Chương 2 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TỐN
3.1.4. Tính toán hệ thống thiết bị sấy thăng hoa tự lạnh đông
3.1.4.4. Tính tốn chọn van tiết lưu
Tính tốn van tiết lưu làm mát trung gian
Khi tính tốn chọn van tiết lưu làm mát trung gian, đồng thời làm quá lạnh môi chất lạnh trong ống xoắn, ta có thể sử dụng phương trình sau đây
F = 𝑄𝑡𝑔
𝑞𝑡𝑔.𝜂.√∆𝑃.𝜌.𝑔, m 2
Trong đó
- η= (0,5÷0,8): hệ số nén của dịng chảy qua van tiết lưu . Chọn η= 0,8.
- P = Pk – Ptg = 15,315 – 3,145 = 12,17 bar = 12,4.104 kg/m2 độ chênh lệch áp suất trước và sau tiết lưu.
- g = 9,81 m/s2: gia tốc trọng trường của trái đất.
- ρ (kg/m3): khối lượng riêng môi chất lạnh trước khi qua van tiết lưu. Tại tk = 40ºC sẽ tìm được” = 67,57 kg/m3;
- Qtg = 25,95 kW: năng xuất lạnh của bình trung gian. - qtg = h5- h7 = 249,99 – 191,27 =58,72 kJ/kg
- F (m2): tiết diện ngang của van tiết lưu.
Như vậy, sẽ tính được tiết diện van tiết lưu lần 1 vào bình trung gian
F1 = 𝑄𝑡𝑔
𝑞𝑡𝑔.𝜂.√∆𝑃.𝜌.𝑔 =
25,95
58,72.0,8.√12,4.104.67,57.9,81
68
Tính tốn chọn van tiết lưu vào thiết bị bay hơi
Khi tính tốn chọn van tiết lưu cho thiết bị bay hơi, tương tự như trên ta có thể sử dụng phương pháp tính sau đây:
F= 𝑄0
𝑞0.𝜂.√∆𝑃.𝜌.𝑔, m 2
Trong đó
- η= (0,5÷0,8): hệ số nén của dịng chảy qua van tiết lưu . Chọn η= 0,8.
- P = Pk – Ptg = 15,315 – 0,6459 = 14,67 bar = 14,96.104 kg/m2 độ chênh lệch áp suất trước và sau tiết lưu.
- g = 9,81 m/s2: gia tốc trọng trường của trái đất.
- ρ(kg/m3): khối lượng riêng môi chất lạnh trước khi qua van tiết lưu. Tại tql = -8ºC sẽ tìm được ρ” = 17,38kg/m3;
- Q0 = 85 kW năng xuất lạnh của thiết bị bay hơi. - q0 = h1- h7 = 383,56 – 191,27 = 192,29 kJ/kg - F (m2): tiết diện ngang của van tiết lưu.
Như vậy , sẽ tính được tiết diện van tiết lưu lần 2 vào thiết bị bay hơi F2= 𝑄0 𝑞0.𝜂.√∆𝑃.𝜌.𝑔 = 85 192,29.0,8√14,96.104.17,38.9,81 F2 = 1,094.10-4 m2 = 109,4 mm2 3.1.4.5. Tính tốn chọn đường ống Tính cho thấp áp Tính đường ống hút
Khi tính tốn thiết kế đường kính của ống hút của đường ống thì có thể áp dụng công thức sau: 1 . .1 1 2. , . tr h m D m Trong đó:
- m1 = 0,442 kg/s: lưu lượng hơi mơi chất lạnh tuần hồn qua máy nén cấp thấp. - ρ = ρ” = 3,096 kg/m3: khối lượng riêng của hơi mơi chất lạnh tuần hồn qua thiết
bị bay hơi, được máy nén hút về.
69 Như vậy đường kính ống hút của máy nén cấp một được xác định:
. .1
tr h
D = 2. √ 0,442
3,14.12.3,069 = 0,1236 m ≈ 123,6 mm
Tính đường ống đẩy
Tương tự, áp dụng công thức trên Dtr.d.1 =2.√𝜋.𝜔𝑚1
11.𝜌, m
Trong đó: Chọn tốc độ hơi mơi chất ra khỏi máy nén cấp một ω2 = 15m/s.
