3.2.1 Nguyờn lý hoạt động 1- bh áp thấp ( LPE ) bh áp cao ( HPE ) Hòa trộn MN Ngưng tụ Van KVP Van 1 chiều
36
MN: Mỏy nộn; TL: Tiết lưu; HPE: (High pressure evaporator) dàn bay hơi ỏp suất cao; LPE: (Low pressure evaporator) dàn bay hơi ỏp suất thấp
Nguyờn lý hoạt động:
Hơi mụi chất từ điểm hũa trộn (1) tại ỏp suất sụi po2 được nộn lờn điểm (2) tại ỏp suất ngưng tụ pk. Tại đõy hơi mụi chất quỏ nhiệt đi vào dàn ngưng để tỏa ra lượng nhiệt Qk và sau khi ra khỏi dàn ngưng mụi chất chuyển sang thể lỏng tại điểm (3). Tiếp theo, lỏng mụi chất gión nở bởi van tiết lưu 1 xuống tới điểm bóo hũa (4) cú ỏp suất po1.
Tại điểm (4), nếu ta sử dụng cả hai dàn bay hơi thỡ lỏng cao ỏp chia làm hai phần. Một phần vào dàn bay hơi ỏp suất cao po1, ứng với nú là nhiệt độ sụi to1, mụi chất thu nhiệt của mụi trường xung quanh để húa hơi tới điểm (7). Như vậy mụi trường xung quanh nhận một năng suất lạnh là Qo1 tại dàn bay hơi ỏp suất cao ở nhiệt độ to1. Hơi mụi chất tại (7) lại tiếp tục gión nở bởi van tiết lưu từ ỏp suất po1 xuống ỏp suất po2 tại điểm (8). Phần thứ hai ở điểm (4) cũng qua van KVP để gión nở từ ỏp suất po1 xuống ỏp suất po2 tại (5) để vào bay hơi ỏp suất thấp. Tại nhiệt độ sụi tương ứng là to2, mụi chất nhận nhiệt của mụi trường để bay hơi tới điểm (6). Như vậy, mụi trường xung quanh nhận một năng suất lạnh Qo2 tại nhiệt độ to2. Hơi mụi chất tại (6) và (8) hũa trộn cựng nhau đạt tới điểm (1), kết thỳc chu trỡnh.
3.2.2. Phương trỡnh tớnh toỏn
Giả sử ta cú lưu lượng của mụi chất trong hệ thống là m (kg/s) thỡ lượng mụi chất mỏy nộn nộn vào dàn ngưng tụ là: m.
Tại điểm (4), lượng mụi chất tỏch thành hai phần, phần vào HPE cú tỉ lệ là m. , phần vào LPE cú tỉ lệ 1- là m(1-)
Nhiệt lượng tỏa ra tại dàn ngưng là:
k 2 3 Q m 1 h h , kJ/kg (3.1) Cụng suất nộn: s 2 1 N m 1 h h , kJ/kg (3.2)
Năng suất lạnh tại dàn bay hơi ỏp cao :
01 7 4
37 Năng suất lạnh tại dàn bay hơi ỏp thấp :
02 6 5
Q m 1 h h , kJ/kg (3.4)
Phương trỡnh cõn bằng tại điểm hũa trộn:
1 6 8 1 6 8
mh m 1 h m h h 1 h h (3.5) Một số kết quả tớnh toỏn cú trong nội dung mục 3.5
3.2.3. Điều chỉnh phõn tầng ỏp suất bằng van KVP
Giới thiệu van KVP:
Hỡnh 3.3. Hỡnh ảnh và cấu tạo van điều chỉnh ỏp suất KVP
1. Nắp bảo vệ; 2. đệm kớn; 3. vớt đặt ỏp suất; 4. lũ xo chớnh; 5. thõn van; 6. hộp xếp cõn bằng; 7. tấm van; 8. đế van; 9. cơ cấu đệm; 10. đầu nối ỏp kế; 11. mũ; 12. đệm kớn; 13. kim lút.
Ưng dụng của van KVP
-Duy trỡ ỏp suất sụi của dàn bay hơi từ đú duy trỡ nhiệt độ bề mặt trờn dàn.
-Bảo vệ chống lại sự giảm ỏp, van sẽ đúng lại khi ỏp suất trong dàn xuống dưới giỏ trị đặt.
38
-Van KVP cũng được dựng để phõn thành những tầng ỏp suất khỏc nhau trong hai hoặc nhiều dàn bay hơi với hệ thống chỉ dựng một mỏy nộn duy nhất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyờn lý điều chỉnh, duy trỡ ỏp suất bay hơi của van:
Độ mở của van được quyết định bởi ỏp suất bay hơi vào van theo tỷ lệ, ỏp suất bay hơi càng lớn, van mở càng to và ngược lại, cũn khi ỏp suất bay hơi giảm xuống dưới mức quy định thỡ van sẽ đúng. Lực đúng van là lực lo xo nộn tỏc động từ trờn xuống, lực mở van là ỏp suất bay hơi tỏc động lờn diện tớch tấm van từ dưới lờn. Khi lực lũ xo nộn lớn hơn hoặc cõn bằng với lực mở thỡ van đúng, khi lực mở thắng lực lũ xo nộn thỡ van mở.
Lắp đặt van KVP cho 2 dàn bay hơi với 2 nhiệt độ sụi:
Hỡnh 3.4 giới thiệu sơ đồ hệ thống lạnh 2 nhiệt độ sụi sử dụng van KVP.
Hỡnh 3.4. Sơ đồ lắp đặt của hệ thống lạnh 2 nhiệt độ bay hơi bằng van KVP
Trờn sơ đồ giới thiệu hệ thống lạnh với 2 dàn bay hơi cú 2 nhiệt độ sụi khỏc nhau, một dàn ở -200C ( dàn A), một dàn ở +50C ( dàn B). Mỗi dàn lạnh hoạt động hoàn toàn độc lập và được điều khiển bằng thermostat KP 61, nhằm khống chế nhiệt độ của cỏc ngăn cho phự hợp yờu cầu bảo quản thực phẩm. Thermostat điều khiển việc đúng mở van điện từ cấp dịch cho cỏc dàn lạnh.
39
Hệ thống hoạt động ổn định thỡ phải duy trỡ nhiệt độ bay hơi từng dàn bằng cỏch duy trỡ ỏp suất bay hơi tương ứng. Để thực hiện điều đú, van KVP được lắp đặt ở dàn bay hơi A cú nhiệt độ bay hơi cao, ỏp suất bay hơi cao để duy trỡ ỏp suất sụi khụng bị tụt xuống thấp hơn tại dàn bay hơi B, do ỏp suất hỳt của mỏy nộn tương ứng với ỏp suất thấp ở dàn B.
3.3. So sỏnh lý thuyết chu trỡnh lạnh hai nhiệt độ sụi với chu trỡnh một nhiệt độ sụi
Mỗi dàn bay hơi cú một phạm vi nhiệt độ và năng suất lạnh khỏc nhau, để điều chỉnh năng suất lạnh và phạm vi nhiệt độ của từng dàn ta cú thể điều chỉnh cỏc thụng số như nhiệt độ sụi, lưu lượng mụi chất và tốc độ giú. Việc điều chỉnh này rất quan trọng vỡ nú sẽ làm cho hệ thống lạnh hai nhiệt độ sụi cú thể đỏp ứng được những yờu cầu cụng nghệ khỏc nhau.
Ta cú cụng thức tớnh diện tớch từng dàn bay hơi theo [4] khi đó biết năng suất lạnh:
0 0 b 0 Q Q F k. t k. t t (3.6)
Đối với dàn bay hơi ỏp suất cao (HPE): F .k. t1 b1t01Q01
Đối với dàn bay hơi ỏp suất thấp (LPE): F .k. t2 b 2t02Q02
Kết hợp ta được: 1 b1 01 7 4 F .k. t t m . h h (3.7a) 2 b2 02 6 5 F .k. t t m 1 . h h (3.7b) Điều chỉnh phạm vi nhiệt độ:
Phạm vi nhiệt độ cú nghĩa là khụng gian lạnh tạo ra bởi cỏc dàn bay hơi, tại HPE là tb1 , tại LPE là tb2. Với năng suất lạnh tạo ra tại HPE khụng đổi, ta muốn thay đổi tb1, thỡ theo (3.7a) ta chỉ cần thay đổi t01 và cú thể thay đổi t01 bằng cỏch điều chỉnh p01 nếu coi sự phụ thuộc của hệ số truyền nhiệt của dàn lạnh vào nhiệt độ sụi khụng đỏng kể. Tương tự với sự thay đổi LPE
Điều chỉnh năng suất lạnh:
Năng suất lạnh từng dàn phụ thuộc vào lưu lượng mụi chất đi qua và tốc độ giú. Cả hai thụng số trờn đều tỷ lệ thuận với năng suất lạnh của từng dàn, tuy nhiờn nếu lưu lượng của dàn này tăng lờn thỡ ở dàn kia ớt đi. Vớ dụ, ta tăng tỉ lệ theo (3.3) và (3.4) Q01 tăng nhưng (1 ) giảm nờn Q02 giảm và ngược lại.
