Tính toán, thiết kế hệ thống sấy nho bằng phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt

Đề tài: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY NHO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT Lớp: HC16KTMB GVHD: PGS.TS. Trịnh Văn Dũng Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2020 MỤC LỤC 1. TỔNG QUAN 1 1.1. Tổng quan về nguyên liệu 1 1.2. Tổng quan về phương pháp sấy 1 1.3. Tổng quan về phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt 2 1.4. Tổng quan về hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt 3 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT NĂNG LƯỢNG CHO QUÁ TRÌNH 4 2.1. Các thông số tính toán 4 2.1.1. Vật liệu sấy 4 2.1.2. Tác nhân sấy 4 2.2. Tính toán quá trình sấy lý thuyết 4 2.2.1. Đồ thị Id cho quá trình sấy lý thuyết 4 2.2.2. Các thông số của các điểm nút trên đồ thị Id 5 2.2.3. Tính toán thời gian sấy 8 2.2.4. Cân bằng vật chất và tính toán nhiệt quá trình sấy lý thuyết 9 2.3. Tính toán kích thước sơ bộ buồng sấy 10 2.4. Cân bằng nhiệt 12 2.4.1. Tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị 13 2.4.2. Tổn thất nhiệt qua vật liệu sấy 16 2.4.3. Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển 16 2.4.4. Lượng nhiệt cung cấp do ẩm trong vật liệu 17 2.5. Tính toán quá trình sấy thực 18 2.5.1. Đồ thị Id cho quá trình sấy thực 18 2.5.2. Các thông số của các điểm nút trên đồ thị Id 18 2.5.3. Tính toán nhiệt quá trình sấy thực 20 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BƠM NHIỆT 21 3.1. Chọn tác nhân lạnh và nhiệt độ 21 3.1.1. Chọn tác nhân lạnh 21 3.1.2. Chọn nhiệt độ ngưng tụ của tác nhân lạnh 21 3.1.3. Chọn nhiệt độ bay hơi của tác nhân lạnh 21 3.1.4. Chọn nhiệt độ hơi quá nhiệt của tác nhân lạnh 21 3.1.5. Chọn nhiệt độ lỏng quá lạnh của tác nhân lạnh 21 3.2. Tính toán chu trình lạnh vận hành 22 3.2.1. Chọn chu trình 22 3.2.2. Sơ đồ hệ thống và nguyên lý hoạt động chu trình 22 3.2.3. Xây dựng đồ thị và thông số tại các điểm nút trên đồ thị 23 3.2.4. Tính toán các thông số sơ bộ của chu trình lạnh 24 3.3. Tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt 26 3.3.1. Thiết bị ngưng tụ dàn nóng 26 3.3.2. Thiết bị bay hơi dàn lạnh 30 3.4. Tính toán máy nén 34 3.4.1. Tính toán theo chu trình thực tế vận hành 34 3.4.2. Tính toán theo chu trình tiêu chuẩn 35 3.4.3. Tính toán công suất động cơ lắp đặt 36 4. TÍNH TOÁN TRỞ LỰC VÀ CHỌN QUẠT 37 4.1. Tính toán đường ống dẫn khí 37 4.2. Tính toán trở lực của toàn hệ thống sấy 37 4.2.1. Trở lực trên đường ống 37 4.2.2. Trở lực qua các thiết bị 39 4.3. Tính toán chọn quạt 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nguyên liệu Nho là một trong những loại trái cây được ưa chuộng và phổ biến nhất hiện nay, được nuôi trồng ở hơn 100 quốc gia trên thế giới. Theo số liệu của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO) thì sản lượng nho trên toàn thế giới đã đạt 7,7 tỷ tấn