Dtr.d.1 = 2. √ 0,442
3,14.15.3,069 = 0,1106 m ≈ 110,6 mm
Tính tốn cho cao áp
Tính đường ống hút
Tương tự, áp dụng công thức trên: Dtr.h.2 =2.√𝜋.𝜔𝑚2
11.𝜌, m Trong đó
- Chọn tốc độ mơi chất vào máy nén cấp cao ω11= 12m/s
- Tại nhiệt độ cuối tầm nén của máy nén cấp thấp ttg = -13ºC, Ptg = 3,145 bar, tra bảng R22 sẽ tìm được ρ=8,25 kg/m3.
- Lưu lượng mơi chất tuần hồn qua máy nén cấp cao m2 = 0,7214 ks/s
. .2
tr h
D =2.√3,14.12.8,250,7214 = 0,0963 m = 96,3 mm
Tính đường ống đẩy
Tương tự, áp dụng cơng thức trên:
Dtr.d.2 = 2.√𝜋.𝜔𝑚2
11.𝜌, m Trong đó:
- Chọn tốc độ môi chất ra máy nén cấp cao ω12= 15m/s
- Lưu lượng mơi chất tuần hồn qua máy nén cấp cao m2 = 0,7214 ks/s Dtr.d.2. = 2. √ 0,7214
70
3.1.5. Tính tốn thiết kế hệ thống sấy thăng hoa
3.1.5.1. Tính tốn thiết kế buồng thăng hoa
Buồng thăng hoa cũng chính là buồng lạnh đơng sản phẩm đã được tính tốn, thiết kế ở mục 3.1.4.1. Tuy nhiên, ở đây chúng ta cần phải tính tốn nhiệt cấp cho quá trình sấy thăng hoa ở giai đoạn 2, đồng thời kiểm tra lại diện tích trao đổi nhiệt của các tấm truyền nhiệt có phù hợp khơng? (nếu khơng thì bài tốn sẽ trở lại từ đầu khâu thiết kế buồng lạnh đơng). Trên cơ sở đó, chúng ta có thể tính tốn và chọn lựa phương án cấp nhiệt thích hợp cho q trình sấy thăng hoa.
Tính tốn nhiệt cấp cho buồng sấy thăng hoa
Nhiệt lượng cần thiết cho quá trình sấy thăng hoa bao gồm các lượng nhiệt cơ bản là: lượng nhiệt thăng hoa Qth (kJ), lượng nhiệt cần thiết cho q trình tách ẩm cịn lại sau q trình thăng hoa hay cịn gọi là lượng nhiệt làm bay hơi ẩm Qhh (kJ) trong quá trình sấy chân khơng nhiệt độ thấp và lượng nhiệt tổn thất ra môi trường bên ngoài Qmt (kW) và lượng nhiệt do quá trình vận chuyển vật liệu sấy Qvc (kW). Nhưng trong hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đơng thì Qvc = 0, nhiệt độ môi trường luôn lớn hơn nhiệt độ trong buồng thăng hoa nên Qmt < 0. Đây là lượng nhiệt có lợi, làm giảm năng lượng cung cấp trong quá trình sấy.
Phương trình cân bằng năng lượng trong quá trình sấy thăng hoa được viết như sau:
Q = kth(Qth + Qhh + Qvc – Qmt) , kW Trong đó:
Q (kW) – nhiệt lượng cần thiết cho q trình sấy kth = (1,5÷2,5) là hệ số tải an tồn
Các thông số kỹ thuật cần thiết cho quá trình sấy thăng hoa:
- Năng suất buồng sấy là G = 200 kg sản phẩm/ mẻ; - Thời gian sấy một mẻ là 2 = 20,12 h;
- Độ ẩm nguyên liệu của nấm đông trùng hạ thảo trước khi lạnh đông là Wa = 83 %
- Độ ẩm sản phẩm cuối cùng của tổ nấm đông trùng hạ thảo sấy thăng hoa là We = 8,3%.
Nhiệt độ trung bình sản phẩm sau khi lạnh đơng để nước trong sản phẩm đóng băng hoàn toàn Tth = Tfopt = -190C, đây cũng chính nhiệt độ thăng hoa của nấm đơng trùng hạ thảo. Tương ứng với nhiệt độ này sẽ có áp suất thăng hoa là Pth = 0,910 mmHg. Áp suất môi trường sấy thăng hoa Pbth = 0,411 mmHg < Pth = 0,901 là hoàn toàn phù hợp, tương ứng có nhiệt độ hóa tuyết Tht = -26,43oC.
71 Nhiệt độ tấm bức xạ có thể điều chỉnh tới giá trị cao nhất là tdn = 40ºC;
Nhiệt độ mơi trường sấy thăng hoa có thể điều chỉnh tới giá trị cao nhất tmt = 35ºC; Lượng ẩm thoát ra Wthm = 878,9 (kg/mẻ)
Vậy: Wth = 𝑊𝑡ℎ𝑚
𝜏2 = 878,9
20,12 = 43,68 kg/h
Ẩn nhiệt thăng hoa của nước đóng băng trong nấm đơng trùng hạ thảo tại nhiệt độ T = Tth = -19ºC được xác định như sau:
rth = 0,0024.T2 + 3,0606T + 3287, 074 (J/kg)
rth = 0,0024.(-19)2 + 3,0606.(-19) + 3287,074 = 3229,789 kJ/kg
Tính lượng nhiệt cần thiết trong giai đoạn thăng hoa
Nhiệt lượng cần thiết để thăng hoa hết lượng nước kết tinh trong nấm đông trùng hạ thảo là
Qth = Wth.rth
Qth = 43,68 . 3229,789 = 141 077,18 kJ/h = 39,19 kW
Tính nhiệt lượng cần thiết cho q trình sấy chân khơng:
Q trình sấy thăng hoa tổ yến chỉ có giai đoạn sấy thăng hoa, khơng có giai đoạn sấy chân không. Nên Qhh = Wckm.rhh = 0
Nhiệt lượng từ mơi trường bên ngồi xâm nhập vào làm giảm bớt lượng nhiệt
cung cấp, đây là dịng nhiệt có lợi.
Trong hệ thống sấy thăng hoa tự lạnh đơng thì buồng lạnh đơng cũng chính là buồng thăng hoa. Vì vậy, diện tích bề mặt vách và hệ số truyền nhiệt hoàn toàn tương tự như tính tốn tổn thất nhiệt qua vách buồng lạnh đông ở giai đoạn lạnh đông, Kv = 0,43 W/(m2.K) và Fv = 26,7 m2;
Độ chênh lệch nhiệt độ ở môi trường bên trong so với mơi trường bên ngồi là
t = tmt – tkk = 35- 25 = 10ºC
Với: tkk = 25ºC là nhiệt độ khơng khí trong phịng chế biến.
Như vậy, lượng nhiệt từ môi trường xâm nhập vào buồng lạnh đông hay buồng xấy thăng hoa được xác định như sau:
QMT = Kv.Fv. t
QMT = 0,43.33,19.10 = 142,72 W= 0,1427 kW
Tổng lượng nhiệt cần thiết cho cả quá trình sấy thăng hoa được xác định như
72 Q = kth.( Qth + Qbh + Qvc – QMT)
=1,55. (39,19 + 0 + 0 – 0,1427) = 60,52 kW.
Nhiệt lượng cần thiết cấp riêng cho buồng thăng hoa để tách 1 kg ẩm ra khỏi
sản phẩm sấy được xác định như sau:
q = 𝑄
𝑊𝑡ℎ = 60,52
43,68 = 1.39 kW/kg ẩm
Đây là cơ sở để tính định mức tiêu hao năng lượng trong quá trình sấy thăng hoa sản phẩm, từ đó tính được chi phí và giá thành sản phẩm.
