Xây dựng phần mềm tính toán, thiết kế máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường

Bài viết giới thiệu phần mềm tính toán và thiết kế máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường. Phần mềm này được xây dựng trên nền tảng phần mềm EES (Engineering Equation Solve), có khả năng giúp cho người sử dụng tính toán một cách nhanh chóng khi thiết kế máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 57 XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT KẾT HỢP ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG PROGRAM CALCULATION AND DESIGN HEAT PUMP DRYER COMBINED GRAVITATIONAL HEAT PIPE Nguyễn Thành Luân, Nguyễn Thế Bảo Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM, Việt Nam Ngày soạn nhận 28/5/2018, ngày phản biện đánh giá 5/6/2018, ngày chấp nhận đăng 28/6/2018 TÓM TẮT Bài báo giới thiệu phần mềm tính tốn thiết kế máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường Phần mềm xây dựng tảng phần mềm EES (Engineering Equation Solve), có khả giúp cho người sử dụng tính tốn cách nhanh chóng thiết kế máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường Để đánh giá độ tin cậy phần mềm, mơ hình thực nghiệm thiết kế, chế tạo làm thí nghiệm với mẫu sấy rau má Kết cho thấy phần mềm có độ tin cậy cao Bài báo cịn trình bày hiệu mặt lượng lợi ích mặt bảo quản vi lượng sản phẩm sấy sử dụng bơm nhiệt để sấy trà rau má thay cho việc sử dụng điện trở Từ khóa: Ống nhiệt trọng trường; tính tốn ống nhiệt; máy sấy bơm nhiệt; máy sấy bơm nhiệt cải tiến; sấy rau má ABSTRACT The article describes the program for calculating and designing heat pump dryers combined with gravitational heat pipes This program, which has been witten in EES ((Engineering Equation Solve) Platform An experimental model of a heat pump dryer combined with gravitational heat pipes was designed and manufactured to validate the written program The comparisons between the calculated results from the program and experimental results showed that the written program gave acceptably accurate computational results and could be used to calculate and design heat pump dryers combined with gravitational heat pipes The use of heat pump technology to dry Centella Asiatica tea can help to save energy consumption and improve the quality of the product compared with those from traditional drying technology Key words: Gravitational heat pipes; calculating heat pipes; heat pump dryers; advances heat pump drying; drying Centella Asiatica ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nhu cầu sử dụng lượng giới ngày cao, vấn đề tiết kiệm lượng trở nên cần thiết Một biện pháp tiết kiệm lượng thu hồi nhiệt dòng lưu chất thải ra, để gia nhiệt cho dòng lưu chất lạnh Ống nhiệt thiết bị có khả thực việc mà khơng