TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ RÚT ẨM ỐNG NHIỆT DÙNG SẤY THỦY SẢN

Với những hệ thống sấy mà nhiệt độ của VLS cũng như nhiệt độ TNS thấp hơn hoặc xấp xỉ nhiệt độ môi trường, TNS thường là không khí trước hết được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

W X

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ RÚT ẨM ỐNG NHIỆT DÙNG SẤY THỦY SẢN

Họ và tên sinh viên: Đặng Anh Tuấn Ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH Niên khóa: 2005 – 2009

Tháng 6/2009

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING

NONG LAM UNIVERSITY

W X

FINAL YEAR PROJECT

CALCULATING, DESIGNING HEAT PUMP DRYER USED

HEAT PIPE DEHUMIDIFIER TECHNOLOGY

TO DRY SEAFOOD

Done by: DANG ANH TUAN Major: HEAT AND REFRIGERATION ENGNEERING School year: 2005 – 2009

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ RÚT ẨM ỐNG NHIỆT DÙNG SẤY THỦY SẢN

Sinh viên thực hiện

ĐẶNG ANH TUẤN

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng kỹ sư ngành Công nghệ nhiệt lạnh

Giáo viên hướng dẫn:

Th.S: LÊ QUANG GIẢNG ĐINH KHÁNH

Tháng 06/2009

LỜI CẢM TẠ

Từ những ngày đầu bước chân vào giảng đường đại học cho đến lúc hoàn thành luận văn này, tôi luôn nhận được sự quan tâm chỉ dạy và sự giúp đỡ tận tình của qúy thầy cô Qua luận văn này, tôi xin được tỏ lòng biết ơn chân thành đến :

- Ban giám hiệu trường Đại Học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh

- Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí – Công nghệ

- Quý thầy cô đã tận tình chỉ dạy chúng tôi trong thời gian học tập tại trường

- Thầy Lê Quang Giảng và thầy Đinh Khánh người trực tiếp theo dõi, tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ chúng tôi thực hiện đề tài này

Cũng xin được cảm ơn quý thầy, các anh, các chị ở trung tâm công nghệ và thiết

bị nhiệt lạnh, công ty TNHH Sài Gòn Năng lượng đã giúp đỡ chúng tôi trong thời gian thực hiện đề tài

Cuối cùng, tôi muốn nói lời cảm ơn đến ba mẹ cùng mọi người trong gia đình đã quan tâm, lo lắng, động viên trong những ngày học tập xa nhà

Tháng 06 năm 2009

TÓM TẮT

1 Tên đề tài:

“TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT SỬ DỤNG

CÔNG NGHỆ RÚT ẨM ỐNG NHIỆT DÙNG SẤY THỦY SẢN”

2 Thời gian và địa điểm thực hiện:

- Tính toán thiết kế máy sấy bơm nhiệt sấy cá năng suất 70 kg/mẻ

- Khảo nghiệm máy có sẵn ở chế độ có và không tải

5 Kết quả :

− Đã khảo nghiệm xong máy sấy cá tại cơ sở sản xuất

− Đã tính toán và thiết kế xong máy sấy bơm nhiệt sấy cá với năng suất 70 kg/mẻ Máy gồm có 2 phần chính: buồng sấy và hệ thống bơm nhiệt

Buồng sấy: có 2 buồng kích thước mỗi buồng 550x850x1300 mm, khay sấy

số lượng là 60, kích thước 760x460 mm

Hệ thống bơm nhiệt:

ƒ Máy nén có công suất lạnh 4 HP

ƒ Dàn lạnh có diện tích trao đổi nhiệt 11,6 m2 (bao gồm cả diện tích cánh)

ƒ Dàn nóng có diện tích trao đổi nhiệt 9,2 m2 (bao gồm cả diện tích cánh)

ƒ Ống nhiệt trọng trường R22 có diện tích trao đổi nhiệt 7,2 m2 (bao gồm

cả diện tích cánh)

SUMMARY

1 Thesis:

“CALCULATING, DESIGNING HEAT PUMP DRYER USED HEAT

PIPE DEHUMIDIFIER TECHNOLOGY TO DRY SEAFOOD”

2 Duration and place:

- Duration: from March to June, 2009

- Place: at Sai Gon Energy Ltd, 441 Ho Hoc Lam street, An Lạc ward, Binh Tan district, Ho Chi Minh city

3 Objectives:

Base on sample dryer, I carry on testing, calculating and designing heat pump dryer that was applied heat pipe dehumidifier technology

4 Main content:

- Calculating and designing heat pump dryer to dry fish capacity 70 kg/batch

- Testing sample dryer at load and no load condition

5 Results:

- The dryer was successful tested

- The heat pump dryer to dry fish capacity 70 kg/batch was successful calculated and designed It includes 2 main components: drying-net and system heat pump

Drying-bin includes 2 cabinet The size each of cabinet is 550x850x1300

mm There are 60 trays The size of tray is 760x460 mm

The system heat pump:

ƒ Compressor: capacity 4 HP

ƒ Vaporator is 11,6 square meters in heat exchanger area

ƒ Evaporator is 9,2 square meters in heat exchanger area

ƒ Gravitational heat pipe R22 is 7,2 square meters in heat exchanger area

ƒ Centrifugal fan: Air discharge Q = 0,115 m3/s

2.3.3 Tác nhân sấy 9

2.4.6.4 Chọn môi chất nạp cho ống nhiệt 28

4.3 Tính trở lực hệ thống và chọn quạt 48

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt 5

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình công nghệ làm khô cá 8

Hình 2.3: Các quá trình trên giản đồ t – d .13

Hình 2.4: Đường cong đặc trưng quá trình sấy .15

Hình 2.5: Sơ đồ thiết bị trong chu trình khô và chu trình biểu diễn trên đồ thị lgP-h /8/ .17

