Đang tải... (xem toàn văn)
ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC -o0o - BÁO CÁO ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY CÀ PHÊ CÔNG SUẤT 2,5 TẤN/H TP Hồ Chí Minh 06/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC -o0o - MỤC LỤ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu hạt cà phê 1.1.1 Cấu tạo 1.1.2 Thành phần dinh dưỡng 1.1.3 Thành phần hóa học nhân cà phê 1.1.4 Sự phát triển cà phê thị trường Việt Nam 1.2 Giới thiệu phương pháp sấy .5 1.2.1 Bản chất trình sấy 1.2.2 Phân loại trình sấy 1.2.3 Thiết bị sấy băng tải .5 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 2.1 Sơ đồ quy trình 2.2 Thuyết minh quy trình .7 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Các thông số ban đầu .9 3.2 Các thơng số tính toán tác nhân sấy 3.3 Cân vật chất cho trình sấy 3.4 Cân lượng .10 3.5 Tính thời gian sấy 10 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH .12 4.1 Kích thước băng tải 12 4.2 Số lăn đỡ 12 4.3 Động băng tải .12 4.4 Kích thước hầm sấy .13 4.5 Tính cân nhiệt lượng 13 4.5.1 Tính tổn thất nhiệt 14 4.5.2 Cân nhiệt cho trình sấy lý thuyết 20 Chương 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ (QUẠT) .22 5.1 Tính trở lực .22 5.2 Tính cơng suất quạt chon quạt .24 KẾT LUẬN .27 TÀI LIỆU THAM KHẢO .28 DANH MỤC BẢ Bảng 1 Tỷ lệ phần cấu tạo cà phê (tính theo % tươi) .2 Bảng Thành phần hóa học nhân cà phê 4Y Bảng Các thông số tác nhân sấy DANH MỤC HÌNH Ả Hình 1 Cấu tạo hạt cà phê Hình Cấu tạo máy sấy băng tải 6Y Hình Sơ đồ quy trình sấy cà phê LỜI MỞ ĐẦU Việt Nam nước có sản xuất nơng nghiệp lâu đời giới Hiện nay, nông nghiệp chiếm tỉ trọng cao cấu kinh tế nước ta Mặc dù vậy, ngành nông nghiệp chưa đem lại hiệu tương xứng kinh tế Nguyên nhân chủ yếu khâu thu hoạch, bảo quản chế biến nông sản Việt Nam thực chưa khoa học Điều làm giảm giá trị sản phẩm đưa thị trường tiêu thụ Để cải thiện vấn đề có nhiều phương pháp đưa ra; sấy phương pháp thông dụng Sản phẩm sau sấy bảo quản lâu, vận chuyển dễ dàng, tăng cảm quan giả trị kinh tế Trong công nghiệp thực phẩm, sấy băng tải phương pháp phổ biến mang lại hiệu kinh tế cao, thuận tiện vận hành tiết kiệm thời gian Do đó, người ta thường chọn thiết bị sấy băng tải việc sấy sản phẩm rau quả, ngủ cốc… Do đề tài “Thiết kế hệ thống sấy cà phê công suất 2,5 tấn/h” lựa chọn để nghiên cứu Mục đích đề tài trình bày khái quát hạt cà phê, phương pháp sấy, quy trình cơng nghệ sấy cà phê thiết bị sấy băng tải thiết kế hệ thống sấy Nội dung đề tài gồm phần: Chương Tổng quan Chương Quy trình cơng nghệ Chương Tính tốn cân vật chất Chương Tính tốn thiết bị Chương Tính tốn thiết bị phụ (quạt) Kết luận Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu hạt cà phê Cây cà phê có nguồn gốc từ Ethiopia (cà phê chè) vùng Bắc Phi (cà phê vối), loại cơng nghiệp chín có màu đỏ, non có màu xanh, hoa màu trắng Hạt cà phê chín chứa đầy đủ chất dinh dưỡng như: glucid, lipid, vitamin… Đặc biệt hạt cà phê chứa số chất mùi đặc trưng, chế biến nhiệt, cà phê có mùi thơm riêng biệt, hấp dẫn 1.1.1 Cấu tạo Quả cà phê gồm có thành phần sau: lớp vỏ quả, lớp vỏ thịt, lớp vỏ trấu, lớp vỏ lụa, nhân Hình 1 Cấu tạo hạt cà phê - Vỏ quả: lớp vỏ ngồi, mềm, ngồi bì có màu đỏ, vỏ cà phê chè (arabica) mềm cà phê vối (canephora) cà phê mít (excelsa) - Dưới lớp vỏ mỏng lớp vỏ thịt, gọi trung bì, vỏ thịt cà phê chè mềm, chứa nhiều chất ngọt, dễ xay xát Vỏ cà phê mít cứng dày - Hạt cà phê sau loại chất nhờn phơi khơ gọi cà phê thóc, bao bọc nhân lớp vỏ cứng nhiều chất xơ gọi vỏ “trấu” tức nội bì Vỏ trấu cà phê chè mỏng dễ dập vỡ cà phê vối cà phê mít - Xát cà phê thóc lớp vỏ mỏng, mềm gọi vỏ lụa, chúng có màu sắc đặc tính khác tùy theo loại cà phê Vỏ lụa cà phê chè có màu trắng bạc mỏng dễ bong khỏi hạt 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 nhân cà phê Lớp tế bào phần ngồi nhân cứng có tế bào nhỏ, có chứa chất dầu Phía có tế bào lớn mềm Một cà phê thường có 1, nhân Thơng thường có nhân Bảng 1 Tỷ lệ phần cấu tạo cà phê (tính theo % tươi) Các loại vỏ nhân Cà phê chè (%) Cà phê vối (%) - Vỏ 43 - 45 41 - 42 - Lớp nhớt 20 - 23 21 - 42 - Vỏ trấu - 7,5 6-8 - Nhân vỏ lụa 26 - 30 26 - 29 1.1.2 Thành phần dinh dưỡng - Glucid GVHD: Huỳnh Văn Tiến Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Chiếm 1/2 tổng số chất khô, đại phận không tham gia vào thành phần nước uống mà cho màu vị caramen Đường có cà phê trình thủy phân tác dụng acid hữu enzim thủy phân Hàm lượng saccharose có cà phê phụ thuộc vào độ chín quả, chín hàm lượng cao Saccharosa bị caramen hóa q trình rang tạo thành hương vị cho nước cà phê - Protein Hàm lượng protein không cao đóng vai trò quan trọng q trình hình thành hương vị sản phẩm Bằng phương pháp thủy phân, người ta nhận thấy thành phần protein có acid amin sau: cystein, alanie, phenylalanine, histidine, leucine, lysine, derine,… Các acid amin thấy dạng tự do, chúng giải phóng tác dụng với tác dụng với chất tạo mùi vị cho cà phê rang Trong chất acid amin kể đáng ý acid amin có chứa lưu huỳnh cystein, methionine proline… chúng góp phần tạo hương đặc trưng cà phê sau rang Đặc biệt, methionine proline có tác dụng làm giảm oxy hóa chất thơm, làm cho cà phê rang giữ mùi vị bảo quản - Nước Cà phê tươi có độ ẩm tuyệt đối, với hàm lượng nước cao loại nấm mốc phát triển mạnh làm hỏng hạt đồng thời rang tốn nhiều nhiên liệu thất thoát hương nhiều Vì thơng qua phương pháp chế biến cà phê hàm lượng nước giảm xuống 11 13% cà phê bảo quản lâu Hàm lượng nước lại sau rang khoảng 2,5 3,5 % - Lipid Hàm lượng lipid chiếm lớn 10 13% Chủ yếu dầu sáp Trong sáp chiếm 8%, lại dầu chiếm khoảng 90% Trong trình chế biến lipid bị biến đổi, song phần acid béo tham gia tác dụng nhiệt độ cao tạo nên hương thơm cho sản phẩm, lượng lipid không bị biến đổi dung môi tốt hòa tan chất thơm Khi pha cà phê lượng nhỏ lipid vào nước phần lớn lưu lại bã - Chất thơm Trong cà phê hàm lượng chất thơm nhỏ, hình thành tích lũy hạt Sự tích lũy chịu nhiều yếu tố đất đai, khí hậu chủng loại cà phê Sự tích lũy chất thơm hạt nói riêng cấu trúc hương vị cà phê chịu ảnh hưởng lớn độ cao, loại cà phê trồng cao, phẩm chất hạt tốt - Alcaloid Trong cà phê có alcaloid như: caffeine, trigonulin, colin.Trong quan trọng nghiên cứu nhiều caffeine trigonulin - Caffein Caffeine chiếm từ 3% phụ thuộc vào chủng loại cà phê, điều kiện khí hậu, điều kiện canh tác Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) khơng xếp caffeine vào nhóm chất gây nghiện Đến khơng có chứng khoa học cho thấy caffeine nguy hại đến sức khoẻ, trường hợp sử dụng thường xuyên caffeine thời gian dài Ngồi caffeine gọi trimethylxanthine xanthine alkaloid tìm thấy loại hạt cà phê, trà (chè), hạt cola, hạt ca cao - Khoáng chất GVHD: Huỳnh Văn Tiến Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Chiếm khoảng 5% chủ yếu nitơ, kali, magiê, photpho, clo Ngoài có chất lưu huỳnh, nhơm, sắt, đồng …tạo mùi xấu đến cà phê Thành phần khoáng chất thấp giúp cà phê tăng thêm chất lượng 1.1.3 Thành phần hóa học nhân cà phê Bảng Thành phần hóa học nhân cà phê Thành phần hóa học Tính g/100g - Nước - 12 - Chất dầu - 18 - Đạm 1,8 - 2,5 - Protein - 16 - Cafein (Arabica), (Robusta) - Clorogenic axit - Trigonelline - Tanin - Cafetanic axit Tính mg/100g 8-9 - Cafeic axit - Pentozan - Tinh bột - 23 - Saccaro - 10 - Xenlulo 10 - 20 - Hemixenlulo 20 - Linhin - Canxi 85 - 100 - Photphat 130 - 165 - Sắt - Natri - Mangan - 10 - 45 1.1.4 Sự phát triển cà phê thị trường Việt Nam Lần cà phê đưa vào Việt Nam vào năm 1875, giống Arabica người Pháp mang từ đảo Bourton sang trồng phía Bắc, sau lan tỉnh miền Trung Quảng Trị, Bố Trạch… Năm 1925, cà phê lần trồng Tây Ngun Sau giải phóng, diện tích cà phê nước khoảng 20.000 ha, nhờ hỗ trợ vốn từ quốc tế, cà phê dần trọng Trong thập kỷ 90 kỷ XX, sản lượng tăng lên 20%/năm Năm 2000, Việt Nam có khoảng 520 nghìn cà phê, tổng sản lượng đạt 800 nghìn GVHD: Huỳnh Văn Tiến Trường ĐH Cơng Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Cho đến nay, sản lượng cà phê nước chiếm 8% sản lượng nông nghiệp, chiếm 25% giá trị xuất nước xuất cà phê Robusta lớn giới với hai tỉnh có diện tích canh tác lớn Đắk Lắk Gia Lai, mang lại việc làm ổn định, thu nhập cao cho hàng triệu người Góp phần ổn định kinh tế xã hội vùng xa xôi hẻo lánh, dân tộc người… 1.2 Giới thiệu phương pháp sấy 1.2.1 Bản chất trình sấy Sấy bốc nước sản phẩm nhiệt nhiệt độ thích hợp, q trình khuếch tán chênh lệch ẩm bề mặt bên vật liệu, hay nói cách khác chênh lệch áp suất riêng phần bề mặt vật liệu môi trường xung quanh 1.2.2 Phân loại trình sấy - Người ta phân thành loại: - Sấy tự nhiên: nhờ tác nhân nắng, gió… Phương pháp có thời gian sấy dài, tốn diện tích sân phơi, khó điều chỉnh độ ẩm cuối vật liệu lớn, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết khí hậu - Sấy nhân tạo: trình cần cung cấp nhiệt, nghĩa phải dùng đến tác nhân sấy khói lò, khơng khí nóng, q nhiệt… hút khỏi thiết bị sấy xong Quá trình sấy nhanh, dễ điều khiển triệt để sấy tự nhiên - Nếu phân loại phương pháp sấy nhân tạo, ta có: - Phương pháp sấy đối lưu: nguồn nhiệt cung cấp cho trình sấy nhiệt truyền từ môi chất sấy đến vật liệu sấy cách truyền nhiệt đối lưu Đây phương pháp dùng rộng rãi cho sấy hoa sấy hạt - Phương pháp sấy xạ: nguồn nhiệt cung cấp cho trình sấy thực xạ từ bề mặt đến vật sấy, dùng xạ thường, xạ hồng ngoại - Phương pháp sấy tiếp xúc: nguồn cung cấp nhiệt cho vật sấy cách cho tiếp xúc trực tiếp vật sấy với bề mặt nguồn nhiệt - Phương pháp sấy điện trường dòng cao tầng: nguồn nhiệt cung cấp cho vật sấy nhờ dòng điện cao tần tạo nên điện trường cao tần vật sấy làm vật nóng lên - Phương pháp sấy thăng hoa: thực làm lạnh vật sấy đồng thơi hút chân không vật sấy đạt đến trạng thái thăng hoa nước, nước thoát khỏi vật sấy nhờ trình thăng hoa - Phương pháp sấy tầng sơi: nguồn nhiệt từ khơng khí nóng nhờ quạt thổi vào buồng sấy đủ mạnh làm sôi lớp hạt, sau thời gian định, hạt khô thảo - Phương pháp sấy phun: dùng để sấy sản phẩm dạng lỏng - Bức xạ: dẫn truyền nhiệt xạ từ vật liệu nóng đến vật liệu ẩm - Phân loại theo tính chất xử lý vật liệu ẩm qua buồng sấy: - Sấy mẻ: vật liệu đứng yên chuyển động qua buồng sấy nhiều lần, đến hoàn tất tháo - Sấy liên tục: vật liệu cung cấp liên tục từ chuyển động vật liệu ẩm qua buồng sấy xảy liên tục - Phân loại theo chuyển động tương đối dòng khí vật liệu ẩm: - Loại thổi qua bề mặt - Loại thổi xun vng góc với vật liệu 1.2.3 Thiết bị sấy băng tải GVHD: Huỳnh Văn Tiến Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Công Nghệ Hóa Học Cấu tạo thiết bị làm việc liên tục, dài đến 20m, rộng 3m Nguyên liệu đặt chuyền lưới có đáy sâu – 15 cm Dòng khí lúc đầu có hướng từ lên qua đáy nguyên liệu giai đoạn sau hướng xuống để sản phẩm khỏi bị thổi khỏi băng chuyền Ở thiết bị sấy giai đoạn nguyên liệu sau sấy phần xáo trộn