Ch−¬ng5 ThiÕt bÞ sÊy th¨ng hoa
5.1. Kh¸i niÖm SÊy th¨ng hoa lµ qu¸ tr×nh t¸ch Èm khái vËt liÖu sÊy trùc tiÕp tõ tr¹ng th¸i r¾n sang tr¹ng th¸i h¬i nhê qu¸ tr×nh th¨ng hoa. §Ó t¹o ®iÒu kiÖn sÊy th¨ng hoa, vËt liÖu sÊy ph¶i ®−îc lµm l¹nh d−íi ®iÓm ba thÓ(láng, khÝ, r¾n), nhiÖt ®é t = 0,0098oC vµ ¸p suÊt p = 4,6 mmHg. Trªn (h×nh 5.1) ®−¬ng AS lµ ranh giíi gi÷a pha r¾n vµ pha khÝ, ®−êng SC ranh giíi gi÷a pha r¾n vµ pha láng. ë ¸p suÊt nhÊt ®Þnh nhiÖt ®é th¨ng hoa cña vËt liÖu kh«ng ®æi. Khi ¸p suÊt t¨ng th× nhiÖt ®é th¨ng hoa t¨ng.
th¨ng hoa cña n−íc ®¸
VÝ dô ®iÓm K, Èm trong vËt liÖu ®ãng b¨ng; nÕu ®−îc h©m nãng ®¼ng ¸p tíi ®iÓm K’ t−¬ng øng nhiÖt ®é tK’ th× n−íc ë thÓ r¾n sÏ thùc hiÖn th¨ng hoa theo qu¸ tr×nh K’K”. §å thÞ cho thÊy; ¸p suÊt cµng thÊp th× nhiÖt ®é th¨ng hoa cña n−íc cµng nhá: B¶ng 5.1. Quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt
¸p suÊt(N/m2) 613,333 133,333 13,333 0,133
4,60 1,000 0,100 0,001 NhiÖt ®é(0C) 0,0098 -175 -39,3 -57,6
H×nh5.1. ®å thÞ p.t cña n−íc Qu¸ tr×nh sÊy th¨ng hoa cã 3 giai ®o¹n.
- Giai ®o¹n 1: lµm l¹nh s¶n phÈm.
-Giai ®o¹n 3: giai ®o¹n bèc h¬i Èm cßn l¹i.
Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 91
S¶n phÈm ®−îc lµm l¹nh tõ nhiÖt ®é m«i tr−êng xuèng -10 ÷ -150C. NhiÖt ®é vËt liÖu biÕn ®æi ®−êng 3. Trong giai ®o¹n nµy, kh«ng gian trong b×nh th¨ng hoa cã ¸p suÊt nhá( ch©n kh«ng), do ®ã phÇn ¸p suÊt h¬i n−íc còng gi¶m so víi phÇn ¸p suÊt h¬i n−íc trong lßng vËt liÖu, lµm tho¸t Èm vµo kho¶ng kh«ng trong b×nh th¨ng hoa (Kho¶ng 10 – 15%), nhiÖt ®é vËt liÖu sÊy gi¶m xuèng d−íi ®iÓm S. - Giai ®o¹n 2: giai ®o¹n th¨ng hoa. Èm trong vËt liÖu r¾n sÏ th¨ng hoa thµnh h¬i vµ tho¸t ra khái vËt liÖu. Giai ®o¹n th¨ng hoa cã thÓ xem tèc ®é sÊy kh«ng ®æi. NhiÖt ®é vËt liÖu sÊy(®−êng 3) hÇu nh− kh«ng ®æi; cuèi giai ®o¹n nµy nhiÖt ®é vËt liÖu t¨ng tõ –(10 ÷ 150C) lªn tíi 00. T¹i ®©y qu¸ tr×nh th¨ng hoa kÕt thóc. ë giai ®o¹n nµy nhiÖt ®é vËt liÖu t¨ng (trªn ®iÓm 3), do ®ã ®é Èm trong vËt liÖu trë vÒ d¹ng láng. ¸P suÊt trong b×nh th¨ng hoa vÉn nhá h¬n ¸p suÊt khÝ trêi nhê b¬m ch©n kh«ng vµ vËt liÖu vÉn tiÕp tôc gia nhiÖt nªn Èm vÉn bèc h¬i vµ ®i vµo b×nh th¨ng hoa. Nh− thÕ qu¸ tr×nh bèc h¬i Èm cßn l¹i chÝnh lµ qu¸ tr×nh sÊy ch©n kh«ng trong b×nh th−êng.