Hình 2.6: Ống nhiệt /2/ 25

Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo ống nhiệt /2/ 26

Hình 2.8: Quá trình hoạt động của ống nhiệt trên đồ thị T-s 26

Hình 2.8: Sơ đồ tổng quát phân loại máy nén lạnh /9/ .29

Hình 2.10: Sự phụ thuộc của ηe vào tỷ số áp suất PK/P0 /8/ 31

Hình 4.1: Nguyên lý sấy hút ẩm sử dụng ống nhiệt .34

Hình 4.2: Sơ đồ hệ thống sấy 35

Hình 4.3: Quá trình sấy trên giản đồ trắc ẩm .36

Hình 4.4: Đồ thị lgP-h của chu trình khô .42

Hình 4.5: Sơ đồ lắp khay sấy 48

Hình 4.6: Đồ thị giảm ẩm của TNS khi chạy không tải .52

Hình 4.7: Quá trình giảm ẩm của cá theo thời gian 54

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Giới hạn cho phép đối với vi sinh vật có trong sản phẩm thủy sản khô 9

Bảng 2.2: Hệ số truyền nhiệt kinh nghiệm K tại bộ phận bay hơi /7/ 20

Bảng 2.3: Các giá trị K và QF theo kinh nghiệm tại bộ phận ngưng tụ /11/ .24

Bảng 4.1: Thông số trạng thái TNS 36

Bảng 4.2: Thông số các điểm nút của chu trình .42

Bảng 4.3: Số liệu không tải về sự thay đổi nhiệt độ và ẩm độ tương đối của TNS trong buồng sấy 51

Bảng 4.4: Diễn biến ẩm độ trong quá trình sấy 53

Cà Mau, Kiên Giang, Ninh Thuận, Bình Thuận, Bà Rịa Vũng Tàu, Khánh Hòa…Trong đó một phần không nhỏ được chế biến dạng làm khô Trước đây, biện pháp làm khô chủ yếu vẫn là phơi nắng truyền thống dù là thức ăn cho gia súc hay thực phẩm cho con người Phương pháp phơi nắng tiến hành theo kinh nghiệm, tốn công lao động chi phí sản xuất cao, chất lượng và sự đồng đều chưa cao, đều này làm ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sản xuất của các cơ sở chế biến

Một số loại cá khô hiện nay có giá trị kinh tế rất cao như tôm khô, mực khô, khô cá sặc, cá chỉ vàng, cá mối, cá cơm… do đó nhu cầu sấy cá khô có chất lượng cao làm thực phẩm xuất khẩu cũng như cung cấp cho thị trường nội địa là cấp thiết

Hiện nay có rất nhiều phương pháp sấy để bảo quản nông sản sau thu hoạch như các phương pháp sấy nhiệt độ cao (sấy đối lưu, sấy cưỡng bức, sấy bức xạ…) chỉ thích hợp với các loại hạt, gỗ, Phương pháp sấy nhiệt độ thấp (sấy thăng hoa, sấy chân không, sấy bơm nhiệt…) thích hợp với các loại nông sản thực phẩm như: rau, trái cây, thủy sản… Trong đó sấy bơm nhiệt là một phương pháp được sử dụng phổ biến

để bảo quản và tồn trữ thực phẩm cao cấp, có giá trị kinh tế cao

Gòn Năng lượng, tôi thực hiện đề tài: “ Tính toán, thiết kế và khảo nghiệm máy sấy bơm nhiệt sử dụng công nghệ rút ẩm ống nhiệt dùng để sấy thủy sản” trên cơ sở máy sấy mẫu tại Công ty TNHH Sài Gòn Năng Lượng

- Xác định các thông số nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió trong buồng sấy

- Xác định được quá trình sấy lý thuyết trên giản đồ trắc ẩm

- Ước lượng thời gian sấy lý thuyết

- Tính năng suất làm lạnh của hệ thống lạnh (HTL)

- Tính toán chọn thiết bị cho HTL: Máy nén, thiết bị ngưng tụ (TBNT), thiết bị bay hơi (TBBH), ống nhiệt phù hợp với hệ thống sấy (HTS)

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước và ở ngoài nước /17/

¾ Ngoài nước : Sấy thủy sản trên thế giới hiện nay ở hai mức trái ngược nhau Ở các nước đang phát triển, vẫn chủ yếu là phơi nắng, cho chất lượng thấp, sử dụng cho thị trường nội địa nghèo và dễ tính Ví dụ Indonesia, gần 50% sản lượng cá được phơi khô làm thực phẩm bình dân cho mọi người Ở các nước này (Indonesia, Philippines, Bangladesh ), cũng có một số nghiên cứu về sấy cá, nhưng các giải pháp đưa ra có tính học thuật nhiều hơn tính ứng dụng, vì ít quan tâm đến vấn đề chi phí sấy Ngược lại, ở các nước tiên tiến, sấy thủy sản đã là công việc thương mại của các Công ty Dĩ nhiên, công nghệ và thiết bị ở các nước này tương hợp với giá lao động cao, nghĩa là giá thiết bị cũng rất đắt so với điều kiện Việt Nam

¾ Trong nước : Những năm gần đây một số công ty sản xuất máy nông nghiệp, các trường đại học, các viện, trung tâm nghiên cứu đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo một số loại máy sấy Công nghệ và thiết bị sấy (nghiên cứu và chế tạo trong nước) đã được xác lập và chấp nhận với hạt lúa ở Đồng bằng Sông Cửu Long; hiện có khoảng trên

