4.1.1. Sơ đồ công nghệ hệ thống sấy
Máy sấy bằng bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại được thiết kế chế tại theo như hình 4.1.
Hình 4.1. Sơ đồ công nghệ của hệ thống sấy.
Thiết bị sấy được thiết kế và chế tạo để sấy nóng sản với năng suất 100kg/h. Thiết bị sử dụng chu trình bơm nhiệt máy nén với môi chất lạnh là R314a. Dàn bay hơi của thiết bị với nhiệm vụ làm lạnh tách ẩm từ tác nhân sấy trong buồng sấy. Nhiệt tỏa ra từ dàn ngưng tụ của thiết bị được tận dụng để gia nhiệt làm nóng cho tác nhân sấy trước khi vào buồng sấy. Quạt trong buồng sấy được chọn là loại quạt lồng sóc có cột áp thích hợp để thực hiện quá trình sấy đối lưu, bộ phận tiết lưu được chọn là loại ống mao đơn giản. Ngoài ra thiết bị còn bao gồm hệ thống đèn hồng ngoại cung cấp nhiệt cho buồng sấy khi sấy thực phẩm.
P a g e | 39
4.1.2 Bố trí mặt bằng hệ thống sấy
Hệ thống sấy được thiết kế với diện tích sơ bộ là 336,96 [𝑚2] bao gồm buồng sấy là nơi sấy sản phẩm, ngoài ra còn có các phòng riêng cho từng công đoạn nhập hàng, sơ chế, đóng gói và văn phòng. Hình ảnh bố trí mặt bằng được thể hiện như trong hình 4.2.
Hình 4.2. Bố trí mặt bằng hệ thống sấy
4.1.3. Bố trí thiết bị sấy
Thiết bị trong hệ thống sấy được bố trí như trong hình 4.3
4.2. TÍNH THIẾT KẾ, TÍNH CHỌN HỆ THỐNG BƠM NHIỆT 4.2.1. Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt 4.2.1. Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt
a. Môi chất
Lựa chọn môi chất cho bơm nhiệt cần phải đảm bảo các yêu cầu tính chất hóa học, vật lý, tính kinh tế, và phải có nhiệt độ sôi phù hợp. Ngày nay người ta thường sử dụng các môi chất như: R22, R32, R410, R12, R502…. Do hệ thống làm việc ở nhiệt độ cao nên ta càn chọn loại môi chất có nhiệt độ sôi cao. So sánh khả năng ứng dụng rộng rãi và ưu điểm nổi bật của các môi chất, ta lựa chọn R314a.
b. Máy nén lạnh
Máy nén lạnh là một trong những bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt. Tất cả các dạng máy nén lạnh đều được ứng dụng trong bơm nhiệt, đặc biệt quan trọng là máy nén piston trượt, máy nén trục vít, máy nén tuabin. Một máy nén bơm nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, chạy êm và cần phải có hiệu suất cao kể cả trong điều kiện thiếu hoặc đủ tải.
c. Các thiết bị trao đổi nhiệt
Các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản trong bơ nhiệt là thiết bị bay hơi và thiêt bị ngưng tụ. Thiết bị ngưng tụ và bay hơi của bơm nhiệt bao gồm các dạng: ống chum, ống đứng và ống kiểu tấm. Các phương pháp tính toán cho thiết bị trao đổi nhiệt cũng giống như chế độ điều hòa nhiệt độ.
4.2.2. Các thông số nhiệt của môi chất
a. Nhiệt độ ngưng tụ
Dàn ngưng của bơm nhiệt có nhiệm vụ gia nhiệt cho không khí nên môi trường làm mát dàn ngưng chính là tác nhân sấy. Nhiệt độ ngưng tụ được xác định bằng công thức 4.1
𝑡𝑘 = 𝑡𝑤2 + ∆𝑡 (4.1) Trong đó
𝑡𝑤2 : nhiệt độ ra khỏi dàn ngưng, tw2 = 45[oC];
∆𝑡 : hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu. Đối với dàn ngưng giải nhiệt bằng gió, Δt ( 5÷10oC). ta chọn Δt = 10[oC];
Như vậy, nhiệt độ ngưng tụ có giá trị tk = 45+10 = 55[oC].
b. Nhiệt độ bay hơi
Để tránh hiện tưởng xả tuyết làm gián đoạn cho hệ thống sấy, ta chọn nhiệt độ bay hơi t0 = 0[oC].
c. Nhiệt độ hơi hút
P a g e | 41
𝑡ℎ = 𝑡0 + 𝛥𝑡ℎ (4.2) Trong đó
th : nhiệt độ hơi hút [oC]; t0 : nhiệt độ bay hơi [oC];
Δth : hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu, với môi chất R22, ta chọn Δth = 10 [oC]. Từ đó nhiệt độ hơi hút được xác định là th = 0 + 10 = 10 [oC].
