ĐỒ ÁN MÔN HỌC

2014

Page 1

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 3
Chƣơng I: Chọn và thuyết minh qui trình công nghệ 4
1.1. Định nghĩa sấy 4
1.2. Phân loại 4
1.3. Nguồn gốc của chuối 4
1.4. Phân loại chuối ở Việt Nam 4
1.5. Thành phần hóa học của chuối 5
1.6. Các nhân tố ảnh hƣởng đến chuối trong quá trình sấy 5
1.7. Chọn thiết bị phù hợp 5
Chƣơng II. Phân tích, lựa chọn phƣơng pháp, dạng chế độ sấy 6
2.1. Lƣợng ẩm bay hơi tính theo giờ 6
2.2. Lựa chọn phƣơng pháp sấy 6
2.3. Chọn chế độ sấy 6
2.4. Sơ đồ công nghệ hệ thống sấy 7
Chƣơng III. Tính toán cân bằng vật chất và năng lƣợng 8
3.1. Các thông số của không khí trong hệ thống 8
3.2. Biểu diễn các thông số trạng thái của TNS lên đồ thị I-d 10
3.3. Tính toán thời gian sấy 10
3.4. Xác định kích thƣớc thiết bị sấy ( xe, khay, hầm sấy) 12
3.5. Tính toán nhiệt hầm sấy 14
3.6. Tính toán quá trình sấy thực 17
3.7. Biễu diễn các thông số trạng thái của TNS trên đồ thị I-d 21
Chƣơng IV: Tính toán các thiết bị phụ thiết kế calorifer-chọn quạt-chọn nồi hơi 22
4.1. Tính toán thiết kế calorife 22

Trong đợt thực hiện đồ án môn học lần này, đƣợc phân công làm thiết bị sấy,
em xin đƣợc trình bày về thiết kế hệ thống sấy chuối bằng hầm sấy với năng suất
100kg/h. Hệ thống đƣợc lắp đặt tại tp Hồ Chí Minh với nhiệt độ không khí và độ
ẩm trung bình trong năm là t=27,2
o
C, =77%.
Với sự hƣớng dẫn của thầy Trần Tấn Việt đến nay em đã hoàn thành đồ án
này. Tuy nhiên với kiến thức còn hạn chế và thiếu nhiều kinh nghiệm thực tế nên
quá trình tính toán và lựa chọn thông số không tránh khỏi sai sót. Em mong nhận
đƣợc sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn quan tâm.
Em xin chân thành cảm ơn!
TP,Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 12 năm 2014
NGUYỄN VĂN QUỐC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

2014

Page 4

Chương I: Chọn và thuyết minh qui trình công nghệ
1.1. Định nghĩa sấy
Sấy là quá trình làm bốc hơi nƣớc ra khỏi vật liệu bằng nhiệt. Nhiệt đƣợc cung
cấp cho vật liệu ẩm bằng dẫn nhiệt, đối lƣu, bức xạ hoặc bằng năng lƣợng điện
trƣờng có tần số cao.Mục đích:Làm giảm khối lƣợng vật liệu, tăng độ bền và bảo
quản đƣợc tốt
1.2. Phân loại
Do điều kiện sấy trong mỗi trƣờng hợp sấy rất khác nhau nên có nhiều kiểu thiết
bị sấy khác nhau, vì vậy cũng có nhiều cách phân loại thiết bị sấy:
 Dựa vào TNS: thiết bí sấy bằng không khí hoặc thiết bị sấy bằng khói lò, sấy

Chuối là loại trái cây giàu chất dinh dƣỡng. Trái chuối chín chứa 70-80% nƣớc,
20-30% chất khô, chủ yếu là đƣờng khử chiếm 55%. Hàm lƣợng protein thấp (1-
1,8%) gồm 17 acid amin, chủ yếu là histidin. Lipid không đáng kể. Acid hữu cơ
trong chuối chỉ chiếm vào khoảng 0,2%, chủ yếu là acid malic và oxalic, vì thế
chuối có độ chua dịu. Chuối ít vitamin (carotene, vitamin B1, C, acid folic, inositol)
nhƣng hàm lƣợng cân đối, ngoài ra còn có muối khoáng, pectin và hợp chất
polyphenol.
1.6. Các nhân tố ảnh hưởng đến chuối trong quá trình sấy
Sấy chuối là một quá trình làm biến đổi hóa sinh, hóa lý, cấu trúc cơ học, và các
biến đổi bất lợi khác ảnh hƣởng tới chất lƣợng sản phẩm.
 Biến đổi cơ học: lát chuối bị nứt, cong queo, biến đổi độ xốp…
 Biến đổi hóa lý : sự thay đổi hệ keo do pha rắn (nhƣ protein, tinh bột,
đƣờng ) bị biến tính.
 Biến đổi hóa sinh : Những phản ứng oxi hóa, polyme hóa các hợp chất; phản
ứng phân hủy vitamin và biến đổi màu
1.7. Chọn thiết bị phù hợp
Nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ sấy càng nhanh, quá trình có hiệu quả cao.
Nhƣng không thể sử dụng nhiệt độ sấy cao cho chuối vì quả chuối chịu nhiệt kém.
Trong môi trƣờng ẩm, nếu nhiệt độ cao hơn 60
0
C thì protein đã bị biến tính, trên
90
0
C thì đƣờng bị caramen hóa, các phản ứng melanoidin, polyme hóa hợp chất cao
phân tử xảy ra mạnh. Còn ở nhiệt độ cao hơn nữa chuối có thể bị cháy. Vì vậy để
sấy chuối nhiệt độ sấy không quá cao.
Để tránh, làm giảm hoặc làm chậm các biến đổi ấy, cũng nhƣ tạo điều kiện ẩm
thoát ra khỏi chuối dể dàng ,đòi hỏi phải chọn thiết bị, phải có chế độ sấy thích
hợp.


 Tính lƣợng ẩm bốc hơi trong một giờ:
W=G
1
-G
2
=100-29,412=70,588 kg/h
2.2. Lựa chọn phương pháp sấy
Để đảm bảo hiệu quả về truyền nhiệt ta sử dụng không khí nóng đi ngƣợc chiều
với vật liệu sấy(VLS) làm tác nhân sấy (TNS). Với yêu cầu cầu là chuối và năng
suất sấy không quá lớn chỉ dừng ở mức trung bình nên ta chọn sấy hầm không hồi
lƣu.
Không khí ngoài trời đƣợc lọc sơ bộ rồi qua calorife khí- hơi. Không khí đƣợc
gia nhiệt đến nhiệt độ thích hợp và có độ ẩm tƣơng đối thấp đƣợc quạt thổi vào
buồng sấy. Trong buồng không khí khô thực hiện việc trao đổi nhiệt-ẩm với VLS là
chuối tƣơi làm cho độ ẩm tƣơng đối của không khí tăng lên , đồng thời làm hơi
nƣớc trong VLS đƣợc rút ra ngoài. Sau đó đƣợc thải ra môi trƣờng.
2.3. Chọn chế độ sấy
Với hệ thống hấm sấy và VLS là Chuối có thể chịu đƣợc nhiệt độ trên dƣới
90
o
C. Ta sẽ chọn nhiệt độ TNS vào hầm là t
1
=90
o
C; nhiệt độ không khí ra khỏi hầm
sấy là t
2
=38
o
C( lựa chọn tránh hiện tƣợng đọng sƣơng ở 35

- hàm ẩm d
0
= 0,0178 kg ẩm/ kg kkk
- Entanpy I
0
= 72,648 kJ/kg kkk
3.1.2. Thông số của không khí sau calorife ( điểm B) t1= 90 0C
 Entanpi của không khí ra calorife [2, 29]
I
1
= C
pk
t
1
+ d
1
(r + C
pa
t
1
)=1.90 +0,0178(2493 + 1,97.90)=137,902kJ/kgkkk
Trong đó :
C
pk
nhiệt dung riêng của không khí khô, C
pk
=1 kJ/kg.độ
C
pa
nhiệt dung riêng của hơi nƣớc, C




 Độ ẩm tƣơng đối 

:
1
1
11
745
.0,0178
750
4%
(0,622 ) 0,691(0,622 0,0178)
b
Bd
Pd

  


3.1.3. Thông số TNS sau quá trình sấy lý thuyết (C
0
)
I
20
= I

2
=38
0
C:
2
2
4026,42 4026,42
exp 12 exp 12 0,06575 ar
235,5 235,5 39
b
Pb
t



    
   



 Độ ẩm tƣơng đối 
20
:
20
20
2 20
745



kg kkk/kg ẩm
 Tổng lƣợng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy
L
0
=Wl
0
=70,588.47,5249=3354,7018 kg kkk/h
TNS trƣớc khi vào hầm sấy (điểm B) t
1
=90
0
C ; 
1
=4% tra phụ lục 5[2, 349]
thể tích của không khí ẩm trong một kg không khí khô v
B
=1,082 m
3
/kg kkk; tƣơng
tự với t
2
=38
0
C ; 
1
=88,8%, ta có v
c0
=0,96 m

V
o
=0,5(V
B
+V
Co
)=0,5(3629,8774+3220,5138)= 3425,1506 m
3
/h
3.2. Biểu diễn các thông số trạng thái của TNS lên đồ thị I-d

Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn quá trình sấy lý thuyết
3.3. Tính toán thời gian sấy
Chuối đƣợc cắt thành từng lát có đƣờng kính khoảng d
c
=30mm, dày h
c
=3mm,
khối lƣợng riêng 
c
=977kg/m
3

Giả sử vận tốc sấy là w=0,44 m/s (thử lại sau)
 Diện tích xung quanh lát chuối:
2
2
32
2
2.3,14(0,03 )

m h m kg
m


  

 Bề mặt riêng khối lƣợng của vật liệu :
1
2
2
1
1 1 1
0,0017
0,8095 /
0,0021
xq
xq
vl
G
S
S
F
m
m
f m kg
G G m kg
    Trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi, chọn độ chênh lệch nhiệt độ giữa TNS

[2, 97]
2
2
1
2
1193,013
0,506 /
2358
b
b
kJ
J
mh
J kg m h
kJ
r
kg
   Tốc độ sấy đẳng tốc[2, 100] :
2
2
2
100 100(0,506 )(0,8095 ) 40,957% /
b
kg m
N J f am h
m h kg
  

 Hệ số       
1
1,8 1,8
0,024
75



ĐỒ ÁN MÔN HỌC

2014

Page 12

 Thời gian sấy giai đoạn tốc độ giảm 

:
 
 
22
11
ln ( ) ln 0,024 15% 3% 1,27
0,024.(40,957%/ )
cb
h
Nh
   


      

1500000
.6 .0,9 9171 9
706,5
g g kg

Trung bình ta chọn trên mỗi khay sấy cho phép chất 9 kg nguyên liệu
 Kích thƣớc xe gòong
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

2014

Page 13

Chọn xe gòong đƣợc chế tạo có kích thƣớc (LxBxH) 1050x1250x1650 mm,
khối lƣợng 24kg/xe. Mỗi xe đặt 15 khay. Nhƣ vậy khối lƣợng VLS của một xe
bằng :
G
x
=(9kg).15=135 kg
 Số xe gòong :

1
(100 )(16 )
*
12
(135 )
x
kg
h
G

+2.1000=12.1050 +2000= 14600 mm
 Kích thƣớc phủ bì hầm sấy:
Tƣờng hầm đƣợc xây bằng gạch đỏ có chiều dày 

mmBên trong có
phủ lớp cách nhiệt là bông khoáng 

mm
Chiều rộng phủ bì : B=B
h
+2.250+2.50=1450+500+100=2050 mm
Trần hầm đƣợc đổ bê tông có chiều dày 
2
=100mm, bọc thêm lớp bông
khoáng cách nhiệt 
3
=100mm.
Chiều cao phủ bì : H=H
h
+100 +100=1750+100+100= 1950 mm
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

2014

Page 14 xe
hầm
phủ bi

kgK kgK

      

 Tổn thất nhiệt VLS mang đi:
2 2 2 1
( ) (29,412 )(2,225 )(85,36 31,74) 3806,0584 /
vv
kg kJ
Q G C t t K kJ h
h kgK
    

3.5.2. Tổn thất nhiệt do thiết bị truyền tải
 Tổn thất do xe gòong mang đi
Xe gòong làm bằng inox 304 có khối lƣợng mỗi xe bằng 24kg. nhiệt dung riêng
của thép bằng C
x
=0,42 kJ/kgK. Vì chuyển động ngƣợc chiều dòng khí nên nhiệt độ
xe gòong ra khỏi hầm sấy lấy bằng nhiệt độ tác nhân, t
x2
=90
o
C.
 
