Chƣơng 3 : TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY SẤ ƠM NHIỆT
3.7. Tính chọn máy nén
Công suất của dàn lạnh Q0 = 0,6 kW, nhằm đảm bảo hoạt động an tồn của máy lạnh vì vậy chọn máy nén là block gale công suất điện 360w (1/2HP)
Cơ sở để chọn quạt gi là năng suất quạt V và cột áp toàn phần P. Năng suất của quạt được xác định trên cơ sở tính tốn nhiệt cho hệ thống sấy mà ta đã tính ở phần trước. Tổng tổn thất trở lực của hệ thống là: H H1H2, [mH2O] (3.27) Trong đ : H1- Tổng tổn thất trở lực qua đường ống, các van, các cua
H2- Tổng tổn thất trở lực qua các thiết bị Ta có: H1 H1msH1cb,
Với: - Hms: Tổng tổn thất do ma sát trên đường ống
g d l Hms . 2 . . 2 1 , mH2O (3.28) Ở đây: λ là hệ số trở lực ma sát khi khơng khí chuyển động trên đường ống
là vận tốc khơng khí trên đường ống, m /s. Chọn vận tốc khơng khí trong ống là 4
m/s. d là đường kính tương đương của tiết diện dẫn khí, m. d V d V F 4 2 . 2 = √ = 0,01 m (V=0,0336 m3 /s) l: Chiều dài ống, đối với hệ thống này lấy l = 3 m
ρ: Khối lượng riêng của khơng khí ở nhiệt độ trung bình tác nhân sấy là 250C c ρ 1,185kg/m3, ν = 15,53.10 -6 m2 /s.
đường kính ống ( đường kính tương đượng 25cm X 20 cm) =244mm= 0,24m Trong đ :
Theo [14], với ống tôn mỏng bề mặt trong láng, tiết diện tròn và Re< thì:
√ √ (3.29) ΔH1ms= 0,193 mH2O = 193mmH2O Tổng tổn thất áp suất cục bộ: Δp1cb
Hệ thống đường ống gió gồm có: Một cút tiết diện trịn nhiều đốt với góc cong 900: ξ 0,33, một cơn mở rộng từ ống dẫn ra buồng sấy góc 600 thì ξ 0,68, một côn thu
từ buồng sấy vào dàn lạnh ξ 0,415, một côn mở rộng từ buồng sấy vào bộ xử lý khơng khí. Với góc α khoảng 1200 thì ξ 0,31, một cơn từ dàn nóng vào quạt góc khoảng 1200 thì ξ 0,18 . 2 2 1 g Hcb mH2O (3.30) ρ 1,185kg/m3
- khối lượng riêng của khơng khí ở nhiệt độ trung bình tác nhân sấy là 300C. Ta có: . 2 2 1 g Hcb = 0,146mmH2O Vậy: H1= 146 + 193 = 339 mmH2O Tính H2
H2 là trở lực của thiết bị lọc bụi, buồng xử lý khơng khí, buồng sấy.
Trở lực của thiết bị lọc bụi tùy theo từng kiểu lọc bụi khác nhau mà trở lực của n c ng khác nhau. Trong hệ thống này, do mật độ bụi không nhiều nên ta chọn thiết bị lọc bụi đơn giản là lưới lọc nên trở lực của nó là khơng lớn. Ta chọn trở lực của lưới sử dụng trong hệ thống sấy này bằng 3 mm H2O.
Trở lực của buồng sấy c ng phụ thuộc vào kiểu buồng sấy, cách bố trí sản phẩm sấy, mật độ sấy,… mà trở lực của buồng sấy là lớn hay nhỏ và người ta xác định trở lực theo kinh nghiệm. Hệ thống sấy này chọn trở lực buồng sấy bằng 7mmH2O.
Trở lực qua buồng xử lý khơng khí (gồm c dàn ngưng, dàn lạnh, thì được chọn là 27 mmH2O.
Vậy: ΔH2= 3+ 7 + 27= 37 mmH2O
Như vậy tổng tổn thất trở lực của hệ thống là: ΔH ΔH1 + ΔH2= 339 +37 =376mmH2O Công suất của quạt: (3.31) Trong đ :
V =554,87 m3/h lưu lượng ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy ΔH =0,376mH2O tổng cột áp quạt phải thực hiện
- Khối lượng riêng của nước lấy nhiệt độ bình thường 996kg/m3
K - hệ số dự phịng, k =(1,1 ÷1,2). Chọn k = 1,1
- hiệu suất của quạt,ηq= (0,4 ÷0,6) . Chọn ηq 0,6 Thay số:
=1,132 kW
Công suất Mô tơ 1,2kW
Bảng 3.4. Tổng hợp kết quả tính tốn cho máy và thiết bị lạnh
Máy nén Quạt cấp Dàn ngưng tụ
Dàn bay hơi Tiết lưu Te(+5 - +15) Công suất 360W/220 v/50Hz 1,2kW/220 V/50Hz 0,8 kW 0,6 kW 0,5 kW
Model LG Toshiba VN VN Danfoss
TEX 2(00)
3 9 Mơ h nh và phƣơng tiện thí nghiệm
1 – Khay chứa vật liệu sấy; 2 – Cửa buồng sấy; 3 – Dàn nóng; 4 – Cửa quan sát; 5 – Quạt sấy; 6 – Dàn lạnh; 7 – Cửa lấy gió; 8 – Cửa hồi lưu.
Mơ hình được tính tốn và bố trí 2 khay chứa sản phẩm 630 x 235 x15 mm, vật liệu SUS 304, cửa số 7 mở khi cần lấy gi tươi từ bên ngoài, của số 8 thải tác nhân sấy mang ẩm ra ngồi mơi trường, trường hợp tuần hồn TNS 100% thì cả 2 cửa này sẽ đ ng lại.
Các thơng số chế tạo được tính lớn hơn thơng số thiết kế với hệ số dự phòng tùy chọn theo từng loại thiết bị.
Bảng 3.5. Thông số kỹ thuật các thiết bị trong mơ hình
Tên gọi Thơng số kỹ thu t
Kích thước tổng thể LxWxH: 1440 x 680 x 865 (mm)
Buồng sấy LxWxH: 820 x 335 x 330 mm, vật liệu chế tạo: SUS 304 Khay chứa sản
phẩm
LxWxH: 630 x 235 x 15 mm, vật liệu chế tạo: SUS 304
Quạt cấp tác nhân sấy
Model Showa EC – 100T, lưu lượng: 13 m3/phút, Cột áp: 1,32 kPa
Động cơ model: Toshiba PH 225x2C-4FT, công suất: 1,2 kW Máy nén Công suất: 1/2 Hp, Môi chất: R22
Cân điện tử Model: CAS SW – 1S, khối lượng: max 10kg, min 20g Sai số: g
Nguồn điện Nguồn điện: 9V, 300mA và 1 pha, 220V, 50Hz Biến tần cho quạt
sấy
Chƣơng 4
ẾT QUẢ NGHI N CỨU THỰC NGHIỆM SẤ MÀNG ĐỎ HẠT GẤC TR N MƠ HÌNH
4 1 V t iệu và phƣơng tiện 4.1.1. V t iệu
Gấc nguyên liệu dùng trong thí nghiệm được chọn lựa trên địa bàn Tp.HCM, chọn những trái chín đều c trọng lượng 1.2-1,3kg, độ ẩm của màng đỏ hạt gấc tươi được xác định bằng cách đo trong máy đo độ ẩm là 75
H nh 4 1. Chuẩn bị vật liệu sấy 4 1 2 Phƣơng tiện
Mơ hình phục vụ cơng tác thí nghiệm được tính tốn, thiết kế, chế tạo và lắp đặt tại phịng thí nghiệm thực hành X6.7, khoa Công nghệ Nhiệt lạnh, Trường Đại học Công nghiệp Tp Hồ Chí Minh, mơ hình được thiết kế có thêm cửa lấy khí tươi ngồi mơi trường qua của số 7, trong trường hợp thực nghiệp này, do xác định chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn nên của số 7 được đ ng lại.
1- Máy nén; 2 – àn ngưng t ; 3 – uồng sấy; 4 – T điện; 5 – àn ay h i; 6 - uạt
Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý và máy sấy bơm nhiệt S01DHCN
Hình 4.3. Máy sấy khay IC 106D 4.2 ụng cụ đo và thiết bị đo
4.2 1 ụng cụ và phƣơng pháp điều chỉnh biến số đầu vào
Biến số tác nhân sấy đầu vào bao gồm: nhiệt độ tác nhân sấy, vận tốc tác nhân sấy, nhiệt độ ngưng ẩm của tác nhân sấy tại dàn lạnh. Việc điều chỉnh các biến số này được thực hiện như sau:
Nhiệt độ tác nhân sấy: Sử dụng van tiết lưu nhiệt kết hợp điều chỉnh lưu lượng mơi chất qua dàn nóng phụ.
Vận tốc tác nhân sấy: Bộ biến tần được lắp đặt nhằm thay đổi tốc độ quay của quạt cung cấp tác nhân sấy.
Nhiệt độ ngưng ẩm tác nhân sấy tại dàn lạnh: Điều chỉnh tiết lưu nhiệt để có nhiệt độ bay hơi thích hợp.
Dàn ngưng phụ dùng để thải bớt nhiệt khi nhiệt độ trong buồng sấy quá cao, việc điều tiết lưu lượng môi chất qua dàn ngưng phụ c ng giúp cho việc điều chỉnh nhiệt độ buồng sấy theo yêu cầu.
4.2 2 Phƣơng pháp thu th p số iệu đầu ra
Dụn ụ đo độ ẩm n uyên liệu
Cân điện tử Sartorius do Nhật sản xuất, cân tối đa 310g, độ chính xác 0,01g, dùng để xác định ẩm độ của sản phẩm đầu và sau khi sấy.
Hình 4.4. Cân điện tử Hình 4.5. Máy đo độ ẩm Sartorius
Dụn ụ đo á thôn số ơ ản ủa khơn khí ẩm
Hình 4.7. Dụng cụ đo bức xạ mặt trời Tenmars TM 206 và máy đo màu CM-5 Bảng 4.1: Thông số và xuất xứ của dụng cụ thí nghiệm
4.3. Xác định các hàm mục tiêu và các biến đầu vào 4.3.1. Hàm mục tiêu và phƣơng pháp xác định 4.3.1. Hàm mục tiêu và phƣơng pháp xác định
TT Tên dung đo Mã Nướ sản
xuất Thơng số và độ hính xác 1 Máy đo vận tốc gi Tenmarns TM 4001 Taiwan Độ chính xác 3
2 Máy đo màu sản phẩm
Spectrophotometer
CM-5 - Konica Minolta
JAPAN Độ lệch chuẩn trong ΔE * ab 0.04
3 Đầu dò đo nhiệt độ và độ ẩm
Fox 300a Korea Nhiệt độ chính xác 1 . Độ ẩm chính xác 3 . 4 Thiết bị đo bức xạ mặt
trời
Tenmars TM206 Taiwan Độ chính xác 5 .
5 Cân điện tử CAS SW -1WD Korea Độ chính xác 2g
6 Cân xác định độ ẩm Axis
AGS100 Poland Độ chính xác
±0,05%.
7 Máy sấy khay IC106D Italia
Hàm mục tiêu của thực nghiệm gồm: Thời gian sấy ( giờ), Chi phí năng lượng riêng Ne(kWh/kg ẩm) và Hàm lượng β- carotene được xác định phần trăm hàm lượng beta carotene thất thốt trong sản phẩm, được mã hóa.
Thời gian sấy : được tính từ lúc bắt đầu sấy cho đến khi sản phẩm đạt độ
ẩm7,45% được xác định bằng đồng hồ, được mã hóa (Y1) đơn vi đo bằng phút.
Chi phí năng lượng riêng: được xác định bằng đồng hồ điện năng gắn trên mơ hình thực nghiệm, được mã hóa (Y2) đơn vị kWh/kgẩm
Hàm lượng β- caroten: được xác định phần trăm hàm lượng beta carotene thất thốt trong sản phẩm, được mã hóa (Y3) đơn vị % trong sản phẩm khi sau khi sấy xong bằng phương pháp HPLC theo TCVN 4715-90.
Mẫu được bảo quản trong túi nhựa kín hút chân khơng theo u cầu của nhà phân tích,được gửi mẫu để xác định tại trung tâm dịch vụ phân tích kiểm nghiệm TP Hồ Chí Minh CASE
4.3 2 Xác định biến số đầu vào ( thông số công nghệ)
Để xác định biến số tác nhân sấy đầu vào Luận văn xem xét mực độ ảnh hưởng của các biến số này đến hàm mục tiêu sau đ tiến hành các thí nghiệm đơn yếu tố để xác định miền tối ưu làm cơ sở khoa học cho việc bố trí thực nghiệm đa yếu tố. Sau đây trình bày kết quả xác định biến số đầu vào.
Bố trí thí nghiệm.
Khối lượng màng đỏ hạt gấc đầu vào trung bình cho mỗi mẻ thí nghiệm là 3,7 kg. Độ ẩm nguyên liệu trung bình xác định M1 = 75%, độ ẩm cuối cùng: M2 = 7,45% Nguyên liệu sấy được chuẩn bị sẵn trên khay và cho vào máy sấy. Kiểm tra tình trạng máy, nguồn điện và lắp đặt các thiết bị cần thiết cho việc ghi số liệu và lấy mẫu.
Máy sấy đ ng cửa số 7 để tác nhân sấy hồi lưu 100 , 2 cảm biến nhiệt độ được bố trí tại cửa vào buồng sấy, cửa ra buồng sấy để đo nhiệt độ tác nhân sấy tTNS, một cảm biến bố trí ngay dàn lạnh đo nhiệt độ ngưng tụ hơi ẩm tNT, một cảm biến bố trí tại
dàn n ng đo nhiệt độ không tác nhân sấy ra khỏi dàn lạnh, các đồng hồ nhiệt độ này có chức năng hiển thị cả nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy.
Điện năng tiêu thụ được đo bằng đồng hồ điện gắn trên máy sấy.
Vận tốc TNS đo bằng máy đo vận tốc gió Terman TM4001 vị trí đo trên bề mặt VLS trong buồng sấy, sau khi điều chỉnh vận tốc đạt yêu cầu thì lấy máy đo ra.
Khay sấy đặt trên cân điện tử CAS SW-1WD theo dõi lượng ẩm cảu VLS theo thời gian.
Vật lệu sấy xếp theo mơ hình sấy lớp mỏng, trên 2 khay sấy.
Số ghi chép thực nghiệm bao gồm: thời gian bắt đầu sấy, nhiệt độ tác nhân, chỉ số tiêu thụ điện, nhiệt độ ngưng tụ tại dàn lạnh, độ ẩm tác nhân sấy trong buồng sấy.
Nhiệt độ tác nhân sấy tTNS (OC):
Sử dụng van tiết lưu nhiệt kết hợp điều chỉnh lưu lượng mơi chất qua dàn nóng phụ, các mức nhiệt độ tác nhân gồm: 350C, 400C, 450C, 500C, 550C, đo được bằng cảm biến nhiệt đặt tại cửa vào và ra trong buồng sấy. Mỗi mức thí nghiệm được lặp lại 3 lần, sau đ xử lý số liệu quy hoạch thực nghiệm dùng phần mềm SPSS. Tiến hành phân tích hồi quy kết quả thí nghiệm ta thấy như sau:
Hệ số tương quan R giữa biến và hàm mục tiêu là 0, 989, Hệ số tương quan bình phương R2
= 0,979.Với mức ý nghĩa của hệ số tương quan giữa biến số và hàm mục tiêu là bằng 0,00 cho thấy quan hệ giữa biến và hàm mục tiêu có mối quan hệ cao. Kết quả xử lý số liệu thống kê với mức ý nghĩa của hệ số hồi quy B; C trong bảng Anova lần lượt là 0,00; 0,00 đều nhỏ hơn 0,05 cho thấy mơ hình xử lý thống kê để đánh giá là phù hợp và thiết lập được phương trình hồi quy dưới dạng quan hệ giữa biến số nhiệt độ tác nhân và thời gian sấy sản phẩm áo gấc như sau:
Hình 4.8: Đồ thị tương quan giữa nhiệt độ đến thời gian sấy và điện năng tiêu thụ
riêng.
Nhận xét:
Rõ ràng , thời gian sấy đến độ ẩm sản phẩm yêu cầu tỉ lệ thuận với nhiệt độ tác nhân sấy cấp vào. Điều này c ng cho thấy tỉ lệ thoát ẩm ra khỏi vật liệu sấy có quan hệ tuyến tính với nhiệt độ tác nhân sấy. Nhiệt độ tác nhân sấy càng cao thì thời gian sấy vật liệu càng được rút ngắn lại, tuy nhiên, với VLS là màng đỏ hạt gấc lựa chọn nhiệt độ tác nhân phù hợp cần xem xét sản phẩm cuối cùng bị khét khi nhiệt độ lớn hơn 60oC và hao hụt thành phần dinh dưỡng, màu sắc sau khi sấy. Mặt khác, nếu nhiệt độ tác nhân sấy gần 60oC thì sẽ gây quá tải cho máy nén lạnh. C ng từ đồ thị tương quan giữa nhiệt độ tác nhân sấy với điện năng tiêu thụ thì nhiệt độ nhỏ hơn 37oC năng lượng tiêu thụ tăng cao, do thời gian sấy kéo dài.
Nhiệt độ n ưn ẩm của tác nhân sấy tại dàn lạnh. tNT(OC):
Để xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ ẩm ta c ng làm tương tự các thí nghiệm đơn yếu tố như trên, điều chỉnh tiết lưu nhiệt để có nhiệt độ bay hơi thích hợp, các yếu tố khác được giữ nguyên. Các cảm biến nhiệt được cài đặt ngay đầu ra của TNS tại dàn lạnh cho kết quả đồng thời nhiệt độ và độ ẩm. Nhiệt độ bay hơi này ảnh hưởng đến độ ẩm tác nhân sấy trong buồng sấy, trong động học sấy bơm nhiệt thì độ ẩm tác nhân sấy là động lực chính để vật liệu bốc hơi ẩm, nếu hàm trong tác nhân sấy
thấp thời gian sấy rút ngắn nhưng nhiệt độ ngưng tụ tác nhân sấy thấp sẽ làm COP của bơm nhiệt giảm đi và tăng năng lượng tiêu thụ (Hình 4.9). Từ kết quả trên ta thấy độ ẩm từ 12 -24 tương ứng nhiệt độ ngưng tụ ẩm cùng hiện thị trên nhiệt kế từ 14 – 22oC, kết hợp với các cơng bố[16] cho phép dự đốn miền nhiệt độ ngưng tụ ẩm là từ 14 – 22oC
Hình 4.9 : Đồ thị tương quan giữa độ ẩm tác nhân với điện năng tiêu thụ và thời gian
sấy.
Vận tốc tác nhân sấy vTNS (m/s):
Vận tốc tác nhân sấy điều chỉnh bằng biến tần, vận tốc được xác định bằng máy đo tốc độ gió Terman tại vị trí ngay trên bề mặt VLS trong buồng sấy. các yếu tố khác được giữ nguyên, vận tốc gi được thay đổi từ 1 - 4 m/s. Tương tự kết quả thực nghiệm đơn yếu tố xác định mức độ ảnh hưởng của vận tốc TNS đến hàm mục tiêu như sau:
Hình 4.10: Đồ thị tương quan giữa vận tốc tác nhân và thời gian sấy, điện năng riêng.
Nhận xét:
Vận tốc tác nhân sấy có mối quan hệ tuyến tính với thời gian sấy sản phẩm. Khi tốc độ tác nhân sấy tăng, chi phí năng lượng cao hơn.