tốn chi phí vận hành Từ năm 1970 có nhiều nghiên cứu ứng dụng trao đổi nhiệt ống nhiệt Đơn cử số nghiên cứu như: Nghiên cứu sử dụng ống nhiệt để làm mát CPU máy tính [1], nghiên cứu sử dụng ống nhiệt thu hồi nhiệt khói thải để sưởi ấm khơng khí ơtơ [2] Nghiên cứu trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt để nâng cao hiệu máy lạnh hấp thụ carbonamoniac [3] Nghiên cứu hồi nhiệt kiểu ống nhiệt để nâng cao hiệu sử dụng lượng hệ thống điều hịa khơng khí [4] Đối với máy sấy bơm nhiệt, có nhiều nghiên cứu để nâng cao hiệu sử dụng lượng như: Kết hợp máy sấy bơm nhiệt 58 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh với vi sóng [5], kết hợp máy sấy bơm nhiệt với tia hồng ngoại [6], kết hợp máy sấy bơm nhiệt với sóng radio [7], kết hợp máy sấy bơm nhiệt với lượng mặt trời [8] Đặc biệt kết hợp máy sấy bơm nhiệt với ống nhiệt tác giả Wera ctv (2005), kết luận mức tiêu hao lượng máy sấy giảm khoảng 12÷20% kết hợp ống nhiệt [9] Các nghiên cứu cho thấy việc sử dụng ống nhiệt để thu hồi nhiệt hiệu quả, đặc biệt áp dụng máy sấy bơm nhiệt Tuy nhiên việc xây dựng phần mềm để tính tốn, thiết kế máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường chưa đề cập nghiên cứu Vì báo trình bày việc xây dựng phần mềm để tính toán thiết kế loại máy sấy CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường Hình trình bày cấu tạo nguyên lý ống nhiệt trọng trường Ống nhiệt phần tử trao đổi nhiệt kín, bên có chứa mơi chất cơng tác pha Q trình truyền nhiệt thực sau: Nhiệt từ nguồn bên truyền qua phần sôi ống nhiệt, môi chất lỏng nhận nhiệt, hóa Sau mơi chất phần ngưng nhả nhiệt môi trường bên ngoài, ngưng tụ thành lỏng, quay trở lại phần sơi tác dụng trọng lực Hình trình bày sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt hồi lưu toàn phần kết hợp ống nhiệt trọng trường Hình Cấu tạo nguyên lý ống nhiệt trọng trường A B C D E H M M G K L F N A: Máy nén, B: Van ngã, C: Dàn nóng phụ, D: Bình chứa cao áp, E: Van tiết lưu, F: Dàn lạnh, G: Ống nhiệt, H: Dàn nóng chính, K: Buồng sấy, L: Cánh đảo gió, M: Quạt, N: Khay hứng nước Hình Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt hồi lưu toàn phần kết hợp ống nhiệt trọng trường Nguyên lý làm việc: Tác nhân sấy (TNS) sau khỏi buồng sấy (K) qua phần sôi ống nhiệt (G), TNS nhả nhiệt cho môi chất ống nhiệt (G) Kết môi chất ống nhiệt (G) nhận nhiệt, sơi hóa chuyển động phần ngưng ống nhiệt (G); cịn dịng TNS sau nhả nhiệt nhiệt độ giảm xuống, tiếp tục qua dàn lạnh (F) thực trình tách ẩm Sau thực q trình tách ẩm, dịng TNS qua phần ngưng ống nhiệt (G), môi chất ống nhiệt nhả nhiệt cho TNS, ngưng tụ thành lỏng, nhờ trọng lực quay trở lại phần sôi ống nhiệt (G) Dòng TNS sau gia nhiệt, nhiệt độ tăng lên; tiếp tục vào dàn nóng gia nhiệt đến nhiệt độ yêu