12
12(24 )(0,42 ) (90 27,2)
()
1688,064 /
4,5

 
12
15.12(2,66 )(0,42 ) (90 27,2)
15 ( )
2806,406 /
4,5
k k k k
k
kJ
kg K
nG C t t
kgK
Q kJ h
h



  

 Tổn thất do thiết bị truyền tải
Q
tt
=Q
x
+Q
k
= 4494,470 kJ/h
3.5.3. Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che
Tổn thất nhiệt qua hai tường bên Q
t

h
ms
F m s

  



Lập phƣơng trình cân bằng nhiệt và phƣơng trình truyền nhiệt mô tả quá
trình cấp và dẫn nhiệt từ trong hầm đến thành, qua các lớp tƣờng sau đó ra bên
ngoài. Giải bài toán bằng excel[5, 34] ta có:
Nhiệt độ mặt trong của hầm sấy t
w1
=85,36
o
C
Hệ số trao đổi nhiệt đối lƣu cƣỡng bức giữa TNS với mặt trong tƣờng hầm
sấy 

=41,9484 W/m
2
K
Nhiệt độ mặt ngoài của tƣờng hầm sấy t
w3
=31,74
o
C
Hệ số trao đổi nhiệt đối lƣu tự nhiên giữa mặt ngoài của tƣờng hầm sấy với
không khí ngoài trời 


   Tổn thất nhiệt qua hai tƣờng bên:
 
2
w1 w2
2
W 3,6 /
2 ( ) 2(25,55 ) 0,228 85,36 31,74 2840,81 /
1
tt
kJ h
Q Fk t t m K kJ h
m K W
   

    
   

   

Tổn thất nhiệt qua trần Q
tr

Lớp bông khoáng dày 

mm, có hệ số dẫn nhiệt 

=0,036 W/mK



   
  
  
  

 Tổn thất nhiệt qua trần:
 
2
w1 2
2
W 3,6 /
( ) (21,17 ) 0,3189 85,36 27,2 1413,84 /
1
tr tr tr
kJ h
Q F k t t m K kJ h
m K W
   

    
   

   

Tổn thất nhiệt qua cửa Q
c

Lớp bông khoáng dày 

mm
m K mK mK m K

   
  
  
  

TNS ở cửa vào có độ chênh lệch (t
1
-t
0
)=62,8K, còn ở cửa đầu kia có độ
chênh lệch bằng (t
2
-t
0
)=10,8K. Do đó :
 
   
2
1 0 2 0
2
W 3,6 /
(2,5375 ) 0,5641 62,8 10,8 379,1464 /
1
c c c
kJ h
Q F k t t t t m K kJ h
m K W




Tổn thất Q (kJ/h)
VLS
TBCT
Kết cấu bao che
xe
khay
2 tƣờng
trần
cửa
nền
3806,059
1688,064
2806,406
2840,813
1413,843
379,350
3174,230
Bảng 3.2: Tổn thất nhiệt của hệ thống sấy
 Tổng tổn thất Q= 16108,765 kJ/h
 Tổng tổn thất 
 
1
16108,765
4,18 27,2
W
70,58
114, 1 /


 
0 1 2
20
2
()
dx
t
C d t t
dd
i




Trong đó:
 
00
1,004 1,97 0,0178 1,039 /
o
dx pk pa
oo
kJ kJ kg am
C d C C d kJ kg C
kg C kg C kg kkk


   
    


C
kg C
kgam
d kgam kgkkk
kgkkk
kJ kJ
kg kgam





  

   


   
   


 Entanpy I
2
:
2 2 2 2
( ) 1,004 38 0,0379 2493 1,97 38
oo
t pk t pa
oo
kJ kg am kJ kJ

Bd
Pd

  


Như vậy không khí ra khỏi thiết bị sấy (2t) có:
t
2t
=38
o
C

2t
=86,76%
d
2t
=0,0379 kg am/kg kkk
I
2t
=135,47 kJ/kg kkk
 Lƣợng kkk cần thiết để bốc hơi hết lƣợng ẩm:
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