vào năm 2013. Trong đó, những nước có diện tích trồng lớn nhất có thể kể đến như Tây Ban Nha, Pháp, Ý,… Nho có hàm lượng dinh dưỡng cao, rất tốt cho sức khỏe, giúp tăng sức đề kháng và chống lão hóa cũng như phòng ngừa được nhiều loại bệnh. Khoảng hơn 70% lượng nho được dùng để sản xuất rượu vang, 27% dùng để ăn tươi và còn lại 3% dùng để làm nho khô. Tại Việt Nam, từ vùng Bắc Ninh Thuận đến Nam Khánh Hòa, đặc biệt là tỉnh Ninh Thuận là nơi cung cấp sản lượng nho tươi hàng đầu cả nước. Với thời tiết khô hạn, gió nhiều, độ ẩm không khí thấp, lượng mưa hằng năm thấp là những điều kiện tuyệt vời để cây nho có thể sinh trưởng và phát triển tốt. Nho tươi sau khi thu hoạch có độ ẩm và nồng độ đường tương đối cao, do đó mà nó rất dễ hư hỏng và khó bảo quản được lâu ngay cả khi bảo quản lạnh. Một trong những phương pháp được sử dụng thường xuyên nhất để bảo quản thực phẩm và các chế phẩm sinh học đó là sấy khô. Phương pháp này có thể làm giảm độ ẩm xuống hàm lượng rất thấp giúp cho quá trình bảo quản được lâu hơn cũng như có thể làm giảm đáng kể khối lượng và thể tích của sản phẩm. Sấy từ lâu đã được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất nho, nho tươi được sấy khô để tạo nho khô hoặc nho mất nước. Nho khô được dùng để ăn trực tiếp hoặc sản xuất bánh kẹo, mứt, nho mất nước được dùng để sản xuất rượu vang hoặc nước ép nho. Đây đều là các sản phẩm rất có giá trị và được ưa dùng trên khắp thế giới. 1.2. Tổng quan về phương pháp sấy Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng nhiệt, nguyên tắc của quá trình này là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái của pha lỏng trong vật liệu thành pha hơi. Nhiệt có thể được cung cấp cho vật liệu ẩm bằng nhiều cách khác nhau như dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt, bức xạ nhiệt. Dựa vào nhiều yếu tố khác nhau mà có thể lựa chọn phương pháp sấy và loại thiết bị sấy phù hợp với yêu cầu mong muốn. Các thiết bị sấy phổ biến hiện nay có thể kể đến như là phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy thùng quay hay hiện đại hơn là sấy thăng hoa, sấy bằng dòng điện cao tần, sấy lạnh. Mỗi phương pháp sấy đều có những ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng khác nhau. Như đã đề cập, nho khô được dùng để ăn trực tiếp là chủ yếu vì thế mà yêu cầu về màu sắc, mùi vị, hàm lượng dinh dưỡng trước và sau khi sấy hay vệ sinh an toàn thực phẩm là những yếu tố cần được chú trọng trong quá trình sấy. Dựa trên những yếu tố đó thì phương pháp phù hợp nhất cho nho nói riêng và các loại trái cây nói chung được đề xuất là phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt. Đây là phương pháp mới, hiện đại, được sử dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực sấy dược liệu, hoa quả, thực phẩm hay các sản phẩm có giá trị cao bởi đáp ứng nhiệt độ sấy thấp nhưng cho chất lượng sản phẩm tốt hơn so với các phương pháp sấy