cầu Sau dịng TNS đưa vào buồng sấy (K), dịng TNS thực q trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy Chu trình tiếp diễn Như nhờ có ống nhiệt (G) mà dịng TNS làm lạnh trước qua dàn lạnh gia nhiệt trước qua dàn nóng; nhờ mà hiệu máy sấy nâng cao Quá trình sấy thực tế máy sấy thể đồ thị I-d hình Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Qvl: Nhiệt tổn thất vật liệu sấy mang ra; kW I (kJ/kg) I= co ns t  Qvc: Nhiệt tổn thất theo thiết bị vận chuyển; kW Trong đó: t3 t4 t: Nhiệt độ nhiệt kế khô tác nhân sấy; 0C t5 : Độ ẩm tương đối tác nhân sấy; % Pkh: Áp suất khí quyển; bar  t2 t6 t1  d (kg/kg) Hình Đồ thị I-d trình sấy thực tế máy sấy bơm nhiệt hồi lưu toàn phần kết hợp ống nhiệt trọng trường 2.2 59 Tính tốn trình sấy  Lượng ẩm cần tách mẻ sấy Các nhiệt lượng phương trình (2) xác định: Q=L.(I4-I2); kW (3) Q1 = W.Cn.tv; kW (4) Qvl =G2.Cvl.tvl ; kW (5) Qmt= q.F; kW (6) Qvc =Gkh.Ckh.tkh; kW (7) Trong đó: ω -ω W=G1 ;kg/mẻ 100-ω2 (1) L: Lượng tác nhân sấy cấp cho mẻ sấy; kg/mẻ Cn: Nhiệt dung riêng nước; kJ/kg.K Trong đó: W: Lượng ẩm cần tách mẻ sấy; kg/mẻ Cvl: Nhiệt dung riêng vật liệu sấy; kJ/kg.K G1: Khối lượng sản phẩm sấy đưa vào; kg Ckh: Nhiệt dung riêng khay sấy; kJ/kg.K tv: Nhiệt độ khơng khí ngồi trời; 0C 1: Độ ẩm sản phẩm sấy đưa vào; % G2: Khối lượng sản phẩm sau sấy; kg 2: Độ ẩm sản phẩm sấy lấy ra; % Hình thể sơ đồ cân nhiệt thiết bị sấy Q Q Q Qmt Qmt Qmt Qbs Qbs Qbs TBS TBS TBS Qvl Qvl Qvl Q1 Q1 Q1 tvl: Chênh lệch nhiệt độ sản phẩm sấy sau buồng sấy trước vào buồng sấy; 0C tkh: Chênh lệch nhiệt độ khay sấy sau buồng sấy trước vào buồng sấy; 0C q: Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách buồng sấy; W/m2 F: Diện tích xung quanh buồng sấy; m2 Qvc Qvc Qvc Hình Sơ đồ cân nhiệt thiết bị sấy  Phương trình cân nhiệt Q + Qbs + Q1 = Qvl + Qmt + Qvt (2)  Với giả thiết không cấp nhiệt bổ sung Qbs=0, chia vế phương trình (2) cho W ta có: Q Q Q Q +Cn t v = vl + mt + vc W W W W Trong : Q: Nhiệt cấp cho trình sấy; kW Qbs: Nhiệt bổ sung (nếu có); kW Q1: Nhiệt hữu ích ẩm mang vào; kW Qmt: Nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che; kW Đặt Δ=Cn t v -( Qvl Qmt Qvc + + ) W W W (8) (9) Từ phương trình (3), (8), (9) ta có: L (I -I )=Δ W (10) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 60 Đây sở để xác định điểm nút số 4, trạng thái thực tế tác nhân sấy khỏi buồng sấy  Các hàm xác định điểm nút [10] Áp suất bão hòa Pbh =exp(12- 4026,42 ); bar 235,5+t (11) Dung ẩm tác nhân sấy d=0,621 φ.Pbh ; kg/kg kk Pkq -φ.Pbh Hình Đồ thị lgp-h chu trình bơm nhiệt cấp (12) Entanpy tác nhân sấy I=1,004.t+d.(2500 +1,84.t) ; kJ/kgkk m0 = (13)  Lượng tác nhân sấy cấp cho mẻ sấy L=W ; kg/mẻ d -d (14)  Công suất dàn nóng, dàn lạnh, ống nhiệt xác định: Cơng suất dàn nóng u cầu Qk = L  I3 -I  η1.