đồ án sấy cà phê với dung tích 2350 kg mẻ

Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

Đề Tài
Nhóm 3: Thiết kế hệ thống sấy cà phê nhân năng suất (750+n*50) kg/mẻ
với n=32.=> G2=2350 kg/mẻ

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CƯÚ TÍNH CHẤT CỦA CÀ PHÊ NHÂN.
1.1. Đặc tính chung của cà phê:
1.1.1. Cấu tạo giải phẫu quả cà phê.
1.1.2. Cấu tạo của nhân cà phê.
1.1.3. Thành phần hóa học của nhân cà phê.
1.1.4. Tính chất vật lý của cà phê nhân.
1.2. Quy trình sản xuất cà phê:
1.2.1. Giới thiệu các phương pháp sản xuất cà phê.
1.2.2. Dây chuyền sản suất cà phê nhân (phương pháp khô).
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY.
2.1. Chọn phương pháp sấy.
2.1.1. Chọn thiết bị sấy.
2.1.2. Giới thiệu phương pháp sấy đối lưu.
2.1.3. Chọn tác nhân sấy chế độ sấy.
2.1.4 Chọn thời gian sấy .
2.2. Tính toán quá trình sấy lý thuyết:
2.2.1. Tính toán trạng thái không khí bên ngoài.
2.2.2. Tính toán trạng thái không khí vào thùng sấy.
2.2.3. Xác định nhiệt độ TNS ra khỏi thùng sấy t2.
2.2.4. Tính toán lượng tiêu hao TNS.
2.2.5. Tính toán lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy lý thuyết.
2.3. Xác định kích thước thùng sấy.
2.3.1. Lượng ẩm bốc ra trong quá trình sấy.

2.3.2.
Nguyễn Văn Khoa

Tính kích thước của thùng sấy (V, D, L).
Trang 1


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY.
3.1. Mục đích tính toán nhiệt.
3.2. Tính tổn thất nhiệt:
3.2.1. Tổn thất do vật liệu sấy mang đi.
3.2.2. Tổn thất ra môi trường.
3.3. Tính toán quá trình sấy thực tế:
3.3.1. Tính giá trị tổng tổn thất.
3.3.2. Xác định các thông số của TNS sau quá trình sấy thực.
3.3.3. Lượng TNS thực tế.
3.3.4. Lưu lượng thể tích trung bình trong quá trình sấy thực.
3.3.5. Kiểm tra lại giả thiết về tốc độ sấy.
3.3.6. Lập bảng cân bằng nhiệt.
CHƯƠNG 4: TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ.
4.1. Tính chọn calorife và lò hơi.
4.2. Tính trở lực và chọn quạt gió.
4.2.1. Tính trở lực.
4.2.2. Chọn quạt cho hệ thống sấy thùng quay.
4.3. Chọn xyclon lọc sản phẩm.

Nguyễn Văn Khoa

Trang 2


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật sấy là một ngành khoa học phát triển mãi từ những năm 50 đến 60 ở
các Viện và các trường đại học trên thế giới chủ yếu giải quyết những vấn đề kỹ
thuật sấy các vật liệu cho công nghiệp và nông nghiệp.
Trong những năm 70 trở lại đây người ta đã đưa kỹ nghệ sấy các nông sản
thành những sản phẩm khô, không những kéo dài thời gian bảo quản mà còn làm
phong phú thêm các mặt hàng sản phẩm như: trái cây, cà phê, sữa, bột, cá khô,
thịt khô. Đối với nước ta là nước nhiệt đới ẩm, việc nghiên cứu công nghệ sấy
để sấy các nguyên vật liệu có ý nghĩa đặc biệt: kết hợp phơi sấy để tiết kiệm
năng lượng, nghiên cứu công nghệ sấy và thiết bị sấy phù hợp với từng loại
nguyên vật liệu để đạt được chất lượng cao nhất. Đặc biệt là sấy cà phê nhân, đó
là thành phẩm để chế biến cà phê bột, cà phê sữa, các loại bánh cao cấp.v…v.
Do đặc thù của cà phê nhân khi sấy phải giữ được mùi thơm và màu sắc đặc
trưng nên ta có thể dùng các thiết bị sấy như: sấy tháp, thùng quay, sấy
hầm.v.v…
Trong đồ án này em có nhiệm vụ sấy cà phê nhân bằng thiết bị sấy thùng
quay với năng suất 2350 kg khô/mẻ.
Đây là lần đầu tiên tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống sấy mang tính chất
đào sâu chuyên ngành, do kiến thức và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên em
không thể tránh khỏi sai sót trong quá trình thiết kế. Em xin chân thành cảm ơn
sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của GV.Th.S Nguyễn Đức Nam để em có thể

hoàn thành tốt đồ án này.

Nguyễn Văn Khoa

Trang 3


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

Chương 1:
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU SẤY
1.1.
ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA QUẢ CÀ PHÊ
1.1.1. Cấu tạo giải phẫu của quả cà phê:
Quả cà phê gồm có những phần sau : lớp vỏ quả, lớp nhớt, lớp vỏ trấu, lớp vỏ
lụa, nhân.