3000 máy sấy vỉ ngang, công suất 4- 10 tấn/mẻ, giải quyết khoảng 20% lúa Hè-Thu ở vùng này Một số nơi đã vận dụng máy sấy lúa để sấy cá (Cần Thơ, Bạc Liêu ) tuy nhiên hiệu suất nhiệt không cao, chất lượng vệ sinh không bảo đảm, nhưng cũng nêu được tiềm năng áp dụng cho sấy cá Nhiên liệu đốt cho quá trình sấy chủ yếu là trấu, than đá, than tổ ong và các loại khác

Các loại máy sấy trên đã được ứng dụng vào trong thực tế Tuy nhiên nó lại chỉ

phục vụ cho quy mô sản xuất nhỏ, hộ gia đình, thiết bị dễ chế tạo, vận hành dễ dàng, giá thành phù hợp, vẫn đảm bảo chất lượng của quá trình sấy

2.2 Giới thiệu các phương pháp sấy nhiệt độ thấp

Trong phương pháp sấy nhiệt độ thấp, người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa VLS và TNS chỉ bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong TNS nhờ giảm lượng chứa ẩm d 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 >00C) và cũng có thể nhỏ hơn

00C Phương pháp sấy nhiệt độ thấp có thể phân ra các loại hệ thống sấy :

2.2.1 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ t > 0 0 C

Với những hệ thống sấy mà nhiệt độ của VLS cũng như nhiệt độ TNS thấp hơn hoặc xấp xỉ nhiệt độ môi trường, TNS thường là không khí trước hết được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng máy khử ẩm hấp phụ, sau đó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến nhiệt độ mà công nghệ yêu cầu rồi cho đi qua VLS Khi đó phân áp suất hơi nước trong TNS bé hơn phân áp suất hơi nước trên bề mặt VLS nên ẩm từ dạng lỏng bay hơi vào TNS /15/

2.2.2 Hệ thống sấy thăng hoa

Hệ thống sấy lạnh mà trong đó ẩm trong VLS ở dạng rắn trực tiếp biến thành hơi

đi vào TNS thường gọi là sấy thăng hoa Trong hệ thống sấy thăng hoa, người ta tạo môi trường trong đó nước trong VLS ở dưới điểm 3 thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu

T < 273K và áp suất TNS bao quanh VLS p < 610 Pa Khi đó, nếu VLS nhận được nhiệt lượng thì nước trong VLS ở dạng rắn sẽ chuyển trực tiếp thành hơi nước và đi vào TNS Như vậy, trong hệ thống sấy thăng hoa một mặt ta phải làm lạnh vật xuống dưới 00C và tạo chân không xung quanh VLS /15/

2.2.3 Hệ thống sấy chân không

Nếu nhiệt độ VLS vẫn nhỏ hơn 273K nhưng áp suất TNS bao quanh vật p > 610Pa thì khi VLS nhận nhiệt lượng, các phần tử nước ở thể rắn không chuyển trực tiếp thành hơi để đi vào TNS mà trước khi biến thành hơi đi vào môi trường nước ở thể rắn phải chuyển qua thể lỏng

2.2.4 Phương pháp sấy bơm nhiệt /4/

9 Bơm nhiệt:

Về nguyên lý hoạt động của chu trình thì giữa chu trình bơm nhiệt và chu trình lạnh không có gì khác nhau, điều khác nhau chỉ là mục đích sử dụng:

Sơ đồ nguyên lý thể hiện trên hình 2.1

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt

9 Ưu điểm và hạn chế:

Ưu điểm:

dẫn đến tiêu thụ năng lượng ít hơn cho mỗi đơn vị nước bốc hơi

- Chất lượng sản phẩm tốt hơn với các lịch trình kiểm soát nhiệt độ tốt để thỏa mãn các yêu cầu sản suất cụ thể

- Có thể tạo ra một khoảng rộng các điều kiện sấy, tiêu biểu là nhiệt độ từ

200C đến 1000C (với nhiệt phụ trợ), và ẩm độ tương đối không khí từ 10% đến 80%

Nhược điểm:

thiện với môi trường

2.3 Lý thuyết sấy

2.3.1 Khái niệm sấy

Sấy là phương pháp làm khô nhân tạo, đó là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật liệu

2.3.2 Vật liệu sấy

a Một số thông số đặc trưng của VLS /10/

™ Khối lượng riêng vật liệu:

M – khối lượng của vật thể được đo trực tiếp trong không khí (kg)

Vs – khối lượng nước choán chỗ (kg)/khối lượng riêng của nước (kg/m3)

™ Khối lượng thể tích của vật liệu:

Mt – khối lượng vật liệu, kg;

Vb – thể tích chiếm chỗ của khối vật liệu trong vật chứa (m3)

m - khối lượng nguyên vật liệu ẩm

m0 - khối lượng chất khô tuyệt đối

W - khối lượng ẩm

Độ ẩm tuyệt đối: là tỷ số giữa khối lượng ẩm W và khối lượng chất khô tuyệt đối

m0 của nguyên vật liệu:

Phương pháp gián tiếp là phương pháp xác định độ ẩm của vật liệu bằng cách dựa trên những đặc điểm khác của vật liệu mà nó liên quan đến độ ẩm của vật liệu như phương pháp điện trở hoặc điện dung

b Một số đặc điểm của vật liệu sấy /18/

Cá mối (Saurida tumbil; tên khác: cá thửng), là loài cá biển, họ cá mối (Synodidae) Thân hình trụ dài, đuôi thuôn nhỏ, miệng lớn, nhiều răng nhọn trên cả hai hàm Sống ở đáy biển nông, gần bờ Mùa đẻ vào tháng 2 - 4 Ăn cá nhỏ, giáp xác, thân mềm Ở Việt Nam còn gặp: Cá mối vạch (Saurida undosquamis), cá mối vây lưng dài (S filamentosa) Cá mối dùng ăn tươi, đóng hộp hoặc làm khô

Thị trường chính của mặt hàng khô cá mối này chủ yếu tập trung ở các nước như Trung Quốc, Nga, Ukraina Trên thị trường khô cá mối thường chủ yếu là khô cá mặn

Ngoài những thị trường này thì con khô cá mối còn nhận được nhiều sự quan tâm lớn của một số thị trường khác do nó có hình thức đẹp, chất lượng và mùi vị là khá tốt

c Tìm hiểu về quy trình chế biến cá mối làm khô xuất khẩu

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình công nghệ làm khô cá

Sơ chế đánh vảy, cắt đầu

Cá sau khi sơ chế sẽ được mổ lấy hết nội tạng, lọc xương tạo miếng pilê

Tiếp theo đem tẩy, rửa bằng nước ôzon, để ráo

Rửa sạch Ướp gia vị

Sấy khô Diệt trùng

và đóng gói

d Tiêu chuẩn về thủy sản khô xuất khẩu (theo tiêu chuẩn ngành thủy sản

TCVN 5649:2006) /19/

Bảng 2.1: Giới hạn cho phép đối với vi sinh vật có trong sản phẩm thủy sản khô

1 Tổng số sinh vật hiếu khí có trong 1g sản phẩm

7 Số vibrio parahaemolyticus trong 1g sản phẩm

8 Tổng số bào tử nấm men – nấm mốc trong 1g sản phẩm

là các chất khí như không khí, khói, hơi quá nhiệt Chất lỏng cũng được sử dụng làm tác nhân sấy như các loại dầu, một số loại muối nóng chảy v.v Trong đa số quá trình sấy, tác nhân sấy còn làm nhiệm vụ gia nhiệt cho vật liệu sấy, vừa làm nhiệm vụ tải

ẩm Ở một số quá trình như sấy bức xạ, tác nhân sấy còn có nhiệm vụ bảo vệ sản phẩm sấy khỏi bị quá nhiệt

b Đặc tính của không khí ẩm /10/

Không khí là loại tác nhân sấy có sẵn trong tự nhiên, không gây độc hại và không gây bẩn sản phẩm sấy Không khí là hỗn hợp của nhiều chất khí khác nhau Thành phần của không khí bao gồm các chất, chủ yếu là N2, O2, hơi nước, ngoài ra còn có 1

số chất khí khác như: CO2, khí trơ, H2, O3

Không khí có chứa hơi nước là không khí ẩm Khi nghiên cứu không khí ẩm, người ta coi nó là hỗn hợp khí lý tưởng của 2 thành phần: không khí khô và hơi nước Các thông số cơ bản của không khí ẩm như sau:

™ Áp suất (Pv)

Theo định luật Dalton ta có:

P = PKKK + Phn

Trong đó:

P – áp suất của không khí ẩm

PKKK – áp suất riêng phần của không khí khô

Phn – áp suất riêng phần của hơi nước

Hay nói cách khác độ ẩm tương đối là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối ρa trên độ ẩm

a hn

™ Lượng chứa ẩm d(kg ẩm/kg kkk)

Lượng chứa ẩm d của không khí được định nghĩa là khối lượng tính bằng kilôgam hoặc gam của hơi nước chứa trong một kilôgam không khí khô Nếu gọi Ga là

số kilôgam hơi nước chứa trong Gk kilôgam không khí khô thì lượng chứa ẩm d bằng:

™ Nhiệt độ bầu khô td(0C)

Là nhiệt độ không khí ẩm trên nhiệt kế thông thường

™ Nhiệt độ bầu ướt tk(0C)

Là nhiệt độ của không khí ẩm được chỉ bởi nhiệt kế mà bầu cảm ứng nhiệt của nó được phủ bởi sợi bông ướt

™ Nhiệt độ ngưng tụ tnt(0C)

Là nhiệt độ của không khí ẩm mà tại đó hiện tượng ngưng tụ xảy ra

™ Elthalpy của không khí ẩm I(kJ/kg kkk)

Là lượng nhiệt của không khí ẩm trong mỗi đơn vị không khí khô ứng với một nhiệt độ nhất định

™ Thể tích riêng v(m3/kg kkk)

Là thể tích của mỗi đơn vị khối lượng không khí khô

c Lưu lượng dòng không khí

Lưu lượng của dòng không khí đi qua hệ thống tùy thuộc vào vận tốc của dòng không khí, diện tích mặt cắt ngang của buồng sấy Do đó vận tốc của dòng không khí qua hệ thống khá nhỏ nên lưu lượng của không khí cũng nhỏ

Lý do dẫn đến vận tốc của dòng không khí nhỏ là :

¾ Vận tốc TNS đi qua bề mặt VLS nhỏ để tăng cường khả năng bốc ẩm

¾ Thời gian để hơi nước trong không khí ngưng tụ khi qua dàn lạnh và để nung nóng sau khi qua dàn nóng được lâu hơn

2.3.4 Giới thiệu giản đồ trắc ẩm (Psychrometric Analysis)

Kết cấu giản đồ trắc ẩm

Giản đồ trắc ẩm được vẽ từ phương pháp thống kê các thông số nhiệt động học của không khí dưới điều kiện bình thường của môi trường (áp suất khí quyển) cho nên

Đồ thị trắc ẩm (phụ lục 1)

Giản đồ trắc ẩm cho ta biết 7 tính chất nhiệt động học của không khí ẩm ở áp suất 1atmosphere:

9 Ẩm độ tương đối

9 Nhiệt độ bầu khô

9 Nhiệt độ bầu ướt

9 Nhiệt độ bão hòa

9 Nhiệt độ điểm sương

9 Elthalphy

9 Thể tích riêng

Kết cấu giản đồ trắc ẩm:

9 Trục tung thể hiện lượng chứa hơi của không khí d(kg H2O/kg kkk)

9 Trục hoành thể hiện nhiệt độ bầu khô của không khí td(0C)

9 Các đường nghiêng hướng xuống từ trái sang phải và song song nhau chỉ elthalphy của không khí I(kJ/kg kkk)

9 Giao của đường elthalphy và đường ϕ = 100% chỉ nhiệt độ bầu ướt tk(0C)

9 Các đường thẳng dốc hướng từ trái sang phải chỉ các giá trị thể tích riêng của không khí v(m3/kg)

9 Các đường cong bắt đầu từ góc trái cho biết độ ẩm tương đối của không khí ϕ(%)

9 Các đường cong bắt đầu từ góc phải trên là đường hiệu chỉnh elthalphy

Nếu biết được giá trị của hai tính chất bất kì trên sẽ xác định được một điểm trên giản đồ và từ đó có thể xác định được năm tính chất còn lại

2.3.5 Quá trình làm lạnh, giảm ẩm và gia nhiệt cho TNS

Hình 2.3: Các quá trình trên giản đồ t – d

a Quá trình làm lạnh giảm ẩm

Không khí qua phần sôi của ống nhiệt được làm lạnh sơ bộ đến gần điểm sương Sau đó không khí tiếp tục qua dàn lạnh, nhiệt độ dòng không khí giảm xuống Hơi nước trong không khí ngưng tụ lại tại dàn lạnh khi nhiệt độ của nó được hạ xuống dưới nhiệt độ điểm sương Kết quả là không khí trở nên khô nhờ tách một lượng ẩm ra khỏi khối không khí (Quá trình 1→2→3 hình 2.3)

b Quá trình gia nhiệt

Không khí sau khi được tách ẩm tiếp tục qua phần ngưng của ống nhiệt và dàn nóng để gia nhiệt làm giảm ẩm độ tương đối ϕ tăng khả năng lấy ẩm từ vật liệu sấy Đồng thời làm tăng nhiệt độ t(0C), elthalphy I(kJ/kg kkk), thể tích riêng v(m3/kg kkk).(Quá trình 3→4→5 hình 2.3)

c Quá trình sấy

lệch áp suất hơi nước giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy vì vậy hơi nước bốc từ vật liệu sấy về phía tác nhân sấy Kết thúc quá trình sấy (Quá trình 5→6 hình 2.3)

bề mặt vật liệu và trong tác nhân sấy như nhau, sự trao đổi ẩm giữa tác nhân sấy và vật liệu sẽ dừng lại, khi đó được gọi là trạng thái cân bằng ẩm

b Động học quá trính sấy

Nghiên cứu về động học của quá trình sấy cho thấy việc di chuyển ẩm bên trong vật khá phức tạp Boorker đã thống kê năm nguyên tắc vận chuyển ẩm /14/

¾ Vận chuyển ẩm do sức căng của bề mặt (dòng mao dẫn)

¾ Vận chuyển ẩm do sự chênh lệch nồng độ ẩm (khuếch tán ẩm)

¾ Vận chuyển hơi do chênh lệch nồng độ hơi ẩm (khuếch tán hơi)

¾ Vận chuyển ẩm do chênh lệch nhiệt độ (khuếch tán nhiệt)

¾ Vận chuyển lỏng và hơi do chênh lệch áp suất (khuếch tán nhiệt)

Quá trình vận chuyển ẩm khi có xét đến yếu tố thời gian được xây dựng thành các đường cong gọi là đương đặc trưng của quá trình sấy

Hình 2.4: Đường cong đặc trưng quá trình sấy

1- sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu theo thời gian

2 -sự thay đổi ẩm độ của vật liệu theo thời gian

c Ba giai đoạn quá trình sấy

Giai đoạn 1: Giai đoạn đốt nóng sản phẩm

Đưa nhiệt độ vật liệu sấy lên cao để nước trong vật liệu có thể bay hơi, làm cho nhiệt độ sản phẩm cũng tăng lên

Giai đoạn 2: Giai đoạn tốc độ sấy không đổi

Lúc này vật liệu ướt tốc độ khuếch tán ẩm đến bề mặt bằng tốc độ ẩm bốc hơi Giai đoạn này phụ thuộc tốc độ bốc hơi trên bề mặt tức là phụ thuộc vào yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, ẩm độ, vận tốc không khí môi trường thoát ẩm

Giai đoạn 3: Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần

Lúc này vật liệu khô, lượng ẩm ít, tốc độ sấy giảm dần Việc giảm cường độ bốc

ẩm sẽ làm tăng nhiệt độ vật liệu Ở cuối thời kì sấy bắt đầu có ẩm cân bằng của vật liệu, việc sấy dừng lại, vận tốc sấy trở nên bằng không

Xác định các giai đoạn trên có ý nghĩa quan trọng trong việc chọn chế độ sấy nhằm tiết kiệm năng lượng và giảm thời gian sấy

2.3.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

Quá trình sấy chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố trong đó phương pháp và chế độ sấy là quan trọng nhất /15/

cả trong VLS và từ bề mặt VLS sang TNS Như vậy thời gian sấy càng giảm, tốc độ sấy càng tăng

¾ Độ ẩm tác nhân sấy: Bên cạnh nhiệt độ, độ ẩm của TNS là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thời gian và chất lượng sản phẩm sấy Độ ẩm TNS càng thấp thì quá trình sấy càng nhanh

¾ Tốc độ TNS: Tốc độ TNS có ảnh hưởng lớn đến quá trình tách ẩm từ vật liệu và giảm ẩm từ tác nhân Tốc độ càng lớn thì khả năng tách ẩm càng cao tuy nhiên quá trình khử ẩm trong TNS giảm