τ ; kW (15) Q0 = η2 τ ; kW Q hp = η3 τ  Lưu lượng mơi chất qua dàn nóng mk = Qk h c -h d (19)  Lưu lượng môi chất qua dàn nóng dàn lạnh theo tính tốn khơng Do để đảm bảo cơng suất tồn hệ thống ta chọn lưu lượng lớn nhất: m = max(m0, mk)  Công suất dàn nóng phụ xác định gần theo nhiệt độ ngưng tụ (16) Lmn =m.(hc–hb); kW (20) (21)  Diện tích dàn trao đổi nhiệt Dàn nóng chính: Fk = ; kW (18)  Công tiêu thụ máy nén Công suất ống nhiệt L  I -I5  Q0 ; kg/s h a -h f Qsub = (m0-mk).(hc – hd); kW Công suất dàn lạnh yêu cầu L  I5 -I1   Lưu lượng môi chất qua dàn lạnh (17) Trong đó: 1: Hiệu suất trao đổi nhiệt dàn nóng 2: Hiệu suất trao đổi nhiệt dàn lạnh Qk ;m k1.Δt tb1 (22) Qsub ;m k1.Δt tb1 (23) Dàn nóng phụ: Fk-sub = Dàn lạnh: F0 = Q0 ;m k Δt tb2 (24) 3: Hiệu suất trao đổi nhiệt ống nhiệt Trong đó: : Thời gian sấy; giây - k1: Hệ số truyền nhiệt dàn nóng; W/m2.K 2.3 Tính tốn chu trình bơm nhiệt - k2: Hệ số truyền nhiệt dàn lạnh; W/m2.K Hình biểu diễn đồ thị lgp-h chu trình bơm nhiệt cấp - ttb1, ttb2: Hiệu nhiệt độ trung bình logarit dàn nóng dàn lạnh; 0C Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 2.4 Tính toán ống nhiệt trọng trường bề mặt nhẵn, bên ngồi có cánh  Cơng suất nhiệt tồn ống nhiệt [11] Q= t z -t w Δt ; W (25) = R R z +R vs +R +R w +R s +R h +R n ) Trong đó: Q: Cơng suất nhiệt tồn phần ống nhiệt; W tz, tw: Nhiệt độ trung bình dịng lưu chất qua phần sôi, phần ngưng ống nhiệt; 0C R: Nhiệt trở tổng; K/W Rz,Rw: Nhiệt trở vách phần sôi, phần ngưng ống nhiệt; K/W Rvs,Rvn: Nhiệt trở dẫn qua vách phần sôi, phần ngưng ống nhiệt; K/W Rs,Rn: Nhiệt trở môi chất sôi ngưng; K/W Rh: Nhiệt trở môi chất sôi chuyển động từ phần sôi đến phần ngưng ống nhiệt; K/W tw,w Rn Rw Rvn Rz = th Rs tz,z Rh = -r: Nhiệt ẩn hóa mơi chất nạp; J/kg -v: Hệ số dẫn nhiệt vách ống nhiệt; W/m.K -h: Khối lượng riêng môi chất nạp; kg/m3  Xác định công suất ống nhiệt, giải hệ phương trình theo phương pháp lặp với giả thiết ban đầu nhiệt trở Ri= [11]: t z -t w  Δt t z -t w Q= R = R +R = (R +R +R )+(R +R +R +R ) i e s n h w vs z   0,75 Q=5,24.A.ξ.Δt  i  0,25 Δt Δt i R = i =  i Qi 5,24.A.ξ A: Hệ số phụ thuộc kích thước ống nhiệt : Hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý mơi chất nạp  Hệ số A  xác định ln(d es /dis ) , R vs = α z Fes 2.π.Ls λ v ξ=λ n 0,75 ρ n 0,5 r 0,25 μ n -0,25 Th (Phs -Phn ) ρh r.Qi Hình Nhiệt trở ống nhiệt Trong đó: Qi: Cơng suất nhiệt bên ống nhiệt; W Fes, Fen: Diện tích mặt ngồi ống nhiệt phần sơi, phần ngưng; m2 Fis, Fin: Diện tích mặt ống nhiệt phần sôi, phần ngưng; m2 den, din: Đường kính ngồi ống nhiệt phần ngưng; m des, dis: Đường kính ngồi ống nhiệt phần sôi; m n, s: Hệ số tỏa nhiệt ngưng, sôi môi chất ống nhiệt; W/m2.K (26) Trong đó: A=dis din ( 1 Rs = , Rn = αs Fis α n Fin Rvs Rz Phs, Phn :Áp suất môi chất phần sôi phần ngưng ống nhiệt; Pa ln(den /din ) , R = α w Fen 2.π.Ln λv Rw = 61 Ls Ln )0,75 dis Ls +din Ln /φ (27) (28) Trong đó: : Hệ số nạp, nước =0,44 [11] n: Hệ số dẫn nhiệt lỏng môi chất nạp t +t ứng với nhiệt độ t h = z w ; W/m.K n: Khối lượng riêng lỏng môi chất nạp t +t ứng với nhiệt độ t h = z w ; kg/m3 r: Nhiệt ẩn hóa mơi chất nạp ứng với t +t nhiệt độ t h = z w ; kJ/kg/K n: Độ nhớt động học lỏng môi chất nạp t +t ứng với nhiệt độ t h = z w ; kg/m.s  Chiều dài phần ngưng, phần sôi ống nhiệt β= α z Ln = α w Ls (29) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 62 Đối với ống nhiệt sử dụng để hồi nhiệt dòng tác nhân sấy máy sấy bơm nhiệt, phần ngưng phần sôi có chế độ làm việc gần giống nên z  w , Ln  Ls  Trường hợp ống nhiệt có cánh, ống bố trí so le với bước ống ngang s1, bước ống dọc s2 hệ số tỏa nhiệt z,, w xác định [12]: Đường kính tương đương F0c d +Fc de = Fc 2.n c F Fc F (ηc + 0c ); W/m2 K F Fc (36) Trong đó: c: Hệ số dẫn nhiệt cánh; W/m.k d2: Đường kính ngồi ống nhiệt; m tc: Khoảng cách cánh trao đổi nhiệt; m ;m (30) sôi phần ngưng ống nhiệt d 2.h c δc ωmax =ω/[1-( + )]; m/s s1 s ωmax d e υ (31) Hệ số tỏa nhiệt cánh: α c = c: Chiều dày cánh; m : Tốc độ tác nhân sấy; m/s F0c, Fc: Diện tích khơng có cánh có cánh phần sôi (phần ngưng) ống nhiệt; m2 F: Tổng diện tích phần có cánh khơng có cánh phần sôi (phần ngưng) ống nhiệt; m2 (32) s1 -d -0,2 s1 -d -0,2 ) ( ) d2 tc hc: Chiều cao cánh; m υ : Độ nhớt động học tác nhân sấy; kg/m.s Hệ số Reynolds Nusselt Nu=0,251.Re 0,67 ( α=αc nc: Số cánh phần sôi (phần ngưng) ống nhiệt Tốc độ tác nhân sấy lớn qua phần Re= Hệ số tỏa nhiệt phần sôi phần ngưng ống nhiệt (33) Nu.λ c ;W/m2.K (34) de  Hiệu suất cánh tra theo đồ thị Hình theo điều kiện (tc1 tc2) [13]  Số lượng ống nhiệt n= Qhp Q ; ống (37) Trong đó: n: Số lượng ống nhiệt; ống Qhp: Công suất ống nhiệt; W Q: Cơng suất ống nhiệt; W 2.5 Tính chọn quạt  Diện tích mặt cắt ngang kênh dẫn tác nhân sấy: Fk = Vk L = ω ρ k τ.ω (38) Trong đó: Fk: Diện tích mặt cắt ngang kênh dẫn; m2 Hình Hiệu suất cách trao đổi nhiệt Trong phần mềm đồ thị mã hóa thành phương trình tốn học với biến tc1 tc2 αc (d +2.h c )+t c tc1 = ; tc2 =(h c +0,5.t c ) (35) d2 t c λ c Vk: Lưu lượng thể tích tác nhân sấy; m3/h L: Lượng tác nhân sấy cấp cho mẻ sấy; kg/mẻ k: Khối lượng riêng tác nhân sấy ứng với nhiệt độ trung bình thiết bị sấy; kg/m3 : Thời gian sấy; giây : Tốc độ tác nhân sấy; m/s Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh  Chọn kích thước kênh dẫn hình chữ nhật Fk=axb (39)  Đường kính tương đương kênh dẫn tác nhân sấy (a.b)0,625 d k =1,3 (a+b)0,25 (40)  Đối với ống tơn mỏng, bề mặt bên trơn, tiết diện trịn hệ số trở lực ma sát xác định [14]: λk= ω.d k 0,3164 (khi Re k =