Tài liệu Tính toán, thiết kế hệ thống sấy nho bằng phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HÓA HỌC Đề tài: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY NHO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT Lớp: HC16KTMB GVHD: PGS.TS. Trịnh Văn Dũng Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2020 MỤC LỤC 1. TỔNG QUAN...........................................................................................................1 1.1. Tổng quan về nguyên liệu.................................................................................1 1.2. Tổng quan về phương pháp sấy.......................................................................1 1.3. Tổng quan về phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt..............................2 1.4. Tổng quan về hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt......................................3 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT - NĂNG LƯỢNG CHO QUÁ TRÌNH........................4 2.1. Các thông số tính toán......................................................................................4 2.1.1. Vật liệu sấy..................................................................................................4 2.1.2. Tác nhân sấy................................................................................................4 2.2. Tính toán quá trình sấy lý thuyết....................................................................4 2.2.1. Đồ thị I-d cho quá trình sấy lý thuyết..........................................................4 2.2.2. Các thông số của các điểm nút trên đồ thị I-d.............................................5 2.2.3. Tính toán thời gian sấy................................................................................8 2.2.4. Cân bằng vật chất và tính toán nhiệt quá trình sấy lý thuyết.......................9 2.3. Tính toán kích thước sơ bộ buồng sấy...........................................................10 2.4. Cân bằng nhiệt................................................................................................12 2.4.1. Tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị.............................................................13 2.4.2. Tổn thất nhiệt qua vật liệu sấy...................................................................16 2.4.3. Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển.........................................................16 2.4.4. Lượng nhiệt cung cấp do ẩm trong vật liệu...............................................17 2.5. Tính toán quá trình sấy thực..........................................................................18 2.5.1. Đồ thị I-d cho quá trình sấy thực...............................................................18 2.5.2. Các thông số của các điểm nút trên đồ thị I-d...........................................18 2.5.3. Tính toán nhiệt quá trình sấy thực.............................................................20 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BƠM NHIỆT........................................21 3.1. Chọn tác nhân lạnh và nhiệt độ.....................................................................21 3.1.1. Chọn tác nhân lạnh....................................................................................21 3.1.2. Chọn nhiệt độ ngưng tụ của tác nhân lạnh................................................21 3.1.3. Chọn nhiệt độ bay hơi của tác nhân lạnh..................................................21 3.1.4. Chọn nhiệt độ hơi quá nhiệt của tác nhân lạnh.........................................21 3.1.5. Chọn nhiệt độ lỏng quá lạnh của tác nhân lạnh........................................21 3.2. Tính toán chu trình lạnh vận hành................................................................22 3.2.1. Chọn