Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngô là cây lương thực có sản lượng lớn và giá trị kinh tế quan trọng trong ngành nông sản toàn cầu cũng như tại Việt Nam. Theo số liệu của Tổng cục Thống kê được trích dẫn trong văn bản, sản lượng ngô cả nước hàng năm đạt khoảng 5 triệu tấn. Hạt ngô là nguồn cung cấp dồi dào vitamin B, vitamin C, chất xơ và các khoáng chất, đóng vai trò làm nguyên liệu trực tiếp cho công nghiệp thực phẩm với hơn 2.000 dòng sản phẩm chế biến khác nhau hoặc làm thức ăn chăn nuôi. Tuy nhiên, ngô sau khi thu hoạch có độ ẩm cao (khoảng 22%), đặc tính sinh học dễ hô hấp mạnh, sinh nhiệt và rất dễ bị ẩm mốc, suy giảm chất lượng nếu không được xử lý làm khô kịp thời.
Tại nhiều vùng trồng trọt ở Việt Nam, tập quán làm khô hạt truyền thống vẫn chủ yếu dựa vào phơi nắng tự nhiên trên sân bãi, treo mái nhà hoặc sấy bằng cách đốt củi thủ công. Các phương thức này bộc lộ nhiều hạn chế kỹ thuật: phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện thời tiết, chiếm dụng diện tích mặt bằng lớn, thời gian sấy kéo dài và gây tổn thất lớn về chất lượng khi gặp thời tiết bất lợi như mưa kéo dài. Đối với quy mô sản xuất hàng hóa tập trung, việc cơ giới hóa và công nghiệp hóa quá trình sấy là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc nhằm hạ thấp độ ẩm của hạt về mức an toàn bảo quản (khoảng 14%), hạn chế tối đa sự phát triển và tiêu diệt các loại vi sinh vật gây hại.
Đồ án tốt nghiệp môn học Quá trình và Thiết bị (QTTB) của sinh viên Trần Quang Nam, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thị Thu Hằng tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (năm 2023), giải quyết nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một hệ thống sấy tháp chuyên dụng sấy ngô. Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản gồm:
- Tính toán quá trình sấy lý thuyết và quá trình sấy thực tế nhằm xác định các thông số trạng thái của tác nhân sấy, lượng ẩm cần bốc hơi và cân bằng nhiệt - ẩm cho toàn bộ hệ thống.
- Xác định kết cấu hình học buồng sấy dạng tháp, bố trí hệ thống kênh dẫn gió nóng và kênh thải ẩm xen kẽ trong lớp hạt.
- Tính toán thiết kế nhiệt và cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt calorifer (dạng ống chùm có cánh ngoài, sử dụng hơi nước bão hòa) cấp nhiệt cho các phân vùng sấy.
- Tính toán tổn thất áp suất và trở lực khí động trên toàn tuyến tác nhân sấy làm cơ sở chọn quạt thổi/hút.
- Lựa chọn thiết bị phụ trợ (hệ thống gầu tải vận chuyển hạt) và tính toán sơ bộ chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (chi phí đầu tư, chi phí vận hành và doanh thu).
Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hạt ngô nông sản với các thông số vật lý:
- Độ ẩm ban đầu của vật liệu: $\omega_1 = 22%$.
- Độ ẩm cuối yêu cầu sau sấy và làm mát: $\omega_2 = 14%$.
- Khối lượng riêng của hạt vật liệu: $\rho_r = 1.253\text{ kg/m}^3$ (khối lượng thể tích khối hạt: $\rho_v = 850\text{ kg/m}^3$).
- Nhiệt dung riêng của vật liệu khô: $C_k = 1,55\text{ kJ/kg.K}$.
- Kích thước hình học trung bình của hạt: chiều dài $l = 4,8\text{ mm}$, đường kính tương đương $d_{tđ} = 7,5\text{ mm}$.
- Cường độ bốc hơi ẩm trung bình: $A = 32\text{ kg/m}^3\text{.h}$.
Phạm vi kỹ thuật của đồ án giới hạn ở hệ thống sấy tháp làm việc liên tục với năng suất nhập liệu $G_1 = 1\text{ tấn/h}$ ($1.000\text{ kg/h}$). Điều kiện môi trường ngoài trời tính toán tại khu vực Hà Nội được lựa chọn ở thông số nhiệt độ $t_0 = 30^\circ\text{C}$ và độ ẩm tương đối $\varphi_0 = 85%$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế
Đồ án ứng dụng khung lý thuyết nhiệt động lực học của quá trình sấy đối lưu cho vật liệu dạng hạt. Trong thiết bị sấy tháp, nhiệt lượng cung cấp cho khối hạt gồm hai thành phần: thành phần truyền nhiệt đối lưu giữa dòng tác nhân sấy chuyển động qua khe hở giữa các hạt và thành phần dẫn nhiệt từ bề mặt các vách kênh dẫn/kênh thải sang các lớp hạt tiếp xúc trực tiếp. Hệ số truyền nhiệt giữa tác nhân và lớp hạt chuyển động được tính toán dựa trên các phương trình thực nghiệm chuẩn số Nusselt ($Nu$) theo chuẩn số Reynolds ($Re$) của V.W:
- Khi $Re = 20 - 200$: $Nu = 0,106 Re$.