40
Khi điều chỉnh năng suất lạnh của một dàn thỡ khụng những năng suất lạnh của dàn cũn lại thay đổi mà phạm vi nhiệt độ của chớnh dàn đú cũng thay đổi. Vớ dụ, nếu tăng theo (3.7a) thỡ t tb1t01phải tăng tương ứng. Nếu ta giữ nguyờn t01 thỡ tb1 tăng lờn, nếu muốn tb1 khụng đổi thỡ phải giảm t01
3.4 Những ưu điểm của hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sụi3.4.1. Nõng cao lượng nhiệt thu hồi tại dàn lạnh 3.4.1. Nõng cao lượng nhiệt thu hồi tại dàn lạnh
Hiệu quả toàn diện của hệ thống sấy bơm nhiệt cú thể đỏnh giỏ bởi nhiều tiờu chớ: COP, SMER và lượng nhiệt thu hồi tại dàn lạnh. Mụi trường xung quanh là khụng khớ bao gồm khụng khớ khụ và ẩm, cũn dàn lạnh trong hệ thống sấy bơm nhiệt làm nhiệm vụ khử ẩm và giảm nhiệt độ khụng khớ. Như vậy, lượng nhiệt thu hồi tại dàn lạnh bao gồm lượng nhiệt ẩn và lượng nhiệt hiện, lượng nhiệt ẩn là lượng nhiệt thu hồi khi tỏch ẩm trong khụng khớ cũn lượng nhiệt hiện là lượng nhiệt thu hồi khi làm lạnh khụng khớ.
Khi phõn tớch hiệu quả của mỏy lạnh khử ẩm, C.G Carrington đó chỉ ra nguyờn tắc cơ bản để cải thiện lượng nhiệt thu hồi là tăng tỉ lệ lượng nhiệt ẩn trờn tổng lượng nhiệt. Tổng lượng nhiệt của khụng khớ ẩm cú khối lượng khụ 1kg, dung ẩm d kg/kg, tại nhiệt độ t 0C theo [7] là:
pk 0 ph pk ph 0
IC .td r C .t C C tr .d,kJ/kg (3.8)
Lượng nhiệt hiện là: SHCpkCph.t Lượng nhiệt ẩn là: LHr .d0
Túm lại, hiệu quả làm việc của hệ thống sấy bơm nhiệt cũn được đỏnh giỏ qua khả năng khử ẩm của dàn lạnh hay cũn gọi là khả năng nõng cao lượng nhiệt ẩn trờn tổng lượng nhiệt thu hồi của dàn lạnh.
Để thực hiện khả năng khử ẩm của dàn lạnh thỡ nhiệt độ bề mặt của nú phải nhỏ hơn nhiệt độ điểm sương của khụng khớ. Nếu chỉ cú một dàn lạnh thỡ toàn bộ mụi chất lỏng bay hơi trong dàn bay hơi ở nhiệt độ t0 < ts để thu hồi cả nhiệt ẩn và nhiệt hiện.
41 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hỡnh 3.5. Quỏ trỡnh thu nhiệt từ khụng khớ của hệ thống một và hai nhiệt độ sụi
Nhưng khi cú hai dàn bay hơi với hai nhiệt độ sụi, thỡ dàn HPE với t01 sẽ đảm nhiệm một phần tải lạnh để làm lạnh khụng khớ xuống điểm sương, bằng cỏch này LPE với t02 < ts cú thể dành nhiều bề mặt trao đổi nhiệt của nú hơn để thu hồi lượng nhiệt ẩn. Như vậy, sự nõng cao lượng nhiệt thu hồi của hệ thống hai dàn bay hơi được cải thiện nhờ bề mặt trao đổi nhiệt được mở rộng. Theo [16], tổng lượng nhiệt được thu hồi qua hệ thống lạnh này cao hơn 35% so với hệ thống lạnh chỉ cú một dàn bay hơi.
