Tính và chọn máy sấy bột

TÍNH VÀ CHỌN MÁY SẤY Bột li tâm lần cuối có độ ẩm W = 40%, kích thước nhỏ (lọt rây No 52). Là sản phẩm không bền nhiệt, ở nhiệt độ cao tinh bột dễ bị hồ hoá, dextrin hoá. Để giảm thời gian tinh bột tiếp xúc với nhiệt độ cao, người ta chia quá trình sấy làm 2 giai đoạn. + Giai đoạn 1: hạ độ ẩm từ 40%®26% + Giai đoạn 2: hạ độ ẩm từ 26%®12% (độ ẩm bảo quản) Sấy theo phương thức xuôi chiều bằng thiết bị thùng quay. Chất tải nhiệt là không khí được đốt nóng trong calorife. 1. Sấy lần 1: 1.1 Cân bằng vật liệu: Phương trình cân bằng vật liệu chung: G1 = G2 + W ,( kg / h) [2 – tr 165] Trong đó: + G1,G2 : Khối lượng của nguyên liệu trước và sau khi sấy, ( kg / h) + W: Lượng ẩm bay hơi trong quá trình sấy, ( kg / h) Lượng ẩm bay hơi trong 1 h: W = G1 , ( kg / h) [2 – tr 165] + G1: Lượng nguyên liệu đưa vào máy sấy, G1 = 2442,98 ( kg / h) + W1: Độ ẩm nguyên liệu trước khi sấy, W1 = 40% + W2: Độ ẩm nguyên liệu sau khi sấy, W2 = 26% Þ W = 2442,98 = 462,18 ( kg / h) Lượng tinh bột ra khỏi máy sấy lần 1: G2 = G1 - W = 2442,98 – 462,18 = 1980,8 ( kg / h) Lượng không khí khô cần thiết để làm bôc hơi 1 kg ẩm (lượng không khí tiêu hao riêng): l1 = , kg kkk/kg ẩm bay hơi [2 tr 166] Trong đó: + x0, x2 : Hàm ẩm của không khí trước và sau khi sấy, kg ẩm/kg kkk Không khí ban đầu có các tham số: t0 = 250C; j = 80% Qua đồ thị I-x [4 - phụ lục], ta xác định được các thông số còn lại: x0 = 0,016 kg ẩm /kg kkk I0 = 14,5 kcal/kg kkk Nhiệt độ tác nhân sấy 800C và nhiệt độ cuối của sản phẩm là 400C, ta xác định được đồ thị quá trình sấy lí thuyết với các thông số sau: t0(0C) x(kg/kgkkk) j(%) I(kcal/kgkkk) A 25 0,016 80 14,5 B 80 0,016 6 29,5 C 40 0,032 70 29,5 · Lượng không khí cần thiết để làm bốc hơi 1 kg ẩm: l1 = = = 62.50 kg/kg ẩm [2 – tr 166] · Lượng không khí cần thiết trong quá trình sấy: L1 = l1.W = 62,50 x 462,18 = 28886,25 ( kg / h) [2 – tr 166] 1.2 Tính thiết bị: 1.2.1 Cường độ bay hơi ẩm: A = 20¸30 kg/m3.h Từ lượng ẩm bay hơi, chọn A = 30 kg/m3.h 1.2.2 Thể tích thiết bị: Vt = = = 15,40 m3 [5,T2 – tr 121] + W : Lượng ẩm bay hơi, kg/h + A : Cường độ bay hơi ẩm, kg/m3.h · Kích thước thiết bị: + Chọn đường kính thùng: Dt = 1,6 m [2 – tr 205] + Chiều dài thùng: Lt = = , m [5,T2 – tr 121] Þ Lt = = 7,66 m Tỉ số Lt/Dt = = 4,7 Thường tỉ số giữa chiều dài và đường kính của thùng Lt/Dt = 3,5¸7 [5,T2 – tr 121] Vậy kích thước đã chọn là hợp lí. 1.2.3 Số vòng quay của thùng: n = , vòng /phút [5,T2 – tr 122] Trong