêng của không khí ẩm :
vo
288.To
288(25 273)
0,899 (m3/kgkk)
B o . pbo 0,981.105 0,82.0,03154.105
4. Tính toán không khí đưa vào calorife và đốt nóng đẵng ẩm
t1 = 80oC
x1 = xo = 0,0168 (kg/kgkk)
pb1 = 0.4667 bar
4026,42
4026,42
exp 12
pb1 exp 12
0,4667
235
,
5
t
235
,5 80
1
x1 0,622
1
(bar)
1. pb1
B 1. pb1
x1 .B
0,0168 * 0,981
0,0553 = 5,53
pb1 (0,622 x1 ) 0,4667 * (0,622 0,0168)
I1 1,006.t1 x1 (2500 1,842.t1 )
1,006.80 0,0168.(2500 1,842.80) 124,956
v1
(kJ/kgkk)
288.T1
288(80 273)
1,064
B 1 . pb1 0,981.105 0,0553.0,4667.105
(m3/kgkkk)
5.Tính toán không khí ra khỏi máy sấy
I2 = I1 = 124.956 kJ/kgkk
t2 =45oC
pb2 = 0.236 bar
4026,42
pb2 exp 12
235
,5 t 2
4026,42
exp 12
0,09495
235
,5 45
bar
Ta có I2 = 1,004t2 +x2 (2500+1,842t2)
I 1,006t
124,956 1,006 * 45
2
2
x2 = 2500 1,842t 2500 1,842 * 45 0,0309 (kg/kgkkk)
2
x .B
0,0309 * 0,981
2
=> 2 p (0,622 x ) 0,09495 * (0,622 0,0309) 0,489 =48,9 %
bh 2
2
9
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
v2
288.T2
288 * ( 45 273)
0,98
B 2 . pbh 2
0,981.105 0,489 * 0,09495.105
(m3/kgkkk)
Trước khi
vào calorife
Sau khi ra
khỏi calorife
Sau khi ra
khỏi buồng
sấy
to (oC )
x(kg/kgkkk)
(%)
I (kJ/kgkkk)
25
0,0168
82
67,924
80
0,0168
5,53
124,956
64
0,0309
48,9
124,956
II. CÂN BẰNG VẬT LIỆU
G1,G2: Lượng vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi mấy sấy,
(Kg/h)
Gk:Lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua mấy sấy, (Kg/h)
W1, W2: Độ ẩm của vật liệu trước và sau khi sấy,tính theo % khối
lượng vật liệu ướt
W: Độ ẩm được tách ra khỏi vật liệu khi đi qua máy sấy , (Kg/h)
L:Lượng không khí khô tuyệt đối đi qua mấy sấy , (Kg/h)
xo:Hàm ẩm của không khí trước khi vào caloripher sưởi ,
(Kg/Kgkkk)
x1,x2: Hàm ẩm của không khí trước khi vào mấy sấy (sau khi đi qua
caloripher sưởi) và sau khi ra khỏi mấy sấy,(Kg/Kgkkk
1.Cân bằng vật liệu cho vật liệu sấy
Trong quá trình sấy xem như không có hiện tượng mất mát vật liệu.
Lượng vật liệu khô tuyệt đối qua máy sấy là :
Gk G2 .
100 w1
100 w2
100 21
G1
2000
1580 (kg/h)
100
100
100
Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu sấy :
w1 w2
W = G2 100 w =
1
2000
21 12
100 21
= 227,85 (kg/h)
Lượng vật liệu trước khi vào phòng sấy :
G1 = G2 + W = 2000 + 227.8 = 2227,85 (kg/h)
10
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
Lấy G1 = 2230 kg/h => W = G1 -G2 = 2230-2000 = 230 (kg/h)
2. Cân bằng vật liệu cho không khí sấy
Vì tính theo sấy lý thuyết nên coi không khí khô đi qua máy sấy
không bị mất trong quá trình sấy.
Khi làm việc ổn định thì không khí sấy mang theo lượng ẩm Lx1.
Sau khi sấy lượng ẩm bốc ra từ vật liệu W.
Lương ẩm trong không khí khỏi mấysấy:Lx2
Lúc này ta có phương trình cân bằng :
Lx1+W=Lx2
L=x
Thay số
W
2 x1
(Kg/h)
(CT 7.13/131 - TTTKHTS)
230
0.0309 0.0168
L=
= 16312,057 (kg/h)
Với L là lượng không khí khô cần thiết để làm bốc hơi W kg ẩm
trong vật liệu.