3.4.2. Nõng cao hệ số hiệu quả
Theo (1.5) ta cú hệ số hiệu quả của HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sụi:
01 02 kt h e mn Q Q Q Q COP N L (3.9) Ở đõy:
Lmn: cụng tiờu hao cho mỏy nộn, kW.
Đối với HT này, chỉ cần tiờu tốn dũng năng lượng Lmn ta được cả năng suất lạnh Q01, Q02 và năng suất nhiệt Qk như mong muốn. Mặt khỏc, năng lượng thu được cũng bao gồm cả lượng nhiệt thu hồi. Vỡ vậy, cú thể núi rằng COP của HTS này cao hơn HTS bơm nhiệt chỉ cú một dàn bay hơi.
3.4.3. Tiết kiệm năng lượng nhờ điều chỉnh năng suất lạnh Q0
Nhu cầu năng suất lạnh của TNS
Hai dàn bay hơi Một dàn bay hơi
HPE LPE ts t3 t02 t2 t3 t02 F t t t2 01 t
42
TNS cần một lượng năng suất lạnh tại dàn bay hơi khử ẩm và giảm nhiệt độ. Tuy nhiờn, trong suốt thời gian của một mẻ sấy nhu cầu về năng suất lạnh này thay đổi khỏ nhiều. Thời gian đầu, khụng khớ cần năng suất lạnh lớn để tỏch ẩm nhiều, lượng ẩm này bao gồm lượng ẩm khụng khớ nhận từ vật liệu sấy lẫn lượng ẩm cú sẵn trong khụng khớ đầu vào. Thờm vào đú nhiệt độ trong buồng sấy cũn cao, nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ khụng khớ đầu vào cao nờn dàn bay hơi cung cấp hết năng suất của mỡnh, hệ thống chạy đầy tải.
Q0
t
Hỡnh 3.6. Nhu cầu năng suất lạnh thay đổi theo thời gian
Nhưng theo thời gian, lượng ẩm tỏch được trong vật liệu giảm vỡ lượng ẩm tồn tại trong vật liệu giảm đồng thời tốc độ ẩm thoỏt khỏi vật liệu cũng giảm. Do vậy, lượng ẩm trong khụng khớ cũng giảm theo thời gian. Do lượng ẩm trong khụng khớ cũng giảm theo thời gian nờn lượng năng suất lạnh hữu ớch để làm nhiệm vụ tỏch ẩm trong khụng khớ cũng giảm. Ta cú cụng thức sau Q0hệthống = Q0hữuớch + Q0dưthừa. Thành phần Q0hữuớch giảm theo thời gian được biểu diễn trong hỡnh 3.5. Nếu như hệ thống vẫn chạy đầy tải cú nghĩa là Q0 hệ thống khụng đổi, thỡ thành phần Q0 dư thừa sẽ tăng lờn. Thành phần Q0 dư thừa này sẽ làm giảm nhiệt độ khụng khớ sau khi đi qua dàn lạnh. Đến gần cuối mẻ sấy, năng suất lạnh thừa làm giảm nhiệt độ buồng sấy dưới mức quy định thỡ đụi khi cũn phải dựng điện trở sưởi.
Khả năng điều chỉnh Q0 của hai dàn bay hơi
Theo phõn tớch ở trờn thỡ khi năng suất lạnh giảm, ta cần điều chỉnh lại năng suất lạnh. Một trong những ưu điểm của hai dàn bay hơi mắc song song so với nối tiếp là mụi chất khụng phải bắt buộc đi lần lượt qua từng dàn. Lợi dụng ưu điểm đú, ta cú thể cho mụi chất chỉ đi qua dàn bay hơi ỏp cao bằng cỏch mắc thờm van điện từ vào dàn bay hơi ỏp thấp và ngược
43
lại. Giả sử ta ngắt mụi chất khụng vào dàn ỏp thấp nữa.Khi mụi chất đi toàn bộ qua dàn bay hơi cao ỏp sau đú lại được tiết lưu xuống ỏp thấp qua van KVP sẽ tạo ra được hiệu ứng “ Tiết lưu hơi hỳt” (theo [4]). Chớnh hiệu ứng này sẽ điều chỉnh năng suất lạnh mỏy nộn.