4.2.3. Xác định chu trình
a. Chọn chu trình
Với nhiệt độ bay hơi t0 và nhiệt độ ngưng tụ tk đã chọn ở mục 4.2.2, tra bảng tính chất nhiệt động của R314a ở trạng thái bão hòa, ta có :
t0 = 0 [oC] => p0 = 2,9 [bar]
tk = 55 [oC] =>pk = 14,8 [bar]
Từ áp suất tra được, xác định được tỉ số nén: 𝜋 = 𝑝𝑘
𝑝0 = 14,8
2,9 = 5,1 Do π = 5,1 < 12 nên ta chọn máy nén 1 cấp có hồi nhiệt.
b. Sơ đồ nguyên lý làm việc
Sơ đồ nguyên lý làm việc của chu trình được mô tả dưới hình 4.4.
Hình 4.4. Sơ đồ nguyên lý
Nguyên lý làm việc: hơi sau thiết bị bay hơi ở trạng thái (6), đi qua thiết bị hồi nhiệt nhận nhiệt lỏng cao áp trước khi tiết lưu, được quá nhiệt đạt trạng thái điểm (1) sau đó được máy nén hút về, nén đoạn nhiệt lên thành hơi có nhiệt độ cao, áo suất cao ở trạng thái (2), rồi tiếp tục đi vào thiết bị ngưng tụ nhả nhiệt đẳng áp cho môi trường làm mát, ngưng tụ thành lỏng cao áp trạng thái (3). Sau đó đi vào thiết bị hồi hiệt nhả nhiệt cho ơi trước khi hút về máy nén và được quá lạnh đạt trạng thái (4). Rồi tiếp tục đi qua thiết bị tiết lưu, tiết lưu
giảm áp, giảm nhiệt đạt trạng thái (5). Sau đó đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt của đối tượng cần làm lạnh, sôi hóa hơi, hơi sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi trạng thái (6) đi qua thiết bị hồi nhiệt được quá nhiệt lại và được máy nén hút về. Chu trình cứ thế tiếp diễn.
c. Xây dựng đồ thị
Biểu diễn quá trình làm việc của chu trình trên đồ thị log p-i như trong hình 4.5
Hình 4.5. Đồ thị log p-i Các quá trình:
1-1’: quá nhiệt hơi môi chất trước khi vào máy nén; 1’-2: quá trình nén ;
2-3: quá trình ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ; 3-3’: quá trình làm lạnh trước khi tiết lưu; 3’-4: quá trình giảm áp suất ở van tiết lưu;
4-1: quá trình bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bị bay hơi.
d. Lập bảng thông số tại các điểm nút trên đồ thị log p-i
Từ các thông số làm việc tại các điểm nút, sử dụng bảng hơi bão hòa R314a và đồ thị xác định được các thông số nhiệt động tại các điểm nút của chu trình. Các thông số cụ thể được trình bày trong bảng 4.1
Bảng 4.1 Bảng thông số các điểm nút của chu trình
Điểm t[oC] p[bar] I[kJ/kg] s[kJ/kgK] v[m3/s]
1 0 2,91 397,21 1,723 - 1’ 10 2,91 406,2 1,755 0,073 2s 68,60 14,84 441,93 1,755 - 2r - 14,84 457,24 - 3 55 14,84 278,66 - - 3’ 50 14,84 269,67 - - 4 0 2,91 269,67 - -
P a g e | 43
Giả sử hiệu suất không thuận nghịch 𝜂𝑠 = 0,7, khi đó entanpy tại trạng thái 2r là: 𝐼2𝑟 = 𝐼1′ + 𝐼2𝑠 − 𝐼1′
𝜂𝑠 = 406,2 +
441,93 − 406,2
0,7 = 457,24 [𝑘𝐽/𝑘𝑔]
Nhiệt độ điểm 3’ được xác định theo phương trình cân bằng nhiệt trong thiết bị hồi nhiệt với giả thiết bỏ qua các tổn thất
𝐼3 − 𝐼3′ = 𝐼1′ − 𝐼1 Từ đó suy ra:
𝐼3′ = 𝐼3 − 𝐼1′ + 𝐼1 = 278,66 − 406,2 + 397,21 = 269,67 [𝑘𝐽/𝑘𝑔]
