Hầm sấy được xây dựng theo kích thước đảm bảo thuận lợi việc di chuyển của các xe goòng, thuận tiện cho việc đẩy xe vào cũng như kéo xe ra khỏi hầm sấy. Hầm sấy được xây dựng theo các kích thước sơ bộ sau:
a) Chiều rộng của hầm sấy 𝐵ℎ:
Chiều rộng của hầm phụ thuộc vào chiều rộng của xe goòng. Ta lấy dư ra 2 phía mép trái và mép phải của xe là 100mm để xe di chuyển dọc theo hầm sấy được dễ dàng: 𝐵ℎ = 𝐵𝑋 + 2.100 = 1250 + 2.100 = 1450 𝑚𝑚.
b) Chiều cao của hầm sấy 𝐻ℎ:
Chiều cao của hầm phụ thuộc vào chiều cao của xe goong. Ta lấy dư ra phía mép trên của xe là 150mm để xe di chuyển dọc theo hầm sấy được dễ dàng:
𝐻ℎ = 𝐻𝑋+ 150 = 1650 + 150 = 1800 𝑚𝑚.
c) Chiều dài của hầm sấy 𝐿ℎ:
Chiều dài của hầm phụ thuộc vào chiều dài và số lượng của xe goòng làm việc trong hầm. Ta lấy dư ra phía cửa vào và cửa ra mỗi phía là 1000mm giúp cho việc đẩy xe goong cũng như kéo ra khỏi hầm được thuận lợi:
𝐿ℎ = 𝑁𝑋. 𝐿𝑋+ 2.1000 = 14.850 + 2.1000 = 13900 𝑚𝑚.
Trong hệ thống sấy của ta bố trí một kênh dẫn gió nóng(nhiệt độ 700𝑐), một kênh dẫn gió thải và một kênh dẫn gió hồi. Các kênh được xây dựng với chiều rộng hợp lý giúp cho việc lắp đặt thiết bị, vận hành và bảo dưỡng được thuận tiện. Ta có được bảng vẽ mặt bằng xây dựng hầm sấy như sau:
GVHD:Nguyễn Thị Xuân Mai Trang 29
Với kết cấu xây dựng như trên, tốc độ của tác nhân sấy nóng đi trong kênh dẫn vào khoảng 2,5m/s. Tốc độ này là hợp lý để giảm tổn thất áp suất cho quạt.
Trên nền của hầm có lắp 2 thanh ray để xe goòng có thể di chuyển tự do dọc theo hẩm sấy.
B – QUÁ TRÌNH SẤY THỰC 4.5 Tổng các tổn thất nhiệt trong hệ thống sấy
Khi vận hành làm việc hầm sấy tốn thất của HST bao gồm các tổn thất sau: Tổn thất do vật liệu sấy mang đi:
Qv [kJ/h]; qv [kJ/kg_ẩm].
Tổn thất do thiết bị truyền tải (khay sấy, xe goòng): QTBTT [kJ/h]; qTBTT [kJ/kg_ẩm].
Tổn thất do môi trường của kết cấu bao che: QMT [kJ/h]; qMT [kJ/kg_ẩm].
Ta lần lượt xác định các tổn thất này như sau:
4.5.1 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi qv[kJ/kg_ẩm]
Theo kinh nghiệm vận hành hệ thống với sản phẩm sấy là nông sản thực phẩm thì sản phẩm sấy (SPS) đi ra khỏi thiết bị sấy (TBS) có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ của TNS đi vào từ 5÷10oC. Do đó, VLS đi ra có nhiệt độ là tv2=70oC – 10oC =60 oC.
Nhiệt độ VLS đi vào đúng bằng nhiệt môi trường tv1=27 oC.
Nhiệt dung riêng của Chuối là CVL=1,0269 kJ/kg.K, nhiệt dung riêng của nước là 4,18 kJ/kg.K với sản phẩm đầu ra là Chuối khô có độ ẩm W2=12%, do đó nhiệt dung riêng của Chuối đi ra khỏi hầm sấy là:
CV2= CVL.(1–W2)+Cn.W2=1,0269(1-0,12)+4,18.0,12≈1,4 kJ/kg.K Do vậy, tổn thất nhiệt do sản phẩm sấy mang đi là:
QVL=G2.CV2.(tv2–tv1)=45,45.1,4.(70–27) = 2736,09 kJ/h
QVL =2736,09
145,45 = 18,81 kJ/kg_ẩm
3.5.2 Tổn thất nhiệt do thiết bị truyền tải qTBTT [kJ/kg_ẩm]
Ta có: QTBTT = Qkh + Qx. Với Qkh và Qx lần lượt là tổn thất do khay sấy và xe gòong mang đi.
GVHD:Nguyễn Thị Xuân Mai Trang 30
Nhiệt độ của khay sấy và xe goòng khi đi vào hầm sấy lấy bằng nhiệt độ môi trường là: tkh1 = tx1 = to = 27℃.
Nhiệt độ của khay sấy khay sấy và xe goòng khi đi ra khỏi khay sấy lấy bằng nhiệt độ sấy : tkh2 = tx2 = t1 = 80℃.
Khay sấy và xe goòng có khối lượng lần lượt là: Gkh = 4kg; Gx = 28kg.
Nhiệt dung riêng của vật liệu chế tạo xe và khay (Inox và Nhôm) là: Ckh = 0,86 kJ/kg.K ; Cx= 0,42 kJ/kg.K.
Tổn thất nhiệt do khay sấy mang đi là:
Với số lượng khay là Nkh=160 khay; Thời gian sấy là τ = 8h. Qx =Nkh. Gkh. Ckh. (tx2 − tx1)
τ =
160.4.0,86. (80 − 27)
8 = 3646,4 kJ/h
Tổn thất nhiệt do xe goòng mang đi là:
Với số lượng xe là Nx = 10 xe. Thời gian sấy là τ = 8h. Ta có:
Qx =Nx. Gx. Cx. (tx2− tx1)
τ =
10.28.0,42. (80 − 27)
8 = 779,1 kJ/h
Do vậy tổng tổn thất nhiệt do thiết bị truyền tải mang đi là: QTBTT = Qkh + Qx = 3646,4 + 779,1= 4425,5kJ/h
qTBTT = QTBTT
W = 4425,5
145,45 = 30,43 kJ/kg_ẩm
4.5.3 Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che qMT[kJ/kg_ẩm]
Với kết cấu xây dựng của hầm sấy như đã thiết kế ta có:
Tiết diện tự do của tác nhân sấy nóng đi trong hầm là: Ftd = FH + FX.
Với FX: là tiết diện của xe goòng (4thanh thẳng đứng 25 × 1740), 12 thanh nằm ngang 25×1200), do đó FX = 4.(0,025 × 1,74) + 16.(0,025 × 1,2) = 0,654m2.
FH: là tiết diện của hẩm sấy (1870 × 1890), do đó FH = 1,87 × 1,89 ≈ 3,5343 m2.
Vì vậy tiết diện tự do là: Ftd= 3,5343 − 0,654 = 2,8803 m2. Sau khi tính toán quá trình sấy lý thuyết ta đã xác đinh được lưu lượng tác nhân sấy đi qua hầm là: Vlt = 11380,5 m3/h = 3,16 m3/s, tuy nhiên trong quá trình sấy thực thì lượng TNS này phải lớn hơn để bù lại các tổn thất. Do đó, tốc độ TNS tối thiểu đi trong hầm sấy là:
GVHD:Nguyễn Thị Xuân Mai Trang 31
Vlt = Vk Ftd =
3,16m3
2,8803m2 ≈ 1,1m/s
ta sẽ kiểm tra lại giả thiết này.
Tổn thất do kết cấu bao che phụ thuộc vào kết cấu xây dựng của hầm sấy và bao gồm các thành phần sau:
Tổn thất qua 2 tường bên: QT. Tổn thất qua trần: QTr.
Tổn thất qua nền: Qn.
Tổn thất qua 2 cửa vào và ra của hầm: Qc. Do đó, QMT = QT + QTr + Qn + Qc
4.5.3.1 Tổn thất qua 2 tường bên: QT
Vì lưu lượng tác nhân sấy tối thiểu trong quá trình sấy thực phải lớn hơn lưu lượng tác nhân sấy trong quá trình sấy lý thuyết nên tốc độ tác nhân sấy giả thiết để tính toán các tổn thất cũng phải lớn hơn vlt. Giả sử ta lấy v = 1,2 m/s.
Ta có:
α1= 6,15 + 4,17v = 6,15 + 4,17 × 1,2 = 11,154 W/m2.độ
Bằng phương pháp lặp giả thuyết trước nhiệt độ tường phía trong tw1 và tính được dòng nhiệt q truyền qua tường. Từ dòng nhiệt này ta tìm được nhiệt độ mặt truyền nhiệt bằng đối lưu giữa tác nhân với tường trong q’ và dòng nhiệt truyền từ mặt ngoài của tường vào môi trường q” sai khác nhau không quá 10% thì kết quả tính toán là chấp nhận được. Ta giả thiết tw1 = 59,5oC. Ta có: q’ = α1(tTB− tw1) (công thức 6.11, trang 74, [8] Với: tTB = t1 + t2 2 = 80 + 50 2 = 65℃ Vậy q’= 11,154(65 – 59,5) = 61,347 W/m2
Nhiệt độ mặt ngoài của tường tw2, theo hệ quả của định luật Furier ta có:
tw2 = tw2−q ′δ1 λ1
GVHD:Nguyễn Thị Xuân Mai Trang 32
Ở đây λ1 là hệ số dẫn nhiệt của gạch, λ1= 0,77 W/m2.độ ( tra bảng I.126, trang 128, [9]).
δ1 là bề dày của tường δ1= 0,2m. Vì vậy
tw2 = 59,5 − 61,347 × 0,2
0,77 = 43,56℃
Như độ chênh lệch nhiệt độ Δt = tw2 – to = 43,56 – 27 = 16,56oC Nhiệt độ tính
tm =tw2 + to
2 = 35,3 ℃
Từ nhiệt độ tm = 35,3 tra bảng I.255, trang 318, [9], ta có:
λ1= 2,73.10-2 W/m.độ ν= 16,48. 10-6m2/s Pr= 0,7
Do đó, chuẩn số Gratkov (công thức V.39, trang 13, [10]):
Gr =g. β. l 3. ∆t ν2 Với β – hệ số giãn nở thể tích: β = 1 (t + 273) = 1 16,56 + 273= 1 289,56 g – là gia tốc trọng trường g = 9,81m/s
l = HΣ là chiều cao phủ bì, HΣ + δTr + δbông = 1,89 + 0,15 + 0,1= 2,14m
Gr = 9,81 × (2,14)
3× 16,56
1
298,56× (16,48 × 10−6)2 = 2,02. 1010
Chuẩn số Nuyxen (công thức V.68, trang 23, [10]): Nu = C(Gr.Pr)n
Hệ số C và n phụ thuộc vào tích số Gr.Pr
Gr.Pr = 2,02.1010× 0,7 = 1,417.1010 > 2. 107 (chế độ xoáy) Nên ta xác định được C=0,135; n = 0,33
Nu = 0,135(Gr.Pr)0,33 = 0,135(1,417.1010)0,33 = 302,2 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
GVHD:Nguyễn Thị Xuân Mai Trang 33 α2 = Nu. λ l = 302,2.2,73. 10−2 2,14 = 3,855W/m2. độ (công thức trang 23, [10])
Dòng nhiệt truyền từ bề mặt ngoài của tường vào môi trường: q”= α2 (tw2 – to)= 3,855(43,56-27)=63,84 W/m2 Sai số giữa q’ và q”: ∆q% =q" − q′ qmax = 63,84 − 61,347 63,84 = 3,9% < 10% Với qmax=q”=63,84oC.
Sai số này nằm trong phạm vi cho phép. Tường bên có kích thước là:
Ft=(Hh.Lh).2= (1,89.14).2=53m2
Tường được xây bằng gạch dày δt=200mm=0,2m, có hệ số dẫn nhiệt λt=0,77 W/m.độ (tra bảng I.126, trang 128, [9]). Ta xác định được:
kt = 1 1 α1+δ1 α1+ 1 α2 = 1 1 14,5+ 0,2 0,77+ 1 4,37 = 1,79 W/m2. độ
Do đó tổn thất qua 2 tường bên Qt bằng:
Qt= Ft.kt(ttb - to) =53.1,79(65 - 27) = 3605,06W
4.5.3.2 Tổn thất qua trần QTr
Trần có kích thước FTr= Bh.Lh = 1,87.14= 26,2m2
Trần được đổ bằng bê tông cốt thép dày δ2 = 150mm = 0,15m và bọc thêm 1 lớp bông thủy tinh cách nhiệt có bề dày δ3 = 100mm = 0,1m. Tra bảng I.126, trang
128, [9]) ta có hệ số dẫn nhiệt của bê tông cốt thép và bông thủy tinh cách nhiệt lầm
lượt là: λ2=1,55 W/m.độ và λ3=0,06 W/m.độ. Ta xác định được: ktr = 1 1 α1+δ2 α2+δ3 α3+ 1 1,3.α2 = 1 1 14,5+0,15 1,55+ 0,1 0,06+ 1 1,3.4,37 = 0,5 W/m2. độ Do đó tổn thất qua trần QTr bằng QTr= Ftr.ktr(ttb - to) =26,2.0,5(65 - 27) = 495,7W 4.5.3.3 Tổn thất qua nền: Qn Nền có kích thước Fn= Bh.Lh = 1,87.14= 26,2m2
GVHD:Nguyễn Thị Xuân Mai Trang 34
Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy bằng 65oC và giả sử phòng cấy cách tường bao che phân xưởng 2 mét. Theo bảng 6.1, trang 74, [8]), ta có:
qn= 40W/m.
Do đó tổn thất qua nền bằng: Qn= Fn.qn=26,2.40=1048W
4.5.3.4 Tổn thất qua 2 cửa vào và ra của hầm sấy: Qc
Ở 2 phía đầu vào và ra của hầm sây có lắp cửa với kích thước: 1300×1850(mm). Nên diện tích của cửa là: Fc= 2×(1,87.1,89)=7,0686 m2
Cửa được làm bằng thép dày δc = 10mm = 0,01m. Tra bảng I.126, trang 128, [9]),
ta có hệ số dẫn nhiệt của cửa là: λc = 0,5 W/m.độ. Ta xác định được: kc = 1 1 α1+δc αc+ 1 α2 = 1 1 14,5+0,01 0,5 + 1 4,37 = 3,147 W/m2. độ Do đó Qc= Fc.qc=7,0686.3,147.(65 – 27) = 845,31W
Như vậy tổng các tổn thất nhiệt của các hệ thống sấy qua kết cấu bao che là: QMT = QT+QTr+Qn+Qc= 3605,06+495,7+1048+845,31= 5723,9W = 5994,07×3,6 kJ/h = 21578,65 kJ/h => qMt =QMT W = 21578,65 145,55 = 148,26 kJ/kg_ẩm
Vì vậy tổng các tổn thất của hệ thống sấy là:
∆= Ca.to – qvl – qTBTT – qMT
Với Ca.to – thành phần nhiệt vật lý do TNS đưa vào, thay vào ta có tổng tổn thất của hệ thống sấy là:
∆= 4,18.27 – 60,2 – 30,43 – 148,26 = -126,03 kJ/kg_ẩm Với tvl = to = 27oC
4.6 Tính toán quá trình sấy thực
Ta lần lượt xác định các thông số của tác nhân sấy ở các điểm nút trong quá trình sấy thực như sau:
GVHD:Nguyễn Thị Xuân Mai Trang 35
4.6.1 Thông số của không khí sau thiết bị sấy (thông số không khí thải ra
ngoài, cũng như không khí hồi lưu tại buồng hòa trộn) (2t)
Độ chứa hơi của không khí ra khỏi thiết bị sấy là: Độ chứa hơi sau quá trình sấy thực:
d2t = Cpk(t1−t2) i2−∆ + do(i1−∆) (1+n)(i2−∆) 1 − n(i1−∆) (1+n)(i2−∆) (Công thức 5.36, trang 65, [8]) Trước hết ta tính: i1= r + Cpa.t1 = 2500 + 1,842.80 = 2647,36 kJ/kg_kkk i2= r + Cpa.t2 = 2500 + 1,842.50 = 2592,1 kJ/kg_kkk Thay vào với:
t1=80 oC, t2=50 oC, do=0,0185kg_ẩm/kg_kkk, n=1, Δ= -119,34 kJ/kg_ẩm Ta có: d2t = 1,004(80−50) 2592,1−(−126,03 )+0,0185(2647,36−(−126,03 )) (1+1)(2592,1−(−126,03 )) 1 − 1(2647,36−(−126,03 )) (1+1)(2592,1−(−126,03 )) = 0,041kg_ẩm/kg_kkk
Entapi của không khí ra khỏi thiết bị sấy là:
I2t = 1,004t2 + d2t(2500 + 1,842t2) = 1,004.50 + 0,041(2500 + 1,842.50) = 156,476 kJ/kg_kkk
Phân áp suất bão hòa của hơi nước ở nhiệt độ t2=50 oC tra bảng 3, trang
192, [1] ta có: pbh2=0,12335 bar
Độ ẩm tương đối của không khí ra khỏi thiết bị sấy:
φ2t = d2t.pkq
pbh2(0,621 + d2t) =
0,041 × 0,981
0,12335 × (0,621 + 0,041)= 0,4926 = 49,26%
So với điều kiện đã chọn φ2 = (51,5±5%) là hoàn toàn thỏa mãn. Như vậy, chọn t2=50 oC là hợp lý.
Như vậy, không khí ra khỏi thiết bị sấy (2t) ta có:
t2t=50 oC, φ2 = 50,4%, d2t=0,041 kg_ẩm/kg_kkk, I2t=156,476 kJ/kg_kkk.
4.6.2 Thông số của không khí sau buồng trộn (Mt)
GVHD:Nguyễn Thị Xuân Mai Trang 36
Độ chứa hơi của không khí sau buồng trộn là:
dMt =do+ n. d2t
1 + n =
0,0185 + 1.0,041
1 + 1 = 0,02975 kg_ẩm/kg_kkk
Entapi của không khí sau buồng hòa trộn là:
IMt =Io+ n. I2t
1 + n =
74,27 + 1.156,476
1 + 1 = 115,373 kJ/kg_kkk
(công thức 5.32, trang 65, [8])
Nhiệt độ của không khí sau buồng hòa trộn là:
tMt = IMt− dMt.r Cpk+ dMt. Cpa
=115,373 − 0,02975.2500
1,004 + 0,02975.1,842 = 38,7℃
(công thức 5.33, trang 65, [8]).
Phân áp suất bão hòa của hơi nước ở nhiệt độ tMt=38,7oC là pbhM=0,0737 bar (tra bảng 3, trang 192, [1]).
Độ ẩm tương đối của không khí sau buồng hòa trộn
φMt = dMt.pkq
pbhM(0,621 + dMt) =
0,02975 × 0,981 0,0737 × (0,621 + 0,02975) = 0,608 = 60,8%
Như vậy không khí sau buồng hòa trộn (M) có: tMt=38,7oC, φMt= 60,8%, dMt=0,02975kg_ẩm/kg_kkk, IMt= 115,373 kJ/kg_kkk.
4.6.3 Thông số không khí sau khi ra khỏi Calorifer (đi vào thiết bị sấy) (1t)
Không khí sau khi ra khỏi Calorifer đi vào thiết bị sấy là trạng thái điểm (1t) có:
Độ chứa hơi của không khí sau khi ra khỏi Calorifer là: d1t = dMt= 0,02975 kg_ẩm/kg_kkk
Entapi của không khí sau khi ra khỏi Calorifer là: I1t = 1,004t1t + d1t(2500 + 1,842 t1t)
= 1,004.80 + 0,02975(2500 + 1,842.80)= 159,08 kJ/kg_kkk
Phân áp suất bão hòa của hơi nước ở nhiệt độ t1t=80oC là pbh1=0,4736bar (tra bảng 3, trang 192, [1]).
Độ ẩm tương đối của không khí sau khi ra khỏi Calorifer là:
φ1t = d1t.pkq
pbh1(0,621 + d1t)=
0,02975 × 0,981 0,4736 × (0,621 + 0,02975)
GVHD:Nguyễn Thị Xuân Mai Trang 37
= 0,095 = 9,5%
Như vậy không sau khi ra khỏi Calorifer đi vào thiết bị sấy (1t) có: t1t=80oC,
φ1t= 9,5%, d1t=0,02975kg_ẩm/kg_kkk, I1t= 159,08kJ/kg_kkk.
4.7 Lưu lượng không khí khô thực tế cần dùng
4.7.1 Lượng không khí khô thực tế lưu chuyển trong thiết bị sấy
L = W
d2t− d1t
= 145,55
0,041 − 0,02975= 12937,78 kg_kkk/h
(công thức 5.17, trang 61, [8]).
Với nhiệt độ trung bình của dòng khí lưu chuyển trong thiết bị sấy là: ttb = 0,5(t1+ t2) = 0,5(80+ 50)= 65oC
ρtb= 1,044kg_kkk/m3_kkk (tra bảng I.225, trang 318, [9]).
Do đó, lưu lượng thể tích không khí lưu chuyển qua thiết bị sấy là:
V = L
ρtb
=12937,78
1,044 = 12392,5m
3/h ≈ 3,44m3/s
Do đó, tốc độ của tác nhân sấy trong buồng sấy trong quá trình sấy thực là:
ωt = V
Ltd
= 3,44m
3/s
2,8803m2 = 1,195m/s
Sai khác với tốc độ giả thiết 1,2m/s không nhiều (khoảng 1%) nên ta chấp nhận kết quả này.
4.7.2 Lượng không khí khô ngoài trời thực tế cấp vào cần thiết
L0 = W
(1 + n)(d2t− d1t) =
145,55
(1 + 1)(0,041 − 0,02975) = 6468,89 kg_kkk/h
Với nhiệt độ của không khí ngoài trời là:
to=27oC => ρ =1,176 kg_kkk/m3_kkk (tra bảng I.225, trang 318, [9]).
Do đó, lưu lượng thể tích không khí cấp vào cần thiết là:
V0 =Lo
ρ =
6468,89
1,176 = 5500,76m
GVHD:Nguyễn Thị Xuân Mai Trang 38
4.8 Nhiệt lượng cần cung cấp cho tác nhân sấy từ Calorifer
Nhiệt lượng cần cung cấp cho hệ thống sấy (cung cấp qua calorifer khí – hơi) là: q = I1t− IMt d2t− dMt =159,08 − 115,373 0,041 − 0,02975 = 3885,07 kJ/kg_ẩm Q= W.q= 145,55.3885,07= 565471,45 kJ/h ≈ 157kW Nhiệt lượng có ích q1: q1= i2 – Ca tv1 = 2592,1 - 4,18.27= 2479,24 kJ/kg_ẩm Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi q2:
q2 = L W. Cdx. (d0)(t2t− tMt) Với Cdx(d0)= Cpk+ Cpad0=1,004 + 1,842.0,0186= 1,0383 kJ/kg.độ q2 =12937,78 145,55 × 1,0383 (50 − 38,7) = 1043,27 kJ/kg_ẩm Tổng nhiệt lượng có ích và các tổn thất q’: q’= q1 + q2 + qvl + qTBTT + qMT = 2479,24 + 1043,27 + 18,81 + 30,43+ 148,26 = 3720,01 kJ/kg_ẩm
Có thể thấy rằng nhiệt lượng tiêu hao q , tổng nhiệt lượng có ích và các tổn thất q’ phải bẳng nhau. Tuy nhiên trong quá trình tính toán chúng ta đã làm tròn hoặc sai số trong tính toán các tổn thất mà chúng ta đã phạm phải một sai số nào đó. Chúng ta kiểm tra sai số này. Ở đây sai số tuyệt đối:
Δq = q – q’ = 3885,07 – 3720,01 = 165,06 Hay sai số: ε =∆𝑞 𝑞 = 165,06 3885,07= 4,2%
GVHD:Nguyễn Thị Xuân Mai Trang 39
Bảng 5.1 cân bằng nhiệt của hệ thống sấy: