3.6. Tính tốn thiết bị
3.6.2. Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d
Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế
29 | P a g e L, I 1, d 1 (G 2C n +WC m). tm1 THIẾT BỊ SẤY Q Qbs L, I 3', d3' G vc.C vc.t m1
Hình 3.1 Cân bằng nhiệt của quá trình sấy thực tế Phương trình cân b[ằng nhiệt cho thiết bị sấy:
Q + Qbs + WCntm1 + G2Cmtm1 + LI1 + Gvc.Cvctm1 = G2Cmtm2 + Q5 + LI3’ + Gvc.Cvc.tm2 Q + Qbs = L(I3’ – I1) + G2Cm(tm2 – tm1) + Q5 – WCn.tm1 + Gvc.Cvc.(tm2 – tm1) Q + Qbs = Q2 + Qm + Q5 + Q1 + Qvc (*)
Trong đó :
Q - Nhiệt lượng cung cấp để gia nhiệt tác nhân sấy Qbs - Nhiệt lượng bổ sung
Do không dùng thiết bị gia nhiệt cho khơng khí sau dàn nóng nên Qbs = 0 Q1 = - WCmtm1 - Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào
G2Cm.(tm2 – tm1) = Qm - Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang ra Q5 - Nhiệt tổn thất ra môi trường theo kết cấu bao che
Gvc.Cvc.(tm2 – tm1) = Qvc - Nhiệt lượng tổn thất theo thiết bị vận chuyển Q2 = L(I4’ – I2) - Nhiệt tổn thất do tác nhân sấy
Chia 2 vế (*) cho W và bỏ qua Qbs Ta có: q = q1 + q2 + qvc + q5 + qm
Mà q = l(I3 – I2) hay l(I3 – I2) = l(I4’ – I2) + qvc +q5 + qm – Cntm1 Hay l(I4’ – I3) = Cntm1 - ( qvc + q5 + qm)
Suy ra l(I4’ – I3) = hay I4’ = I3 + /l ∆= nhiệt lượng bổ sung – nhiệt lượng tổn thất chung
3.6.3. Tính tốn tổn thất nhiệt ∆
a) Tính nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che ra mơi trường
Nhiệt độ bên ngồi buồng sấy: tf = t0 = 320C Nhiệt độ bên trong buồng sấy: tf2 = 400C
Buồng sấy có tường làm bằng thép có chiều dày δ= 3 mm. Tra bảng phụ lục, ta có hệ số dẫn nhiệt = 46 W/mK
Nhiệt tổn thất ra mơi trường được tính theo cơng thức Q5 = K.F.t , (W)
Trong đó: F - Diện tích xung quanh của buồng sấy, m2
Buồng sấy là hình hộp có các thơng số: L¿ B¿H = 2,5¿2¿ 1,2 = 6 (m3). Ta tính tổng
diện tích xung quanh của buồng sấy:
F = 2(L.B + L.H + B.H) = 2.(2,5.2 + 2,5.1,2 +2.1,2 ) = 20,8 (m2)
t - Độ chênh nhiệt độ bên trong và bên ngoài buồng sấy , 0C
t = tf1 - tf2 = 40 – 32 = 80C
K - Hệ số truyền nhiệt , W/m2K
K = ( 1
α1+δλ+α12)−1
Với: 1, 2 - hệ số toả nhiệt từ tác nhân sấy
đến vách trong buồng sấy và hệ số toả nhiệt từ
vách ngoài tới khơng khí bên ngồi , W/m2K.
Giả thiết tw1 = 39,5 0C (nhiệt độ vách trong của tường ), ta có phương trình cân
bằng nhiệt: q = 1(tf1 -tw1) =
λ δ
(tw1-tw2) = 2(tw2 - tf2)
Với tốc độ tác nhân sấy trong buồng sấy đã chọn ω= 2m/s (tốc độ khơng khí ω< 5 m/s) nên ta có:
Hệ số toả nhiệt 1 được xác định theo công thức kinh nghiệm sau:
ta có
Vậy mật độ dịng nhiệt truyền qua
q = 1(tf1 - tw1) = 48,83 (40 – 39,5 ) = 24,415 (W/m2) Nhiệt độ vách ngoài tường được xác định theo công thức:
tw2 = tw1 - q.