thông thường khác. Với những ưu điểm như phạm vi nhiệt độ sấy thấp (10 60oC), giúp giữ cho màu sắc của các loại hoa quả, trái cây, thực phẩm được đẹp hơn, giữ chất dinh dưỡng tốt hơn, thời gian sấy nhanh khô hơn ở nhiệt độ thấp và chi phí vận hành thấp. Bên cạnh đó, chi phí đầu tư, lắp đặt khá cao so với các phương pháp sấy thông thường khác cũng là một trở ngại lớn trong việc tiếp cận sấy lạnh. 1.3. Tổng quan về phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt Khác với phương pháp sấy nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm. Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài của vật nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không khí có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật. Khi đó ẩm trong vật liệu sẽ dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt ra môi trường nhờ chênh lệch phân áp suất trên. Đối với phương pháp sấy lạnh sử dụng hệ thống bơm nhiệt, quá trình truyền nhiệt thực hiện được thông qua sự thay đổi pha làm việc của tác nhân lạnh. Tác nhân lạnh trong thiết bị bay hơi hấp thụ nhiệt và bay hơi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Khi hơi tác nhân lạnh ngưng tụ ở nhiệt độ cao, áp suất cao tại thiết bị ngưng tụ, nó thải nhiệt ở áp suất cao hơn. Khi sử dụng trong quá trình sấy, hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt làm lạnh không khí của quá trình đến điểm bão hòa, và sau đó ngưng tụ ẩm, do đó làm tăng khả năng sấy của không khí. Trong quá trình này chỉ tuần hoàn mức nhiệt thấp từ không khí. Cấu trúc của hệ thống bơm nhiệt được bố trí như hình 1.1.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH & THIẾT BỊ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HĨA HỌC Đề tài: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY NHO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT Lớp: HC16KTMB GVHD: PGS.TS Trịnh Văn Dũng Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 MỤC LỤC Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình & Thiết bị TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nguyên liệu Nho loại trái ưa chuộng phổ biến nay, nuôi trồng 100 quốc gia giới Theo số liệu Tổ chức Lương thực Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO) sản lượng nho tồn giới đạt 7,7 tỷ vào năm 2013 Trong đó, nước có diện tích trồng lớn kể đến Tây Ban Nha, Pháp, Ý,… Nho có hàm lượng dinh dưỡng cao, tốt cho sức khỏe, giúp tăng sức đề kháng chống lão hóa phịng ngừa nhiều loại bệnh Khoảng 70% lượng nho dùng để sản xuất rượu vang, 27% dùng để ăn tươi lại 3% dùng để làm nho khô Tại Việt Nam, từ vùng Bắc Ninh Thuận đến Nam Khánh Hòa, đặc biệt tỉnh Ninh Thuận nơi cung cấp sản lượng nho tươi hàng đầu nước Với thời tiết khơ hạn, gió nhiều, độ ẩm khơng khí thấp, lượng mưa năm thấp điều kiện tuyệt vời để nho sinh trưởng phát triển tốt Nho tươi sau thu hoạch có độ ẩm nồng độ đường tương đối cao, mà dễ hư hỏng khó