+ Lớp vỏ quả : là lớp vỏ ngoài, mềm, ngoài bì có màu đỏ, vỏ của cà phê
chè (arabica) mềm hơn cà phê vối (canephora) và cà phê mít (excelsa).
+ Dưới lớp vỏ mỏng là lớp vỏ thịt, gọi là trung bì, vỏ thịt cà phê chè mềm,
chứa nhiều chất ngọt, dễ xay xát hơn. Vỏ cà phê mít cứng và dày hơn.
+ Hạt cà phê sau khi loại các chất nhờn và phôi khô gọi là cà phê thóc, vì
bao bọc nhân là một lớp vỏ cứng nhiều chất xơ gọi là vỏ “trấu” tức là nội bì. Vỏ
trấu của cà phê chè mỏng và dễ dập vỡ hơn là cà phê vối và cà phê mít.
+ Xát cà phê thóc còn một lớp vỏ mỏng, mềm gọi là vỏ lụa, chúng có màu
sắc và đặc tính khác nhau tùy theo loại cà phê. Vỏ lụa cà phê chè có màu trắng
bạc rất mỏng và dễ bong ra khỏi hạt trong quá 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 cùng là nhân cà phê. Lớp tế bào phần ngoài của nhân cứng có
những tế bào nhỏ, trong có chứa những chất dầu. Phía trong có những tế bào lớn
và mềm hơn. Một quả cà phê thường có 1, 2 hoặc 3 nhân. Thông thường thì chỉ
có 2 nhân.
Bảng tỷ lệ các phần cấu tạo của quả cà phê (tính theo % quả tươi):
Các loại vỏ và nhân

Cà phê chè (%)

Cà phê vối (%)

- Vỏ quả

43 - 45

41 - 42

- Lớp nhớt

20 - 23

21 - 42

- Vỏ trấu

6 - 7,5

6-8

Nguyễn Văn Khoa

Trang 4


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

- Nhân và vỏ lụa

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

26 - 30

26 - 29

1.1.2. Cấu tạo của nhân cà phê:

Bao gồm: + Phôi
+ Mô dinh dưỡng
1.1.3. Thành phần hóa học của nhân cà phê:
Bảng thành phần hóa học của nhân cà phê:
Thành phần hóa học
Tính bằng g/100g
- Nước
8 - 12
- Chất dầu
4 - 18
- Đạm
1,8 - 2,5
- Protein
9 - 16

- Cafein
1 (Arabica), 2 (Robusta)
- Clorogenic axit
2
- Trigonelline
1
- Tanin
2
- Cafetanic axit
8-9
- Cafeic axit
1
- Pentozan
5
- Tinh bột
5 - 23
- Saccaro
5 - 10
- Xenlulo
10 - 20
- Hemixenlulo
20
- Linhin
4
- Canxi
- Photphat
- Sắt
- Natri

Nguyễn Văn Khoa

Tính bằng mg/100g

85 - 100
130 - 165
3 - 10
4

Trang 5


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

- Mangan

1 - 45

1.1.4. Tính chất vật lý của cà phê nhân:
Cà phê nhân được bóc ra từ cà phê thóc. Cà phê nhân có hinh dáng bầu dục,có
chiều dài khoảng 1cm, chiều rộng khoảng 0,5cm.

- Khối lượng riêng: = 650 kg/m3
- Nhiệt dung riêng: c= 0,37 kcal/kg 0C
- 1 = 20 %, 2 = 12 %
- Nhiệt độ đốt nóng hạt cho phép của cà phê nhân:
Trong đó:
th là nhiệt độ cho phép đốt nóng hạt.
là thời gian sấy.

là độ ẩm trung bình: %
Vậy:
1.2. QUY TRÌNH SẢN SUẤT CÀ PHÊ NHÂN:
1.2.1. Giới thiệu các phương pháp sản xuất cà phê nhân:
Sản xuất cà phê nhân nhằm mục đích loại bỏ các lớp bao vỏ bọc quanh
hạt nhân cà phê để thu được cà phê nhân .Để cà phê nhân sống có một giá trị
thương phẩm cao chúng ta phải sấy khô đến mức độ nhất định (độ ẩm mà nhà
chế biến yêu cầu). Rồi sau đó tiếp tục các quá trình chế biến tinh khiết hơn như
chế biến cà phê rang, cà phê bột thô, cà phê hòa tan. Hoặc các sản phẩm khác có
phối chế như: cà phê sữa, các loại bánh kẹo cà phê.
Trong kỹ thuật sản xuất cà phê nhân có 2 phương pháp chính :
-

Phương pháp sản xuất ướt.
Phương pháp sản xuất khô.
+ Phương pháp sản xuất ướt : gồm 2 giai đoạn chính:

Nguyễn Văn Khoa

Trang 6


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

- Giai đoạn xát tươi và phơi sấy loại bỏ các lớp vỏ, thịt và các chất nhờn
bên ngoài và phơi sấy khô đến mức độ nhất định.
- Giai đoạn xay xát, loại bỏ các lớp vỏ trấu và một phần vỏ lụa, tạo thành
cà phê nhân.

