Với nguyên liệu là quả chuối có độ ẩm ban đầu M1 = 80% và yêu cầu sản phẩm sấy có độ ẩm M2 = 20%
Khối lượng sản phẩm trong một mẻ sau khi sấy là 50Kg/mẻ Vậy G1=G2 . 100−M2 =50. 100−20 =200 kg
100−M 1 100−80 mẻ
Lượng ẩm bay hơi trong một mẻ sấy là: 200 – 50 =150 (Kg/mẻ )
Lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ là: W h =W
τ T = 10,163150 =14,75 kg
h 3.5. Tính cân bằng năng lượng cho q trình sấy lý thuyết
Lượng khơng khí khơ cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm từ vật liệu là:
l0=
Lượng khơng khí tuần hồn trong cả quá trình sấy:
45,45 . 150
= 6817,5 (Kgkk/ h )
Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy để làm bay hơi 1kg ẩm
Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy 1 mẻ:
Qlt = L0.q0 = 6817,5. 24,619 = 167840,0325 kJ
Năng lượng tiêu hao cho quá trình sấy: Q0 lt = kW Nhiệt lượng riêng làm ngưng tụ ẩm:
qnta lt = I4 – I1 = 126,153 – 11,414 = 114,739 J/kga
Nhiệt lượng làm ngưng tụ ẩm: Qnta = L0.qnta = 6817,5. 114,739 = 782233,1325 kW Lượng nhiệt cần thiết để tách 1kg nước: qdllt = I4 – I2 = 126,153 – 44,913 = 81,24 kJ/kg Lượng nhiệt dàn lạnh thu được cho cả quá trình sấy:
Qdllt = L0.qdllt = 6817,5. 81,24 = 553853,7 kJ
3.6. Tính tốn thiết bị
3.6.1. Diện tích buồng sấy
Với năng suất nhập vào 200kg, ta có:
28 | P a g e
Khoa Cơng Nghệ Nhiệt Lạnh Cung cấp nhiệt
Thể tích hữu dụng:
Kv: là hệ số điền đầy. Kv = ( 0,4 0,5 ), chọn Kv = 0,5
Thể tích tồn bộ buồng sấy: V = Vh + Δ V, m3
Trong đó: Δ V - Thể tích của các khảng trống của kênh gió và các khơng gian đặt quạt và các thiết bị sấy, m3. Theo kinh nghiệm ta chọn Δ V= (30 ¿ 40%)V. Ta chọn Δ V = 0,4.Vh
= 0,4.0,82 = 0,328 m3
Vậy thể tích buồng sấy là: V = 0,4 + 0,328 = 0,728 m3
Với V đã tính tốn được, ta chọn các kích thước của buồng sấy: Dài ¿ Rộng ¿ Cao là:
L ¿ B ¿ H = 2,5 ¿ 2 ¿ 1,2 (m3)
3.6.2. Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d
Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế
Q
L, I 1 , d 1
THIẾT BỊ SẤY
L, I 3', d 3'
Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Cung cấp nhiệt
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)
Đặt Cntm1 - (qvc + q5 + qm) = - T bổn thất nhiệt để làm bay hơi 1 kg ẩm.
30 | P a g e
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 môi trường
Nhiệt độ bên ngoài 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 (α11 + δ λ + α1 2 )−1 K =
Với: 1, 2 - hệ số toả nhiệt từ tác nhân sấy
đến vách trong buồng sấy và hệ số toả nhiệt từ vách ngồi tới khơng khí bên ngồi , W/m2K.
Để xác định 1, 2 ta dùng phương pháp lặp
31 | P a g e
Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Cung cấp nhiệt
Giả thiết tw1 = 39,5 0C (nhiệt độ vách trong của tường ), ta có phương trình cân
λ
bằng nhiệt: q = 1(tf1 -tw1) = 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 cơng 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:
δ
tw2 = tw1 - q. λ
= 39,5 – 24,415. 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:
Ta có Gr.Pr = 1,6.109.0,69985 = 1,12.109 thuộc khoảng ( 2.107 – 1. 1013 ) Cơng thức tính Nusselt: [4]
Nu = C (Gr . Pr)n1 = 0,135. (1,12. 109)1/3 = 140,197
32 | P a g e
*So sánh giữa q và q’
Sai số này rất nhỏ nên các kết quả tính trên có thể chấp nhận được
Vậy, hệ số truyền nhiệt: Hay
Nhiệt tổn thất ra môi trường trong 1giây là: Q5= K.F.
∆ T
- 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
Nhiệt độ vật liệu sấy ra: tm2 = tf1 = 40 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; ρ
Al = 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
Ta có:
34 | P a g e
Khoa Cơng Nghệ Nhiệt Lạnh Cung cấp nhiệt
∆ < 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:
3.7. Quá trình sấy thực
35 | P a g e
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: Q trình gia nhiệt trong giàn nóng
3 - 4’: Q trình sấy thực tế trong buồng sấy
4’ - 1’- 2: Q trình làm lạnh khơng khí và ngưng tụ ẩm trong dàn lạnh trong trường hợp sấy thực tế.
3.7.1. Tính tốn q trình sấy thực tế
a. Thông số tại các điểm nút của đồ thị
36 | P a g e
Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Cung cấp nhiệt
* Điểm 0,2,3:
Thông số tại các điểm 0,2,3 không thay đổi so với quá 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’ 37 | P a g e
Ta có φ1' = 100%
d1 ' = d4’ = 0,0133 kg/kgkkk
Tra đồ thị I-d ta có t1’ = 18oC
Phân áp suất bão hịa hơi nước
Pbh1’ = Exp
Entanpi của khơng khí tại điểm số 1’ I1’ = 1,0048.t1’ + d1’(2500 + 1,842.t1’) I1’ = 1,0048.18 + 0.0133.(2500 + 1,842.18) = 51,78 kJ/kg Thông số t (°C) Pbh (bar) φ (%) d (kgẩm/kgkkk) I (kJ/kgkk) 3.7.2. Tính tốn nhiệt q trình sấy thực tế [1]
-Lượng khơng khí khơ cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm:
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 =
- 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 -Lượng nhiệt dàn lạnh thu được cho cả quá trình sấy thực tế
39 | P a g e
Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh
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 =
Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Cung cấp nhiệt
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
Môi chất và cặp mơi chất của bơm nhiệt có u 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 bơi trơn và đệm kín các loại trong hệ thống.
41 | P a g e
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 mơi 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
Mơi chất của bơm nhiệt cũng có u cầu như đối với máy lạnh. Ngày nay, người ta vẫn dùng loại môi chất như: R12, R22, R502, R21, R113, R114… Do hệ thống bơm nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao nên ta cần chọn mơi chất nhiệt có nhiệt độ sơi cao. So sánh khả
42 | P a g e
Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Cung cấp nhiệt
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 yêu cầu thì tw2 = 40 0C
- Δt
k là hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu Đối với dàn ngưng giải nhiệt bằng gió, Δt
k = (10 – 15 0C). Ta chọn Δt
k = 10 0C. Khi đó, nhiệt độ ngưng tụ của môi chất là: tk = tw2 + Δt
k = 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 - Δt
0
tb - nhiệt độ khơng khí sau dàn bay hơi. Theo yêu cầu của hệ thống sấy tb = 16 0C
Δt
0 : Hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu. Hiệu nhiệt độ tối ưu là Δt
0 = (8 – 13 0C). Ta