bảo quản lâu bảo quản lạnh Một phương pháp sử dụng thường xuyên để bảo quản thực phẩm chế phẩm sinh học sấy khơ Phương pháp làm giảm độ ẩm xuống hàm lượng thấp giúp cho trình bảo quản lâu làm giảm đáng kể khối lượng thể tích sản phẩm Sấy từ lâu ứng dụng công nghiệp sản xuất nho, nho tươi sấy khô để tạo nho khô nho nước Nho khô dùng để ăn trực tiếp sản xuất bánh kẹo, mứt, nho nước dùng để sản xuất rượu vang nước ép nho Đây sản phẩm có giá trị ưa dùng khắp giới 1.2 Tổng quan phương pháp sấy Sấy trình tách ẩm khỏi vật liệu nhiệt, nguyên tắc trình cung cấp lượng nhiệt để biến đổi trạng thái pha lỏng vật liệu thành pha Nhiệt cung cấp cho vật liệu ẩm nhiều cách khác dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt, xạ nhiệt Dựa vào nhiều yếu tố khác mà lựa chọn phương pháp sấy loại thiết bị sấy phù hợp với yêu cầu mong muốn Các thiết Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình & Thiết bị bị sấy phổ biến kể đến phịng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy thùng quay hay đại sấy thăng hoa, sấy dòng điện cao tần, sấy lạnh Mỗi phương pháp sấy có ưu - nhược điểm phạm vi áp dụng khác Như đề cập, nho khô dùng để ăn trực tiếp chủ yếu mà yêu cầu màu sắc, mùi vị, hàm lượng dinh dưỡng trước sau sấy hay vệ sinh an toàn thực phẩm yếu tố cần trọng q trình sấy Dựa yếu tố phương pháp phù hợp cho nho nói riêng loại trái nói chung đề xuất phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt Đây phương pháp mới, đại, sử dụng phổ biến lĩnh vực sấy dược liệu, hoa quả, thực phẩm hay sản phẩm có giá trị cao đáp ứng nhiệt độ sấy thấp cho chất lượng sản phẩm tốt so với phương pháp sấy thông thường khác Với ưu điểm phạm vi nhiệt độ sấy thấp (10 - 60 oC), giúp giữ cho màu sắc loại hoa quả, trái cây, thực phẩm đẹp hơn, giữ chất dinh dưỡng tốt hơn, thời gian sấy nhanh khô nhiệt độ thấp chi phí vận hành thấp Bên cạnh đó, chi phí đầu tư, lắp đặt cao so với phương pháp sấy thông thường khác trở ngại lớn việc tiếp cận sấy lạnh 1.3 Tổng quan phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt Khác với phương pháp sấy nóng, phương pháp sấy lạnh, người ta tạo độ chênh phân áp suất nước vật liệu sấy tác nhân sấy cách giảm phân áp suất tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt vật nhỏ nhiệt độ bên vật, đồng thời tiếp xúc với khơng khí có độ ẩm phân áp suất nước nhỏ nên bề mặt có phân áp suất nước nhỏ phía bên vật Khi ẩm vật liệu dịch chuyển bề mặt từ bề mặt môi trường nhờ chênh lệch phân áp suất Đối với phương pháp sấy lạnh sử dụng hệ thống bơm nhiệt, trình truyền nhiệt thực thông qua thay đổi pha làm việc tác nhân lạnh Tác nhân lạnh thiết bị bay hấp thụ nhiệt bay nhiệt độ thấp áp suất thấp Khi tác nhân lạnh ngưng tụ nhiệt độ cao, áp suất cao thiết bị ngưng tụ, thải nhiệt áp suất cao Khi sử dụng trình sấy, hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt làm lạnh khơng khí q trình đến điểm bão