- Khi $Re > 200$: $Nu = 0,610 Re^{0,67}$.
Động học quá trình sấy ẩm của vật liệu được phân tích theo 3 giai đoạn diễn biến kinh điển:
- Giai đoạn làm nóng vật liệu: Nhiệt độ của hạt tăng dần từ nhiệt độ ban đầu lên đến nhiệt độ nhiệt kế ướt $t_ư$ của tác nhân sấy trong buồng.
- Giai đoạn sấy tốc độ không đổi: Độ ẩm tự do trên bề mặt hạt hóa hơi, nhiệt độ vật liệu giữ không đổi bằng $t_ư$, tốc độ thoát ẩm theo thời gian là hằng số ($\partial u/\partial \tau = \text{const}$), biến thiên độ chứa ẩm mang tính tuyến tính cho đến khi đạt độ ẩm tới hạn.
- Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần: Toàn bộ ẩm tự do đã bay hơi, năng lượng cung cấp chuyển sang bốc hơi ẩm liên kết bên trong cấu trúc mao dẫn của hạt. Tốc độ sấy giảm dần về 0 khi độ ẩm của hạt tiệm cận độ ẩm cân bằng ($\omega_{cb}$).
Phương pháp tính toán nhiệt và chất được triển khai thông qua đồ thị $I-d$ (Enthalpy - Dung ẩm) của không khí ẩm:
- Phân tích cân bằng vật chất: Xác định lượng ẩm bốc hơi từng vùng ($W_i$) dựa trên độ ẩm ban đầu, độ ẩm trung gian và độ ẩm sản phẩm.
- Phân tích cân bằng nhiệt lý thuyết: Quá trình gia nhiệt không khí trong calorifer có dung ẩm không đổi ($d = \text{const}$); quá trình sấy lý thuyết trao đổi nhiệt ẩm đoạn nhiệt có entanpy không đổi ($I = \text{const}$).
- Phân tích quá trình sấy thực tế: Thiết lập phương trình cân bằng nhiệt tổng quát có tính đến các tổn thất nhiệt: tổn thất do vật liệu sấy mang ra ngoài ($q_v$), tổn thất truyền nhiệt qua vách tháp ra môi trường ($q_m$) và nhiệt lượng có ích để bay hơi ẩm ($q_{ích}$). Giá trị sai lệch nhiệt động $\Delta = C_a t_0 - (q_v - q_m)$ được dùng để xác định dung ẩm thực tế $d_{2t}$ của tác nhân sau khi ra khỏi buồng sấy.
Hệ thống công thức nhiệt động sử dụng trong đồ án:
- Phân áp suất hơi bão hòa cực đại của nước:
$$P_{hmax} = \exp\left(12 - \frac{4026,42}{235,5 + t}\right)\quad [\text{bar}]$$
- Dung ẩm của không khí ẩm:
$$d = 0,622 \cdot \frac{\varphi \cdot P_{hmax}}{P - \varphi \cdot P_{hmax}}\quad [\text{kg ẩm/kg kk khô}]$$
- Entanpy của không khí ẩm:
$$I = 1,004 t + d(2500 + 1,842 t)\quad [\text{kJ/kg kk khô}]$$
Nguồn dữ liệu tính toán được trích xuất từ các tài liệu chuyên ngành kỹ thuật sấy, bảng tra thông số vật lý của nước và hơi nước bão hòa, bảng thông số nhiệt động của không khí ẩm và sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất.
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
Đồ án triển khai thiết kế hệ thống sấy tháp đứng làm việc liên tục. Tháp sấy có mặt bằng hình chữ nhật với kích thước hình học tổng thể: chiều dài $L = 3\text{ m}$, chiều rộng $B = 2\text{ m}$ và chiều cao $H = 13\text{ m}$. Toàn bộ chiều cao của tháp được phân chia thành 3 phân vùng công nghệ nối tiếp theo chiều chuyển động từ trên xuống dưới của hạt: Vùng sấy 1, Vùng sấy 2 và Vùng làm mát.
Kết cấu kênh dẫn và kênh thải tác nhân sấy
Bên trong không gian tháp, tác giả thiết kế hệ thống các hộp kênh dẫn gió nóng và kênh thải ẩm dạng mái hình chóp đặt sole xen kẽ nhau ngay trong lòng lớp hạt. Hạt ngô tự chảy từ trên xuống nhờ trọng lực, di chuyển luồn lách qua các hàng kênh. Trên một mặt cắt tiết diện ngang của tháp bố trí 10 hàng kênh; tổng chiều cao tháp gồm 64 hàng kênh:
- Vùng sấy 1: Gồm 28 hàng theo chiều cao (14 hàng kênh dẫn và 14 hàng kênh thải xen kẽ).
- Vùng sấy 2: Gồm 18 hàng theo chiều cao (9 hàng kênh dẫn và 9 hàng kênh thải xen kẽ).
- Vùng làm mát: Gồm 18 hàng theo chiều cao (9 hàng kênh dẫn và 9 hàng kênh thải xen kẽ).
Diện tích lưu thông khí của 10 kênh trên một tiết diện ngang là $F_h = 0,0925\text{ m}^2$. Tổng diện tích cửa dẫn hoặc thải tại Vùng 1 là $F_1 = 1,295\text{ m}^2$; tại Vùng 2 và Vùng làm mát là $F_2 = F_3 = 0,8325\text{ m}^2$. Vận tốc dòng tác nhân sấy trong kênh dẫn được tính toán đạt $w_2 = 1,434\text{ m/s}$. Giá trị này hoàn toàn thỏa mãn tiêu chuẩn thiết kế kinh nghiệm ($w < 6\text{ m/s}$), đảm bảo hạt ngô không bị lực khí động cuốn bay vào hệ thống ống thải ẩm và quạt hút.
Cụm thiết bị trao đổi nhiệt Calorifer
Để đảm bảo yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm cho ngô thương phẩm, hệ thống sử dụng nguồn nhiệt gia nhiệt gián tiếp bằng hơi nước bão hòa thông qua 2 bộ calorifer khí - hơi độc lập:
- Vật liệu chế tạo: Ống dẫn hơi bằng thép có đường kính ngoài/đường kính trong $d_2/d_1 = 22/20\text{ mm}$, hệ số dẫn nhiệt $\lambda = 110\text{ W/m.K}$. Phía ngoài ống gắn cánh tản nhiệt tròn bằng đồng phẳng, chiều dày cánh $\delta_c = 1\text{ mm}$, đường kính ngoài cánh $d_c = 39\text{ mm}$, chiều cao cánh $h = 8,5\text{ mm}$, bước cánh $s_c = 3\text{ mm}$ (khoảng hở thông thủy giữa hai cánh $t = 2\text{ mm}$), hệ số làm cánh $\varepsilon_c = 9,642$.
- Calorifer Vùng sấy 1: Sử dụng hơi nước bão hòa áp suất $P = 2\text{ bar}$ ($t_s = 120,23^\circ\text{C}$). Tiêu hao hơi bão hòa là $D_1 = 67,17\text{ kg/h}$ ($0,0187\text{ kg/s}$). Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt phía ngoài có cánh $F_2 = 14,914\text{ m}^2$, diện tích mặt trong ống $F_1 = 1,547\text{ m}^2$. Cụm gồm 63 ống thép dài $l = 0,4\text{ m}$, bố trí sole thành 7 hàng ngang $\times$ 9 ống/hàng. Kích thước bao bộ sấy: chiều cao $b = 0,36\text{ m}$, chiều ngang $c = 0,28\text{ m}$.
- Calorifer Vùng sấy 2: Sử dụng hơi nước bão hòa áp suất $P = 3,5\text{ bar}$ ($t_s = 138,88^\circ\text{C}$). Tiêu hao hơi bão hòa $D_2 = 12.682,63\text{ kg/h}$ (theo công suất phụ tải nhiệt tính toán). Diện tích bề mặt ngoài có cánh $F_2 = 2,717\text{ m}^2$, mặt trong $F_1 = 0,2818\text{ m}^2$. Ống có chiều dài $l = 0,6\text{ m}$, tổng số 12 ống bố trí sole thành 4 hàng $\times$ 3 ống/hàng, chiều cao bộ sấy $b = 0,12\text{ m}$.
Hệ thống khí động và thiết bị phụ trợ
Tác nhân sấy chuyển động cưỡng bức qua hệ thống nhờ mạng lưới đường ống dẫn và quạt công nghiệp. Các thông số trở lực thủy lực của tuyến dẫn khí Vùng 1 được xác lập:
- Trở lực ống tròn dẫn từ quạt tới calorifer (đường kính $d = 0,2\text{ m}$, dài $L = 2\text{ m}$, vận tốc không khí $v_k = 57,853\text{ m/s}$): $\Delta P_1 = 210\text{ N/m}^2$.
- Trở lực ma sát dòng chảy qua chùm ống calorifer Vùng 1: $\Delta P_2 = 2,096\text{ N/m}^2$.
- Trở lực đoạn ống dẫn gió nóng từ calorifer vào tháp ($L = 3\text{ m}$, $d = 0,2\text{ m}$): $\Delta P = 292,69\text{ N/m}^2$.
- Trở lực qua hệ thống 280 kênh dẫn và thải ẩm ($d_{tđ} = 0,08\text{ m}$, $L = 1\text{ m}$, vận tốc trong kênh $v = 2\text{ m/s}$).