chất đống lại vào băng chuyền sâu (15–25cm 25– 90cm máy sấy giai đoạn), nhờ cải tiến tính đồng q trình sấy tiết kiệm không gian Sản phẩm thường sấy đến độ ẩm 10 – 15% sau sấy kết thúc thùng sấy Thiết bị sấy có khu vực sấy độc lập với kiểm sốt máy tính hệ thống tự động nạp nguyên liệu tháo sản phẩm để giảm chi phí nhân cơng GVHD: Huỳnh Văn Tiến Hình Cấu tạo máy sấy băng tải Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 4.1 Kích thước băng tải - Khối lượng riêng cà phê W1 = 30% Trong đó: : Khối lượng riêng nước = 998 kg/m3 : Khối lượng riêng cà phê = 650 kg/m3 = 726 - Chiều rộng băng tải Br = Trong đó: w vận tốc băng tải (m/p): w = 0,7 m/p h: chiều dày lớp cà phê: h = 0,05 Br= = 1,6 (m) - Chiều rộng thực tế băng tải Btt = = (m) - Chiều dài băng tải L = + ls = = 26 (m) Vậy ta có băng tải; băng tải dài 6,5m; băng tải đặt cách 0,2 m; đường kính d = 0,3 m Băng tải làm thép không gỉ, ρ = 7900 (kg/m3), δ = 1mm 4.2 Số lăn đỡ - Khoảng cách lăn nhánh có tải lt = A – 0,625B Trong đó: B chiều rộng băng tải A số phụ thuộc khối lượng riêng vật liệu ρ = 726 < 1000 (kg/m3) A = 1750 mm lt = 1,75 – 0,625 x = 0,5 - Khoảng cách lăn nhánh không tải lo = 2lt = x 0,5 = - Số lăn nhánh không tải n1 = = = 6,5 chọn - Số lăn nhánh có tải n2 = = = 13 chọn 13 - Tổng số lăn cần dùng n = (n1 + n2) x số băng tải = (7 + 13) x = 80 (con lăn) - Kích thước lăn: d = 120 mm; l = 2000 mm; làm thép CT3 - Kích thước bánh lăn: d = 300 mm; làm thép CT3 GVHD: Huỳnh Văn Tiến 11 Trường ĐH Cơng Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học 4.3 Động băng tải Vì băng tải di chuyển với tốc độ thấp (số vòng quay tang nhỏ) - Vận tốc băng tải: v= = = 0,01 (m/s) - Vận tốc tang ntang = = = 0,6 (vòng/phút) - Chọn động điện Nđm Trong đó: Nđm công suất định mức động (kW) Nlv công suất làm việc hiệu suất truyền động; = 0,75 - Công suất làm việc băng tải Nlv = P: lựa kéo băng tải P = (mbăng + mvl) x g = (L x δ x B x ρ + G1 x ) x g = (26 x x 10-3 x x 7900 + 2500 x 0,7) x 9,81 = 21197,448 N Nlv = = 0,212 (kW) = = 0,28 (kW) Nđm 0,18 (kW) Chọn động loại AO2(AOJ12)11-6, bảng 2P[8], trang 322, ta có thơng số sau: Cơng suất động cơ: Số vòng quay động cơ: 4.4 Kích thước hầm sấy - Hầm sấy xây gạch vữa xi măng Chọn bề dày viên gạch 0,2 m lớp vữa bên 0,025 m bề dày tường 0,25 m - Trần phòng làm bê thơng cốt thép có chiều dày 0,1 m - Nền phòng làm bê thơng cốt thép có chiều dày 0,25 m - Cửa phòng sấy làm nhơm dày 0,015 m; có lớp cách nhiệt dày 0,01 m - Chiều cao làm việc phòng sấy Hp = bề dày tồn băng tải + khoảng trống đầu = 0,3 x + 0,2 x = 2,2 (m) - Chiều rộng làm việc phòng sấy Rp = chiều rộng băng tải + khoảng trống bên = + 0,3 x = 2,6 (m) - Chiều dài làm việc phòng sấy Lp = chiều dài băng tải + khoảng trống đầu hầm = 6,5 + 0,7 = 7,2 (m) - Nếu tính tường kích thước hầm sấy L = 7,2 + 0,25 x + 0,3 = (m) R = 2,6 + 0,25 x = 3,1 (m) H = 2,2 + 0,1 + 0,25 = 2,55 (m) 4.5 Tính cân nhiệt lượng - Vận tốc chế độ chuyển động khơng khí phòng sấy - Vận tốc khơng khí phòng sấy = 5,2 (m/s) GVHD: Huỳnh Văn Tiến 12 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học - Chế độ chuyển động khơng khí Với Re: số Reynol đặc trưng cho chế độ chuyển động dòng ltđ: đường kính tương đương tính theo cơng thức: = 2,38 (m) - Nhiệt độ trung bình khơng khí phòng sấy: Tra phụ lục – kỹ thuật sấy – Trần Văn Phú, ta có: = 64,86 x 104 > 104 Chế độ khơng khí phòng sấy chế độ chảy rối Hiệu số nhiệt độ trung bình tác nhân sấy với mơi trường xung quanh : hiệu số nhiệt độ tác nhân sấy vào phòng sấy với khơng khí bên ngồi = 30oC : hiệu số nhiệt độ tác nhân sấy khỏi phòng sấy với khơng khí bên ngồi = 20oC = 24,66oC 4.5.1 Tính tổn thất nhiệt - Lượng nhiệt tổn thất môi trường qua tường Tường xây gạch dày 0,25 m; chiều dày viên gạch δ gạch = 0,2 m chiều dày lớp vữa δv = 0,025 m gạch = 0,1395 (W/m.