tính toán thiết kế chế tạo hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp điện trở

CÁC PHƯƠNG PHÁP SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM Dựa vào trạng thái tác nhân sấy hay cách tạo ra động lực quá trình dịch chuyển ẩm ra khỏi vật liệu ẩm mà chúng ta có hai phương pháp sấy: Ph = Tro

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT KẾT HỢP ĐIỆN TRỞ

MÃ SỐ: T2011 - 42

Tp Hồ Chí Minh, 2011

S 0 9

S KC 0 0 3 3 0 7

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT KẾT HỢP ĐIỆN TRỞ

MÃ SỐ: T2011- 42

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: NGUYỄN LÊ HỒNG SƠN

TP Hoà Chí Minh, 2011

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

Chương 1: MỞ ĐẦU 2

1.1 Đặt vấn đề: 2

1.2 Mục đích nghiên cứu: 2

1.3 Đối tượng nghiên cứu: 2

1.4 Giới hạn nghiên cứu: 2

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM BẰNG BƠM NHIỆT 3

2.1 Các phương pháp sấy nông sản thực phẩm: 3

2.2 Bơm nhiệt sấy nông sản thực phẩm: 4

Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT 7

3.1 Tính toán thiết kế máy sấy bơm nhiệt: 7

3.2 Mô hình máy sấy: 37

Chương IV: KẾT LUẬN 40

4.1 Kết luận: 40

4.2 Đề nghị: 40

TÀI KIỆU THAM KHẢO 41

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tác giả tiến hành thiết kế, chế tạo thử nghiệm máy sấy lạnh

Mục đích của nghiên cứu là đưa ra một phương pháp chung để xác định chế độ sấy tiến tới xây dựng một thư viện chế độ sấy bơm nhiệt với các loại nông sản thực phẩm

1.2 Mục đích nghiên cứu:

Đưa ra một mô hình về thiết bị sấy bơm nhiệt giúp sinh viên chuyên ngành ứng dụng lý thuyết đã học vào mô hình thực tế

1.3 Đối tƣợng nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là hệ thống sấy bơm nhiệt tại nhiệt độ thấp kết hợp

điện trở

1.4 Giới hạn nghiên cứu:

Trong phạm vi đề tài “Nghiên cứu chế tạo máy sấy bơm nhiệt kết hợp điện trở”, tác giả sẽ tập trung đưa ra thể thức nghiên cứu lý thuyết và chế tạo mô hình thực nghiệm

3

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM

BẰNG BƠM NHIỆT

Có rất nhiều NSTP như hoa quả, rau, gia vị, thảo mộc được sấy Theo một thống kê chưa đầy

đủ cña FAO ( tổ chức lương thực và nông nghiệp liên hợp quốc) thì khoảng 20% tổng sản lượng rau quả của thế giới được sấy, 50% được dïng khi còn tươi, 20% được bảo quản lạnh, 5% đóng lon và 5% muối chua

Nhu cầu tiêu thụ nông sản thực phẩm trên thế giới hiện nay đã tăng gấp 3 lần so với những năm 80, và sản lượng cũng tăng theo để đáp ứng nhu cầu đó, chính vì thế, việc sấy nông sản thực phẩm để bảo quản được lâu trong vận chuyển buôn bán ngày càng được quan tâm hơn Có rất nhiều phương pháp được dùng để sấy NSTP, sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu một số phương pháp thường dùng

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM

Dựa vào trạng thái tác nhân sấy hay cách tạo ra động lực quá trình dịch chuyển ẩm ra khỏi vật liệu ẩm mà chúng ta có hai phương pháp sấy:

Ph =

Trong đó: B: áp suất môi trường (áp suất khí trời)

- Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể trên dưới nhiệt độ môi trường (t > 0 oC) và cũng có thể nhỏ hơn 0 o

d

d B



621,0

4

 HTS thăng hoa:

HTS thăng hoa là HTS lạnh mà trong đó ẩm trong VLS ở dạng rắn trực tiếp biến thành hơi đi vào TNS Trong HTS này người ta tạo ra môi trường trong đó nước trong VLS ở dưới điểm 3 thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu T<273 o