Vật liệu hạt được nạp liên tục lên đỉnh tháp nhờ hệ thống gầu tải thẳng đứng chuyên dụng, hoạt động dựa trên tang dẫn động và bộ phận kéo băng tải.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Tổng quan về công nghệ và thiết bị sấy
Chương mở đầu phân tích đặc tính sinh hóa của ngô hạt, khẳng định tầm quan trọng của việc sấy hạ ẩm đối với chuỗi giá trị bảo quản nông sản. Tác giả tiến hành phân loại và so sánh ưu - nhược điểm của các phương pháp sấy hiện hành: sấy đối lưu, sấy bức xạ, sấy tiếp xúc, sấy cao tần, sấy thăng hoa, sấy tầng sôi và sấy phun. Trên cơ sở đối tượng là hạt ngô cứng, độ ẩm trung bình, phương pháp sấy đối lưu được lựa chọn.
Đối với tác nhân sấy, chương đánh giá 4 môi chất: không khí ẩm, khói lò, hỗn hợp không khí - hơi và hơi quá nhiệt. Không khí ẩm được lựa chọn do tính sẵn có, giá thành rẻ và không gây nhiễm bẩn thực phẩm. Nguồn nhiệt được chọn là calorifer hơi nước, khắc phục nhược điểm mất vệ sinh của khói lò than củi và giá thành vận hành đắt đỏ của điện trở nhiệt.
Chương khảo sát các mô hình thiết bị: buồng sấy, hầm sấy, tháp sấy, thùng quay, sấy khí động và tầng sôi. Kết luận khẳng định sấy tháp là lựa chọn tối ưu cho hạt ngũ cốc nhờ đặc tính tự chảy, cấu tạo kênh xen kẽ giúp trao đổi nhiệt đối lưu kết hợp dẫn nhiệt đồng đều, năng suất cao trên diện tích lắp đặt nhỏ. Cuối chương, tác giả trích dẫn các thông số của thiết bị sấy tháp công nghiệp tham khảo model HSD-200HF (sức chứa 4.000 - 20.000 kg, dùng quạt hướng trục $\varnothing 650$, tốc độ giảm ẩm 0,8%/h) và phân tích lý thuyết 3 giai đoạn động học sấy.
Chương II: Tính toán quá trình sấy lý thuyết
Chương II thiết lập toàn bộ các thông số nhiệt động của quá trình sấy lý thuyết (không xét tổn thất nhiệt). Chế độ sấy nhiều giai đoạn được lựa chọn nhằm bảo vệ chất lượng phôi hạt, chống nứt vỏ ngô do sốc nhiệt:
- Phân bố giáng ẩm: Vùng sấy 1 giảm từ $\omega_{11} = 22%$ xuống $\omega_{21} = 18%$; Vùng sấy 2 giảm tiếp từ $\omega_{12} = 18%$ xuống $\omega_{22} = 15%$; Vùng làm mát giảm từ $\omega_{13} = 15%$ xuống độ ẩm xuất xưởng $\omega_{23} = 14%$.
- Cân bằng ẩm: Lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ tại Vùng 1 là $W_1 = 48,78\text{ kg/h}$ (khối lượng ngô ra $G_{21} = 951,22\text{ kg/h}$); tại Vùng 2 là $W_2 = 33,57\text{ kg/h}$ (ngô ra $G_{22} = 917,65\text{ kg/h}$); tại Vùng làm mát là $W_3 = 10,67\text{ kg/h}$ (sản phẩm khô thu được $G_{23} = 906,98\text{ kg/h}$). Tổng lượng ẩm cần bốc hơi là $93,02\text{ kg/h}$.
- Chế độ nhiệt: Tác nhân sấy vào Vùng 1 ở nhiệt độ $t_{11} = 60^\circ\text{C}$, nhiệt độ ra $t_{21} = 40^\circ\text{C}$; vào Vùng 2 ở $t_{12} = 90^\circ\text{C}$, nhiệt độ ra $t_{22} = 60^\circ\text{C}$; không khí làm mát vào ở $t_{13} = 25^\circ\text{C}$, ra ở $t_{23} = 30^\circ\text{C}$. Nhiệt độ hạt tăng dần từ $30^\circ\text{C} \to 35^\circ\text{C} \to 50^\circ\text{C}$ và được hạ nhiệt về $40^\circ\text{C}$ khi rời buồng làm mát.
- Thông số tác nhân sấy lý thuyết: Không khí ngoài trời có $t_0 = 30^\circ\text{C}$, $\varphi_0 = 85%$, áp suất bão hòa $P_{hmax} = 0,0422\text{ bar}$, dung ẩm $d_0 = 0,0231\text{ kg/kg kk}$, entanpy $I_0 = 89,15\text{ kJ/kg kk}$.
- Vùng 1: Sau gia nhiệt, $t_{11} = 60^\circ\text{C}$, $I_{11} = 120,548\text{ kJ/kg kk}$, độ ẩm tương đối $\varphi_{11} = 18,22%$. Sau sấy lý thuyết ($I = \text{const}$), dung ẩm đạt $d_{21} = 0,0313\text{ kg/kg kk}$. Suất tiêu hao không khí lý thuyết $l_1 = 122,96\text{ kg kk/kg ẩm}$, lưu lượng không khí khô cần cấp $L_{k1} = 5.998,038\text{ kg/h}$ ($L_1 = 6.136,604\text{ kg không khí ẩm/h}$).
