Các thanh điện trở được lắp sole vào hai mặt bên của buồng với bước dọc S1 = 50mm, bước ngang S2 = 40mm để tăng tiết diện tiếp xúc với giĩ vào. Buồng gia nhiệt cĩ kích thước như sau: 400mm (dài) x 300mm(rộng) x 220mm (cao)
4.3. Tính chọn quạt thổi khí nĩng
Lưu lượng quạt được xác định qua cơng thức:
Gq = b.Gtn, m3/s
Trong đĩ b là hệ số tính đến các chỗ hở trong hệ thống, thường chọn b = 1,1 [11]. Do vậy: Gq = 1,1.0,109 = 0,12 m3/s
Tổng cột áp cần khắc phục ΔP, được tính theo cơng thức [7]: ΔP = ΔPL + ΔPcb + ΔPms, N/m2
a) Trở lực qua lớp vật liệu trên ghi
Khối lượng riêng của dịng khí ở nhiệt độ tm, k = 0,91 kg/m3
Độ nhớt động học của dịng khí ở nhiệt độ tm, k = 24,9.10– 6 N.s/m2 Độ rỗng của lớp hạt trạng thái sơi tối thiểu, tt = 0,561
Vận tốc khí bề mặt qua lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu, vtt = 0,57m/s Cầu tính của hạt, = 0,71
Chiều cao của lớp hạt ban đầu, h0 = 100mm
Chiều cao của lớp hạt ở trạng thái sơi tối thiểu, theo [14]:
h
tt
(4.8)
(4.9)
(4.10)
Trở lực qua lớp vật liệu ở trạng thái sơi tối thiểu, theo Ergun [14]:
P 0,112 150 L 774, 76 N/m2 b) T rở lực cục bộ qua co V ậ n t ố c
dịng khí tại trạng thái sơi ổn định, vt = 1,313m/s; Hệ số trở lực qua co, ξco = 1,1 [7];
Trên đường ống từ buồng đốt đến buồng sấy gồm cĩ 2 co để phân phối khí vào buồng. Từ đĩ ta tính được [11]: (4.11) 96 P co (4.12)
c) Trở lực qua ghi phân phối tác nhân
Theo Krishnaiah [17]:
Pppk = (0,2 0,4) PL = 0,3.774,76 = 232,43 N/m2
d) Trở lực cục bộ qua buồng gia nhiệt
Bộ gia nhiệt điện trở là thiết bị trao đổi nhiệt với các thanh điện trở dạng ống với cánh xoắn uốn cong, dịng khí chuyển động ngang qua chùm ống, trở lực được tính theo cơng thức, theo [14]: ΔPS = Eu. k. 2
, N/m2
Trong đĩ, theo [14] chuẩn số Euler được tính theo:
Eu C .C z
Với chùm ống bố trí so le [14]: C = 2,7; Cs = 1; n = -0,25 Hệ số Cz tra theo bảng 9.1 [14] phụ thuộc vào số hàng ống z.
