Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kgh

Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỒ ÁN

1.1.

Nội dung đồ án.

Thiết kế thiết bị sấy thùng quay dùng để sấy đường với năng suất 2000 kg/h.
1.2.

Lựa chọn các thông số ban đầu.

 Về độ ẩm đầu vật liệu sấy: Sấy đường là gian đoạn qua trọng để tạo ra đường thành

phẩm sau giai đoạn ly tâm trong quy trình sản xuất đường. Đường sau giai đoạn ly
tâm có độ ẩm 0,2-2% cần sang giai đoạn sấy khô và làm nguội đường trước khi
đóng bao để tránh đường bị ướt. Chọn độ ẩm đầu của vật liệu sấy cho đồ án là 2%.
 u1 = 2% = 0,02 (theo vật liệu ướt)
 Về độ ẩm cuối của vật liệu sấy: Sấy đường nhằm mục đích làm đường khô, màu

sắc của đường trắng, bóng, ..., không bị biến đổi chất lượng khi bảo quản. Độ ẩm
đường sau khi sấy giữ ở mức dưới 1% để tránh đường bị vón cục do đường hấp thu
lại nước trong không khí. Chọn độ ẩm cuối của vật liệu sấy cho đồ án là 0,15%.
 u2 = 0,15% = 0,0015 (theo vật liệu ướt)
 Về tác nhân sấy: Trong đồ án, tác nhân sấy được sử dụng là không khí từ bên ngoài

môi trường vì không khí có sẵn trong tự nhiên, không gây độc hại và không làm
bẩn sản phẩm sấy. Giả sử đường được sấy tại nhà máy ở Tây Ninh. Không khí tại
khu vực này có nhiệt độ 270C, độ ẩm tương đối là 85% và được gia nhiệt bằng hệ
thống calorife khí-hơi.

1


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1.

Tổng quan về sấy.

Quá trình sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu bằng nhiệt. Nhiệt được
cung cấp cho vật liệu ẩm bằng dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc bằng năng lượng điện
trường có tần số cao. Mục đích của quá trình sấy là làm giảm khối lượng của vật liệu, tăng
độ bền và bảo quản được tốt.
Trong quá trình sấy, nước được cho bay hơi ở nhiệt độ bất kì do sự khuếch tán bởi
sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung
quanh. Sấy là một quá trình không ổn định, độ ẩm của vật liệu thay đổi theo không gian
và thời gian.
Tùy theo quá trình cấp nhiệt cho ẩm mà người ta phân ra các phương pháp sấy
khác nhau: Cấp nhiệt bằng đối lưu gọi là sấy đối lưu, cấp nhiệt bằng dẫn nhiệt gọi là sấy
tiếp xúc, cấp nhiệt bằng bức xạ gọi là sấy bức xạ. Ngoài ra còn có các phương pháp sấy
đặc biệt: Sấy trong trường siêu âm, sấy thăng hoa, …
Đối tượng của quá trình sấy đa dạng: bao gồm nguyên liệu bán thành phần và
thành phẩm trong các giai đoạn khác nhau của quá trình sản xuất và chế biến, thuộc nhiều
lĩnh vực kinh tế khác nhau. Nói một cách khác, kỹ thuật sấy được ứng dụng rộng rãi trong
các ngành công nghiệp và đời sống.
2.2.

Tổng quan về nguyên liệu sấy.

Nước ta là một nước nhiệt đới nên đường được sản xuất chủ yếu từ cây mía.
Đường đem đi sấy là những tinh thể đường saccarose.
Tính chất của nguyên liệu:
-

Là chất rắn kết tinh, không màu, trong suốt, vị ngọt.
Đường kính tương đương của hạt đường: 0,8 mm
Khối lượng riêng của đường: = 793-810 g/cm3
Nhiệt dung riêng của đường: C = 1,04 – 1,07 kJ/kg.K
Hệ số dẫn nhiệt của đường: λ = 0,120W/m.K
Nhiệt đô nóng chảy: 1860C. Tuy nhiên, ở nhiệt độ trên 1000C thì đường bị
caramen hóa một phần làm đường bị sẫm màu.
Dễ tan trong nước, độ tan tỉ lệ thuận với nhiệt độ.

2


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

Tổng quan về thiết bị sấy.

2.3.

Có nhiều chủng loại máy sấy đường khác nhau được sử dụng tại các nhà máy
đường hiện nay như:
•
•
•

Máy sấy đường bằng sàn rung và băng tải đường.
Máy sấy đường thùng quay.
Máy sấy đường nhiều ống,...

Trong đồ án, ta sử dụng thiết bị sấy thùng quay để sấy đường với các ưu điểm như:
quá trình sấy đều đặn nhờ tiếp xúc tốt giữa đường và tác nhân sấy, thiết bị gọn, dễ dàng cơ
giới hóa và tự động hóa.
 Hệ thống sấy thùng quay sấy đường.