- Vùng 2: Sau gia nhiệt, $t_{12} = 90^\circ\text{C}$, $I_{12} = 151,94\text{ kJ/kg kk}$, $\varphi_{12} = 5,19%$. Sau sấy lý thuyết, $d_{22} = 0,0351\text{ kg/kg kk}$. Tiêu hao không khí $l_2 = 83,15\text{ kg kk/kg ẩm}$, lưu lượng không khí khô $L_{k2} = 2.791,34\text{ kg/h}$ ($L_2 = 2.855,92\text{ kg/h}$), nhiệt lượng cấp lý thuyết $Q_2 = 24,34\text{ kW}$.
Chương III: Tính toán quá trình sấy thực
Chương III đưa vào các yếu tố tổn thất nhiệt thực tế của hệ thống:
- Tổn thất do vật liệu mang đi ($q_v$): Tính toán qua nhiệt dung riêng của hạt ngô ẩm sau các vùng ($C_{v1} = 2,024\text{ kJ/kg.K}$, $C_{v2} = 1,945\text{ kJ/kg.K}$).
- Tổn thất truyền nhiệt qua vỏ tháp ra môi trường ($q_m$): Tổng diện tích xung quanh tháp bê tông cốt thép dày $\delta = 0,25\text{ m}$ ($\lambda = 1,54\text{ W/m.K}$) là $F = 130\text{ m}^2$ (phân bổ $F_1 \approx 56\text{ m}^2$, $F_2 = F_3 = 37\text{ m}^2$). Độ chênh nhiệt độ logarit trung bình xác định được $\Delta t_1 = 13,95^\circ\text{C}$ và $\Delta t_2 = 26,4^\circ\text{C}$.
- Xây dựng quá trình sấy thực: Giá trị hiệu chỉnh $\Delta_1 = -199,548\text{ kJ/kg ẩm}$ và $\Delta_2 = -1.169,132\text{ kJ/kg ẩm}$. Dung ẩm thực của tác nhân khi ra khỏi tháp đạt $d_{21t} = 0,0306\text{ kg/kg kk}$ (độ ẩm tương đối $\varphi_{21t} = 65,45%$) và $d_{22t} = 0,0314\text{ kg/kg kk}$ ($\varphi_{22t} = 27,21%$). Lưu lượng không khí khô thực tế cần cung cấp là $L_{k1t} = 6.504\text{ kg/h}$ cho Vùng 1 và $L_{k2t} = 4.044,578\text{ kg/h}$ cho Vùng 2.
- Tính toán vùng làm mát: Hạt hạ từ $50^\circ\text{C}$ xuống $40^\circ\text{C}$ truyền nhiệt lượng $Q_3$ cho không khí làm mát. Không khí sau khi làm mát đạt $t_{23} = 35^\circ\text{C}$, dung ẩm $d_{23} = 0,0287\text{ kg/kg kk}$, độ ẩm tương đối $\varphi_{23} = 79,06%$, lưu lượng thể tích $V_3 = 1.753,094\text{ m}^3\text{/h}$.
Chương IV: Lựa chọn thiết bị chính
Nội dung chương tập trung vào thiết kế cơ khí và thủy lực cho các bộ phận chủ chốt:
- Thiết kế cụm kênh dẫn/thải: Bố trí mạng lưới kênh sole hình chóp với các thông số diện tích mặt cắt $F_1 = 1,295\text{ m}^2$, $F_2 = F_3 = 0,8325\text{ m}^2$, khống chế vận tốc dòng tác nhân qua kênh $w_2 = 1,434\text{ m/s}$.
- Thiết kế chi tiết 2 bộ calorifer khí - hơi ống thép cánh đồng: Tính toán hệ số tỏa nhiệt đối lưu của hơi ngưng trong ống ($\alpha_1$), hệ số tỏa nhiệt đối lưu cưỡng bức của không khí qua chùm ống có cánh ($\alpha_2$), độ chênh nhiệt độ logarit ($\Delta t_{tb1} = 74,22^\circ\text{C}$, $\Delta t_{tb2} = 74,92^\circ\text{C}$), hiệu suất làm cánh ($\eta_s$) và xét đến hệ số bám bẩn $\varphi = 0,85$. Kết quả xác định được kích thước cụm calorifer Vùng 1 (63 ống) và Vùng 2 (12 ống).
- Tính toán trở lực thủy lực: Xác định chế độ chảy rối qua chuẩn số Reynolds trên từng đoạn ống, tính tổn thất áp suất cục bộ và ma sát theo công thức Blasius ($\lambda = 0,316/Re^{0,25}$) cho hệ thống đường ống gió, chùm ống calorifer và các hộp kênh dẫn trong tháp sấy.
Chương V: Lựa chọn thiết bị phụ
Chương trình bày việc lựa chọn và tính toán kiểm nghiệm hệ thống thiết bị phụ trợ phục vụ nạp liệu liên tục. Hệ thống gầu tải vận chuyển hạt ngô được thiết kế chi tiết:
- Lựa chọn loại gầu và bộ phận kéo (băng cao su kết hợp gầu múc nông đáy).