chu trình...........................................................................................22 3.2.2. Sơ đồ hệ thống và nguyên lý hoạt động chu trình......................................22 3.2.3. Xây dựng đồ thị và thông số tại các điểm nút trên đồ thị...........................23 3.2.4. Tính toán các thông số sơ bộ của chu trình lạnh.......................................24 3.3. Tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt..............................................................26 3.3.1. Thiết bị ngưng tụ - dàn nóng......................................................................26 3.3.2. Thiết bị bay hơi - dàn lạnh.........................................................................30 3.4. Tính toán máy nén..........................................................................................34 3.4.1. Tính toán theo chu trình thực tế vận hành.................................................34 3.4.2. Tính toán theo chu trình tiêu chuẩn...........................................................35 3.4.3. Tính toán công suất động cơ lắp đặt..........................................................36 4. TÍNH TOÁN TRỞ LỰC VÀ CHỌN QUẠT........................................................37 4.1. Tính toán đường ống dẫn khí.........................................................................37 4.2. Tính toán trở lực của toàn hệ thống sấy........................................................37 4.2.1. Trở lực trên đường ống..............................................................................37 4.2.2. Trở lực qua các thiết bị..............................................................................39 4.3. Tính toán chọn quạt........................................................................................39 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................40 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nguyên liệu Nho là một trong những loại trái cây được ưa chuộng và phổ biến nhất hiện nay, được nuôi trồng ở hơn 100 quốc gia trên thế giới. Theo số liệu của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO) thì sản lượng nho trên toàn thế giới đã đạt 7,7 tỷ tấn vào năm 2013. Trong đó, những nước có diện tích trồng lớn nhất có thể kể đến như Tây Ban Nha, Pháp, Ý,… Nho có hàm lượng dinh dưỡng cao, rất tốt cho sức khỏe, giúp tăng sức đề kháng và chống lão hóa cũng như phòng ngừa được nhiều loại bệnh. Khoảng hơn 70% lượng nho được dùng để sản xuất rượu vang, 27% dùng để ăn tươi và còn lại 3% dùng để làm nho khô. Tại Việt Nam, từ vùng Bắc Ninh Thuận đến Nam Khánh Hòa, đặc biệt là tỉnh Ninh Thuận là nơi cung cấp sản lượng nho tươi hàng đầu cả nước. Với thời tiết khô hạn, gió nhiều, độ ẩm không khí thấp, lượng mưa hằng năm thấp là những điều kiện tuyệt vời để cây nho có thể sinh trưởng và phát triển tốt. Nho tươi sau khi thu hoạch có độ ẩm và nồng độ đường tương đối cao, do đó mà nó rất dễ hư hỏng và khó bảo quản được lâu ngay cả khi bảo quản lạnh. Một trong những phương pháp được sử dụng thường xuyên nhất để bảo quản thực phẩm và các chế phẩm sinh học đó là sấy khô. Phương pháp này có thể làm giảm độ ẩm xuống hàm lượng rất thấp giúp cho quá trình bảo quản được lâu hơn cũng như có thể làm giảm đáng kể khối lượng và thể tích của sản phẩm. Sấy từ lâu đã được ứng dụng trong công nghiệp sản xuất nho, nho tươi được sấy khô để tạo nho khô hoặc nho mất nước. Nho khô được dùng để ăn trực tiếp hoặc sản xuất bánh kẹo, mứt, nho mất nước được dùng để sản xuất rượu vang hoặc nước ép nho. Đây đều là các sản phẩm rất có giá trị và được ưa dùng trên khắp thế giới. 1.2. Tổng quan về phương pháp sấy Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng nhiệt, nguyên tắc của quá trình này là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái của pha lỏng trong vật liệu thành pha hơi. Nhiệt có thể được cung cấp cho vật liệu ẩm bằng nhiều cách khác nhau như dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt, bức xạ nhiệt. Dựa vào nhiều yếu tố khác nhau mà có thể lựa chọn phương pháp sấy và loại thiết bị sấy phù hợp với yêu cầu mong muốn. Các thiết 1 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị bị sấy phổ biến hiện nay có thể kể đến như là phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy thùng quay hay hiện đại hơn là sấy thăng hoa, sấy bằng dòng điện cao tần, sấy lạnh. Mỗi phương pháp sấy đều có những ưu - nhược điểm và phạm vi áp dụng khác nhau. Như đã đề cập, nho khô được dùng để ăn trực tiếp là chủ yếu vì thế mà yêu cầu về màu sắc, mùi vị, hàm lượng dinh dưỡng trước và sau khi sấy hay vệ sinh an toàn thực phẩm là những yếu tố cần được chú trọng trong quá trình sấy. Dựa trên những yếu tố đó thì phương pháp phù hợp nhất cho nho nói riêng và các loại trái cây nói chung được đề xuất là phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt. Đây là phương pháp mới, hiện đại, được sử dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực sấy dược liệu, hoa quả, thực phẩm hay các sản phẩm có giá trị cao bởi đáp ứng nhiệt độ sấy thấp nhưng cho chất lượng sản phẩm tốt hơn so với các phương pháp sấy thông thường khác. Với những ưu điểm như phạm vi nhiệt độ sấy thấp (10 - 60oC), giúp giữ cho màu sắc của các loại hoa quả, trái cây, thực phẩm được đẹp hơn, giữ chất dinh dưỡng tốt hơn, thời gian sấy nhanh khô hơn ở nhiệt độ thấp và chi phí vận hành thấp. Bên cạnh đó, chi phí đầu tư, lắp đặt khá cao so với các phương pháp sấy thông thường khác cũng là một trở ngại lớn trong việc tiếp cận sấy lạnh. 1.3. Tổng quan về phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt Khác với phương pháp sấy nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm. Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài của vật nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không khí có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật. Khi đó ẩm trong vật liệu sẽ dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt ra môi trường nhờ chênh lệch phân áp suất trên. Đối với phương pháp sấy lạnh sử dụng hệ thống bơm nhiệt, quá trình truyền nhiệt thực hiện được thông qua sự thay đổi pha làm việc của tác nhân lạnh. Tác nhân lạnh trong thiết bị bay hơi hấp thụ nhiệt và bay hơi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Khi hơi tác nhân lạnh ngưng tụ ở nhiệt độ cao, áp suất cao tại thiết bị ngưng tụ, nó thải nhiệt ở áp suất cao hơn. Khi sử dụng trong quá trình sấy, hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt làm lạnh không khí của quá trình đến điểm bão hòa, và sau đó ngưng tụ ẩm, do đó làm tăng khả năng 2 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị sấy của không khí. Trong quá trình này chỉ tuần hoàn mức nhiệt thấp từ không khí. Cấu trúc của hệ thống bơm nhiệt được bố trí như hình 1.1. Hình 1.1: Hệ thống bơm nhiệt. Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm nhiệt để tạo ra môi trường sấy. Nhiệt độ môi trường sấy có thể điều chỉnh trong giới hạn khá rộng, tùy thuộc yêu cầu của vật liệu sấy. Khác với các thiết bị nhiệt lạnh khác, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy khô và hút ẩm thì cả dàn nóng và dàn lạnh đều được sử dụng hữu ích nên năng suất tiêu thụ ở đây có thể được tận dụng đến mức cao nhất mà nhiệt độ không khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ môi trường. 1.4. Tổng quan về hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt Sơ đồ quy trình công nghệ hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt được chọn để tính toán, thiết kế trong khuôn khổ phạm vi đồ án này được thể hiện trong hình 1.2. 