+ Phương pháp sản xuất khô: chỉ có một giai đoạn chính là sau khi phơi
quả cà phê đến mức độ nhất định dùng máy xát khô loại bỏ các lớp vỏ bao bọc
nhân, không cần qua giai đoạn sản xuất cà phê thóc.
So sánh 2 phương pháp ta thấy:
Phương pháp chế biến khô tuy đơn giản, ít tốn năng lượng, nhân công
nhưng phương pháp này có nhiều hạn chế là phụ thuộc vào điều kiện thời tiết.
Nó chỉ phù hợp với nơi có điều kiện khí hậu nắng nhiều mưa ít, không đáp ứng
được những yêu cầu về mặt chất lượng.
Phương pháp chế biến ướt phức tạp hơn, tốn nhiều thiết bị và năng lượng
hơn, đồng thời đòi hỏi dây chuyền công nghệ cũng như thao tác kỹ thuật cao
hơn. Nhưng phương pháp này thích hợp với mọi hoàn cảnh, mọi điều kiện khí
hậu thời tiết. Đồng thời rút ngắn được thời gian sản xuất, tăng năng suất của nhà
máy và nâng cao chất lượng sản phẩm cà phê nhân.
Hiện nay ở nước ta, các nhà máy, xí nghiệp sản xuất cà phê nhân chủ yếu
sử dụng phương pháp khô (phương pháp cổ điển).
1.2.1. Dây chuyền sản suất cà phê nhân (phương pháp khô)
Thu nhận và bảo quản quả cà phê

Sàng phân loại và làm sạch

Xát tươi

Rửa

Làm ráo

Nguyễn Văn Khoa

Trang 7

Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

Xát khô

Thu được cà phê nhân

Sấy
Đóng bao đưa vào bảo quản

Nguyễn Văn Khoa

Trang 8


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

Chương 2:
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY
Năng suất thiết bị sấy: G2 = 2350 kg khô/mẻ

2.1. Chọn phương pháp sấy:
2.1.1. Chọn thiết bị sấy:
Thiết bị sấy thùng quay là thiết bị chuyên dùng để sấy hạt. Loại thiết bị này
được dùng rộng rãi trong công nghệ sau thu hoạch để sấy các vật ẩm dạng hạt có
kích thước nhỏ. Trong hệ thống này, vật liệu sấy được đảo trộn mạnh, tiếp xúc

nhiều với tác nhân sấy, do đó trao đổi nhiệt mạnh, tốc độ sấy nhanh, và độ đồng
đều của sản phẩm cao. Ngoài ra, thiết bị còn có thể làm việc với năng suất lớn.
2.1.2. Giới thiệu phương pháp sấy nóng:
Để sấy cà phê nhân, dùng phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy nóng nên
độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp suất trong tác nhân sấy giảm. Mặt khác
nhiệt độ vật liệu sấy tăng nên mật độ hơi trong các mao dẫn tăng lên do đó phân
áp suất hơi nước trên bề mặt vật sấy cũng tăng theo. Nghĩa là ở đây có sự chênh
lệch phân áp suất giữa bề mặt vật liệu sấy và môi trường nhờ đó mà có sự dịch
chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường.
Có 2 cách để tạo ra độ chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi
trường
+ Giảm phân áp suất của tác nhân sấy bằng cách đốt nóng nó.
+ Tăng phân áp suất hơi nước trong vất liệu sấy.
Ở thiết bị sấy thùng quay các giai đoạn của quá trình sấy phân bố ổn định theo
chiều dài thùng. Trong thùng sấy, hạt cà phê nhân được nâng lên đến độ cao nhất
định, sau đó rơi xuống. Trong quá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy,
thực hiện các quá trình truyền nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm. Nhờ độ
nghiêng của thùng mà vật liệu sẽ được vận chuyển đi dọc theo chiều dài thùng.
Khi đi hết chiều dài thùng sấy, vật liệu sấy sẽ đạt được độ ẩm cần thiết cho quá
trình bảo quản là 12%.

Nguyễn Văn Khoa

Trang 9


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

Sơ đồ nguyên lý của thiết bị:

Calorifer
(23,3 C,82 %)
Quạ
t

0

t1

1

Thùng sấy

Thải
2
t2

Lò hơi
2.1.3. Chọn tác nhân sấy và sấy chế độ sấy:
+ Chọn tác nhân sấy:
Đối với cà phê nhân (chỉ còn có lớp lụa bên ngoài) nên trong quá trình sấy yêu
cầu sạch không bị ô nhiễm, bám bụi và yêu cầu nhiệt độ sấy không cao nên ta
chọn tác nhân sấy là không khí nóng.
+ Chọn chế độ sấy:
Thông thường, chế độ sấy trong hệ thống sấy thùng quay được hiểu là bao gồm
ba yếu tố: nhiệt độ tác nhân sấy vào thùng sấy t 1 và nhiệt độ ra khỏi thùng sấy t2,
không có hồi lưu, hạt cà phê nhân được nâng lên đến độ cao nhất định, sau đó
rơi xuống. Trong quá trình đó, vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy, thực hiện các

quá trình truyền nhiệt và truyền khối làm bay hơi ẩm. Nhiệt độ tác nhân sấy ra
khỏi thùng t2 được chọn sao cho tổn thất do tác nhân sấy mang đi là nhỏ nhất.
Tốc độ tác nhân sấy đi trong thùng sẽ được quyết định sơ bộ sau tính toán lưu
lượng tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết, chọn tiết diện thùng sấy. Tốc độ
được chọn sơ bộ này sẽ được kiểm tra lại sau khi tính toán xong quá trình sấy
thực.
Chọn chế độ sấy căn cứ vào 2 tiêu chí, một là sự làm việc của thiết bị và hai là
căn cứ vào vật liệu sấy.
Đối với vật liệu sấy là cà phê nhân cần có một chế độ sấy thích hợp để đảm bảo
giữ được các tính chất về hương vị, màu sắc, và các thành phần có trong hạt nên
ta chọn thông số của tác nhân sấy như sau:
Thông số tác nhân sấy:
+ Nhiệt độ vào: t1 = 80 0C
+ Nhiệt độ ra: t2= th+(5÷10) 0C, với th là nhiệt độ đốt nóng
cho phép của cà phê nhân.
Nguyễn Văn Khoa