- Xác định vận tốc chuyển động thích hợp của gầu tải nhằm tránh làm dập vỡ hạt ngô.
- Kiểm nghiệm năng suất vận chuyển của gầu đảm bảo lớn hơn hoặc bằng năng suất nạp liệu $1.000\text{ kg/h}$.
- Tính toán đường kính tang dẫn động, số vòng quay của tang trong 1 phút và xác định công suất truyền động yêu cầu cho động cơ điện kéo gầu tải.
Chương VI: Tính toán mặt bằng và bản vẽ
Chương cuối cùng hạch toán sơ bộ tính khả thi kinh tế của hệ thống sấy tháp:
- Chi phí đầu tư ban đầu ($Đ$): Tổng hợp chi phí mua sắm thiết bị sấy ($A$) bao gồm thân tháp, hệ thống calorifer, quạt, van điều chỉnh và chi phí xây dựng mặt bằng nhà xưởng đặt tháp ($B$).
- Chi phí vận hành hàng tháng ($V$): Chi phí điện năng tiêu thụ cho quạt gió và động cơ gầu tải ($C$), chi phí nhiên liệu than/nhiên liệu đốt lò hơi tạo hơi bão hòa cấp cho calorifer ($D$), chi phí nhân công vận hành hệ thống ($E$) và chi phí thu mua nguyên liệu ngô tươi hàng tháng ($K$).
- Doanh thu dự kiến ($M$): Tính toán dựa trên sản lượng ngô thương phẩm sấy khô xuất xưởng đạt độ ẩm tiêu chuẩn 14% và giá bán thị trường.
Kết quả và đóng góp kỹ thuật
Đồ án hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế hệ thống sấy tháp công nghiệp sấy ngô năng suất nhập liệu $1\text{ tấn/h}$, cung cấp đầy đủ các số liệu kỹ thuật nhiệt động và kích thước kết cấu có độ tin cậy cao.
Tổng hợp thông số công nghệ và cân bằng ẩm các vùng
Hệ thống xử lý lượng ẩm bốc hơi tổng cộng $W = 93,02\text{ kg/h}$, đưa $1.000\text{ kg/h}$ ngô tươi về $906,98\text{ kg/h}$ ngô khô bảo quản.
| Thông số công nghệ |
Vùng sấy 1 |
Vùng sấy 2 |
Vùng làm mát |
| Độ ẩm ngô vào / ra ($%$) |
$22,0 \to 18,0$ |
$18,0 \to 15,0$ |
$15,0 \to 14,0$ |
| Khối lượng ngô vào / ra ($\text{kg/h}$) |
$1.000 \to 951,22$ |
$951,22 \to 917,65$ |
$917,65 \to 906,98$ |
| Lượng ẩm bốc hơi $W_i$ ($\text{kg/h}$) |
$48,78$ |
$33,57$ |
$10,67$ |
| Nhiệt độ tác nhân sấy vào / ra ($^\circ\text{C}$) |
$60 \to 40$ |
$90 \to 60$ |
$25 \to 30$ |
| Nhiệt độ hạt ngô vào / ra ($^\circ\text{C}$) |
$30 \to 35$ |
$35 \to 50$ |
$50 \to 40$ |
| Lưu lượng không khí khô thực tế ($\text{kg kk/h}$) |
$6.504,00$ |
$4.044,58$ |
$1.753,09\text{ m}^3\text{/h}$ |
| Dung ẩm tác nhân sau sấy thực tế ($\text{kg/kg kk}$) |
$0,0306$ |
$0,0314$ |
$0,0287$ |
Bảng cân bằng nhiệt chi tiết của hai vùng sấy
Kết quả tính toán cân bằng năng lượng thực tế cho thấy tỷ lệ phân bổ nhiệt lượng cấp:
| STT |
Thành phần nhiệt lượng |
Vùng sấy 1 ($\text{kJ/kg ẩm}$) |
Tỷ lệ Vùng 1 ($%$) |
Vùng sấy 2 ($\text{kJ/kg ẩm}$) |
Tỷ lệ Vùng 2 ($%$) |
| 1 |
Nhiệt lượng có ích bốc ẩm ($q_{1i}$) |
$2.448,076$ |
$58,479$ |
$2.484,916$ |
$32,845$ |
| 2 |
Tổn thất do tác nhân sấy ($q_{2i}$) |
$1.396,000$ |
$33,347$ |
$3.784,337$ |
$50,021$ |
| 3 |
Tổn thất do vật liệu sấy mang đi ($q_{vi}$) |
$197,403$ |
$4,715$ |
$1.063,629$ |
$14,059$ |
| 4 |
Tổn thất qua vách ra môi trường ($q_{mi}$) |
$127,749$ |
$3,052$ |
$231,107$ |
$3,055$ |
| 5 |
Tổng nhiệt lượng tính toán ($q'_i$) |
$4.169,228$ |
$99,593$ |
$7.563,989$ |
$99,980$ |
| 6 |
Sai số tuyệt đối / tương đối ($\Delta q / \varepsilon$) |
$17,042$ |
$0,407%$ |
$1,553$ |
$0,020%$ |
| 7 |
Tổng nhiệt lượng cần thiết ($q_i$) |
$4.186,270$ |
$100,000$ |
$7.565,542$ |
$100,000$ |
Giải pháp kỹ thuật và đóng góp
- Phân vùng công nghệ hợp lý: Thiết kế phân tách rõ rệt hai vùng nhiệt độ sấy ($60^\circ\text{C}$ và $90^\circ\text{C}$) kết hợp một vùng làm mát hạ nhiệt cưỡng bức xuống $40^\circ\text{C}$ trước khi tháo liệu giúp ngô không bị ẩm cục bộ trở lại khi đóng bao và tránh rạn nứt cấu trúc tinh bột.