K và áp suất TNS bao quanh vật P<610 Pa Khi đó nếu VLS nhận được nhiệt lượng thì nước trong VLS ở dạng rắn sẽ chuyển trực tiếp sang dạng hơi và đi vào TNS Như vậy trong HTS thăng hoa, một mặt ta làm lạnh vật xuống dưới 0 o

C mặt khác tạo chân không xung quanh VLS

 HTS chân không:

Nếu nhiệt độ VLS vẫn nhỏ hơn 273 oK nhưng áp suất TNS bao quanh vật P>610 Pa thì khi VLS nhận nhiệt lượng, nước trong VLS ở dạng rắn không thể chuyển trực tiếp thành hơi để đi vào TNS mà trước khi biến thành hơi, nước phải chuyển từ thể rắn qua thể lỏng

 Ưu điểm của phương pháp sấy lạnh:

 Các chỉ tiêu về chất lượng như màu cảm quan, mùi vị, khả năng bảo toàn vitamin C cao

 Thích hợp để sấy các loại vật liệu sấy yêu cầu chất lượng cao, đòi hỏi phải sấy ở nhiệt độ thấp

 Sản phẩm bảo quản lâu và ít bị tác động bởi điều kiện bên ngoài

 Quá trình sấy kín nên không phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường

 Nhược điểm của phương pháp sấy lạnh:

 Giá thành thiết bị cao, tiêu hao điện năng lớn

 Vận hành phức tạp, người vận hànhcần có trình độ kỹ thuật cao

 Cấu tạo thiết bị phức tạp, thời gian sấy lâu

 Nhiệt độ môi chất sấy thường gần nhiệt độ môi trường nên chỉ thích hợp với một số loại vật liệu, không sấy được các vật liệu dể bị vi khuẩn làm hư hỏng ở nhiệt độ môi trường như bị

ôi, thiu, mốc…

 Do cuốn bụi nên có thể gây tắc tại thiết bị làm lạnh

2.2 BƠM NHIỆT SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM

Bơm nhiệt là thiết bị dùng để đưa một dòng nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt Để duy trì bơm nhiệt hoạt động cần phải tiêu tốn một dòng năng lượng khác như nhiệt năng, điện năng Trong đề tài này chỉ đề cấp đến bơm nhiệt

nén hơi dùng để sấy các loại NSTP

Sấy bằng bơm nhiệt có nhiều thuận lợi hơn sấy bằng không khí nóng thông thường để sấy sản phẩm NSTP, cụ thể là: quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ thấp, hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn do cả nhiệt hiện và nhiệt ẩn của chất bay hơi đều được thu hồi, chất lượng sản phẩm tốt hơn, quá trình sấy hoàn toàn độc lập với điều kiện bên ngoài Ngoài ra, công nghệ này còn thân thiện với môi trường do chỉ thải ra nước ngưng Nước ngưng được thu hồi và nếu có biện pháp xử

lý thích hợp có thể thu hồi các chất có giá trị bị bay hơi vào nước ngưng

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý máy sấy bơm nhiệt

5) Nguyên lý hoạt động

 Sơ đồ nguyên lý

5

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo máy sấy bơm nhiệt

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt

 Nguyên lý làm việc:

- TNS là không khí ẩm được làm lạnh từ trạng thái ban đầu 3 đến trạng thái 1, quá trình làm lạnh này có t1< tds ứng với trạng thái 3 của KKA, phần lớn lượng nước trong KKA được tách ra trong giai đoạn này Ở trạng thái 1 không khí có độ ẩm  =100% và nhiệt độ rất thấp Do đó ta phải gia nhiệt cho không khí bằng điện trở hay dàn nóng của máy lạnh đến nhiệt độ t2 (ứng với độ ẩm tương đối 2 nhỏ đến giá trị cần thiết) Sau đó không khí ở trạng thái 2 được đưa vào buồng sấy

- Do ở trạng thái 2 không khí có độ ẩm tương đối 2 rất nhỏ cho nên nó sẽ hấp thụ nước từ vật cần sấy và ra khỏi buồng sấy ở trạng thái 3

Công suất sưởi dòng khí được tính toán theo công thức như sau:

6

Qs- Công suất sưởi nóng cần thiết, kW

V- Lưu lượng dòng khí qua dàn nóng, m3/s

- Khối lượng riêng của dòng khí, kg/m3

h1, h3- Entanpi của dòng khí, kJ/kg

7

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT

3.1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT

- Ta chọn tác nhân sấy là không khí với các thông số sau:

