Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mô hình sấy hành lá bằng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt 2

27 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THYẾT 2 1 Lý thuyết tính toán về sấy vật liệu Hình 2 1 Sơ đồ và đồ thị I d của quá trình sấy Không khí từ quạt (A) có các thông số , ,d, đƣợc đƣa vào ộ gia nhiệt (B), ra khỏi (B) không khí ẩm có nhiệt độ t ng lên , độ ẩm giảm xuống < , độ chứa hơi không đổi = , entanpi t ng lên Không khí nóng này đƣợc đƣa vào buồng sấy (C) làm cho vật sấy bốc hơi nƣớc vào không khí Nhiệt độ không khí sẽ giảm xuống , độ ẩm t ng lên > , độ chứa hơi t ng lên và Entanpi không đổi = , các quá trì.

CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THYẾT 2.1 Lý thuyết tính tốn sấy vật liệu Hình 2.1 Sơ đồ đồ thị I-d q trình sấy Khơng khí từ quạt (A) có thơng số , ,d, đƣợc đƣa vào ộ gia nhiệt (B), khỏi (B) khơng khí ẩm có nhiệt độ t ng lên , độ ẩm giảm xuống khơng đổi Khơng khí nóng đƣợc đƣa vào = , entanpi t ng lên < , độ chứa buồng sấy (C) làm cho vật sấy bốc nƣớc vào khơng khí Nhiệt độ khơng khí giảm xuống đổi = , độ ẩm t ng lên > , độ chứa t ng lên , trình đƣợc biểu diễn hình 2.1 27 Entanpi khơng Q trình sấy đƣợc chia làm hai giai đoạn Giai đoạn đốt nóng khơng khí giai đoạn sấy + Giai đoạn đốt nóng khơng khí 1-2: Ở d = const, giảm, nhiệt độ không khí t t ng + Giai đoạn sấy 2-3: Ở entanpi khơng khí I = const, d t ng, nhiệt độ khơng khí t giảm Lƣợng khơng khí khơ cần thiết để làm ay kg ẩm vật sấy ( Trong ⁄ (2-1) ) - độ chứa tác nhân vào sấy, - độ chứa cuối trình sấy Nhiệt lƣợng cần để làm ay kg nƣớc vật sấy ( ⁄ Với , (2-2) ) - độ chứa entanpi khơng khí trạng thái an đầu, - độ chứa entanpi cuối trình sấy Trong kỹ thuât sấy, tác nhân sấy thƣờng dùng khơng khí khói lị Khơng khí khói lị hỗn hợp khơng khí khơ nƣớc khói khơ nƣớc Do vậy, tính tốn sấy, ngƣời ta xem khơng khí khói lị hỗn hợp khí lý tƣởng Dƣới số thơng số vật lý khơng khí ẩm - Độ ẩm tuyệt đối khơng khí ẩm: khối lƣợng nƣớc khơng khí ẩm ( Trong đó: ⁄ (2-3) ) (kg) - lƣợng nƣớc, V (m3) - thể tích khơng khí ẩm - Độ ẩm tƣơng đối khơng khí ẩm tỷ số độ ẩm tuyệt đối khơng khí ẩm chƣa ão hịa ρh khơng khí ẩm ão hịa 28 nhiệt độ (2-4) Ở đây: - phân áp suất nƣớc khơng khí ẩm chƣa ảo hịa, - phân áp suất nƣớc khơng khí ẩm bảo hịa - Độ chứa lƣợng nƣớc khơng khí ẩm ứng với kg khơng khí khơ ( ) (2-5) - Entanpi khơng khí ẩm tổng entanpi kg khơng khí khơ d kg nƣớc I =1,0048 t + d (2500 + 1,842.t) (kJ/kgkk) (2-6) Trong đó: t (ᴼC) - nhiệt độ khơng khí ẩm, d (kg/kg) - độ chứa - Nhiệt độ bão hịa đoạn nhiệt: Khi khơng khí tiếp xúc với nƣớc, ay nƣớc vào khơng khí nhiệt khơng khí truyền cho nhiệt độ khơng khí ẩm bão hịa gọi nhiệt độ bão hòa đoạn nhiệt τ (nhiệt độ τ lấy gần ằng nhiệt độ nhiệt kế ƣớt τ ≈ ) - Nhiệt độ đọng sƣơng : Nhiệt độ đọng sƣơng nhiệt độ khơng khí ẩm chƣa ảo hịa trở thành khơng khí ẩm bão hịa điều kiện phân áp suất nƣớc không đổi ( = const), biết ta tìm đƣợc nhiệt độ đọng sƣơng (dựa vào ảng nƣớc nƣớc bảo hòa) 2.2 Lý thuyết tính tốn Bơm nhiệt 2.2.1 Q trình sấy lạnh bơm nhiệt hồi lưu tồn phần khí thải Trong thực tế q trình sấy lạnh áp dụng hai trƣờng hợp: Sấy lạnh ơm nhiệt hồi lƣu tồn ộ khí thải Sấy lạnh ơm nhiệt thải bỏ tác nhân Dƣới xin giới thiệu lần lƣợt cho trƣờng hợp: 29 Hình 2.2 Biểu diễn nguyên lý sấy lạnh ơm nhiệt hồi lƣu tồn phần khí thải 1-máy nén; 2-van tiết lƣu; 3-van điều chỉnh; 4-quạt cấp khí; 5-dàn ay thứ nhất; 6- dàn ay số 2; quạt nhất; dàn ngƣng phụ; 9- đƣờng ống cấp khí; 10- buồng sấy; 11-khay sấy; 12- dàn ngƣng Hình 2.3 Cấu tạo, bố trí thiết bị nguyên lý máy sấy lạnh ơm nhiệt hồi lƣu tồn phần khí thải 30 1.Dàn ngƣng phụ; 2.Quạt dàn ngƣng phụ; Bình tách lỏng; Máy nén; Dàn ay hơi; 6.Đƣờng ống hồi lƣu; Lƣới sàng; Khay vật liệu; 9.Đầu phát vi sóng; 10 Cảm biến nhiệt độ; 11 Tủ điện điều khiển vi sóng; 12 Dàn ngƣng chính; 13 Quạt ly tâm; 14 Tủ điện điều khiển ơm nhiệt; 15 Đồng hồ đo điện n ng tiêu thụ Hình 2.4 Cấu trúc máy sấy ơm nhiệt hồi lƣu tồn phần khí thải kết hợp gia nhiệt bổ sung vi sóng Hình 2.5 Bố trí thiết bị máy sấy lạnh hồi lƣu tồn phần khí thải ơm nhiệt 31 Hình 2.6 Đồ thi I-d biểu diễn trình sấy lạnh ơm nhiệt (làm lạnh, tách ẩm, gia nhiệt,sấy hồi lƣu tồn phần khí thải) Tính nhiệt lƣợng riêng cần làm lạnh kg khơng khí ẩm sau buồng sấy đến trạng thái đầu ngƣng tụ ẩm: ( (2-7) ) Tính cơng suất làm lạnh riêng (làm lạnh kg khơng khí từ trạng thái C đến trạng thái D) ( ) (2-8) Nếu ta tiếp tục làm mát khơng khí cho nhiệt độ khơng khí cuối q trình nhỏ nhiệt độ đọng sƣơng, lúc nƣớc có khơng khí bị tách nhƣ độ chứa khơng khí bị giảm, q trình đƣợc gọi q trình làm lạnh có tách ẩm Độ chứa chứa khơng khí ẩm ( < ) Tính nhiệt lƣợng riêng để tách ẩm khỏi kg khơng khí dàn lạnh ( ) (2-9) Nhiệt lƣợng tổng cộng từ trình làm lạnh đẳng dung ẩm tách nƣớc dàn lạnh đƣợc tính ( ) Tính cơng suất dàn lạnh 32 (2-10) ( ) (2-11) Trong đó: - Lƣu lƣợng khối lƣợng quạt thổi khí qua dàn lạnh, kg/s; - Nhiệt lƣợng riêng khơng khí ẩm điểm C, kJ/kg; - Nhiệt lƣợng riêng khơng khí ẩm điểm