Tài liệu Nghiên cứu, tính toán thiết kế và thực nghiệm máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- NGUYỄN THÀNH LUÂN NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM MÁY SẤY BƠM NHIỆT KẾT HỢP ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG Chuyên ngành : Kỹ Thuật Nhiệt Mã số: 60520115 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : .................................................................. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . . Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. ............................................................ 2. ............................................................ 3. ............................................................ 4. ............................................................ 5. ............................................................ Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH LUÂN MSHV: 7140354 Ngày, tháng, năm sinh: 10/10/1989 Nơi sinh: QUẢNG BÌNH Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT Mã số: 60520115 I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ THỰC NGHIỆM MÁY SẤY BƠM NHIỆT KẾT HỢP ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tổng quan về tình hình nghiên cứu máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường trong nước và trên thế giới.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường.
Xây dựng phần mềm tính toán, thiết kế máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường.
Chế tạo mô hình máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường.
Khảo nghiệm với sản phẩm rau má và bàn luận.
Kết luận và kiến nghị. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/09/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/06/2018 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN THẾ BẢO Tp. HCM, ngày … tháng … năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ ( Họ tên và chữ ký) LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô Bộ Môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh- Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện luận văn. Đặc biệt, xin chân thành cám ơn PGS.TS Nguyễn Thế Bảo đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Trong quá trình thực hiện luận văn, khó tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy, cô. Trân trọng cám ơn ! Tp. HCM, ngày 10 tháng 06 năm 2018 Nguyễn Thành Luân i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TÓM TẮT Luận văn trình bày nghiên cứu về hiệu quả năng lượng máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường. Qua kết quả nghiên cứu cho thấy tiêu hao điện năng máy sấy giảm, hiệu quả năng lượng máy sấy tăng lên rõ rệt. Trong quá trình nghiên cứu, một phần mềm tính toán thiết kế máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường đã được xây dựng và thực nghiệm kiểm chứng trên mô hình thực tế. Kết quả cho thấy phần mềm có độ chính xác chấp nhận được, có thể sử dụng để tính toán thiết kế máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường. Với việc sử dụng rau má làm vật liệu sấy, các thực nghiệm so sánh hiệu quả năng lượng và chất lượng rau má khi sấy bằng bơm nhiệt và bằng điện trở được thực hiện. Kết quả cho thấy khi sấy bằng bơm nhiệt thì tiêu hao điện năng ít hơn, chất lượng rau má tốt hơn so với phương pháp sấy bằng điện trở đang sử dụng phổ biến hiện nay. Đồng thời, qua các thực nghiệm, một phương trình xác định thời gian sấy với nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy khi sấy rau má bằng máy sấy bơm nhiệt đã được thiết lập. ABSTRACT The thesis describes the combination of gravitation heat pipes in heat pump dryer to reduce energy consumption. Based on the results, the efficiency of the heat pump dryer has increased significantly. An experimental model of a heat pump dryer combined with gravitational heat pipes was designed and manufactured to validate the written program. The comparisons between the calculated results from the program and experimental results showed that the written program gave acceptably accurate computational results and could be used to calculate and design heat pump dryers combined with gravitational heat pipes. The use of heat pump technology to dry Centella Asiatica can help to save energy consumption and improve the quality of the product compared with those from traditional drying technology. At the same time, through the author's experiments, the equation of drying time relationship with drying temperature and drying rate when dry Centella Asiatica by heat pump dryers. ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan qua lý thuyết và thực nghiệm. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác. Tp. HCM, ngày 10 tháng 06 năm 2018 Nguyễn Thành Luân iii MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................... vi DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ............................................................................ viii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU .............................................................................. xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................... 1 1.1 Tổng quan về máy sấy bơm nhiệt ..................................................................1 1.2 Tổng quan ống nhiệt ......................................................................................2 1.3 Tổng quan các nghiên cứu máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt .................10 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................ 10 1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................... 15 1.4 Tính cấp thiết của đề tài ...............................................................................17 1.5 Mục đích của đề tài......................................................................................18 1.6 Nhiệm vụ, đối tượng và giới hạn của đề tài..................................................18 1.6.1 Nhiệm vụ của đề tài .............................................................................. 18 1.6.2 Đối tượng nghiên cứu ........................................................................... 18 1.6.3 Giới hạn của đề tài ................................................................................ 18 1.7 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................19 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 20 2.1 Cơ sở lý luận ...............................................................................................20 2.2 Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường ............23 2.3 Tính toán quá trình sấy ................................................................................24 2.3.1 Tính toán quá trình sấy lý thuyết ........................................................... 24 2.3.2 Tính toán quá trình sấy thực tế .............................................................. 26 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT KẾT HỢP ỐNG NHIỆT TRỌNG TRƯỜNG .................................................................................. 34 3.1 Chọn thông số làm việc chu trình bơm nhiệt ................................................34 3.2 Tính toán chu trình bơm nhiệt......................................................................35 3.3 Tính chọn thiết bị bơm nhiệt ........................................................................36 3.3.1 Tính chọn máy nén................................................................................ 36 3.3.2 Tính chọn thiết bị ngưng tụ ................................................................... 37 3.3.3 Tính chọn thiết bị bay hơi ..................................................................... 39 iv 3.3.4 Tính chọn thiết bị phụ ........................................................................... 39 3.4 Tính chọn ống nhiệt trọng trường bề mặt bên trong nhẵn .............................40 3.5 Tính chọn quạt.............................................................................................44 3.6 Xây dựng phần mềm tính toán thiết kế máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường ......................................................................................................47 3.6.1 Lưu đồ thuật toán .................................................................................. 47 3.6.2 Các thông số phần mềm ........................................................................ 47 3.6.3 Xây dựng chương trình ......................................................................... 50 CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......... 54 4.1 Mô hình và nội dung thực nghiệm ...............................................................54 4.1.1 Mô hình thực nghiệm ............................................................................ 54 4.1.2 Nội dung thực nghiệm ........................................................................... 56 4.2 Kết quả và thảo luận ....................................................................................57 4.2.1 Kết quả và thảo luận về hiệu quả năng lượng máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường ................................................................................... 57 4.2.2 Kết quả và thảo luận về độ tin cậy phần mềm thiết kế máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường ....................................................................... 61 4.2.3 Kết quả và thảo luận về hiệu quả năng lượng và chất lượng rau má khi sấy bằng bơm nhiệt so với sấy bằng điện trở .................................................. 65 4.2.4 Kết quả và thảo luận thực nghiệm xác định thời gian sấy rau má khi sấy bằng bơm nhiệt .............................................................................................. 67 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................... 70 5. 1 Kết luận ......................................................................................................70 5.2 Kiến nghị .....................................................................................................70 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .................................... 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 73 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ....................................................................... 73 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 77 v DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thông số làm việc một số loại ống nhiệt ................................................ 5 Bảng 2.1: Thông số các điểm nút quá trình sấy lý thuyết....................................... 25 Bảng 2.2: Thông số các lớp vách buồng sấy. ......................................................... 28 Bảng 2.3: Thông số các điểm nút quá trình sấy thực tế.......................................... 32 Bảng 3.1: Thông số các điểm nút chu trình quá lạnh-quá nhiệt.............................. 35 Bảng 3.2: Thông số các điểm nút chu trình quá lạnh- quá nhiệt quy chuẩn............ 37 Bảng 3.3: Thông số các thiết bị phụ trong chu trình bơm nhiệt.............................. 39 Bảng 3.4: Hệ số trở lực cục bộ các thiết bị trên kênh dẫn tác nhân sấy .................. 45 Bảng 3.5: Thông số đầu vào sản phẩm sấy. ........................................................... 47 Bảng 3.6: Thông số khí hậu địa phương lắp đặt. ................................................... 47 Bảng 3.7: Thông số đầu vào của tác nhân sấy. ...................................................... 47 Bảng 3.8: Thông số đầu vào khay sấy, buồng sấy. ................................................ 48 Bảng 3.9: Thông số các lớp vách buồng sấy. ......................................................... 48 Bảng 3.10: Thông số đầu vào chu trình bơm nhiệt. ............................................... 48 Bảng 3.11: Thông số đầu vào các dàn trao đổi nhiệt.............................................. 48 Bảng 3.12: Thông số đầu vào ống nhiệt trọng trường. ........................................... 48 Bảng 3.13: Thông số đầu vào cánh trao đổi nhiệt. ................................................. 49 Bảng 3.14: Thông số bố trí ống nhiệt. ................................................................... 49 Bảng 3.15: Thông số đầu vào của quạt và kênh dẫn tác nhân sấy. ......................... 49 Bảng 4.1: Thông số lý thuyết các thiết bị chính của mô hình máy sấy bơm nhiệt hồi lưu toàn phần kết hợp ống nhiệt trọng trường. ....................................................... 54 Bảng 4.2 Thông số các thiết bị chính của mô hình máy sấy thực tế. ...................... 55 Bảng 4.3: Chế độ sấy rau má bằng bơm nhiệt và điện trở. ..................................... 