Cấu tạo chính của hệ thống sấy thùng quay là một thùng sấy hình trụ tròn. Thùng
sấy được đặt nghiêng với mặt phẳng nằm ngang theo tỷ lệ 1/15 1/50. Thùng sấy quay nhờ
một động cơ điện thông qua một hộp giảm tốc và các bánh răng. Đường từ phễu chứa đi
vào thùng sấy cùng với tác nhân sấy. Quá trình sấy có thể diễn ra xuôi chiều hoặc ngược
chiều.
Trong đồ án này, ta chọn quá trình sấy xuôi chiều giữa đường và tác nhân sấy với
các lí do:
Quá trình sấy xuôi chiều thì đường và tác nhân sấy đi cùng chiều nhau,
cường độ sấy cao, thời gian sấy ngắn, thiết bị có cấu tạo đơn giản hơn so
với sấy ngược chiều.
• Với quá trình sấy xuôi chiều, đường ra khỏi thiết bị sấy có nhiệt độ sấy
khoảng 400C. Trong khi nếu sấy ngược chiều, đường ra khỏi thiết bị sấy sẽ
khô hơn nhưng lại có nhiệt độ khá cao khiến đường có thể bị caramen hóa
khiến đường bị sẫm màu làm giảm chất lượng sản phẩm.
•

Sau khi đường và tác nhân sấy vào thùng, thùng sấy quay tròn, vật liệu sấy vừa bị
xáo trộn vừa đi dần vào đầu cao của thùng xuống đầu thấp. Trong quá trình này, tác nhân
sấy và vật liệu sấy trao đổi nhiệt ẩm cho nhau. Đường đi hết chiều dài thùng sấy được lấy
ra và vận chuyển vào kho chứa còn tác nhân sấy đi qua xyclon để thu hồi vật liệu sấy
cuốn theo và thải ra môi trường.

Để tăng cường quá trình xáo trộn và quá trình trao đổi nhiệt ẩm người ta bố trí
trong thùng sấy các cánh khuấy.

3


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

3.1

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
. Sơ đồ quy trình công nghệ.
Đường

Không khí
Gầu tải

Không khí sạch

Cơ cấu nhập liệu

Quạt hút

Thùng sấy

Xyclon

Hơi nước

Quạt đẩy

Calorife

Băng tải
Bụi đường

Nước ngưng
Đường sau sấy

4


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

3.2. Thuyết minh quy trình công nghệ.


Dòng tác nhân sấy:

Không khí ở điều kiện bình thường (270C, 85%) được quạt đẩy vào hệ thống qua
ống dẫn khí vào hệ thống calorife khí-hơi để tiến hành trao đổi nhiệt lên 900C. Calorife
được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa lấy từ lò hơi. Nước ngưng tụ từ hệ thống gia nhiệt
được đưa về bồn chứa nước ngưng. Sau đó tác nhân sấy được dẫn vào thùng sấy và
chuyển động cùng chiều với vật liệu sấy. Tại thùng sấy, tác nhân sấy sẽ tiến hành quá
trình truyền nhiệt và dẫn ẩm ra khỏi vật liệu. Nhiệt độ tác nhân sấy giảm dần đến khi ra
khỏi thùng sấy còn 400C.
Trong dòng tác nhân sấy ra khỏi thùng có lẫn bụi đường, hỗn hợp khí-bụi này được
dẫn vào cyclon để lọc và thu bụi đường, không khí sau khi lọc bụi theo quạt hút và được
thải ra ngoài môi trường.

 Dòng vật liệu:

Đường sẽ được đưa đến gầu tải để vận chuyển lên cao rồi đưa vật liệu vào cơ cấu
nhập liệu vào thùng sấy. Thùng sấy có dạng hình trụ đặt nằm nghiêng một góc 3-60C so
với mặt phẳng ngang, được đặt trên một hệ thống các con lăn đỡ và chặn. Chuyển động
quay của thùng được thực hiện nhờ bộ truyền động từ động cơ sang hộp giảm tốc đến
bánh răng gắn trên thùng. Tại thùng sấy, đường sẽ đi sâu vào thùng sấy và được xáo trộn
bởi các cánh đảo khi thùng quay. Đồng thời, sẽ diễn ra quá trình trao đổi ẩm với tác nhân
sấy. Nhờ độ nghiêng của thùng mà vật liệu sẽ được vận chuyển đi dọc theo chiều dài
thùng. Quá trình diễn ra từ khi đường bắt đầu vào thùng đến khi ra khỏi thùng để đạt được
độ ẩm theo yêu cầu kĩ thuật. Tại cuối thùng sấy, đường sau khi được tách ẩm sẽ được tháo
liệu ra ngoài, được vận chuyển bằng hệ thống băng tải ra ngoài để đóng bao và đưa vào
khu vực bảo quản.

5


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
 Thông số công nghệ.

Năng suất nhập liệu G1 = 2000 kg/h
Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy: u1 = 2% = 0,02
Độ ẩm cuối của vật liệu sấy: u2 = 0,15% = 0,0015
Thiết bị sấy đặt tại nhà máy ở Tây Ninh
Nhiệt độ không khí trước khi vào calorife: t = 270C
Độ ẩm tương đối của không khí:
Chọn quá trình sấy xuôi chiều
Tác nhân sấy: không khí nóng

Chọn cường độ sấy: A = 8 kg/m3h

(Trang 179-[5])

2.1 Các công thức xác định các thông số của tác nhân sấy.
 Áp suất hơi bão hòa:

(CT 2.11-p14-[3])

 Hàm ẩm:

(CT VII.11-p95-[8])

Suy ra:
Trong đó: P là áp suất khí quyển, P = 1,01325 bar
 Enthanpy:

(CT VII.13-P95-[8])

Trong đó:
• Ck = 1kJ/kg.độ - Nhiệt dung riêng của không khí khô
• Ch = 1,97kJ/kg.độ - Nhiệt dung riêng của hơi nước
• r0 = 2493 kJ/kg - Ẩn nhiệt hóa hơi của nước
• t - Nhiệt độ không khí (t0C)
• x - Hàm ẩm (kg ẩm/kg không khí khô)
 Thể tích riêng của không khí ẩm:
(CT VII.8-p94-[8])

Trong đó:

6


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

• R - Hằng số khí: R = 8314 J/kmol.độ
• M - Khối lượng không khí: M = 29 kg/kmol
• P, Pb - Áp suất khí quyển và áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí (N/m 2)
2.2.
Xác định các thông số trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy lí

thuyết.
 Thông số trạng thái của tác nhân sấy trước khi vào calorife (A):
 t0 = 270C;
 Áp suất hơi bão hòa:


Hàm ẩm:



Enthanpy:



Thể tích riêng của không khí ẩm:

 Thông số trạng thái của tác nhân sấy trước khi vào thùng sấy (B):

Không khí ngoài trời từ trạng thái (A) được đưa vào calorife nhờ quạt đẩy được đốt

nóng đẳng ẩm đến trạng thái B (x1, t1) (x0 = x1 = 0.0191) để đưa vào thùng sấy.
Nhiệt độ t1 tại điểm B là nhiệt độ cao nhất của tác nhân sấy, được quy định bới tính
chất của vật liệu sấy, chế độ công nghệ và được chọn ở phần trên. Do đường bị ngả màu
vàng ở nhiệt độ trên 1000C nên ta cần chọn nhiệt độ tác nhân sấy dưới nhiệt độ này.
Tại thời điểm B: t1 = 900C, x1 = x0 = 0,0191 kg ẩm/kg không khí khô
Sử dụng các công thức ở trên để xác định các thông số trạng thái của tác nhân sấy tại thời
điểm B:
Áp suất hơi bão hòa: Pb1 = 0,6908 bar
Hàm ẩm: x1 = 0,0191 kg ẩm/kg không khí khô
Độ ẩm tương đối: = 0,044 =4,4%
Enthanpy: I1 = 141,0 kJ/kg không khí khô
Thể tích riêng của không khí ẩm: ν1 = 1,064 m3/kg
 Thông số trạng thái của tác nhân sấy sau khi ra khỏi thùng sấy (C):






Nhiệt độ tác nhân sấy sau khi ra khỏi thùng sấy t2 được chọn sao cho tổn thất nhiệt do
tác nhân sấy mang đi là bé nhất và tránh hiện tượng đọng sương (trạng thái C nằm trên
đường bão hòa). Đồng thời, độ chứa ẩm của tác nhân sấy tại C phải nhỏ hơn độ ẩm cân
bằng của vật liệu sấy tại thời điểm đó để vật liệu sấy không hút ẩm trở lại.
7


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

Với quá trình sấy lí thuyết, ta có: I1 = I2 = 141,0 kJ/kg không khí khô, = 100%
Dựa vào giản đồ trạng thái không khí ẩm => ts = 24,60C => Chọn t2 = 400C

Áp dụng các công thức đã nêu ở trên ta xác định được các thông số của tác nhân sấy tại
thời điểm C:






Áp suất hơi bão hòa: Pb2 = 0,0732 bar
Hàm ẩm: x2 = 0,0393 kg ẩm/kg không khí khô
Độ ẩm tương đối: = 0,823 = 82,3%
Enthanpy: I2 = 141,0 kJ/kg không khí khô
Thể tích riêng của không khí ẩm: ν2 = 0,946 m3/kg

Ta tóm tắt các thông số trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy lí thuyết bằng bảng
sau:

Bảng 1: Trạng thái tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết.
Trạng thái không
khí ban đầu
(A)
27

Trạng thái không
khí vào thiết bị sấy
(B)
90

Trạng thái không khí
ra khỏi thiết bị sấy

(C)
40

0,85

0,044

0,823

x(kg/kgkkk)

0,0191

0,0191

0,0393

I(kJ/kgkkk)

75,63

141,0

141,0

Pb(bar)

0,03548

0,6908

0,0732

ν(m3/kg)

0,879

1,064

0,946

Đại lượng
t(0C)

2.3.

Tính cân bằng vật chất.
• Phương trình cân bằng vật chất:

(CT VII.17-p102-[8])

G1 = G 2 + W
8


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

G1u1 = G2u2 + W
•

Lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ:

(CT VII.18-p102-[8])

•

Lượng vật liệu khô tuyệt đối:

(CT 7.4-p127-[4])

•

Năng suất sản phẩm:

•

Lượng tác nhân khô cần thiết:

(CT VII.21-p102-[8])

•

Lượng tác nhân tiêu hao riêng:

(CT VII.20-p102-[8])

2.4.

Cân bằng năng lượng cho quá trình sấy lí thuyết.

Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy lí thuyết.

(CT 7.15-131-[4])

Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy lí thuyết:
Q0 = 1834,455 . (141,0 – 75,63) = 119918,323 kJ/h
Nhiệt lượng tiêu hao riêng:

2.5.

(CT 7.16-131-[4])

Cân bằng năng lượng cho quá trình sấy thực.

Vì quá trình sấy không có bổ sung nhiệt lượng và thiết bị sấy thùng quay không có
thiết bị chuyển tải.
 Nhiệt lượng bổ sung Qbs = 0, nhiệt lượng do thiết bị chuyển tải QCT = 0
Như vậy:
 Nhiệt lượng đưa vào thiết bị sấy gồm:
• Nhiệt lượng do tác nhân sấy nhận được trong calorife: L(I 1 - I0)
• Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang vào: [(G1 – W)Cv1 + WCa)]tv1
 Nhiệt lượng đưa khỏi thiết bị sấy gồm:
9


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

•
•
•

Nhiệt lượng tổn thất do tác nhân sấy mang đi: L(I2 – I0)
Nhiệt lượng tổn thất qua cơ cấu bao che: Qbc
Nhiệt lượng do vật liệu sấy mang ra: G2.Cv2.tv2

Trong đó:
tv1 - Nhiệt độ ban đầu của vật liệu sấy, ta lấy bằng nhiệt độ môi trường.
tv1 = t0 = 270C
( Trang141-[4])
• tv2 - Nhiệt độ cuối của vật liệu sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy.
tv2 = t2 – (50C) = 40 – 5 = 350C (ta chọn nhỏ hơn nhiệt độ đầu ra của tác nhân sấy 5
– 100C)
(Trang 141-[4])
• Cv – Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy với độ ẩm u:
Cv = Cvk(1 – u) + Cau (kJ/kg.K)
(CT 7.40-p141-[4])
 Ca - Nhiệt dung riêng của ẩm (nước): Ca = Cn = 4180 J/kg.K
 Cvk – Nhiệt dung riêng của vật liệu khô:
C vk =
1,2-1,7 (kJ/kg.K)
(Trang 20-[4])
Chọn Cvk = 1,45 kJ/kg.K
•

 Cv2 = Cvk.(1 – u2) + Ca.u2 = 1450.(1- 0,0015) + 4180 . 0,0015 = 1454,095 J/kg.K
 Cân bằng nhiệt lượng vào và ra hệ thống sấy.

(Trang 135-[4])

Đặt Qv – Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi:

Mặt khác:
G2 = G 1 - W
 Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy thực.

(CT 7.18-p135-[4])

 Nhiệt lượng tiêu hao riêng (nhiệt lượng cần để bốc hơi 1 kg ẩm).

Trong đó:

(CT 7.19-p135-[4])

 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy: coi Cv1 = Cv2

Suy ra:
10

(Trang 135-[4])


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

 Nhiệt do ẩm trong vật liệu mang vào.

 Tổn thất nhiệt qua cơ cấu bao che.

Chọn Qbc = 0,040Qhi
Với – Nhiệt hữu ích (Nhiệt cần thiết để làm bay hơi ẩm trong vật liệu).
(Trang 70-[3])
 Qhi = 37,056 . [2493 + 1,97.(40 – 27)] = 93329,612 kJ/h

 Qbc = 0,04.Qhi = 0,040 . 93329,612 = 3733,184 kJ/h

Đặt - Nhiệt lượng riêng cần bổ sung cho quá trình sấy thực (là đại lượng đặc trưng cho sự
sai khác giữa quá trình sấy thực tế và sấy lí thuyết).
(CT7.20-p135-[4])



Với quá trình sấy lí thuyết: =0
Với quá trình sấy thực: và được tính như sau:

Vì => => I2 < I1 => Trạng thái của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực nằm dưới đường I 1
(đường sấy thực tế nằm dưới đường sấy lí thuyết)
(CT 7.27-p137-[4])
 Xác định hàm ẩm ứng với quá trình sấy thực thông qua t2 đã biết:

Áp dụng các công thức tính tác nhân sấy đã nêu ở trên, ta tính được các thông số khác
của tác nhân sấy ở đầu ra của thùng sấy trong quá trình sấy thực ():
•
•
•
•

Enthanpy: = 131,042 kJ/kg không khí khô
Áp suất hơi bão hòa: = 0,0732 bar
Độ ẩm tương đối: = 0,745 = 74,5%
Thể tích riêng của không khí ẩm: = 0,940 m3/kg

Với thông số vừa tính, ta kiểm tra nhiệt độ đọng sương ts = 34,40C < 400C (hợp lí).
11

Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

•

Lượng tác nhân khô cần thiết:

•

Lượng tác nhân tiêu hao riêng:

•

Lượng nhiệt cần cung cấp cho quá trình sấy thực:

•

Lượng nhiệt cung cấp riêng:

•

Hiệu suất sấy:

(CT 7.102-p160-[4])

Ta tóm tắt các thông số trạng thái của tác nhân sấy trong quá trình sấy thực tế bằng
bảng sau:
Bảng 2: Trạng thái tác nhân sấy trong quá trình sấy thực.
Trạng thái không

khí ban đầu
(A)

Trạng thái không
khí vào thiết bị sấy
(B)

Trạng thái không khí
ra khỏi thiết bị sấy
(C’)

27

90

40

0,85

0,044

0,745

x(kg/kgkkk)

0,0191

0,0191

0,0354

I(kJ/kgkkk)

75,63

141,0

131,042

Pb(bar)

0,03548

0,6908

0,0732

ν(m3/kg)

0,879

1,064

0,940

Đại lượng
t(0C)

2.6.

Tính thời gian sấy.

Thời gian sấy:

(CT 6.44-p 178-[5])

12


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

Trong đó:



- Khối lượng riêng thể tích của đường, kg/m3. = 990 kg/m3
ω1, ω2 - độ ẩm của vật liệu (theo vật liệu ướt) trước và sau sấy, %

 Chọn τ = 25 phút
Tính đường kính, chiều dài của thùng sấy.

2.7.

Thiết bị sấy đường sử dụng cánh nâng.

(Bảng 6.2-p179-[5])

Chọn hệ số chứa đầy

(Bảng 6.1-p177-[5])

Chọn tốc độ quay của thùng n = 1 vòng/phút.
Chọn góc nghiêng của thùng

(Trang 186-[5])
(Trang 207-[1])

•

Thể tích thùng sấy tính theo lí thuyết.

(CT VII.50-p121-[8])

•

Thời gian lưu của vật liệu trong thùng.

(CT 6.39-p174-[5])

Trong đó:
k1 – Hệ số lưu ý đến đặc tính chuyển động của vật liệu. Trường hợp sấy xuôi
chiều: k1 = 0,2 – 0,7 => Chọn k1 = 0,6
(Trang 176-[5])
 m – Hệ số lưu ý đến dạng cánh trong thùng. Đối với cánh nâng: m = 0,5


Để quá trình sấy đạt yêu cầu về các thông số đầu ra của vật liệu thì: τ 1 ≥ τ
Giả sử chọn τ1 = 30 phút.
Ta có:
Mà:

 Đường kính thùng:
Chiều dài thùng:

13


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

Chọn DT = 1 m; LT = 6,6 m ( thỏa điều kiện

(Trang 186-[5])

•

Khi đó, thể tích thực của thùng sấy:

•

Thời gian lưu của vật liệu theo thông số đã chọn:

So sánh giữa thời gian lưu và thời gian sấy ta thấy τ1 ˃ τ (thỏa điều kiện trên)
 Các thông số đã chọn hợp lí.
2.8.
Tính tốc độ tác nhân sấy.
(Ví dụ-p218,219-[4])
 Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy sau calorife:



Lưu lượng thể tích của tác nhân sấy sau thùng sấy:



Lưu lượng thể tích trung bình của tác nhân sấy trong thùng:



Tiết diện tự do của thùng sấy:



Tốc độ tác nhân sấy đi trong thùng:

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KẾT CẤU THIẾT BỊ CHÍNH
4.1.
-

Tính bề dày thùng.
Chọn vật liệu làm thùng là thép CT3
Nhiệt độ làm việc: 900C

Đối với thùng sấy S = (0,005÷0,007)D mm tức là S = (5÷7) mm. Ước lượng bề dày thùng
là 5 mm => S = 5 mm, Dng = 1,01 mm
•

Momen uốn của thùng:

Trong đó:



L – Chiều dài có tải của thùng: L = 6,6 m.
P – Tải trọng thùng

Tiết diện của thùng sấy là hình vành khăn.
14


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

Thể tích của vật liệu làm thùng sấy:

Khối lượng thùng:

Với ρs - Khối lượng riêng vật liệu chế tạo thùng: ρs = 7850 kg/m3
Ước lượng khối lượng bọc cách nhiệt, cánh đảo, vành đai chiếm khoảng 10% khối lượng
thùng.
Tổng khối lượng của thùng:

Tải trọng của thùng:



Bề dày tối thiểu của thân:

Với [σ]u - Ứng suất cho phép khi uốn của thân.

Với:



Ku = 0,135 (Nội suy bảng trang 106-[12]).
Et – Modun đàn hồi tại nhiệt độ làm việc: Et = 1,99.105 N/mm2
(Bảng PL5-p277-[14])



Hệ số bổ sung kích thước: C = C = Ca + Cb + Cc + Co

(CT 1.10-p20-[12])

Bảng 4: Các hệ số bổ sung kích thước cho bề dày thùng
STT

Hệ số bổ sung kích

Kí

Giá trị
15

Ghi chú


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

thước

hiệu

1

Hệ số bổ sung do ăn
mòn hóa học

Ca

0

2

Hệ số bổ sung do bào
mòn cơ học

Cb

1

3

Hệ số bổ sung do sai
lệch khi chế tạo

Cc

0,5

4

Hệ số quy tròn kích

thước

Co

0,5

Đối với vật liệu bền trong môi trường có
độ ăn mòn hóa học không lớn hơn 0,05
mm/năm.
Do nguyên liệu là các hạt rắn chuyển
động, va đập trong thiết bị => Giá trị Cb
chọn theo thực nghiệm.
Phụ thuộc vào chiều dày của tấm thép.
Với thùng bằng thép không gỉ CT3 dày 5
mm thì C3 = 0,5 mm (Bảng XIII.9-p364[8])
Chọn

 C = Ca + Cb + Cc + Co = 0 + 1 + 0,5 + 0,5 = 2 mm
Bề dày thực của thân thùng: S = S’ + C = 0,069 + 2 = 2,069 mm
(CT 5.9-p96-[12])
• Kiểm tra các điều kiện:
(CT 5.41-p106-[12])
•

 Thỏa điều kiện.
Ta có bề dày tính được nhỏ hơn bề dày ước lượng  Chọn bề dày thùng S = 5 mm
4.2.

Tính chiều cao lớp vật liệu trong thùng.

