3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
3.2.4. Tính toán quá trình sấy thực tế
Quá trình sấy thực là qúa trình sấy 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.
Hình 3.3. Đồ thị I-d của quá trình sấy thực tế
Trong quá trình sấy thực I2 # I1 thay đổi giá trị Entanpy xác định bởi dấu của Δ (tổng đại số nhiệt). Nếu Δ>0 thì đường sấy thực 1C nghiêng lên trên so với đường I1=const. Nếu Δ<0 thì đường sấy thực 1C lệch xuống dưới so với đường I1 =const. Vậy xây dựng qúa trình sấy thực trên đồ thị I-d cần xác định góc nghiêng của đường 1C.
3.2.4.1. Tính toán nhiệt quá trình sấy:
Mục đích của tính toán nhiệt là xác định tiêu hao không khí dùng cho quá trình sấy L và tiêu hao nhiệt lượng Q để làm cơ sở xác định các kích thước cơ bản của thiết bị sấy. Đồng thời qua việc thiết lập cân bằng nhiệt và cân bằng năng lượng của hệ thống sẽ xác định được hiệu suất sử dụng nhiệt và hiệu suất sử dụng năng lượng của hệ thống cũng như tiêu hao nhiệt của buồng sấy và hệ thống.
3.2.4.2. Tính tổn thất nhiệt:
Tổng đại số nhiệt được tính theo công thức:
= Catv1 - = Catv1 – qbc - qv (kJ/kg ẩm) (3.5) Trong đó:
Ca – Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm, (J/kg.độ) tv1 – Nhiệt độ vật liệu ẩm, (oC) Qbc – Nhiệt độ tổn thất ra môi trường do kết cấu bao che
Qv – Nhiệt do vật liệu sấy mang đi
a) Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi:
Ta có: tv1 = to = 22oC – Nhiệt độ vật liệu vào thiết bị sấy, có thể xem bằng nhiệt độ môi trường
tv2 – Nhiệt độ vật liệu ra khỏi thiết bị sấy
tv2 = = =57,5 (oC) G2 = 2823,53 - Lượng vật liệu sau khi sấy (kg) Ck= 1,5 - Nhiệt dung riêng của cà phê khô (kJ/kgK) Công thức tính tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi:
Qv=GtbCtb(tv2-tv1) (kW) (3.6) Ctb= với C1,C2= Ck + w1,2
Trong đó:
Ca- Nhiệt dung riêng của ẩm (nước); Ca = 4,1816 (kJ/kgK) W1,2– độ ẩm vật liệu trước và sau khi sấy (%)
C1 = 1,5 + . 70 = 3,37712 (kJ/kgK) C2 = 1,5 + . 15 = 1,90224 (kJ/kgK) Ctb = = 2,63968 (kJ/kgK) Gtb = = = 5411,765 (kg)
Với thiết bị sấy buồng đối lưu thì tổn thất do vật liệu sấy là tổn thất chính. Lượng nhiệt Qv cần thiết để nâng nhiệt độ cà phê lên nhiệt độ quy định của quá trình sấy được tính theo công thức (3.6) như sau:
Qv = 5411,765.2,63968.(57,5-22) = 507129,138 kJ = 141 (kW) qv = = = 97,968 (kJ/kg ẩm)
b) Tổn thất nhiệt ra môi trường do kết cấu bao che:
Ta có công thức tính tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che như sau: Qbc=Qt+Qn (kW) (3.7) Trong đó:
Qt - Tổn thất nhiệt qua thành buồng sấy là quá trình truyền nhiệt qua vách phẳng một lớp: Qt = 3,6.qt.Ft (kJ/h)
qt - mật độ dòng nhiệt (W/m2) Ft - Diện tích thành buồng sấy (m2) Diện tích thành buồng sấy : Ft = 2H(B+L) = 2.1,2.(5+8) = 31,2 (m2)
H =1,2 m – Chiều cao buồng sấy B = 5 m – Chiều rộng buồng sấy L = 8 m – Chiều dài buồng sấy
Qn – Tổn thất nhiệt qua nền buồng sấy
Hệ thống sấy được làm bằng thép các bon dày 5mm, có các thông số sấy như sau: tf1 – Nhiệt độ trung bình của không khí sấy trong buồng sấy
tf1 = = =57,5 (oC) tf2 – Nhiệt độ môi trường tf2 = 22 ( oC) α1- Hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa không khí sấy và vách trong buồng sấy α2- Hệ số tỏa nhiệt đối lưu giữa môi trường và vách ngoài buồng sấy δ– Chiều dày thành buồng sấy (δ = 5mm)
λ – Hệ số dẫn nhiệt của thành buồng sấy (Vật liệu thành buồng sấy bằng thép Cacbon 15%, tra bảng hệ số dẫn nhiệt cuả thép –Phụ lục giáo trình Truyền nhiệt và tính toán thiết bị nhiệt – Hoàng Đình Tín [6], ta có: λ = 54,4 ( W/m độ))
Chọn vận tốc tác nhân sấy v = 5m/s ta có công thức tính α1 theo thực nghiệm: α1 = 6,15 + 4,17 v = 6,15 +4,17.5 = 27 (W/m2)
-Trao đổi nhiệt đối lưu phía ngoài giữa mặt buồng sấy và không khí xung quanh là tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên chảy rối. Do đó, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu α2 sẽ được tính là:
α2 = 1,715(tw2 –tf2)0,333
Mật độ dòng nhiệt phải thỏa mãn các đẳng thức sau: q1 = α1(tf1-tw1)
q2 = (tw1-tw2) (w/m2) (3.8) q3 = α2(tw2 –tf2)
Đo nhiệt độ mặt ngoài tw2 của thành buồng sấy ta được tw2 = 52o. Thay vào công thức (3.8) ta có:
q1 = 27(57,5-tw1); q2 = (tw1-52);
q3 = 1,715 (52-22)1,333 = 159,68 w/m2
Do quá trình truyền nhiệt là ổn định nên q1=q2 suy ra tw1 = 52,0136 (oC) Nhiệt lượng tỏa ra môi trường xung quanh qua thành buồng sấy:
Qt =3,6.qt.Ft = 3,6.159,68.31,2 = 17935,2576 (kJ/h) Nhiệt lượng tổn thất qua nền buồng sấy:
Qn = qt.Fn = 3,6.159,68.40 = 22993,92 (kJ/h) Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che tính cho một mẻ sấy:
Qbc = Qt + Qn = 17935,2576+22993,92 = 40929,1776 (kJ/h) =136,43 (kW) Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che qbc tính cho 1kg ẩm bốc hơi:
qbc = = = 94,881 (kJ/kg ẩm)
Tổng đại số nhiệt:
Δ = Ca.tv1-qbc-qv= 4,1816.22-94,881-97,968 = -100,8538 (kJ/kg ẩm)
3.2.4.3. Xác định các thông số của quá trình sấy thực:
a) Xác định lượng chứa ẩm dc:
Ta có công thức: dc = do + (kg ẩm/kg kk) (3.9) Trong đó: i2 = r + Cph.t2; Nhiệt ẩn hóa hơi - r =2500 (kJ/kg)
i2 = 2500 + 1,842.40 = 2573,68 (kJ/kg) Do do = d1 nên ta có:
Từ đó ta tính được lượng chứa ẩm tại điểm C là:
dc = 0,013 + = 0,02645 (kg ẩm/kg kk) b) Xác định Entanpy Ic:
Entanpy của tác nhân sấy sau quá trình sấy thực được xác định như sau: Ic = Cpk.t2+dc.i2 = 1,004.40+0,02645.2573,68 = 108,2338 (kJ/kg kk) c) Xác định độ ẩm tương đối φ c: Ta có: φ c = (%) (3.10) với Pb2 = = 0,0731 (bar) Thay vào (3.8) ta có: φ c = = 0,566% =56,6 %
3.2.4.4. Xác định tiêu hao không khí khô thực tế:
Lượng tiêu hao không khí khô thực tế tính cho 1kg ẩm bốc hơi:
l = = = 75,35 (kg kk/kg ẩm) Lượng tiêu hao không khí khô thực tế L tính cho quá trình sấy:
L = l.Wh = 75,35.431,3725 = 32504 (kg kk/h)
3.2.4.5. Xác định nhiệt lượng tiêu hao nhiệt thực tế:
- Tổng nhiệt lượng tiêu hao:
q=l.(I1-Io) = 75,35.(110,0943-55,59472 )= 4106,54 (kJ/kg ẩm) - Tổng lượng nhiệt tiêu hao cho quá trình sấy:
Q=q.W = 4106,54.5176,47 = 21257381,11(kJ/mẻ)= 5905 (kW) - Công suất nhiệt của thiết bị sấy:
- Nhiệt lượng có ích q1:
q1= i2-Ca.tv1 = 2573,68 – 4,1816.22 = 2481,6848 (kJ/kg ẩm) - Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi:
Q2 = L.Cdx(do)(t2-to) =32504.1,028(40-22) = 601454,016 (kJ/h) q2 = = =1394,28 (kJ/kg ẩm) - Tổng nhiệt lượng tính toán q’:
q’ = q1+q2+qbc+qv
= 2481,6848 + 1394,28 + 94,881 + 97,968 = 4068,8138 (kJ/kg ẩm)
Về nguyên tắc, trong quá trình sấy phải đảm bảo cân bằng về nhiệt, nghĩa là tổng lượng nhiệt tiêu hao phải bằng tổng nhiệt lượng tính toán (q=q’). Nhưng do nhiều lý do, làm tròn trong quá trình tính toán nên có sự sai khác. Ta có sai số tương đối:
ε = = =0,009 = 0,9% < 10% nên thỏa mãn. Mọi tính toán trong quá trình sấy thỏa mãn.
- Hiệu suất của buồng sấy: η = = 0,6043 = 60,43%
3.2.4.6. Công suất nhiệt của hệ thống sấy:
- Nhiệt lượng tiêu hao cho quá trình sấy được xác định như sau:
Q= q’.Wh = 4068,8138.431,3725 = 1755174,380 (kJ) - Công suất nhiệt của thiết bị sấy:
N = = = 487,55 (kW)