Với I3’ = 269,67 [kJ/kg] và P3’ = P3 = 14,84[bar], sử dụng phần mềm coolpack xác định được nhiệt độ t3’ = 50oC. Như vậy độ quá lạnh là:
∆𝑡𝑞𝑙 = 55 − 50 = 5 [℃] Lưu lượng môi chất lạnh trong hệ thống thực:
𝐺 = 𝑄0𝑡𝑡 𝑖1′− 𝑖4 =
1507,09
406,2 − 269,67 = 11,04 [𝑘𝑔/𝑠]
Năng suất lạnh khối lượng riêng: 𝑞0 = 𝑖1′− 𝑖4 = 406,2 − 269,67 = 136,53 [𝑘𝐽
𝑘𝑔] Năng suất nhiệt riêng: 𝑞𝑘 = 𝑖2𝑟 − 𝑖3′ = 457,24 − 269,67 = 187,57[𝑘𝐽
𝑘𝑔] Công nén riêng: 𝑙 = 𝑖2𝑠 − 𝑖1 = 441,93 − 397,21 = 44,72 [𝑘𝐽
𝑘𝑔] Công suất dàn ngưng tụ :
𝑄𝑘 = 𝐺 . 𝑞𝑘 = 11,04 . 187,57 = 2070.5[𝑘𝑊] Thể tích hút lý thuyết trong hệ thống thực:
𝑉 = 𝑚. 𝑣1′= 11,04 . 0,073 = 0,81[𝑚3/𝑠] Phụ tải của thiết bị hồi nhiệt:
𝑄𝐻𝑁 = 𝐺. (𝐼1′ − 𝐼1) = 11,04 ( 406,2 − 397,21) = 99,25 [𝑘𝑊] Hệ số bơm nhiệt của hệ thống:
𝜑 =𝑞𝑘 + 𝑞𝑜
𝑙 =
187,57 + 136,53
44,72 = 7,24
4.2.4. Tính thiết kế, tính chọn các thiết bị trao đổi nhiệt
a. Tính thiết kế dàn ngưng phụ
Thiết bị ngưng tụ của bơm nhiệt có công dụng gia nhiệt cho không khí trước khi vào buồng sấy từ trạng thái bão hòa sau dàn lạnh đến nhiệt độ và độ ẩm yêu cầu trong quá trình sấy. Việc sử dụng dàn ngưng của bơm nhiệt để thay thế cho thiết bị gia nhiệt sẽ làm giảm chi phí điện năng của hệ thống, qua đó làm giảm chi phí lắp đặt và vận hành của hệ thống sấy dùng bơm nhiệt.
Ta chọn loại dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí đối lưu cưỡng bức. Cấu tạo gồm một dàn ống trao đổi nhiệt bằng thép hoặc ống đồng có cánh nhôm hoặc sắt bên ngoài, bước cánh nằm trong khoảng 3 – 10 mm. Cấu tạo của thiết bị như hình 4.6:
Hình 4.6. Dàn ngưng cho hệ thống bơm nhiệt.
Chọn ống cho dàn ngưng: Do môi chất là Freon R134a nên ta chọn ống đồng cánh nhóm để làm ống dẫn môi chất trong dàn ngưng. Tham khảo kích thước dàn ngưng tại xưởng nhiệt lạnh ta có các thông số như sau:
Chọn ống :
d2/d1 = 20/16 [mm];
Ống xếp song song với bước ống ngang: s1 = 34 [mm], bước ống dọc s2 = 34[mm]; Chiều dài đoạn ống l = 3 [m].
Cánh tròn :
Bước cánh sc = 3,5 [mm]; Chiều dày δc = 0,5 [mm]; Đường kính cánh dc = 32 [mm]. Các thông số đã xác đinh trước:
Công suất dàn ngưng: Qk = 819,71 [kW] Nhiệt độ không khí vào dàn: tkk’ = t2 = 10 [oC]; Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn: tkk’’ = 45 [oC]; Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: tk = 55 [oC];
Lưu lượng môi chất qua dàn ngưng: G = 11,04 [kg/s]; Lưu lượng không khí qua dàn: Gkk’ = 3,85 [kg/s] Tốc độ không khí đầu vào của dàn: ω = 2 [m/s].
Diện tích trao đổi nhiệt của dàn ngưng được xác định theo công thức (4.3) 𝐹 = 𝑄𝑘 𝑘. ∆𝑡𝑘 = 𝑄𝑘 𝑞𝑘𝑓 (4.3) Trong đó ;
Qk: phụ tải nhiệt yêu cầu của thiết bị ngưng tụ , [W]; k: hệ số truyền nhiệt, [W/m2K];
P a g e | 45
Δtk: độ chênh nhiệt độ trung bình logarit, [K]; qkf: mật độ dòng nhiệt, [W/m2].
• Tính độ chênh nhiệt độ trung bình logarit
Khi tính toán có thể coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tk. Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit được tính theo công thức (4.4)
∆𝑡𝑡𝑏 =∆𝑚𝑎𝑥 − ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑙𝑛∆𝑡∆𝑡𝑚𝑎𝑥 𝑚𝑖𝑛 (4.4) Trong đó ∆𝑡𝑚𝑎𝑥 = 𝑡𝑘 − 𝑡𝑤2 = 55 − 10 = 45 [℃] ∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = 𝑡𝑘 − 𝑡𝑤1 = 55 − 45 = 10 [℃]
Từ đó tính được độ chênh nhiệt độ trung bình ∆𝑡𝑡𝑏 = 23,27 [𝐾] • Xác định hệ số truyền nhiệt k
Do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,25 <1,4) nên quá trình truyền nhiệt trong vách trụ có thể coi là truyền nhiệt qua vách phẳng. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo công thức (4.5) 𝑘 = 1 1 𝛼1 + 𝛿 𝜆 + 1 𝛼2. 𝜀𝑐 (4.5) Trong đó:
α1 α2 : hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m2K; λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, [W/mK];
δ: chiều dày vách, chiều dày vách được tính theo công thức δ = 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,02- 0,016) = 0,002 [m];
εc: hệ số làm cánh, hệ số làm cánh được tính theo công thức: 𝜀𝑐 = 1 + 𝑛𝑐(𝑑𝑐
2 − 𝑑22)
2. 𝑑1. 𝑙 = 1 +
858 . (0,0322 − 0,022)
2. 0,016.3 = 6,58 Tính hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài α2
Số cánh trên một ống: nc = l/sc = 3/0,0035 = 858 [cánh] Chiều cao cánh : h = 0,5(dc - d2) = 0,5.(32-20) = 6 [mm];
Đường kính tương đương: 𝑑𝐸 = 𝐹0. 𝑑2 + 𝐹𝑐. √2. 𝜂𝐹𝑐 𝑐 𝐹0 + 𝐹𝑐 Trong đó:
F0: diện tích phần không cánh của ống
𝐹0 = 𝜋. 𝑑2. 𝑛𝑐. 𝑠𝑐 = 3,14.0,02.858.0,0035 = 0,13[𝑚2] Fc: diện tích phần có cánh . 𝐹𝑐 = 2𝜋 .𝑑𝑐 2 − 𝑑22 4 . 𝑛𝑐 = 2.3,14. (0,0322 − 0,022) 4 . 858 = 0,84 [𝑚 2] Thay các giá trị vào công thức ta có dE = 0,058 [m]
Tốc độ tại khe hẹp được tính theo công thức
𝜔𝑚𝑎𝑥 = 𝜔
1 − (𝑑𝑠2
1 +2. ℎ. 𝛿𝑠 𝑐
1. 𝑠𝑐 )
= 5,29[𝑚/𝑠] Nhiệt độ tác nhân sấy trung bình:
𝑡𝑡𝑏 = 0,5. (𝑡𝑘𝑘′− 𝑡𝑘𝑘′′) = 0,5(10 + 45) = 27,5[℃] Tra bảng thông số vật lý của không khí khô ở nhiệt độ 27,5 oC, ta có: ρ = 1,175 [kg/m3]; v = 15,765.10-6 [m2/s]; λ = 2,65.10-2[W/mK] Hệ số Re được tính theo công thức:
𝑅𝑒 = 𝜔𝑚𝑎𝑥. 𝑑𝐸 𝑣 =
4,59. 0,058
15,765. 10−6 = 16886 Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức với ống xếp song song:
𝑁𝑢 = 0,149. 𝑅𝑒0,65 = 83,38 Hệ số tỏa nhiệt của cánh :
𝛼𝑐 =𝑁𝑢. 𝜆 𝑑𝐸 =
83,38.2,65. 10−2
0,023 = 96,07[𝑊/𝑚
2𝐾] Hệ số tỏa nhiệt tương đương của phía ống có cánh:
𝛼2 = 𝛼𝑐.𝐹𝑐
𝐹2. (𝜂𝑐 + 𝐹0
𝐹𝑐) [𝑊/𝑚
2𝐾]
Trong đó 𝜂𝐶 = 0,95 là hiệu suất cánh. Từ đó xác định được hệ số trai đổi nhiệt bên ngoài: 𝛼2 = 96,07 . 0,84
0,97. (0,95 + 0,13
0,84) = 91,91[𝑊/𝑚
2𝐾]
+ Tính hệ số trao đổi nhiệt bên trong:
Với hơi môi chất R314a ngưng trong ống nằm ngang có cánh, hệ số trao đổi nhiệt có thể được xác định bằng công thức 𝛼1 = 1,2. 𝛼𝑁 = 1,2 . 0,728 . √𝜆 3 . 𝜌2. 𝑔. 𝑟 𝜇 . ∆𝑡. 𝑑𝑛𝑔 4 Trong đó :
P a g e | 47
αN: hệ số tỏa nhiệt khi ngưng, 𝛼𝑁 = √𝜆3 .𝜌2.𝑔.𝑟
𝜇 .∆𝑡.𝑑𝑛𝑔 4
r = 143,8 [kJ/kg]: nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất;
ρ = 1109,8 [kg/m3]: khối lượng riêng của môi chất lỏng trong dàn ngưng; λ = 746 [W/mK]: hệ số dẫn nhiệt của ống;
Δt = tk – tw: độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và vách ống, [K];
μ = 2,145.104 [Ns/m2]: độ nhớt động lực học môi chất lỏng trong bình ngưng; g : gia tốc trọng trường, g = 9,81[m/s2].
