Tính tốn thiết kế hệ thống sấy thăng hoa

Chương 2 : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TỐN

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 ngồi Qmt (kW) và lượng nhiệt do q 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 hồn tồn 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 hồn tồn 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:

Quá trình sấy thăng hoa tổ yến chỉ có giai đoạn sấy thăng hoa, khơng có giai đoạn sấy chân khơng. 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 q trình sấy thăng hoa chủ yếu theo phương thức bức xạ và dẫn truyền, cịn 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 mơi 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 10,95 và độ đen của vật liệu sấy2 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 đơng 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 môi 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 thơng số vật lý ''

  = 3,096 kg/m3  = 0,116 W/(m.K);

6 2 0,275.10 m /s

76

 Vận tốc của R22 lỏng chuyển động trong ống xoắn được xác định theo phương

trình: 1 2 w . . 4 tr m d z    = 4.0,442 100.3,096.3,14.0,0162 = 7,1 m/s

Chuẩn số Reynolds được xác định theo phương trình: Re = 𝑤.𝑑𝑡𝑟

𝜐 = 7,1.0,016

0,275.10−6 = 413090,91

Như vậy, môi chất lạnh đi trong chùm ống là chảy quá độ, bởi vì Re = 413090,91 > 10000 nên phương trình chuẩn số Nuxel được viết dưới dạng sau:

Nu = 0,021.Re0,8.Pr0,43.1 Vì tỉ số: 1/dtr = 1/0,016 >50 => .1 = 1 Nu = 0,021.(413090,91)0,8.(3,46)0,43.1 = 1152,6 Vậy: αw = 𝑁𝑢.𝜆 𝑑𝑡𝑟 = 946,23.0,116 0,016 = 8356,32 W/(m2/K)

 Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit thiết bị ngưng tụ – đóng băng:

0 0 10 ( 30) 36, 4 10 ( 50) ln ln 30 ( 50) hv hr m hv hr t t t t t t             ºC

 Mật độ dòng nhiệt về phía R22 lỏng trong ống:

w 0 w. w w w , 1 1 1 s m tr i i i i i i t t q                     W/m 2

Trong đó: s  tw t0 là độ chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ trung bình của nhiệt độ bề mặt truyền nhiệt và nhiệt độ sơi của chất tải lạnh. Hay nói cách khác, nhiệt độ trung bình của chất lỏng R22 đi trong ống và nhiệt độ bề mặt truyền nhiệt của ống.

t0 = th - m

Trong đó:  th – tw: độ chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ trung bình hỗn hợp

hơi ẩm – khơng khí và bề mặt truyền nhiệt của ống xoắn.

th : nhiệt độ trung bình của hỗn hợp hơi ẩm – khơng khí ở trong bình hóa đá.

77 Chọn i i    = 0,8.10-2 (m2.K/W), ống chùm trơn làm bằng đồng Sẽ tìm được: qw.tr = 136,4− 𝜃 8356,32+0,8.10−2 = 123,16.(36,4 – θ)

 Mật độ dịng nhiệt phía ngồi ống hỗn hợp hơi ẩm – khơng khí được quy đổi

theo bề mặt trong ống được tính theo phương trình sau: 0.8 4 . (A. . ) . ng. z' , a tr n tr z F R q F R          W/m 2

Ta có : t0 = -50ºC, tại nhiệt độ này sẽ tìm được hệ số A = 0,799 vì số ống chùm n

> 6 nên 0,017 1,1; 1,0625 0,016 ng ng n tr tr F d F d      và chọn Rz = 4, Rz’ =1.

Như vậy qa.tr = (0,799.θ.1,1)4.1,0625.40,8 = 1,92.θ4

Giải phương trình : qw.tr = qa tr.  123,16.(36,4 – θ) = 1,92.θ4 Ta suy ra  = 7,7ºC

Do đó tính được qw.tr = 5382,092 W/m2

 Diện tích truyền nhiệt của chùm ống

Ftr = 𝑄𝑛𝑔𝑡𝑑𝑏 𝑞𝑤.𝑡𝑟 = 72,74.103 5382,092 = 13,52 m2  Tổng chiều dài chùm ống Lc = 𝐹𝑡𝑟 𝜋.𝑑𝑡𝑟 = 13,52 3,14.0,016 = 269,01 m  Số ống trong thiết bị

Chiều dài của thiết bị hóa đá là L = 2,39 m; chiều dài mỗi ống là l0 = 0,8 m. Như vậy, số ống được xác định :

n = 𝐿𝑐

𝑙0 = 269,01

0,8 = 336,33 ống.

Chọn n = 330 ống bố trí trên ba kênh, kênh vào 110 ống, kênh ra 110 ống và kênh chính giữa 110 ống.

3.1.5.3. Tính tốn hệ bơm chân không

 Năng suất lưu lượng của bơm chân khơng

Để tính tốn chọn bơm chân khơng cho phù hợp với năng xuất của buồng thăng hoa và thể tích của buồng thăng hoa ta có phương trình tính tốn.

78 1. 2. .ln gh , b d th gh B P V Q P P             m 3/h Trong đó:

Qb (m3/h) : năng suất thể tích hút của bơm chân khơng; V(m3) Thể tích của buồng thăng hoa được xác định: V = 𝜋.𝐷𝑡𝑟 2 4 . 𝐿1 + 4.4 3𝜋. 𝑅c3. 𝛼 360 Với: Rc = 2,216 m; α = 250C

Chiều dài thân hình trụ: L1 = 5 m Chiều cao của mỗi chỏm cầu hc = 0,2 m

Đường kính trong: D1 = 2R1= 1,84 m Từ đó suy ra V = 𝜋.1,84 2 4 . 5 + 4.4 3. 𝜋. 2,2163. 25 360 = 25,94 m3

- d( ) :h thời gian đuổi hết khí trong bình thăng hoa. Thực tế thì thời gian đuổi