- Giải pháp trao đổi nhiệt ống cánh tối ưu: Việc lựa chọn ống thép có gắn cánh đồng tản nhiệt với hệ số làm cánh lớn ($\varepsilon_c = 9,642$) đã giải quyết triệt để sự chênh lệch lớn về hệ số tỏa nhiệt giữa hơi bão hòa ngưng tụ trong lòng ống ($\alpha_1 > 6.000\text{ W/m}^2\text{K}$) và không khí đối lưu phía ngoài ống ($\alpha_2 \approx 45 - 55\text{ W/m}^2\text{K}$), giúp thu nhỏ đáng kể kích thước cụm calorifer.
- Khống chế an toàn khí động: Vận tốc qua kênh dẫn được kiểm soát ở mức $1,434\text{ m/s}$ (thấp hơn nhiều so với ngưỡng giới hạn $6\text{ m/s}$), loại trừ nguy cơ cuốn trôi nông sản.
Hạn chế và hướng hoàn thiện
Từ các dữ kiện và phạm vi tính toán trong văn bản, đồ án tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:
- Giả thiết về trường vận tốc tác nhân: Vận tốc tác nhân sấy thổi qua lớp hạt trong tháp được giả định cố định ở giá trị kinh nghiệm $\omega = 0,3\text{ m/s}$ và vận tốc gió trong gian máy xưởng là $0,1\text{ m/s}$. Tác giả thừa nhận không thể kiểm tra lại chính xác giá trị này bằng thực nghiệm trong khuôn khổ đồ án, dẫn đến sai số tương đối nhất định trong cân bằng nhiệt ($0,407%$ ở Vùng 1).
- Tổn thất nhiệt theo dòng khí thải: Tỷ lệ tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang ra ngoài môi trường còn khá cao, đặc biệt ở Vùng sấy 2 chiếm tới $50,021%$ ($3.784,337\text{ kJ/kg ẩm}$).
- Mức độ chi tiết hóa hệ thống phụ trợ: Đồ án tập trung sâu vào tính toán nhiệt động và kết cấu tháp sấy chính cùng calorifer; các phần tính toán trở lực đường ống và gầu tải mới dừng ở mức xác lập thông số cơ bản, chưa đi sâu vào thiết kế chi tiết cụm cảm biến đo ẩm độ tự động và van điều khiển khí nén tự động hóa theo thời gian thực.
Hướng nghiên cứu hoàn thiện tiếp theo:
- Nghiên cứu giải pháp tuần hoàn một phần tác nhân sấy hoặc tích hợp thiết bị thu hồi nhiệt từ dòng khí thải nóng $60^\circ\text{C}$ của Vùng 2 để sấy gia nhiệt sơ bộ cho Vùng 1, nhằm cắt giảm tổn thất năng lượng.
- Khảo sát mô phỏng số khí động (CFD) trường vận tốc và áp suất dòng khí chuyển động qua mạng lưới kênh sole để tối ưu hóa hình học góc vát của kênh, giảm thiểu trở lực cục bộ.
Giá trị tham khảo
Bản đồ án thiết kế hệ thống sấy tháp của sinh viên Trần Quang Nam là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo ứng dụng cao đối với:
- Sinh viên các ngành Kỹ thuật Nhiệt, Năng lượng nhiệt, Máy và Thiết bị công nghệ Hóa chất - Thực phẩm, Cơ điện tử nông nghiệp khi thực hiện đồ án môn học Quá trình và Thiết bị, đồ án Thiết kế hệ thống sấy hoặc khóa luận tốt nghiệp kỹ sư.
- Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy chế biến nông sản: Cung cấp tài liệu quy chuẩn về phương pháp tính toán cân bằng nhiệt - ẩm nhiều vùng, xác định kích thước buồng sấy dạng tháp và tính toán thủy lực trở lực mạng gió.
- Các nội dung đáng tham khảo đặc biệt:
- Phương pháp phân bố giáng ẩm và chế độ nhiệt độ bậc thang cho nông sản dạng hạt cứng.
- Toàn bộ quy trình tính toán nhiệt - cấu tạo calorifer khí - hơi chùm ống có cánh đồng, bao gồm cách tra cứu và tính toán hệ số tỏa nhiệt đối lưu có cánh, hiệu suất cánh tản nhiệt và diện tích truyền nhiệt thực tế có tính đến hệ số bám bẩn.