Trang 10


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

Thông số của vật liệu sấy:
+ Nhiệt độ vật liệu vào: tv1=t0= 23,30C, độ ẩm không khí =82
% (t0 =23,3 0C và  0 = 82%, áp suất khí quyển p= 757 mmHg là khí hậu ở Đak
Lak)
+ Độ ẩm ban đầu của vật liệu: W1 = 20 %
+ Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy: W2 = 12 %

Gầu tải đưa vật liệu lên phễu chứa. Thông qua đĩa phân phối, vật liệu sấy được
đưa vào thùng sấy có khối lượng bằng một mẻ sấy.
2.1.4. Chọn thời gian sấy:
Việc xác định thời gan sấy đóng vai trò quan trọng trong tính toán thiết kế
và vận hành thiết bị sấy. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sấy phụ thuộc vào
nhiều yếu tố: loại vật liệu sấy, hình dáng, kích thước hình học của vật liệu, độ
ẩm đầu và cuối của vật liệu, loại thiết bị sấy, phương pháp cung cấp nhiệt, chế
độ sấy (nhiệt độ, độ ẩm tương đối và tốc độ tác nhân sấy).
Phương pháp xác đinh thời gian sấy bằng giải tích khó thực hiện được và
có độ chính xác thấp - Thực tế thường chọn theo thực nghiệm đối với cà phê
nhân với thiết bị sấy thùng quay:
Ta chọn thời gian sấy là :  = 5h thì xong 1 mẻ.

2.2. Tính toán quá trình sấy lý thuyết:
Quá trình sấy lý thuyết không có hồi lưu biểu diễn trên đồ thị I-d (hình vẽ)

Nguyễn Văn Khoa

Trang 11


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

I (kJ/kgkkk)




t


0
0

d0 =d

t0



t

00

I  =I 3

d

d(g/kgkkk)

+ Điểm O(t0,) là trạng thái không khí bên ngoài
+ Điểm 1(t1,) là trạng thái không khí vào buồng sấy
+ Điểm 2(t2,) là trạng thái không khí sau quá trình sấy lý thuyết

2.2.1. Tính toán trạng thái không khí bên ngoài:
Vì không khí bên ngoài lấy vào thiết bị sấy là không khí trong phân xưởng nên
thường cao hơn và ổn định hơn so với trạng thái không khí bên ngoài. Ở Việt
Nam chưa có nghiên cứu sâu về vấn đề này vì vậy có thể chọn t 0 =23,3 0C và  0

= 82%, áp suất khí quyển p= 757 mmHg là khí hậu ở Đak Lak.

d 0 622.
Từ đó ta có:

pbh0 exp(12 

 0 . pbh0
p   0 . pbh0

, t0=23,30C

theo công thức:

4026,42
4026,42
) (12 
) 0,02850bar
235,5  t
235,5  23,3

=14,95 g/kgkkk =0,01495 kg/kgkkk
I0 = t0+ d0.( 2500+1,97.t0)=23,3+0,01495.(2500+1,97.23,3)
= 61,3612 kJ/kgkkk

2.2.2. Tính toán trạng thái không khí vào buồng sấy:
- ta có G2=

kg/h

Nguyễn Văn Khoa

Trang 12


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

- Lượng ẩm cần bốc hơi trong 1 giờ:

kg ẩm/h
- lượng vật liệu vào thùng quay là:
G1 = kg/ mẻ
- Nhiệt độ đốt nóng cho phép th:
Trong đó:
th là nhiệt độ cho phép đốt nóng hạt.
là thời gian sấy.
là độ ẩm trung bình: %
Vậy:
2.2.3. Xác định nhiệt độ TNS ra khỏi thùng sấy t2:
0
Khi tính toán nhiệt độ t1 chúng ta đã chọn trước t"10 C . Như vậy, chúng ta
t t h  10
chọn nhiệt độ t2 với điều kiện 2
hay t2 0C. Để đảm bảo tính kinh tế
chúng ta sẽ chọn t2 sao cho độ ẩm tương đối không quá bé nhưng cũng không
quá gần trạng thái bão hòa, chẳng hạn chọn  2 (70 5)% . Tuy nhiên, khi đó

 

a
p
B.d
 a
pa 
b
pb và
0,621  d , phân áp suất hơi nước

theo các công thức
pa trong TNS sẽ tăng, do đó cường độ sấy sẽ giảm. Nếu chọn t 2 bằng nhiệt độ
cho phép, nghĩa là:
t2= tv2+ 10= th+ 10= 45+10= 55 oC
Khi đó ta có:
- Lượng chứa ẩm của tác nhân sau quá trình sấy lý thuyết d20:
Từ đặc điểm quá trình sấy lý thuyết là I= const ta có thể tính được d 20 theo công
thức:
Ở trên ta đã có: t1= 800C  pbh1=0,4667 bar
Do sấy lý thuyết nên d1=d0=0,01495 kg/kgkkk

1 

B.d1
(0,621  d1 ) pbh1

757
.0,01495
750


5,00%
(0,621  0,01495).0,4667

I1=t1+d1.(2500+1,97t1) =80+ 0,01495.(2500+1,97.80) =119,73 kJ/kgkkk
Nguyễn Văn Khoa

Trang 13


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

= 0,02473 kg ẩm/kg kk

- Phân áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ t2= 55 0C. Ta có:
0,15562 bar
- Độ ẩm tương đối

 20 :


Như vậy, với nhiệt độ t2= 55 0C độ ẩm tương đối của TNS 20 ra khỏi thùng
sấy còn quá bé so với điều kiện kinh tế. Ta chọn lại t 2= 39 0C. Với nhiệt độ được
chọn lại chúng ta tính được:
- Lượng chứa ẩm: d20= 0,03127 kg ẩm/kg kk
- Phân áp suất bão hòa của hơi nước ở nhiệt độ t 2= 39 0C là: pb2= 0,06938
bar.