δ
λ = 39,5 – 24,415. = 39,5°C
Nhiệt độ định tính:
Tra bảng thơng số khơng khí với tm = 35,75 0C
= 2,72.10-2 W/mK, v = 16,552.10−6 m2/s , Pr =0,69985
Tiêu chuẩn Grashoft: Gr =
g.β.Δt.l3 γ2 [4] = = 1,6.109 Ta có Gr.Pr = 1,6.109.0,69985 = 1,12.109 thuộc khoảng ( 2.107 – 1.1013 ) Cơng thức tính Nusselt: [4]
Hệ số toả nhiệt 2 = Nu.λ l = 140,1971,2.0,0272 = 3,2 W/ m2. K Suy ra : q’ = 2(tw2 - tf2) = 3,2.(39,5 - 32) = 24 W/m2 *So sánh giữa q và q’ ∆ q = ¿q−q'∨¿q¿ = ¿24,415−24∨24,415¿ ¿ = 0,017 ≈1,7 % < 5%
Sai số này rất nhỏ nên các kết quả tính trên có thể chấp nhận được
Vậy, hệ số truyền nhiệt: K = ( 1
α1+δλ+α12)−1
Hay K =
Nhiệt tổn thất ra môi trường trong 1giây là: Q5= K.F.∆ T = 3,39. 20,8.8= 564,096 J/s - Nhiệt tổn thất ra mơi trường trong q trình sấy:
Vậy
3.6.4. Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi qm [1]
Qm = G2.Cm(tm2 – tm1), kJ
Trong đó: Cm = 1,0269 kJ/(kg.K) – Nhiệt dung riêng của Chuối Nhiệt độ vật liệu sấy vào: tm1 = t0 = 32 0C
Vậy nhiệt tổn thất do vật liệu sấy mang đi:
Qm= 50.1,0269.(40 – 32) = 410,76 kJ
Suy ra:
3.6.5. Tổn thất nhiệt để làm nóng khay sấy qvc [1]
Khay sấy được làm bằng nhơm có bề dày δ= 3,5 mm. Theo phụ lục V/271/[2] ta có thơng số của nhơm là: CAl = 0,86 kJ/kg; ρAl = 2700 kg/m3. Với diện tích đã tính tốn F = L¿B = 2,5.2 = 5 m2. Chọn số khay sấy là n = 4 khay.
Vậy tổng diện tích khay sấy là: Fk = F.n = 5.4 = 20 m2.
Khối lượng nhôm để làm khay sấy: GAl = V.ρAl = Fk.δ .ρAl = 20.0,003.2700 = 162 kg Nhiệt tổn thất: Qvc = GAl.CAl(tm2 – tm1) = 162.0,86.(40 – 32) = 1114,56 kJ Vậy
3.6.6. Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào q1 [1]
q1 = - Cn.tm1
Trong đó: Cn - Nhiệt dung riêng của nước, Cn = 4,18 kJ/kgaK Vậy: q1 = - 4,18.32 = -133,76 kJ/kga
∆ < 0, khơng có cấp nhiệt bổ sung. Điểm 4’ trong quá trình sấy thực sẽ nằm lệch bên
trái điểm 4.
Đồ thị I-d trong trường hợp sấy thực được biểu thị như sau:
Hình 3.2 :Đồ thị T-d của Quá trình sấy lạnh thực tế
_Điểm 0: Trạng thái khơng khí ngồi trời
_Điểm 1’: Trạng thái khơng khí qua một phần dàn lạnh trong sấy thực _Điểm 2 : Trạng thái khơng khí sau dàn lạnh
_ Điểm 3 :Trạng thái khơng khí vào buồng sấy :
_Điểm 4’: Trạng thái khơng khí sau buồng sấy trong q trình sấy thực tế 2 - 3: Quá trình gia nhiệt trong giàn nóng
3 - 4’: Q trình sấy thực tế trong buồng sấy
4’ - 1’- 2: Quá trình làm lạnh khơng khí và ngưng tụ ẩm trong dàn lạnh trong trường hợp sấy thực tế.
* Điểm 0,2,3:
Thông số tại các điểm 0,2,3 khơng thay đổi so với q trình sấy lý thuyết. * Điểm 4’:
Trong quá trình sấy thực tế tồn tại một giá trị nhiêt lượng tổn thất Δ nên: Giả sử nhiệt độ t4’ = 35 oC . Dựa vào q trình sấy thực tế ta có
I4’ – I3 = ∆l = ∆.(d4’ – d3) I4’ = Io + ∆.(d4’ – do) Ta có I4’ = I3 +∆.(d4’ – do) I3 = Ck.t3 + (2500 + 1,842.t3).d3 I4’ = Ck.t4’ + (2500 + 1,842.t4’).d4’ Ta có I4’ – I3 = Ck.(t4’ – t3) – (2500 + 1,842.t3).d3 + (2500 + 1,842.t4’).d4’ Ta đặt A = Ck.(t4’ – t3) – (2500 + 1,842.t3).d3 B = (2500 + 1,842.t4’) I4’ – I3 = A+ B.d4’ = ∆.(d4’ – d3) Entanpi I4’ = 1,0048.t4’ + d4’(2500 + 1,842.t4’) = 1,0048.35 + 0,0133.(2500 + 1,842.35) = 69,3 kJ/kg * Điểm 1’
Ta có φ1'= 100%
d1' = d4’ = 0,0133 kg/kgkkk
Tra đồ thị I-d ta có t1’ = 18oC
Phân áp suất bão hòa hơi nước
Pbh1’ = Exp = 0,0206 bar
Entanpi của khơng khí tại điểm số 1’
I1’ = 1,0048.t1’ + d1’(2500 + 1,842.t1’) (3.3) I1’ = 1,0048.18 + 0.0133.(2500 + 1,842.18)
= 51,78 kJ/kg
Bảng 3.2 Điểm nút q trình sấy lạnh thực
Thơng số Điểm 0 Điểm 1’ Điểm 2 Điểm 3 Điểm 4’
t (°C) 32°C 18°C 16C 40C 35°C Pbh (bar) 0,0473 0,0206 0,073 - φ (%) 80 100 100%. 24,7 - d (kgẩm/kgkkk) 0,0244 0,0133 0,0114 0,0114 0,0133 I (kJ/kgkk) 94,59 51,78 44,913 69,532 69,3
ltt = = 526,32 kgkkk/kga -Lưu lượng khơng khí tuần hồn trong q trình sấy
Ltt = WT.ltt = 150. 526,32 = 78948 kg/mẻ - Lưu lựợng khơng khí tuần hồn trong 1 giây:
Gkk = = 2,16 kg/s
- Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp cho q trình sấy để làm bay hơi 1 kg ẩm: qtt = I3 – I2 = 69,532 - 44,913 = 24,619 kJ/kga.
- Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy 1 mẻ:
Qtt = Ltt.(qtt - ∆)= 78948.(24,619 +13,9988) = 3048798,074 kJ - Năng suất nhiệt dàn nóng cung cấp để sấy trong 1 giây:
Q0 tt = = 83,33 kW.
- Nhiệt lượng thực tế để làm ngưng tụ ẩm
qntatt = I4’ – I1’ = 69,5 – 52,03 = 17,47 kJ/Kg
-Nhiệt lượng thực tế làm ngưng tụ ẩm
Qntatt = Ltt.(qnta - ∆ )= 78948.(17,47 +13,9988) = 15991914,99 kW -Lượng nhiệt cần thiết để tách 1kg nước thực tế:
qdltt = I4’ – I2 = 69,5 – 44,913= 24,587 kJ/Kg
Qdltt = Ltt. (qdltt - ∆¿ = 78948 .( 24,587 +13,9988) = 3046271,738 kJ -Năng suất lạnh dàn lạnh cung cấp để làm lạnh trong 1 giây
Qktt = Qdltt
CHƯƠNG 4 TÍNH TỐN THIẾT KẾ BƠM NHIỆT 4.1. Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt (Cơ sở lý thuyết )
4.1.1. Môi chất và cặp môi chất
Mơi chất và cặp mơi chất của bơm nhiệt có yêu cầu như máy lạnh. Một vài yêu cầu đặc biệt hơn xuất phát từ nhiệt độ sôi và ngưng tụ cao hơn, gần giống như chế độ nhiệt độ cao của điều hịa khơng khí, nghĩa là cho đến may người ta vẫn sử dụng các loại môi chất như: R12, R22, R502 và MR cho máy nén tuabin. Gần đây người ta chú ý đến việc sử dụng các môi chất mới cho bơm nhiệt nhằm nâng cao nhiệt độ dàn ngưng như: R21, R113, R114, R12B1, R142…
4.1.2. Máy nén lạnh
Cũng như máy nén lạnh, máy nén là bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt. Tất cả các dạng máy nén của máy lạnh đều được ứng dụng trong bơm nhiệt. Đặc biệt quan trọng là máy nén piston trượt, máy nén trục vít và máy nén tuabin. Một máy nén bơm nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, chạy êm và cần phải có hiệu suất cao trong điều kiện thiếu hoặc đủ tải.
4.1.3. Các thiết bị trao đổi nhiệt
Các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản trong bơm nhiệt là thiết bị bay hơi và ngưng tụ. Máy lạnh hấp thụ có thêm thiết bị sinh hơi và hấp thụ. Giống như máy lạnh, thiết bị ngưng tụ và bay hơi của bơm nhiệt cũng bao gồm các dạng: ống chùm, ống lồng ngược dòng, ống đứng và ống kiểu tấm. Các phương pháp tính tốn cũng giống như chế độ điều hoà nhiệt độ.
4.1.4. Thiết bị phụ của bơm nhiệt
Tất cả các thiết bị phụ của bơm nhiệt giống như thiết bị phụ của máy lạnh. Xuất phát từ yêu cầu nhiệt độ cao hơn nên đòi hỏi về độ tin cậy, công nghệ gia công thiết bị cao hơn. Đây cũng là vấn đề đặt ra đối với dầu bôi trơn và đệm kín các loại trong hệ thống.
Do bơm nhiệt phải hoạt động ở chế độ áp suất và nhiệt độ gần sát với giới hạn tối đa nên các thiết bị tự động rất cần thiết và phải hoạt động với độ tin cậy cao để phòng hư hỏng thiết bị khi chế độ làm việc vượt quá giới hạn cho phép.
Đối với van tiết lưu, bơm nhiệt có chế độ làm việc khác máy lạnh nên cũng cần có van tiết lưu phù hợp.
4.1.5. Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt
Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt là những thiết bị hổ trợ cho bơm nhiệt phù hợp với từng phương án sử dụng của nó. Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt gồm một số loại sau:
Các phương án động lực của máy nén như: động cơ điện, động cơ gas, động cơ diesel hoặc động cơ gió…
Các phương án sử dụng nhiệt thu ở dàn ngưng tụ. Nếu là sưởi ấm thì có thể sử dụng dàn ngưng trực tiếp hoặc gián tiếp qua một vịng tuần hồn chất tải nhiệt, có thể sử dụng để sấy, nấu ăn, hút ẩm…Mỗi phương án đòi hỏi những thiết bị hổ trợ khác nhau.
Các phương án cấp nhiệt cho dàn bay hơi. Trường hợp sử dụng dàn lạnh đồng thời với nóng thì phía dàn bay hơi có thể là buồng lạnh hoặc chất tải lạnh. Ngồi ra cịn có thể sử dụng dàn bay hơi đặt ngồi khơng khí, dàn bay hơi sử dụng nước giếng là môi trường cấp nhiệt. Cịn có những phương án như dàn bay hơi đặt ở dưới nước, đặt ở dưới đất hoặc sử dụng năng lượng mặt trời.
Các thiết bị điều khiển, kiểm tra tự động sự hoạt động của bơm nhiệt và các thiết bị hổ trợ. Đây là những thiết bị tự động điều khiển các thiết bị phụ trợ ngoài bơm nhiệt để phù hợp với hoạt động của bơm nhiệt.
4.2. Chọn môi chất nạp
năng ứng dụng rộng rãi và ưu điểm nổi bật của các môi chất nhiệt ta chọn R22 làm môi
chất lạnh cho bơm nhiệt.
4.2.1. Nhiệt độ ngưng tụ
Dàn ngưng của bơm nhiệt có nhiệm vụ gia nhiệt cho khơng khí nên mơi trường làm mát dàn ngưng chính là tác nhân sấy.
Gọi - tw2 là nhiệt độ khơng khí ra khỏi dàn ngưng. Theo u cầu thì tw2 = 40 0C - Δtk là hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu
Đối với dàn ngưng giải nhiệt bằng gió, Δtk = (10 – 15 0C). Ta chọn Δtk = 10 0C. Khi đó, nhiệt độ ngưng tụ của môi chất là: tk = tw2 + Δtk = 40 + 10 = 50 0C
4.2.2. Nhiệt độ bay hơi
Nhiệt độ sơi của mơi chất lạnh có thể lấy như sau: t0 = tb - Δt0
tb - nhiệt độ khơng khí sau dàn bay hơi. Theo yêu cầu của hệ thống sấy tb = 16 0C
Δt0: Hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu. Hiệu nhiệt độ tối ưu là Δt0 = (8 – 13 0C). Ta chọn
Δt0 = 80C
Như vậy nhiệt độ sôi của môi chất lạnh là: t0 = 16 – 8 = 8 0C
Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng người ta phải đảm bảo hơi hút vào máy nén nhất thiết phải là hơi quá nhiệt.
th = t0 + Δth
Với môi chất R22, ta chọn Δth = 25 0C. Vậy nhiệt độ hơi hút là: th = 3 + 25 = 28 0C
4.3. Tính tốn chu trình bơm nhiệt máy lạnh
4.3.1. Chọn chu trình
Với nhiệt độ bay hơi t0 và nhiệt độ ngưng tụ tk đã chọn, tra bảng tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hịa ta có áp suất bay hơi và ngưng tụ tương ứng là:
t0 = 8 0C → p0 = 6,4041 bar tk = 50 0C → pk = 19,326 bar Như vậy, ta có tỉ số nén: π=ppk 0 = = 3,02
Với nên ta chọn máy nén 1 cấp.Mặt khác, môi chất lạnh sử dụng ở đây là R22 nên ta chọn sơ đồ máy nén lạnh 1 cấp dùng thiết bị hồi nhiệt.
Hình 4.1 Sơ đồ và nguyên lý làm việc của máy sấy lạnh
Nguyên lý làm việc
Hơi môi chất sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi được đưa vào thiết bị hồi nhiệt, nhận nhiệt đẳng áp của lỏng cao áp trở thành hơi quá nhiệt 1’. Hơi quá nhiệt này được hút về máy nén và được nén đoạn nhiệt trong máy nén từ áp suất bay hơi p0 lên áp suất ngưng tụ pk. Hơi cao áp 2 đi vào thiết bị ngưng tụ, nhả nhiệt đẳng áp cho tác nhân sấy, ngưng tụ thành lỏng sơi 3. Sau đó, lỏng cao áp 3 đi vào thiết bị hồi nhiệt, nhả nhiệt đẳng áp cho hơi hạ áp trở thành lỏng chưa sôi 3’. Lỏng 3’ đi vào van tiết lưu giảm áp suất xuống áp suất bay hơi p0 (điểm 4) rồi đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt của tác nhân sấy vừa ra khỏi buồng sấy, hóa hơi đẳng áp đẳng nhiệt thành hơi bão hịa ẩm và chu trình lại tiếp tục.
4.3.3. Xây dựng đồ thị và lập bảng xác định các giá trị tại các điểm nút
MN: Máy nén
TL: Tiết Lưu
Hình 4.2 Đồ thị T-s và logP-i của chu trình lạnh
Trạng thái :
1-1’: Quá nhiệt hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt. 1’-2: Nén đoạn nhiệt hơi môi chất từ p0 đến pk.
2-3: Làm mát và ngưng tụ đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bi ngưng tụ. 3-3’: Quá lạnh lỏng cao áp trong thiết bị hồi nhiệt.
3’-4: Quá trình tiết lưu đẳng Entanpi.
4-1 : Quá trình bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bị bay hơi. Bảng các thông số tại các điểm nút của đồ thị:
Tra bảng tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hịa và bảng tính chất nhiệt động của hơi quá nhiệt R22 – Trang 167-182- Môi chất lạnh- Nguyễn Đức Lợi- Phạm Văn