Nếu tính thêm năng lượng cung cấp cho bơm chân không, cho bơm, quạt của thiết bị ngưng tụ, v.v. thì năng lượng qr (kW/kg ẩm) cần thiết để tách 1 kg ẩm ra khỏi sản phẩm sấy thăng hoa là:
qr = (2÷3).q = (2÷3).1,39 = (2,78÷4,17) kW/kg ẩm
Tính tốn kiểm tra lại diện tích trao đổi nhiệt của các tấm lắc trong buồng thăng hoa
Buồng thăng hoa trong hệ thống thăng hoa tự lạnh đơng cũng chính là buồng lạnh đơng sản phẩm, theo tính tốn thiết kể của buồng lạnh đơng thì tổng diện tích trao đổi nhiệt cùa Nstn = 40 tấm truyền nhiệt hay tấm lắc là:
Fdl = m2
Môi trường sấy thăng hoa được xem gần như chân khơng tuyệt đối. Do đó, gia nhiệt trong quá trình sấy thăng hoa chủ yếu theo phương thức bức xạ và dẫn truyền, còn đối lưu xem như bằng khơng. Vì thế, khi tính tốn thiết kế sao cho diện tích gia nhiệt bức xạ và dẫn truyền trong quá trình sấy thăng hoa và nguồn cung cấp nhiệt phải đủ, nhưng nó phải thỏa mãn: Fbx < Fdl = 247 m2. Cho phép sai số (5 ÷10)%
Các bước tiến hành tính tốn, kiểm tra diện tích trao đổi nhiệt như sau:
Hệ số bức xạ trong quá trình sấy thăng hoa quy dẫn:
Quá trình sấy được thực hiện trong môi trường chân khơng. Vì khơng có mơi trường vật chất, nên trao đổi nhiệt đối lưu giảm còn trao đổi nhiệt bằng bức xạ tăng. Thực nghiệm cho thấy trao đổi nhiệt đối lưu chỉ là (10 ÷ 15)% so với trao đổi nhiệt bằng bức xạ. Vì vậy:
2
. ,(W / ( ))
dl bx k bx m K
Cho nên: Chọn k = 1,2 – gọi là hệ số điều chỉnh do trao đổi nhiệt bằng đối lưu. Chọn độ đen của tấm bức xạ 10,95 và độ đen của vật liệu sấy2 0,91. Hệ số bức xạ quy dẫn được xác định:
73 1 2 1 1 0,868 1 1 1 1 1 1 0,95 0,91 qd
Diện tích gia nhiệt của bức xạ để sấy nấm đông trùng hạ thảo trong buồng thăng
hoa: 2 , . .( ) bx bx mt th Q F m k T T Hay: Fbx = 𝑄 𝑘.𝐶0.𝜀𝑞𝑑.[(𝑇𝑚𝑡 100)4−(𝑇𝑡ℎ 100)4] , m2
Với: C0 = 5,67 [W/(m2K4)]: gọi là hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối, cho nên
Fbx = 60,52.10 3 1,2.5,67.0,868.{(273,15+35 100 )4− (273,15−19 100 )4} , m2 Fbx = 211,52 m2
Có thể thấy rằng điều kiện Fbx < Fdl đã thỏa mãn, diện tích trao đổi nhiệt của buồng sấy thăng hoa hoàn toàn phù hợp với diện tích thực tế khi chế tạo buồng lạnh đông sản phẩm trước khi sấy thăng hoa.
Tính lưu lượng chất tải nhiệt gia nhiệt hoặc công suất nhiệt cản trở bức xạ cấp cho
quá trình sấy
Nhiệt lượng mà chất tải nhiệt hay nhiệt trở cung cấp cho tồn bộ q trình sấy thăng hoa là Q = 10,44 kW để sấy 336,36 kg nguyên liệu tổ yến có độ ẩm Wa = 45% đến độ ẩm đạt yêu cầu We = 7,5% được xác định theo phương trình sau:
Q = CtnGtn(tv-tr) =P, kW
Trong đó: Ctn (kJ/(kgK)), Gtn (kg/s) là nhiệt dung riêng và lưu lượng chất tải nhiệt; P (kW) là công suất của nhiệt trở (nếu cấp nhiệt bằng điện trở); tv, tr (°C) là nhiệt độ vào và ra của chất tải nhiệt.