3 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị Hình 1.2: Sơ đồ quy trình công nghệ. 4 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT - NĂNG LƯỢNG CHO QUÁ TRÌNH 2.1. Các thông số tính toán 2.1.1. Vật liệu sấy Vật liệu sấy được chọn là nho, ở đây chọn nho ở vùng Ninh Thuận, các thông số về độ ẩm và năng suất như sau: - Độ ẩm tương đối ban đầu của nho: ω1 = 80% - Độ ẩm tương đối cuối của nho: ω2 = 13% - Năng suất (tính cho nhập liệu đầu vào): G1 = 500 kg/mẻ Giống nho được chọn là nho đỏ red cardinal có các thông số như sau: - Màu sắc quả chính: đỏ - Khối lượng trung bình một quả: 4 - 4.5 (g) - Khối lượng một chùm nho: 220 - 300 (g) - Hình dạng quả nho: tròn, đường kính trung bình 19 mm/quả - Khối lượng riêng của nho (PL 1/254 [1]): ρvl = 1068 (kg/m3) - Nhiệt dung riêng của nho (PL 1/254 [1]): Cvl = 3.62 (kJ/kg.K) 2.1.2. Tác nhân sấy Tác nhân sấy được chọn là không khí trời tại Ninh Thuận với các thông số sau: - Áp suất khí quyển: P = 1 (atm) - Nhiệt độ thấp nhất trong năm (tháng 2) (B VII.1/100 [6]): T0 = 25.4oC - Độ ẩm trung bình tháng 2 (B VII.1/100 [6]): ϕ0 = 62% 2.2. Tính toán quá trình sấy lý thuyết 2.2.1. Đồ thị I-d cho quá trình sấy lý thuyết Hình 2.1 biểu diễn đồ thị I-d cho quá trình sấy lý thuyết, gồm các giai đoạn sau: 1-2: Quá trình gia nhiệt tác nhân sấy đến nhiệt độ sấy đã chọn. Điểm 2 là trạng thái không khí sau dàn nóng, trước khi vào buồng sấy. 2-3: Quá trình sấy lý thuyết đẳng enthalpy, tác nhân sấy với độ ẩm thấp được thổi tuần hoàn qua vật liệu sấy sẽ nhận ẩm thoát ra từ vật liệu và mang ra ngoài. Điểm 3 là trạng thái không khí sau khi ra khỏi buồng sấy. 3-4: Quá trình làm lạnh tác nhân sấy đến nhiệt độ sương. Điểm 4 là trạng thái không khí trên đường bão hòa, trong dàn lạnh và bắt đầu quá trình tách ẩm. 5 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị 4-1: Quá trình tách ẩm từ không khí. Điểm 1 là trạng thái không khí cuối giai đoạn tách ẩm và ra khỏi dàn lạnh, không khí sau khi được tách ẩm xong tiếp tục qua I, kJ/kg kkk dàn nóng để tuần hoàn trở lại buồng sấy. T2 ϕ 2 2 ● ϕ 3 ● 3 T3 ϕ = 100% ● T4 T1 ● 4 1 d1 = d3 = d, kg ẩm/kg kkk d2 d4 Hình 2.1: Đồ thị I-d cho quá trình sấy lý thuyết. 2.2.2. Các thông số của các điểm nút trên đồ thị I-d a) Điểm 0 (25.4oC, 62%), môi trường bên ngoài: - Áp suất hơi bão hòa của nước được xác định từ phương trình Antoine [19]: 8.07131− Psat 0 =10 1730.63 233.426+T 0 8.07131− ×1.333 ×10−3 ¿ 10 1730.63 233.426+25.4 ×1.333 ×10−3=0.0323 ¿ - Độ chứa hơi của không khí ẩm (CT 2.15/15 [1]): d 0 =0.621× φ0 . P sat 0 0.62 ×0.0323 =0.621× =0.0125( kg ẩm/ kg kkk )x P−φ0 . P sat 0 1 ×1.013−0.62× 0.0323 - Enthalpy của không khí ẩm (CT 2.18/15 [1]): I 0=C kk .T 0 +d 0 ( r +C h . T 0 )=1.003 ×25.4 +0.0125 × ( 2493.1+1.952× 25.4 ) =57.26(kJ / kg kkk ) 6 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị Trong đó:  Ckk = 1.003 (kJ/kg.K) là nhiệt dung riêng của không khí khô (B 28/30 [10]).  r = 2493.1 (kJ/kg) là ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa ở 0oC (B 40/38 [10]).  Ch = 1.952 (kJ/kg.K) là nhiệt dung riêng của hơi nước (B 28/30 [10]). Từ các thông số của điểm 0 (25.4oC, 65%), nhiệt độ điểm sương ứng với trạng thái này được xác định từ giản đồ I-d: Ts0 = 17.6oC. b) Điểm 1 (T1, ϕ1), trạng thái không khí sau dàn lạnh: Chọn nhiệt độ T1 = 8oC theo tài liệu [12]. Tác nhân sấy lúc này vừa đi qua dàn lạnh và được làm lạnh về nhiệt độ ngưng tụ để tách ẩm nên: ϕ1 = 100% - Áp suất hơi bão hòa của nước được xác định từ phương trình Antoine: Psat 1=10 8.07131− 1730.63 233.426+T 1 8.07131− −3 × 1.333× 10 =10 1730.63 233.426+8 × 1.333× 10−3=0.0107 ¿ - Độ chứa hơi của không khí ẩm: d 1=0.621× φ1 . Psat 1 1 ×0.0107 =0.621 × =0.0066(kg ẩm/kg kkk ) P−φ1 . Psat 1 1× 1.013−1 ×0.0107 - Enthalpy của không khí ẩm: I 1=C kk . T 1+ d 1 ( r +C h .T 1 )=1.003 × 8+0.0066 × ( 2493.1+1.952× 8 ) =24.58(kJ /kg kkk ) c) Điểm 2 (T2, ϕ2), trạng thái không khí sau dàn nóng: Chọn nhiệt độ tác nhân sấy: T2 = 60oC - Áp suất hơi bão hòa của nước được xác định từ phương trình Antoine: Psat 2=10 8.07131− 1730.63 233.426+T 2 −3 8.07131− × 1.333 ×10 =10 1730.63 233.426+60 ×1.333 ×10−3=0.1987 ¿ - Độ chứa hơi của không khí ẩm: d2 = d1 = 0.0066 (kg ẩm/kg kkk) - Enthalpy của không khí ẩm: I 2=C kk . T 2+ d 2 ( r +C h .T 2 )=1.003 × 60+0.0066 × ( 2493.1+1.952 ×60 ) =77.41( kJ /kg kkk ) - Độ ẩm tương đối: φ 2= d2. P 0.0066 ×1 ×1.013 = =5.36 % P sat 2( d 2+ 0.621) 0.1987 ×( 0.0066+0.621) Từ các thông số của điểm 2 (60oC, 5.36%), nhiệt độ bầu ướt ứng với trạng thái này được xác định từ giản đồ I-d: Tư2 = 25.7oC. 7 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị d) Điểm 3 (T3, ϕ3), trạng thái không khí sau khi qua buồng sấy: Để tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy, chọn nhiệt độ không khí ra khỏi buồng sấy phải lớn hơn nhiệt độ điểm sương. T3 = 30oC > Ts0. - Bản chất quá trình sấy lý thuyết là quá trình đẳng enthalpy trong buồng sấy: I3 = I2 = 77.41 (kJ/kg kkk) - Áp suất hơi bão hòa của nước được xác định từ phương trình Antoine: Psat 3=10 8.07131− 1730.63 233.426+T 3 −3 ×1.333 ×10 =10 8.07131− 1730.63 233.426+30 × 1.333× 10−3=0.0423 ¿ - Độ chứa hơi của không khí ẩm: I 3−C kk .T 3 77.42−1.003 ×30 = =0.0185 (kg ẩm/ kg kkk) r +C h .T 3 2493.1+1.952 ×30 d 3= - Độ ẩm tương đối: d3. P 0.0185 ×1 ×1.013 = =69 % P sat 3 (d 3 +0.621) 0.0423 ×(0.0185+0.621) φ 3= e) Điểm 4 (T4, ϕ4), trạng thái không khí trên đường bão hòa: Do trên đường bão hòa nên ϕ4 = 100% Độ chứa hơi của không khí ẩm: d4 = d3 = 0.0185 (kg ẩm/kg kkk) - Áp suất hơi bão hòa của nước: Psat 4 = d4 . P 0.0185 ×1 ×1.013 = =0.0293 ¿ φ4 (d 4 +0.621) 100 % ×( 0.0185+ 0.621) - Nhiệt độ không khí: T 4= 1730.63 8.07131−log ( −233.426= Psat 4 −3 1.333× 10 ) 1730.63 −233.426=23.8 ° C 0.0293 8.07131−log 1.333 ×10−3 ( ) - Enthalpy của không khí ẩm: I 4=C kk . T 4 +d 4 ( r +C h .T 4 ) =1.003× 23.8+0.0185 × ( 2493.1+1.952 ×23.8 )=70.85(kJ /kg kkk ) 2.2.3. Tính toán thời gian sấy Theo như yêu cầu đề bài: - Độ ẩm tương đối ban đầu của nho: ω1 = 80% - Độ ẩm tương đối cuối của nho: ω2 = 13% Cần đổi các độ ẩm trên sang độ ẩm tuyệt đối (tính cho vật liệu khô) để tính toán: - Độ ẩm tuyệt đối ban đầu của nho: ωk1 = 400% 8 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị - Độ ẩm tuyệt đối cuối của nho: ωk2 = 14.94% a) Tốc độ sấy đẳng tốc: Chọn vận tốc tác nhân sấy trong buồng sấy là: v = 5 (m/s) - Theo tài liệu [20], hệ số cấp nhiệt đối lưu cưỡng bức bên trong buồng sấy đối với lưu chất là không khí được tính từ phương trình thực nghiệm sau: α =10.45−v +10 √ v=10.45−5+10 × √ 5=27.81(W /m 2 . K ) - Mật độ dòng nhiệt do đối lưu nhiệt (CT 5.5/98 [2]): J 1=α ( T 3 −T bm) =27.81× ( 60−25.7 )=953.88 ( W /m2 ) =3433.97(kJ /m2 . K ) Trong đó:  T3 = 60oC là nhiệt độ tác nhân sấy.  Tbm = Tư2 = 25.7oC là nhiệt độ bề mặt vật liệu sấy . - Tốc độ bay hơi ẩm trên bề mặt vật liệu (CT 5.3/97 [2]): J 2= J 1 3433.97 = =1.41(kg / m2 . h) r 2435.32 Với: r = 2435.32 (kJ/kg) là ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa ở nhiệt độ Tbm [10]. - Tốc độ sấy đẳng tốc (CT 5.18/100 [2]): N= 100. J 2 100 × 1.41 = =13.90(% /h) R . ρvl 9.5 ×10−3 × 1068 Trong đó:  R là phân nửa kích thước vật liệu sấy, chọn theo thực nghiệm R = 9.5 (mm)  ρvl = 1068 kg/m3 là khối lượng riêng của nho (PL 1/254 [1]). b) Thời gian sấy: - Theo tài liệu [21], độ ẩm cân bằng tuyệt đối của vật liệu sấy được tính từ phương trình thực nghiệm sau: −5 ERH =1−e−1.596872 . 10 1.32825 .T . ω kcb Trong đó:  ERH là độ ẩm không khí tương đối cân bằng, chọn ERH = ϕ2 = 5.37%.  T (K) là nhiệt độ tác nhân sấy (ở đây là không khí), chọn T = T2 = 60oC = 333K. → Vậy độ ẩm cân bằng tuyệt đối của vật liệu sấy tính được là: ωkcb = 5.82%. - Độ ẩm tới hạn tuyệt đối của vật liệu sấy là (CT 5.26/103 [2]): 9 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học ω kth= Bộ môn Quá trình & Thiết bị ωk 1 400 + ωkcb = +5.82=228 % 1.8 1.8 - Thời gian sấy đẳng tốc (CT 5.2/97 [2]): τ1= ωk 1−ω kth 400−228 = =12.37 (h) N 13.9 - Thời gian sấy giảm tốc (CT 5.31/104 [2]): τ 2= ωkth−ωkcb ω −ω kcb 228−5.82 228−5.82 . ln kth = × ln =51.04 (h) N ωk 2−ωkcb 13.9 14.94−5.82 ( ) ( ) - Tổng thời gian sấy: τ =τ 1 + τ 2=12.37+51.05=63.41(h) 2.2.4. Cân bằng vật chất và tính toán nhiệt quá trình sấy lý thuyết a) Cân bằng vật chất: - Lượng ẩm bốc hơi cho một mẻ sấy: W =G1 × ω 1−ω2 80−13 =500 × =385.06 (kg ẩm) 100−ω2 100−13 - Khối lượng sản phẩm sau một mẻ sấy: G 2=G 1−W =500−385.06=114.94 ( kg) - Thời gian sấy theo tính toán ở trên là: τ =63.41(h) - Lượng ẩm bay hơi trong một giờ: Wh= W 385.06 = =6.07(kg ẩm/h) τ 63.41 - Lượng không khí khô lý thuyết cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm: l¿ = 1 1 = =84.03 (kg kkk /kg ẩm) d3 −d 2 0.0185−0.0066 - Lượng không khí khô lý thuyết cần thiết cho một mẻ sấy: L¿ =W ×l ¿ =385.06 ×84.03=32356.59(kg kkk ) b) Tính toán nhiệt cho dàn nóng - lý thuyết: - Nhiệt lượng lý thuyết dàn nóng cung cấp để làm bay hơi 1 kg ẩm: q con−¿=l¿ ( I 2−I 1 )=84.03× ( 77.41−24.58 )=4439.30(kJ /kg ẩm) - Nhiệt lượng lý thuyết dàn nóng cung cấp: Qcon−¿ =q con−¿ .W =4439.30× 385.06=1709396.86 ( kJ ) - Công suất lý thuyết của dàn nóng tính toán: 10 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Qcon−¿−W = Bộ môn Quá trình & Thiết bị Qcon−¿ 1709396.86 = =7.49(kW ) τ 63.41× 3600 c) Tính toán nhiệt cho dàn lạnh - lý thuyết: - Lượng ẩm ngưng tụ lý thuyết: ∆ d¿ =d 3 −d 2=0.0185−0.0066=0.0119( kg ẩm) - Lượng nhiệt lý thuyết dàn lạnh thu được từ ngưng tụ 1 kg ẩm: q eva−¿ =l ¿ ( I 3−I 1 )=84.03 × ( 77.41−24.58 )=4439.30(kJ /kg ẩm) - Lượng nhiệt lý thuyết dàn lạnh thu được: Qeva−¿=qeva−¿ .W =4439.30× 385.06=1709396.86 ( kJ ) - Công suất lý thuyết của dàn lạnh tính toán: Qeva−¿−W = Qeva−¿ 1709396.86 = =7.49(kW ) τ 63.41× 3600 2.3. Tính toán kích thước sơ bộ buồng sấy Chọn khối lượng vật liệu sấy tối thiểu cho một khay sấy với kích thước 55x85x3 cm là 7 kg. Ứng với 500 kg vật liệu đầu vào vậy có 72 khay sấy. Số khay sấy này được chia thành 2 xe goòng với mỗi xe có 12 tầng khay, mỗi tầng chứa 3 khay sấy đặt nối tiếp nhau theo chiều rộng khay sấy. - Chiều dài chất vật liệu: Lvl =0.55 ×3=1.65(m) - Chiều rộng chất vật liệu: W vl=0.85 × 2=1.70(m) - Chiều cao chất vật liệu: H vl =( ∆ H + ∆ h ) .n=( 0.03+0.08 ) ×12=1.32(m) Với: ΔH = 3 (cm) là chiều cao chất vật liệu cho từng khay hay chiều cao khay sấy. Δh = 8 (cm) là khoảng hở khe gió giữa mỗi tầng khay. n = 12 là số tầng khay. Kích thước xe goòng: - Chiều dài xe goòng: L x =Lvl +2 ∆ hk =1.65+0.03 ×2=1.71(m) Với: Δhk = 3 (cm) là khoảng cách giữa hai khay sấy trên một tầng. - Chiều rộng xe goòng: W x = W vl =0.85(m) 2 - Chiều cao xe goòng: H x =H vl + ∆ H bx + ∆ hx =1.32+0.15+ 0.05=1.52( m) Với: ΔHbx = 15 (cm) là chiều cao bánh xe goòng. Δhx = 5 (cm) là khoảng hở từ tầng khay ở đáy đến khung gắn với bánh xe. 11 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị Để đảm bảo quá trình sấy đạt được hiệu suất cao cũng như nhiệt độ trải đều trên bề mặt vật liệu, tiến hành thiết kế 2 khoang sấy, mỗi khoang chứa một xe goòng. Kích thước khoang sấy: - Chiều dài bên trong mỗi khoang sấy: L=L x + 2 ∆ L=1.71+ 0.1× 2=1.91(m) Với: ΔL = 10 (cm) là khoảng hở thông khí từ xe tới vách buồng sấy theo chiều dài. - Chiều rộng bên trong mỗi khoang sấy: W =W x +2 ∆ W =0.85+0.1 ×2=1.05(m) Với: ΔW = 10 (cm) là khoảng hở thông khí từ xe tới vách buồng sấy theo chiều rộng. - Chiều cao bên trong mỗi khoang sấy: H=H x +∆ H=1.52+ 0.15=1.67( m) Với: ΔH = 15 (cm) là khoảng khoảng cách từ khay sấy trên cùng đến trần buồng sấy. - Vậy thể tích mỗi khoang sấy là: 3 V =L ×W × H=1.91 ×1.05 ×1.67=3.35(m ) Chọn bề dày