2014

Page 19

20
70,588

   
    
   
   

 Tổn thất nhiệt do TNS mang đi:
   
2 0 2 0
( ) 49,76 1,039 38 27,2 558,42 /
o
dx
o
kg kkk kJ
q lC d t t C kJ kgam
kg am kg C


    





STT
đại lƣợng
kí hiệu
kJ/kg ẩm
%
1
Nhiệt lƣợng có ích

Tổng nhiệt lƣợng tính toán
q'
3221,81
100,00
7
Tổng nhiệt lƣợng tiêu hao
q
3247,10
100,78
8
Sai số tƣơng đối


0,78
Bảng 3.3: Cân bằng nhiệt của hệ thống sấy
Nhận xét: hiệu suất nhiệt của thiết bị sấy 
T
=75,58%
Trong tất cả các tổn thất thì tổn thất do TNS mang đi là lớn nhất, còn các tổn
thất còn lại chiểm không đáng kể tổng tổn thất. vì vậy khi tính toán thức tế ta có thể
lấy gần đúng tổng tổn thất này vào khoảng 10%, từ đó đơn giản việc tính toán rất
nhiều.
Kiểm tra giả thiết về tốc độ TNS trong hầm sấy:
Với t
2
=38
o
C và 

=86,76%



 Lƣu lƣợng thể tích TNS trƣớc khi vào hầm sấy:
3
3
3512,54 1,082 3800,57 /
bb
kg kkk m
V Lv m h
h kg kkk


  





 Lƣu lƣợng thể tích trung bình của TNS đi trong hầm sấy
3
0,5( ) 0,5(3393,12 3800,57) 3596,84 /
CB
V V V m h    

 Tốc độ trung bình của TNS trong quá trình sấy thực
3
2
1
3596,84
3600


Page 22

Chương IV: Tính toán các thiết bị phụ thiết kế calorife-chọn quạt-
chọn nồi hơi
4.1. Tính toán thiết kế calorife
4.1.1. Công suất nhiệt calorife: với tính toán trong quá trình sấy thực ta tính
đƣợc công suất nhiệt calorifer. Coi hiệu suất của calorifer là 90% ( 10% là tổn thất
nhƣ bám bụi bẩn, lâu ngày bị ăn mòn…), do vậy công suất nhiệt mà hơi nƣớc cần
cung cấp là:
1,1 1,1 70,588 3247,10 252127,711
c
kg am kJ kJ
Q Wq
h kg am h


  





4.1.2. Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình t
log
:
t
log
giữa hơi nƣớc ngƣng trong ống với không khí chuyển động ngoài ống đƣợc
biểu diễn trên đồ thị:

1 1 1
.
t t n n
k
F F F

  



Trong đó :

=0,5(d
2
-d
1
) là chiều dày ống
 : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống

n
: hệ số trao đổi nhiệt khi ngƣng của hơi nƣớc

k
: hệ số trao đổi nhiệt đối lƣu của không khí

 Chọn ống:
Chiều cao H=0,6m .
Làm bằng đồng dẫn hơi có
2
1

48
tt
tK
t
t
  

   
   






ĐỒ ÁN MÔN HỌC

2014

Page 24 Hình 4.2: Dàn ống cánh calorife
 Diện tích bề mặt trong ống:
2
1
3,14.0,026.1 0,0816
t
F d H m


N
gr
tH








(4.4)
Với hơi nƣơc bão hòa ngƣng ở nhiệt độ t
N
=120
o
C.
Các thông số vật lý của nƣớc ngƣng bão hòa nhƣ sau:


W/m.K kg/m
3

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

2014

Page 25



237,4.10 2,5 (0,6 )
n
kg m kJ
m s mK kg
Ns
mK
Km
m




    

    

    











 Tính hệ số cấp nhiệt ở ngoài ống có cánh
Tính Reynold:


=4 m/s  m/s
Với nhiệt độ trung bình không khí đi qua calorife:
kk
t
0,5(27,2+90)=58,6
o
C
Ta tra đƣợc các thông số vật lý của không khí khô nhƣ sau:
=2,88.10
-2
W/m.K 

m
2
/s
Ta có
 
2
2
6
17,39 0,028
Re 25874,417
18,82.10
m
m
d
s
m
s