¾ Vật liệu sấy: Hình dáng vật liệu, kích thước, bản chất, cấu trúc thành phần hóa học, đặc tính liên kết ẩm của VLS, bề dày lớp VLS đều ảnh hưởng đến thời gian sấy

2.3.8 Một số công thức tính toán quá trình sấy:

™ Lượng nước bay hơi trong quá trình sấy: /15/

W1, W2: ẩm độ đầu và cuối của vật liệu sấy, %

G: khối lượng ban đầu của vật liệu

™ Lượng nước cần lấy đi trong một giờ

d1 – lượng chứa ẩm của khí đi vào thùng sấy, kgH2O/kgkkk

d2 – lượng chứa ẩm của khí thoát ra thùng sấy, kgH2O/kgkkk

™ Lượng nước do quạt mang đi:

2

H O m

D =Q ∗ Δd

Qm – lưu lượng quạt, kg/s

Δd – hiệu độ chứa ẩm không khí sấy, kgẩm/kgkkk

2.4 Những vấn đề về hệ thống lạnh

2.4.1 Môi chất lạnh

Định nghĩa: Môi chất lạnh (hay tác nhân lạnh, ga lạnh) là chất môi giới, được sử dụng trong chu trình nhiệt động ngược chiều để thu nhiệt của môi trường có nhiệt độ thấp và thải nhiệt ra môi trường có nhiệt độ cao hơn

R22, R134a được sử dụng trong hầu hết các loại tủ lạnh (từ những năm 1930) trong gia đình và thương nghiệp, cũng như một số máy điều hoà nhiệt độ Môi chất lạnh tuần hoàn được trong hệ thống lạnh nhờ có quá trình nén /7/

2.4.2 Chu trình lạnh

Hệ thống lạnh trong máy sấy chỉ yêu cầu đưa nhiệt độ tới điểm đọng sương nên

ta chọn sử dụng chu trình khô Chu trình khô là chu trình gọn nhất trong tất cả các chu trình lạnh

Chu trình khô là chu trình có hơi hút về máy nén là hơi bão hòa khô

Hình 2.5: Sơ đồ thiết bị trong chu trình khô và chu trình biểu diễn trên đồ thị lgP-h /8/

Các quá trình của chu trình khô

1→2 : Quá trình nén hơi đoạn nhiệt (s1=s2) Nén từ T0, P0 thấp lên Pk, T2 cao Quá trình này diễn ra trong vùng hơi quá nhiệt

2→3 : Quá trình làm mát và ngưng tụ đẳng áp (Pk = const) hơi môi chất lạnh từ T2

xuống nhiệt độ ngưng tụ Tk

3→4 : Quá trình tiết lưu đẳng elthalphy từ áp suất, nhiệt độ ngưng tụ (Pk, Tk) xuống

4→5 : Quá trình bay hơi đẳng áp, đẳng nhiệt (P0 = const, T0 = const) để thu nhiệt của môi trường

™ Tính toán chu trình khô /8/

Năng suất lạnh riêng khối lượng q0 (kJ/kg)

0 1 4

q =h −h

Với : h1: Elthalphy hơi môi chất lạnh khi vào máy nén (kJ/kg)

h4: Elthalphy hơi môi chất lạnh sau khi tiết lưu (kJ/kg)

Năng suất lạnh riêng thể tích qv (kJ/m3)

Với: h3: Elthalphy của môi chất lạnh sau dàn ngưng (kJ/kg)

h2: Elthalphy của hơi môi chất lạnh ra khỏi máy nén (kJ/kg)

2.4.3 Năng suất lạnh của hệ thống

Năng suất lạnh của hệ thống phụ thuộc vào trạng thái của không khí trước và sau khi sử lý nhiệt độ tại hệ thống

2 3 dl

L - lượng không khí cần dùng trong một giờ, kg/h;

I2, I3 – enthalphy của không khí trước và sau khi qua TBBH

2.4.4 Các vấn đề liên quan đến dàn lạnh

Dàn lạnh hay thiết bị bay hơi là một bộ phận trong thiết bị trao đổi nhiệt của hệ thống Thiết bị này nhận nhiệt của môi trường để bay hơi môi chất lạnh đồng thời hạ nhiệt độ không khí ẩm đạt đến nhiệt độ ngưng tụ, và ngưng tụ hơi nước tại đây

a Phân loại thiết bị bay hơi /3/

Thiết bị bay hơi rất đa dạng Có nhiều cách phân loại thiết bị bay hơi:

¾ Theo môi trường làm lạnh:

Thiết bị bay hơi làm lạnh chất lỏng như nước, nước muối, glycol…

Thiết bị bay hơi làm lạnh không khí

¾ Theo mức độ chứa dịch trong dàn lạnh:

Dàn lạnh kiểu ngập lỏng hoặc không ngập lỏng

Ngoài ra người ta còn phân loại theo tính chất kín hở của môi trường làm lạnh

b Chọn nhiệt độ sôi của tác nhân lạnh t0:

Nhiệt độ t0 của tác nhân lạnh được chọn theo nhiệt độ phòng lạnh và có thể chọn:

t = − Δ t t

Trong đó:

tb – nhiệt độ phòng, 0C;

Δt0 – hiệu nhiệt độ yêu cầu, 0C

Đối với dàn bay hơi trực tiếp, nhiệt độ bay hơi lấy thấp hơn nhiệt độ phòng từ 7 ÷

trường hợp đặc biệt có thể lấy Δt0 = 5 – 60C Đối với các thiết bị lạnh thương nghiệp

và đời sống thường chọn Δt0 = 8 – 130C do diện tích dàn bay hơi nhỏ và hệ số truyền nhiệt nhỏ /11/

c Tính và chọn thiết bị bay hơi

Hệ thống lạnh sử dụng chất tải lạnh thường là hệ thống làm lạnh gián tiếp Khi tính toán TBBH người ta dựa vào năng suất lạnh đã tính Q0 và từ đó tính toán diện tích

bề mặt trao đổi nhiệt theo thức tính /3/

F – diện tích trao đổi nhiệt, m2;