đó : + a : Góc nghiêng của thùng quay, độ. Thường góc nghiêng của thùng dài là 2,5¸30, còn thùng ngắn đến 60, chọn a = 30 Þ tga = 0,0524 + m : Hệ sô phụ thuộc vào cấu tạo cánh trong thùng, m = 0,5 + k : Hệ số phụ thuộc vào chiều chuyển động của khí, k = 1,2 + t : Thời gian lưu lại của vật liệu trong thùng quay, phút t = , phút [5,T2 – tr 123] Trong đó: + r : Khối lượng riêng xốp trung bình của vật liệu trong thùng quay, với r = 1129 kg/m3 + W1,W2 : Độ ẩm đầu và cuối của vật liệu, tính bằng % khối lượng chung + b : Hệ số chứa đầy, b = 0,1 + A : Cường độ bay hơi ẩm, A = 30 kg/m3.h Þ t = = 47,18 phút Do vậy : n = = 1,16 vòng /phút 1.2.4 Công suất cần thiết để quay thùng: N = 0,13.10-2.Dt3.Lt.a.n.r , kw [5,T2 – tr 123] Trong đó: + n : Số vòng quay của thùng, vòng /phút + a : Hệ số phụ thuộc vào dạng cánh, a = 0,038 + r : Khối lượng riêng xốp trung bình, r = 1129 kg/m3 + Dt,Lt : Đường kính và chiều dài của thùng, m Þ N = 0,13.10-2 x 1,63 x 7,66 x 0,038 x 1,16 x 1129 = 2,02 kw 1.3 Cân bằng nhiệt lượng: 1.3.1 Thể tích không khí qua máy sấy: Vk = vk.L1 , m3/h + vk : Thể tích riêng trung bình của không khí sấy vk = , m3/kgkkk - Rk : Hằng số khí của không khí, Rk = 287 j/kg - T : Nhiệt độ khí sấy, T = 273+80 = 3530K - P = 745 mmHg - jp : Áp suất riêng phần của hơi nước, jp = 27 mmHg Þ vk = =1,05 m3/kgkkk Þ Vk = 1,05 x 28886,25 = 30330,56 m3/h 1.3.2 V ận t ốc s ấy l ý thuy ết : vlt = , m/s + Vt : Thể tích thùng, với Vt = 15,40 m3 + b : Hệ số chứa đầy, b = 0,1 Þ vlt = = 0,60 m/s 1.3.3 Tính tổn thất nhiệt:1 1.3.3.1 Nhiệt cần để đốt nóng vật liệu: (theo 1 kg ẩm bay hơi) qvl = , kj/kg [2 – tr 167] + C : Nhiệt dung riêng của tinh bột, C = 1,4 kj/kg. độ + t1 : Nhiệt độ tinh bột trước khi sấy, t1 = 250C + t2 : Nhiệt độ tinh bột ra khỏi máy sấy. Thường t2 nhỏ hơn tác nhân sấy là 40C, t2 = 40-4 = 360C Þ qvl = = 81,40 kj/kg 1.3.3.2 Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh: (tính theo 1kg ẩm bay hơi) qxq = , kj/kg + k : Hệ số truyền nhiệt của thiết bị, giả thiết k = 1,25 w/m2. độ + F : Diện tích xung quanh của thùng sấy F = p.D.L = 3,14 x 1,6 x 7,66 = 38,48 m2 + : Hiệu số nhiệt độ trung bình (sấy cùng chiều) Dt1 = 80-25 = 550C Dt2 = 40-25 = 150C Þ = 30,820C + Ws: Lượng ẩm bốc ra trong 1s, Ws = = 0,12 kg/s Þ qxq = = 12353,68 j/kg » 12,35 kj/kg 1.3.3.3 Nhiệt tổn thất ra 2 đầu thùng: Cho phép từ 10¸15 nhiệt tổn thất xung quanh thùng, chọn 12% Þ q2đ = 0,12.qxq = 0,12 x 12,35 = 1,48 kj/kg 1.3.3.4 Nhiệt tổn thất do đun