độ); v = 0,778 (W/m.độ) Khơng khí nóng chuyển động phòng đối lưu tự nhiên (vì có chênh lệch nhiệt độ) cưỡng (quạt); khơng khí chuyển động xốy Gọi 1 hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến bề mặt tường phòng sấy 1 = k (1’ + 1”) 1’: hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy đối lưu cưỡng đơn vị (W/m2.độ) 1”: hệ số cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến thành máy sấy đối lưu tự nhiên (W/m độ) k: hệ số hiệu chỉnh + Tính 1’ Phương trình Nusselt chất khí Nu = C x 1 x Re0,8 = 0,018 x 1 x Re0,8 Trong 1 phụ thuộc vào tỷ số Re Ta có = 3,36 Re = 64,86 x 104 1 = 1,2 Nu = 0,018 x 1 x Re0,8 = 0,018 x 1,2 x (64,86 x 104)0,8 = 963,91 Mà Nu = 1’= = = 11,83 + Tính 1” Gọi tT1 nhiệt độ trung bình bề mặt tường tiếp xúc với khơng khí nóng phòng sấy Chọn tT1 = 38oC GVHD: Huỳnh Văn Tiến 13 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Gọi ttbk nhiệt độ trung bình chất khí vào phòng sấy ttbk = = 55oC Gọi ttb nhiệt độ trung bình tường tường phòng sấy với nhiệt độ trung bình tác nhân sấy ttb = = 46,5oC Tại nhiệt độ này, tra bảng ta được: 1 = 2,751 x 10-2 (W/m.độ) 1 = 16,864 x 10-6 (m2/s) Chuẩn số Gratkov Gr = Trong g: gia tốc trọng trường g = 9,81 (m/s2) H: chiều cao phòng sấy t1: ttbk – tT1 = 55 – 38 = 17oC T = ttbk + 273 = 55 + 273 = 328 K Gr = = 1,9 x 1010 Mà chuẩn số Nusselt Nu = 0,47 x Gr0,25 Nu = 174,49 Hơn Nu = 1”= = = 2,14 Từ đó: 1 = k (1’ + 1”) = 1,2 (11,83 + 2,14) =16,764 q1 = 1t1 = 16,764 x 17 = 284,988 (KJ/kg) Nhiệt tải riêng khơng khí từ phòng sấy đến mặt tưởng 284,988 + Tính 2 Hệ số cấp nhiệt bề mặt ngồi máy sấy đến mơi trường xung quanh 2 = 2’ + 2” Với 2’: hệ số cấp nhiệt đối lưu tự nhiên 2”: hệ số cấp nhiệt xạ Trong trình truyền nhiệt ổn định q1 = Mà (m /W.độ) Trong : bề dày lớp tường : hệ số dẫn nhiệt tương ứng = 0,025: bề dày lớp vữa có = 0,778 (W/m.độ) = 0,2 :bề dày viên gạch có = 0,1395 (W/m.độ) Vậy = 1,49 (m2/W.độ) Từ tT1 – tT2 = q1 x = 2,964 x 1,46 = 4,33oC tT2: nhiệt độ tường ngồi phòng sấy tT2 = tT1 – 4,33 = 38 – 4,33 = 33,67oC Nhiệt độ lớp biên giới tường ngồi phòng sấy khơng khí ngồi trời tbg = = 31,835oC Tại nhiệt độ tbg tra bảng, ta tính được: 2 = 2,65788 x 10-2 (W/m.độ) 2 = 15,85759 x 10-6 (m2/s) Nhiệt độ tường ngồi nhiệt độ khơng khí có độ lệch là: t2 = tT2 – tkk = 33,67 –30 = 3,36oC Chuẩn số Gratkov là: Gr = = 2,3 x 109 Chuẩn số Nusselt GVHD: Huỳnh Văn Tiến 14 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Hệ số cấp nhiệt xạ 2” Nu = 0,47 x Gr0,25 = 102,93 2’= = = 1,32 2” = Với n: độ đen vữa n = 0,9 Co: hệ số xạ vật đen tuyệt đối lấy 5,67 t1 = tT2 + 273 = 33,67 + 273 = 306,67 K t2 = tkk + 273 = 30 +273 = 303 K Từ : 2” = = 5,8 Nên 2 = 2’ + 2” = 1,32 + 5,8 = 7,12 Nhiệt tải riêng từ bề mặt tường ngồi đến mơi trường khơng khí q2 = 2 x t2 = 7,12 x 3,36= 23,92 (KJ/kg) Vậy tổn thất qua tường Qt = 3,6 x k x δ x ttb δ = δ1 + δ2 Mà δ1 = x Lp x Hp = x 7,2 x 2,2 = 31,68 (m2) δ2 = x Rp x Hp = x 2,6 x 2,2 = 11,44 (m2) δ = 31,68 + 11,44 = 43,12 (m2) k = = 0,61 (W/m2) ttb= = 8,4oC Từ Qt = 3,6 x 0,61 x 43,12 x 8,4 = 795,41 (KJ) Vậy qt = = 1,43 (KJ/kg ẩm) - Lượng nhiệt tổn thất qua trần Trần đúc: lớp bê tông cốt thép δ1 = 0,1 m ; 1 = 1,55 (W/m.độ) + Cấp nhiệt từ tác nhân sấy đến mặt trần Cấp nhiệt đối lưu xạ 1’ Nu = 0,018 x 1 x Re0,8 = 285,75 1’ = 3,67 Cấp nhiệt đối lưu tự nhiên 1” Chọn nhiệt độ trần 35oC Gọi ttb nhiệt độ trung bình trần phòng sấy với nhiệt độ trung bình tác nhân sấy ttb = = 45 o -2 tT1 = 38 C = 2,76 x 10 (W/m.