 Thông số ngoài trời: thông số trung bình trong năm của không khí tại Thành Phố Hồ Chí Minh :

- Nhiệt độ trung bình: t0 = 270C

- Độ ẩm trung bình : 0= 74 %

 Thông số không khí trước khi vào thiết bị buồng sấy

-Nhiệt độ tác nhân sấy vào thiết bị sấy: t2 = 450C

- Tốc độ gió là 4,5m/s

 Thông số không khí sau khi ra khỏi thiết bi buồng sấy

- Thông số không khí sau khi ra khỏi thiết bị buồng sấy phải cao hơn nhiệt độ đọng sương của không khí để tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy Từ điểm O(250C;85%) trên đồ thị I-d ta dóng theo đường d = const ta có ts = 210C

- Nhiệt độ tác nhân sấy sau thiết bị sấy được chọn sao cho nó phải lớn hơn nhiệt độ đọng sương Ta chọn t3 = 250C

 Thông số không khí sau dàn lạnh

- Nhiệt độ: chon t1 = 100C

- Độ ẩm tương đối: quá trình làm lạnh trong dàn lạnh thường đạt đến trạng thái bão hòa

nên nhiệt độ không khí sau dàn lạnh có thể lấy 1 = 100%

 Thời gian sấy: chọn T = 6 h

 Năng suất máy sấy: 8kg/mẻ

3.1.2 Tính toán kích thước buồng sấy

- Thể tích buồng sấy:

- Thể tích toàn bộ buồng sấy : V = L x H x C = 0.4 x 0.3 x 0.35 = 0.042m3

- Thể tích toàn bộ buồng sấy: V = Vh + V, m3

Năng suất buồng sấy :G1 = Vh x ρcarot x Kv = 0.021 x 944 x 0.4 = 8kg/mẻ

Xây dựng quá trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d

9

Điểm 1: Trạng thái không khí sau dàn lạnh

Điểm 2: Trạng thái không khí sau dàn nóng

Điểm 3: Trạng thái không khí sau thiết bị sấy

Điểm 4: Trạng thái không khí trong dàn lạnh

0-1: Quá trình tách ẩm ở dàn lạnh

1-2: Quá trình gia nhiệt đẳng dung ẩm trong dàn nóng

2-3: Quá trình sấy đẳng Entanpi trong thiết bị sấy

3-4-1: Quá trình làm lạnh không khí và ngưng tụ ẩm trong dàn lạnh

2) Tính toán quá trình sấy

Các thông số tại các điểm nút

a) Các thông số tại các điểm nút

42,402612

42,4026

12 = 0.0355bar

- Dung ẩm của không khí:

d0 = 0,621

0 0

0 0

Thay vào công thức ta tính được d0 = 0,0168 kg/kgkkk

- Entanpi của không khí ngoài trời:

I0 = 1,004.t0 + d0(2500 + 1,842.t0)

= 1,004.27 + 0,0168.(2500 + 1,842.27)

= 70kJ/kgkkk 2) Điểm 1:

- Nhiệt độ : t1 = 100C

- Độ ẩm tương đối : 1 = 100%

- Phân áp suất bão hoà:

Với t1 = 100C, thay vào công thức (4.1) ta có

t = 0,0123 bar

- Dung ẩm của không khí:

Thay t1,1 vào công thức (4.2) ta có:

d1 = 0,621

0123,0.1993,0

0123,0.1

- Phân áp suất bão hoà:

Với t2 = 450C, thay vào công thức (4.1) ta tính được

42,402612

t = 0,0732 bar

- Độ ẩm tương đối:

2 2

.621,0

b

P d

d B

- Nhiệt độ: t3 = 250C

- Entanpi : I3 = I2 = 65,32 kJ/kgkkk

- Phân áp suất bão hoà:

Với t3 = 250C, thay vào công thức (4.1) ta có

Pb3 = exp   

3

5,235

42,402612

t = 0,032bar

.004,1

3

3 3

.621



d

d B



=

1)

016,0621,0(

016,0.993,0

 = 0,025 bar

- Nhiệt độ:

t4 = 235,5

ln12

42,4026

Áp suất hơi bão hòa (bar) 0,0355 0,0123 0,0732 0,032 0,025

Dung ẩm của không khí (kg/kgkk) 0,0168 0,0078 0,0078 0,015 0,016

Entanpi của không khí (kJ/kg) 70 29,68 65,32 65,32 61,85

b) Tính toán nhiệt

 Lượng ẩm bay hơi trong quá trình sấy:

12

W = G1

10100

1090.8

100 2

2 1

1 2

d d

I I



 =4950 kJ/kga

 Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy 1 mẻ:

3.1.3 Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d

1) Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế

13

Hình 4: Trao đổi nhiệt trong buồng sấy

- Phương trình cân bằng nhiệt cho TBS, theo CT (4.19) /5/

+ Q - Nhiệt lượng cung cấp để gia nhiệt tác nhân sấy

+ Qbs - Nhiệt lượng bổ sung

Do không dùng thiết bị gia nhiệt cho không khí sau dàn nóng nên Qbs = 0

+ Q1 = - WCmtm1 - Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào

+ G2Cm.(tm2 – tm1) = Qm - Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang ra

+ Q5 - Nhiệt tổn thất ra môi trường theo kết cấu bao che

+ Gvc.Cvc.(tm2 – tm1) = Qvc - Nhiệt lượng tổn thất theo thiết bị vận chuyển

+ Q2 = L(I3’ – I1) - Nhiệt tổn thất do tác nhân sấy

Chia 2 vế (*) cho W và bỏ qua Qbs ta có: q = q1 + q2 + qvc + q5 + qm

Mà q = l(I2 - I1) hay q = l(I2 – I1) = l(I3’ – I1) + qv +q5 – Cntm1

Hay q = l(I3’ – I2) = Cntm1 - ( qvc + q5 + qm)

Đặt Cntm1 - (qv + q5 + qm) =  - Tổn thất nhiệt để làm bay hơi 1 kg ẩm

 Suy ra l(I3’ – I2) =  hay I3’ = I2 + /l

14

+ Nhiệt độ bên ngoài: t0 =270C

+ Nhiệt độ tác nhân sấy khi vào buồng sấy: tf1= 450C

+ Nhiệt độ bên trong buồng sấy: tf2 =

2

25452

3



t t

+ F - Diện tích xung quanh của buồng sấy, m2

Hình 5: Bề dày vách buồng sấy

- Buồng sấy là hình hộp có các thông số: LxBxH = 0,4 x 0,3 x 0,35 m3 Ta tính tổng diện tích xung quanh của buồng sấy:

độ không khí < 5 m/s) ta có:

+ Hệ số toả nhiệt 1 được xác định theo công thức kinh nghiệm sau:

003,0 = 42,9970C

10.034,0)

10.17,17(

35,0.8.10.3.81,

Gr.Pr =0,034 109.0,691=0,023.109

Ta có Gr.Pr =0,023.109 thuộc khoảng (2.107 – 1.1013

) Theo bảng 7.2 trang143/4/ ta có C = 0,135, n = 0,333

+Công thức tính Nusselt:

Nu = C 1

Pr n

Gr = 0,135.(0,023.109)0,333 = 38,18 +Hệ số toả nhiệt:

4984,

49 

= 1,7% < 5%

 Sai số này rất nhỏ nên các kết quả tính trên được chấp nhận

Vậy, hệ số truyền nhiệt: K =

1

2 1

146

003,092,24

= 47,082 kJ/kga

 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi q m

Qm = G2.Cm(tm2 – tm1), kJ

Trong đó: CcarotkJ/kgK – Nhiệt dung riêng của carot

+ Nhiệt độ vật liệu sấy vào: tm1 = t0 = 270C

+ Nhiệt độ vật liệu sấy ra: tm2 = tf2 = 350C

Vậy nhiệt tổn thất do vật liệu sấy mang đi:

Qm= 0,9.3,82.(35 - 27) = 27,5 kJ

 Suy ra: qm =

W

m Q

=

1,7

5,27

= 3,87 kJ/kga

 Tổn thất nhiệt để làm nóng khay sấy q vc

-Khay sấy được làm bằng nhôm có bề dày  = 3 mm Ta có thông số của nhôm là: CAl = 0,86 kJ/kg; Al = 2700 kg/m3 Với diện tích đã tính toán, ta chọn khay sấy có F = LxB= 0,36 x 0,3