56 Bảng 4.4: Các chế độ sấy xác định thời gian sấy rau má trên máy sấy bơm nhiệt. . 57 Bảng 4.5:Kết quả đo thực nghiệm ngày 21/05/2018 trên mô hình máy sấy bơm nhiệt kết hợp 20 ống nhiệt trọng trường. ............................................................... 58 Bảng 4.6: Thông số đầu giả thiết ban đầu và thông số đo thực tế........................... 58 Bảng 4.7: Kết quả đo thực nghiệm ngày 20/05/2018 trên mô hình máy sấy bơm nhiệt kết hợp 12 ống nhiệt trọng trường. ............................................................... 59 vi Bảng 4.8: Kết quả đo thực nghiệm ngày 22/05/2018 trên mô hình máy sấy bơm nhiệt không sử dụng ống nhiệt. ............................................................................. 59 Bảng 4.9: Tổng hợp điện năng tiêu hao các trường hợp sấy. ................................. 60 Bảng 4.10: Xác định thời gian hoàn vốn khi đầu tư thêm bộ ống nhiệt vào mô hình máy sấy bơm nhiệt. ............................................................................................... 61 Bảng 4.11: Kết quả đo thực nghiệm ngày 15/05/2018 sấy rau má bằng điện trở. ... 65 Bảng 4.12: Bảng kết quả thực nghiệm thời gian sấy rau má trên máy sấy bơm nhiệt67 vii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý và đồ thị I-d máy sấy bơm nhiệt hồi lưu toàn phần ........ 1 Hình 1.2: Nguyên lý cấu tạo ống nhiệt .................................................................... 2 Hình 1.3: Cấu tạo nguyên lý và quá trình làm việc của ống nhiệt trọng trường trên đồ thị T-s ................................................................................................................ 3 Hình 1.4: Cấu tạo bên trong ống nhiệt mao dẫn....................................................... 4 Hình 1.5: Nguyên lý cấu tạo ống nhiệt ly tâm ......................................................... 4 Hình 1.6: Sơ đồ dòng tác nhân sấy đi qua ống nhiệt trọng trường............................ 7 Hình 1.7: Nhiệt trở của ống nhiệt trọng trường........................................................ 8 Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt kết hợp bộ thu năng lượng mặt trời 10 Hình 1.9: Sơ đồ máy sấy bơm nhiệt kết hợp tia hồng ngoại ................................... 11 Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt kết hợp sóng radio ...................... 11 Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng ........................... 12 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt tầng sôi ....................................... 12 Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt kết hợp bộ trao đổi nhiệt ................. kiểu khí-khí ........................................................................................................... 13 Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý sử dụng ống nhiệt trong máy sấy thuốc lá.................. 13 Hình 1.15: Sơ đồ máy sấy điện trở kết hợp bộ hồi nhiệt kiểu ống nhiệt ................. 14 Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt ........................ 14 Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt kết hợp đèn hồng ngoại ............... 15 Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý bộ thu hồi nhiệt khói thải kiểu ống nhiệt ................... 16 Hình 1.19: Sơ đồ nguyên lý sử dụng ống nhiệt tận dụng nhiệt thải trong hệ thống .... điều hòa không khí ................................................................................................ 16 Hình 1.20: Cây rau má. ......................................................................................... 17 Hình 1.21: Sơ đồ quy trình nghiên cứu thực hiện đề tài ......................................... 19 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt hồi lưu toàn phần .......................... 20 Hình 2.2: Sơ đồ bố trí ống nhiệt trọng trường trong máy sấy bơm nhiệt ................ 21 Hình 2.3: Đồ thị I-d quá trình sấy lý thuyết máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt..... trọng trường .......................................................................................................... 22 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt hồi lưu toàn phần kết hợp ống nhiệt .. trọng trường .......................................................................................................... 