Q0 – công suất lạnh yêu cầu của thiết bị bay hơi, W;

qof – mật độ dòng nhiệt của thiết bị bay hơi, W/m2

k – hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào loại TBBH, W/m2.K;

Bảng 2.2: Hệ số truyền nhiệt kinh nghiệm K tại bộ phận bay hơi /7/

Kiểu thiết bị bay

Dàn ống trơn treo

0C nhiệt độ buồng lạnh Dàn ống trơn áp

Ở 00C nhiệt độ buồng lạnh Dàn ống có cánh

0C nhiệt độ buồng lạnh Dàn ống có cánh

Ở 00C nhiệt độ buồng lạnh 4,0 ÷ 4,4 Ở -400C nhiệt độ

buồng lạnh 11,6 Ở -20buồng lạnh 0C nhiệt độ

0C nhiệt độ buồng lạnh

17,5 >0buồng lạnh 0C nhiệt độ

Δt0 – độ chênh nhiệt độ trung bình lôgarit, K;

max min tb

max min

t

tlnt

Δ =

ΔΔ

Δtmax = tw1 - t0 t0 – nhiệt độ bay hơi của môi chất lỏng, 0C

Δtmin = tw2 - t0 tw1 – nhiệt độ không khí vào dàn lạnh, 0C

Tw2 – nhiệt độ không khí ra khỏi dàn lạnh, 0C

Hiện nay người ta thường dùng các thiết bị trao đổi nhiệt có các loại cánh khác nhau để tăng khả năng trao đổi nhiệt và làm giảm kích thước trọng lượng thiết bị Dàn lạnh có cánh được sử dụng rất rộng rãi, có bề dày 0,4 – 0,5 mm làm bằng thép mềm, bằng đồng hoặc hợp kim nhôm Loại có gờ ở chân cánh làm bằng nhôm dẻo có bề dày 0,2 mm bước cánh của dàn lạnh chọn từ 2 – 2,5 mm nếu làm việc ở nhiệt độ dương, và từ 10 – 15 mm nếu làm việc ở nhiệt độ âm và có bị đóng tuyết /5/ Các ống có đường kính từ 9 – 18 mm nếu làm bằng đồng, và từ 25 mm trở lên nếu làm bằng thép Các ồng được kết nối với nhau bằng các đoạn ống cong hình chữ

U, bằng cách hàn gió đá hoặc dán keo

Lưu lượng không khí qua dàn lạnh được xác định theo công thức:

0TB K

0TB 1 2

QV

(i i )

=

3/s Trong đó:

Q0 – công suất lạnh yêu cầu hay nhiệt tải của thiết bị bay hơi, kW;

ρ0 – khối lượng riêng của không khí bằng 1,2÷1,15 kg/m3 ở 200C đến 300C;

i1, i2 – enthalphy của không khí vào và ra khỏi dàn (được xác định theo đồ thị không khí ẩm)

™ Các thông số hình học quan trọng của bề mặt cánh:

Diện tích cánh /14/

2 ng

Trong đó:

dt – đường kính trong của ống trơn, m;

dt – đường kính ngoài của ống trơn, m;

Sc – bước cánh, m;

δc – bề dày cánh, m;

Fc – diện tích phần có cánh, m2;

F0 – diện tích phần ống không làm cánh, m2;

F = Fc + F0 – tổng diện tích bên ngoài của bề mặt có cánh, m2

Diện tích tiết diện cho không khí đi qua /14/

kh kh

a Phân loại thiết bị ngưng tụ /3/

Thiết bị ngưng tụ có nhiều loại và nguyên lý làm việc cũng rất khác nhau Người

ta phân loại thiết bị ngưng tụ căn cứ vào nhiều đặc tính khác nhau

¾ Theo môi trường làm mát:

Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước

Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước và không khí

Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng không khí

Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng chất khác

¾ Theo đặc điểm cấu tạo:

Bình ngưng tụ giải nhiệt bằng nước

Dàn ngưng tụ bay hơi

Dàn ngưng kiểu tưới

Dàn ngưng kiểu ống lồng ống

Thiết bị ngưng tụ kiểu tấm bản

¾ Theo đặc điểm đối lưu của không khí:

Thiết bị ngưng tụ làm mát nhờ đối lưu tự nhiên

Thiết bị ngưng tụ làm mát nhờ đối lưu cưỡng bức

Ngoài ra còn rất nhiều cách phân chia theo các đặc điểm khác nhau như: theo chiều chuyển động của môi chất lạnh và môi trường giải nhiệt…

Fk – diện tích truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ, m2;

Qk – năng suất giải nhiệt của thiết bị ngưng tụ, W;

k1 – hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ, W/m2.K;

qkf – mật độ dòng nhiệt, W/m2;

Δtk – độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, K

max min k

max min

t

tlnt

Δ − Δ

Δ

Δtmax = tk – twk1 tk – nhiệt độ ngưng tụ, 0C;

Δtmin = tk – twk2 twk1 – nhiệt độ không khí vào dàn nóng, 0C;

Twk2 – nhiệt độ không khí ra khỏi dàn, 0C

Lưu lượng không khí giải nhiệt được xác định:

k kk

kk kk kk

QG

=

Ckk – nhiệt dung riêng của không khí, Ckk = 1,0 kJ/kg.K;

ρkk – khối lượng riêng của không khí, ρkk = 1,15 ÷ 1,2 kg/m3;

