3.4 .Tính tốn q trình sấy thực
3.4.2. Tính nhiệt thiết bị sấy
• Tổn thất do vật liệu sấy mang đi:
Trong đĩ: G W = 0,2405 kg/mẻ
Do vậy: Q
Với thời gian sấy mỗi mẻ là = 25,243 (phút).
• T ổn thất nhiệ t ra mơi trườ ng
Thiết bị sấy bao gồm hai phần buồng sấy và buồng lắng. Diện tích xung quanh buồng sấy:
88 (3.47) (3.48) Fbs d bs . p.H 0, 25.3,14.0, 4 0,314 m2 Diện tích buồng lắng: Với: m 2 m2
(3.49) (3.50)
Diện tích xung quanh của máy sấy:
Fxq = Fbs+ Fbl = 0,314 + 0,3456 = 0,6596 m2
Thiết bị sấy được làm bằng inox dày 1 = 0,0012 m, hệ số dẫn nhiệt 1 = 16,2 W/mK, bên ngồi được bọc một lớp bơng thủy tinh cách nhiệt dày 2 = 0,050m, hệ số dẫn nhiệt 2 = 0,055 W/mK.
Ta cĩ: tf1
tf2 Khơng khí trong buồng chuyển động đối lưu cưỡng bức với vận tốc 1,313 m/s nên:
=10,852 (kcal/m2h.K) = 12,62 (W/m2K) Mật độ dịng nhiệt:
q1 a1 . t f 1 t w1 12, 62. 115tw1
Truyền nhiệt qua tấm thép là dẫn nhiệt qua vách phẳng cĩ mật độ dịng nhiệt:
q2
Hệ số dẫn nhiệt trên một đơn vị chiều dày:
1
1
(3.52)
(3.53)
Truyền nhiệt qua lớp bơng thủy tinh cũng là dẫn nhiệt qua vách phẳng cĩ mật độ dịng nhiệt: 1,1.(t w 2 tw 3 ) (W/m2) (3.54)
Tỏa nhiệt ra bên ngồi xem như là đối lưu tự nhiên chảy rối với hệ số tỏa nhiệt đối lưu:
a 2 Mật độ dịng nhiệt: q 4 Ta cĩ hệ phương trình: q1 12, 62. 115 t w1 q3 1,1. t w 2 q 4
Giả sử quá truyền nhiệt là ổn định thì: q1 = q2 = q3 = q4
Dùng phương pháp lặp bằng cách cho trước giá trị tw1, ta lần lượt tìm các giá trị cịn lại và lập thành bảng 3.1 như sau: Bảng 3.1 Kết quả phương pháp lặp STT t w1 (0C) 1 115 2 114 3 113 4 112 5 111 6 110 7 109,6 8 108,5 Vậy chọn: tw1 = 109,60C tw3 = 47,650C 2 = 4,29 W/m2K Hệ số truyền nhiệt: k
Hình 3.5 Truyền nhiệt qua vách buồng sấy
1 12, 62 Mật độ dịng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt truyền nhiệt:
q k . t f 1 – t f 2 = 0,819(115 – 32) = 67,98 (W/m2) Tổn thất nhiệt ra mơi trường:
Qmt Fxq .q
(3.59) (3.60)
Với thời gian sấy mỗi mẻ = 1514,58 (s). q mt Nhiệt lượng cĩ ích q1: 90 q1
Nhiệt lượng bổ sung thực tế:
Ca .t 0 – qv
3.4.3. Tính tốn q trình sấy thực
(3.61)
(3.62)
Hình 3.6 Đồ thị quá trình sấy thực tế
Thơng số trạng thái của khí thải sau q trình sấy thực tế:
Độ chứa hơi:
Phương trình cân bằng nhiệt của hệ thống sấy thực:
Độ ẩm tương đối:
Lượng khơng khí thực tế cần thiết cho quá trình sấy:
l L W.l 0,2405.46,95 11,29 (kg/mẻ) 91
(3.63)
(3.64)
(3.65) (3.66) Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi:
q2 l . Cdx( d0 ) . t 2 – t0 46,95.1,0497. 80 – 32 = 2365,6 (kJ/kg ẩm) Nhiệt lượng tiêu hao riêng:
q l . I
46,95.(201,26 94,594) 807,8 Nếu tính theo phương trình cân bằng:
q’ q1 q2 qv qmt
2447,89 2365,6 659,63 282,13 = 5755,25 (kJ/kg ẩm)
(3.67)
(3.68)
(3.69) Sai số tương đối do tính tốn:
q q’ q
Bảng 3.2 Cân bằng nhiệt lượng và hiệu suất buồng sấy
STT Đại lượng
1 Nhiệt lượng cĩ ích
2 Tổn thất do TNS mang đi
3 Tổn thất do VLS mang đi
4 Tổn thất ra mơi trường
5 Tổng nhiệt lượng tiêu hao
Nhiệt lượng tiêu hao cho cả q trình sấy:
=0,914 kW (3.70) Tính kiểm tra lại kích thước ghi đỡ hạt của buồng sấy: Diện tích lỗ phân phối khí:
F
L
.v .
k t
Khi đĩ, với tỷ lệ diện tích của các lỗ phân phối khí so với tồn bộ bề mặt ghi chiếm khoảng 20% thì diện tích ghi đỡ hạt là:
F
G
m2
Từ đĩ tính được đường kính ghi buồng sấy d1 = 0,195 m nên với diện tích ghi theo thiết kế ban đầu là 250 mm thì đảm bảo đủ diện tích chứa hạt. Chọn chiều cao của buồng phân phối tác nhân dưới ghi là 200 mm.