Với z = 8 thì Cz = 8
Các thơng số của thanh điện trở như sau : Vận tốc dịng khí tại tiết diện thu hẹp: Đường kính ngồi của thanh điện trở: Đường kính ngồi của cánh:
Chiều cao cánh: Bề dày cánh: Bước cánh: Khoảng cách giữa hai thanh theo chiều dọc:
K h
oảng cách giữa hai thanh theo chiều ngang: S2 = 0,04m
Diện tích mặt ngồi cĩ cánh F tính trên một mét chiều dài thanh điện trở: F = Fcánh + Fthanh
(4.15)
2
D d
4
0,139 m2
Diện tích khơng bị cánh chốn chỗ (giữa các cánh) Fo tính trên một mét chiều dài thanh điện trở: Fo = Fthanh + Fch d ng 1000 1dng c.0, 012 1000 1.0, 012.0, 001 55 0, 0301m2
Tỉ số giữa tổng diện tích mặt ngồi cĩ cánh (F) và diện tích khơng bị cánh chốn chỗ (giữa các cánh) (Fo):
97
F 0,139 4, 618 Fo 0,
0301 (4.18)
Đường kính tương đương của tiết diện thu hẹp:
d
td
2 0, 005.(0,
Kích thước đặc trưng quy ước lo tính theo [11]:
l 0, 012 o 4, 618 Chuẩn số Reynolds: Chuẩn số Euler: Eu 2, 7.1.8. Khi đĩ trở lực qua bộ gia nhiệt:
ΔPS = 2,803.0,8815.10,732 = 284,47 N/m2
e) Trở lực ma sát từ quạt đến buồng đốt [11] P
ms
Chọn ống nối từ buồng đốt đến quạt cĩ đường kính là 0,15m, chiều dài là 1m. Vận tốc khơng khí đi trong đường ống:
v
Chuẩn số Re:
Với dịng chảy rối hệ số ma sát được xác định theo cơng thức [11]:
Với là độ nhám của vật liệu làm ống. Chọn = 10 Thay các giá trị vào phương trình trên ta được:
1 0, 02 (4.19) (4.20) (4.21) (4.22) (4.23) (4.24) Vậy: P ms
f) Trở lực ma sát từ buồng đốt đến buồng sấy
Chiều dài ống từ buồng đốt đến buồng sấy l = 1,0m, đường kính 0,15m. Tổn thất ma sát trên đoạn ống thẳng:
P
Cột áp tồn phần của quạt:
P = 774,76+ 1,72 + 232,43 + 284,47 + 4,06 + 6,09 = 1303,53 N/m2 Cơng suất quạt lý thuyết:
N
lt
(4.25)
Chọn hệ số cơng suất là 1,1 [1]. Cơng suất động cơ quạt:
Nđc = 1,1.Nlt = 1,1.0,663 = 0,728 kW (4.26) Vậy chọn động cơ quạt cĩ cơng suất 0,75 kW (1Hp), lưu lượng quạt 0,12 m3/s và cột áp 280 mmH2O.
4.4. Chọn ghi phân phối tác nhân vào lớp liệu trong buồng sấy4.4.1. Các chỉ tiêu thiết kế ghi 4.4.1. Các chỉ tiêu thiết kế ghi
a. Dịng khí qua lỗ ghi (jet penetration)
Dịng khí thổi qua lỗ của ghi phân phối cĩ thể ở dạng bọt khí hay là dạng tia, tùy thuộc vào các thơng số của máy tạo lớp sơi và các điều kiện làm việc. Tuy nhiên, dạng tia là dạng thường gặp đối với hầu hết các điều kiện hoạt động trong sản xuất cơng nghiệp và sấy vật liệu rời. Khả năng cho dịng khí xuyên qua lỗ ghi là một trong những thơng số thiết kế quan trọng nhất bởi vì nĩ cĩ tác dụng trong các cơng việc như sau:
Xác định khoảng cách cần thiết để lắp đặt các cụm chi tiết máy bên trong buồng chứa lớp hạt sơi như miệng nạp vật liệu vào, các ống trao đổi nhiệt (sử dụng để trao đổi nhiệt làm mát hạt trong trường hợp lớp sơi ứng dụng sau giai đoạn sấy vật liệu) và khoảng cách ghi phân phối để hạn chế tối đa sự ăn mịn các cụm chi tiết bên trong buồng hạt sơi.
Quyết định các thơng số thiết kế của ghi như kích thước lỗ ghi, vận tốc của dịng khí đi qua cần thiết để tiến tới được vùng phun tia.
Hạn chế tối đa hay tăng cường tối đa sự ăn mịn vật liệu chế tạo ghi.
Theo Knowton và Hirsan (1980), khả năng xuyên qua đối với các tia khí hướng lên dao động rất lớn, cĩ thể thay đổi đên 30% đối với các tia hướng lên [17]. Tuy nhiên, sự phun tia từ lỗ ghi hướng xuống thì ổn định và chiều dài dịng tia thì khơng dao động nhiều theo thời gian. Hình 4.4. chỉ ra cấu trúc và khả năng xuyên qua đối với dịng khí hướng lên, hướng ngang và hướng xuống. Theo Karri (1990) khả năng xuyên qua theo các hướng khác nhau cĩ thể được xem liên hệ xấp xỉ theo cơng thức sau [17]:
Llên 2Lngang 3Lxuống (4.27)
a- tia khí hướng lên; b- tia khí hướng ngang; c- tia khí hướng xuống
Hình 4.4 Dịng khí xun qua lỗ ghi theo các hướng khác nhau
Cĩ nhiều mối tương quan thể hiện sự xuyên qua của dịng khí qua lỗ phun, Merry (1971) chỉ ra khả năng xuyên qua của dịng khí qua lỗ theo phương ngang [17]:
L ng 5, 25 d l (4.28)
– Chiều dài tia khí phun theo hướng ngang, m – Đường kính lỗ phun khí, m
– Khối lượng riêng dịng khí qua lỗ, kg/m3 – Khối lượng riêng của hạt vật liệu, kg/m3 – Vận tốc dịng khí qua lỗ, m/s
– Đường kính hạt vật liệu sấy, m
– Độ xốp của hạt ở điều kiện lớp hạt sơi tối thiểu
Đối với tia khí phun hướng lên và hướng xuống cĩ thể tính theo phương trình (4.28). Những phương trình này cĩ tính đến ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ của tác nhân khí thổi lên, quá trình xuyên qua của tia.
b. Tổn thất áp suất qua ghi phân phối khí
Để đạt được sự phân phối dịng khí đồng đều xuyên qua nhiều đường song song, yêu cầu dịng khí cĩ áp suất phải đủ lớn để cân bằng hay vượt qua giá trị lớn nhất của bất kì dao động áp suất nào. Trong q trình thiết kế ghi phân phối khí, tổn thất áp suất là chỉ tiêu quan trọng nhất, cĩ ảnh hưởng đến các thơng số của ghi sau khi thiết kế, đồng thời việc tính tốn hợp lý tổn thất sẽ gĩp phần làm giảm cơng suất quạt cấp tác nhân sấy.
Tổn thất áp suất qua ghi phân phối khí cĩ thể tính được bằng cách áp dụng phương trình Bernoulli giữa hai điểm trên và dưới ghi phân phối khí cộng với tổn thất ma sát:
p1
1
v12 2 Trong đĩ: p1, p2: tĩnh áp tại hai điểm trên và dưới ghi, Pa;
v1, v2: tĩnh áp tại hai điểm trên và dưới ghi, m/s; vl: vận tốc qua lỗ ghi, m/s;
K: hệ số trở lực của dịng khí qua ghi;
tt dh v1 h k dl Trong đĩ: Lng
Lưu ý rằng trong trường hợp này, dịng khí hĩa sơi được xem như là khơng nén được và bỏ qua tổn thất áp suất do ma sát với vách ghi. Sắp xếp lại phương trình trên và bỏ qua phần tổn thất động áp, phương trình xác định tổn thất áp suất qua ghi được rút gọn như sau:
P
ppk
a. Tổn thất áp suất qua ghi đục lỗ
(4.30)
Đối với ghi đục lỗ, nhằm hạn chế sự rị lọt vật liệu qua lỗ ghi người ta thường lắp kèm theo một tấm lưới mỏng (gọi là sàng hay rây) cĩ kích thước lỗ nhỏ hơn kích thước của vật liệu. Điều này làm tăng trở lực của ghi, do vậy cần thiết phải tính tốn chính xác trở lực của dịng khí qua ghi với hai thành phần như sau [31]:
P
dl
Sắp xếp và biến đổi phương trình trên, ta được:
P
dl
Trong đĩ, Kl, và Kr lần lượt là hệ số trở lực qua lỗ phun và lỗ rây.
Tổn thất qua ghi cịn cĩ thể được tính theo hệ số phun của lỗ, Cd như sau [17]:
(4.31) (4.32) Như vậy: P gh K (4.33)
Theo Idelchik (2004), hệ số trở lực qua lỗ phun khi xét đến chiều dày của ghi được tính như sau [31]:
K Với Rel > 105 (4.34)
Trong đĩ, là hệ số xét đến chiều dày của ghi. = 0 đối với ghi dày (t/dl > 2, t là chiều dày của ghi), = 1,35 đối với ghi mỏng (t/dl = 0 0,015).
Hệ số trở lực qua phần lưới che chắn được tính theo cơng thức sau [31]:
Trong đĩ: Rer k .vr .dr
và dr là đường kính lỗ rây.
k
kRe là hệ số hiệu chỉnh trở lực theo chuẩn số Reynolds. Với Rer 150 thì kRe = 1,13.
b. Tổn thất áp suất qua ghi dạng mũ chụp
Tổn thất áp suất qua ghi mũ chụp bao gồm phần tổn thất qua lỗ ghi và qua khe hở giữa mũ chụp và mặt ghi. Xét tại vận tốc khí bề mặt trong q trình sơi ổn định, ta thiết lập phương trình tính tổn thất như sau:
101
P
mc
Trong đĩ, Kl, và Km lần lượt là hệ số trở lực qua lỗ phun và mũ chụp. Trong trường hợp này, Kl được tính bằng:
K 0, 5
l
(4.36)
(4.37)
Với dạng mũ chụp như hình 4.4 thì F2 là tiết diện tại mặt cắt số 2 (phần ống trụ lắp vào ghi), Fl là diện tích mặt cắt ngang của tất cả các lỗ đục trên ghi. Với các dạng mũ chụp khác khơng cĩ phần ống trụ thì F2 = Fl. Fm là tiết diện của phần khe hở giữa mũ và mặt ghi (hình 4.7).
Đối với hệ số trở lực qua mũ chụp, Idelchik (2004) giới thiệu thơng số bằng thực nghiệm [31]: Kmc = 3,7.
Người ta đã xác định bằng thực nghiệm rằng tổn thất áp suất qua lớp vật liệu trong một số lớp hạt sơi trên ghi cĩ lỗ khí thổi hướng lên cĩ thể thay đổi tức thời tới 30% [17]. Điều này xảy ra là do cĩ sự dao động lớn của chiều dài tia khí phun theo hướng lên. Sự thay đổi của chiều dịng khí hướng xuống của lỗ ghi hướng xuống nhỏ hơn 10%.
Theo Karri (1990) tổn áp đối với dịng khí qua ghi phân phối khí cĩ chiều hướng lên và hướng ngang được tính theo cơng thức [17]:
ΔP Với ΔPL là trở lực qua lớp hạt sơi; ΔPppk là trở lực qua ghi phân phối khí.
Đối với dịng khí cĩ chiều hướng xuống:
ΔP Trong bất kỳ trường hợp nào, tổn áp ngang qua một ghi phân phối khí cĩ kích thước lớn
khơng được nhỏ hơn 2500 Pa [27], nghĩa là:
ΔP Theo Mori và Moriyama (1978), tỉ số giữa tổn áp của bộ phận phối và tổn áp của lớp
hạt vào khoảng 0,015 đến 0,4.
Với ghi phân phối khí cĩ dạng cong lồi hay dạng nĩn, khi áp dụng phải xem xét tới lỗ ghi thấp nhất.
Phương trình cân bằng áp suất ngang qua ghi cĩ thể viết như sau;
ΔP
4.4.2. Các phương trình thiết kế ghi
Với các ghi dạng lỗ phẳng, dạng lỗ phun và dạng mũ chụp, tổn áp qua ghi được tính [17]:
ΔP
Trong đĩ: K = 0,3 đối với dịng khí đi thổi qua lớp hạt hướng lên và hướng ngang;
K = 0,1 đối với dịng khí thổi qua lớp hạt hướng xuống. Vận tốc của khí đi qua lỗ ghi vl (phương trình tại miệng phun):
Cd là hệ số phun của lỗ. Cd = 0,6 đối với dịng khí thổi qua lỗ phun trong ống với tỉ số đường kính lỗ phun và đường kính ống trong khoảng 0 đến 0,2. Giá trị của hệ số miệng phun trên được áp dụng cho trường hợp miệng lỗ phân phối khí mỏng, với ghi phân phối khí khơng cĩ dạng thành mỏng hệ số lỗ phun sẽ lớn hơn 0,6. Như vây, khi tính tốn ta thường lấy giá trị trung bình Cd = 0,8.
Thực tế, giá trị của Cd phụ thuộc vào bề dày của ghi và bước lỗ. Theo Karri (1990) Cd cĩ thế được tính từ biểu đồ quan hệ của hệ số phun Cd và tỷ số giữa chiều dày ghi và đường kính lỗ phân phối khí (hình 4.5).
Hình 4.5 Quan hệ Cd với tỷ số chiều dày/đường kính [17]Lưu lượng của dịng khí: Lưu lượng của dịng khí:
GN
l
(4.44)
Với N là số lỗ phân phối khí; vl là vận tốc khí qua lỗ phân phối khí, dl là đường kính lỗ phun khí.
a. Số lượng lỗ trên ghi
Khi sấy hạt hay thực hiện các phản ứng hĩa sơi hạt, chúng ta mong muốn tăng thời gian lưu của dịng tác nhân trong lớp hạt sơi, cũng như mong muốn đưa vào trong khối hạt lượng bọt khí nhỏ nhất. Việc làm này cĩ thể thực hiện bằng cách tăng tối đa số lỗ phân phối khí N theo đường kính lỗ dl trong cơng thức (4.44). Để giảm thiểu vùng tĩnh trên ghi, số lượng lỗ phân phối khí của ghi trên một m2 thường 10, thực tế, con số này là lớn hơn 20.
b. Bố trí lỗ trên ghi
Để gia tăng sự hĩa sơi hạt đồng đều trong quá trình tạo sơi, cách thơng thường là bố trí lỗ trên ghi cĩ dạng tam giác đều hay cĩ bước theo hình vuơng (hình 4.6). Tất cả các lỗ ghi cĩ bước tam giác đều thì cách đều nhau. Bước tam giác cũng cĩ nghĩa cĩ số lỗ trên đơn vị diện tích lớn hơn. Mối quan hệ giữa bước của lỗ ghi, Lh và số mật độ lỗ, Nd phụ thuộc vào việc lỗ được đặt ở dạng tam giác hay dạng hình vuơng.
103 L h D N D L h là mật độ lỗ
Hình 4.6 Mối quan hệ giữa mật độ lỗ và bước lỗ ghi đối với bước dạng tam giác và bước vuơng
4.4.3. Tính tốn, thiết kế ghi
Theo [27], với vật liệu cĩ kích thước nhỏ như muối, đường,... chọn loại ghi như hình vẽ:
dl
D
d
x
y
Hình 4.7 Các kích thước của ghi phân phối khíCác thơng số của tấm phẳng làm ghi như sau: Các thơng số của tấm phẳng làm ghi như sau:
Đường kính lỗ ghi: dl = 17 mm
Chiều dày ghi: t = 3 mm
Trở lực qua ghi phân phối khí:
Theo phương trình (4.38): ΔPppk ≥ 0,3ΔPL
Trong hệ thống sấy tầng sơi, tổn thất qua lớp hạt lớn nhất khi ở giai đoạn sơi tối thiểu, nghĩa là: ΔPL = ΔPtt = 774,76 Pa.
Do đĩ: ΔPppk ≥ 232,43 Pa
Vận tốc khí qua lỗ ghi:
v C
l d
Lưu lượng của dịng khí:
GN
l
Với : Gl = Gtn = 0,12 m3/s; vl = 18,08 m/s; dl = 17 mm Số lỗ phân phối khí cần thiết:
N
Bố trí lỗ ghi:
4.0,12 .0,0172.18,08
29 lỗ
Để chế độ sơi được đều trên ghi ta bố trí các mũ theo bước hình tam giác đều, khoảng cách giữa hai lỗ gần nhất (theo hình 4.6):