tính toán thiết kế hệ thống sấy thùng quay để sấy hạt ngô năng suất 180kg h

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM <small> </small>

<small> </small>BỘ MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊTRONG CNSH & CNTP

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b> LỜI MỞ ĐẦU</b>

Ngô là một loại cây lương thực được thuần canh tại khu vực Trung Mỹ và sau đó lantỏa ra khắp châu Mỹ. Ngơ lan tỏa ra phần cịn lại của thế giới sau khi có tiếp xúc củangười châu Âu với châu Mỹ vào cuối thế kỷ 15, đầu thế kỷ 16. Ngô là cây lương thựcđược gieo trồng nhiều nhất tại châu Mỹ (chỉ riêng tại Hoa Kỳ thì sản lượng đã là khoảng270 triệu tấn mỗi năm). Các giống ngô lai ghép được các nông dân ưa chuộng hơn so vớicác giống ngô thông thường do có năng suất cao vì có ưu thế giống lai. Trong khi một vàigiống, thứ ngơ có thể cao tới 7 m (23 ft) tại một số nơi, thì các giống ngô thương phẩm đãđược tạo ra với chiều cao chỉ khoảng 2,5 m (8 ft). Ngô ngọt thông thường thấp hơn so vớicác thứ, giống ngơ giống... địi hỏi việc bảo quản, chế biến sao cho phù hợp với mục địchvà lợi nhuận. Việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào bảo quản, chế biến ngô là rấtcần thiết. Vậy nên, cơng nghệ sấy đóng vai trị quan trọng trong quá trình sau thu hoạchvà bảo quản nông sản.

Trên cơ sở những kiến thức đã học và sự hướng dẫn củacô PhạmThanh Hương, em xinđược trình bày đồ án QTTB với đề tài: “ Tính tốn thiết kế hệ thống sấy thùng quay đểsấy hạt ngơ năng suất 180kg/h”.

Vì là lần đầu thiết kế đồ án nên trong quá trình thiết kế em cịn nhiều thiếu sót, kínhmong thầy cơ thông cảm. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ thầy cơ đểem traudồi thêm nhiều kinh nghiệm và kiến thức. Em xin chân thành cảm ơn GVHD làTS. Phan Minh Thụy đã tận tình hướng dẫn để em có thể hồn thiện bài thiết kế đồ ánnày

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>1.1 Tổng quan về nguyên liệu sấy 1.1.1 Giới thiệu chung về hạt ngô </b>

<b> </b>

Hạt ngô là quả của ngô. Ngô là một loại ngũ cốc, và hạt ngô được sử dụngtrong nấu ăn như một loại rau hoặc một nguồn cung cấp tinh bột. Hạt ngô baogồm nội nhũ, mầm, màng ngoài (vỏ quả ngoài) và chân hạt.

Một bắp ngô chứa khoảng 800 hạt phân bố thành 16 hàng. Hạt ngô với sốlượng lớn trên khắp các khu vực sản xuất ngơ. Chúng có một số cơng dụng, baogồm làm thực phẩm và nhiên liệu sinh học.

+ Các đặc điểmcủa ngô:

- Các bộ phận : Hạt ngô bao gồm một lớp vỏ quả ngoài (vách quả) hợp nhất với áohạt. Loại quả này là điển hình của các lồi thực vật họ Hịa thảo và được gọi làquả thóc. Hạt ngơ thường được coi một cách sai lầm là một loại hạt. Các hạt ngơcó kích thước cỡ như hạt đậu và bám thành các hàng đều đặn quanh một lõi màutrắng, tạo thành bắp ngô.

- Nội nhũ: Khoảng 82% trọng lượng khô của hạt ngô là nội nhũ. Tinh bột là nguồnchính và nó là phần được sử dụng rộng rãi nhất của hạt ngơ. Nó được biết đến

CHƯƠNG I TỔNGQUANVỀNGUYÊ

N LIỆUSẤYCÔNGNGHỆSẤY VÀTHIẾT BỊ

SẤY

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

như là thành phần chính trong các nhiên liệu, chất làm ngọt, nhựa sinh học và cácsản phẩm khác.

- Mầm: là phần sống duy nhất của hạt ngơ và cịn được gọi là phơi mầm của nó. Nóbao gồm các thơng tin di truyền quan trọng, vitamin, enzym và khoáng chất giúpcho cây phát triển. Mầm chiếm 25 phần trăm dầu ngô và nó là phần có giá trị củahạt ngơ.