- Độ ẩm tương đối 20 = 69,74 % 70 %.
Như vậy, nhiệt độ t2 được chọn lại bằng 39 0C là hợp lý về mặt tiết kiệm nhiệt
lượng. Để kiểm tra, nhiệt độ t2 có hợp lý hay không về mặt trao đổi ẩm chúng ta
phải biết quan hệ giữa phân áp suất hơi nước trên bề mặt dạng hạt p h= f(t,  ).
Chính độ chênh (ph- pa) quyết định cường độ sấy ở phần cuối của thùng sấy. Do
đó nhiệt độ t2 không những phải đảm bảo tính kinh tế về mặt tiết kiệm nhiệt
lượng như trên mà còn phải đảm bảo độ chênh (ph- pa) đủ lớn.
2.2.4. Lượng TNS lý thuyết cần thiết:
- Lưu lượng không khí khô lí thuyết đi qua HTS trong 1h là:

l0 

1
1

61,275
d 20  d1 0,03127  0,01495
kgkk/kgẩm

L0=l0.W=61,275.47= 2880 kgkk/h

Dựa và phụ lục 5(Tr.349_Tính toán thiết kế hệ thống sấy), dùng phương pháp
nội suy hai chiều ta tính được thể tích khói ẩm chứa một kg khói khô trước và

Nguyễn Văn Khoa

Trang 14


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

t , 

sau quá trình sấy lý thuyết tương ứng, từ 1 1 =(80oC;5%) ta có v1= 1,045
m3/kgkk, từ  t 2 ,  2  = (39oC;70%) ta có v = 1,126 m3/kgkk. Do đó:
2

- Lưu lượng thể tích của TNS trước quá trình sấy V1 bằng:
V10= v1.Lo= 1,045. 2880 = 3009,6 m3/h
- Lưu lượng TNS sau quá trình sấy lý thuyết V20 bằng:
V2o= v2.Lo= 1,126. 2880 = 3242,88 m3/h
- Lưu lượng thể tích trung bình Vtbo bằng:
Vtbo= 0,5.(V10+ V20)= 0,5.( 3009,6 + 3242,88)= 3126,24 m3/h
Hay:
Vtbo= 3126,24/3600= 0,8684 m3/s

2.2.5. Lượng nhiệt cung cấp cho quá trình sấy lý thuyết:
+ Lượng nhiệt tiêu tốn để làm bay hơi 1 kg ẩm bão hoà
q=l0(I1-I0)=61,275.(119,73- 61,3612)=3576,55 kJ/kgẩm
+ Lượng nhiệt tiêu tốn cho cả quá trình sấy:
Q=q.W=3576,55.47=168097,85 (kJ/h) =46,7 kW

2.3.

Xác định kích thước thiết bị sấy thùng quay:
Các dữ liệu ban đầu
+ Năng suất thiết bị G2=470 kgkhô/h
+ Độ ẩm ban đầu của vật sấy W1=20%

+ Độ ẩm cuối của vật sấy W2=12%

2.3.1. Lượng ẩm bốc ra trong quá trình sấy:
W=G2.=470.= 47 kgẩm/h
+Khối lượng vật liệu vào thùng sấy:
G1=W+G2=47+ 470= 517 kg/h
2.3.2.
Xác định kích thước của thùng sấy :
+ Xác định thể tích thùng sấy:

Nguyễn Văn Khoa

Trang 15


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

Thể tích thùng quay được tính theo công thức:

V 

G1 .
 .

Trong đó:
V: Thể tích thùng quay.
G1: Khối lượng vật liệu đi vào thùng quay, [kg/h]
G1 = 517 kg/h.

 : Thời gian sấy cho 1 mẻ sấy, [phút]
= 5h=300 phút.
 = (0,20,3) : hệ số điền đầy, chọn  = 0,25
: Khối lượng riêng của vật liệu sấy, [kg/m3]
Vậy : = 15,91 m3
+ Xác định đường kính và chiều dài thùng sấy:
Chúng ta chọn tỷ số: L/D = 3,5 hay L= 3,5D. Khi đó đường kính thùng sấy được
xác định bởi đẳng thức:

D 2 .L 3,5. .D 3 3,5.3,14.D 3
V


4
4
4
 m

Chọn D = 1,8 m
Do đó chiều dài thùng sấy L là:
L = 3,5.D= 3,5.1,8 = 6,3 m

Nguyễn Văn Khoa

Trang 16


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

Chương 3:
TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY

3.1. Mục đích tính toán nhiệt:
Mục đích của tính toán nhiệt là xác định tiêu hao không khí dùng
cho quá trình sấy L, kg/h và tiêu hao nhiệt Q, kJ/h. Trên cơ sở tính toán
nhiệt xác định các kích thước cơ bản của thiết bị. Đồng thời qua việc thiết
lập cân bằng nhiệt và cân bằng năng lượng của hệ thống sẽ xác định được
hiệu suất sử dụng nhiệt và hiệu xuất sử dụng năng lượng của hệ thống
cũng như tiêu hao riêng nhiệt của thùng sấy và hệ thống.

