Thiết kế thiết bị sấy nông sản dùng năng lượng mặt trời

Tài liệu tham khảo kỹ thuật công nghệ cơ khí Thiết kế thiết bị sấy nông sản dùng năng lượng mặt trời

BÀI TẬP Môn học: SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

I ĐỀ BÀI

Một thiết bị sấy nông sản dùng năng lượng mặt trời có:

- Độ ẩm của vât liệu trước khi sấy là φo và sau khi sấy là φ2

- Nhiệt độ sấy lớn nhất cho phép là tmax

- Thời gian sấy τs

- Collector có chiều cao Hc, bề rộng Bc và chiều dài Lc

Xác định diện tích cần thiết của collector

Bảng số liệu cho sẵn và số liệu điều tra:

II.QUÁ TRÌNH TÍNH TOÁN:

Nhận xét:

+ Diện tích collector được tính toán dựa vào:

+ Nhiệt lượng cần thiết cho quá trình sấy được xác định theo quan hệ giữa diện tích của tấm hấp thụ với nhiệt lượng hữu ích do không khí mang ra khỏi collector

1 Tính toán nhiệt cho quá trình sấy.

+ Nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi 1kg nước từ vật sấy là:

Q = Gk.q =

0 2

0 1

d d

I I

−

−

(kJ/kg) Tra đồ thị I-d của không khí ẩm ta có

Với ϕ0 =72%, t0

mt = 250 ⇒d0 = 13.10-3 (kgẩm/kg.k2), I0 = 58,4 (kJ/kg.k2)

d2 do=d1

1

t

=

o

t

C B

A

1

i

d

0

i

Qúa trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d

Khi tăng nhiệt độ sấy lên t0

sấy = 650 giá trị độ chứa ẩm d không đổi vậy với

ϕ2 =18%, t0

sấy = 600 , d1 = d0 = 13.10-3 ⇒I1 = 100,46 (kJ/kg.k2), d2 = 27.10-3 (kgẩm/kg.k2)

10 13 10 27

4 , 58 46 , 100

−

− −

−

= 004 , 0

06 , 42 = 10515 (kJ/kg)

Gk: Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1kg nước.

Gk =

0 2

1

d

d − = 0,017 0,013

1

q: Nhiệt lượng cần thiết để đốt lóng 1kg không khí khô

q = I1 – I0 = 42,06

Vậy lượng nước cần bốc hơi từ vật liệu sấy là

W = G

2

2 0

ϕ

ϕ

−

−

Với G = 100 kg

%

72

0 =

ϕ , ϕ2 =18%

⇒W = 100

18 0 1

18 0 72 0

−

−

= 65,8 kg

- Nhiệt lượng cần thiết cho quá trình sấy với thời gian sấy là τs= 16h

Qs = W.Q

3600

103

s

103

= 12012 (w)

II/ Tính diện tích collector.

Tấm hấp thụ Tấm cách nhiệt

Hình 2: Sơ đồ biểu diễn quá trình truyền nhiệt trên collector phẳng.

Từ phương trình cân bằng năng lượng ta có

G = Qm-n + Qm-ph +Qs + Qu

G: Năng lượng đến

Kch

Tmt

S

Ttb

T

r

bt ht

R −

α

k ht

R −

α

Kd

G = E.Fc

E: Bức xạ toàn phần E = 5.076 kw/m2 = 5076 w/m2

Fc: Diện tích collecter (m2)

- Qm-ph Hao tổn quang học

Qm-ph = G.(1 – D.ε).

D: độ trong của tấm che: chọn tấm che là kính trắng thì D = 0.95

ε : độ hấp thụ của tấm hấp thụ; chọn tấm hấp thụ là hợp kim nhôm thì ε = 0.85.

⇒ Qm-ph = G.(1 – 0.95.0.85) = 0.1925.G

- Qm-n Tổn thất nhiệt tổng cộng

Qm-n = Fc.KG.(Tht – Tmt) (a)

kG: hệ số trao đổi nhiệt toàn phần

Tht: nhiệt độ tấm hấp thụ (0k)

Tmt: nhiệt độ môi trường (0k)

Vậy ta có:

G.D.ε = Qm-n + Qm-ph +Qs + Qu (*)

Từ (a) và (*) ⇒ Qu = G.D.ε - Fc.KG.(Tht – Tmt)

Vậy Fc =

) (

u

T T K

Q

−

−

Với

- Qu: là nhiệt lượng hữu ích do không khí mang ra khỏi collector

Qu = Qv = Qs

Qu : dòng nhiệt sử dụng

Qv : nhiệt lượng cần để tăng nhiệt độ không khí lên

Qs : nhiệt lượng cần để cung cấp cho quá trình sấy

Qv = Lo.cp(Tv – Tr) (W)

cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí (kJ/kg.k2)

cp = 0.2378 + 0.00002221.250 = 0.23835

Tv : nhiệt độ khí vào

Tv = Tmt = 273 + 25 = 298.0k

Tr : nhiệt độ khí ra

Tr = Tsấy = 273 + 65 = 338.0k

Lo = Gk.W

Với Gk = 25, W = 65.8 kg

⇒Lo = 25.65,8 = 1645 (kg/h).

Qv = Qu = Qs = 2402,4 (w)

- E : Bức xạ toàn phần

E = 5,076 kw/m2/ngày

- D : Độ trong tấm che

D = 0,95

- εht: Độ hấp thụ của tấm hấp thụ

ht

ε = ε = 0.85

Tmt : nhiệt độ môi trường

Tmt = Tv = 303.ok

KG: hệ số hao tổn nhiệt toàn phần, hệ số trao đổi nhiệt toàn phần được xác định theo công thức

KG =

k ht R d

bt ht R

d bt ht R ch k

ht R k ht R ch

d bt ht R

K

K K

K K

−

−

−

−

−

−

+ + +

+ +

+ +

+ +

−

2

2 1

2 1

2

2 1

) (

) ).(

.(

)

).(

(

α α α

α α

α α α

α α α

α α α

1

α : hệ số truyền nhiệt đối lưu đến dòng khí

2

α : hệ số truyền nhiệt đối lưu đến tấm che

α1= α2=

h

N u.λ

Nu : hệ số Nussel : xác định theo điều kiện chảy rối

Nu = 0,0158.Re0,8

Re : hệ số Reynol được xác định như sau

Re =

ν h

D

V 1

Dh: bán kính thuỷ lực

Dh chọn có giá trị bằng bc

bc : là chiều rộng Collecter

bc = 2m ⇒ Dh = 2m

h : là chiều dày collecter h = 2m

Vậy diện tích mặt cắt ngang collecter là :

S = bc.h = 2.0,2 = 0,4 m2

V1 : vận tốc dòng khí (m/s)

Cho V1 = 0,2 m/s

Tra bảng ta có ν = 15,7.10-6 (m2/s)

⇒Re =

ν h

D

V 1

10 7 , 15

2 2 , 0

− = 2,53.104 = 25300 ⇒Nu = 0,0158.253000,8 = 53,62

- Hệ số truyền nhiệt đối lưu α1 đến dòng khí và α2đến tấm che được xác định như sau

α1 = α2 =

h

N u.λ

= 2

62 ,

λ: hệ số dẫn nhiệt của không khí (W/mok)

Tra bảng ta được λ = 2,67.10-2 W/mok

⇒α1 = α2 =

h

N u.λ

=

2

10 67 , 2 62 ,

= 0,7025

Hệ số truyền nhiệt bức xạ giữa tấm hấp thụ và tấm che cản bức xạ nhiệt có thể tính với giả thiết hai tấm song song vô cùng lớn

) ).(

.

− +

− +

=

−

k ht

ch ht ch ht k

ht R

T T T T

ε ε

σ α

σ : Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối

σ = 5,67.10-8 W/m2.k4

k

ε : độ đen của tấm che : εk+ D = 1

ht

ht

Tch: nhiệt độ tấm che

Tch = Tmt + 5 = 298 + 5 = 303 ok

Tht: nhiệt độ tấm hấp thụ

Tht = Ttb +

1

α

εht E D

Với: εht= 0,85 ; D = 0,9 ; E = 5,076 kWh/m2/ngày = 5076 Wh/m2/ngày.

1

Mà Ttb =

2

r

v T

T +

= 2

338

= 318 ok

⇒Tht = 318 +

7025 , 0

9 , 0 076 , 5 85 , 0

= 323,8ok

) ).(

.

− +

+ +

=

−

k ht

ch ht ch ht k

ht

R

T T T T

ε ε

σ α

1 05 , 0

1 85 , 0 1

303 8 , 323 303 8

, 323 10 67 ,

− +

+ +

−

= 0,35

Hệ số truyền nhiệt bức xạ từ tấm hấp thụ đến bầu trời tính theo công thức

bt ch

bt ch ht bt

ht R

T T

T T D

−

−

=

−

4 4

.ε σ α

Với Tbt = Tmt – 6 = 298 - 6 = 292 ok

bt ch

bt ch ht bt

ht

T T D

−

−

=

−

4 4

.ε σ

292 303

292 303

10 67 , 5 85 , 0 9 ,

−

−

−

= 4,57 -Hệ số hao tổn mặt trên Kch được xác định như sau

Kch = αw+αR.k−bt

Với αw = 2,8 + 3.vn

với vn là vận tốc gió chọn vn = 1 m/s

⇒αw = 2,8 + 3.1 = 5,8 m/s

bt ch

bt ch k bt k

R

T T

T T

−

−

=

−

4 4

.σ ε

292 303

292 303

10 67 , 5 05 ,

−

−

−

= 0,298

⇒Kch = αw +αR.ht−bt = 5,8 + 0,298 = 6,098

Đối với collector không khí có một tấm che thì hao tổn nhiệt mặt trên mang tính áp đảo do đó có thể bỏ qua các giá trị Kd, Ks lần lượt là các hệ số truyền nhiệt mặt lưng và mặt bên ra ngoài môi trường

Vậy hao tổn nhiệt toàn phần được xác định như sau

KG =

k ht R ch

k ht R

d bt ht R ch k

ht R k ht R ch

d bt ht

R

K

K K

K K

−

−

−

−

−

−

+ + +

+ +

+ +

+ +

−

2

2 1

2 1

2

2 1

) (

) ).(

.(

)

).(

(

α α α

α α

α α α

α α α

α α α

=

35 , 0 7025 , 0 ) 098 , 6 35 , 0 7025 , 0 (

7025 , 0

) 7025 , 0 7025 , 0 ).(

0 57 , 4 (

098 , 6 ) 7025 , 0 35 , 0 35 , 0 7025 , 0 7025 , 0 ).(

098 , 6 0

57

,

4

(

+ +

+

+ +

+ +

+ +

−

= 9,64

E =

n tx E

τ

3

10

=

8

10 076 ,

= 634,5 (w/m2)

Vậy diện tích của collector là:

Fc =

) (

u

T T K

Q

−

−

12012

−

−

= 45,56 (m2)