Các thông số trên lấy tại tk = 55 oC. Thay các thông số vào công thức trên ta có: 𝛼1 = 1,2. 0,728. √746
3. 1109,82. 9,81.143,8 21450. (55 − 52,8).0,02 4
= 5487,52 [𝑊/𝑚2. 𝐾] Thay vào công thức ta tính được hệ số trao đổi nhiệt k = 543,94 [W/m2K]
Khi đó q = k. Δttb = 543,94,58.23,27 = 12657 [W/m2]; q’ = α1 ( tk – tw) = 5487,52.(55-52,8) = 12072 [W/m2] Ta có 𝜀 = |𝑞 − 𝑞′| 𝑞 = 4,73% < 5%
Vậy k = 543,94 [W/m2K] và α1 = 5 [W/m2K] là kết quả có thể chấp nhận được. Diện tích trao đổi nhiệt bên trong
𝐹1 = 𝑄𝑘 𝑘. ∆𝑡𝑘 =
819,71. 103
543,94.23,27 = 64,87[𝑚
2] Tính các thông số cụ thể của dàn ngưng:
Số ống trong dàn : 𝑛 = 𝐹1 𝜋. 𝑑1. 𝑙 = 64,87 3,14.0,016.3 = 430 Ta chọn n = 440 ống
Thiết kế cho mỗi dàn ngưng: chọn số ống trên mỗi hàng là m = 22 ống, ta sẽ có số hàng ống trong dàn ngưng là z = n/m = 20
Kích thước của dàn:
Chiều rộng dàn: B = z . s2 = 20. 0,034 = 0,68 [m] Chiều cao dàn là H = m. s1 = 22.0,034 = 0,748 [m] Chiều dài đã chọn L = 3 [m]
Trở lực trong dàn ngưng tụ phụ được tính theo công thức: ∆𝑃 = 𝜉. 𝜌ωmax
2
2 . 𝑧 Trong đó:
ξ = 0,72. Re-0,254. (𝑠1− 𝑑2 𝑠𝑐 +2)0,9. (𝑑𝑡đ 𝑑2)0,9. (𝑠1− 𝑑2 𝑠2− 𝑑2)-0,1 ξ = 0,72.16886-0,254. (0,034 − 0,02 0,0035 +2)0,9. (0,032 0,02)0,9. (0,034 − 0,02 0,034 − 0,02)-0,1 = 0,47 ρ là khối lượng riêng của không khí qua dàn ρ = 1,185 kg/m3
𝜔𝑚𝑎𝑥 là vận tốc tại khe hẹp 𝜔𝑚𝑎𝑥= 4,59 m/s z là số hàng ống z = 20 Vậy: ∆𝑃 = 𝜉. 𝜌ωmax 2 2 . 𝑧 = 0,47.1,185. 4,592 2 . 20 = 117,34 [ 𝑁 𝑚2]
b. Tính toán thiết bị ngưng tụ chính
Chọn loại dàn ngưng tụ cho hệ thống là dàn ngưng tụ giải nhiệt gió cưỡng bức cấu tạo ống đồng cánh nhôm.
Chọn ống cho dàn ngưng:
Do môi chất là R134a nên ta chọn ống đồng cánh nhôm để làm ống dẫn môi chất trong dàn ngưng.
Các thông số ống:
• Đường kính trong: d1 = 16 mm; • Đường kính ngoài: d2 = 20 mm; • Bước ống: s1 = s2 = s = 34 mm; • Chiều dài đoạn ống: l = 3 m. Các thông số cánh: