Thiết bị hồi nhiệt

a) Công dụng

Thiết bị hồi nhiệt có tác dụng quá nhiệt hơi hút về máy nén để tránh lọt lỏng vào máy nén gây ra hiện tượng va đập thủy lực làm hư hỏng thiết bị và quá lạnh lỏng cao áp để giảm tổn thất lạnh do van tiết lưu.

b) Cấu tạo

c) Nguyên lý

Lỏng cao áp chảy bên trong ống xoắn trao đổi nhiệt với hơi hạ áp chảy bên ngoài ống làm cho hơi hạ áp từ hơi bão hoà trở thành hơi quá nhiệt. Lỏng cao áp nhả nhiệt cho hơi hạ áp và được quá lạnh một phần. Ống trụ kín 2 đầu có nhiệm vụ hướng cho dòng hơi đi qua ống xoắn và làm tăng tốc độ dòng hơi để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt. Bình hồi nhiệt được bọc cách nhiệt.

* Thông số thiết kế

- Công suất thiết bị hồi nhiệt Qhn = 0,37 kW - Nhiệt độ lỏng môi chất vào tl’ = t3 = 50 0C - Nhiệt độ lỏng môi chất ra tl” = t3’ = 36,5 0C - Nhiệt độ hơi môi chất vào th’ = t1 = 0 0C - Nhiệt độ hơi môi chất ra : th” = t1’ = 25 0C

d) Tính chọn đường kính ống

Với lỏng R22 chảy trong ống, tốc độ môi chất nằm trong khoảng (0,4 – 1) m/s. Ta chọn ω= 0,8 m/s.

 Lưu lượng thể tích của lỏng chảy trong ống V = G.v3 = 0,02.0,0008. = 1.60-5 m3/s

 Đường kính trong của ống: d1 =

-5

V 1,6.10

2. =2.

π.ω 3,14.0,8= 0,005 m

1- Đường vào hơi hơi hạ áp 2- Đường ra lỏng cao áp 3- Đường vào lỏng cao áp 4- Đường ra hơi hạ áp 5- Ống xoắn

Theo kích thước tiêu chuẩn của đường ống trong bảng các loại ống đồng cho máy lạnh Freon ta chọn d1 = 6 mm. Khi đó, đường kính ngoài là: d2 = 8 mm.

 Đường kính của vòng xoắn: Chọn Dx = 30 mm

Chọn khe hở giữa ống xoắn với vỏ thiết bị là δ=10mm. Khi đó, đường kính trong của vỏ là: Dv = Dx + d2 +2.δ = 30 + 8 + 2.10 = 58 mm

 Đường kính của phần lỏi quấn ống (để dễ lắp đặt ta lấy khoảng hở giữa ống xoắn và lỏi quấn là δl= 5mm). Dl = Dx - δl - d2 = 30 – 2.5 – 8 = 12 mm

 Tiết diện tự do của hơi trong thiết bị hồi nhiệt

F = 2 2 ( )2 2 v v 2 v l D -2δ -(D -2δ-2.d ) D -D π -π 4 4 = 3,140,058 -0,012 -(0,058-2.0,01) +(0,058-2.0,01-2.0,008)2 2 2 2 4 = 0,00177 m2

 Lưu lượng thể tích của môi chất

V = G.v1 = 0,02.46,98.10-3 = 9,4.10-4 m3/s  Tốc độ hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt

-4

V 9,4.10

ω= =

F 0,00177 = 0,53 m/s

e) Tính toán diện tích trao đổi nhiệt

* Diện tích trao đổi nhiệt được tính từ phương trình truyền nhiệt hn

tb

Q F=

k.Δt , m2

Với: Qhn - Phụ tải của thiết bị hồi nhiệt. Qhn = 0,37 kW; k - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K;

∆ttb - Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, K;

Trong thực tế, nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ giảm từ t2 xuống tk, giữ nguyên tk trong quá trình ngưng tụ nhưng lại giảm khi qúa lạnh. Nhưng khi tính toán có thể coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tk.Độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức: max min tb max min Δt -Δt Δt = Δt ln Δt , 0C

Trong đó: Δtmax - Hiệu nhiệt độ lớn nhất: Δtmax=t -t =25-0=25 1' 1 0C Δtmin - Hiệu nhiệt độ bé nhất: Δtmin=t -t =50-36,5=13,5 3 3' 0C

Thay vào công thức ta có tính được Δt =18,7 tb 0C * Xác định hệ số truyền nhiệt k

Do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,2 <1,4) nên quá trình truyền nhiệt trong vách trụ có thể coi là truyền nhiệt qua vách phẳng. Hệ số truyền nhiệt k tính theo công thức: 1 2 1 k= 1δ 1 + + α λ α . , W/mK

Với α1,α2- Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m2K; λ - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK; λcu = 389 W/mK [5]; δ - Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức δ = 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,008 – 0,006) = 0,001 m

* Xác định hệ số toả nhiệt α1

Nhiệt độ trung bình của môi chất lỏng: ttb = 0,5(t3 + t3’) = 0,5(50 +36,5) = 43,25 0C. Tra bảng phụ lục 8 [5] tính chất vật lý trên đường bão hoà của R22 với nhiệt độ 43,25 0C ta có: ρk= 1117,4 kg/m3; µ= 2,16.10-4 Ns/m2; λk=7,53.10-2 W/mK; Pr = 3,857. Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau:

μ ν= ρ Re = ω .dν 1=ω.d .ρμ1 = -4 0,53.0,006.1117,4 2,16.10 = 1,64.104

Như vậy dòng chảy trong ống là chảy tầng (Re>1.104). Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức: [5]

Nu = 0,021.Re0,8.Pr0,43.A.ε ε1. R

Trong đó: A - Hệ số kể đến ảnh hưởng của chiều dòng nhiệt: A =

0,25 f w Pr Pr    ÷   Coi tf = tw nên A = 1 ε1 - Hệ số kể đến chiều dài ống ε1 = 1;

εR - Hệ số kể đến ảnh hưởng khi uốn cong; εR= 1 + d1 0,006 1,77 =1+1,77 R 0,5.0,008 = 3,65 Thay vào ta có: Nu = 0,021.(1,64.104)0,8.3,8570,43.1.1.3,65 = 322,5 Vậy: -2 k 1 1 Nu.λ 322,5.7,53.10 α = = d 0,006 = 4101 W/m2K * Hệ số toả nhiệt α2 Nuf = s 0,65 0,33 f f 0,26.Re .Pr .A.ε

Với: A - Hệ số kể đến ảnh hưởng chiều dòng nhiệt: A = 25 , 0 Pr Pr     w f .Coi tf = tw→ A = 1 εs- Hệ số kể đến ảnh hưởng của bước ống. Coi chùm ống có 2 dãy ống song song

và bước ống s = R = 35 mm. 0,15 0,15 2 s s 0,035 ε = = d 0,008      ÷  ÷  ÷     = 1,25

- Nhiệt độ trung bình của hơi môi chất trong thiết bị ttb = 0,5(t1 + t1’) = 0,5(0 +25) = 12,5 0C

Tra bảng phụ lục 8 [5] tính chất vật lý trên đường bão hoà của R22 ở nhiệt độ 12,5 0C:

k

ρ = 1240 kg/m3; µ= 2,5.10-4 Ns/m2; λk= 0,0913.10-3 W/mK; Pr = 3,3 - Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau và để ý ρ

µ ν = : Re = ω .dν 2 =ω.d .ρμ2 = -4 0,53.0,008.1240 2,5.10 = 2,1.104 Thay vào ta có: Nu = 0,26.(2,1.104)0,65.3,30,33.1.1,25 = 339 Vậy: 2 k 2 Nu.λ 339.0,0913 α = = d 0,008 = 3869 W/m2K Thay vào công thức trên ta có hệ số truyền nhiệt

1 2 4101 3869 1 1 k= = 1δ+ +1 1 0,001+ +1 α λ α 389 = 1981 W/mK - Diện tích trao đổi nhiệt

hn tb 370 Q F= = k.Δt 1981.18,7= 0,01 m2

* Chiều dài l của ống xoắn: l =

tb F π.d , m Trong đó: dtb = 0,5(d1+d2) = 0,5(6 + 8) = 7 mm Thay vào ta có: l = tb F 0,01 = π.d 3,14.0,007 = 0,455 m

* Chiều dài l1 của 1 vòng xoắn: l1 = π.Dx= 3,14.0,03 = 0,0942 m * Số vòng xoắn: n = 1 l 0,455 = l 0,0942 = 4,8; Chọn n = 6 vòng 3.11.7. Tính toán trở lực và chọn quạt

Theo sơ đồ bố trí của hệ thống, ta cần phải chế tạo hệ thống dẫn không khí từ quạt vào buồng sấy. Diện tích mặt cắt được xác định theo công thức [3]:

V F=

ω , m2

Trong đó : - F : Diện tích tiết diện đường ống dẫn, m2 - V : Lưu lượng không khí trong đoạn ống, m3/s - ω: Tốc độ không khí trong ống, m/s

 Chọn ω

Để lựa chọn tốc độ gió thích hợp là một bài toán kinh tế kỹ thuật phức tạp.

-Khi chọn tốc độ lớn thì đường kính ống nhỏ, chi phí cho đầu tư thấp, tuy nhiên trở lực của hệ thống lớn và độ ồn do khí động của dòng không khí cao.

-Khi chọn tốc độ thấp thì đường kính ống lớn, chi phí cho đầu tư lớn, khó khăn cho lắp đặt nhưng độ ồn giảm. Để phù hợp với hệ thống ta chọn tốc độ gió trong kênh dẫn gió là 4 m/s.

 Tính lưu lượng không khí: Trong chương 3 ta đã tính toán được lưu lượng không

khí tuần hoàn trong 1 giây là Gkk = 0,06 kg/s. Với nhiệt độ trung bình trong buồng sấy là 37,5 0C, tra bảng phụ lục 3 [1] – Thông số vật lý của không khí khô ta có ρ = 1,137

kg/m3. Khi đó ta có: V = Gkk 0,06 = ρ 1,137 = 0,053 m3/s Vậy: F = 0,053 4 V ω = =0,1325 m2 - Đường kính ống dẫn không khí d = 4F= 4.0,1325 π 3,14 = 0,41 m Ta chọn đường kính ống dẫn là d = 410 mm

 Xác định chiều dài đường ống

Chiều dài toàn bộ đường ống l, m được xác định dựa vào sơ đồ bố trí hệ thống. Theo tính toán sơ bộ thì chiều dài tổng cộng đường ống gió của hệ thống từ bộ xử lý không khí đến miệng thổi vào buồng sấy khoảng l = 3,5 m.

* Tính toán trở lực của hệ thống

Hình 3-8. Sơ đồ tính toán khí động trong hệ thống máy sấy

 Tổn thất áp suất trên đường ống gió

- Tổn thất ma sát: Tổn thất ma sát được tính theo công thức: 2 ms lω .ρ ΔP =λ . d 2 , mmH2O Trong đó: λ- Hệ số tổn thất ma sát; l - Chiều dài ống. l = 3,5m;

d – Đường kính trong tương đương của ống, d = 0,41m; ω - Tốc độ không khí trong ống. ω= 4 m/s;

ρ - Khối lượng riêng của không khí tại nhiệt độ 37,50C; ρ=1,137

kg/m3; ν=16,72.10-6 m2/s.[phụ lục 3/1/] Khi đó: Re = ω.d

ν = -6

4.0,41

16,72.10 =0,98.105

Với ống tôn mỏng bề mặt trong láng, tiết diện tròn và Re>105 thì: λ = 0,0032 + 0,221.Re-0,237= 0,0032 + 0,221.[0,98.105]-0,237= 0,018  Vậy: 2 2 ms l.ρ ω 3,5.1,137.4 ΔP =λ . =0,018. d 2 0,41.2 = 1,4 mmH2O  Tổn thất cục bộ ∆Pcb - Hệ thống đường ống gió gồm có:

* 1 van điều chỉnh gió tiết diện hình chữ nhật. D/D0 = 0,9 và góc nghiêng θ = 00 ta được ξ = 0,19.

* Trở lực khi đi qua các khay sấy xếp song song ta có ξ = 0,5. - Tổn thất cục bộ được tính theo công thức

cb 2 (0,19+4.1.37+5.0,5)1,137.42 2

ρ.ω

ΔP =ξ. =

2 = 74,3 mmH2O

Vậy tổng tổn thất trên đường ống gió:

∆P1 = ∆Pms + ∆Pcb = 1,4 + 74,3 = 75,7 mmH2O

c) Tổn thất qua các thiết bị của hệ thống

- Trở lực của thiết bị lọc bụi, buồng xử lý không khí, buồng sấy. Trong hệ thống này do mật độ bụi không nhiều nên ta chọn thiết bị lọc bụi đơn giản là bộ lọc bụi kiểu lưới. Thiết bị lọc bụi kiểu lưới thì trở lực của lưới lọc nằm trong khoảng 30÷40 Pa. Ta chọn trở lực của lưới sử dụng trong hệ thống sấy này bằng 35 Pa = 3,57 mmH2O

- Trở lực qua buồng xử lý không khí được tính theo công thức: ΔP'=(30÷70)ρ.ω2

2 , mmH2O

Với ω= 2,4 m/s ta có được trở lực qua buồng xử lý không khí là 164 mmH2O Vậy ∆P2 = 167,6 mmH2O

Như vậy tổng tổn thất trở lực của hệ thống là: ΔP=ΔP +ΔP = 243,3 mmH2O1 2

Bảng 3-3. Tổn thất khí động bên trong hệ thống sấy

Vị trí Dạng tổn thất Tổn thất (mmH2O)

1,3,4,6 Trở lực cục bộ trên các co 900 49,9

2 Trở lực cục bộ khi đi qua các khay sấy 22,7

5 Trở lực cục bộ khi đi qua buồng xử lý không khí 164 7 Trở lực cục bộ khi đi qua van điều chỉnh gió 1,73

8 Tổn thất ma sát khi đi qua buồng sấy 1,40

9 Trở lực cục bộ khi đi qua lưới lọc 3,57

Tổng tổn thất trở lực của hệ thống 243,3

d) Chọn quạt.

Ta có công suất của quạt N=9,81.V . ; 1000. tb P kW η ∆

Trong đó: V tb- lưu lượng ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy, m3/h ∆P - tổng cột áp quạt phải thực hiện, mmH2O

ηq - hiệu suất của quạt, ηq =(0,4÷0,6) Theo [1]. Chọn ηq =0,4

Thay số ta có: N=9,81.0,06.3600.1,137.243,31000.0,4.3600 = 0,4 kW/h Công suất động cơ: Ndc= k.N= 1,1.0,4=0,44 kW (k=1,1 theo [1])

Chọn loại quạt hướng trục FANTECH có mã số APCR0502AA10/10 có thông số sau:

* Đường kích cánh 500 mm * Tốc độ 48 vòng/s * Số cánh 10 * Lưu lượng 0,07 m3/s * Áp suất 2383 Pa * Công suất 0,22 kW