độ) ; = 16,96 x 10-6 (m2/s) t1 = tT1 – ttb = 38 – 37,5 = 0,5oC T1 = ttb + 273 = 45 + 273 = 318 K T2 = 303 K Chuẩn số Gratkov Gr = = 0,942 x 109 Chuẩn số Nusselt Nu = 0,47 x Gr0,25 = 82,34 1”= = = 0,87 1= 1,2 x (3,67 + 0,87) = 5,448 (lấy k = 1,2) Nhiệt tải riêng q1 = 1 x t1 = 5,448 x 0,5 = 2,724 GVHD: Huỳnh Văn Tiến 15 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học + Cấp nhiệt từ bên ngồi đến mơi trường xung quanh = 0,21 Trong q trình tính truyền nhiệt ổn định: q1= tT1 – tT2 = q1 x tT2 = tT1 – q1 x = 38 – 2,724 x 0,21 = 37,4oC Hiệu số nhiệt độ trần ngồi khơng khí t2 = tT2 – tkk = 37,4 –30 = 7,4oC Nhiệt độ biên giới trần ngồi khơng khí tbg = = 33,7oC Tại nhiệt độ tra bảng = 2,67 x 10-2 (W/m.độ) ; = 16 x 10-6 (m2/s) Cấp nhiệt đối lưu tự nhiên Nu = 0,47 x Gr0,25 Với Gr chuẩn số Gratkov Gr = = 1,57 x 1010 Chuẩn số Nusselt Nu = 0,47 x Gr0,25 = 166,37 Vậy hệ số cấp nhiệt đối lưu tự nhiên 2’= = = 1,71 Vì bề mặt trần hướng lên nên hệ số cấp nhiệt đối lưu tự nhiên tăng 30% ta có hệ số cấp nhiệt đối lưu tự nhiên thực tế là: 2tt’ = 2,22 Cấp nhiệt xạ 2” = T1 = tT2 + 273 = 37,4 + 273 = 310,4 K ; T2 = 303 K n = 0,9 ; Co = 5,67 2” = = 5,56 Vậy 2 = 2’ + 2” = 1,71 + 5,56 = 7,27 Nhiệt tải riêng q2 = 2 x t2 = 7,27 x 7,4 = 53,798 (KJ/kg) Vậy tổn thất qua trần Qtr = 3,6 x k x δ x ttb k: hệ số truyền nhiệt k = = 2,5(W/m2) δtr = = 22,8 (m2) ttb= = 2,56oC Từ Qtr = 3,6 x 2,5 x 22,8 x 2,56 = 525,312 (KJ) Nhiệt tải riêng qt = = 0,94 (KJ/kg ẩm) - Lượng nhiệt tổn thất qua Qn = 3,6 x q1 x F Trong q1: tổn thất qua m ; q1 = 15,18 (KJ/kg ẩm) F: diện tích δtr = F = 12,11 (m2) Qn = 3,6 x 15,18 x 12,11 = 661,79 (KJ) Nhiệt tải riêng qn = = 1,19 (KJ/kg ẩm) - Lượng nhiệt tổn thất qua cửa Qc = 3,6 x k x δ x ttb GVHD: Huỳnh Văn Tiến 16 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Gọi 1 hệ số cấp nhiệt từ khơng khí nóng đến cửa 1 = k (1’ + 1”) 1’: hệ số cấp nhiệt cưỡng Lấy 1’ = 1,84 (W/m2.độ) (lấy gần hệ số cấp nhiệt đối lưu cưỡng tường) 1”: hệ số cấp nhiệt đối lưu tự nhiên (W/m2.độ) k: hệ số hiệu chỉnh Gọi tT1 nhiệt độ pử cửa Chọn tT1 = 55oC t1 = 60 – 55 = 5oC Nhiệt độ lớp ngăn cách tbg = = 17,5oC Tại nhiệt độ này, tra bảng ta được: 1 = 2,5432 x 10-2 (W/m.độ) 1 = 14,5335 x 10-6 (m2/s) Chuẩn số Gratkov Gr = = = 0,75 x 1010 Mà chuẩn số Nusselt Nu = 0,47 x Gr0,25 Nu = 137,31 Hơn Nu = 1”= = = 1,59 Hệ số cấp nhiệt từ khơng khí nóng đến cửa trong: 1 = k (1’ + 1”) = 1,2 (1,84 + 1,59) = 4,116 Nhiệt tải riêng q1 = 1t1 = 4,116 x = 20,58 (KJ/kg ẩm) + Tính 2 Hệ số cấp nhiệt từ cửa ngồi khơng khí xung quanh 2 = 2’ + 2” Ta có: = 0,014 Trong q trình truyền nhiệt ổn định q1 = tT1 – tT2 = q1 x tT2: nhiệt độ tường ngồi phòng sấy tT2 = tT1 – q1 x = 55 – 20,58 x 0,014 = 54,7oC Độ chênh lệch nhiệt độ cửa ngồi phòng sấy với khơng khí t2 = tT2 – tkk = 54,7 – 30 = 24,7oC T2 = 297,7 K Gọi tbg nhiệt độ ngăn cách cửa phòng sấy tbg = = 42,4oC Tại nhiệt độ tbg tra bảng, ta tính được: 2 = 2,706 x 10-2 (W/m.độ) 2 = 16,384 x 10-6 (m2/s) t2’ độ chênh lệch nhiệt độ lớp ngăn cánh cửa phòng sấy với khơng khí bên ngồi t2’ = tbg – 30 = 42,4 – 30 = 12,4oC Chuẩn số Gratkov là: Gr = = 1,6 x 1010 Chuẩn số Nusselt Nu = 0,47 x Gr0,25 = 167,15 2’= = = 1,77 GVHD: Huỳnh Văn Tiến 17 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Hệ số cấp nhiệt xạ 2” 2” = Gọi T1’ = tbg + 273 = 42,4 + 273 = 315,4 K T2 = 297,7 K 2” = = 5,9 Nên 2 = 2’ + 2” = 1,77 + 5,9 = 7,67 Nhiệt tải riêng: q2 = 2 x t2 = 7,67 x 24,7 = 189,449 (KJ/kg) Vậy tổn thất qua tường Qt = 3,6 x k x δ x ttb k = = 2,6 (W/m2) ttb= = 12,3oC Từ Qt = 