Δtkk – độ chênh nhiệt độ không khí vào ra thiết bị ngưng tụ, Δtkk = 6 ÷ 100C

Bảng 2.3: Các giá trị K và QF theo kinh nghiệm tại bộ phận ngưng tụ /11/

2.4.6 Ống nhiệt (heat pipe)

2.4.6.1 Giới thiệu chung

Ống nhiệt là một phần tử truyền nhiệt kiểu mới có khả năng truyền nhiệt đi lớn hơn nhiều lần so với các phần tử truyền nhiệt thông thường

Ống nhiệt được sáng chế từ rất lâu tuy nhiên việc nghiên cứu ứng dụng nó mới chỉ phát triển mạnh trong vài thập kỷ gần đây Nguyên tắc của quá trình truyền nhiệt

cơ bản giống nhau ở các loại ống nhiệt nhưng công suất nhiệt phụ thuộc vào cấu tạo

của ống nhiệt và điều kiện làm việc của nó Bằng cách thay cấu trúc của ống, lượng và loại môi chất nạp trong ống các nhà khoa học đã chế tạo ra các loại ống nhiệt khác nhau có khả năng ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp và cuộc sống

2.4.6.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

a Cấu tạo của ống nhiệt /2/:

Ống nhiệt là một ống thường làm bằng kim loại hàn kín hai đầu trong đó có chứa một lượng môi chất lỏng xác định (hình 2.6) Tùy theo từng loại ống nhiệt mà phía trong ống có thể trơn, xẻ rãnh hoặc gắn lưới mao dẫn, phía ngoài cũng có thể trơn hoặc làm cánh tản nhiệt

Hình 2.6: Ống nhiệt /2/

Ống nhiệt được chia làm 3 phần: phần sôi, phần đoạn nhiệt và phần ngưng

Phần sôi: phần này được đốt nóng bằng các nguồn nhiệt khác nhau, môi chất lỏng trong ống nhận nhiệt sẽ sôi và hơi bão hòa được tạo thành

Phần đoạn nhiệt: hơi bão hòa từ phần sôi sẽ chuyển động qua phần đoạn nhiệt lên phần ngưng Sở dĩ gọi là phần đoạn nhiệt vì ở phần này không thực hiện quá trình trao đổi nhiệt Phần này có thể có hoặc không có

Phần ngưng: hơi bão hòa lên tới phần ngưng nhả nhiệt cho môi chất làm mát ở bên ngoài ống và ngưng lại Môi chất ngưng sẽ quay về phần sôi nhờ lực trọng trường, lực mao dẫn hay lực ly tâm,…

Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo ống nhiệt /2/

b Nguyên lý hoạt động của ống nhiệt /2/:

Chất lỏng trong phần sôi của ống nhận nhiệt của nguồn nóng (vd: khói lò, năng lượng bức xạ mặt trời,…) sẽ sôi và biến thành hơi, hơi chuyển động qua phần đoạn nhiệt, tới phần ngưng Tại đây hơi tảo nhiệt cho nguồn làm mát qua vách ống (vd: không khí, nước,…) Chất lỏng ngưng tạo thành sẽ chảy về phần sôi nhờ một trong những lực sau đây: lực trọng trường, lực mao dẫn, lực ly tâm, lực từ trường…

Áp suất và nhiệt độ làm việc bên trong ống nhiệt chính là áp suất và nhiệt độ hơi của chất lỏng nạp bên trong ống nhiệt

Các quá trình làm việc của ống nhiệt được biểu diễn trên đồ thị T – s (hình 2.8),

Hình 2.8: Quá trình hoạt động của ống nhiệt trên đồ thị T-s

P 1 – áp suất hơi ở phần sôi; P 2 – áp suất hơi ở phần ngưng

Trong đó:

AB – quá trình sôi xảy ra trong phần sôi ở áp suất P1

BC – quá trình chuyển động của hơi từ phần sôi tới phần ngưng, ở đây do ma sát,

áp suất của hơi giảm từ P1 đến P2 Tuy nhiên thông thường sự giảm áp này rất nhỏ

CD – Quá trình ngưng tụ hơi tạo thành chất lỏng ngưng ở áp suất P2

DA – quá trình chuyển động của chất lỏng ngưng theo bề mặt trong của ống nhiệt, từ phần ngưng qua phần đoạn nhiệt về phần sôi nhờ lực trọng trường, lực mao dẫn,…và quá trình được lặp lại Như vậy môi chất trong ống nhiệt đã thực hiện một chu trình hay một vòng tuần hoàn kín mà không cần tới ngoại lực do bơm hay do quạt tạo ra như ở các phần tử trao đổi nhiệt khác

2.4.6.3 Phân loại ống nhiệt

Có thể phân loại ống nhiệt theo nhiều cách

a Theo lực tác dụng để đưa chất lỏng ngưng về phần sôi:

ngưng được đưa về phần sôi nhờ lực trọng trường Loại ống nhiệt này khi hoạt động yêu cầu phần sôi bao giờ cũng phải đặt thấp hơn phần ngưng

b Theo phạm vi nhiệt độ sử dụng

Phạm vi sử dụng nhiệt độ của ống nhiệt tương đối rộng từ -80 đến 25000C Có thể chia phạm vi sử dụng nhiệt độ theo các mức độ thấp, trung bình và cao

- Ống nhiệt nhiệt độ thấp: nhiệt độ làm việc từ -800C đến 500C

- Ống nhiệt nhiệt độ vừa phải: nhiệt độ làm việc từ 500C đến 2800C

- Ống nhiệt nhiệt độ trung bình: nhiệt độ làm việc từ 2800C đến 4800C

- Ống nhiệt nhiệt độ cao: nhiệt độ làm việc từ 4800C đến 15000C