23 viii Hình 2.5: Đồ thị I-d và t-d quá trình sấy lý thuyết của máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường. ......................................................................................... 24 Hình 2.6: Bố trí khay trong buồng sấy................................................................... 26 Hình 2.7: Sơ đồ cân bằng nhiệt tại thiết bị sấy ...................................................... 26 Hình 2.8: Các lớp của vách buồng sấy .................................................................. 28 Hình 2.9: Đồ thị I-d quá trình sấy thực tế của máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống .......... nhiệt trọng trường ................................................................................................. 30 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý chu trình quá lạnh-quá nhiệt ........................................ 35 Hình 3.2: Đồ thị lgp-h của chu trình quá lạnh-quá nhiệt ........................................ 35 Hình 3.3: Đồ thị lgp-h của chu trình quá lạnh-quá nhiệt ở chế độ quy chuẩn ......... 36 Hình 3.4: Sơ đồ dòng lưu chất trao đổi nhiệt tại dàn nóng ..................................... 38 Hình 3.5: Sơ đồ dòng lưu chất trao đổi nhiệt tại dàn lạnh ...................................... 39 Hình 3.6: Sơ đồ bố trí ống nhiệt trọng trường kiểu so le ........................................ 41 Hình 3.7: Đồ thị hiệu suất cánh trao đổi nhiệt ống tròn ........................................ 42 Hình 3.8: Giản đồ giải hệ phương trình bằng phương pháp lặp ............................. 44 Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán chương trình ............................................................. 47 Hình 3.10: Thông số đầu vào sản phẩm sấy và thông số ........................................ 50 khí hậu địa phương lắp đặt .................................................................................... 50 Hình 3.11: Thông số đầu vào tác nhân sấy ............................................................ 50 Hình 3.12: Thông số đầu vào khay sấy, buồng sấy ................................................ 50 Hình 3.13: Thông số đầu vào các lớp vách buồng sấy ........................................... 51 Hình 3.14: Thông số đầu vào chu trình bơm nhiệt ................................................. 51 Hình 3.15: Thông số đầu vào các dàn trao đổi nhiệt .............................................. 51 Hình 3.16: Thông số đầu vào ống nhiệt trọng trường ............................................ 51 Hình 3.17: Thông số đầu vào cánh tản nhiệt và ..................................................... 51 thông số bố trí ống nhiệt ....................................................................................... 51 Hình 3.18: Thông số đầu vào quạt và kênh dẫn tác nhân sấy ................................. 52 Hình 3.19: Kết quả bảng thông số các điểm nút quá trình sấy thực tế .................... 52 Hình 3.20: Kết quả bảng thông số các điểm nút chu trình bơm nhiệt ..................... 52 Hình 3.21: Kết quả kích thước buồng sấy, kênh dẫn tác nhân sấy và thông số quạt 53 Hình 3.22: Kết quả thông số các thiết bị trong chu trình bơm nhiệt ....................... 53 ix Hình 3.23: Kết quả thông số bộ ống nhiệt ............................................................. 53 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình máy sấy bơm nhiệt hồi lưu toàn phần kết hợp ống nhiệt trọng trường. ......................................................................................... 54 Hình 4.2: Mô hình máy sấy thực tế ....................................................................... 55 Hình 4.3: Bộ ống nhiệt lắp đặt trong mô hình máy sấy .......................................... 55 Hình 4.4: Mức điện năng tiêu hao các trường hợp sấy........................................... 60 Hình 4.5: Độ giảm mức điện năng tiêu hao các trường hợp sấy bơm ..................... 60 nhiệt kết hợp ống nhiệt so với trường hợp không sử dụng ống nhiệt...................... 60 Hình 4.6: Độ giảm nhiệt độ khi qua phần sôi, độ tăng nhiệt độ khi qua phần ngưng của tác nhân sấy trường hợp máy sấy bơm nhiệt kết hợp 20 ống nhiệt .................. 62 Hình 4.7: Độ giảm nhiệt độ khi qua phần sôi, độ tăng nhiệt độ khi qua phần ngưng của tác nhân sấy trường hợp máy sấy bơm nhiệt kết hợp 12 ống nhiệt .................. 62 Hình 4.8: Lựa chọn môi chất lạnh cho chu trình bơm nhiệt ................................... 63 Hình 4.9: Biểu đồ mối quan hệ giữa chênh lệch nhiệt độ tác nhân sấy đi qua phần sôi ống nhiệt với số lượng ống nhiệt ..................................................................... 63 Hình 4.10: Biểu đồ mối quan hệ giữa bước ống với hệ số tỏa nhiệt tác nhân sấy ở phần sôi và phần ngưng ống nhiệt ......................................................................... 64 Hình 4.11: Biểu đồ mối quan hệ giữa bước ống với công suất làm việc của một ống nhiệt ...................................................................................................................... 64 Hình 4.12: Chọn chênh lệch nhiệt độ tác nhân sấy khi đi qua phần sôi ống nhiệt ...... trên phần mềm ...................................................................................................... 64 Hình 4.13: Độ giảm mức điện năng tiêu hao các trường hợp sấy bơm nhiệt so với .... trường hợp sấy điện trở ......................................................................................... 65 Hình 4.14: Màu sắc rau má sau khi sấy bằng bơm nhiệt và điện trở ...................... 66 Hình 4.15: Kết quả kiểm tra vi lượng mẫu rau má sấy bằng điện trở ..................... 66 Hình 4.16: Kết quả kiểm tra vi lượng mẫu rau má sấy bằng bơm nhiệt ................. 66 Hình 4.17: Phương trình mối quan hệ giữa thời gian sấy với nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy .......................................................................................................... 68 Hình 4.18: Vùng giá trị thời gian sấy theo nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy ...... 69 Hình 4.19: Biểu đồ thời gian sấy theo nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy ............ 69 x DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU Qa- Giới hạn âm thanh công suất nhiệt; W Ah- Tiết diện hơi trong ống; m2 ρh- Khối lượng riêng của hơi; kg/m3 r- Nhiệt ẩn hóa hơi; J/kg R- Hằng số chất khí; J/kmol.K Th- Nhiệt độ tuyệt đối của hơi; K k- Hệ số mũ đoạn nhiệt của hơi. Qs- Giới hạn sôi công suất nhiệt; W ρn- Khối lượng riêng chất lỏng ngưng; kg/m3 ρh- Khối lượng riêng hơi; kg/m3 Fis- Diện tích mặt trong phần ngưng ống nhiệt; m2 g- Gia tốc trọng trường; m/s2 Qc- Giới hạn lôi cuốn của công suất; W Qcs- Nhiệt cấp cho quá trình sấy; kW Qbs- Nhiệt bổ sung (nếu có); kW Q1- Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào; kW Qmt- Nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che; kW Qvl- Nhiệt tổn thất do vật liệu sấy mang ra; kW Qvc- Nhiệt tổn thất theo thiết bị vận chuyển; kW Cn- Nhiệt dung riêng của nước; kJ/kg.K Cvl- Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy; kJ/kg.K Ckh- Nhiệt dung riêng của khay sấy; kJ/kg.K tv- Nhiệt độ không khí ngoài trời; 0C G2- Khối lượng sản phẩm sau khi sấy; kg q- Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách buồng sấy; W/m2 Fb- Diện tích xung quanh buồng sấy; m2 tr- Nhiệt độ sấy; 0C G2- Khối lượng sản phẩm sau khi sấy; kg Cvl- Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy (rau má); kJ/kg.K xi Gkh- Khối lượng khay sấy; kg Ckh- Nhiệt dung riêng của khay sấy; kJ/kg.K tk- Nhiệt độ ngưng tụ; 0C t0- Nhiệt độ bay hơi; 0C ∆tqn- Độ quá nhiệt; 0C ∆tql- Độ quá lạnh; 0C m0- Lưu lượng môi chất qua dàn lạnh; kg/s mk- Lưu lượng môi chất qua dàn nóng; kg/s m- Lưu lượng môi chất tuần hòan trong hệ thống; kg/s Qp- Công suất dàn nóng phụ; kW Qk- Công suất dàn nóng chính; kW Q0- Công suất dàn lạnh; kW Lmn- Công tiêu thụ của máy nén; kW Q0tc- Năng suất lạnh quy đổi; kW Qkld- Công suất nhiệt lắp đặt của dàn nóng chính; kW k0, kk- Hệ số truyền nhiệt; W/m2.K k1, k2, k3, kq- Các hệ số dự trữ. W- Lượng ẩm cần tách trong 1 mẻ sấy; kga Wh- Lượng ẩm cần tách trong 1 giờ; kga/h L0- Lượng tác nhân sấy lý thuyết cần cấp 1 giờ; kgkk/h Ltt-Lượng tác nhân sấy thực tế cần cấp trong 1giờ; kgkk/h d- Dung ẩm; kga/kgkk Pbh- Áp suất bão hòa; bar Pkq- Áp suất khí quyển; bar ϕ- Độ ẩm tương đối; % t- Nhiệt độ nhiệt kế khô; 0C I- Entanpy; kJ/kg ∆ttb1, ∆ttb1- Hiệu nhiệt độ trung bình logarit; 0C Fp- Diện tích dàn nóng phụ; m2 Fdl- Diện tích dàn lạnh; m2 Fk- Diện tích dàn nóng chính; m2 xii πtc; πtt- Tỷ số nén. Q- Công suất nhiệt toàn phần một ống nhiệt;W tz- Nhiệt độ trung bình dòng lưu chất qua phần sôi ống nhiệt; 0C tw- Nhiệt độ trung bình dòng lưu chất qua phần ngưng của ống nhiệt; 0C R- Nhiệt trở tổng; K/W Rz- Nhiệt trở vách ngoài phần sôi ống nhiệt; K/W Rw- Nhiệt trở vách ngoài phần ngưng ống nhiệt; K/W Rvs- Nhiệt trở dẫn qua vách phần sôi; K/W Rvn- Nhiệt trở dẫn qua vách phần ngưng ống nhiệt; K/W Rh- Nhiệt trở hơi môi chất sôi chuyển động từ phần sôi đến phần ngưng; K/W Rs- Nhiệt trở môi chất khi sôi trong ống nhiệt; K/W Rn- Nhiệt trở môi chất khi ngưng trong ống nhiệt; K/W αz - Hệ số tỏa nhiệt nguồn nóng với bề mặt ngoài tại phần sôi; W/m2.K αw- Hệ số tỏa nhiệt nguồn lạnh với bề mặt ngoài tại phần ngưng tụ; W/m2.K αs- Hệ số tỏa nhiệt khi sôi của môi chất trong ống nhiệt; W/m2.K αn- Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng của môi chất trong ống nhiệt; W/m2.K Fes- Diện tích mặt ngoài ống phần sôi; m2 Fen- Diện tích mặt ngoài ống phần ngưng; m2 Fis- Diện tích mặt trong ống phần sôi; m2 Fin- Diện tích mặt trong ống phần ngưng; m2 F0- Diện tích mặt ngoài ống nhiệt phần không có cánh; m2 Fc- Diện tích mặt ngoài ống nhiệt phần có cánh; m2 den, din- Đường kính ngoài và trong của ống nhiệt phần ngưng; m des, dis- Đường kính ngoài và trong của ống nhiệt phần sôi; m Ls, Ln- Chiều dài phần sôi và phần ngưng; m Nus, Nun- Các hệ số Nusselt. Re, Res, Ren, Rekh- Các hệ số Reynold. λ- Hệ số dẫn nhiệt vách ống; W/m.K λtc- Hệ số cấp chu trình tiêu chuẩn. λtt- Hệ số cấp chu trình thực tế. xiii Phs, Phn- Áp suất môi chất trong phần sôi và phần ngưng tụ; Pa Plv - Áp suất làm việc của môi chất ống nhiệt; bar Th- Nhiệt độ trung bình của hơi môi chất trong ống nhiệt; K A- Hệ số phụ thuộc kích thước ống nhiệt. ξ- Hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý môi chất nạp. ϕ- Hệ số nạp. λn- Hệ số dẫn nhiệt của lỏng môi chất nạp; W/m.K ρn- Khối lượng riêng của lỏng môi chất nạp; kg/m3 µn- Độ nhớt động học của lỏng môi chất nạp; kg/m.s δc- Chiều dày cánh tản nhiệt; mm λc- Hệ số dẫn nhiệt của cánh; W/m.K sc- Bước cánh; mm tc- Khoảng cách 2 cánh; mm hc- Chiều cao cánh; mm s1- Bước ống ngang; mm s2- Bước ống dọc; mm ω- Tốc độ tác nhân sấy; m/s ω max- Tốc độ tác nhân sấy lớn nhất khi đi qua phần ngưng và phần sôi; m/s Qhpld- Công suất bộ ống nhiệt lắp đặt; kW nhp- Số ống nhiệt yêu cầu; ống nd- Số hàng ống nhiệt; hàng n- Số cánh trao đổi nhiệt; cánh nn- Số ống trên 1 hàng ngang. Whp- Chiều rộng bộ ống nhiệt; mm Dhp- Chiều dài bộ ống nhiệt; mm Lhp- Chiều cao bộ ống nhiệt; mm Ltt- Lượng tác nhân sấy cần cấp trong 1 giờ; kg/h ρk- Khối lượng riêng của tác nhân sấy; kg/m3 ν kh - Độ nhớt động học của tác nhân sấy; kg/m.s λkh- Hệ số tổn thất ma sát. xiv l- Chiều dài kênh dẫn tác nhân sấy; m dkh- Đường kính trong tương đương của kênh dẫn tác nhân sấy; m ∆P- Tổng tổn thất áp suất trên kênh dẫn tác nhân sấy; Pa ∆Pms- Tổn thất áp suất trên kênh dẫn tác nhân sấy do ma sát dọc đường; Pa ∆Pcb- Tổn thất áp suất cục bộ các thiết bị trên kênh dẫn tác nhân sấy; Pa ∆Php- Tổn thất áp suất cục bộ tại bộ ống nhiệt; Pa H- Cột áp quạt; Pa PE- Công suất quạt; W τ- Thời gian sấy; phút t- Nhiệt độ sấy; 0C TNS- Tác nhân sấy. xv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về máy sấy bơm nhiệt Sấy bơm nhiệt là công nghệ sấy sử dụng hệ thống bơm nhiệt để gia nhiệt và tách ẩm cho dòng tác nhân sấy, nhằm thực hiện quá trình sấy khô vật liệu. Cơ chế tách ẩm của quá trình sấy được thực hiện nhờ chênh lệch phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy. Trong máy sấy bơm nhiệt, động lực quá trình sấy được tạo ra bằng hai cơ chế: - Thứ nhất: Giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bằng việc tách ẩm của dòng tác nhân sấy tại thiết bị bay hơi (dàn lạnh). - Thứ hai: Tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy bằng cách sử dụng dòng tác nhân sấy sau khi được gia nhiệt tại thiết bị ngưng tụ (dàn nóng) để gia nhiệt cho vật liệu sấy. Do đó, khi sấy bơm nhiệt thông thường không cần nhiệt độ sấy cao. Máy sấy bơm nhiệt có nhiều cách phân loại khác nhau như: Theo vòng tuần hoàn, theo số cấp bơm nhiệt, theo tác nhân sấy…
Theo vòng tuần hoàn: Máy sấy bơm nhiệt hồi lưu và không hồi lưu.