Hình 3-9. Sơ đồ đặc tính kỹ thuật của quạt APCR0502AA10/10

Hình 3-10. Sơ đồ cấu tạo quạt APCR0502AA10/10

Chương 4

KHẢO NGHIỆM QUÁ TRÌNH SẤY THỰC TẾ TRÊN MÔ HÌNH MÁY SẤY LẠNH

4.1. Mục đích

Các kết quả tính toán về mặt lý thuyết ở hai chế độ hồi lưu hoàn toàn và chế độ thải bỏ tác nhân về cơ bản phù hợp với nguyên lý của phương pháp sấy lạnh. Tuy nhiên, cần

thiết phải kiểm nghiệm tính chính xác của phương pháp tính đã lựa chọn. Từ việc xây dựng mô hình trên lý thuyết đến thực tế đòi hỏi phải tiến hành thực nghiệm nghiên cứu tỉ mỉ mô hình đã xây dựng để xác định các chế độ sấy tối ưu nhất. Việc khảo nghiệm thực tế mô hình máy sấy xây dựng từ tính toán thiết kế là việc kiểm tra các thông số ảnh hưởng đến chế độ sấy từ đó tìm ra chế độ sấy tối ưu đối với các vật liệu khác nhau.

4.2. Phương pháp và phương tiệna) Phương pháp a) Phương pháp

- Dựa vào các kiến thức căn bản về kĩ thuật sấy của các tác giả - chuyên gia đầu ngành cùng với những tài liệu mới chuyên về sấy lạnh do giáo viên hướng dẫn hướng dẫn cung cấp.

- Phương pháp giải tích: Sử dụng các cách tính toán giải tích đã được học và bổ sung những công thức từ nguồn tài liệu đọc thêm.

- Phương pháp thực nghiệm: Từ thực nghiệm tìm ra các thông số bổ sung cho quá trình tính toán cũng như kiểm định lại công thức lí thuyết.

b) Phương tiện

Sấy Cà rốt bằng phương pháp sấy lạnh là một kĩ thuật còn mới nên quy trình công nghệ chuẩn chưa được xây dựng một cách đầy đủ. Cần phải tiến hành các thí nghiệm để xác định các thông số cần thiết cho quá trình tính toán lý thuyết, cũng như từ những thí nghiệm thực tế kiểm tra, xây dựng lại lý thuyết.

* Các thông số cần xác định bằng thí nghiệm

-Xác định ẩm độ - nhiệt độ trung bình (to, φo) không khí tại khu vực lắp máy sấy.

-Xác định nhiệt độ, độ ẩm đầu vào và đầu ra của sản phẩm.

-Xác định vận tốc tác nhân trong các chế độ sấy.

-Xác định R trung bình của vật liệu sấy và phương pháp cắt lát vật lệu.

-Xác định lượng ẩm ngưng tụ ở hai chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn và thải bỏ tác nhân. Do hạn chế về thời gian nên một số thông số khác của quá trình sấy được xác định bằng các giá trị nghên cứu của các tác giả đầu ngành trong và ngoài nước.

* Để tiến hành các thí nghiệm trên ta cần các phương tiện thiết bị -Mô hình máy sấy lạnh

-Máy đo độ ẩm của Cà rốt, mã hiệu thiết bị: Sartorius - Ma45

-Thiết bị đo vận tốc dòng khí, mã hiệu thiết bị: Mannix inc - #DAF80PW. -Thước kẹp có độ chính xác là 0,05mm có thang đo từ 0,054100mm.

- Thiết bị điện tử chuyên dùng để khảo sát môi trường có chức năng đo cả ẩm độ - nhiệt độ, thông số đo được thể hiện trên màn hình của thiết bị, mã hiệu thiết bị: Extch Easy ViewTM 20 - Hygro - Thermometer

4.3. Thí nghiệm xác định các thông số quá trình sấy4.3.1. Thí nghiệm xác định vận tốc tác nhân sấy