L ỜI CẢM ƠN
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
3.1.4. Kiểm tra, đánh giá các thông số làm việc của máy
3.1.4.1. Xác định các thông số cơ bản của quá trình sấy
Quá trình sấy là quá trình làm khô các vật thể, các vật liệu, các sản phẩm…
bằng phương pháp bay hơi. Như vậy muốn sấy khô một vật ta tiến hành các biện pháp
kỹ thuật sau:
- Gia nhiệt cho vật để đưa nhiệt độ của nó đến nhiệt độ bão hòa ứng với phân áp
suất của hơi nước trên bề mặt vật.
- Cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm trong vật thể.
Trong quá trình sấy xảy ra các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất, cụ thể là: - Quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt cho vật sấy
- Quá trình truyền ẩm từ trong vật sấy ra ngoài bề mặt vật sấy
- Quá trình truyền ẩm từ vật sấy vào môi trường.
Các quá trình truyền nhiệt, truyền chất trên xảy ra đồng thời trên vật sấy, chúng
có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Để khống chế và điều khiển quá trình sấy tiến triển theo hướng có lợi nhất cho người sử dụng ta cần nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong thiết bị sấy.
Chọn điều kiện ban đầu:
-Khối lượng hạt sen đưa vào sấy: G1 = 50kg/mẻ; -Độ ẩm hạt sen trước khi sấy: w1 = 70%;
-Độ ẩm hạt sen sau khi sấy: w2 = 11%; -Độ ẩm của không khí ngoài trời: 0 = 70%; -Nhiệt độ của không khí ngoài trời t0 = 30oC; -Nhiệt độ tác nhân sấy trong buồng sấy: t1 = 65oC; -Thời gian sấy t = 6h.
a. Lượng ẩm cần bốc hơi:
-Lượng ẩm cần bốc hơi trong quá trình sấy là:
2 2 1 1 100 w w w G W = 30,9 (kg/mẻ)
-Lượng ẩm cần bốc hơi trong 1h là:
b. Khối lượng hạt sen còn lại sau quá trình sấy:
3.1.4.2. Tính toán các thông số cơ bản của quá trình sấy lý thuyết
Quá trình sấy lý thuyết không có hồi lưu biểu diễn trên đồ thị I – d như sau :
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn I-d
Trên đồ thị I-d:
- Điểm O (t0, ) là trạng thái không khí bên ngoài; - Điểm 1 (t1, ) là trạng thái không khí vào buồng sấy;
- Điểm 2 (t2, ) là trạng thái không khí sau quá trình sấy lý thuyết.
a. Trạng thái không khí môi trường (điểm 0)
Lượng chứa ẩm d0 được xác định theo công thức:
d0 = 0,621. (kg/kgkkk) (3.1)
Trong đó:
: độ ẩm tương đối của không khí, = 70% p : áp suất không khí ẩm (p = 745mmHg = 99333N/m2)
(bar) (3.2)
= 0,0422 (bar)
Thay vào công thức (3.1) trên ta có:
Entanpy của không khí ẩm:
I0 = Ik + d.Ih = Cpk.t0 + d0(r + Cph.t0) (kJ/kgkkk) (3.2)
Trong đó:
Ik : Entanpy 1kg không khí khô
Ih: Entanpy 1kg hơi nước quá nhiệt
Cpk : nhiệt dung riêng không khí khô, Cpk = 1,004 (kJ/kgK) Cph : nhiệt dung riêng hơi nước quá nhiệt, Cph = 1,842 (kJ/kgK) r: nhiệt ẩn hóa hơi, r = 2500 (J/kg)
Thay các giá trị vào công thức (3.2) ta có:
I0 = 1,004.30 + 0,019(2500 + 1,842.30) = 78,67 (kJ/kgkkk)
Khối lượng riêng của không khí khô:
= = = 1,142 kg/m3
Trong đó: p – áp suất không khí ẩm (p = 750mmHg = 99333N/m2) Rkh - hằng số khí của không khí khô (Rkh = J/kgK)
Rh – hằng số khí của hơi nước (Rh = 462 J/kgK)
b. Trạng thái không khí sau calorifer (điểm 1)
Với nhiệt độ của không khí khi được thổi vào buồng sấy là : t1 = 65 , d1 = d0.