3,6 x 2,6 x x 12,3 = 115,128 (KJ) Vậy qc = = 0,21 (KJ/kg ẩm) - Tổng tổn thất phòng sấy = qt + qtr + qn + qc = 1,43 + 0,94 + 1,19 + 0,21 = 3,77 (KJ/kg ẩm) 4.5.2 Cân nhiệt cho trình sấy lý thuyết Nhiệt lượng mang vào thiết bị sấy: - Nhiệt calorife cung cấp: (W) - Nhiệt khơng khí ẩm mang vào: (J/s) - Nhiệt vật liệu ẩm mang vào: (W) Lượng nhiệt mang khỏi sấy: - Nhiệt khơng khí ẩm mang ra: (J/s) - Nhiệt vật liệu sấy mang ra: (W) - Nhiệt mát môi trường: (J/s) Phương trình cân nhiệt lượng chung sấy: - Nhiệt lượng tiêu hao chung cho trình sấy: - Nhiệt lượng vào Nhiệt lượng calorife cung cấp: = 200 x (23-15) = 1600 (KJ/kg) Nhiệt lượng vật liệu sấy mang vào: = 209,3 (KJ/kg) Nhiệt lượng khơng khí sấy mang vào = 3000 (KJ/kg) Vậy tổng nhiệt lượng vào: = 1600 + 209,3 + 3000 = 4809,3 (KJ/kg) Nhiệt lượng Lượng nhiệt vật liệu sấy mang ra: = 300,8 (KJ/kg ẩm) Nhiệt tổn thất phòng sấy: Qmt = Qo + 5%Qo = 5049,8 (KJ/kg ẩm) qmt = = 9,1 (KJ/kg ẩm) GVHD: Huỳnh Văn Tiến 18 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Nhiệt lượng khơng khí mang ra: = 200 x 23 = 4600 (KJ/kg ẩm) Vậy tổng nhiệt lượng ra: = 300,8 + 9,1 + 4600 = 4909,9 (KJ/kg ẩm) So sánh tổng nhiệt lượng vào tổng nhiệt lượng ra: Vậy giả thuyết q trình tính tốn chấp nhận GVHD: Huỳnh Văn Tiến 19 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Chương 5: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ (QUẠT) Quạt phận vận chuyển không khí tạo áp suất cho dòng khí qua thiết bị: calorifer, máy sấy, đường ống, cyclon Năng lượng quạt tạo cung cấp cho dòng khí áp suất động học để di chuyển phần để khắc phục trở lực đường ống vận chuyển Năng suất quạt đặc trưng thể tích khí vào hay thiết bị sấy Do hệ thống sấy dài, trở lực lớn nên ta dùng quạt đặt đầu cuối hệ thống: - Quạt đặt đầu hệ thống quạt đẩy có nhiệm vụ cung cấp khơng khí cho calorifer, khơng khí ngồi mơi trường sau qua thiết bị lọc quạt đẩy đưa qua calorifer trao đổi nhiệt đưa vào hầm sấy qua đoạn ống cong 90o - Quạt đặt cuối hệ thống quạt hút có nhiêm vụ hút tác nhân sấy qua thùng sấy để cấp nhiệt cho vật liệu sấy cyclon để thu hồi sản phẩm, đường ống từ sau hầm sấy đến trước cyclon có đoạn cong 90o Các trở lực gồm có: - Trở lực từ miệng quạt đến calorifer - Trở lực calorifer - Trở lực đột mở vào calorifer - Trở lực đột thu từ calorife đường ống dẫn khơng khí nóng - Trở lực qua van - Trở lực qua co 5.1 Tính trở lực - Tính trở lực từ miệng quạt đến calorife Chọn vận tốc khí ống: Vận tốc khí ống là: Tại t = 30oC có = 1,165 (kg/m3) 74 (m) Chuẩn số Reynol: Vì nên khơng khí ống theo chế độ chảy xốy Vậy hệ số ma sát tính theo công thức: Vậy trở lực ống từ miệng quạt đến calorife là: - Trở lực calorife Nhiệt độ trung bình khơng khí nóng calorife: Tại nhiệt độ ta có: =2,72985 x 10-2 (W/mK) = 1,140395 (kg/m3) = 16,6384 x 10-6 (m2/s) Vận tốc khơng khí calorife: Chuẩn số Reynold là: GVHD: Huỳnh Văn Tiến 20 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Do nên khơng khí chuyển động theo chế độ chảy xốy Do ống xếp theo kiểu hành lang nên: Với s khoảng cách ống theo phương cắt ngang dòng chuyển động (theo chiều rộng dòng) s = 0,007 + 0,007 + = 0,024 (m) m dãy chùm theo phương chuyển động; m = 30 d đường kính ống; d = Dg = 0,042 (m) Vậy trở lực calorife là: - Trở lực đột mở vào calorife: Diện tích mặt cắt ngang ống đẩy: Diện tích cắt ngang ống dẫn khơng khí nóng: Tỉ số: Tra bảng II.16 sách “số tay trình cơng nghệ hóa chất tập I” trang 387 ta có: Vậy trở lực đột mở calorife là: - Trở lực độ thu từ calorife đường ống dẫn khơng khí nóng: Khơng khí nóng khỏi calorife có nhiệt độ , có: , Diện tích cắt ngang ống dẫn