khung vách của buồng sấy: - Khung thép hộp tĩnh điện có độ dày 5 mm mỗi bên. - Ở giữa dùng lớp foam polyurethane (PU) cách nhiệt có độ dày 40 mm. Vậy sơ bộ bề dày khung vách là 50 mm, bề dày này được thiết kế làm khung vách bên trái, bên phải, phía sau buồng sấy, phía cửa buồng sấy, trần và đáy buồng sấy. 2.4. Cân bằng nhiệt G2.Cvl.Tvlđ + W.Cn.Tvlđ Qcon Qbs Gvc.Cvc.Tvcđ -tt Ltt.I3’ Ltt.I1 Qth G2.Cvl.TvlcGvc.Cvc.Tv cc 12 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị Hình 2.2: Sơ đồ cân bằng nhiệt cho quá trình sấy. Hình 2.2 biểu diễn cân bằng nhiệt cho quá trình sấy, từ đây phương trình cân bằng được biểu diễn như sau (/280 [7]): VÀO = RA Ltt.I1 + Qcon-tt + Qbs + G2.Cvl.Tvlđ + W.Cn.Tvlđ + Gvc.Cvc.Tvcđ = Ltt.I3’ + Qth + G2.Cvl.Tvlc + Gvc.Cvc.Tvcc → Qcon-tt + Qbs = Ltt(I3’ - I1) + Qth + G2.Cvl(Tvlc - Tvlđ) + Gvc.Cvc(Tvcc - Tvcđ) - W.Cn.Tvlđ → Qcon-tt + Qbs = Ltt(I3’ - I1) + Qth + Qvl + Qvc - Qẩm → Qcon-tt + Qbs = Ltt(I3’ - I1) + Qthc - Qẩm (kJ) (1) Trong đó: - Qcon-tt: lượng nhiệt thực tế cần để dàn nóng gia nhiệt tác nhân sấy. - Qbs: lượng nhiệt bổ sung trong quá trình sấy, ở đây Qbs = 0. - Ltt(I3’ - I1): lượng nhiệt tổn thất do tác nhân sấy. - Qth: lượng nhiệt tổn thất do kết cấu thiết bị. - Qvl = G2.Cvl(Tvlc - Tvlđ): lượng nhiệt tổn thất do vật liệu sấy. - Qvc = Gvc.Cvc(Tvcc - Tvcđ): lượng nhiệt tổn thất do thiết bị vận chuyển. - Qthc = Qth + Qvl + Qvc: lượng nhiệt tổn hao chung. - Qẩm = W.Cn.Tvlđ: lượng nhiệt cung cấp do ẩm trong vật liệu. Chia hai vế của phương trình (1) cho W nhận được tổn thất tính trên kg ẩm: qcon-tt = ltt(I3’ - I1) + qthc - qẩm (kJ/kg ẩm) Mà: qcon-tt = ltt(I2 - I1) → ltt(I2 - I1) = ltt(I3’ - I1) + qthc - qẩm → ltt(I3’ - I2) = qẩm - qthc = Δ (2) Với Δ là nhiệt lượng bổ sung chung trừ cho nhiệt lượng tổn thất chung hay tổn thất nhiệt để làm bay hơi 1 kg ẩm. Quá trình sấy lý thuyết Δ = 0 nên I3’ = I3 = I2, tuy nhiên trong thực tế thì Δ ≠ 0 nên cần phải tính toán các tổn thất trên để xây dựng quá trình sấy thực tế. 13 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị 2.4.1. Tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị Buồng sấy có dạng hình hộp chữ nhật vì vậy tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị là lượng nhiệt bị thất thoát qua kết cấu khung vách buồng sấy, cửa buồng sấy, trần và đáy buồng sấy. Như phần thiết kế tính toán kích thước thiết bị ở trên, cấu tạo khung vách buồng sấy được trình bày như trong hình 2.3. ● T2 Tw 1 Tw 2 ● ● q q α1 ● Tw ●4 Tw 3 λ 1 λ 2 λ 1 δ1 δ2 δ1 α2 ● T0 Hình 2.3: Cấu tạo khung vách buồng sấy. - Tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị (tính theo Watt) được xác định như sau [18]: Qth =K . A . ∆T Trong đó:  K (W/m2.K) là hệ số truyền nhiệt tổng quát.  A (m2) là diện tích bề mặt truyền nhiệt.  ΔT = T2 - T0 (oC) là chênh lệch nhiệt độ đầu cuối. - Hệ số truyền nhiệt tổng quát theo cấu tạo khung vách được xác định như sau [18]: 1 1 δ 1 δ 2 δ1 1 = + + + + K α 1 λ 1 λ2 λ1 α 2 14 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị Trong đó:  α1 = α = 27.81 (W/m2.K) là hệ số cấp nhiệt của môi trường trong buồng sấy.  δ1 = 5 (mm) là bề dày lớp thép.  λ1 = 46.5 (W/m.K) là hệ số dẫn nhiệt của thép (B 29/30 [10]).  δ2 = 40 (mm) là bề dày lớp foam PU cách nhiệt.  λ2 = 0.025 (W/m.K) là hệ số dẫn nhiệt của foam PU cách nhiệt (PL 16/553 [12]).  α2 (W/m2.K) là hệ số cấp nhiệt của môi trường bên ngoài. Môi trường sấy bên ngoài buồng sấy là đối lưu tự nhiên với không khí, do buồng sấy có dạng hình hộp chữ nhật, lượng nhiệt tổn hao qua kết cấu thiết bị chủ yếu là qua các vách tường buồng sấy nên trường hợp này là dạng truyền nhiệt đối lưu tự nhiên qua tấm phẳng (Chapter 9 [18]). - Để xác định α2, dùng phương pháp lặp để tính toán dựa trên cân bằng sau (Equation 3-15 and 3-16/132 [18]): q=α 1 ( T 2−T w 1 )= T w1−T w 4 =α 2 ( T w 4 −T 0 ) δ1 δ2 δ 1 + + λ1 λ 2 λ 1 Trong đó:  q (W/m2) là mật độ dòng nhiệt truyền qua khung vách.  T2 = 60oC là nhiệt độ môi trường bên trong buồng sấy.  Tw1 (oC) là nhiệt độ vách trong cùng của khung vách.  Tw4 (oC) là nhiệt độ vách ngoài cùng của khung vách.  T0 = 25.40oC là nhiệt độ môi trường bên ngoài buồng sấy. - Giả sử Tw1 = 59.41oC, mật độ dòng nhiệt truyền qua là: q=α 1 ( T 2−T w 1 )=27.81 × ( 60−59.41 )=16.41(W /m2 ) - Nhiệt độ vách ngoài cùng suy từ cân bằng trên: T w 4=T w 1−q ( δ 1 δ2 δ1 0.005 0.04 0.005 + + =59.41−16.41× + + =33.15 o C λ1 λ2 λ1 46.5 0.025 46.5 ) ( ) - Nhiệt độ trung bình môi trường bên ngoài: T tb = T w 4 +T 0 33.15+ 25.4 = =29.28 o C 2 2 15 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị - Các thông số vật lý của không khí tương ứng với nhiệt độ trên (Table A-5/658 [17]):  λkk = 0.02642 (W/m.K) là hệ số dẫn nhiệt.  νkk = 15.9364.10-6 (m2/s) là độ nhớt động học.  Pr = 0.7075 là chuẩn số Prandlt. - Chuẩn số Grashof (CT 9-15/465 [18]): Gr= g . β ( T w 4−T 0 ) L3c 2 υ kk 9.81 × = 1 ×(33.15−25.4)× 1.673 273.15+29.28 =4610147387 4.61 . 109 −6 2 (15.9364 . 10 ) Trong đó:  g = 9.81 (m/s2) là gia tốc trọng trường.  β = 1/Ttb = 1/(273.15+29.28) (K) là hệ số giãn nở thể tích.  Lc = H = 1.67 (m) là chiều dài định tính của buồng sấy, ở đây chọn bằng chiều cao buồng sấy. - Chuẩn số Rayleigh được xác định như sau (CT 9-17/466 [18]): Ra=Gr . Pr=4612096690× 0.7075=3261679276 3.26 . 10 9 - Do Ra nằm trong khoảng 109 - 1013 nên chuẩn số Nusselt được tính từ phương trình thực nghiệm sau (Table 7-1/334 [17]): 0.4 0.4 Nu=0.021 . Ra =0.021 ×3261679276 =134.15 - Hệ số cấp nhiệt của môi trường bên ngoài (CT 9-16/466 [18]): α 2= Nu . λkk 134.15 ×0.02642 = =2.12(W / m2 . K) Lc 1.67 - Mật độ dòng nhiệt tương ứng với α2: q ' =α 2 ( T w 4 −T 0 ) =2.12× ( 33.15−25.4 )=16.43(W /m2 ) - Sai số phần trăm giữa q và q’: ∆ %= ∆q ' =¿ q−q ∨ ¿ =¿ 16.41−16.43∨ ¿ =0.0012=0.12 % ¿ ¿ q q 16.41 → Do sai số rất bé (< 5%) nên coi như giả sử nhiệt độ Tw4 trên là đúng. - Vậy hệ số truyền nhiệt tổng quát là: K= ( 1 δ1 δ2 δ 1 1 + + + + α 1 λ 1 λ2 λ 1 α 2 −1 ) ( = 1 0.005 0.04 0.005 1 + + + + 27.81 46.5 0.025 46.5 2.12 −1 ) 2 =0.474 (W /m . K ) - Diện tích bề mặt truyền nhiệt là diện tích xung quanh toàn phần của buồng sấy: 16 Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học Bộ môn Quá trình & Thiết bị A=2 H ( L+2W ) +2 L .2W =2 ×1.67 × ( 1.91+1.05 ×2 ) +2 ×1.91 ×2 ×1.05=21.42(m2) - Tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị tính theo Watt: Qth−W =K . A . ∆ T =0.474 ×21.42 × ( 60−25.4 ) =351.30(W ) - Tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị tính theo kJ: Q th =Q th . τ =351.30 ×63.41 ×3.6=80193.36(kJ ) - Tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị tính theo kJ/kg ẩm: q th = Q th 80193.36 = =208.26( kJ /kg ẩm) W 385.06 2.4.2. Tổn thất nhiệt qua vật liệu sấy - Tổn thất nhiệt qua vật liệu sấy: Q vl =G vl . C vl ( T vlc −T vlđ ) =114.94 × 3.62× ( 60−25.4 )=14396.46(kJ ) Trong đó:  Gvl = G2 = 114.94 (kg) là khối lượng sản phẩm sau khi sấy.  Cvl = 3.62 (kJ/kg.K) là nhiệt dung riêng của vật liệu sấy (PL 1/254 [1]).  Tvlc = T3 = 60oC là nhiệt độ vật liệu cuối.  Tvlđ = T0 = 25.4oC là nhiệt độ vật liệu đầu. - Tổn thất nhiệt qua vật liệu sấy tính trên kg ẩm: q vl = Q vl 14396.46 = =37.39(kJ /kg ẩm) W 385.06 2.4.3. Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển Khối lượng một khay sấy có kích thước 55x85x3 cm làm bằng inox 304 là 2 kg (thực nghiệm), vậy tổng khối lượng khay sấy cho một xe goòng là 72 kg. Khối lượng khung xe goòng có 12 tầng khay như trên thiết kế ở phần 2.4 làm bằng inox 304 là 130 kg (thực nghiệm). Vậy tổng khối lượng cho 1 xe goòng là 202 (kg). - Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển tính trên kg ẩm: Qvc =Gvc .C vc ( T vcc−T vcđ ) =404 ×0.5 × ( 60−25.4 )=6989.20 ( kJ ) 17