Dự kiến thiết kế máy sấy theo kiểu cấp xung khí tuần tự trên 03 vùng của ghi phân phối. Khi đĩ, lưu lượng thể tích tác nhân sấy thực tế khi cấp theo kiểu xung khí:
V
tn
Lưu lượng khối lượng tác nhân:
Ltn k .Vtn 0,91.0,109 0,099 kg/s 92
(3.72)
Chọn đường kính ống cấp khí và thốt khí lần lượt là 150 và 100mm, vận tốc khơng khí trong đường ống:
v tn
1
(3.74)
Bảng 3.3 Các thơng số của máy sấy đã thiết kế
STT Đại lượng
1 Đường kính buồng sấy
2 Đường kính buồng lắng
3 Đường kính buồng phân phối khí
4 Chiều cao buồng sấy
5 Chiều cao buồng lắng
6 Chiều cao buồng phân phối khí
7 Đường kính ống cấp khí
8 Đường kính ống thốt khí
3.5. Kết luận chương 3
Chun đề 3 đã trình bày q trình tính tốn thiết kế mơ hình máy sấy muối tinh tầng sơi kiểu xung khí dạng mẻ với năng suất 5 kg/mẻ. Đây là cơ sở để tiến hành thiết kế các thiết bị đi kèm với máy sấy và chế tạo mơ hình thực nghiệm. Tuy nhiên, trong q trình tính tốn một vài thơng số ảnh hưởng đến tồn bộ quá trình như nhiệt độ tác nhân sấy, độ ẩm vật liệu, chiều cao lớp hạt, tốc độ xung khí,… vẫn cịn lựa chọn theo thực tế hoặc dựa theo các tài liệu cĩ sẵn. Do vậy, sau khi thiết kế và chế tạo mơ hình cần tiến hành thực nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số cơng nghệ đến quá trình sấy.
CHƯƠNG 4
TÍNH TỐN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ
4.1. Cyclone thu bụi
Cấu tạo của cyclone thu bụi khơ như sau:
h 2 V2 V1 a h 1 D1 D h 3 d
Hình 4.1 Các kích thước cơ bản của cyclone thu bụi
Thể tích khơng khí qua cyclone chính là thể tích khơng khí cần vận chuyển thực tế:
G
cyclone
Tốc độ khơng khí vào cyclone theo [7], V1 = 15 20 m/s. Chọn V1 = 20 m/s. Diện tích ống dẫn khí vào cyclone [7]:
F1 G
Cyclone 0,109
0,0055 m2
V1 20
Đường kính ống dẫn khí vào cyclone:
(4.1)
(4.2)
a
(4.3) Chọn a = 0,1m.
Tốc độ khơng khí ra khỏi cyclone theo [7], V2 = 3 8 m/s. Theo [11], đối với loại bụi mịn của quá trình sấy tầng sơi muối tinh, ta chọn: V2 = 6 m/s. Tiết diện ống trung tâm cắm vào cyclone [11]:
F
2
Đường kính ống trung tâm cắm vào cyclone:
D
1
Theo [11], các kích thước khác của cyclone cĩ thể chọn theo D1 như sau: 94 D= 2D1 = 0,32m; d = 0,4D1 = 0,065m; h2 = 1,25D1 = 0,2m; h3 = 2,2D1 = 0,35m;
Chiều dài ống trung tâm cắm vào cyclone [11]:
(4.6)
4.2. Buồng gia nhiệt điện trở
Buồng đốt loại này cĩ cấu tạo đơn giản, gồm các thanh điện trở (loại thanh thẳng hoặc chữ U) lắp sole nhau. Các thanh điện trở này cĩ thể được thiết kế riêng hoặc chọn từ các loại cĩ sẵn trên thị trường. Khi thiết kế bộ gia nhiệt loại này, cách đơn giản là từ cơng suất cần thiết, lựa chọn thanh điện trở cĩ sẵn, từ đĩ tính ra số thanh điện trở. Nếu số lượng thanh quá lớn, cĩ thể chọn loại thanh cĩ cơng suất lớn hơn, tuy nhiên giá thành khi thay thế sẽ đắt hơn.
Hình 4.2 Cấu tạo của buồng gia nhiệt điện trởLưu lượng tác nhân cần vận chuyển vào máy sấy: Gtn = 0,109 m3/s Lưu lượng tác nhân cần vận chuyển vào máy sấy: Gtn = 0,109 m3/s Nhiệt lượng cần cấp cho tác nhân:
Q = Gtn. k.Cdx(d0).(t1 – t0) = 0,109.0,91.1,04.(150 – 32) = 12,17 kW (4.7) Chọn các thanh điện trở chữ U, dùng nguồn điện 220V, với các thơng số sau:
Vật liệu: Inox 304
Đường kính ngồi thanh: 12mm
Đường kính đai ốc cố định thanh: 22mm Đường kính cánh: 28mm
Bề dày cánh: 1mm Bước cánh: 5mm
Khoảng cách giữa hai chân thanh điện trở: 80mm Cơng suất nhiệt: 1,0 kW
Chiều dài: 600mm
Số lượng các thanh điện trở: n
Hình 4.3 Thanh điện trở chữ U
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;