Vậy lượng không khí khô cần thiết để làm bốc hơi 1 Kg ẩm trong vật
liệu là:
l=
L
W
=x
2
1
x1
(Kg/Kgẩm)
(CT 7.14/131 - TTTKHTS)
Khi đi qua caloripher sưởi không khí chỉ thay đổi nhiệt độ
nhưng không thay đổi hàm ẩm, do đó xo=x1 nên ta có:
l=
thay số :
1
x 2 x1
l
=x
2
1
x0
1
1
70,922 (kgkk/k.ẩm)
x2 x1 0,0309 0,0168
BẢNG TỔNG KẾT CÂN BẰNG VẬT LIỆU
Đại lượng
Giá trị
Đơn vị
G1
2230
Kg/h
G2
2000
Kg/h
Gk
1760
Kg/h
w1
21
%
w2
12
%
W
230
Kg/h
l
70,922
Kgkkk/kgâm
L
16312,057
Kgkkk/h
Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy đi vào máy sấy là :
11
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
V1 = v1.L = 1,064* 16312,057 = 17356.029 (m3/h)
Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy đi ra khỏi mấy sấy là :
V2= v2 .L = 0,98 * 16312,057 = 15985,816 (m3/h)
Lưu lượng thể tích trung bình là :
Vtb = 0.5(V1 + V2 ) = 0.5*(17356,029 + 15985,816) = 16670,922 (m3/h)
III. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
1. Tính thời gian sấy :
(w1-w2) = M' (0.158 +3) (CT 10.12 /210 - TTTKHTS)
Với M'=M.10-2 , M là hệ số phụ thuộc vào đường kính trung bình của hạt
Chon đường kính của cà phê là d = 7mm (Bảng 10.3/210 - TTTKHTS)
M = 0.53 => M' = 0.53.10-2
= ( w1 ,w2 3) * 1 0.21 0.12
3 * 0.09 1.26 h = 75.6 phút
2
M
11.1
0.53.10
2. Tính thể tích thùng sấy
G *
V = 1*
(CT10.3/208 - TTTKHTS)
Trong đó :
V : thể tích thùng sấy (m3)
G1 :khối lượng vật liệu vào máy sấy ( kg/h)
: thời gian sấy ( giờ)
: hệ số điền đầy , = 0.2-0.3 chọn =0.3
: khối lượng riêng của vật liệu sấy (kg/m3)
V=
3.
2230 * 1.26
14.4 m3
650 * 0.3
Xác định đường kính và chiều dài thùng sấy
Ta chọn tỉ lệ
L
3.5
D
hay L=3.5D
(10.1/207 - TTTKHTS)
Khi đó đường kính thùng sấy được xác định :
V=
=> D =
* D 2 * L 3.5 * 3.14 * D 3
4
4
3
4 *V
3.5 *
=
3
4 *14.4
1.74m
3.5 * 3.14
Chọn D = 1.7m . Nên chiều dài thùng sấy L=3.5*1.7 = 5.95m
Do đó ta chọn L= 6 m
12
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
4.
Tính số vòng quay của thùng
m.k1.L
n
1.D .tg
Trong đó:
vg/ph
(VII.52/122 - sổ tay QTTB tập 2)
k1 : hệ số lưu ý đến đặc tính chuyển động của vật liệu.
Trường hợp sấy xuôi chiều: chọn k1 =1.2
m : hệ số lưu ý đến dạng cánh trong thùng.
Đối với cánh nâng, m = 1
: góc nghiên của thùng . Chọn = 3 => tg3= 0.0524
m.k1.L
1 *1.2 * 6
1.069 (vg/ph)
1.D.tg 75.6 *1,7 * tg 3
n
5.