- Bảng cân bằng nhiệt sấy thực tế với các bước lập luận giải tích mạch lạc về giá trị hiệu chỉnh $\Delta$.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ thống sấy tháp phân bố mức độ giảm ẩm của hạt ngô qua từng phân vùng như thế nào?
Quá trình sấy được chia thành 3 phân vùng kế tiếp: Vùng sấy 1 làm nhiệm vụ đốt nóng hạt và bốc hơi ẩm tự do, giảm độ ẩm từ $22%$ xuống $18%$ ($W_1 = 48,78\text{ kg/h}$); Vùng sấy 2 sấy sâu ở nhiệt độ cao hơn, giảm độ ẩm từ $18%$ xuống $15%$ ($W_2 = 33,57\text{ kg/h}$); Vùng làm mát tiếp tục bốc hơi lượng ẩm dư từ $15%$ xuống độ ẩm bảo quản $14%$ ($W_3 = 10,67\text{ kg/h}$).
2. Tại sao tác giả lựa chọn phương án gia nhiệt không khí bằng calorifer hơi nước thay vì đốt than củi trực tiếp hoặc điện trở?
Không khí ẩm gia nhiệt gián tiếp qua calorifer hơi nước đảm bảo môi chất sấy hoàn toàn sạch, không chứa tàn tro, muội than hay khí độc hại gây ô nhiễm thực phẩm như khi dùng khói lò trực tiếp. Đồng thời, nguồn nhiệt từ hơi nước bão hòa có chi phí vận hành rẻ hơn nhiều so với việc sử dụng điện trở công suất lớn, kết cấu thiết bị bền vững và dễ điều khiển áp suất hơi ổn định.
3. Tiêu chí khống chế vận tốc tác nhân sấy trong kênh thải tháp sấy là gì và đạt giá trị bao nhiêu?
Theo tiêu chuẩn kinh nghiệm, vận tốc của dòng tác nhân sấy khi đi ra khỏi các kênh thải không được vượt quá $6\text{ m/s}$ nhằm ngăn chặn hiện tượng lực khí động cuốn hạt ngô bay theo dòng khí thải vào đường ống và quạt hút. Trong thiết kế này, tác giả đã tính toán diện tích lưu thông của các kênh để đạt vận tốc thực tế là $1,434\text{ m/s}$, hoàn toàn đáp ứng ngưỡng an toàn kỹ thuật.
4. Cụm thiết bị calorifer Vùng sấy 1 được thiết kế với các thông số cấu tạo cơ bản nào?
Calorifer Vùng sấy 1 sử dụng hơi nước bão hòa áp suất $2\text{ bar}$ ($t_s = 120,23^\circ\text{C}$), tiêu hao $67,17\text{ kg hơi/h}$. Cụm trao đổi nhiệt gồm 63 ống thép đường kính $22/20\text{ mm}$, dài $0,4\text{ m}$, bên ngoài gắn cánh đồng mỏng dày $1\text{ mm}$, đường kính cánh $39\text{ mm}$, bước cánh $3\text{ mm}$ (hệ số làm cánh $\varepsilon_c = 9,642$). Cụm ống được xếp sole thành 7 hàng ngang $\times$ 9 ống/hàng, đạt tổng diện tích truyền nhiệt ngoài có cánh $F_2 = 14,914\text{ m}^2$.
5. Hiệu suất nhiệt có ích (nhiệt lượng dùng để bốc ẩm) trong tổng nhiệt lượng cấp của hai vùng sấy đạt bao nhiêu phần trăm?
Theo bảng cân bằng nhiệt sấy thực tế, ở Vùng sấy 1, nhiệt lượng có ích để làm bốc hơi ẩm đạt $2.448,076\text{ kJ/kg ẩm}$, chiếm tỷ lệ $58,479%$ tổng nhiệt cấp. Ở Vùng sấy 2, do tổn thất nhiệt theo tác nhân sấy thoát ra ngoài khá lớn ($50,021%$) và tổn thất do vật liệu mang đi tăng lên, nhiệt lượng có ích đạt $2.484,916\text{ kJ/kg ẩm}$, chiếm tỷ lệ $32,845%$ tổng nhiệt lượng cấp.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Quang Nam đã hoàn thành việc thiết kế kỹ thuật hệ thống sấy tháp sấy ngô năng suất $1\text{ tấn/h}$, bảo đảm các tiêu chuẩn về công nghệ nhiệt và an toàn vệ sinh nông sản. Tác giả đã tính toán cân bằng vật chất và năng lượng sấy thực tế, xác định kết cấu tháp sấy kích thước $3\text{ m} \times 2\text{ m} \times 13\text{ m}$ với hệ thống kênh sole chống cuốn hạt và thiết kế chi tiết 2 bộ calorifer khí - hơi ống cánh đồng đạt độ chính xác cao. Đồ án là tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh, có giá trị học thuật và thực tiễn đối với sinh viên cũng như cán bộ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Nhiệt - Lạnh và Công nghệ chế biến bảo quản nông sản sau thu hoạch.