A, kJ/kg; - Cơng suất dàn lạnh, kW Tính nhiệt lƣợng riêng trình sấy ( ) (2-12) Tính nhiệt lƣợng q trình sấy lạnh ( ) (2-13) Trong đó: W- tổng lƣợng nƣớc cần lấy từ trình sấy, kg; - nhiệt lƣợng riêng sấy, kJ/ kg ẩm - nhiệt lƣợng trình sấy lạnh, kJ d = (dc- dA) - lƣợng nƣớc đƣợc tách đƣợc tách từ dàn lạnh, kg nƣớc/ kg khơng khí; 33 MN-máy nén; NT1-dàn ngƣng chính; NT2-dàn ngƣng phụ; BH1-dàn ay 1; BH2- dàn ay 2; V5;V6-van tiết lƣu; V1V2;V3;V4; V8-van điều chỉnh Hình 2.7 Hai dàn lạnh mắc song song mắc nối tiếp Khơng khí sau đƣợc tách ẩm dàn lạnh, tiếp tục đƣợc thổi qua dàn ngƣng tụ để gia nhiệt đến nhiệt độ sấy Tính nhiệt lƣợng riêng q trình gia nhiệt khơng khí khơ lạnh từ điểm A lên nhiệt độ sấy ( điểm B) đƣợc tính 34 ( ) (2-14) Lúc cơng suất dàn nóng (dàn ngƣng tụ) máy lạnh cấp nhiệt cho khơng khí thành tác nhân sấy đƣợc tính: ( ) (2-15) Trong đó: - lƣu lƣợng khối lƣợng quạt thổi khí qua dàn nóng, kg/s; - nhiệt lƣợng riêng khơng khí ẩm điểm B, kJ/kg; - nhiệt lƣợng riêng khơng khí ẩm điểm A, kJ/kg; - cơng suất dàn nóng, kW 2.2.2 Q trình sấy lạnh bơm nhiệt thải khí sau buồng sấy 1-Máy nén; 2-Dàn ngƣng tụ; 3- Điện trở gia nhiệt phụ; 4- Dụng cụ đo độ ẩm không khí nhiệt độ; 5-Quạt thổi; 6-Ghi phân phối khí sấy vật liệu; 7-buồng chứa vật liệu sấy; 8-Buồng sấy; dụng cu đo nhiệt độ;10-dàn lạnh tách ẩm từ khơng khí; 11-cửa điều chỉnh lƣu lƣợng khí cấp vào uồng sấy; 12 –Cốc chứa nƣớcngƣng tụ; 13 Van tiết lƣu; 14- đƣờng ống môi chất lạnh máy nén Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý sấy lạnh ơm nhiệt có ổ sung nhiệt chế độ sấy thải bỏ tác nhân 35 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý máy sấy lạnh ơm nhiệt có cấp bổ sung nhiệt chế độ sấy thải bỏ khí thải sau buồng sấy Biểu diển trình sấy lạnh thải bỏ tác nhân đƣợc biểu diễn đồ thị i-d nhƣ sau: Hình 2.10 Đồ thị I-d biểu diễn trình sấy lạnh thải bỏ tác nhân ằng ơm nhiệt có cấp bổ sung nhiệt Tính nhiệt lƣợng riêng cần làm lạnh kg khơng khí trời đến trạng thái đầu ngƣng tụ ẩm: ( ) (2-16) Nếu ta tiếp tục làm mát khơng khí trời đƣa vào cho nhiệt độ khơng khí cuối q trình nhỏ nhiệt độ đọng sƣơng, lúc nƣớc có khơng khí bị 36 tách (q trình làm lạnh có tách ẩm) Độ chứa chứa khơng khí ẩm ( < ) Tính nhiệt lƣợng riêng tách ẩm cho kg khơng khí trời dàn lạnh ( ) (2-17) Tính nhiệt lƣợng riêng cần sử dụng để tách ẩm kg khơng khí từ trạng thái khơng khí trời đến trạng thái khơng khí khơ (sau khỏi dàn lạnh)\ ( ) (2-18) Tính cơng suất dàn lạnh ( ) (2-19) Trong đó: - Lƣu lƣợng khối lƣợng quạt thổi khí qua dàn lạnh, kg/s; - Nhiệt lƣợng riêng khơng khí trời điểm C, kJ/kg; - Nhiệt lƣợng riêng khơng khí điểm A, kJ/kg; - Công suất dàn lạnh, kW Tính nhiệt lƣợng riêng q trình sấy ( ) (2-20) Tính nhiệt lƣợng q trình sấy lạnh ( ) Trong W- tổng lƣợng nƣớc cần lấy từ trình sấy, kg; - nhiệt lƣợng riêng sấy, kJ/ kg ẩm - nhiệt lƣợng trình sấy lạnh, kJ 37 (2-21) d = (dc- dA) - lƣợng nƣớc đƣợc tách đƣợc tách từ dàn lạnh, kg nƣớc/ kg khơng khí; Tính cơng suất dàn lạnh: Khơng khí sau qua dàn lạnh tách ẩm đƣợc tiếp tục đƣa qua dàn ngƣng tụ ộ gia nhiệt phụ, khơng khí đƣợc gia nhiệt đến nhiệt độ sấy Tính nhiệt lƣợng riêng cần gia nhiệt kg khơng khí tƣ dàn lạnh đến trạng thái thành tác nhân sấy ( ) (2-22) Tính cơng suất dàn nóng ( dàn ngƣng tụ) ( ) (2-23) 2.3 Lý thuyết tính tốn lƣợng mặt trời Cƣờng độ xạ mặt trời mặt đất chủ yếu phụ thuộc yếu tố: góc nghiêng tia sáng mặt phẳng bề mặt điểm cho độ dài đƣờng tia sáng khí hay nói chung phụ thuộc vào độ cao mặt trời (Góc phƣơng từ điểm quan sát đến mặt trời mặt phẳng nằm ngang qua điểm đó) Yếu tố ản xác định cƣờng độ xạ mặt trời điểm trái đất quãng đƣờng qua Sự mát n ng lƣợng quãng đƣờng gắn liền với tán xạ, hấp thụ xạ phụ thuộc vào thời gian ngày, mùa, vị trí địa lý Quan hệ xạ mặt trời ngồi khí thời gian n m xác định theo phƣơng trình sau: ( Trong đó: ) (2-24) ức xạ ngồi khí đƣợc đo mặt phẳng vng góc với tia xạ vào ngày thứ n n m  Tính tốn góc tới xạ, trực xạ 38 Ta cần tìm hiểu số khái niệm: - Hệ số khối khơng khí m: tỷ số khối lƣợng khí theo phƣơng tia ức xạ truyền qua khối lƣợng khí theo phƣơng thẳng đứng (tức mặt trời thiên đỉnh) - Trực xạ: ức xạ mặt trời nhận đƣợc không ị bầu khí phát tán Đây dịng ức xạ có hƣớng thu đƣợc ộ thu kiểu tập trung (hội tụ) - Tán xạ: ức xạ mặt trời nhận đƣợc sau hƣớng ị thay đổi sự phát tán bầu khí - Tổng xạ: tổng trực xạ tán xạ bề mặt (phổ biến tổng xạ bề mặt nằm ngang, thƣờng gọi - Cƣờng độ xạ ( ức xạ cầu ề mặt) ): cƣờng độ n ng lƣợng xạ mặt trời đến bề mặt tƣơng ứng với đơn vị diện tích bề mặt Cƣờng độ xạ ao gồm cƣờng độ xạ trực xạ quang phổ , cƣờng độ xạ tán xạ cƣờng độ xạ - N ng lƣợng xạ ( ): n ng lƣợng xạ mặt trời truyền tới đơn vị diện tích ề mặt khoảng thời gian - Giờ mặt trời: thời gian dựa chuyển động biểu kiến mặt trời bầu trời, với quy ƣớc mặt trời ngọ thời điểm mặt trời qua thiên đỉnh ngƣời quan sát - Góc v độ : vị trí góc tƣơng ứng với v độ phía ắc phía nam đƣờng xích đạo trái đất, với hƣớng phái ắc hƣớng dƣơng, -90ᴼ   90ᴼ -Góc nghiêng : góc mặt phẳng bề mặt tính tốn phƣơng nằm ngang, 0 180ᴼ (>90ᴼ ngh a ề mặt nhận xạ hƣớng xuống phía dƣới) -Góc phƣơng vị bề mặt : góc lệch hình chiếu pháp tuyến bề mặt mặt phẳng nằm ngang so với đƣờng kinh tuyến Góc  = bề mặt quay 39 hƣớng nam,  lấy dấu (+) bề mặt quay phía tây lấy dấu (-) bề mặt quay phía đơng.