Công suất của thiết bị
N = 0.13.10-2*D3*L *a*n* (VII.54/123 - [3])
Trong đó :
a: hệ số phụ thuộc dạng cánh . Chon a = 0.079
=> N = 0.13.10-2 * 1.73 * 6 * 0.079 * 1.069*650 = 2.1 (KW/h)
BẢNG TỔNG KẾT SỐ LIỆU
ĐẠI LƯỢNG
Thời gian sấy
Thể tích thùng sấy
Đường kính thùng sấy
Chiều dài thùng sấy
Số vòng quay của thùng
Công suất thiết bị
GIÁ TRỊ
75,6
14.4
1.7
6
1,069
2,1
IV. PHẦN CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
1. Xây dựng quá trình sấy lý thuyết
Gọi :
13
ĐƠN VỊ
phút
m3
m
m
Vg/phut
kwh
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
* tv1 : nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy, thường lấy bằng nhiệt độ
môi trường: tvl1 = to = 25oC
* tvl2 : nhiệt độ cuối của vật liệu sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy:
tvl2 = t2 – (5 10oC) = 45 – 5 = 40oC
Cv1 = Cv2 = Cv : nhiệt dung riêng của vật liệu sấy vào và ra khỏi
thiết bị sấy là như nhau. Ở đây, C v là nhiệt dung riêng của vật liệu sấy với
độ ẩm W2:
Cv = Ckhô(1-W2) + Ca.W2
,kJ/kgoK
Ca: nhiệt dung riêng của ẩm : Ca = Cn = 4,18 kJ/kgoK
Ckhô =1.05 KJ/kgđộ : nhiệt dung riêng của vật liệu khô tuyệt đối
Cv= Ckhô(1-W2) + Ca.W2
= 1,05(1 - 0,12) + 4,18.0,12
= 1.4256 (kJ/kgoK)
- Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy gồm:
Nhiệt lượng do tác nhân sấy mang vào : qkkv
qkkv=l.I0 = 70,922* 67.942 = 4818,583 (KJ/kg ẩm).
Nhiệt lượng do calorife sưởi : qs
qs = l(I1 - I0) = 70,922*(124.956-67.942) = 4043,547 (KJ/Kg)
Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: qvls
G1 * Cv * t vl1
Cn * t vl1
W
Qqvls =
=
2230 * 1.4256 * 25
4.18 * 25 449,908
230
(KJ/Kg)
Tổng lượng nhiệt vào :
qv = l.Io+ qs + qvls
= 4818,583 + 4043,547 + 449,908 = 9312,038 (KJ/Kgẩm)
- Nhiệt lượng đưa ra khỏi thiết bị sấy gồm:
Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi: qkkr
qkkr = l.I2 = 70,922*124,956 = 8862,129 (KJ/Kgẩm )
Nhiệt lượng tổn thất ra mơi trường xung quanh : qm
Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: qvlr
qvlr =
G2 * Cv * t vl 2
2000 * 1,4256 * 40
=
= 495,861 (KJ/Kgẩm)
230
W
Tổn thất qua vỏ thiết bị sấy :
14
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
k * F * t
W
qm =
(CT7.41/142 - TTTKHTS)
Trong đó :
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
k= hệ số truyền nhiệt
k
1
1
1
1
2
(kcal/m2.h.oC )
(CT7.42/142 - TTTKHTS)
: tổng nhiệt trở của máy sấy
1 là hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến bề mặt trong của phòng sấy
,
,
1 k (1 2 )
Với 1, là hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối
lưu cưỡng bức (W/m2 độ)
1,, là hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu tự
nhiên (W/m2 độ)
k : hệ số điều chỉnh
Tính 1 ,
Nhiệt độ trung bình của không khí trong máy sấy :
ttb =
t1 t 2
= 0.5(82+45) = 63.5oC
2
Tiết diện tự do của thùng sấy
Ftd 1
Với
.D 2 (1 0,3) * 3,14 * 1,7 2
= 1,588 m3
4
4
= 0,3 là hệ số chứa đầy
Tốc độ tác nhân sấy lý thuyết:
lt
Vtb 1.418
0.893 m/s
Ftd 1.588
Chế độ chảy của tác nhân sấy trong thiết bị:
15
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
- Chuẩn số Reynolds:
Re
lt .l. lt .L
(V.36/13 - STQTTB tập
0.893 *1.7
0.80848.105
1,8776.10 5
2)
Với = 1.81776.105 m2/s là độ nhớt động học của không khí
L : kích thướt hình học xác định theo đường kính tương đương
Re >104 nên tính theo chế độ chảy xoáy
- Chuẩn số Nuxen đối với chất khí
Nu = 0,018. l.Re0,8 = 0.018. l.R0.8 (V.42/16 - STQTTB tập
2)
Trong đó l phụ thuộc vào tỉ số
Với:
L
D
và Re
Re = 0,80848.105
l = 1,202
L
3.5
D
(Bảng V.2/15 - STQTTB tập 2)
Nu = 0,18*1,202*(0,80848.105)0.8 = 1825,208
Vậy
Mà
Nu
, .D
: là hệ số dẩn nhiệt
1
273 c T 5
0
(
)
T c 273
(I.36/125 - STQTTB tập 1)
: hệ số dẩn nhiệt của khí ở 00C (W/m độ)
T : nhiệt độ tuyệt đối của kk (0K)
c : hằng số phụ thuộc vào loại khí
Tra bảng I.122 (sổ tay QTTB tập I ta được c = 122 , 0 = 0,0201
0
1
=> 0,0201
=> 1 , =
273 122
62,5 273 5
(
) 0,0181
62,5 273 122
273
.Nu
D
( W/m.độ)
1825,208 * 0,0181
19,43 (N/m2.độ)
1,7
Tính 1 ,,
Vì 1 ,, là hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy do đối lưu
tự nhiên nên :
Nu = 0.47*Gr0.25
(CT V.78/24 - STQTTB tập 2 )
Mà
Gr
g * D 3 * * t
=
2
g * D 3 * t
= 2 *T
2
16
(CT V.39/13 - STQTTB tập 2)
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
9.81 * 1.7 3 * (80 45)
=
=
(1.81776.10 5 ) 2 * (45 273)
1.605.1010
Nu = (6,925.109)0.25*0,47 = 167,301
.Nu
1 ,, = D
167,301 * 0.0181
1.781
1.7
=> 1 k (1, 2 , ) với k = 1.2 là hệ số hiệu chỉnh
=> 1 0.2 * (19,43 1,781) 10,606
* Tính 2
,
,,
2 2 2 : hệ số cấp nhiệt của tường ra môi trường xung quanh
,
2 : hệ số cấp nhiệt mặt ngoài do mấy sấy đối lưu tự nhiên
2 ,, : hệ số cấp nhiệt do bức xạ
Chọn nhiệt độ thành ngoài của máy sấy là t3 = 350C là nhiệt độ thích hợp để
TNS truyền qua thùng và lớp cách nhiệt phía ngoài thùng sao cho không
còn quá nóng , an toàn cho người lao động
Chọn các bề dày của thùng:
STT
Đại lượng
1
Bề dày thùng
Bề dày lớp cách
nhiệt
Bề dày lớp bảo vệ
2
3
Ký
hiệu
Giá trị chọn
(m)
1
0,008
2
0,001
3
0,001
Vật liệu
Hệ số dẫn nhiệt
(W/mK)
CT3
Bông
thủy tinh
CT3
50
0,05
50
Đường kính ngoài của thùng :
Dng = D + 2( 1 2 3 ) = 1.7 + 2(0.008+0.001+0.001) = 1.72 m
Tại nhiệt độ t0 = 250C ta có các thông số bên ngoài thùng sấy:
STT
1
2
3
4
5
6
Thông số
Nhiệt độ
Hệ số dẫn nhiệt
Độ nhớt
Áp suất hơi bãohòa
Khối lượng riêng
Độ nhớt động
Kí
hiệu
to
o
o
pb
o
o
Đơn vị
o
C
W/m.oK
Ns/m2
bar
kg/m3
m2/s
17
Giá trị
25
0,0262
1,7665.10-5
0,981
1,1665
1,5138.10-5
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
- Chuẩn số grashof :
3
g * D 3 ng * * T g * D ng * (t3 t 0 )
Gr =
= 2
* (t 0 273)
2o
=
9,81 * 1,723 * (35 25))
=
(1,5138.10 5 ) 2 * (25 273)
4,2498.109
- Chuẩn số Nuselt :
Nu = 0.47.Gr0.25 = 0.47* (4,2498.109)0.25 =120,003
- Hệ số cấp nhiệt
.Nu
0
2, = D
ng
0.0262 * 120,003
1,828
1.72
(W/m2K)
-Hệ số cấp nhiệt do bức xạ 2 ,, :
T 4
ct
100
2 C0 . .
(Tct
Tcp
100
4
,W/m2K
Tcp )
(CT-V.35/41 - STQTTB tập 2 )
Trong đó:
. Tct :nhiệt độ tuyệt đối của thành mấy sấy (oK) , Tct = T3
. T2 : nhiệt độ tuyệt đối của môi trường (oK) , Tcp = To
-C0 = 5.7 hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối
Đối với bức xạ giữa khí và bề mặt vật thể, do bề mặt của khí lớn hơn
bề mặt vật thể nên độ đen của hệ xem như bằng độ đen của vật thể: 1 = 0,8
1 => chọn = 0.9
T1 4
100
2 5,7. .