Q0 t Q0 t Qcấp Qcấp Qcấp
Qyêu cầu Qyêu cầu
Hỡnh 3.7. Khả năng điều chỉnh năng suất lạnh của hai dàn bay hơi
Năng suất lạnh của mỏy nộn được tớnh theo biểu thức:
lt 0 0 0 1 V Q m.q . .q v (3.10)
m: lưu lượng mụi chất qua mỏy nộn, kg/s;
: hệ số cấp;
Vlt: thể tớch hỳt lý thuyết, m3/s;
q0: năng suất lạnh riờng khối lượng, kJ/kg; v1 : thể tớch riờng hơi hỳt về mỏy nộn, m3/kg. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
44 Van KVP Van 1 chiều BH ỏp thấp (LPE) BH ỏp cao (HPE) TL1 TL2 Hoà trộn VĐT
Hỡnh 3.8. Sơ đồ thiết bị chu trỡnh tiết lưu hơi hỳt
Để điều chỉnh năng suất lạnh cú thể thay đổi v1 và . Khi tiết lưu hơi hỳt v1 tăng lờn,
giảm nờn m giảm và Q0 giảm. Hỡnh 3.8 mụ tả chu trỡnh tiết lưu hơi hỳt trờn đồ thị lgp-h và biểu đồ năng suất lạnh phụ thuộc hiệu ỏp suất hỳt ph.
2 3 4 1' 1 lgP h p k po po' p h ph áp suất p 0 25 50 75 100
Hỡnh 3.9. Chu trỡnh tiết lưu hơi hỳt và biểu đồ năng suất lạnh phụ thuộc vào ỏp suất hỳt đặt trờn van KVP
Tại vị trớ 100% năng suất lạnh, hiệu ỏp suất ph là tổn thất ỏp suất ngay trong dàn bay hơi. Khi điều chỉnh ph xuống, năng suất lạnh giảm tương ứng. Vớ dụ, khi mở hoàn toàn van KVP năng suất lạnh đạt 100%. Khi điều chỉnh ỏp suất hỳt trờn van KVP xuống ph1 ỏp suất sụi
45
giảm xuống p01 và năng suất lạnh giảm xuống cũn 75%, khi điều chỉnh ph xuống ph2 ỏp suất sụi giảm xuống p02 và năng suất lạnh cũn 50%. Phương phỏp này đơn giản dễ thực hiện, dễ lắp đặt và bảo dưỡng. Tuy nhiờn, lại làm tổn thất tiết lưu lớn hệ số lạnh giảm.
Tớnh linh hoạt của hệ thống sấy
Một lợi ớch khụng kộm phần quan trọng của hệ thống lạnh hai dàn bay hơi là tạo ra được hai nhiệt độ sụi để cú thể cung cấp cho hai dũng khụng khớ với nhiệt độ và độ ẩm khỏc nhau. Do đú, một hệ thống sấy đảm bảo được sự linh hoạt đa dạng cho một phũng sấy đa chức năng nơi mà cú hai hoặc nhiều hơn cỏc sản phẩm khỏc nhau với yờu cầu điều kiện sấy khỏc nhau cú thể được sấy chỉ bằng một hệ thống bơm nhiệt duy nhất.
Mặt khỏc, bằng cỏch lắp thờm van điện từ vào cỏc dàn lạnh và cỏc dàn ngưng ta cú thể điều chỉnh được dũng mụi chất một cỏch dễ dàng. Từ đú cú thể thực hiện cỏc chu trỡnh khỏc nhau như ngắt HPE, ngắt LPE, ngắt dàn ngưng ngoài,…để điều chỉnh thụng số TNS sau khi đi qua dàn lạnh.
3.4.4 Điều chỉnh thụng số tỏc nhõn sấy sau khi đi qua dàn lạnh
Nụng sản thực phẩm được xếp vào loại vậy liệu keo xốp mao dẫn. Trong suốt quỏ trỡnh sấy, ẩm bay hơi từ bề mặt, cỏc lỗ mao dẫn và rời khỏi vật liệu do sự chờnh lệch phõn ỏp suất hơi nước giữa bề mặt vật liệu và khụng khớ xung quanh. Tốc độ bay hơi ẩm trong cả quỏ trỡnh