Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cây sắn (khoai mì) là loại cây lương thực quan trọng tại Việt Nam, xếp thứ ba sau lúa và ngô. Củ sắn tươi là nguồn cung cấp tinh bột và năng lượng dồi dào, đóng vai trò nguyên liệu then chốt cho ngành công nghiệp chế biến thức ăn chăn nuôi, xuất khẩu tinh bột và sản xuất các sản phẩm phái sinh. Tuy nhiên, sắn củ tươi sau khi thu hoạch có độ ẩm rất cao (khoảng 70% – 72%), dễ bị hỏng và biến chất do vi khuẩn, nấm mốc chỉ sau 2 đến 3 ngày nếu bảo quản ở điều kiện nhiệt độ trên 30°C và độ ẩm không khí cao. Nếu độ ẩm của sắn vượt quá 15%, nguyên liệu rất dễ phát sinh nấm mốc và hư hỏng; ngược lại, nếu sấy xuống dưới 13%, sắn dễ bị giòn, nứt vỡ trong quá trình vận chuyển và lưu trữ.

Do đó, quá trình sấy đóng vai trò quyết định trong việc bảo quản nguyên liệu sắn lát, sắn khúc phục vụ sản xuất thức ăn gia súc quy mô công nghiệp. Đề tài đồ án "Thiết kế hệ thống sấy tháp sấy sắn khúc năng suất đầu vào 50 tấn/mẻ" do sinh viên Trần Văn Xếp (ngành Kỹ thuật nhiệt, Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội) thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Xuân Tuấn, nhằm giải quyết bài toán sấy khô khối lượng lớn sắn khúc tại khu vực miền Bắc.

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Tìm hiểu về đặc tính vật liệu sắn, công nghệ sấy và xác định chế độ sấy phù hợp.
  2. Tính toán quá trình sấy lý thuyết, thiết kế sơ bộ kích thước và kết cấu hệ thống sấy.
  3. Tính toán cân bằng nhiệt ẩm và xác định thông số quá trình sấy thực.
  4. Thiết kế chi tiết hệ thống, tính toán trở lực khí động và tính chọn các thiết bị phụ trợ (calorifer, quạt cấp).
  5. Tóm tắt nội dung đã thực hiện và đưa ra kết luận.
  6. Lập bản vẽ thiết kế kỹ thuật cho toàn bộ hệ thống sấy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Củ sắn tươi được sơ chế băm khúc với đường kính khoảng 5 – 8 cm, chiều dài khúc băm từ 5 – 6 cm, khối lượng riêng $\rho_v = 1234\text{ kg/m}^3$.
  • Phạm vi thông số vận hành: Năng suất sấy đạt 50 tấn/mẻ nguyên liệu đầu vào; thời gian sấy cho một mẻ là 60 giờ; độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy $\omega_1 = 72%$; độ ẩm yêu cầu sau khi sấy $\omega_2 = 15%$.
  • Phạm vi không gian – khí hậu: Địa điểm đặt thiết bị sấy tại tỉnh Phú Thọ, với điều kiện khí hậu trung bình năm có nhiệt độ môi trường $t_0 = 23,7^\circ\text{C}$ và độ ẩm tương đối $\varphi_0 = 83,0%$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng các tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học không khí ẩm, lý thuyết truyền nhiệt – truyền khối và công nghệ sấy đối lưu công nghiệp:

  • Lý thuyết nhiệt động không khí ẩm: Ứng dụng đồ thị I-d để biểu diễn và xác định các điểm trạng thái của tác nhân sấy qua các giai đoạn (gia nhiệt trong calorifer, nhận ẩm đẳng entanpi trong sấy lý thuyết, sấy thực tế có xét đến tổn thất). Các công thức xác định phân áp suất bão hòa $P_b(t)$, độ chứa hơi $d$, entanpi $I$ và khối lượng riêng $\rho$ của không khí ẩm được áp dụng theo các tài liệu kỹ thuật nhiệt chuyên ngành.
  • Phương pháp cân bằng vật chất: Xác định lượng ẩm bốc hơi toàn phần và phân bố lượng ẩm cần bốc hơi theo từng vùng sấy thông qua công thức cân bằng khối lượng chất khô tuyệt đối: $$W = G_2 \cdot \frac{\omega_1 - \omega_2}{1 - \omega_1}$$
  • Phương pháp cân bằng nhiệt: Tính toán lượng nhiệt hữu ích dùng để bay hơi ẩm, tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang ra khỏi tháp và tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che ra môi trường xung quanh.
  • Phương pháp tính toán khí động: Tính toán trở lực thủy lực của dòng tác nhân sấy khi đi qua thiết bị gia nhiệt calorifer, hệ thống đường ống dẫn khí, kênh cấp, kênh thải và trở lực cục bộ khi xuyên qua lớp vật liệu sắn khúc dày trong tháp để chọn quạt công nghiệp có cột áp và lưu lượng thích hợp.
  • Nguồn dữ liệu tham khảo: Số liệu thống kê sản xuất và xuất khẩu sắn từ Tổng cục Thống kê (2012), Cục Xuất nhập khẩu (Bộ Công Thương, 2023), cùng các giáo trình và cẩm nang tính toán hệ thống sấy chuyên ngành Kỹ thuật nhiệt.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống

Hệ thống sấy được thiết kế theo dạng tháp sấy đối lưu thẳng đứng, sử dụng không khí nóng làm tác nhân sấy, chia làm 3 vùng làm việc với tổng thời gian sấy $\tau = 60\text{ h}$ (mỗi vùng $\tau_1 = \tau_2 = \tau_3 = 20\text{ h}$):

Vùng chức năng Nhiệt độ tác nhân sấy vào ($t_1$) Nhiệt độ tác nhân sấy ra ($t_2$) Nhiệt độ vật liệu sấy vào ($t_{v1}$) Nhiệt độ vật liệu sấy ra ($t_{v2}$) Độ ẩm vật liệu đầu vùng Độ ẩm vật liệu cuối vùng Lượng ẩm bốc hơi ($W$)
Vùng sấy thứ 1 $80,0^\circ\text{C}$ $34,5^\circ\text{C}$ $23,7^\circ\text{C}$ $28,5^\circ\text{C}$ $72,0%$ $53,7%$ $1000,00\text{ kg/h}$
Vùng sấy thứ 2 $90,0^\circ\text{C}$ $36,0^\circ\text{C}$ $28,5^\circ\text{C}$ $31,0^\circ\text{C}$ $53,7%$ $23,8%$ $600,00\text{ kg/h}$
Vùng làm mát $23,7^\circ\text{C}$ $28,7^\circ\text{C}$ $31,0^\circ\text{C}$ $26,5^\circ\text{C}$ $23,8%$ $15,0%$ $96,42\text{ kg/h}$

Kết cấu và kích thước sơ bộ của tháp sấy:

  • Thể tích sắn chứa trong tháp: $V_{vl} = 123\text{ m}^3$.
  • Chiều dài tháp ($L$): $5\text{ m}$ (tương ứng chiều dài của máng dẫn khí).
  • Chiều rộng tháp ($B$): $4\text{ m}$ (bố trí 20 máng dẫn/thải trên một hàng ngang).
  • Chiều cao khoang sấy tính toán: $H = 8,6\text{ m}$ với 43 hàng kênh dẫn/thải bố trí so le theo bước $0,2\text{ m}$.
  • Chiều cao tổng thể tháp sấy lựa chọn: $H_t = 13\text{ m}$ (bao gồm khoang chứa vật liệu trên đỉnh, vùng sấy 1, vùng sấy 2, vùng làm mát và khoang tháo liệu ở đáy).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tìm hiểu về vật liệu, công nghệ sấy và xác định chế độ sấy

Chương này tổng quan về cây sắn, cấu tạo củ sắn, thành phần hóa học, đặc tính nhiệt vật lý và phân tích so sánh các công nghệ sấy nhằm lựa chọn phương án tối ưu:

  • Thành phần hóa học của sắn:
Thành phần hóa học Củ sắn tươi (%) Sắn lát khô (%)
Nước 70,25 13,20
Tinh bột 25,45 73,30
Protein 1,12 1,20
Chất béo 0,40 –
Xenluloza 1,11 –
Đường 5,13 –
Tro 0,54 1,69
Polyphenol 0,20 – 0,30 –
  • So sánh lựa chọn công nghệ sấy: So sánh ba công nghệ sấy phổ biến gồm sấy tháp, sấy thùng quay và sấy buồng:
    • Sấy tháp: Hiệu suất cao, năng suất lớn, khả năng tự động hóa cao, sản phẩm ra đồng đều, vận hành liên tục phù hợp cho quy mô trang trại và nhà máy lớn. Nhược điểm là chi phí đầu tư ban đầu cao và đòi hỏi vật liệu có tính tự chảy tốt.
    • Sấy thùng quay: Sấy được đa dạng kích thước vật liệu nhưng chi phí đầu tư cao, tiêu hao năng lượng lớn hơn và dễ gây nát vụn vật liệu do ma sát khi đảo trộn.
    • Sấy buồng: Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo nhưng năng suất thấp, thời gian sấy kéo dài và tiêu hao năng lượng lớn.
    • Kết luận: Tác giả chọn hệ thống sấy tháp để đáp ứng quy mô công nghiệp 50 tấn/mẻ.

Chương 2: Tính toán quá trình sấy lý thuyết, thiết kế sơ bộ kích thước và kết cấu HTS

Chương 2 trình bày các phương trình cân bằng vật chất và xác định các điểm trạng thái của không khí trên đồ thị I-d cho hai vùng sấy lý thuyết:

  • Lượng ẩm bốc hơi: Tổng lượng ẩm cần bốc hơi trong 1 giờ của hệ thống là $W = 1696,42\text{ kg/h}$. Khối lượng vật liệu sắn vào tháp $G_1 = 2529,75\text{ kg/h}$, khối lượng sản phẩm khô ra khỏi tháp $G_2 = 833,33\text{ kg/h}$.
  • Thông số trạng thái không khí vùng sấy 1 (sấy lý thuyết):
Điểm trạng thái Nhiệt độ $t$ ($^\circ\text{C}$) Độ ẩm $\varphi$ (%) Độ chứa hơi $d$ ($\text{kg}/\text{kg kk}$) Entanpi $I$ ($\text{kJ}/\text{kg kk}$) Phân áp suất $P_b$ ($\text{bar}$) Khối lượng riêng $\rho$ ($\text{kg}/\text{m}^3$)
Điểm 0 (Không khí ngoài trời) 23,7 83,00 0,0150 63,01 0,029 1,170
Điểm 1 (Sau calorifer 1) 80,0 5,19 0,0150 121,13 0,470 0,987
Điểm 2 (Khí thải ra khỏi vùng 1) 34,5 94,85 0,0337 121,13 0,054 1,130
  • Thông số trạng thái không khí vùng sấy 2 (sấy lý thuyết):
Điểm trạng thái Nhiệt độ $t$ ($^\circ\text{C}$) Độ ẩm $\varphi$ (%) Độ chứa hơi $d$ ($\text{kg}/\text{kg kk}$) Entanpi $I$ ($\text{kJ}/\text{kg kk}$) Phân áp suất $P_b$ ($\text{bar}$) Khối lượng riêng $\rho$ ($\text{kg}/\text{m}^3$)
Điểm 0' (Không khí ngoài trời) 23,7 83,00 0,0150 63,01 0,029 1,170
Điểm 1' (Sau calorifer 2) 90,0 3,50 0,0150 131,46 0,690 0,960
Điểm 2' (Khí thải ra khỏi vùng 2) 36,0 95,65 0,0370 131,46 0,059 1,130
  • Tiêu hao không khí và nhiệt lượng lý thuyết:
    • Vùng 1: Lượng không khí khô riêng $l_{lt} = 54,57\text{ kg kk/kg ẩm}$; tổng lượng không khí khô $L_{lt} = 54573,6\text{ kg kk/h}$; nhiệt lượng riêng $q_{lt} = 3172,04\text{ kJ/kg ẩm}$; tổng nhiệt lượng cấp $Q_{lt} = 3172039,7\text{ kJ/h}$ (tương đương $881,12\text{ kW}$).
    • Vùng 2: Lượng không khí khô riêng $l_{lt}' = 46,03\text{ kg kk/kg ẩm}$; nhiệt lượng riêng $q_{lt}' = 3150,86\text{ kJ/kg ẩm}$.
  • Kích thước sơ bộ tháp: Xác định thể tích khoang tháp có tính đến hệ số chiếm chỗ của hệ thống kênh dẫn $\beta_{kd} = 30%$, đưa ra kích thước dài $\times$ rộng $\times$ cao là $5\text{ m} \times 4\text{ m} \times 13\text{ m}$.

Chương 3: Tính toán quá trình sấy thực

Theo đề cương và mục lục thiết kế của đồ án, chương này tập trung vào các nội dung:

  • Xác định tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi tại từng vùng và tổn thất nhiệt truyền qua vách bao che của tháp sấy ra môi trường xung quanh.
  • Xác định điểm trạng thái thực tế của tác nhân sấy khi rời khỏi tháp trên đồ thị I-d (quá trình sấy thực không còn giữ đẳng entanpi).
  • Tính toán lượng không khí và lượng nhiệt thực tế cần cung cấp cho hệ thống để bù đắp các thành phần tổn thất.
  • Tính toán cân bằng nhiệt và hiệu suất nhiệt cho Vùng 1, Vùng 2 và Vùng làm mát.
  • Thiết kế bố trí mạng lưới kênh cấp gió nóng và kênh thải khí ẩm so le trong từng vùng sấy.

Chương 4: Tính toán thiết bị phụ

Theo đề cương thiết kế chi tiết trong văn bản, chương 4 bao gồm:

  • Tính toán nhiệt và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cho thiết bị gia nhiệt không khí (Calorifer 1 và Calorifer 2).
  • Tính toán trở lực khí động qua các thiết bị: trở lực qua chùm ống calorifer, trở lực ma sát và cục bộ trên đường ống dẫn tác nhân sấy, trở lực tại cửa đột mở vào tháp, trở lực qua hệ thống máng cấp/thải và trở lực qua lớp sắn khúc.
  • Tổng hợp tổn thất áp suất toàn hệ thống tại Vùng 1, Vùng 2 và Vùng làm mát để tính chọn thông số lưu lượng và áp suất cột áp của quạt cấp gió công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán chính

Đồ án đã xác lập đầy đủ hệ thống thông số kỹ thuật cho hệ thống sấy tháp năng suất 50 tấn/mẻ:

  • Năng suất và lưu lượng: Khối lượng vật liệu ướt vào tháp $G_1 = 2529,75\text{ kg/h}$; khối lượng sản phẩm khô ra $G_2 = 833,33\text{ kg/h}$; tổng lượng ẩm bay hơi $W = 1696,42\text{ kg/h}$.
  • Phân bố bốc ẩm: Vùng 1 bốc $1000\text{ kg ẩm/h}$ (giảm ẩm từ 72% xuống 53,7%); Vùng 2 bốc $600\text{ kg ẩm/h}$ (giảm ẩm từ 53,7% xuống 23,8%); Vùng làm mát bốc $96,42\text{ kg ẩm/h}$ (giảm ẩm từ 23,8% xuống 15%).
  • Thông số nhiệt – khí vùng 1: Lưu lượng không khí khô lý thuyết $L_{lt} = 54573,6\text{ kg kk/h}$; công suất nhiệt lý thuyết cấp cho calorifer 1 là $881,12\text{ kW}$.
  • Kết cấu tháp sấy: Chiều dài $5\text{ m}$, chiều rộng $4\text{ m}$, chiều cao tổng thể $13\text{ m}$; bố trí 43 hàng máng dẫn/thải so le với 20 máng trên một hàng.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Áp dụng sơ đồ sấy 2 giai đoạn gia nhiệt kết hợp 1 giai đoạn làm mát: Vùng 1 sấy ở $80^\circ\text{C}$ để tránh hiện tượng hồ hóa tinh bột bề mặt khi độ ẩm còn cao; Vùng 2 nâng nhiệt độ lên $90^\circ\text{C}$ để đẩy nhanh quá trình khuếch tán ẩm sâu bên trong củ sắn; Vùng đáy sử dụng không khí tự nhiên ($23,7^\circ\text{C}$) để hạ nhiệt độ sản phẩm xuống $26,5^\circ\text{C}$ trước khi tháo liệu, giúp chống hấp hơi khi đóng bao bảo quản.
  • Sử dụng kết cấu kênh cấp và kênh thải dạng máng chữ V ngược bố trí so le, giúp dòng khí phân phối đồng đều xuyên ngang qua lớp sắn khúc tự chảy từ trên xuống.

Đóng góp của đề tài

Tác giả đã hoàn thành việc tính toán thiết kế một hệ thống sấy tháp quy mô công nghiệp hoàn chỉnh, áp dụng số liệu khí hậu thực tế của tỉnh Phú Thọ và đặc tính nhiệt vật lý chuyên biệt của sắn khúc băm, cung cấp bộ dữ liệu tính toán chi tiết từ nhiệt động, kết cấu hình học đến thiết bị phụ trợ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Các thông số tính toán nhiệt ẩm môi trường được lấy theo giá trị trung bình năm của Phú Thọ ($23,7^\circ\text{C}$ và $83%$), chưa phản ánh sự biến thiên biên độ nhiệt ẩm giữa các mùa sấy (mùa mưa và mùa khô).
    • Trở lực của lớp vật liệu sắn khúc được xác định theo mô hình tính toán lý thuyết và hệ số kinh nghiệm, chưa có số liệu đo đạc thực nghiệm trực tiếp trên mô hình vật lý sắn khúc đường kính 5 – 8 cm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu thực nghiệm khí động trên lớp sắn khúc thực tế để chuẩn hóa hệ số trở lực cho tháp sấy nông sản kích thước lớn.
    • Tích hợp hệ thống điều khiển tự động biến tần cho quạt cấp và van điều tiết nhiệt độ calorifer theo cảm biến độ ẩm trực tuyến tại các vùng sấy.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật nhiệt, Năng lượng nhiệt: Cung cấp phương pháp và quy trình tính toán mẫu cho đồ án môn học Thiết kế hệ thống sấy, đồ án tốt nghiệp về sấy tháp đối lưu, các bước tra cứu và lập bảng thông số không khí ẩm trên đồ thị I-d.
  • Kỹ sư cơ điện và chế biến nông sản: Tham khảo các thông số chế độ sấy thực tế cho củ sắn (nhiệt độ, phân bố giáng ẩm, thời gian lưu), kết cấu bố trí kênh dẫn khí và phương pháp tính chọn công suất nhiệt calorifer cho các dây chuyền sản xuất thức ăn chăn nuôi.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn độ ẩm cuối của sắn khúc là 15% mà không sấy xuống mức thấp hơn?
Theo kết quả nghiên cứu đặc tính sắn trong đồ án, độ ẩm trên 15% sẽ khiến sắn dễ bị nấm mốc và vi khuẩn tấn công làm hư hỏng. Tuy nhiên, nếu sấy xuống dưới 13%, sắn khúc sẽ bị giòn, nứt vỡ trong quá trình bốc dỡ và vận chuyển. Mức 15% là ngưỡng tối ưu để bảo quản và đảm bảo độ bền cơ học cho sắn lát làm thức ăn gia súc.

2. Chế độ nhiệt độ của tác nhân sấy được phân bố như thế nào qua các vùng trong tháp?
Tác nhân sấy được cấp vào Vùng sấy thứ 1 ở nhiệt độ $80^\circ\text{C}$ (nhiệt độ khí thoát $34,5^\circ\text{C}$); Vùng sấy thứ 2 được gia nhiệt lên $90^\circ\text{C}$ (nhiệt độ khí thoát $36^\circ\text{C}$); và Vùng làm mát sử dụng không khí môi trường ở $23,7^\circ\text{C}$ (nhiệt độ khí thoát $28,7^\circ\text{C}$).

3. Khối lượng nguyên liệu vào và khối lượng sản phẩm ra của hệ thống trong một giờ là bao nhiêu?
Với năng suất 50 tấn/mẻ trong 60 giờ, khối lượng sắn ướt nạp vào hệ thống là $G_1 = 2529,75\text{ kg/h}$ (độ ẩm 72%). Khối lượng sản phẩm khô thu được sau khi làm mát là $G_2 = 833,33\text{ kg/h}$ (độ ẩm 15%), tổng lượng nước bay hơi là $1696,42\text{ kg/h}$.

4. Kích thước hình học cơ bản của tháp sấy được xác định là bao nhiêu?
Tháp sấy có chiều dài $L = 5\text{ m}$, chiều rộng $B = 4\text{ m}$, chiều cao vùng sấy tính toán $H = 8,6\text{ m}$ (chứa 43 hàng máng dẫn) và tổng chiều cao tháp lựa chọn $H_t = 13\text{ m}$ để bố trí đồng bộ khoang chứa liệu, vùng sấy, vùng làm mát và khoang tháo liệu.

5. Lượng nhiệt và lượng không khí khô lý thuyết cần cấp cho Vùng sấy 1 là bao nhiêu?
Để làm bốc hơi $1000\text{ kg ẩm/h}$ tại Vùng 1, lượng không khí khô cần cấp là $54573,6\text{ kg kk/h}$ (tiêu hao riêng $54,57\text{ kg kk/kg ẩm}$) và lượng nhiệt lý thuyết cần cấp là $3172039,7\text{ kJ/h}$, tương đương công suất nhiệt $881,12\text{ kW}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Văn Xếp đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế hệ thống sấy tháp sấy sắn khúc năng suất 50 tấn/mẻ tại điều kiện khí hậu tỉnh Phú Thọ. Hệ thống được phân chia hợp lý thành 2 vùng sấy và 1 vùng làm mát với chế độ nhiệt từ $80^\circ\text{C}$ đến $90^\circ\text{C}$, giúp sắn đạt độ ẩm tiêu chuẩn 15% an toàn cho bảo quản thức ăn gia súc. Các kết quả tính toán nhiệt động, kích thước hình học tháp sấy ($5\text{ m} \times 4\text{ m} \times 13\text{ m}$) và thông số thiết bị phụ trợ cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy cho việc chế tạo và triển khai ứng dụng trong thực tế.