SÊy th¨ng hoa, c¸c phÇn tö n−íc tho¸t ra kh«ng va ch¹m nhau, nªn b¶o toµn chÊt l−îng
H×nh 5.2. §å thÞ chÕ ®é lµm viÖc thiÕt bÞ sÊy th¨ng hoa khi sÊy thÞt.
1 - NhiÖt ®é tÊm gia nhiÖt; 2 - NhiÖt ®é m«i tr−êng gi÷a c¸c tÊm gia nhiÖt; 3 - NhiÖt ®é s¶n phÈm
4 - NhiÖt ®é m«i chÊt ra khái b×nh (0C) 5 - ®é Èm vËt liÖu 6 - ¸p suÊt trung b×nh th¨ng hoa
5.2. Nguyªn lý cÊu t¹o
sinh häc cña s¶n phÈm ch¸y.
CÊu t¹o chung cña thiÕt bÞ sÊy th¨ng hoa gåm: b×nh th¨ng hoa, b×nh ng−ng ®ãng b¨ng
b¬m ch©n kh«ng, m¸y nÐn, m¸y l¹nh...
Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 92
- B×nh th¨ng hoa: cÊu t¹o d¹ng trô, ®¸y vµ n¾p d¹ng chám cÇu. N¾p cã gio¨ng kÝn v× b×nh lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn ch©n kh«ng (1 - 0,1mmHg). VËt liÖu ®Æt vµo c¸c khay trung b×nh. NhiÖt cÊp cho qu¸ tr×nh th¨ng hoa thùc hiªn b»ng bøc x¹ tõ c¸c hép kim lo¹i ®Æt xen kÏ víi c¸c khay chøa vËt liÖu. Trong hép lµ n−íc nãng chuyÓn ®éng. Qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt gi÷a thµnh hép chøa n−íc nãng víi vËt liÖu lµ bøc x¹ nhiÖt.
- B×nh ng−ng ®ãng b¨ng.
B×nh ng−ng ®ãng b¨ng lµ thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt d¹ng èng, c¸c èng cã ®−êng kÝnh 51/57 mm liªn kÕt víi nhau gi÷a phÇn trªn vµ phÇn d−íi. Hçn hîp h¬i n−íc vµ kh«ng khÝ nhê b¬m ch©n kh«ng hót tõ b×nh th¨ng hoa qua bé phËn ph©n phèi ph¸i d−íi vµo c¸c èng. Am«ni¸c cung cÊp tõ ph¸i trªn, chøa ®Çy kh«ng gian ngoµi gi÷a c¸c èng. T¹i ®©y hçn hîp h¬i n−íc - kh«ng khÝ ®−îc lµm l¹nh vµ h¬i n−íc ng−ng tô b¸m vµo thµnh trong cña èng, cßn kh«ng khÝ kh« qua b¬m ch©n kh«ng th¶i vµo kh«ng khÝ. Am«ni¾c láng nhËn nhiÖt cña hçn hîp h¬i n−íc - kh«ng khÝ, bay h¬i qua b×nh t¸ch láng vÒ m¸y nÐn cña m¸y l¹nh.
H×nh 5.3. S¬ ®å thiÕt bÞ sÊy th¨ng hoa.
1 - B×nh th¨ng hoa 2 - van 3 - Xyph«ng 4 - BÓ chøa n−íc nãng 5 - B×nh ng−ng ®ãng b¨ng
6 - B×nh t¸ch láng 7 - Giµn ng−ng am«ni¾c 9 - m¸y nÐn 10 - B¬m chµn kh«ng
11, 12, 13 - §éng c¬ ®iÖn 14 - B¬m n−íc 15 - PhÇn tö läc 16 - TÊm gia nhiÖt
17 - Ch©n kh«ng kÕ 18 - Van ®iÒu chØnh 19 - Khay chøa vËt liÖu
20 - TÊm gia nhiÖt d−íi 21 - Bé ®iÒu chØnh nhiÖt.
Nguyªn t¾c lµm viÖc cña hÖ thèng nh− sau:
Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 93
VËt liÖu ®−îc lµm l¹nh tíi (10 ÷ 15 0C) ®−îc cho vµo b×nh th¨ng hoa (1). B×nh th¨ng hoa nèi víi b¬m ch©n kh«ng (10) qua b×nh ng−ng - ®ãng b¨ng 5, vµ ®−îc lµm l¹nh b»ng m¸y l¹nh am«ni¾c. M¸y l¹nh gåm m¸y nen 9, giµn ng−ng 7, b×nh t¸ch láng 6 vµ b×nh chøa am«ni¾c 8. Nhê b×nh ng−ng - ®ãng b¨ng, Èm tho¸t tõ vËt liÖu d−íi d¹ng b¨ng, m¸y hót ch©n kh«ng 10 lµm viÖc víi kh«ng khÝ kh«. Ngoµi ra b×nh th¨ng hoa nèi víi hÖ thèng cung cÊp n−íc nãng tõ b×nh chøa 4 lµm nguån gia nhiÖt cho vËt liÖu.
H×nh 5.4. CÊu t¹o b×nh th¨ng hoa
H×nh 5.5. CÊu t¹o b×nh ng−ng ®ãng b¨ng
5.3. Lý thuyÕt tÝnh to¸n
Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 94
ThiÕt bÞ chÝnh trong hÖ thèng sÊy th¨ng hoa lµ b×nh th¨ng hoa vµ b×nh ng−ng ®ãng b¨ng. Qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt trong b×nh th¨ng hoa lµ bøc x¹ vµ trong b×nh ng−ng ®ãng b¨ng lµ qu¸ tr×nh dÉn nhiÖt lµ chñ yÕu.
"
' Q Q +
=
+
+
−
)
5.3.1. TÝnh to¸n nhiÖt b×nh th¨ng hoa. Trong hÖ thèng sÊy th¨ng hoa, b×nh th¨ng hoa kh«ng cã tæn thÊt cho thiÕt bÞ vËn chuyÓn Qvc = 0, tæn thÊt ra m«i tr−êng Qmt = 0. Vµ còng kh«ng cã tæn thÊt do t¸c nh©n sÊy mang ®i Qz = 0. NhiÖt tiªu hao trong sÊy th¨ng hoa gåm: NhiÖt lµm l¹nh vËt liÖu Qll, nhiÖt cÇn trong qu¸ tr×nh th¨ng hoa Qth, nhiÖt cÇn bay h¬i Èm cßn l¹i Qcl, nhiÖt vËt lý ®Ó ®−a vËt liÖu tõ nhiÖt ban ®Çu tíi nhiÖt ®é th¨ng hoa Q’ (tÝnh cho mét chu kú sÊy), nhiÖt l−îng tiªu hoa trong qu¸ tr×nh ®«ng ®Æc Q” cuèi cïng ta cã. ( Q Q Q th
Q cl
ll
'
"
(5.1)
( nªn cuèi cïng ta cã
=
+
llQ Q Q
V× + =
) Q Q Q th cl
4
4
Thùc tÕ, vËt liÖu trong b×nh th¨ng hoa nhËn nhiÖt tõ c¸c tÊm ®−îc ®èt nãng nhê bøc x¹, dÉn nhiÖt vµ ®èi l−u; nh−ng trong ®iÒu kiÖn ch©n kh«ng, l−îng nhiÖt chñ yÕu nhËn ®−îc qua con ®−êng bøc x¹ (chiÕm 75 - 85%), sau ®ã lµ dÉn nhiÖt vµ nhá nhÊt lµ ®èi l−u (3 ÷ 5%). Do ®ã trong tÝnh to¸n lÊy truyÒn nhiÖt b»ng bøc x¹ lµm c¬ së; nhiÖt truyÒn dÉn lµ ®èi l−u, ta ®−a hÖ sè thùc nghiÖm K = 1,2 ÷ 1,25. TruyÒn nhiÖt bøc x¹ gi÷a c¸c tÊm ®èt nãng vµ vËt liÖu nh− lµ truyÒn nhiÖt gi÷a hai tÊm ph¼ng song song, ta cã thÓ tÝnh ®−îc l−îng nhiÖt vËt liÖu sÊy nhËn ®−îc.
0
ë ®©y: F - DiÖn tÝch tÊm ®èt nãng vµ còng lµ diÖn tÝch bÒ mÆt vËt liªu (m2). C0 - H»ng sè vËt ®en tuyÖt ®èi εqd - §é ®en qui dÉn
(5.2) = ⋅ ⋅ ⋅ − Q K F C ε ⋅ qd T 1 100 T 2 100
qdε
1
(5.3) =
1 1 1 + ε ε 2
1
−
4
4
ε1, ε2 - ®é ®en cña nguån bøc x¹ vµ cña vËt liÖu T1 - NhiÖt ®é tÊm ®èt nãng (0K) T2 - NhiÖt ®é th¨ng hoa cña vËt liÖu T2 = Tth (0K) Tr−êng hîp vÞ trÝ gi÷a vËt vµ tÊm nãng kh«ng coi lµ hai tÊm ph¼ng song song th× ta cã.
0
ë ®©y: H - Lµ hÖ sè tÝnh quan hÖ t−¬ng hç gi÷a c¸c bÒ mÆt truyÒn nhiÖt.
(5.4) = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − Q K H F C ε ⋅ qd T 1 100 T 2 100
ε qd
1
(5.5) =
1 F 1 F 2
1 ε 2
1 ε 1
ë ®©y: F1, F2 – DiÖn tÝch tÊm gia nhiÖt vµ vËt liÖu tiÕp nhËn bøc x¹.
Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 95
⋅ + −
5.3.2. NhiÖt to¶ ra trong b×nh ng−ng - ®ãng b¨ng. nhiÖt cña h¬i n−íc – kh«ng khÝ bªn trong èng, lµm cho n−íc ®ãng b¨ng.
§©y lµ lo¹i thiÕt bÞ trao ®æi nhiÖt kiÓu chïm èng. Ngoµi èng lµ am«ni¨c bay h¬i nhËn
r
C
t
t
⋅
+
+
⋅
−
(
)
(
)
Q W = b
n
r d
ph
h
b
NhiÖt to¶ ra trong b×nh ng−ng.
(5.6)
Wb - L−îng Èm cÇn ng−ng (kg/h) r vµ rd - NhiÖt Èm ho¸ h¬i vµ ®«ng ®Æc cña n−íc Cph - NhiÖt dung riªng cña h¬i n−íc th vµ tb - NhiÖt ®é h¬i vµ b¨ng. Trong ®ã: MÆt kh¸c theo ph−¬ng tr×nh truyÒn nhiÖt qua v¸ch ng¨n gi÷a hçn hîp h¬i n−íc - kh«ng
nQ K F t ⋅ ∆ ⋅
khÝ trong èng vµ am«ni¨c s«i ë ngoµi èng ta cã: =
Trong ®ã F lµ diÖn tÝch bÒ mÆt truyÒn nhiÖt, K hÖ sè truyÒn nhiÖt vµ ∆t ®é chªnh nhiÖt ®é gi÷a hai dÞch thÓ.èng trao ®æi nhiÖt rÊt máng (δ1 = 3mm) vµ chiÒu dµy líp b¨ng còng kh«ng lín (δ2 =6 ÷ 8 mm). Bµi to¸n dÉn nhiÖt coi nh− qua mét v¸ch ph¼ng hai líp, cã hÖ sè truyÒn nhiÖt K lµ.
1
K =
1 δ δ 1 1 2 + α λ λ α 2
1
1
2
o
,7
q
+ +
4, 2 1 0, 007
⋅
⋅
kcal/m2h0K α1 vµ α2 lµ hÖ sè trao ®æi nhiÖt khi s«i cña am«ni¾c vµ khi ng−ng cña h¬i n−íc. §Ó x¸c ®Þnh α1 vµ α2 ta th−êng dïng c«ng thøc thùc nghiÖm
( ⋅ +
)
vt
α = 1
'
1,1
−
=
⋅
−
(
)
T bh
T m
α 2
q 2, 75 λ ⋅ ⋅ g 3600 µ ⋅ ⋅
kcal/m2h0K
tv - nhiÖt ®é v¸ch (0C) q - MËt ®é dßng nhiÖt (kcal/m2)
λ - HÖ sè dÉn nhiÖt cña hçn hîp h¬i - kh«ng khÝ (kcal/m2h0K) q' - C−êng ®é ng−ng tô (kg/m2h) µ - ®é nhít ®éng lùc cña h¬i (kgs/m2) Tbh - NhiÖt ®é b7o hoµ cña h¬i (0K) Tm - NhiÖt ®é bÒ mÆt lµm l¹nh, hay nhiÖt ®é bÒ mÆt b¨ng (0K)
0,7
q
Trong ®ã: §Ó tÝnh α1 ta ph¶i biÕt tv vµ q, ta sÏ kiÓm tra gi¸ trÞ nµy khi tÝnh ®−îc bÒ mÆt truyÒn nhiÖt. Tr−êng hîp tÝnh theo hÖ SI (q1, α1t−¬ng øng b»ng w/m2, w/m2 0K; λ (w/m0k) α2 (w/m2 0K) th×
⋅
⋅
)
α = 1
Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 96
(w/m2 oK) c¸c c«ng thøc trªn trë thµnh. ( 4,395 1 0, 007 vt ⋅ +
1,1
−
'
4
−
6,568 10
α 2
λ ⋅ g ⋅
⋅
'
T m (w/m2 oK) = ⋅ ⋅ q µ T − bh T bh
q = §Ó t¨ng kh¶ n¨ng lµm viÖc cña b×nh ng−ng - ®ãng b¨ng ng−êi ta dïng nhiÒu b×nh lu«n phiªn thay ®æi nhau; v× b¨ng b¸m trªn bÒ mÆt lµm kÐm ®i qu¸ tr×nh truyÒn nhiÖt, nªn cÇn x¶ b¨ng. ViÖc x¶ b¨ng dïng h¬i NH3 nãng 30 - 25oC hoÆc dïng h¬i tho¸t tõ qu¸ tr×nh sÊy ë giai ®o¹n 3 thæi trùc tiÕp vµo b¨ng. Khi ®ã b×nh ng−ng - ®ãng b¨ng gi÷ vai trß nh− giµn ng−ng m¸y l¹nh. NÕu n b×nh, mçi b×nh cã diÖn tÝch truyÒn nhiÖt Fn th× c−êng ®é ng−ng. w n F ⋅ n
5.3.3. NhiÖt cÇn thiÕt lµm tan b¨ng nhiÖt ®«ng ®Æc , nhiÖt vËt lý cña khèi l−îng èng thÐp. Ta cã
t
t
t
t
NhiÖt l−îng cÇn thiÕt trong b×nh ng−ng ®ãng b¨ng bao gåm: nhiÖt vËt lý cña b¨ng,
=
+
⋅
−
+
⋅
−
(
)
Q G r C ⋅ b
b
x
pb
n
b
p
G C ⋅ «
«
«
2
« 1
(5.7)
(
)
b
b
= ⋅ G F δ ς b b
Trong ®ã: gb, g« - Khèi l−îng cña b¨ng vµ toµn bé èng rb - NhiÖt ®«ng ®Æc cña n−íc rb = 333,37 kK/kg ≈ 80 kcal/ kg Cpb - NhiÖt dung riªng cña b¨ng = 2,174 kJ/kgoK = 0,52kxal/kgoK tn vµ tb - NhiÖt ®é n−íc sau khi tan vµ nhiÖt ®é b¨ng Cp« - NhiÖt dung riªng thÐp lµm èng t«1, t«2 - NhiÖt ®é èng thÐp sau vµ tr−íc x¶ b¨ng. Th«ng th−êng ng−êi ta biÕt tr−íc G« cßn Gb tÝnh theo. ⋅ ChiÒu dµy líp b¨ng δb ≈ 6 ÷ 8 mm, ζb ≈ 920 kg/m2; Fb - DiÖn tÝch mÆt b¸m b¨ng (m2)
Dïng h¬i am«ni¾c ®Ó x¶ b¨ng th× am«ni¾c sÏ ng−ng tô l¹i. Do ®ã α1 cã thÓ tÝnh nh− hÖ 5.3.4. HÖ sè trao ®æi nhiÖt ®èi l−u gi÷a h¬i NH3 tíi bÒ mÆt èng trao ®æi nhiÖt khi ng−ng theo c«ng thøc thùc nghiÖm sau.
3
α
1 1,177 =
2 3 γ λ ⋅ ⋅ q µ ⋅
F
r ⋅
ë ®©y: r - NhiÖt ho¸ h¬i cña NH3 (kcal/kg) γ - Träng l−îng riªng cña NH3 (KG/m3) λ - HÖ sè dÉn nhiÖt cña h¬i NH3 (kcal/mhoc) µ - §é nhít ®éng lùc cña h¬i NH3 (kg/m2s) QF - Phô t¶i nhiÖt cña b×nh ng−ng trong ®iÒu kiÖn lµm viÖc ®Þnh møc (kcal/m2h)
F
q = Q F
Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 97
Q - NhiÖt truyÒn cho b×nh ng−ng (kcal/h)
5.3.5. Thêi gian x¶ b¨ng ττττX vµ thêi gian lïa khÝ trong b×nh th¨ng hoa ττττ® x¶ b¨ng
τ = x
NÕu nhiÖt l−îng cÇn ®Ó x¶ b¨ng b»ng h¬i am«ni¾c tÝnh theo (5.7) lµ Qx, ta cã thêi gian
t ⋅ ∆ Q x K F ⋅ n
HÖ sè truyÒn nhiÖt K gi÷a am«ni¾c ng−ng víi líp b¨ng ®ang tan cã thÓ tÝnh theo.
K =
1 δ δ 1 2 1 + α λ λ 1 2
1
+
∆t - ®é chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a h¬i nãng vµ b¨ng. BiÕt ®−îc thêi gian lïa khÝ cho phÐp ta x¸c ®Þnh ®−îc kÝch th−íc b×nh th¨ng hoa vµ
n¨ng suÊt b¬m ch©n kh«ng.
ln
τ β = ⋅
®
(h) ⋅ V V h B P − o P P − o
c©u hái «n tËp ch−¬ng v
1. Tr×nh bµy nguyªn t¾c lµm viÖc cña sÊy th¨ng hoa. 2. C¬ së lý thuyÕt tÝnh to¸n nhiÖt b×nh th¨ng hoa. 3. TÝnh to¸n nhiÖt to¶ ra trong b×nh ng−ng - ®ãng b¨ng. 4. TÝnh nhiÖt cÇn thiÕt lµm tan b¨ng. 5. X¸c ®Þnh thêi gian x¶ b¨ng vµ thêi gian lïa khÝ trong b×nh th¨ng hoa.
Trường ñại học Nông nghiệp 1 – Giáo trình Kỹ thuật sấynông sản -------- ----------------------------------------- 98
Trong ®ã: V - ThÓ tÝch b×nh kÝn th¨ng hoa (m3) Vh - Tèc ®é lïa khÝ (l/s) B - ¸p suÊt khÝ trêi (mmhg) Pc - ¸p suÊt cÇn thiÕt trong b×nh th¨ng hoa (mmHg) Po - ¸p suÊt giíi h¹n t¹o nªn bëi b¬m ch©n kh«ng (mmHg) β - HÖ sè dù phßng.