hòa, Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình & Thiết bị sau ngưng tụ ẩm, làm tăng khả sấy khơng khí Trong q trình tuần hồn mức nhiệt thấp từ khơng khí Cấu trúc hệ thống bơm nhiệt bố trí hình 1.1 Hình 1.1: Hệ thống bơm nhiệt Trong phương pháp này, người ta dùng hệ thống bơm nhiệt để tạo môi trường sấy Nhiệt độ môi trường sấy điều chỉnh giới hạn rộng, tùy thuộc yêu cầu vật liệu sấy Khác với thiết bị nhiệt lạnh khác, sử dụng bơm nhiệt để sấy khơ hút ẩm dàn nóng dàn lạnh sử dụng hữu ích nên suất tiêu thụ tận dụng đến mức cao mà nhiệt độ không khí lại cần trì mức nhiệt độ môi trường 1.4 Tổng quan hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt Sơ đồ quy trình công nghệ hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt chọn để tính tốn, thiết kế khn khổ phạm vi đồ án thể hình 1.2 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình & Thiết bị Hình 1.2: Sơ đồ quy trình cơng nghệ Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Quá trình & Thiết bị CÂN BẰNG VẬT CHẤT - NĂNG LƯỢNG CHO Q TRÌNH 2.1 Các thơng số tính tốn 2.1.1 Vật liệu sấy Vật liệu sấy chọn nho, chọn nho vùng Ninh Thuận, thông số độ ẩm suất sau: - Độ ẩm tương đối ban đầu nho: ω1 = 80% Độ ẩm tương đối cuối nho: ω2 = 13% Năng suất (tính cho nhập liệu đầu vào): G1 = 500 kg/mẻ Giống nho chọn nho đỏ red cardinal có thơng số sau: - Màu sắc chính: đỏ Khối lượng trung bình quả: - 4.5 (g) Khối lượng chùm nho: 220 - 300 (g) Hình dạng nho: trịn, đường kính trung bình 19 mm/quả Khối lượng riêng nho (PL 1/254 [1]): ρvl = 1068 (kg/m3) Nhiệt dung riêng nho (PL 1/254 [1]): Cvl = 3.62 (kJ/kg.K) 2.1.2 Tác nhân sấy Tác nhân sấy chọn khơng khí trời Ninh Thuận với thơng số sau: - Áp suất khí quyển: P = (atm) Nhiệt độ thấp năm (tháng 2) (B VII.1/100 [6]): T0 = 25.4oC Độ ẩm trung bình tháng (B VII.1/100 [6]): ϕ0 = 62% 2.2 Tính tốn trình sấy lý thuyết 2.2.1 Đồ thị I-d cho trình sấy lý thuyết Hình 2.1 biểu diễn đồ thị I-d cho trình sấy lý thuyết, gồm giai đoạn sau: 1-2: Quá trình gia nhiệt tác nhân sấy đến nhiệt độ sấy chọn Điểm trạng thái khơng khí sau dàn nóng, trước vào buồng sấy 2-3: Quá trình sấy lý thuyết đẳng enthalpy, tác nhân sấy với độ ẩm thấp thổi tuần hồn qua vật liệu sấy nhận ẩm từ vật liệu mang Điểm trạng thái khơng khí sau khỏi buồng sấy 3-4: Quá trình làm lạnh tác nhân sấy đến nhiệt độ sương Điểm trạng thái khơng khí đường bão hòa, dàn lạnh bắt đầu trình tách ẩm 4-1: Q trình tách ẩm từ khơng khí Điểm trạng thái khơng khí cuối giai đoạn tách ẩm khỏi dàn lạnh, khơng khí sau tách ẩm xong tiếp tục qua dàn nóng để tuần hồn trở lại buồng sấy ● I, kJ/kg kkk Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình & Thiết bị ϕ2 ● T2 ϕ3 ● T3 ϕ = 100% ● T4 T1 d1 = d2 d3 = d4 d, kg ẩm/kg kkk Hình 2.1: Đồ thị I-d cho q trình sấy lý thuyết 2.2.2 Các thơng số điểm nút đồ thị I-d a) Điểm (25.4oC, 62%), mơi trường bên ngồi: - Áp suất bão hòa nước xác định từ phương trình Antoine [19]: - Độ chứa khơng khí ẩm (CT 2.15/15 [1]): x - Enthalpy khơng khí ẩm (CT 2.18/15 [1]): Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình & Thiết bị Trong đó: • Ckk = 1.003 (kJ/kg.K) nhiệt dung riêng khơng khí khơ (B 28/30 [10]) • r = 2493.1 (kJ/kg) ẩn nhiệt hóa hơi nước bão hòa oC (B 40/38 [10]) • Ch = 1.952 (kJ/kg.K) nhiệt dung riêng nước (B 28/30 [10]) Từ thông số điểm (25.4oC, 65%), nhiệt độ điểm sương ứng với trạng thái xác định từ giản đồ I-d: Ts0 = 17.6oC b) Điểm (T1, ϕ1), trạng thái khơng khí sau dàn lạnh: Chọn nhiệt độ T1 = 8oC theo tài liệu [12] Tác nhân sấy lúc vừa qua dàn lạnh làm lạnh nhiệt độ ngưng tụ để tách ẩm nên: ϕ1 = 100% - Áp suất bão hòa nước xác định từ phương trình Antoine: - Độ chứa khơng khí ẩm: - Enthalpy khơng khí ẩm: c) Điểm (T2, ϕ2), trạng thái khơng khí sau dàn nóng: Chọn nhiệt độ tác nhân sấy: T2 = 60oC - Áp suất bão hòa nước xác định từ phương trình Antoine: - Độ chứa khơng khí ẩm: d2 = d1 = 0.0066 (kg ẩm/kg kkk) - Enthalpy khơng khí ẩm: - Độ ẩm tương đối: Từ thông số điểm (60oC, 5.36%), nhiệt độ bầu ướt ứng với trạng thái xác định từ giản đồ I-d: Tư2 = 25.7oC d) Điểm (T3, ϕ3), trạng thái khơng khí sau qua buồng sấy: Để tránh tượng đọng sương buồng sấy, chọn nhiệt độ không khí khỏi buồng sấy phải lớn nhiệt độ điểm sương T3 = 30oC > Ts0 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học - Bộ mơn Q trình & Thiết bị Bản chất q trình sấy lý thuyết trình đẳng enthalpy buồng sấy: I3 = I2 = 77.41 (kJ/kg kkk) - Áp suất bão hòa nước xác định từ phương trình Antoine: - Độ chứa khơng khí ẩm: - Độ ẩm tương đối: e) Điểm (T4, ϕ4), trạng thái khơng khí đường bão hịa: Do đường bão hòa nên ϕ4 = 100% Độ chứa khơng khí ẩm: d4 = d3 = 0.0185 (kg ẩm/kg kkk) - Áp suất bão hòa nước: - Nhiệt độ khơng khí: - Enthalpy khơng khí ẩm: 2.2.3 Tính tốn thời gian sấy Theo yêu cầu đề bài: - Độ ẩm tương đối ban đầu nho: ω1 = 80% Độ ẩm tương đối cuối nho: ω2 = 13% Cần đổi độ ẩm sang độ ẩm tuyệt đối (tính cho vật liệu khơ) để tính tốn: - Độ ẩm tuyệt đối ban đầu nho: ωk1 = 400% Độ ẩm tuyệt đối cuối nho: ωk2 = 14.94% a) Tốc độ sấy đẳng tốc: Chọn vận tốc tác nhân sấy buồng sấy là: v = (m/s) - Theo tài liệu [20], hệ số cấp nhiệt đối lưu cưỡng bên buồng sấy lưu chất không khí tính từ phương trình thực nghiệm sau: - Mật độ dòng nhiệt đối lưu nhiệt (CT 5.5/98 [2]): 10 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình & Thiết bị Về nguyên tắc lượng tác nhân lạnh tuần hoàn hệ thống qua dàn nóng dàn lạnh phải thực tế tính tốn lại khơng, tiến hành chọn lưu lượng tác nhân lạnh lớn tính tốn thơng số sau để đảm bảo cơng suất tồn hệ thống: mref = 0.0842 (kg/s) - Cơng suất dàn nóng thực tế vận hành tính tốn lại (CT /41 [12]): - Phần cơng suất dư thừa dàn nóng: - Phụ tải nhiệt thiết bị hồi nhiệt (CT /40 [12]): - Công suất vận hành máy nén (CT /41 [12]): - Hệ số lạnh (COP) (CT /41 [12]): 27 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình & Thiết bị 3.3 Tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt 3.3.1 Thiết bị ngưng tụ - dàn nóng Thiết bị ngưng tụ chọn để tính tốn thơng số thiết bị ngưng tụ giải nhiệt khơng khí đối lưu cưỡng Cấu tạo gồm dàn ống trao đổi nhiệt nằm ngang theo chiều chuyển động khơng khí, ống làm đồng thép, kích thước ống chuẩn trình bày bảng 10.1, 10.2/242 [11] Bên ngồi ống có gắn cánh tản nhiệt vng góc với chiều chuyển động khơng khí, cánh cánh trịn cánh phẳng có bước cánh bề dày cánh tùy theo thiết kế Tiến hành chọn thông số ống trao đổi nhiệt cánh tản nhiệt sau: - - Đối với tác nhân freon - R22, ống chọn loại ống đồng (B 10.2/242 [11]): • Đường kính trong: d1 = 15 (mm) • Đường kính ngồi: d2 = 18 (mm) • Bề dày ống: δt = 1.5 (mm) • Bước ống ngang bước ống dọc nhau: s1 = s2 = 40 (mm) Cánh chọn cánh phẳng dạng hình vng làm nhơm: • Chiều cánh: δc = 0.3 (mm) • Bước cánh: sc = (mm) • Chiều dài cánh: lc = s1 = s2 = 40 (mm) a) Tính tốn hệ số cấp nhiệt phía khơng khí (phía ngồi ống): Do dàn nóng có cấu tạo dạng ống có cánh tản nhiệt nên hệ số cấp nhiệt bên phía khơng khí dạng chuyển động ngang qua chùm ống có cánh, với cánh hình phẳng (CT 6.20/148 [12]): Trong đó: - • C = A.B với A tra theo tỉ lệ L/dtđ B = 1.36 - 0.24.Re/1000 (/148 [12]) • n = 0.45 + 0.0066.L/dtđ (/148 [12]) • m= -0.28 + 0.08.L/dtđ (/148 [12]) • L (m) tổng chiều dài cánh theo chiều chuyển động khơng khí • dtđ (m) đường kính tương đương Tổng chiều dài cánh theo chiều chuyển động khơng khí: Trong đó: giả sử chọn n1 = số ống bố trí theo chiều ngang (số cụm ống) - Đường kính tương đương (CT /150 [12]): 28 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học - Bộ mơn Q trình & Thiết bị Nhiệt độ khơng khí trung bình khu vực dàn nóng: Trong đó: T1 T2 nhiệt độ điểm hình 2.1 - - Các thơng số vật lý khơng khí tương ứng với nhiệt độ (Table A- 5/658 [17]): • λkk = 0.02678 (W/m.K) hệ số dẫn nhiệt • νkk = 16.415.10-6 (m2/s) độ nhớt động học Chuẩn số Reynold (CT /149 [12]): Trong đó: chọn vcon = (m/s) vận tốc khơng khí dàn nóng - Chuẩn số Nusselt: - Hệ số cấp nhiệt phía khơng khí (CT /150 [12]): - Diện tích phần cánh tản nhiệt mét ống (CT /235 [12]): - Diện tích khoảng cánh mét ống (CT /235 [12]): - Tổng diện tích mặt ngồi có cánh mét ống: - Diện tích bề mặt mét ống: - Diện tích bề mặt ngồi mét ống khơng làm cánh: - Hệ số cấp nhiệt phía khơng khí quy đổi theo bề mặt ngồi ống xác định sau (CT 6.21/150 [12]): Trong đó: - • E hiệu suất cánh • Ψ = 0.85 hệ số tính đến truyền nhiệt khơng theo chiều cao cánh Hiệu suất cánh (CT 6.22/151 [12]): Trong đó: • hc’ (m) chiều cao quy ước cánh 29 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình & Thiết bị - • m (m) hệ số Đối với cánh hình vng, chiều cao quy ước cánh (CT /151-152 [12]): - Hệ số m (CT /151 [12]): Trong đó: λc = 203.5 (W/m2.K) hệ số dẫn nhiệt cánh (nhôm) (B 29/30 [10]) - Vậy hiệu suất cánh: E = 0.8786 = 87.86% Hệ số cấp nhiệt phía khơng khí quy đổi theo bề mặt ngồi ống: - Chênh lệch nhiệt độ trung bình log dàn nóng (CT 6.30/155 [12]): Trong đó: T1 T2 nhiệt độ điểm hình 2.1 - Giả sử chọn nhiệt độ vách ngồi ống đồng dàn nóng T wc = 62.6oC Chênh lệch nhiệt độ ngưng tụ bên ống nhiệt độ vách: - Mật độ dòng nhiệt phía khơng khí quy đổi theo bề mặt ống (CT /188 [12]): Trong đó: λt = 384 (W/m2.K) hệ số dẫn nhiệt ống đồng (B 29/30 [10]) b) Tính tốn hệ số cấp nhiệt phía tác nhân lạnh (phía ống): - Tác nhân lạnh ngưng tụ bên ống đồng dạng ngưng tụ bên ống nằm ngang, cơng thức tính hệ số cấp nhiệt phía tác nhân lạnh sau (CT 6.1/139 [12]): Các thông số công thức tra nhiệt ngưng tụ tác nhân lạnh lỏng theo phụ lục 14/550 [9] với: - • r = 123 (kJ/kg) ẩn nhiệt hóa • ρ = 969.9 (kg/m3) khối lượng riêng • λ = 0.0565 (W/m.K) hệ số dẫn nhiệt • g = 9.81 (m/s2) gia tốc trọng trường • μ = 1.92.10-4 (N.s/m2) độ nhớt động lực học Mật độ dòng nhiệt phía tác nhân lạnh: - Sai số q1 q2-tr: 30 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình & Thiết bị → Sai số nhỏ ( 0oC xác định sau(CT 6.71/226 [12]): - Hệ số tỏa nhiệt quy ước: - Diện tích phần cánh tản nhiệt mét ống (CT /235 [12]): - Diện tích khoảng cánh mét ống (CT /235 [12]): 32 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ mơn Q trình & Thiết bị - Tổng diện tích mặt ngồi có cánh mét ống: - Diện tích bề mặt mét ống: - Hệ số cấp nhiệt phía khơng khí quy đổi theo bề mặt ống xác định sau (CT 6.21/150 [12]): Trong đó: - • E hiệu suất cánh • Ψ = 0.85 hệ số tính đến truyền nhiệt khơng theo chiều cao cánh Hiệu suất cánh (CT 6.22/151 [12]): Trong đó: - • hc’ (m) chiều cao quy ước cánh • m (m) hệ số Đối với cánh hình vng, chiều cao quy ước cánh (CT /151-152 [12]): - Hệ số m nhiệt độ Twe > 0oC xác định sau (CT 6.74/226 [12]): Trong đó: λc = 203.5 (W/m2.K) hệ số dẫn nhiệt cánh (nhôm) (B 29/30 [10]) - Vậy hiệu suất cánh: E = 0.7993 = 79.93% Hệ số cấp nhiệt phía khơng khí quy đổi theo bề mặt ống: - Giả sử chọn nhiệt độ vách ống đồng dàn lạnh Twe = 4.02oC Chênh lệch nhiệt độ vách nhiệt độ bay hơi: - Mật độ dịng nhiệt phía khơng khí quy đổi theo bề mặt ống (CT /188 [12]): Trong đó: λt = 203.5 (W/m2.K) hệ số dẫn nhiệt ống đồng (B 29/30 [10]) b) Tính tốn hệ số cấp nhiệt phía tác nhân lạnh (phía ống): 33 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học - Bộ mơn Q trình & Thiết bị Tác nhân lạnh sơi bên ống đồng dạng sôi bên ống nằm ngang, freon cơng thức tính hệ số cấp nhiệt phía tác nhân lạnh sau (CT 6.50/219 [12]): Các thông số công thức tra nhiệt độ sôi tác nhân lạnh lỏng T eva = 0oC - • A = 1.32 (B 6.28/219 [12]) • vref (m/s) vận tốc tác nhân lạnh lỏng ống • ρ = 1285 (kg/m3) khối lượng riêng tác nhân lạnh lỏng (PL 14/550 [9]) Vận tốc tác nhân lạnh lỏng ống (CT 6.83/228 [12]): - Hệ số cấp nhiệt phía tác nhân lạnh: - Mật độ dịng nhiệt phía tác nhân lạnh: - Sai số q1 q2-tr: → Sai số nhỏ (