-180ᴼ   180ᴼ Hình 2.11 Quan hệ góc hình học tia xạ mặt trời mặt phẳng nghiêng - Góc : góc chuyển động vị trí mặt trời phía đơng phía tây kinh tuyến địa phƣơng trình quay trái đất quanh trục lấy giá trị 15ᴼ cho đồng hồ, buổi sáng lấy (-), buổi chiều lấy đấu (+) - Góc tới : góc tia xạ truyền tới bề mặt pháp tuyến bề mặt - Góc thiên đỉnh : góc phƣơng thẳng đứng (thiên đỉnh) tia ức xạ tới Trong trƣờng hợp bề mặt nằm ngang góc thiên đỉnh góc tới  - Góc cao mặt trời : góc phƣơng nằm ngang tia ức xạ truyền tới, tức góc phụ góc thiên đỉnh - Góc phƣơng vị mặt trời : góc mặt phẳng ngang đƣợc đo từ trục phƣơng Nam đến hình chiếu mặt ngang tia mặt trời Góc lấy dấu (-) hình chiếu lệch phía đơng lấy dấu dƣơng (+) lệch phía tây - Góc lệch : vị trí góc mặt trời tƣơng ứng với mặt trời 12 so với mặt phẳng xích đạo trái đất, với hƣớng phái ắc hƣớng dƣơng.-23,45ᴼ    23,45ᴼ Góc lệch  tính tốn theo phƣơng trình Cooper: ( ) 40 (2-25) Trong n thứ tự ngày n m - Quan hệ loại góc đặc trƣng biểu diễn phƣơng trình góc tới  góc khác nhƣ sau: cos = sin.sin.cos - sin.cos.sin .cos  cos.cos.cos .cos + cos.sin.sin .cos.cos  cos.sin .sin.sin (2-26) Và cos  cos cos   sin sin .cos( s  ) Trong đó: cos  cos.cos.cos  sin.sin (2-27)  Bức xạ mặt trời khí lên mặt phẳng nằm ngang: Tại thời điểm bất kỳ, xạ mặt trời đến bề mặt nằm ngang ngồi khí đƣợc xác định theo phƣơng trình: ( ) (2-28) N ng lƣợng xạ mặt trời mặt phẳng nằm ngang ngày: ( )( (2-29) )  góc mặt trời lặn (tức góc  = 900) (2-30) N ng lƣợng xạ mặt phẳng nằm ngang định đƣợc xác định: 41 ( ( )[ ) ( ) (2-31) ]  Tổng cƣờng độ xạ mặt trời lên ề mặt trái đất Tổng xạ mặt trời lên bề mặt đặt mặt đất bao gồm phần trực xạ tán xạ Phần trực xạ đƣợc khảo sát Phần tán xạ tƣơng đối phức tạp Hƣớng xạ khuếch tán truyền tới bề mặt hàm số độ mây độ st khí quyển, đại lƣợng lại thay đỏi nhiều Có thể xem xạ tán xạ tổng hợp thành phần - Thành phần tán xạ đẳng hƣớng: phần tán xạ nhận đƣợc đồng từ tồn ộ vịm trời - Thành phần tán xạ quanh tia: phần tán xạ bị phát tán xạ mặt trời xung quanh tia mặt trời - Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đƣờng chân trời Hình 2.12 Sơ đồ phân ố thành phần xạ khuếch tán Góc khuếch tán mức độ định phụ thuộc độ phản xạ Rg (còn gọi al edo suất