- Vỏ quả ngoài: là lớp vỏ bên ngoài bảo vệ hạt và nó cũng duy trì giá trị dinhdưỡng và độ ẩm của hạt. Nó có tới 91% là chất xơ. Nếu hạt ngơ được nghiền ướtthì phần lớn vỏ quả ngồi chuyển thành thức ăn gia súc gluten ngơ.

- Chân hạt: là điểm gắn của hạt ngô với lõi ngô, nơi có mạch vận chuyển dinhdưỡng và nước, và đây là phần duy nhất không được bao phủ bởi vỏ quả ngồi.Nó chứa chất xơ.

<b>1.1.2 Thành phần hóa học</b>

Thơng tin về tổng thành phần hóa học của bắp rất phong phú. Sự thay đổi của từng thành phần dinh dưỡng chính là rất lớn. Bảng 1 tóm tắt dữ liệu về các loại bắp khác nhau được lấy từ một số ấn phẩm.

Sự biến đổi quan sát được là cả di truyền và mơi trường. Nó có thể ảnh hưởngđến sự phân bố trọng lượng và thành phần hóa học riêng lẻ của nội nhũ, mầm vàvỏ của hạt.

<b>Loại bắp</b>

<b>Sợi thôCarbohydrate</b>

1.2

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>1.1.3 Thành phần dinh dưỡng </b>

Ngô là một loại ngũ cốc nguyên hạt rất giàu chất xơ, carbs, vitamin và các loạikhống chất. Thơng thường, trong 164 gram ngô ngọt vàng (một cốc) sẽ cung cấpcác chất dinh dưỡng sau:

Thành phần dinhdưỡng của ngô

của các loạibắp (%)12.3

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>1.1.4 Công dụng</b>

<b> Hạt ngơ ngọt, thơm ngon, bổ dưỡng, thích hợp cho những người táo bón, huyết</b>

áp cao và xơ vữa động mạch. Ngoài đường, đạm, chất xơ, chất béo và các khoángchất như Can xi, Phốt pho, Ka li, Na tri, Ma giê, Sắt, Kẽm…, trong hạt ngơ màuvàng (“hồng ngọc mễ”) cũng như màu trắng (“bạch ngọc mễ”) cịn chứa cácvitamin như A, B1, B2, E…

Bên cạnh cơng dụng giảm cân, ăn ngơ cịn giúp:

Giảm táo bón, ngăn ngừa viêm ruột và ung thư, đồng thời ức chế tác dụng phụ củathuốc điều trị ung thư.

Làm chậm lão hóa da, chống lão hóa mắt, tăng cường thị lực và trí nhớ.Hạ huyết áp, làm giảm mỡ máu và xơ vữa động mạch.

<b>1.1.5 Tình hình sản xuất và tiêu thụ</b>

<b> Tại Việt Nam, số liệu thống kê từ năm 2014 đến năm 2020 cho thấy diện tích</b>

trồng ngơ ở nước ta giảm liên tục giảm trong giai đoạn này. Năng suất ngô tăngtừ năm 2014 đến năm 2020 trong khi sản lượng ngô giảm mạnh từ năm 2016đến năm 2020. Số liệu thống kê đến năm 2020 cho thấy khu vực Trung du vàmiền núi phía Bắc có diện tích và sản lượng ngơ lớn nhất cả nước (426,4 nghìnha), năng suất đạt cao nhất ở khu vực Đông Nam Bộ (6,96 tấn/ha) (Tổng cụcthống kê, 2020). Tỉnh Sơn La ở vùng trung du phía Bắc và tỉnh Đắk Lắk ở TâyNgun có diện tích trồng lớn nhất cũng như khối lượng sản xuất lớn nhất. Năngsuất ngô các tỉnh An Giang (7,81 tấn/ha), Đồng Tháp (9,02 tấn/ha) và Long An(6,25 tấn/ha) thuộc vùng.

Trên thế giới, báo cáo của Bộ nông nghiệp Mỹ, niên vụ 2019/2020 diện tíchngơ trên tồn cầu đạt 192,55 triệu ha, năng suất trung bình đạt 5,79 tấn/ha và sảnlượng đạt 1.113,50 triệu tấn (USDA, 2020b) [163]. Mỹ vẫn là quốc gia đứng đầutrong nhóm các nước có sản lượng ngô cao nhất thế giới với sản lượng đạt360,233 triệu tấn. Trung Quốc, Indonesia và Philipin ở khu vực Châu Á cũngnằm trong nhóm các quốc gia có sản lượng ngơ cao nhất thế giới.

<b>1.1.6 Quy trình cơng nghệ</b>

Bóc vỏ,

Sâấy (ở

Đêấn đ ộ

ẩ^Đóng_{ói à}

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>1.2 Tổng quan về cơng nghệ sấy </b>

• Đảm bảo các thơng số kỹ thuật cho các q trình gia cơng vật liệu tiếptheo.

<b>1.2.3 Phân loại phương pháp sấy 1.2.3.1 Sấy tự nhiên: </b>

Là phương pháp sử dụng trực tiếp năng lượng tự nhiên như năng lượng mặttrời, năng lượng gió… để làm bay hơi nước. Phương pháp này đơn giản, khôngtốn năng lượng, rẻ tiền tuy nhiên không điều ch nh được tốc độ sấy theo yêu cầukỹ thuật nên năng suất thấp, phụ thuộc vào thời tiết, cần diện tích bề mặt lớn,điều kiện vệ sinh kém,... Do đó phương pháp này được áp dụng cho sản xuất quymơ nhỏ lẻ, họ gia đình.

<b>1.2.3.2 Sấy nhân tạo </b>

Là phương pháp sấy được sử dụng các nguồn năng lượng do còn người tạo ra,thường được tiến hành trong các thiết bị sấy, cung cấp nhiệt cho các vật liệu ẩm.Phương pháp này tốn năng lượng và chi phí nhưng điều ch nh được nhiệt độ vàtốc độ gió, thời gian sấy nhanh, năng suất cao, đảm bảo được vệ sinh. Sấy nhân tạo có nhiều dạng, tùy theo phương pháp truyền nhiệt mà trong kỹthuật sấy có thể chia ra làm các dạng:

• Sấy đối lưu: là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy vớikhơng khí nóng, khói lị… (gọi là tác nhân sấy).

• Sấy tiếp xúc: là phương pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc vớinhiệt độ sấy mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếpqua một vách ngăn.

ên li uệ(Ngô)

sạch để ráo nước

lo i ạngô

h t ạngô

vào t ng ừkhay

nhi t ệđ 70 ộđ C) ộ

m ẩyêu câầu

gói và b o ảqu n ả

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

• Sấy bằng tia hồng ngoại: là phương thức sấy dùng năng lượng của tiahồng ngoại do nguồn điện phát ra truyền cho vật liệu sấy.

• Sấy bằng dòng điện cao tần: là phương pháp sấy dùng năng lượngđiện trường có tần số cao để đốt nóng trên tồn bộ chiều dày của lớpvật liệu.

• Sấy thăng hoa: là phương pháp sấy trong môi trường có độ chânkhơng rất cao, nhiệt độ rất thấp nên ẩm tự do trong vật liệu đóng băngvà bay hơi trừ trạng thái rắn thành hơi mà không qua trạng thái lỏng.

<b>1.2.4 Nguyên lý của quá trình sấy </b>

Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắnrất phức tạp vì nó bao gồm cả q trình khuếch tán bên trong và cả bênngoài vật liệu rắn đồng thời với quá trình truyền nhiệt. Đây là một quátrình nối tiếp nghĩa là quá trình chuyển lượng nước trong vật liệu từ phalỏng sang pha hơi sau đó tách pha hơi ra khỏi vật liệu ban đầu.

Động lực của quá trình là sự chênh lệch độ ẩm ở trong lòng vật liệu vàbên trên bề mặt vật liệu. Quá trình khuếch tán chuyển pha này ch xảy rakhi áp suất hơi trên bề mặt vật liệu lớn hơn áp suất hơi riêng phần của hơinước trong môi trường khơng khí xung quanh. Vận tốc của tồn bộ quátrình được quy định bởi giai đoạn nào là chậm nhất.

Tùy theo phương pháp sấy mà nhiệt độ là yếu tố thúc đẩy hoặc cản trở quá trìnhdi chuyển ẩm từ trong vật liệu sấy ra ngoài bền mặt vật liệu sấy.

Trong quá trình sấy thì mơi trường khơng khí ẩm xung quanh có ảnhhưởng rất lớn và trực tiếp đến vận tốc sấy. Do vậy cần nghiên cứu tínhchất là thơng số cơ bản của q trình sấy.

trìnhsấy

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>1.2.5 Tác nhân sấy </b>

Tác nhân sấy là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy. Trong quá trình sấy, mơi trường buồng sấy ln được bổ sung ẩm thốt ra từ vật liệu sấy. Nếu độ ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối trong buồng sấy được tăng lên đến một lúc nào đó sẽ đạt được sự cân bằng giữa vật liệu sấy và mơi trường trong buồng sấy, q trình thốt ẩm của vật liệu sấy sẽ ngừng lại.

Vì vậy nhiệm vụ của tác nhân sấy : • Gia nhiệt cho vật liệu sấy.

• Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật liệu vào mơi trường. • Bảo vệ vật liệu sấy khỏi bị hỏng do quá nhiệt.

Tùy theo phương pháp sấy mà các tác nhân sấy có thể thực hiện một haynhiều các nhiệm vụ trên. Các loại tác nhân sấy:

• Khơng khí ẩm: là loại tác nhân sấy thơng dụng nhất, có thể dùng cho hầuhết các loại sản phẩm. Dùng khơng khí ẩm sẽ có nhiều ưu điểm : khơngkhí có sẵn trong tự nhiên, khơng độc, không làm sản phẩm sau khi sấy ônhiễm và thay đổi mùi vị. Tuy nhiên, dùng khơng khí ẩm làm tác nhânsấy cần trang bị thêm bộ gia nhiệt khơng khí (caloripher điện, khí - hơihay khí - khói), nhiệt độ sấy không quá cao.

Thường nhỏ hơn 500 C vì nếu nhiệt độ cao quá thiết bị trao đổi nhiệt phải<small>0</small>được chế tạo bằng thép hợp kim hay gốm sứ với chi phí đắt.

• Khói lị:

<b>- Ưu điểm: Phạm vi nhiệt độ rộng từ hàng chục đến hàng nghìn độ C,</b>

khơng cần calorife.

<b>- Nhược điểm: Có thể làm ơ nhiễm sản phẩm sấy nên ch thích hợp cho các</b>

vật liệu sấy như hạt có vỏ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

• Hơi quá nhiệt: tác nhân sấy này được dùng cho các loại sản phẩm dễ bịcháy nổ và có khả năng chịu được nhiệt độ cao.

• Hỗn hợp khơng khí và hơi nước: tác nhân này ch dùng khi độ ẩm tươngđối cao.

<b>1.2.6 Ưu điểm và nh ợc điểm của quá trình sấy </b>ƣ

<b>1.2.6.1 Ưu điểm </b>

• Hàm lượng nước cịn lại trong sản phẩm cịn rất ít. • Khơng làm thay đổi các tố chất tự nhiên của sản phẩm. • Bảo quản thực phẩm sấy khơ lâu.

• Ứng dụng rộng rãi, rẻ tiền.

• Áp dụng cho nhiều vật liệu sấy, dải nhiệt độ nóng rộng dễ điều ch nh chomỗi loại vật liệu sấy.nguồn nhiệt phong phú và chi phí cho thiết bị khơngcao.

<b>1.2.6.2 Nhược điểm </b>

• Yêu cầu kĩ thuật chế tạo máy, công nghệ sấy khắt khe.

• Kĩ thuật đóng gói phải đảm bảo môi trường đóng gói có độ ẩm thấp(<30%) và nhiệt độ thấp (<20 C). <small>0</small>

• Bao bì phải dùng là polyetylen, bao lớp nhơm và có chứa nitơ.

<b>1.3 Tổng quan về thiết bị sấy thùng quay1.3.1 Hệ thống sấy thùng quay</b>

Quá trình sấy trong máy sấy thùng quay c ng là sấy đối lưu. Sấy thùng quayđược áp dụng rộng rãi để sấy các vật ẩm dạng hạt, mảnh vụn có kích thước nhỏnhư đậu đỗ, cà phê, ngơ hạt, đường kính, muối ăn, củ cắt nhỏ, gỗ mảnh, cát…Máy sấy thùng quay có những ưu điểm lớn như làm việc ổn định, năng suất cao,rất kinh tế.

Bên trong thùng sấy có các cánh đảo trộn. Vật ẩm được nạp vào đầu cao, sảnphẩm lấy ra ở đầu thấp của thùng. Tác nhân sấy có thể là khơng khí được đốtnóng nhờ calorife, khói lị. Chiều chuyển động của tác nhân sấy có thể cùngchiều, ngược chiều hoặc cắt ngang dòng vật sấy.

Các cánh đảo: đối với vật sấy có kích thước lớn, dễ bám dính vào thùngthì dùng cánh nâng vật sấy lên cao rồi đổ xuống tạo mưa hạt. Đối với vậtsấycó kích thước nhỏ hơn, dễ chảy thì dùng dạng cánh phân phối. Vật sấy

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

có kích thước lớn hơn và khối lượng riêng lớn thì dùng cánh hình quạt,cánh đảo trộn dùng cho vật sấy có kích thước nhỏ như bột.

Bộ phận bịt kín ở đầu và cuối thùng quay có nhiêm vụ bịt kín khe hở giữathùng quay và bộ phận đứng yên ở 2 đầu thùng nhằm chống lại sự xâmnhập của không khí khi áp suất trong thùng nhỏ hơn áp suất khí quyển vàkhơng cho tác nhân sấy xì ra ngồi khi áo suất trong thùng lớn hơn ápsuất khí quyển.

Hệ thống quạt vận chuyển tác nhân có nhiệm vụ tạo ra dịng chảy của tácnhân sấy có lưu lượng đúng như u cầu. Thơng thường chọn dịng chảycủa tác nhân sấy có chiều ngược với dịng vật sấy vì như vậy các hạt vậtsây nhỏ và bụi không bị cuốn theo nhiều.

Hệ thống dẫn động quay cho thùng sấy. Trọng lượng thùng quaygồm trọng lượng thùng (vỏ + các cánh đảo), trọng lượng vật sấy.Mômen cản quay gồm mômen do trọng lượng của khối vật sấy bị nânglên, do lực ma sát của các con lăn đỡ, con lăn chặn ma sát giữa cặp bánhrăng bị dẫn lắp bên ngoài thùng và bánh răng dẫn nhận truyền động từhộp giảm tốc. Công suất động cơ phải thắng được các mômen cản quaycủa thùng sấy và mômen cản do ma sát của gối đỡ bánh răng dẫn, bù tổnthất do hộp giảm tốc và truyền động gây lên.

<b>1.3.2 Ưu điểm của máy sấy thùng quay.</b>

Máy sấy thùng quay có tính tự động hóa cao, quy trình hợp lý, hiệu suấtổn định, hoạt động đơn giản, khả năng ứng dụng rộng.

Hiệu suất trao đổi nhiệt – trao đổi độ ẩm cao giúp vật liệu khô nhanhCông nghệ biến tần dễ dàng điều chỉnh công suất sấy và lượng tiêu haonhiên liệu.

Hệ thống vận hành dễ dàng, hoạt động ổn định, độ bền cao, chi phí sấythấp.

Máy sấy thùng quay được thiết kế với cơ cấu hợp lý, hoạt động thân thiệnvới mơi trường, ít tạo ô nhiễm.

Được cung cấp với giá cả cạnh tranh so với các máy cùng loại, đồng thờicó hiệu suất cao hơn.

<b>1.3.3 Quy trình hoạt động</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Vật liệu của máy sàng phải sấy được ở áp suất cao, có khả năng chịu được nhiệtđộ cao, cơng suất lớn, máy được vận hành liên tục nên phải đảm bảo 1 đầu vàovà 1 đầu ra.

Thân thùng quay: là một thùng hình trụ trịn với độ nghiêng từ 1-6 , thùng<small>0</small>quay được nhờ sử dụng cơ cấu chuyển động vành lăn và con lăn nhậntruyền động của động cơ qua bộ phận giảm tốc. Việc sử dụng cơ cấuchuyển động này sẽ giúp cho việc bảo trì và xử lý những sự cố dễ dànghơn.

Hệ thống cấp liệu: Vật liệu ướt được nạp liên tục vào đầu cao của thùng thông qua hệ thống băng tải và phễu chứa.

Hệ thống hút bụi: trong quá trình sấy vật liệu khô sẽ sinh ra nhiều bụi, việc sử dụng hệ thống hút bụi nhằm thu lại năng suất cho người tiêu dùng và tránh tình trạng gây ơ nhiễm mơi trường.

Hệ thống ra liệu: Sau khi được sấy khô liệu sẽ được chất đống hoặc là đóng bao nhờ cơ cấu băng tải, vít tải,…

Hệ thống lị đốt: Lị được sử dụng là ống hình trụ được xây bao bọc một lớp gạch chịu nhiệt với cường độ lớn, vật liệu đốt thường dùng là gas, dầu khí được đốt trựctiếp vào thùng quay.

1.3.4 Ứng dụng

Hệ thống thùng quay được sử dụng rộng rãi trong việc sấy khô các nguyên liệu như hèm bia, mùn cưa, cát, dăm gỗ, bùn thải,phân bón… và các sinh khối khác có năng suất từ 3 – 15 tấn/ giờ

Thiết kế của máy sấy thùng quay do cơng ty Cơ khí Kiến Thức chế tạo ra dựa theonhu cầu của khách hàng, cường độ sấy có thể đạt đến 100kg, cơng suất sấy có thể đạt 1 đến 10 tấn/h.

</div>