nóng thùng: (tính theo 1kg ẩm bay hơi) qt = , kj/kg + Ct: Tỉ nhiệt vật liệu làm thùng (thép Ct = 0,504) + m : Khối lượng riêng của thùng, m = Vv.r rthép = 7850 kg/m3 Vv: Thể tích vỏ thùng, Vv = , m ¨ Chọn bề dày thùng là: d = 0,003 m + Dn: Đường kính ngoài thùng, Dn = 1,606 m + Dt: Đường kính trong thùng, Dt = 1,6 m Þ Vv = = 0,115 m3 Þ m = Vv .r = 0,115 x 7850 = 902,75 kg Þ qt = = 54,14 kj/kg · Tổng nhiệt tổn thất: q = qvl + qxq + q2đ + qt , kj/kg Þ q = 81,40 + 12,35 + 1,48 + 54,14 = 149,37 kj/kg · Tính nhiệt lượng bổ sung thực tế: D = (qbs + C n.q1) - q , kj/kg [2 – tr 168] + Cn: Nhiệt dung riêng của nước [6 – tr 165] + q1: Nhiệt độ của nước + qbs: Nhiệt lượng bổ sung, qbs = 0 Nhiệt lượng do nước mang vào: Cn.q1 = 4,19 x 25 = 104,75 kj/kg Þ D = 104,75 –149,37 = - 44,62 kj/kg 1.3.4 Sấy thực tế: Xác định đường sấy thực tế trên đồ thị I-x như sau: + Xác định điểm A và B như cách vẽ đường sấy lí thuyết. + Trên đường I1 lấy 1 điểm bất kì (e) + Từ (e) kẻ đường song song với trục hoành cắt AB tại F. Dùng thước đo độ dài đoạn eF + Từ (e) hạ đường vuông góc, trên đó xác định điểm E có độ dài m: tỉ số giữa tỉ lệ xích trên 2 trục, + Vẽ đoạn eE lên đồ thị, vì D<0 nên điểm E nằm phía dưới đường I1 + Nối BE, giao điểm của BE với t2 hoặc j2 là điểm C1, tương ứng với trạng thái cuối của quá trình sấy thực tế. I x B A C C1 I1 t1 t2 t0 F e E x0 = x1 x2 x’2 Đường sấy thực tế BC1 nằm dưới đường sấy lí thuyết BC. t0 (0C) x(kg/kgkkk) j (%) I(kcal/kgkkk) A 25 0,016 80 14,5 B 80 0,016 6 29,5 C1 40 0,0315 65 28,5 1.3.4.1 Lượng không khí thực tế cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm: l1’ = = = 64,51 kg/kg ẩm [2 – tr 170] 1.3.4.2 Lượng không khí khô thực tế cần thiết trong quá trình sấy: L1’ = l1’.W = 64,51 x 462,18 = 29815,23 ( kg / h) [2 – tr 166] 1.3.4.3 Thể tích không khí thực tế qua máy sấy: Vk’ = vk.L1’ , m3/h + vk: Thể tích riêng trung bình của không khí sấy,vk = 1,06 m3/kgkkk Þ Vk’ = 1,05 x 29815,23 = 31305,99 m3/h 1.3.4.4 Vận tốc sấy thực tế: vtt = , m/s + Vt : Thể tích thùng, với Vt = 15,40 m3 + b : Hệ số chứa đầy, b = 0,1 Þ vtt = = 0,62 m/s Sai số : D = = = 3,22%<5% Sai số có thể chấp nhận được. 1.4 Tính calorife: Để nâng nhiệt độ không khí lên trước khi đưa vào thùng sấy, ta dùng calorife dạng ống truyền nhiệt, trên bề mặt ống có gân để tăng bề mặt trao đổi nhiệt. Chất tải nhiệt đi trong ống là hơi nước bảo hoà có t0 = 1320C. Tác nhân sấy là không khí nóng sau khi qua calorife có nhiệt độ là 800C. 1.4.1 Tính bề mặt truyền nhiệt của calorife : Ta có: Qc = k.F. , w [5 – tr 46] + k : Hệ số truyền nhiệt, w/m2.độ + : Hiệu số nhiệt độ trung bình, độ + F : Diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2 Þ F = , m2 1.4.1.1 Tính nhiệt lượng cần thiết để làm bốc hơi W kg ẩm: Qc = qc.W , kj/h + qc : Nhiệt lượng tiêu hao riêng trong calorife qc = l1’.(I2’-I0’).Cn-|D | Þ qc = 64,51.(28,5 – 14,5).4,19 – 44,62 = 3739,53 kj/kg Þ Qc = 3739,53 x 462,18 = 1728339,02 kj/h 1.4.1.2 Nhiệt lượng thực tế do calorife cung cấp: Qct = , kj/h + h : Hiệu suất cung cấp nhiệt, với h = 90% Þ Qct = = 1920376,68 kj/h 1.4.1.3 Tính hiệu số nhiệt độ trung bình : Chọn áp suất hơi nước bão hoà p = 3 at, ta có nhiệt độ hơi nước bão hoà tương ứng tbh = 132,90C. + Dt1 = 132,9-25 = 107,90C + Dt2 = 132,9-80 = 52,90C Þ = 77,240C 1.4.1.4 Tính hệ số truyền nhiệt k: a) Chọn kích thước calorife, chọn chiều lưu thể hơi nước đi trong ống vuông góc với chiều không khí được đốt nóng trong calorife - Chọn ống truyền nhiệt có gân vuông góc với trục ống + Đường kính ngoài của ống Dh = 0,057 m + Chiều cao ống H = 2 m + Chiều dày thành ống d = 0,003 m + Chiều dày gân d’ = 0,001 m + Đường kính gân D = 1,3.Dh = 1,3 x 0,057 = 0,074 m + Bước ống thường lấy t1 = (1,2¸1,5).Dh, chọn t1 =1,5.Dh Þ t1 = 1,5 x 0,057 = 0,085 m + Bước gân t2 tính theo : 3<<4,8 + Chọn Dh/t2 = 4 Þ t2 = Dh/4 = 0,057/4 = 0,014 m + Chiều cao gân h = = = 0,009 m + Số gân trên 1 ống: m = = = 143 gân + Tổng chiều dài số gân trên ống: l = m.d’ = 143 x 0,001 =0,143 m + Chiều dài phần ống không gân: L1 = H-l = 2-0,143 = 1,857 m b) Tính toán calorife: - Diện tích xung quanh ống không kể gân: F1 = p.Dh.L1 = 3,14 x 0,057 x 1,857 = 0,332 m2 - Diện tích mặt đứng của tổng số gân trên một ống: F1’ = p.Dh.l = 3,14 x 0,057 x 0,143 = 0,025 m2 - Diện tích mặt trên và mặt dưới của tổng số gân trên 1 ống: F2’ = 2..(D2-Dh2).m = 2..(0,0742-0,0572).143 = 0,5 m2 - Tổng diện tích bề mặt của tất cả các gân trên 1 ống: F2 = F1’ + F2’ = 0,025 + 0,5 = 0,525 m2 - Tổng diện tích bề mặt ngoài của 1 ống (kể cả gân) Fn = F1+F2-F1’ = 0,332 + 0,525 - 0,025 = 0,832 m2 - Tổng diện tích bề mặt trong của ống: Ftr = p.(Dh-2.d).H = 3,14.(0,057-2 x 0,003).2 = 0,320 m2 c) Tính vận tốc thực tế của không khí đi trong calorife : Chọn số ống xếp trên 1 hàng ngang của calorife là n1 = 18 ống, xếp xen kẽ. Chiều rộng của calorife : Rc = t1.(n1-1) + 2.lđ , m + 2.lđ: Chiều dài lấy thêm ở 2 đầu của calorife, 2.lđ = 0,01 m Þ Rc = 0,085.