I1 = 1,004.65 + 0,019(2500 + 1,842.65) = 115,034( kJ/kgkkk) Khối lượng riêng của không khí khô:
= = = 1,024 (kg/m3)
c. Trạng thái không khí cuối quá trình sấy (điểm 2)
Trạng thái này được xác định bởi I2 = I1 và t2 = 400C Từ đó ta có:
d2 = , (kg/kgkkk)
d2 = = 0,029 (kg/kgkkk)
Khối lượng riêng không khí khô tính cho 1 m3 không khí ẩm là:
= = = 1,1 kg/m3
d. Xác định lượng không khí lý thuyết cần thiết
Hơi ẩm đi vào hệ thống sấy gồm ẩm do vật liệu sấy mang vào và ẩm do không khí ngoài trời đưa vào. Ẩm ra khỏi hệ thống sấy bao gồm ẩm do tác nhân sấy mang ra và ẩm do vật liệu sấy mang ra. Do đó, ta có phương trình cân bằng ẩm cho hệ thống sấy như sau:
L0d0 + G1w1 = L0d2 + G2w2
Lưu lượng không khí khô cần thiết:
Gọi l0là lượng không khí khô cần thiết để bay hơi 1kg ẩm, ta có công thức:
L0 = l0.W
Lưu lượng thể tích V0 của không khí:
= , (m3/h)
Ta có:
Pk = = = 1,062 (kg/m3)
Suy ra: = = 2909(m3/h)
e. Xác định lượng nhiệt tiêu hao lý thuyết
Lượng nhiệt tiêu tốn để làm bay hơi 1kg ẩm bão hòa:
q0 = l0 (I1 – Io) = 100(115,034-78,67) = 3636 (kJ/kgẩm)
Lượng nhiệt tiêu tốn cho quá trình sấy:
Q0 = q0 x W = 3636 x 30,9 = 112352(kJ) = 12367,7 kJ/h = 3,435 kW
Hiệu suất nhiệt của buồng sấy là:
= = = 0,778 = 77,8
Trong đó: Q1 : là nhiệt hữu ích, kW. Q1 được xác định như sau:
Q1 = W.[(r +Cpht2) – Cnt1]
= 30,9 x[(2500 +1,842 x 40) – 4,18 x 30] = 38511,4 kJ = 9627,9 kJ/h = 2,67 kW
Qs: nhiệt đưa vào buồng sấy, kW hay kJ/h
(Qs = Q0 = kW)
3.1.4.3. Xác định các kích thước cơ bản của buồng sấy
Theo thiết kế máy sấy hạt sen năng suất 50kg/mẻ tại khoa Cơ khí – Công nghệ Đại học Nông Lâm Huế, kích thước buồng sấy như sau:
Chiều cao của buồng sấy: H = 1600 mm
Chiều rộng của buồng sấy: B = 620 mm
Chiều dài của buồng sấy: L = 830 mm (Nguồn: Trần Võ Văn May, 2016)
3.1.4.4. Tính toán quá trình sấy thực tế
Quá trình sấy thực tế là quá trình không có bổ sung nhiệt, ngoài tổn thất nhiệt do
tác nhân sấy mang đi còn có tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi, tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường do kết cấu bao che của hệ thống sấy. Quá trình sấy thực tế biểu diễn trên đồ thị I – d như sau:
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn I-d của quá trình sấy thực tế
Trong qúa trình sấy thực tế, I2 ≠ I1, giá trị entanpy thay đổi theo dấu của D là tổng đại số nhiệt.