3.2. Tính tổn thất nhiệt:
3.2.1. Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra ngoài:
Nhiệt dung riêng của cà phê ra khỏi thùng sấy:
Cv2 = Cvk.(1-2) + Ca.2 , [kJ/kg.K]
Trong đó:
Cv2- Là nhiệt dung riêng của cà phê ra khỏi thùng sấy.
Ca- Là nhiệt dung riêng của nước.
Cvk- Là nhiệt dung riêng của cà phê khô.

Nguyễn Văn Khoa

Trang 17


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

Ca = 4,18 (kJ/kgK)
Cvk = 0,37 (kcal/kg.K)= 1,54912 kJ/kg.K



Cv = 1,54912.(1- 0,12) +4,18.0,12 = 1,8648 kJ/kg.K
Khi đó tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi bằng:
Qv = G2.CV2.(t2 - t0)
= 470.1,8648.(39- 23,3) = 13760,36 kJ/h
qv = = = 292,774 kJ/kg ẩm

3.2.2.Tổn thất nhiệt ra môi trường:
Giả thiết tốc độ tác nhân sấy (TNS) trong thùng sấy.Cũng như hệ thống
sấy hầm, để tính tổn thất ra môi trường chúng ta phải giả thiết tốc độ TNS
w(m/s). Sau khi tính toán xong lượng TNS thực chúng ta sẽ kiểm tra lại giả thiết
này. Cơ sở để giả thiết tốc độ TNS trong thiết bị sấy thực tế là tốc độ lý thuyết
wo, [m/s]. Tốc độ này chính là tỉ số giữa lưu lượng thể tích trung bình V tbo và tiết
diện tự do của thùng sấy. Chúng ta đã chọn hệ số điền đầy = 0,25, do đó tiết diện
tự do của thùng sấy có thể tính gần đúng bằng:
Ftd=(1- ).Fts=== 2 m2
Khi đó tốc độ TNS lý thuyết wo bằng:
wo= m/s
Chúng ta giả thiết tốc độ TNS trong quá trình sấy thực w= 0,55 m/s.
Như vậy các dữ liệu để tính mật độ dòng nhiệt gồm:
- Nhiệt độ dịch thể nóng trong trường hợp này là nhiệt độ trung bình của TNS
vào và ra khỏi thùng sấy:
tf1= 0,5.(t1+ t2)= 0,5.(80+ 39)= 59,5 oC
- Nhiệt độ dịch thể lạnh. Nhiệt độ này chính là nhiệt độ môi trường:
tf2= to= 23,3 oC
- Thùng sấy làm bằng thép có chiều dày = 3 mm và ta có hệ số dẫn nhiệt =

71,58 W/mK. Như vậy thùng sấy có đường kính D 2/D1= 1,803/1,8. Do đó, kết
cấu thùng sấy thõa mãn quan hệ D 2/D1< 2 nên có thể xem trao đổi nhiệt đối lưu
giữa TNS với môi trường qua vách phẳng.
- Phía trong thùng sấy là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức với tốc độ tác nhân giả
thiết bằng w= 0,5 m/s. Khi đó hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức giữa TNS
với bề mặt trong của thùng sấy tính theo công thức (7.46) (Tr.144- TTTKHTS):

Nguyễn Văn Khoa

Trang 18


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

= 6,15+4,17.w= 6,15+4,17.0,55= 8,4435 W/m2h.K
- Trao đổi nhiệt đối lưu phía ngoài giữa mặt thùng sấy với không khí xung quanh
theo kinh nghiệm là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên chảy rối. Do đó, hệ số trao
đổi nhiệt đối lưu sẽ được tính theo công thức (7.50) (Tr.145- TTTKHTS):
= 1,715.(tw2- tf2)0,333
Trong đó:
tw2 là nhiệt độ mặt ngoài của thùng sấy, nhiệt độ này chưa biết.
- Như vậy mật độ dòng nhiệt sẽ phải thõa mãn đẵng thức q1= q2= q3.
Trong đó:
q1= .(tf1- tw1)
q2=
q3= .(tw2- tf2)
Ở đây tw1 là nhiệt độ mặt trong của thùng sấy cũng chưa biết. Đương nhiên khi
mật độ dòng nhiệt thõa mãn các đẵng thức trên đây thì nó cũng phải thõa mãn

phương trình truyền nhiệt:
Trong đó: k là hệ số truyền nhiệt và bằng:
Từ q3= .(tw2- tf2), ta có q3= 1,715.( tw2- 23,3)1,333 ta có:
Ta có k= 5,027 W/m2K
Mật độ dòng nhiệt:
q= 5,027.(45- 23,3)= 109,085 W/m2
Diện tích bao quanh thùng sấy F. Vì chúng ta tính truyền nhiệt qua thành thùng
sấy như là truyền nhiệt qua vách phẳng, do đó diện tích bao quanh thùng sấy
bằng diện tích phần hình trụ tính theo đường kính trung bình. Như vậy diện tích
F bằng và diện tích ống dẫn và ống thải hai đầu thùng sấy, trong đó:
Dtb= 0,5.(D1+D2)= 0,5.(1,8+ 1,803)= 1,8015 m.
Theo kinh nghiệm ta lấy:

Nguyễn Văn Khoa

Trang 19


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

Do đó tổn thất nhiệt ra môi trường Qmt bằng:
Qmt= 3,6.q.F= 3,6.109,085.40,7532= 16004 kJ/h
kJ/kg ẩm
Trong hệ thống sấy thùng quay, tổng tổn thất nhiệt bằng tổng tổn thất nhiệt do
VLS mang đi và tổn thất nhiệt do tỏa ra môi trường. Tổng tổn thất này bằng:
Qv+ Qmt= 13760,36+ 16004= 29764,36 kJ/h
kJ/kg ẩm
3.3 Tính toán quá trình sấy thực tế:

3.3.1. Tính giá trị tổng tổn thất:
4,1868.23,3- 633,274= - 535,72 kJ/kg ẩm
Với là tổng đại số của tổn thất nhiệt và gia nhiệt bổ sung, [kJ/kg ẩm]
3.3.2. Xác định các thông số của TNS sau quá trình sấy thực:
Nếu tính bằng đồ thị I-d chúng ta đặt đoạn C oEo= . Nối BEo cắt đường t2= 39 oC
ta sẽ được điểm C biểu diễn trạng thái của TNS sau quá trình sấy thực. Từ C ta
xác định được entanpi I2, lượng chứa ẩm d2 và lượng ẩm tương đối sau quá trình
sấy thực. Tất nhiên chúng ta có thể tính bằng các công thức giải tích.
I(kJ/kgkkk)
I
t

1

I

2

1 1 (B)

2(C)

l

t

2
0 (A)

t

2`(C)

f =100 %

f0

0

d=d

0 1

Nguyễn Văn Khoa

d

2

d

2`

d (g/kgkkk)

Trang 20


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

Để tính các thông số TNS sau quá trình sấy thực, trước hết ta tính nhiệt dung
riêng dẫn xuất của TNS trước quá trình sấy Cdx(d1). Ta có:
= 1,004+ 1,97.0,01495= 1,0335 kJ/kgK
Ta có kJ/kg
Lượng chứa ẩm d2 của TNS sau quá trình sấy thực bằng:
kg ẩm/kgkk
0,02856 kg ẩm/kgkk
Entanpi I2 của trạng thái này có thể tính theo công thức:
1,004.39+ 0,02856.2576,83= 112,75 kJ/kg kk
Độ ẩm tương đối của TNS sau quá trình sấy thực:
57,97 %
3.3.3. Lượng TNS thực tế:
kg kk/kg ẩm.
L=l.W= 73,48.47= 3453,34 kg kk/h= 0,96 kg kk/s.
3.3.4. Lưu lượng thể tích trung bình trong quá trình sấy thực:
+ Lưu lượng thể tích ở trạng thái trước quá trình sấy V1. Trên kia chúng ta đã có
thể tích của 1kg khói khô ở trạng thái t1= 80 oC và = 5,00 %, v1= 1,045 m3/kg kk.
Do đó:
V1= v1.L= 1,045.0,96= 1,0024 m3/s.
+ Lưu lượng thể tích ở trạng thái trước quá trình sấy V2. Trên kia chúng ta đã có
thể tích của 1kg khói khô ở trạng thái t2= 39 oC và = 70 %, v2= 1,126 m3/kg kk.
Như vậy:
V2= v2.L= 1,126.0,96= 1,081 m3/s
+ Lưu lượng thể tích trung bình trong quá trình sấy thực Vtb:
Vtb= 0,5.(V1+ V2)= 0,5.(1,0024+ 1,081)= 1,04168 m3/s.
Đây là một trong hai căn cứ để chọn quạt.

3.3.5. Kiểm tra lại giả thiết về tốc độ TNS:

Tốc độ TNS trong quá trình sấy thực bằng:
Nguyễn Văn Khoa

Trang 21


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

m/s.
Như vậy giả thiết w= 0,55 m/s khi tính tổn thất là hoàn toàn có thể xem là chính
xác.
3.3.6. Thiết lập bảng cân bằng nhiệt:
Để thiết lập bảng cân bằng nhiệt ta tính:
- Nhiệt lượng tiêu hao q:
73,48.(119,73- 61,3612)= 4288,94 kJ/kg ẩm
+ Nhiệt lượng có ích q1:
2576,83- 4,1868.23,3= 2479,278 kJ/kg ẩm
+ Tổn thất nhiệt do TNS mang đi q2:
73,48.1,0335.(39- 23,3)= 1192,28 kJ/kgẩm
+ Tổng nhiệt lượng có ích và tổng các tổn thất q’:
q’= q1+q2+qv+qmt= 2479,278+ 1192,28+ 292,774+ 340,5= 4304,83 kJ/kgẩm
Về nguyên tắc nhiệt lượng tiêu hao q và tổng nhiệt lượng có ích và các tổn thất
q’ phải bằng nhau. Ở đây do nhiều lý do, có thể do trong quá trình tính toán
chúng ta đã làm tròn số hoặc sai số do tra đồ thị v.v..., mà chúng ta đã phạm sai
số tuyệt đối bằng:
kJ/kg ẩm
Hay sai số tương đối bằng:
< 10%

Sai số này trong tính toán nhiệt là cho phép.

Bảng cân bằng nhiệt:

TT

Đại lượng

Ký hiệu kJ/kg ẩm

%

1

Nhiệt lượng có ích

q1

2479,278

63,46

2

Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy

q2

1192,28

22,73

3

Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy

qv

292,774

7,5

4

Tổn thất nhiệt do môi trường

qmt

340,5

1,52

Nguyễn Văn Khoa

Trang 22


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

5

Tổng nhiệt lượng tính toán

q’

4304,83

101

6

Tổng nhiệt lượng tiêu hao

q

4288,94

100

7

Sai số tương đối



0,37

Qua số liệu cho trong bảng cân bằng nhiệt có thể thấy tổn thất nhiệt do tác nhân

sấy mang đi và tổn thất nhiệt do VLS mang đi là đáng kể. Tổn thất nhiệt ra môi
trường rất bé, có thể bỏ qua. Vì vậy chọn nhiệt độ của TNS ra khỏi thùng sấy t 2
đóng một vai trò quan trọng. Khi thiết kế một hệ thống sấy thùng quay chúng ta
cần lưu ý đến vấn đề này. Hơn nữa, qua việc tính toán đồ án có thể thấy, nhiệt độ
cho phép của cà phê nhân t h lớn hơn rất nhiều so với nhiệt độ kinh tế t 2. Vì vậy,
có thể trong tính toán HTS cà phê nhân không cần quan tâm đến vấn đề này.

Chương 4:
TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ

4.1. Tính chọn calorifer và lò hơi:
Ta chọn calorifer khí - hơi. Calorifer khí - hơi là loại thiết bị trao đổi nhiệt
có vách ngăn. Trong ống là hơi bảo hoà ngưng tụ và ngoài ống là không
khí chuyển động . Do hệ số toả nhiệt khi ngưng N của hơi lớn hơn hệ số
trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ngoài của ống với không khí k. theo lý
thuyết truyền nhiệt phía không khí thường được làm cánh (hình chữ nhật)
để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt. Như vậy calorifer khí- hơi trong kỹ
thuật sấy thường là loại vách ngăn có cánh. Ở các nước công nghiệp phát
triển calorifer khí- hơi được sản xuất từng block theo một quy chuẩn.
Tính toán calorifer khí- hơi là tính toán bề mặt truyền nhiệt F cần thiết khi
biết lưu lượng và nhiệt độ vào ra của không khí. Nhiệt độ không khí vào
calorifer t’2 thường lấy bằng nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ của không khí
ra t”2 cũng là nhiệt độ TNS vào TBS xác định theo yêu cầu công nghệ sấy.
-Nhiệt lượng mà calorifer cần cung cấp cho tác nhân sấy Q tính bởi công
thức:
Q = L (I1 - Io)

Nguyễn Văn Khoa

Trang 23

Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

Trong đó:
L (kg/h): là khối lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy thực tế.
I1 và Io : tương ứng là entanpy của TNS trước và sau khi ra khỏi calorifer.
Q= 3453,34.(119,73- 61,3612)= 201567,3118 kJ/h
Do nhiệt độ tác nhân sấy không cao lắm nên ta chọn lò hơi có áp suất bảo hoà là
4 bar. Tra bảng nước và hơi nước bảo hoà theo áp suất ta có nhiệt ẩn hoá hơi r=
2133 KJ/kg độ. Nhiệt độ hơi bảo hòa 143,62 0C.
Giả sử hiệu suất của calorifer là:75%.
- Lưu lượng hơi cần cung cấp D là:
D=126 kg/h
Chọn lò hơi có các thông số làm việc: áp suất làm việc là 4 bar, năng suất 500
kg/h.
- Tiêu hao hơi cho một calorifer:
D1= = (1- 0,75).126= 31,5 kg/h
-

Khi đó bề mặt truyền nhiệt của calorifer bằng:
Với :
K: hệ số truyền nhiệt của calorifer.
ttb : độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa khí và hơi.
: là hiệu suất của calorifer.

Trong calorifer khí- hơi, dịch thể nóng là hơi nước ngưng tụ có nhiệt độ
không đổi t’1= t”1= tb= const. Ở đây tb là nhiệt độ bão hòa của hơi nước.

 tmax = tb - t2’ = 143,62- 23,3= 120,32 oC
 tmin = tb - t2” = 143,62- 39 = 104,62 oC
Hệ số truyền nhiệt kF được tính theo công thức gần đúng đối với calorifer hơi
nước sau (Sách tính toán thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt):
kF= a( )b
Với: a = 10,5 14, ta chọn a = 12.

Nguyễn Văn Khoa

Trang 24


Đồ án môn học Kỹ thuật Sấy

GVHD: Th.S Nguyễn Đức Nam

b = 0,5 0,7, ta chọn b = 0,6.
 - tốc độ không khí tại khe hẹp, ở đây  = 0,55 m/s
-khối lượng riêng của không khí, ở đây = 1,293 kg/m3
kF=12.(0,55.1,293)0,6= 9,78 W/m2K
68 m2
Ta chọn 4 calorifer, diện tích trao đổi nhiệt mỗi chiếc là 17 m2.

4.2. Tính trở lực và chọn quạt:
4.2.1. Tính trở lực:
-Tính tiêu chuẩn Re. Đường kính trung bình của cà phê nhân lấy bằng d= 0,01m.
Ở nhiệt độ trung bình của TNS t= 59,5 oC có thể lấy gần đúng =18,919.10 -6
m2/s. Do đó:
Re=
- Hệ số thủy động a:

- Khối lượng riêng dẫn xuất:
kg/m3
- Hệ số . Nếu lấy khối lượng riêng của cà phê nhân là = 650 kg/m3 ta có:

Nguyễn Văn Khoa

Trang 25