(T1
5,7.0,9.
T2
100
4
T2 )
35 273 4 25 273 4
100 100
(35 25)
5.71
Hệ số cấp nhiệt chung :
,
,,
2 2 2 = 1,828+5,71= 7,538 ( W/m2độ)
18
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
Hệ số truyền nhiệt k :
K
1
3
1
1
i
1 i 1 i 2
1
4,046
1
0,008 0,001 0,001
1
10,606
50
0,05
50
7,538
- Đường kính trung bình máy sấy
D Dtb 1.7 1.72
1.71 (m)
2
2
Dtb =
- Bền mặt truyền nhiệt máy sấy bao gồm diện tích xung quanh và diện
tích 2 đầu của thùng :
.Dtb2
4
* 1,712
* 1,71 * 6 2 *
36.826
4
F .Dtb .L 2.
(m2)
- Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và không khí bên ngoài:
ttb
t t m
o
t
ln ( C)
t m
Mà t t1 t cp = 80 - 25 =550C Hiệu số nhiệt độ của không khí vào
máy sấy và nhiệt độ môi trường
t m t 2 t cp =45 - 25 = 20 oC Hiệu số nhiệt độ của không khí
ra khỏi máy sấy và nhiệt độ môi trường
=>
ttb
t t m
55 20
34,6 o
t =
55
C
ln
ln
20
t m
Tổn thất qua vỏ máy sấy là :
qm =
k * F * t
W
=
4,046 * 36,826 * 34,6
22,414
230
(KJ/Kg ẩm )
Tổng nhiệt ra là :
qr = l.I2+ qm + qvlr
= 8862,129 + 495,861 + 22,414 = 9380,404(KJ/Kgẩm)
19
Thiết kế thiết bị sấy cà phê thùng quay năng suất 2000kg/h
Sai số nhiệt vào và nhiệt ra :
q
9380,404
* 100% 1.01%
9312,038
< 5% nên thông số chọn là đúng
BẢNG KẾT QUẢ SỐ LIỆU TÍNH THEO SẤY LÝ THUYẾT
ĐẠI LƯỢNG
Tổng nhiệt vào
Tổng nhiệt ra
Hệ số truyền nhiệt
Tổn thất qua võ máy
sấy
2.
GIÁ TRỊ
9312,038
9380,404
4,046
22,414
ĐƠN VỊ
KJ/Kg ẩm
KJ/Kg ẩm
KJ/Kg ẩm
Xây dựng quá trình sấy thực
Vì quá trình sấy không bổ sung nhiệt lượng :
- Tìm giá trị ( lượng nhiệt bổ sung thực tế )
= Cn*t0 -( qvl + qm )
qvl=
G2 * Cvl
2000 * 1.4256 * (40 25)
* (t vl 2 t vl1 )
182.948
W
230
(KJ/Kg)
=> = 25*4.18 - (182,948 + 22,414) = - 100,862 (KJ/Kg)
Xác định các thông số của quá trình sấy thực :
- Nhiệt dung riêng dẩn xuất
Cdx(x1) = Cpk + Cpax1
= 1.006+1.842*0.0168 = 1.03694 (KJ/Kgkkk)
Cpk = 1.006 (KJ/Kgkk ) nhiệt dung riêng của không khí
Cpa= 1.842 (KJ/kgkk) nhiệt dung riêng của hơi nước
-Lượng chứa ẩm i của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực :
Ta có: i2 = 2500 + 1.842*t2 = 2500+1.842*45 = 2582,89
x2 = x1 +
C dx ( x1 ) * (t1 t 2 )
i2
= 0.0168 +
1,03694 * (80 45)
0,0303
2582,89 100,862
20
(kg ẩm/kgkk)