Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sấy là công đoạn then chốt trong công nghệ sau thu hoạch nhằm đưa nông sản về độ ẩm an toàn, ức chế vi sinh vật, hạn chế các phản ứng hóa sinh gây hư hỏng và kéo dài thời gian bảo quản. Đối với ngành sản xuất cà phê tại Việt Nam—một trong những cây công nghiệp lâu năm mang lại giá trị kinh tế lớn—chất lượng hạt thương phẩm phụ thuộc chặt chẽ vào quy trình làm khô sau khi bóc tách vỏ quả. Phương pháp sấy thùng quay đối lưu cưỡng bức có ưu điểm đảo trộn liên tục, tăng diện tích tiếp xúc truyền nhiệt - truyền khối, đảm bảo độ khô đồng đều và phù hợp với quy mô sản xuất công nghiệp dạng hạt.

Đồ án môn học "Thiết kế máy sấy thùng quay để sấy cà phê thóc với năng suất 5 tấn/mẻ" do sinh viên Nguyễn Thị Bích Nhung thực hiện (ngành Công nghệ Thực phẩm, Khoa Cơ khí Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm Huế, dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Quốc Sinh, 8/2021) tập trung giải quyết bài toán tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh cho dây chuyền làm khô cà phê thóc Arabica.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Tìm hiểu tổng quan về nguyên liệu cà phê thóc (đặc điểm hình thái, cấu tạo giải phẫu, thành phần hóa học) và lý thuyết kỹ thuật sấy nông sản.
  2. Lựa chọn phương pháp sấy, thiết bị sấy, chiều chuyển động của dòng tác nhân và nguồn cung cấp nhiệt phù hợp với đặc tính chịu nhiệt của hạt cà phê.
  3. Tính toán cân bằng vật chất để xác định lượng ẩm cần bốc hơi, lượng vật liệu vào/ra và lưu lượng không khí khô tiêu tốn.
  4. Tính toán cân bằng năng lượng của quá trình sấy lý thuyết và quá trình sấy thực tế; xác định lượng nhiệt cung cấp từ thiết bị trao đổi nhiệt (calorife) và nhiệt tổn thất ra môi trường.
  5. Tính toán kích thước hình học, kết cấu thùng sấy, công suất dẫn động quay và thiết kế chi tiết calorife khí - hơi dạng chùm ống có gân; tính trở lực và chọn thiết bị phụ trợ (quạt gió, gàu tải).
  6. Thể hiện kết quả thiết kế qua hệ thống bản vẽ kỹ thuật khổ A3 và A1.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Cà phê thóc giống Arabica đã qua phân loại, bóc vỏ quả, rửa sạch và sấy tĩnh sơ bộ đến độ ẩm ban đầu $\omega_1 = 40%$.
  • Phạm vi thiết kế: Hệ thống sấy thùng quay hoạt động theo mẻ với năng suất 5 tấn sản phẩm/mẻ trong chu kỳ thời gian 20 giờ (tương đương năng suất trung bình 250 kg/h); độ ẩm cuối của sản phẩm đạt $\omega_2 = 12,5%$; điều kiện khí hậu môi trường tính toán tại khu vực miền Trung ($t_0 = 21,6^\circ\text{C}$, độ ẩm tương đối $\varphi_0 = 82%$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng hệ thống lý thuyết và phương pháp tính toán kỹ thuật nhiệt - thiết bị hóa chất và thực phẩm:

  • Khung lý thuyết nhiệt động và truyền khối: Quá trình sấy đối lưu được khảo sát trên hai phương diện tĩnh lực học (cân bằng vật chất và năng lượng theo phương trình bảo toàn khối lượng và nhiệt lượng) và động lực học (mối liên hệ giữa tốc độ bốc hơi ẩm với điều kiện thủy động lực của không khí sấy). Nhiệt độ giới hạn cho phép của hạt cà phê được xác định theo mô hình thực nghiệm: $$t_h = 20 - 10\lg(\tau) + 0,37(100 - \omega_{tb}) + \omega_{tb}$$ Trong đó $\tau$ là thời gian sấy (phút) và $\omega_{tb}$ là độ ẩm trung bình của vật liệu.
  • Phương pháp tính toán trao đổi nhiệt và cơ học chất khí: Ứng dụng các chuẩn số đồng dạng ($Re$, $Nu$, $Gr$, $Pr$) để xác định chế độ chảy xoáy của tác nhân sấy ($Re > 10^4$), hệ số cấp nhiệt đối lưu cưỡng bức, đối lưu tự nhiên và bức xạ nhiệt; phương pháp tính truyền nhiệt qua vách trụ nhiều lớp để xác định bề dày lớp cách nhiệt và hệ số truyền nhiệt tổng quát $K$.
  • Phương pháp nghiên cứu và thiết kế: Phân tích, tổng hợp tài liệu quy trình công nghệ chế biến cà phê; phương pháp tra cứu và nội suy số liệu nhiệt động từ sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất; phương pháp kế thừa và tham khảo thông số kết cấu từ mô hình máy sấy thùng quay thực tế của Công ty TNHH MTV Đèo Sa Mù và Công ty Cơ khí Vina Nha Trang.
  • Nguồn dữ liệu: Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa chất (Tập 1, Tập 2), Giáo trình Kỹ thuật Sấy Nông sản, các bảng tiêu chuẩn vật lý về không khí ẩm và hơi nước bão hòa.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống sấy

Hệ thống sấy được thiết kế theo nguyên lý đối lưu cưỡng bức, dòng tác nhân sấy (không khí nóng) chuyển động cùng chiều với dòng chuyển động của cà phê thóc trong thùng quay.

Dây chuyền hoạt động theo quy trình: Không khí ngoài trời được quạt hút đưa qua bộ trao đổi nhiệt calorife khí - hơi để nâng nhiệt độ lên $78^\circ\text{C}$ (làm giảm độ ẩm tương đối xuống $4,9%$). Cà phê thóc sau sấy tĩnh sơ bộ (độ ẩm $40%$) được gàu tải nâng lên và nạp vào thùng sấy qua vít tải. Thùng sấy hình trụ đặt nghiêng góc $0,3^\circ$, bên trong gắn các cánh đảo chia khoang để liên tục xới trộn và nâng hạt rơi qua dòng khí nóng. Ẩm bay hơi được dòng khí cuốn qua các lỗ thoát khí trên thân thùng; hạt cà phê sau 20 giờ đạt độ ẩm $12,5%$ được xả ra ngoài qua cửa tháo liệu để đưa đi làm nguội.

Thông số thiết kế Ký hiệu / Đơn vị Giá trị tính toán
Năng suất sản phẩm khô trung bình $G_2$ (kg/h) 250,00
Lượng ẩm cần bốc hơi $W$ (kg/h) 114,58
Lượng nguyên liệu ẩm nạp vào $G_1$ (kg/h) 364,58
Nhiệt độ tác nhân sấy vào thùng $t_1$ ($^\circ\text{C}$) 78,00
Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi thùng $t_2$ ($^\circ\text{C}$) 33,00
Lượng không khí khô tiêu tốn thực tế $L'$ (kgkkk/h) 6.213,40
Suất tiêu hao không khí thực tế $l'$ (kgkkk/kg ẩm) 54,23
Đường kính trong của thùng sấy $D$ (m) 2,43
Chiều dài thân thùng sấy $L$ (m) 9,71
Thể tích làm việc của thùng sấy $V$ ($\text{m}^3$) 44,87
Tiết diện tự do của thùng sấy ($\beta = 0,25$) $F_{td}$ ($\text{m}^2$) 3,47
Tốc độ quay của thùng $n$ (vòng/phút) 1,91
Công suất động cơ dẫn động thùng sấy $N$ (kW) 15,88
Kích thước ngoài calorife ($L_x \times H$) $m \times m$ $1,80 \times 1,00$
Số lượng ống đồng truyền nhiệt có gân $i$ (ống/hàng) 28

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa kiến thức về nguyên liệu cà phê và công nghệ sấy:

  • Phân loại giống: Khái quát 4 dòng cà phê chính trên thế giới (Coffea arabica, Coffea canephora/vối, Coffea excelsa/mít, Coffea liberica).
  • Cấu tạo giải phẫu quả cà phê tươi: Vỏ quả (chiếm 20–23% khối lượng ở dạng màng mỏng chứa xenlulose và sắc tố clorofit/antoxian), thịt quả (chiếm 43–45% gồm mô mềm giàu pectin và đường), vỏ trấu/vỏ thóc (chiếm 6–7,5% gồm màng bán thấm xenlulose và muối khoáng bảo vệ nhân), nhân và vỏ lụa (chiếm 26–30% chứa toàn bộ phôi và chất dinh dưỡng).
  • Thành phần hóa học nhân cà phê (tính trên 100g mẫu khô): Nước (8–12g), chất béo dầu (4–18g), protein (9–16g), đạm (1,8–2,5g), cafein (1–2g), tanin (2g), axit cafeic (1g), tinh bột (5–23g), saccharose (5–10g), cellulose (10–20g), hemicellulose (20g).
  • Bản chất và phương pháp sấy: Đánh giá ưu nhược điểm giữa sấy tự nhiên (chi phí thấp nhưng phụ thuộc thời tiết, kéo dài, nguy cơ nhiễm vi sinh) và sấy nhân tạo (đối lưu, tiếp xúc, thăng hoa, bức xạ hồng ngoại, cao tần).
  • Luận chứng kỹ thuật: Chọn thiết bị sấy thùng quay làm việc gián đoạn theo mẻ; chất tải nhiệt là hơi nước bão hòa qua calorife ống chùm để tạo tác nhân không khí nóng sạch, không lẫn bụi than hay khí độc; chiều chuyển động tác nhân sấy cùng chiều với vật liệu giúp tốc độ bốc hơi ban đầu nhanh, hạn chế co ngót, giảm biến tính nhiệt và ngăn hiện tượng cuốn hạt ra ngoài.

Chương 2: Tính cân bằng vật chất của quá trình

Chương 2 thực hiện các tính toán nhiệt ẩm và lưu lượng dòng vật chất:

  • Xác lập số liệu ban đầu: Với mẻ sấy 5.000 kg sản phẩm trong thời gian $\tau = 20$ giờ, năng suất khô đạt $G_2 = 250$ kg/h; độ ẩm giảm từ $\omega_1 = 40%$ xuống $\omega_2 = 12,5%$; khối lượng riêng xốp $\rho = 650$ $\text{kg/m}^3$.
  • Tính toán lượng ẩm và vật liệu:
    • Lượng ẩm bốc hơi: $W = G_2 \frac{\omega_1 - \omega_2}{100 - \omega_1} = 250 \times \frac{40 - 12,5}{100 - 40} = 114,5833$ kg/h.
    • Lượng vật liệu ẩm nạp vào: $G_1 = W + G_2 = 114,5833 + 250 = 364,5833$ kg/h.
    • Lượng vật liệu khô tuyệt đối: $G_k = G_2 \frac{100 - \omega_2}{100} = 250 \times \frac{100 - 12,5}{100} = 218,75$ kg/h.
  • Xác định trạng thái nhiệt ẩm của không khí:
    • Trạng thái 0 (ngoài trời): $t_0 = 21,6^\circ\text{C}$; $\varphi_0 = 82%$; phân áp bão hòa $P_b = 0,0257$ bar; hàm ẩm $x_0 = 0,01366$ kg/kgkkk; entanpi $I_0 = 56,236$ kJ/kgkkk.
    • Trạng thái 1 (sau calorife): $t_1 = 78^\circ\text{C}$; hàm ẩm không đổi $x_1 = x_0 = 0,01366$ kg/kgkkk; $P_{bh1} = 0,4302$ bar; độ ẩm tương đối $\varphi_1 = 4,9%$; entanpi $I_1 = 114,1538$ kJ/kgkkk.
    • Trạng thái 2 (ra khỏi thùng sấy lý thuyết): $t_2 = 33^\circ\text{C}$; $I_2 = I_1 = 114,153$ kJ/kgkkk; $P_{bh2} = 0,0499$ bar; hàm ẩm $x_2 = 0,0317$ kg/kgkkk; độ ẩm tương đối $\varphi_2 = 95,23%$.
  • Kiểm tra đọng sương: Nhiệt độ đọng sương tính toán là $t_s = 31,9^\circ\text{C}$. Hiệu số $\Delta t = t_2 - t_s = 33 - 31,9 = 1,1^\circ\text{C} > 0$, chứng minh không xảy ra hiện tượng đọng sương trong buồng sấy.
  • Tiêu hao không khí lý thuyết: Lưu lượng không khí khô $L = \frac{W}{x_2 - x_1} = 6.342,7639$ kgkkk/h; suất tiêu hao riêng $l = 55,355$ kgkkk/kg ẩm.