(18-1) + 0,01 = 1,455 m - Tiết diện ngang của calorife : Ftự do = F-Fcản , m2 + Fcản = Fgân cản+ Fống cản (tính theo mặt cắt ngang) Fgân cản= D.l.n1 = 0,074.0,143.18 = 0,19 m2 Fống cản= Dh.(H-l).n1 = 0,057.(2-0,143).18 = 1,905 m2 Þ Ftự do= F-Fcản= Rc.H-(Fgân cản+ Fống cản) = 1,455.2-(0,19 + 1,905) = 0,815 m2 - Vận tốc thực tế không khí đi trong calorife : Wtt= = = 10,33 m/s d) Tính hệ số cấp nhiệt a : - Hê số cấp nhiệt về phía hơi nước bão hoà ngưng tụ: a1 = 2,04.A. , w/m2. độ (5,T2 – tr 28) + r : Nhiệt hoá hơi của nước, r = 2171.103 j/kg + H : Chiều cao của ống truyền nhiệt, H = 2 m + Dt1: Hiệu số giữa nhiệt độ ngưng (nhiệt độ bão hoà) và nhiệt độ phía mặt tường tiếp xúc với hơi ngưng, Dt1 = 1,90C + A : Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ màng tm, với tm = 0,5.(tt + tbh) tt: nhiệt độ bề mặt tường, tt = 1310C tbh: nhiệt độ hơi bão hoà, tbh= 132,90C Þ tm = 0,5.(131 + 132,9) = 131,950C. Tra bảng trang 29-STQTTB-T2, ta có: A = 191,585 Þ a1 = 2,04.191,585. = 10745,11 w/m2.oC Nhiệt tải riêng: q1 = a1.Dt1 = 10745,11.1,9 = 20415,7 w/m2 - Hệ số cấp nhiệt về phía không khí: a2 = , w/m2. độ + Chuẩn số Nu = C., (5-T2 tr 20) t2: bước gân, t2 =0,014 m Dh: đường kính ngoài của ống, Dh= 0,04 m h : chiều cao của gân, h = 0,009 m C, n : đại lượng phụ thuộc cách sắp xếp ống, vì xếp xen kẽ nên n =0,65 , C =0,25 Re = g: độ nhớt động học tra theo nhiệt độ trung bình của lưu thể không khí trước và sau khi ra khỏi máy sấy. Tra bảng nhiệt độ trung bình: g = 20,82.10-6 m2/s, l = 3,01.10-2 w.m.0C , Pr = 0,689 Þ Re = = 6946,20 ÞNu = 0,25. = 40,82 Þ a2 = w/m2.0C e) Tính hệ số truyền nhiệt k : , w/m2. độ (5-T2-trang 20) + Fn: Bề mặt ngoài toàn bộ của ống kể cả bề mặt gân tính cho 1 đơn vị chiều dài ống, m2 + Ftr: Bề mặt trong của ống tính cho 1 đơn vị chiều dài ống, m2 + a1,a2: Hệ số cấp nhiệt phía trong và ngoài ống, w/m2. độ + år : Tổng nhiệt trở của ống và các lớp cặn bẩn. Þ w/m2.oC - Bề mặt truyền nhiệt của calorife : m2 1.4.2 Xác định kích thước calorife : - Số ống truyền nhiệt trong calorife : ống - Số hàng sắp các ống truyền nhiệt: hàng - Chiều dài calorife : Lc= t1.n2 + 2.lđ = 0,085.40 + 0,01 = 3,41m - Kích thước calorife : 3410 mm 1.5 Chọn quạt: 1.5.1 Tính trở lực tổng cộng của hệ thống: DP = Hđộng học+DPcục bộ+DPsấy 1.5.1.1 Tính hoạt động học: Hđh= , kg/m2 + W0: Vận tốc khí khi vào calorife, W0 = 15¸25 m/s, chọn W0=17 m/s + r : Khối lượng riêng của khí thải, nhiệt độ 400C thì r = 1 kg/m3 Þ Hđh= 1. = 14,73 