Nếu D>0 thì đường sấy thực 1C nghiêng lên trên so với đường I1 = const. Nếu D<0 thì đường sấy thực 1C lệch xuống dưới so với đường I1 = const.
Do đó, xây dựng quá trình sấy thực trên đồ thị I-d cần xác định góc nghiêng của đường 1C.
a. Xác định tổn thất nhiệt quá trình sấy thực
Tổn thất do vật liệu sấy mang đi
Tổn thất nhiệt do sản phẩm sấy mang đi:
Qm = G2.Cm(tm2- tm1), kJ/h
G2 – lượng vật liệu ra khỏi thiết bị, kg/h
Cm – nhiệt dung riêng của vật liệu sấy ra khỏi thiết bị, kJ/kgk
Cm = 2,72 kJ/kgk
tm2, tm1 – lần lượt là nhiệt độ của vật liệu ra, vào buồng sấy
Ck – nhiệt dung riêng của vật khô tuyệt đối
Qm= 34,27. 2,72.(40 – 30) = 932,2 (kJ/h) = 258 W
qm = Qv/w = 258/(3,9325) = 66 W = 237,6 kJ/h
Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển
Do trong quá trình sấy thì tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển (khay sấy) chỉ
tổn thất trong khoảng thời gian gia nhiệt đầu tiên rất ngắn, và chỉ tổn thất trong quá trình cấp và tháo vật liệu.
Nên có thể ta không cần tính đến tổn thất do thiết bị vận chuyển
Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che qmt (kJ/kg.ẩm)
Sau khi tính toán ở quá trình sấy lý thuyết ta đã xác định được lưu lượng tác nhân sấy khi đi qua buồng sấy là:
Vk = 2909 (m3/h)
Tuy nhiên trong quá trình sấy thực này thì lượng tác nhân sấy này phải lớn hơn để bù lại các tổn thất.
Tổn thất qua kết cấu bao che phụ thuộc vào kết cấu của buồng sấy và bao gồm các thành phần sau:
-Tổn thất qua 2 bên tường : Qt
-Tổn thất qua trần: Qtr -Tổn thất qua nền: Qn
-Tổn thất qua cửa vào ra của buồng: Qc
Do đó: Qmt = Qt + Qtr + Qn + Qc
Các tổn thất này được tính toán qua một dạng biểu thức sau:
Q =F.k.(ttb – t0)
Trong đó: Với nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy được tính ở trên: Ttb = 0,5(t1+ t2) =0,5.(65+40) = 52,5
F : diện tích của các bề mặt tính tốn thất tương ứng
K: hệ số trao đổi nhiệt được tính theo biểu thức sau:
K =
Với , : lần lượt là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của tác nhân sấy với bề mặt
trong tường của buồng sấy và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của bề mặt ngoài tường
buồng sấy với môi trường, , có thể được tính gần đúng theo tốc độ của dòng không khí và tác nhân sấy lưu chuyển qua biểu thức sau:
6,12 . Vk 0,78
(W/m2.k)
Hệ số trao đổi nhiệt trong tường của buồng sấy được xác định theo [1] với tốc độ
khí Vk > 5 m/s (chọn Vk = 5,2 m/s) Nên = 6,12 . 5,20,78 = 22 (W/m2.k) Ta chọn tốc độ gió ngoài trời = 1m/s Nên = 6,15 + 4,17. 1 = 10,32 (W/m2.k)
Ta lần lượt đi tính các tổn thất nhiệt đã nêu trên:
Tổn thất qua 2 tường bên: Qt
Tường bên có kích thước:
H.L =1600.830 (mm) => Ft = 2.(1,6.0,83) = 2,6 (m2)
Tường được làm bằng vật liệu là (tôn và gốm cách nhiệt ceramic) dày lần lượt là: = 0,8.2 = 1,6 (mm) = 0,0016(m); = 43 (mm) = 0,043 (m) có hệ số dẫn nhiệt: = 58 (W/m.k); = 0,086 (W/m.k) Ta xác định được: Kt = = 1,6 (W/m2.k) Do đó: Qt = Ft.kt.(ttb-t0) = 2,6 x 1,6 x (62,5- 30) = 135,2 (W) Mặt khác ta tính được tổn thất của 2 cạnh tường còn lại như trên:
Với kích thước: H.B =1600.620 (mm) => Ft = 2.(1,6x0,62) = 1,98 (m2)
Do đó: Qt = Ft.kt.(ttb-t0) = 1,98 x 1,6 x (62,5- 30) = 102,96 (W) Tổng tổn thất củatường: Qt = 135,2 + 102,96 = 238,16 (W)
Tổn thất qua trần: Qtr
Trần có kích thước:
Bb.Lb = 620.830 =>Ftr = 0,62.0,83= 0,5 (m2) Trần được bố trí như tường bên nên ta có:
= 0,8.2 = 1,6 (mm) = 0,0016(m); = 43 (mm) = 0,043(m) có hệ số dẫn nhiệt: = 58 (W/m.k); = 0,086 (W/m.k) Ta xác định được: ktr = 1,6 (W/m2.k) Do đó: Qtr = Ftr.ktr.(ttb-t0) =0,5 x1,6 x (52,5- 30) = 26 (W) Tổn thất qua nền: Qn
Tổn thất qua nền chính bằng tốn thất của trần do có cùng kích thước và được làm cùng một loại vật liệu: Qn = Qtr = 26 (W)
Tổn thất qua cửa ra, vào của buồng sấy:
Phía trước của buồng sấy có bố trí cửa dùng để cấp và tháo vật liệu, kích thước của cửa như sau: 1200x830 nên diện tích của cửa là:
Fc = 1,2 .0,83 = 0,996 (m2) Cửa được bố trí như tường và trần, nền nên ta có:
= 0,8.2 = 1,6 (mm) = 0,0016(m); = 43 (mm) = 0,043 (m) có hệ số dẫn nhiệt:
= 58 (W/m.k); = 0,086 (W/m.k)
Ta xác định được: ktr = 1,6 (W/m2.k)
Do đó: Qc = Fc.kc.(ttb-t0) = 0,996 x1,6 x (52,5- 30) = 52 (W)
Như vậy tổng tổn thất của buồng sấy qua kết cấu bao che là:
Qmt = Qt + Qtr + Qn + Qc = 238,16 + 26 + 26 +52 = 342,16 (W)
qmt = Qmt /W = 342,16/(15,73/4) = 87 (W) = 313,2 (kJ/h)
Vì vậy tổng tất cả các tổn thất của máy sấy là:
Ca.t0 – qm - qmt = 4,18.30 – 237,6 – 313,2 = - 425,4 (kJ/kg.ẩm) Ca – nhiệt dung riêng của nước, Ca = 4,18 (kJ/kgK)
b. Xác định các thông số của quá trình sấy thực
Xác định lượng chứa ẩm tại điểm C (dc):
Công thức xác định lượng chứa ẩm dc:
Với I2 = r +Cph.t2 = 2500 + 1,842.40 = 2573,7 (kJ/kg.kkk) Suy ra: Xác định Entanpy Ic: Ic = Cpk.t2 + dc.I2 = 1,004.40 + 0,0199. 2573,7 = 91,377 (kJ/kg.kkk) Xác định độ ẩm tương đối = = 0,4292 = 42,92%
c. Xác định tiêu hao không khí thực tế
l = = = 1111,11 (kg/kgẩm)
L = l.W = 1111,11 . 15,73 =17477,76 (kg) = 4369,44 (kg/h)
d. Xác định nhiệt lượng tiêu hao thực tế
q = l.(I1 – I0) = 1111,11.(135,815 - 78,67) = 63494,38 (kJ/kg ẩm) Q = q.w = 63494,38 . 15,73 = 998766,61 (kJ)
= 249691,65 (kJ/h) = 69,36 (kW)