Chương 3: Cân bằng năng lượng

Chương 3 thiết lập các phương trình cân bằng nhiệt lượng cho quá trình lý thuyết và thực tế:

  • Nhiệt dung riêng cà phê ẩm: $C_{vl} = C_k(1 - \omega_2) + C_n\omega_2 = 1,547 \times 0,875 + 4,1816 \times 0,125 = 1,8352$ kJ/kg.K.
  • Cân bằng nhiệt lý thuyết:
    • Nhiệt đưa vào: Không khí mang vào $q_{kkv} = 3.112,9524$ kJ/kg ẩm; calorife cung cấp $q_s = 3.206,0329$ kJ/kg ẩm; vật liệu mang vào $q_{vls} = 176,8105$ kJ/kg ẩm $\rightarrow$ Tổng nhiệt vào $\sum q_v = 6.495,802$ kJ/kg ẩm.
    • Nhiệt mang ra: Tác nhân sấy mang ra $q_{kkr} = 6.318,9917$ kJ/kg ẩm; vật liệu mang ra $q_{vlr} = 112,114$ kJ/kg ẩm; tổn thất qua vỏ thùng $q_m = 15,2424$ kJ/kg ẩm (với diện tích bề mặt truyền nhiệt $F = 85,171$ $\text{m}^2$, hệ số truyền nhiệt $K = 0,7285$ $\text{W/m}^2\text{.K}$, chênh lệch nhiệt độ trung bình $\Delta t_{tb} = 28,145^\circ\text{C}$) $\rightarrow$ Tổng nhiệt ra $\sum q_r = 6.446,35$ kJ/kg ẩm.
    • Sai số cân bằng nhiệt lý thuyết: $\Delta q = \frac{|6.495,802 - 6.446,35|}{6.495,802} \times 100 = 0,7613% < 5%$ (nằm trong giới hạn kỹ thuật cho phép).
  • Cân bằng nhiệt quá trình sấy thực tế:
    • Nhiệt lượng bổ sung thực tế: $\Delta = C_n t_0 - (q_{vl} + q_m) = 4,1816 \times 21,6 - (25,626 + 15,2424) = 49,454$ kJ/kg ẩm.
    • Thông số tác nhân sấy sau quá trình thực: Hàm ẩm $x'_2 = 0,032$ kg/kgkkk; entanpi $I'_2 = 115,3371$ kJ/kgkkk; độ ẩm tương đối $\varphi'_2 = 96,31%$.
    • Tiêu hao thực tế: Suất tiêu hao $l' = 54,226$ kgkkk/kg ẩm; lưu lượng không khí khô $L' = 6.213,4$ kgkkk/h.
    • Tổng nhiệt vào thực tế $\sum q'_v = 6.494,5753$ kJ/kg ẩm; tổng nhiệt ra thực tế $\sum q'_r = 6.381,6301$ kJ/kg ẩm; sai số nhiệt thực tế đạt $1,739% < 5%$.

Chương 4: Tính toán thiết bị sấy

Chương 4 thực hiện tính toán cơ khí chi tiết cho thùng quay và bộ trao đổi nhiệt:

  • Kích thước thùng sấy:
    • Thể tích làm việc: $V = 44,8718$ $\text{m}^3$ ứng với hệ số điền đầy $\beta = 0,25$.
    • Đường kính trong: $D = 2,4262$ m; chiều dài thùng: $L = 9,7051$ m (tỷ lệ $L/D \approx 4$).
    • Tiết diện tự do: $F_{td} = 3,4676$ $\text{m}^2$; vận tốc khí sấy trong thùng: $W_{lt} = 0,5074$ m/s.
    • Động học thùng quay: Số vòng quay $n = 1,909$ vòng/phút (góc nghiêng thùng $\alpha = 0,3^\circ$, cánh chia khoang có hệ số $m=1, k=3$); công suất dẫn động quay thùng $N = 15,883$ kW.
    • Kết cấu vỏ cách nhiệt: Thân trong bằng thép CT3 dày $\delta_1 = 10$ mm ($\lambda = 50$ W/m.K), lớp cách nhiệt bông thủy tinh dày $\delta_2 = 35$ mm ($\lambda = 0,0372$ W/m.K), vỏ bọc bảo vệ CT3 dày $\delta_3 = 6$ mm $\rightarrow$ Đường kính ngoài $D_{ng} = 2,5282$ m.
  • Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt Calorife:
    • Loại calorife: Khí - hơi dạng ống chùm có gân, không khí đi ngoài ống chéo dòng, hơi nước bão hòa đi trong ống ($P_{hnbh} = 2,0301$ at, nhiệt độ bão hòa $120^\circ\text{C}$, ngưng tụ ra ở $105^\circ\text{C}$, ẩn nhiệt hóa hơi $r = 2.207 \times 10^3$ J/kg).
    • Kích thước ống đồng ($\lambda = 385$ W/m.K): Đường kính ngoài $d_{ng} = 35$ mm, đường kính trong $d_{tr} = 30$ mm, bề dày ống $2,5$ mm, chiều dài ống $l_ô = 1$ m.
    • Gân truyền nhiệt: Đường kính gân $d_g = 49$ mm, chiều cao gân $h = 7$ mm, bước gân $b = 8$ mm, khoảng cách giữa 2 gân $b_g = 10$ mm, số gân trên 1 ống $m_g = 100$ gân.
    • Bố trí chùm ống: Gồm 28 ống trên một hàng ($i = 28$); khoảng cách giữa 2 ống $x' = 0,015$ m; khoảng cách ống biên đến thành vỏ $x'' = 0,01$ m.
    • Kích thước bao calorife: Chiều dài $L_x = 1,797$ m, diện tích tiết diện ngang $F_x = 1,797$ $\text{m}^2$, diện tích lưu thông tự do của khí $F_{tdo} = 0,5034$ $\text{m}^2$.
    • Lưu lượng thể tích không khí cần gia nhiệt: $V' = 5.681,25$ $\text{m}^3\text{/h}$ ($1,5781$ $\text{m}^3\text{/s}$).
  • Thiết bị phụ trợ: Tính toán trở lực ma sát và trở lực cục bộ trên toàn tuyến đường ống, qua calorife và thùng sấy để tính chọn quạt hút/đẩy và chọn gàu tải nạp liệu cà phê.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả định lượng cụ thể:

  • Hoàn thành bộ thông số kỹ thuật chi tiết của hệ thống sấy thùng quay công suất 5 tấn/mẻ, đưa độ ẩm cà phê thóc Arabica từ $40%$ về $12,5%$ an toàn trong 20 giờ.
  • Thiết lập bảng cân bằng vật chất và năng lượng hoàn chỉnh với các sai số cân bằng nhiệt lượng lý thuyết ($0,7613%$) và thực tế ($1,739%$) đều nằm sâu dưới ngưỡng quy chuẩn kỹ thuật cho phép ($5%$).
  • Xác định chính xác kích thước kết cấu của thùng sấy ($D = 2,43$ m; $L = 9,71$ m; $n = 1,91$ vòng/phút; $N = 15,88$ kW) và thiết bị gia nhiệt calorife chùm ống đồng có gân ($28$ ống/hàng, $L_x = 1,80$ m, $H = 1,00$ m, gia nhiệt lưu lượng khí $5.681,25$ $\text{m}^3\text{/h}$).
  • Đề xuất giải pháp công nghệ kết hợp giai đoạn sấy tĩnh sơ bộ trước khi đưa vào sấy thùng quay để nâng nhiệt độ hạt lên gần nhiệt độ tác nhân sấy ($78^\circ\text{C}$), tránh hiện tượng sốc nhiệt gây nứt vỏ và cháy hạt.

Đóng góp của tác giả thể hiện ở việc cụ thể hóa quy trình tính toán nhiệt động lực học và cơ học máy sấy thùng quay chuyên dụng cho cà phê thóc Arabica theo điều kiện khí hậu thực tế tại Việt Nam, cung cấp cơ sở kỹ thuật phục vụ gia công chế tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Các thông số tính toán nhiệt ẩm được xây dựng trên giả định điều kiện môi trường cố định ($t_0 = 21,6^\circ\text{C}$, $\varphi_0 = 82%$), chưa xét đến sự biến động thời tiết theo mùa hoặc ngày đêm tại các vùng trồng cà phê Tây Nguyên và Tây Bắc.
  • Chế độ sấy vận hành theo mẻ với thời gian cố định 20 giờ; chưa có dữ liệu thực nghiệm kiểm chứng sự biến thiên hàm lượng cafein, tổn thất chất béo và chất lượng cảm quan của nhân cà phê theo từng giai đoạn sấy.
  • Đồ án dừng lại ở tính toán thiết kế cơ khí và nhiệt - khí động lực học, chưa tích hợp hệ thống điều khiển tự động vòng lặp kín (closed-loop control) cho nhiệt độ và độ ẩm khí thải.

Hướng mở rộng đề tài:

  • Xây dựng mô hình điều khiển tự động biến tần điều chỉnh tốc độ quay của thùng và lưu lượng quạt gió dựa trên cảm biến độ ẩm trực tuyến.
  • Khảo sát phương án thu hồi nhiệt từ dòng khí thải thoát ra từ thân thùng sấy để gia nhiệt sơ bộ cho không khí cấp vào calorife nhằm tiết kiệm năng lượng.
  • Thử nghiệm mở rộng tính toán thiết kế hệ thống sấy liên tục hoặc áp dụng cho các giống cà phê khác như Robusta và Catimor.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng và tham khảo cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Cơ khí Chế biến Nông sản, Kỹ thuật Hóa học và Nhiệt - Điện lạnh khi thực hiện đồ án môn học Thiết bị Chế biến Thực phẩm, Đồ án Quá trình và Thiết bị hoặc Đồ án tốt nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế máy, cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy chế biến nông sản quan tâm đến phương pháp tính toán nhiệt ẩm, kiểm tra nhiệt độ đọng sương, xác định kích thước thùng sấy quay và thiết kế calorife ống chùm có gân.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm: Phương pháp lập bảng cân bằng vật chất - năng lượng; quy trình tính toán chuẩn số thủy nhiệt động ($Re$, $Nu$, $Gr$) trong sấy thùng quay; các công thức tính toán bề mặt truyền nhiệt và tổn thất nhiệt qua kết cấu nhiều lớp.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao đề tài chọn phương thức sấy cùng chiều giữa dòng không khí nóng và cà phê thóc?
Phương thức sấy cùng chiều giúp tác nhân sấy ở nhiệt độ cao nhất ($78^\circ\text{C}$) tiếp xúc trực tiếp với hạt cà phê có độ ẩm cao nhất ($40%$), tạo tốc độ bốc ẩm ban đầu nhanh, hạn chế co ngót mô tế bào và giảm nguy cơ biến tính sản phẩm. Khi đi dần về phía cuối thùng, nhiệt độ khí sấy giảm xuống ($33^\circ\text{C}$) tiếp xúc với hạt đã khô, giúp tránh sấy quá nhiệt gây nứt cháy vỏ trấu và không làm cuốn theo các hạt nhẹ ra ngoài như sấy ngược chiều.

2. Căn cứ nào để lựa chọn nhiệt độ tác nhân sấy vào buồng sấy là $78^\circ\text{C}$ và nhiệt độ khí ra là $33^\circ\text{C}$?
Nhiệt độ vào $78^\circ\text{C}$ được lựa chọn dựa trên giới hạn độ bền nhiệt của hạt cà phê thóc (nhằm bảo vệ enzym và chất lượng hương vị nhân). Nhiệt độ khí ra $33^\circ\text{C}$ được kiểm chứng qua công thức thực nghiệm nhiệt độ cho phép của hạt $t_h = 20 - 10\lg(\tau) + 0,37(100 - \omega_{tb}) + \omega_{tb} = 33^\circ\text{C}$ (với $\tau = 1.200$ phút, $\omega_{tb} = 26,25%$). Đồng thời, giá trị $33^\circ\text{C}$ cao hơn nhiệt độ đọng sương tính toán ($t_s = 31,9^\circ\text{C}$) một khoảng $\Delta t = 1,1^\circ\text{C}$, đảm bảo không ngưng tụ ẩm trên bề mặt hạt.

3. Khối lượng ẩm bốc hơi và lưu lượng không khí khô tiêu tốn thực tế trong một giờ vận hành là bao nhiêu?
Để đạt năng suất 250 kg sản phẩm khô/h từ độ ẩm ban đầu $40%$ về $12,5%$, lượng ẩm bốc hơi cần tách là $W = 114,5833$ kg/h. Lưu lượng không khí khô thực tế cần thiết đưa vào hệ thống là $L' = 6.213,40$ kgkkk/h (tương ứng suất tiêu hao thực tế $l' = 54,226$ kgkkk/kg ẩm).

4. Kích thước hình học cơ bản của thùng sấy và công suất động cơ quay được tính toán như thế nào?
Thùng sấy có đường kính trong $D = 2,4262$ m, chiều dài $L = 9,7051$ m, thể tích làm việc $V = 44,8718$ $\text{m}^3$, hệ số điền đầy chọn $\beta = 0,25$. Thùng đặt nghiêng góc $0,3^\circ$, quay với vận tốc $n = 1,909$ vòng/phút, công suất động cơ dẫn động quay thùng là $N = 15,883$ kW. Vỏ ngoài thùng được bọc lớp bông thủy tinh cách nhiệt dày 35 mm và lớp bảo vệ CT3 dày 6 mm, đưa đường kính ngoài lên $2,5282$ m.

5. Kết cấu bộ trao đổi nhiệt calorife khí - hơi được thiết kế với các thông số kỹ thuật nào?
Calorife sử dụng hơi nước bão hòa áp suất $2,0301$ at ($120^\circ\text{C}$) đi trong chùm ống đồng ($\lambda = 385$ W/m.K) có đường kính $d_{ng}/d_{tr} = 35/30$ mm, dài 1 m. Mặt ngoài ống gắn 100 gân đồng đường kính $49$ mm, bước gân 8 mm. Bộ calorife gồm 28 ống/hàng, chiều dài tổng thể $L_x = 1,797$ m, tiết diện tự do cho khí đi qua là $0,5034$ $\text{m}^2$, đảm bảo gia nhiệt lưu lượng không khí $5.681,25$ $\text{m}^3\text{/h}$ từ $21,6^\circ\text{C}$ lên $78^\circ\text{C}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế máy sấy thùng quay để sấy cà phê thóc với năng suất 5 tấn/mẻ" đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế kỹ thuật cho dây chuyền sấy nông sản quy mô công nghiệp. Các kết quả tính toán cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và thiết kế chi tiết thùng quay, calorife đạt độ tin cậy cao với sai số nhiệt động dưới 2%. Công trình cung cấp tài liệu tham khảo có tính hệ thống và thực tiễn cho sinh viên, kỹ sư ngành Công nghệ Thực phẩm và Cơ khí Chế biến Nông sản.