Theo số cấp bơm nhiệt: Mấy sấy bơm nhiệt 1 cấp, nhiều cấp.
Theo tác nhân sấy: Không khí, N2, CO2, khí khác. Hình 1.1 thể hiện sơ đồ nguyên lý và đồ thị I-d của một máy sấy bơm nhiệt hồi lưu toàn phần. I(kJ/kg.K) DL TL 3 4 1 ϕ2 t2 DNP V 2 3 ϕ3 MN t3 ϕ=100% 2 BS Q DNC t2 t1 4 1 d(kg/kg) MN: Máy nén, DL: Dàn lạnh, DNC: Dàn nóng chính, DNP: Dàn nóng phụ, TL: Tiết lưu, V: Van điều chỉnh lưu lượng, Q: Quạt, BS: Buồng sấy Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý và đồ thị I-d máy sấy bơm nhiệt hồi lưu toàn phần 1 Các quá trình thể hiện trên đồ thị I-d: 1-2: Quá trình gia nhiệt tác nhân sấy thực hiện tại dàn nóng chính. 2-3: Quá trình sấy lý thuyết thực hiện tại buồng sấy. 3-4: Quá trình làm lạnh tác nhân sấy đến nhiệt độ đọng sương tại dàn lạnh. 4-1: Quá trình tách ẩm tại dàn lạnh. Nguyên lý làm việc: Dòng tác nhân sấy sau khi ra khỏi buồng sấy (BS) trạng thái (3) sẽ đi qua dàn lạnh (DL) thực hiện quá trình tách ẩm đạt trạng thái (1). Sau đó dòng tác nhân sấy đi vào dàn nóng chính (DNC) được gia nhiệt đến nhiệt độ yêu cầu trạng thái (2) rồi đưa vào buồng sấy (BS). Tại buồng sấy, dòng tác nhân sấy sẽ thực hiện quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy và chu trình cứ vậy tiếp diễn. Trong máy sấy bơm nhiệt, dòng chuyển động của tác nhân sấy bên trong buồng sấy là một nhân tố quan trọng để đảm bảo sự đồng đều khi sấy, khi không đồng nhất tốc độ chuyển động dẫn đến sản phẩm khô không đồng đều. Do đó các khay và các kênh trong buồng sấy cần thiết kế cẩn thận và hợp lý. Hiệu quả của máy sấy bơm nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: • Nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ của tác nhân sấy. • Hàm lượng ẩm, thuộc tính truyền nhiệt, truyền chất, nhiệt vật lý của sản phẩm sấy. • Nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ và hiệu quả của chu trình bơm nhiệt. 1.2 Tổng quan ống nhiệt Ống nhiệt là một phần tử trao đổi nhiệt kín, bên trong có chứa môi chất công tác. Tùy theo loại ống nhiệt mà phía trong ống có thể trơn, xẻ rãnh hoặc có bấc mao dẫn. Về mặt cấu tạo ống nhiệt chia làm 3 phần: Phần sôi, phần đoạn nhiệt và phần ngưng. Hình 1.2 thể hiện nguyên lý cấu tạo của một ống nhiệt. QS PS QN ÐN PN PS: Phần sôi, ĐN: Phần đoạn nhiệt, PN: Phần ngưng Hình 1.2: Nguyên lý cấu tạo ống nhiệt (heat pipe) 2