 Tỉ lệ chứa đầy vật liệu trong thùng:

Trong đó: F1 - Tiết diện ngang của thùng:
16


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

Fcđ - Tiết diện chứa đầy:
Do:

 α = 58,090

 Chiều cao chứa đầy vật liệu trong thùng:
 Diện tích vật liệu tác dụng lên thùng:

 Khối lượng khối vật liệu trong thùng:

Tính trở lực qua thùng sấy.

4.3.

(Trang 350-[4])

Trong hệ thống sấy thùng quay, tác nhân sấy không những đi qua lớp hạt nằm trên
cánh và trên mặt thùng sấy mà còn đi qua dòng hạt rơi từ đỉnh thùng và các cánh từ
trên xuống. Do đó, trở lực của tác nhân sấy trong thùng sấy có những đặc thù riêng và
được tính theo công thức kinh nghiệm.
Bảng 5: Các thông số của tác nhân sấy trong thùng sấy.
STT

1
2
3
4
5
6

Thông số
Vận tốc
Nhiệt độ trung bình
Hệ số dẫn nhiệt
Độ nhớt
Khối lượng riêng
Độ nhớt động

Kí hiệu
Vk
tk
λk
μk
ρk
νk

Đơn vị
m/s
0
C
W/m.K
N.s/m2
kg/m3

m2/s

Giá trị
0,983
65
0,0293
2,035.10-5
1,0445
1,9495.10-5

•

Chuẩn số Reynolds:

(CT V.36 –p13-[8])

•

Khối lượng riêng dẫn xuất của khối hạt chuyển động trong thùng sấy:
(CT 10.23-p213-[4] )
17


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

•

Trở lực của dòng tác nhân đi qua lớp vật liệu trong thùng sấy:
(CT 10.19 –p213-[4])

Trong đó:
a – Hệ số thủy động.

(CT 10.20 –p213-[4])

C - Hệ số đặc trưng cho độ chặt của lớp hạt:

(CT 10.21 –p213-[4])

Với:

(CT 10.22 –p213-[4])

Xác định kích thước cánh đảo.

4.4.

Sử dụng cánh nâng làm bằng thép không gỉ 0X18H10T có các thông số đặc trưng:
•
•
•

Hệ số chứa đầy: β = 18%
Góc gấp của cánh nâng: Δφ = 1400
= 0,576
;

(Bảng 6.1- p167-[5])

Với:

•
•

H - Chiều cao rơi trung bình của hạt vật liệu.
DT - Đường kính thùng.
Fc - Bề mặt chứa vật liệu của cánh => Fc = 0,122 . DT2 = 0,122. 12 = 0,122 m2

Theo các kí hiệu kích thước trên hình của cánh đảo trộn, ta có:
18


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

Fc = a .c + b . c = (a+b).c





Chọn các thông số cho cánh: a = 100 mm
b = 130 mm
d = 5 mm

Chọn c = 530 mm
Số cánh trên một mặt cắt: 12 cánh

Với chiều dài của thùng sấy ta lắp 10 đoạn cánh dọc theo chiều dài thùng. Ở đầu và cuối
thùng sấy ta lắp bộ phận hướng dòng để dẫn vật liệu vào, ra thùng với chiều dài mỗi bộ
phận:

•
•

Khối lượng một cách nâng: m = Fc.d.ρ = 0,122 . 0,005 . 7900 = 4,819 kg
Khối lượng của tất cả các cánh trong thùng:
M = 12 . 10 . 4,819 = 578,28 kg

Tính toán cách nhiệt cho thùng sấy:

4.5.

Để giúp máy sấy không bị mất mát nhiệt lớn và để đảm bảo nhiệt độ bên ngoài máy
sấy không quá cao, có thể cho phép công nhân làm việc bên cạnh được nên ta bọc lớp
cách nhiệt cho máy sấy.
 Tính hệ số cấp nhiệt từ dòng tác nhân sấy đến thành trong của thùng (α1).

Ta sử dụng lại Bảng 3 để tính toán.
•

Chuẩn số Reynolds:

(CT V.36 –p13-[8])

Vì Re > 104  Dòng tác nhân chảy rối trong thùng sấy. Quá trình truyền nhiệt trong
thùng xem như quá trình truyền nhiệt trong ống có dòng chảy xoáy rối, có thể bỏ qua
sự truyền nhiệt do đối lưu tự nhiên. Vậy quá trình truyền nhiệt giữa tác nhân sấy và
thành thiết bị là truyền nhiệt do đối lưu cưỡng bức, dòng chảy trong ống có .
•

Chuẩn số Nusselt:

(CT V.42-p16-[8])
(Nội suy bảng V.2-p15-[8])
19


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

Với Re = 50423 và L/D = 6,6.
 Nu = 0,018 . 1,16 . 504230,8 = 120,735
•

Hệ số cấp nhiệt α1:

 Tính hệ số cấp nhiệt từ thành ngoài của thùng đến môi trường xung quanh

(α2).
Do thùng sấy đặt trong phân xưởng sản xuất, quá trình truyền nhiệt từ thành ngoài
của thùng đến môi trường xung quanh là quá trình truyền nhiệt do đối lưu tự nhiên
(bỏ qua quá trình truyền nhiệt do bức xạ nhiệt). Hệ số cấp nhiệt α2 được xác định một
cách gần đúng là hệ số cấp nhiệt do đối lưu tự nhiên của ống nằm ngang (vì thùng sấy
đặt nằm ngang với góc nghiêng nhỏ α = 40). Theo [8], trong những trường hợp này,
các hằng số vật lý khi tính chuẩn số Nu, Gr lấy theo nhiệt độ trung bình của lưu chất
ở xa ống (tức là theo nhiệt độ trung bình của không khí trong môi trường xung
quanh).

Bảng 6: Các thông số của không khí bên ngoài thùng sấy.
STT
Thông số
Kí hiệu

Đơn vị
Giá trị
0
1
Nhiệt độ trung bình
t0
C
27
2
Hệ số dẫn nhiệt
λ0
W/m.K
0,02694
2
3
Độ nhớt
μ0
N.s/m
1,85.10-5
4
Khối lượng riêng
ρ0
kg/m3
1,1177
2
5
Độ nhớt động
ν0
m /s
1,5710.10-5

Để nhiệt độ ngoài thành của thùng (phía tiếp xúc với không khí) không còn quá nóng, an
toàn cho người làm việc, chọn nhiệt độ ngoài thành của thùng tw4 = 400C.
Do hệ số dẫn nhiệt của thép lớn nên có thể xem như nhiệt độ không đổi khi truyền qua bề
dày thân thùng và lớp bảo vệ.

Bảng7: Chọn các bề dày thùng và vật liệu:
20


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

STT

Đại lượng

Kí hiệu

Giá trị chọn
(m)

δ1

0,005

1
2

Bề dày lớp
cách nhiệt

δ2

0,002

3

Bề dày lớp
bảo vệ

δ3

0,001

•

Vật liệu
CT3
Bông
thủy tinh
CT3

Hệ số dẫn
nhiệt λ
(N/m.K)
0,04
50

Nguồn
Bảng PV.1p271-[6]
Bảng

XII.7p313-[8]

Đường kính ngoài của thùng sấy:

Dng = DT + 2.(δ1 + δ2 + δ3) = 1 + 2.(0,005 + 0,002 + 0,001) = 1,016 m
•

Chuẩn số Grashof:

(CT V.39-p13-[8])

•

Chuẩn số Nusselt:

(CT V.78-p25-[8])

•

Hệ số cấp nhiệt α2:

(CT V.135-p41-[8])

 Tính hệ số truyền nhiệt của thùng K.

Hệ số truyền nhiệt K đối với tường hình ống có chiều dày không dày lắm so với đường
kính, khi bỏ qua nhiệt rở của lớp cáu:

 Tính bề mặt truyền nhiệt của thùng F:
• Đường kính trung bình của máy sấy:

•

Bề măt truyền nhiệt gồm diện tích xung quanh thùng và diện tích hai mặt đầu của
thùng.

21


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

 Tính hiệu số nhiệt trung bình và môi trương xung quanh
• - Nhiệt độ đầu và cuối của tác nhân sấy khi đi qua thùng sấy.



• – Nhiệt độ môi trường xung quanh:
- Hiệu số nhiệt độ của hai dòng lưu chất ở đầu vào và ra của thùng sấy:


- Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa tác nhân sấy và không khí bên ngoài:
 Tính nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh:

Ta xem quá trình truyền nhiệt từ bên trong thùng sấy qua lớp cách nhiệt, đến môi trường
bên ngoài là ổn định. Lượng nhiệt được truyền chính là lượng nhiệt mất mát ra môi
trường xung quanh Qxq. Và lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh khi bốc hơi 1
kg ẩm qxq chính bằng nhiệt lượng tổn thất qua cơ cấu bao che qbc.
•

Theo phương trình truyền nhiệt:

•

So sánh với lượng nhiệt tổn thất qua cơ cấu bao che giả thiết ban đầu:

 Bề dày lớp cách nhiệt chọn thỏa.
4.6.

Thiết kế bộ phận truyền động cho thùng.
 Xác định công suất động cơ dùng quay thùng:

(CT VII.54-p123-[8])

Với:






DT - Đường kính trong của thùng: DT = 1m.
LT - Chiều dài thùng: LT = 6,6 m.
α - Hệ số phụ thuộc vào dạng cánh: α = 0,059 (Nội suy bảng VII.5-123-[8])
n - Tốc độ quay của thùng: n = 1 vòng/phút.
ρv - Khối lượng riêng thể tích của vật liệu: ρ = 990 kg/m3.

 Nthùng = 0,0013 . 13 . 6,6 . 0,059 . 1 . 990 = 0,501 kW
Để quay được thùng thì công suất làm việc của động cơ phải lớn hơn công suất cần
thiết để quay thùng một lượng nhất định để có thể thắng lực ma sát giữa thùng với đệm
22

Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

(chỗ cơ cấu bít ở đầu thùng), hay do hiệu suất của các bộ truyền không đạt 100%,…
Ngoài ra công suất động cơ còn dùng để thắng lực ma sát nghỉ ban đầu hay momen mở
máy nên sẽ chọn dư nhiều so với công suất quay thùng. Theo bảng 2P-p323-[11] ta chọn
động cơ kiểu AO2-41-8 là động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ roto ngắn mạch, có
các số liệu kỹ thuật sau:
•
•
•

Công suất động cơ: Nđc = 2,2 kW
Vận tốc quay: nđc = 720 vòng/phút
Hiệu suất: ηđc = 81%

Công suất làm việc của động cơ:
Nlv = Nđc . ηđc = 2,2 . 0,81 = 1,782 kW
 Nlv > N: Thỏa điều kiện để quay thùng.
 Phân phối tỉ số truyền động cho hệ thống truyền động.
• Tỉ số truyền chung của toàn bộ hệ thống:

(Trang 30-[11])

Do tỉ số truyền quá lớn nên phải sử dụng hộp giảm tốc để giảm số vòng quay và truyền
công suất từ động cơ đến trục công tác của thùng.
•

Chọn tỉ số truyền của bộ truyền bánh răng ngoài hộp giảm tốc: i23 = 6

Tỉ số truyền của hộp giảm tốc:
•

Chọn hộp giảm tốc kiểu trục vít- bánh răng.

Chọn tỉ số truyền cho các bộ truyền trong hộp giảm tốc.
Đối với hộp giảm tốc trục vít- bánh răng thường lấy tỉ số truyền giữa hai bánh răng trụ i br=
(0,03-0,06)ih
(Trang 32-[11])
Chọn ibr = i12 = 0,05ih = 0,05 . 120 = 6
•

Tỉ số truyền động từ động cơ sang trục vít:

•

Vận tốc quay:

23


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

•

Công suất:

•

Công suất cần để quay thùng:

Theo Bảng 2.1-p27-[11], ta chọn hiệu suất các bộ truyền như sau:
•
•
•

Bộ truyền bánh răng trụ hở: ηho = 0,93
Bộ truyền bánh răng trụ kín trong hộp giảm tốc: ηkin = 0,96
Bộ truyền trục vít:

Ta có bảng kết quả tính toán sau:
Bảng 8: Sơ đồ truyền động
Trục

Động cơ
Trục I
Trục II
Thông số
Tỉ số truyền i
20
6
6
Vận tốc quay n (vòng/phút)
720
36
6
Công suất N (kW)
0,62
0,5642

0,5416
Bánh răng nhỏ dùng chỉ số “1”, bánh răng lớn dùng chỉ số “2”.
•

Trục III
1
0,5037

Chọn vật liệu làm bánh răng.

Chọn nhóm bánh răng có độ rắn HB ≤350, được cắt gọt chính xác sau nhiệt luyện (do
độ rắn tương đối thấp). Bánh răng có khả năng chạy mòn tốt.
Để tránh dính bề mặt làm việc của răng, lấy độ rắn của bánh răng nhỏ lớn hơn bánh
răng lớn 30-50 HB. Bánh răng nhỏ có chu kì làm việc lớn hơn bánh răng lớn nên chọn vật
liệu làm bánh răng nhỏ tốt hơn.
Bảng 9: Các thông số cơ tính của các vật liệu dùng chế tạo các bánh răng.

Bánh răng lớn
Bánh răng nhỏ

Nhãn hiệu
thép
Thép 35
thường hóa
Thép 45
thường hóa

Giới hạn bền kéo
[σ]bk

Độ rắn
HB

Đường kính
phôi

480 N/mm2

160

300÷500 mm

580 N/mm2

200

100÷300 mm

(Bảng 3.8-p40-[11])
24


Thiết kế hệ thống sấy thùng quay sấy đường năng suất 2000 kg/h

Định ứng suất mỏi tiếp xúc và ứng suất mỏi uốn cho phép.

•

ứng suất tiếp xúc cho phép: [σ]tx = [σ]Notx . k’N (N/mm2)

(CT 3.1-p38-[11])

Trong đó:


[σ]Notx - Ứng suất tiếp xúc cho phép khi bánh răng làm việc lâu dài (N/mm2).



k’N - Hệ số chu kì ứng suất tiếp xúc, tính theo công thức:





N0 – Số chu kì cơ sở của đường cong tiếp xúc mỏi.
Ntđ – Số chu kì tương đương.
Trường hợp bánh răng chịu tải trọng không đổi Ntđ = N = 60 unT.





n – Số vòng quay trong 1 phút của bánh răng (vòng/phút)
T – Tổng số giờ làm việc của bánh răng (giờ)
u – Số lần ăn khớp khi bánh răng quay 1 vòng (lần)

Với:

Bảng 10: Kết quả tính toán ứng suất tiếp xúc cho phép.

[σ]Notx
N0
n (vòng/phút)

Bánh răng nhỏ
2,6 HB
107
6

Bánh răng lớn
2,6 HB
107
1

T (giờ)

26400

26400

u (lần)

1

1

Ntđ

9504000

1584000

k’N

1,0085

1,36

[σ]tx (N/mm2)

524,42

565,76

Ghi chú
Bảng 3.9-p43-[11]
Bảng 3.9-p43-[11]
Giả sử làm việc 10 năm, 330
ngày/năm và 8 giờ/ngày.
Bánh răng trụ răng thẳng
Trường hợp bánh răng chịu
tải trọng không đổi Ntđ = N =
60 unT
Ntđ > N0: k’N tính theo CT
3.2-p42-[11]
CT 3.1-p38-[11]

Vì [σ]tx1 < [σ]tx2  Ta chọn [σ]tx = [σ]tx1 = 524,42 N/mm2 để tính toán.
•

Ứng suất uốn cho phép.

Khi răng làm việc hai mặt (răng chịu ứng suất thay đổi đổi chiều).
25