khơng khí nóng: Vận tốc khơng khí nóng ống: Chuẩn số Reynold: : khơng khí chuyển động theo chế độ xoáy Tỉ số: Tra bảng II.16 sách “số tay q trình cơng nghệ hóa chất tập I” trang 388 ta có: Vậy trở lực đột thu calorife: Trở lực qua van: Đường kính ống dẫn: d = 0,042 (m) Chọn van tiêu chuẩn Tra bảng II.16 sách “số tay trình cơng nghệ hóa chất tập I” trang 397 ta có: Vậy trở lực qua van: - Trở lực qua co: Chọn ống tròn vng gập 90, tra bảng phụ lục 8: trở lực cục dòng chảy – “kỹ thuật sấy” – Trần Văn Phú, ta có: , gồm co GVHD: Huỳnh Văn Tiến 21 Trường ĐH Cơng Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học Vậy trở lực qua co: Vậy trở lực tồn hệ thống: 5.2 Tính cơng suất quạt chon quạt - Quạt đẩy hỗn hợp khí vào calorife: Lưu lượng đẩy vào: Áp suất làm việc toàn phần: Trong đó: = 232,276 mmH2O B: áp suất nơi đặt quạt, : khối lượng riêng khí điều kiện chuẩn : khối lượng riêng khí điều kiện làm việc Công suất trục động điện: Trong đó: : suất quạt : hiệu suất quạt : truyền động qua bánh đai Công suất thiết lập động điện: Với hệ số dự trữ nên chọn suy - Quạt hút khí thải vào xyclon: Lưu lượng hút: Áp suất làm việc tồn phần: Trong đó: B: áp suất nơi đặt quạt, : khối lượng riêng khí điều kiện chuẩn : khối lượng riêng khí điều kiện làm việc Công suất trục động điện: Trong đó: : suất quạt : hiệu suất quạt : truyền động qua bánh đai Công suất thiết lập động điện: Với hệ số dự trữ GVHD: Huỳnh Văn Tiến 22 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học nên chọn suy Chọn quạt: Với suất áp suất quạt, tra đồ thị đặc tuyến quạt ly tâm, ta chọn quạt có kí hiệu II 4-70 N10 ( “Thiết kế hệ thống thiết bị sấy”- Hoàng Văn Chước) hiệu suất GVHD: Huỳnh Văn Tiến 23 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học KẾT LUẬN Hệ thống sấy cà phê băng tải có suất nhỏ (2,5 tấn/h) nên sau tính tốn, kích thước thiết bị vài thơng số tính tốn chưa phù hợp với thông số thiết bị thực tế Các tài liệu sấy cà phê chưa thật rõ ràng để sinh viên tính tốn hết thơng số hệ thống Việc thiết kế, tính tốn hệ thống sấy phụ thuộc nhiều vào số liệu thực nghiệm số liệu độ ẩm ban đầu, kích thước hạt, khối lượng riêng hạt… Tuy nhiên, điều kiện không cho phép nên phạm vi đồ án thực thí nghiệm thực tế nguyên liệu cà phê Do đó, số liệu phương pháp tính tốn dựa vào nhiều nguồn tài liệu khác dẫn đến việc khơng đồng tính tốn sai số kết sau Mặc dù hệ thống sấy băng tải sử dụng phổ biến công nghiệp thực phẩm sinh viên chưa tham quan thực tế nên đa phần tính tốn thiên lý thuyết, đơi chỗ chưa hợp lý không khoa học Tôi mong thầy nhận xét hướng dẫn thêm để góp phần hoàn thiện đồ án GVHD: Huỳnh Văn Tiến 24 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM – Khoa Cơng Nghệ Hóa Học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Xn Toản, “Các q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm tập 3”, NXB KHKT [2] Nguyễn Bin cộng sự, “Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1”, NXB KHKT Hà Nội [3] Nguyễn Bin cộng sự, “Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2”, NXB KHKT Hà Nội [4] Trần Văn Phú, “Kỹ thuật sấy”, NXB GD [5] Trần Văn Phú, “Tính tốn thiết kế hệ thống sấy”, NXB GD [6] Hoàng Văn Chước, “Kỹ thuật sấy”, NXB KHKT [7] Hoàng Văn Chước, “Thiết kế hệ thống thiết bị sấy”, NXB KHKT [8] Nguyễn Bin, “Các q trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm tập 4”, NXB KHKT [9] Phạm Văn Bơn, Nguyễn Đình Thọ, “Giáo trình q trình thiết bị cơng nghệ hóa học tập 5”, Đại hoc bách khoa Tp Hồ Chí Minh [10] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm, “Thiết kế chi tiết máy”, NXB GD GVHD: Huỳnh Văn Tiến 25