kg/m2 1.5.1.2 Tính trở lực DPcb: DPcb= [5,T1 – tr 377] - Trở lực đường ống từ quạt vào calorife (đột mở) DPcb1= , kg/m2 + r1: Khối lượng riêng của không khí ẩm ở t0 = 250C, r1= 1,18 kg/m3 + Ống dẫn có d1= 0,4 m , d2= 0,6 m , t1= 250C Þ k1= 0,9 Þ Þ kg/m2 - Trở lực riêng calorife vào thùng sấy (đột thu) , kg/m2 + r2: Khối lượng riêng của không khí sấy ở 800C, r2= 1 kg/m3 + Ống dẫn có d1= 0,6 m , d2= 0,4 m , t2= 800C Þ k2= 1,1 Þ Þ kg/m2 - Trở lực cuối máy sấy (đột thu) , kg/m2 + r3: Khối lượng riêng của không khí thải ở 400C, r3= 1,13 kg/m3 + Ống dẫn có d1= 0,6 m , d2= 0,4 m , t3= 400C Þ k3= 0,95 Þ Þ kg/m2 Khi đó : kg/m2 1.5.1.3 Tính trở lực thùng quay DPs: Cho phép lấy DPs= 20¸30%DPcb Chọn DPs= 0,3.DPcb= 0,3.54,86 = 16,46 kg/m2 Khi đó trở lực của hệ thống : DP = 14,73 + 54,86 + 16,46 = 86,05 kg/m2 1.5.2 Chọn quạt : - Lưu lượng không khí vào quạt V = (1,2 ¸1,5) Vk , chọn V = 1,5 Vk V = 1,5.30330,56 = 45495,84 m3/h - Chọn quạt LL4-70 No 16 có : + Năng suất : 80.103 m3/h + Tốc độ trục : 52 rad/s + Tốc độ guồng : 43,9 m/s + Công suất trục : Ntr= 16,1 kw + Công suất động cơ : Nđc= k.Ntr , k = 1,1(hệ số dự trữ) Þ Nđc= 1,1.16,1 = 17,7 kw + Kích thước quạt : 2896 mm Số quạt : n = 1 Động cơ loại A072-2 có : + Công suất : N = 20kw + Vận tốc : v =2940 vòng/phút Sấy lần 2 : Tính toán tương tự như sấy lần 1 2.1 Cân bằng vật liệu: Lượng ẩm bay hơi trong 1h: Þ W’ = 1980,8 = 315,12 ( kg / h) G1’: Lượng nguyên liệu vào máy sấy, G1’ = 1980,8 ( kg / h) Lượng tinh bột ra khỏi máy sấy lần 2: G2’ = G1’ - W’ = 1665,68 ( kg / h) Tính thiết bị: Thiết bị có cấu tạo và kích thước: + Cường độ bay hơi ẩm: chọn A = 20,46 kg/m3.h + Đường kính thùng: Dt = 1,6 m + Chiều dài thùng: Lt = 7,6 m + Góc nghiêng của thùng quay a = 30 + Thời gian lưu lại của vật liệu trong thùng quay t = 57,22 phút + Công suất cần thiết để quay thùng N = 1,64 kw 2.3 Cân bằng nhiệt lượng: Theo thứ tự tính toán như quá trình sấy lần 1, ta có đồ thị sấy lý thuyết: t0 (0C) x(kg/kgkkk) j(%) I(kcal/kgkkk) A 25 0,016 80 14,5 B 80 0,016 6 29,5 C1 40 0,0315 65 28,5 Lượng không khí thực tế cần thiết để làm bốc hơi 1 kg ẩm l2’= 64,51 kg/kg ẩm Lượng không khí khô thực tế cần thiết trong quá trình sấy: L2’ = l2’.W’ = 64,51.315,12 = 20328,39 ( kg / h) Thể tích không khí thực tế qua máy sấy: Vk’ = vk.L2’ = 1,06.20328,39 = 21548,09 m3/h Vận tốc sấy thực tế: vtt = = = 0,43 m/s Sai số : D = = = 4,65%<5% Sai số có thể chấp nhận được. Tính calorife và chọn quạt: (Tương tự như sấy lần 1)