=0,108 m2 Số khay sấy là n = 3 khay

Vậy tổng diện tích khay sấy là:

=

7,1

02,18

17

Hình 6 Đồ thị I- d cho quá trình sấy thực

Trong đó:

Điểm 0: Trạng thái không khí ngoài trời

Điểm 1: Trạng thái không khí sau dàn lạnh

Điểm 2: Trạng thái không khí sau dàn nóng

Điểm 3’: Trạng thái không khí sau thiết bị sấy trong trường hợp sấy thực tế

Điểm 4’: Trạng thái không khí trong dàn lạnh trong trường hợp sấy thực tế

0-1: Quá trình tách ẩm ở dàn nóng

1-2: Quá trình gia nhiệt trong dàn nóng

2-3’: Quá trình sấy thực tế trong thiết bị sấy

3’- 4’- 1: Quá trình làm lạnh không khí và ngưng tụ ẩm trong dàn lạnh trong trường hợp sấy thực tế

3) Tính toán quá trình sấy thực tế

a ) Thông số tại các điểm nút của đồ thị

05,2546

.1,25

b

P d

d B

.621,0



d

d B



=

1)

016,0621,0(

016,0.993,0

 = 0,025 bar

- Nhiệt độ t4 = 235,5

ln12

42,4026

' 4



 P b

025,0ln12

42,

Áp suất hơi bão hòa (bar) 0,0355 0,0123 0,0732 0,032 0,025

Dung ẩm của không khí (kg/kgkk) 0,0168 0,0078 0,0078 0,016 0,016

Entanpi của không khí (kJ/kg) 70 29,68 65,32 60,88 61,85

b) Tính toán nhiệt quá trình sấy thực tế

 Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm:

ltt =

2

` 3

1 2

d d

I I

Q Q



 = 1,25 kW

3.1.4 Tính toán quy trình sấy nóng bằng calorifer

Các thông số tính toán

- Ta chọn tác nhân sấy là không khí với các thông số sau:

 Thông số ngoài trời: thông số trung bình trong năm của không khí tại Hồ Chí Minh :

- Nhiệt độ trung bình: t0 = 270C

- Độ ẩm trung bình : 0= 74 %

 Thông số không khí trước khi vào thiết bị buồng sấy

- Nhiệt độ tác nhân sấy vào thiết bị sấy: t1 =80 0C

- Ta chọn = 4,5 m/s

 Thông số không khí sau khi ra khỏi thiết bi buồng sấy

- Thông số không khí sau khi ra khỏi thiết bị buồng sấy phải cao hơn nhiệt độ đọng sương của không khí để tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy Từ điểm O(270C;74%) trên đồ thị I-d ta dóng theo đường d = const ta có ts = 210C

- Nhiệt độ tác nhân sấy sau thiết bị sấy được chọn sao cho nó phải lớn hơn nhiệt độ đọng sương Ta chọn t = 40 0

C

 Thời gian sấy: chọn T = 6 h

 Năng suất máy sấy: 8kg/mẻ

2) Tính toán kích thước buồng sấy

Trong đó:

+ carot: Khối lượng riêng của vật liệu sấy, carot=944 kg/m3

+ KV: Hệ số điền đầy KV = (0,40,5) Ta chọn KV

- Thể tích toàn bộ buồng sấy : V = L x B x H = 0.4 x 0.3 x 0.35 = 0.042m3

- Thể tích toàn bộ buồng sấy: V = Vh + V, m3

Trong đó:

Năng suất buồng sấy : G1 = Vh x ρcarot x Kv = 0.021 x 944 x 0.4 = 8kg/mẻ

 Xây dựng quá trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d

3) Đồ thị I-d

Hình 7 Đồ thị I –d cho quá trình sấy lý thuyết

Trong đó:

Điểm 0: Trạng thái không khí ngoài trời

Điểm 1: Trạng thái không khí sau calorifer

Điểm 2: Trạng thái không khí sau thiết bị sấy

0-1: Quá trình gia nhiệt

1-2: Quá trình sấy đẳng Entanpi trong thiết bị sấy

1) Tính toán quá trình sấy

Các thông số tại các điểm nút

a) Các thông số tại các điểm nút

42,402612

t