Nếu cấp nhiệt bằng nước nóng thì lưu lượng cẩn thiết cấp cho quá trình sấy
thăng hoa được xác định như sau: Nhiệt độ nước vào là tv = 50°C; Nhiệt độ nước ra là tr = 42°C;
Nhiệt dung riêng trung bình của nước từ nhiệt độ 42°C đến 50°C được xác định: 1 (4184,7 1,74.T).dT v r t n v r t C T T Cn =4,265 kJ/(kg.K)
74 Như vậy lưu lượng nước nóng cần cung cấp đề gia nhiệt là
Gn = 𝑄
𝑐𝑛.(𝑇𝑣− 𝑇𝑟) = 60,52 4,265.(50−42)
Gn = 1,77 kg/s
Lưu lượng nước nóng qua mỗi tấm truyền nhiệt là: Gntn = 𝐺𝑛
𝑁𝑠𝑡𝑛 = 1,77
19 = 0,093 kg/s
Nếu cấp nhiệt bằng điện trở nhiệt:
Tổng cơng suất điện trở bố trí trong 19 tấm truyền nhiệt là Q = 60,38 kW Mỗi cấp điện trở có cơng suất là 320 W = 0,32 kW
- Số cây điện trở bố trí lên các là: Ncdt = 𝑄
0,32 = 60,38
0,32 = 189 cây - Số cây điện trở bố trí trên mỗi tấm lắc là:
Ncdtmt = 𝑁𝑐𝑑𝑡
𝑁𝑠𝑡𝑛 = 189
19 = 9,95 ≈ 10 cây / tấm lắc
3.1.5.2. Tính tốn thiết bị ngưng tụ- đóng băng
Tính lượng nhiệt tỏa ra trong thiết bị ngưng tụ - đóng băng
Như đã tính tốn ở mục 3.1.4.1, nhiệt tải của q trình ngưng tụ - đóng băng là: Qngtdb = 72,74 kW
Đây là cơ sở để tính tốn, thiết kế thiết bị ngưng tụ - đóng băng để hóa tuyết hồn toàn lượng hơi ẩm sau khi thăng hoa ra khỏi buồng sấy đi về thiết bị ngưng tụ - đóng băng.
Tính tốn, thiết kế thiết bị ngưng tụ đóng băng
Tính tốn hệ thống lạnh chạy cho thiết bị hóa đá
Do năng suất lạnh (nhiệt tải) của thiết bị ngưng tụ - đóng băng là Qngtdb = 81,634 kW nhỏ hơn năng suất lạnh của buồng lạnh đông sản phẩm trước khi sấy thăng hoa
0
MN
Q = 85 kW. Mặt khác, giai đoạn lạnh đông và giai đoạn sấy là hai giai đoạn làm việc không cùng một lúc mà chúng làm việc nối tiếp nhau. Bên cạnh đó, để giảm chi phí chế tạo hệ thống sấy thăng hoa. Thiết bị ngưng tụ - đóng băng trong q trình sấy thăng hoa và buồng lạnh đơng sản phẩm có thể sử dụng chung một hệ thống lạnh như đã tính tốn, thiết kế buồng lạnh đơng ở phần trước. Vì thế, ở phần này khơng cần phải tính tốn thiết kế hệ thống lạnh cho thiết bị ngưng tụ - đóng băng.
75
Tính tốn, thiết kế thiết bị ngưng tụ- đóng băng
Như đã tính tốn ở mục 3.1.4.2, các thơng số kích thước của thiết bị ngưng tụ - đóng băng là:
- Thiết bị ngưng tụ đóng băng dạng hình trụ, có thể tích là Vngtdb (m3); đường kính trong là Dtr (m); đường kính ngồi là Dng (m) ; chiều dài là L(m);
- Thể tích Vngtdb = 1,52 m3
- Đường kính trong là Dtr = 0,9 m;
- Đường kính ngồi là Dng = 0,91 m;
- Chiều dài là L = 2,39 m;
- Bề dày lớp bọc cách nhiệt polyurethane cn = 0,08; - Đường kính ngồi đã bọc cách nhiệt Dngdb = 1,07 m - Nhiệt độ hỗn hợp hơi ẩm – khơng khí vào thv = th = 10ºC;
- Nhiệt độ hỗn hợp hơi ẩm – khơng khí ra thr = tb +(5÷10) = -38 + 8 = -30ºC - Nhiệt độ sôi của R22 đi trong ống trao đổi nhiệt làm bằng đồng của thiết bị ngưng tụ - đóng băng: t0 = -50ºC
- Nhiệt độ môi trường trong thiết bị ngưng tụ - đóng băng ln duy trì: tbmt = - 40ºC;
- Entalpy của mơi chất lạnh trước khi vào thiết bị ngưng tụ - đóng băng: h7 = 191,27 kJ/kg;
- Entalpy của môi chất lạnh trước khi ra thiết bị ngưng tụ - đóng băng: h1 = 383,56 kJ/kg;
- Lưu lượng mơi chất lạnh tuần hồn qua thiết bị bay hơi: m1 = 0,4680 kg/s; - Ống trao đổi nhiệt có dtr = 16mm = 0,016 m
dng = 17mm = 0,017 m
- Tại nhiệt độ t0 = -50ºC tra bảng R22 sẽ tìm được thông số vật lý ''
= 3,096 kg/m3 = 0,116 W/(m.K);