phân chiếu) mặt đất Những bề mặt có độ phản xạ cao (ví dụ bề mặt tuyết 42 xốp có Rg = 0,7) phản xạ mạnh xạ mặt trời trở lại bầu trời lần lƣợt bị phát tán trở thành thành phần tán xạ chân trời Nhƣ xạ mặt trời truyền đến bề mặt nghiêng tổng dòng ức xạ bao gồm: trực xạ , thành phần tán xạ , , ức xạ phản xạ từ , bề mặt khác lân cận (2-32) Tuy nhiên việc tính tốn đại lƣợng tán xạ phức tạp Vì ngƣời ta giả thiết kết hợp xạ khuếch tán ức xạ phản xạ mặt đất đẳng hƣớng, ngh a tổng xạ khuếch tán từ bầu trời ức xạ phản xạ mặt đất nhƣ trƣờng hợp không phụ thuộc hƣớng bề mặt Nhƣ tổng xạ ề mặt nghiêng tổng trực xạ ngang tán xạ mặt nằm Khi bề mặt nghiêng tạo góc β so với phƣơng nằm ngang có tổng xạ tổng thành phần ( ) ( ) Trong đó: tổng xạ ề mặt nằm ngang (1+cosβ)/2 = hệ số góc bề mặt bầu trời (1-cosβ)/2 = hệ số góc bề mặt mặt đất hệ số phản xạ mơi trƣờng xung quanh 43 (2-33) Hình 2.13 Các thành phần xạ lên ề mặt ngang Và ta có tỷ số xạ bề mặt nghiêng góc β so với bề mặt ngang (2-34) Trong đó: cƣờng độ xạ mặt trời tới theo phƣơng ất kỳ ức xạ mặt trời theo phƣơng vng góc với mặt nằm ngang ức xạ mặt trời theo phƣơng vng góc với mặt phẳng nghiêng Trong tính tốn kỹ thuật, coi cƣờng độ xạ tới mặt đất hàm thời gian τ, tính từ lúc mặt trời mọc τ = đến mặt trời lặn τ = Với = 24h = 24.36000s, nhƣ sau ( ) (2-35) φ(τ) = ω.τ góc nghiêng tia nắng so với mặt đất ( ) tốc độ góc tự xoay trái đất (W/ ) cƣờng độ xạ cực đại ngày, lấy trị trung ình n m theo số liệu đo lƣờng thực tế v độ cần xét 44 Hình 2.14 Bức xạ trực xạ ề mặt nằm ngang nghiêng 2.4 Kết luận chƣơng Trong chƣơng tác giả trình ày sở tính tốn lý thuyết trình sấy, sấy ơm nhiệt, lý thuyết tính tốn n ng lƣợng mặt trời Với q trình sấy ơm nhiệt để đơn giản việc chế tạo tác giả lựa chọn trình sấy lạnh ơm nhiệt thải khí sau uồng sấy Các sở tính tốn lý thuyết chƣơng phục vụ cho việc tính tốn cho ài tốn sấy NLMT sấy ơm nhiệt chƣơng 45 ... lạnh máy nén Hình 2. 8 Sơ đồ nguyên lý sấy lạnh ơm nhiệt có ổ sung nhiệt chế độ sấy thải bỏ tác nhân 35 Hình 2. 9 Sơ đồ nguyên lý máy sấy lạnh ơm nhiệt có cấp bổ sung nhiệt chế độ sấy thải bỏ khí... mặt mặt đất hệ số phản xạ môi trƣờng xung quanh 43 (2- 33) Hình 2. 13 Các thành phần xạ lên ề mặt ngang Và ta có tỷ số xạ bề mặt nghiêng góc β so với bề mặt ngang (2- 34) Trong đó: cƣờng độ xạ mặt. .. đƣợc gia nhiệt đến nhiệt độ sấy Tính nhiệt lƣợng riêng cần gia nhiệt kg khơng khí tƣ dàn lạnh đến trạng thái thành tác nhân sấy ( ) (2- 22) Tính cơng suất dàn nóng ( dàn ngƣng tụ) ( ) (2- 23) 2. 3 Lý