Thiết kế hệ thống sấy Mít nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt: Đề tài [Năm]

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

MỤC LỤC Trang

LỜI CẢM ƠN ……………………………………………………………………. ..4

PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................5

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SẤY ...............................................7

1.1. Vật liệu ẩm ......................................................................................................7

1.1.1. Độ ẩm của vật liệu …………………….................................................7

1.1.2. Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu .......................................................9

1.2. Quá trình đốt nóng và làm lạnh .................................................................... .11

1.2.1 Quá trình đốt nóng và đôt nóng tăng ẩm ............................................ 11

1.2.2 Quá trình làm lạnh và làm lạnh khử ẩm ..............................................11

1.3. Các phương pháp sấy .....................................................................................12

1.3.1. Phương pháp sấy nóng .........................................................................12

1.3.2. Phương pháp sấy lạnh ..........................................................................14

1.3.3. Sơ đồ thiết bị và trạng thái tác nhân sấy của hệ thống sấy lạnh …….. 16

1.4. Phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt ……………………………………. 17

1.4.1. Thế sấy ………………………………………………………………. 17

1.4.2. So sánh hai phương pháp sấy lạnh ………………………………….. 18

1.4.3. Đặc tính của quá trình sấy lạnh ……………………………………... 20

CHƯƠNG 2 : LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT ……………………………… 22

2.1. Khái quát về bơm nhiệt ………………………………………………….... 22

2.2. Nguyên lý hoạt động …………………........................................................ 23

2.3. Hệ số nhiệt của bơm nhiệt ............................................................................ 24

2.4. So sánh các phương án cấp nhiệt ……......................................................... 25

2.5. Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt ......................................................... 27

2.6. Ứng dụng của bơm nhiệt trong nền kinh tế quốc dân …….………………. 29

CHƯƠNG 3 : CÔNG NGHỆ SẤY RAU QUẢ ………………………………… 34

3.1. Sơ lược về các sản phẩm rau quả................................................................. 34

3.2. Công nghệ sấy rau quả ………..................................................................... 34

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 1

3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy ....................................................... 36

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

3.4. S ơ lược về quả Mít ………………………………………………...………. 37

CHƯƠNG 4 : L ỰA CH ỌN PH ƯƠNG ÁN VÀ TÍNH TOÁN NHI ỆT QUÁ TRÌNH SẤY ……………………........................................................................ 39

4.1. L ựa chọn phương án sấy ………………………………………………... 39

4.2. Ch ọn loại thiết bị sấy ................................................................................... 39

4.3. Các thông số tính toán ………………………………………….……….... 40

4.3.1 V ật liệu sấy ……………………………………….………….……….. 40

4.3.2. Tác nhân s ấy …………………………………….………….………... 40

4.4. Tính toán kích thước buồng sấy …………………………………….......... 41

4.5. Xây dựng quá trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d .......................................... 42

4.5.1 Đồ thị I-d …………………………………...………………………… 42

4.5.2 Tính toán quá trình s ấy ………………………………………………... 43

4.6. Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d ……………………….…… 46

4.6.1 Cân b ằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế ………………………………46

4.6.2 Đồ thị I-d ……………………………………………………………… 51

4.6.3 Tính toán quá trình s ấy thực tế …………………………………...…… 52

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM NHIỆT ……………………… 55

5.1 Chọn môi chất nạp và các thông số của môi chất …………………………. 55

5.1.1 Ch ọn môi chất nạp ………………………………………………..…... 55

5.1.2 Nhi ệt độ ngưng tụ ………………………………………………..…… 55

5.1.3 Nhi ệt độ bay hơi ………………………………………..……………... 55

5.1.4 Nhi ệt độ hơi hút ……………………………………………….……… 55

5.1.5 Nhi ệt độ quá lạnh ………………………………………….………….. 56

5.2 Chọn và tính toán chu trình bơm nhiệt máy lạnh ………………………...... 56

5.2.1 Chọn chu trình …………………………...…………………………...56

5.2.2 Sơ đồ, nguyên lý làm việc ……………………………………...……. 56

5.2.3 Xây dựng đồ thị và lập bảng xác định các giá trị tại các điểm nút ..... 57

5.2.4 Tính toán chu trình …………………………………...……………… 58

5.3 Tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt của bơm nhiệt ……………………...… 59

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 2

5.3.1 Dàn ng ưng (Thiết bị gia nhiệt không khí) …………………..…..…… 59

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

1 . Chọn loại dàn ngưng ……………………………………...…………... 60

2. Các thông s ố cho trước ………………………………………………... 60

3. Tính di ện tích trao đổi nhiệt ……………………………………...…… 61

4. Tính các thông s ố cụ thể của dàn ngưng ………………………..….…. 65

5.3.2 Dàn bay hơi (Thiết bị làm lạnh không khí) ………..………..…...…… 65

1 . Chọn loại dàn bay hơi ……………………………………………..…... 66

2. Các thông s ố cho trước ………………………………………..…..…... 66

3. Tính di ện tích trao đổi nhiệt ……………………………….……..…… 67

4. Tính các thông s ố cụ thể của dàn bay hơi …………………….…..…... 70

5.3.3 Thiết bị hồi nhiệt …………………………………………...….…….... 71

1. Tính ch ọn đường kính ống …………………………………………….. 72

2. Tính toán di ện tích trao đổi nhiệt ……………………………………… 73

5.4 Tính chọn máy nén ……………………………………………..……...…... 76

5.4.1. Tính toán chu trình ở chế độ yêu cầu …………………….…….…...... 77

5.4.2. Tính toán n ăng suất lạnh tiêu chuẩn ……………………………….…. 77

5.4.3. Ch ọn máy nén ………………………………………….…………….. 78

5.4.4. T ổn thất năng lượng và công suất động cơ ……………………….….. 79

5.5 Chọn Đường ống dẫn môi chất ……………………………..………...……. 79

5.5.1 Đường ống đẩy ……………….……………………………………….. 79

5.5.2 Đường ống hút ……………………………………….…...………….... 80

CHƯƠNG 6 : TÍNH TOÁN TRỞ LỰC VÀ CHỌN QUẠT ……………….. … 81

6.1 Tính toán đường ống dẫn tác nhân sấy …………………………………….. 81

6.2 Tính toán trở lực của hệ thống …………………………………………….. 82

6.2.1. Tổn thất áp suất trên đường ống gió ………………………………… 82

6.2.2. Tổn thất qua các thiết bị của hệ thống ………………………………. 83

6.3 Ch ọn quạt ………………………………………………………………….. 84

CHƯƠNG 7 : TÍNH TOÁN THỜI GIAN HOÀN VỐN ……………………….85

KẾT LUẬN ……………………………………………………………………… 88

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 3

TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………. 89

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Lêi C¶m ¬n

Trong su ốt gần năm năm học tại tr ường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Em đã

được sự dạy dỗ ân cần và giúp đỡ tận tình của các th ầy cô giáo trong tr ường, đặc

biệt là các th ầy cô giáo trong khoa Công Ngh ệ Nhi ệt - Điện Lạnh. Em xin chân

thành cảm ơn:

(cid:216) Toàn thể giáo viên trong tr ường Đại học Bách Khoa đã dạy dỗ, giúp đỡ em

trong suốt quá trình học tập.

(cid:216) Toàn th ể th ầy giáo, cô giáo trong khoa Công Ngh ệ Nhi ệt - Điện Lạnh đã

cung cấp cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập.

(cid:216) Gia đình và bạn bè đã cổ vũ, động viên, khích lệ em trong suốt thời gian ngồi

trên giảng đường đại học.

(cid:216) Đặc bi ệt, em xin g ửi nh ững lời cảm ơn chân thành nh ất tới th ầy giáo:

PGS.TS. Hoàng Ng ọc Đồng. Thầy đã tận tình ch ỉ bảo, hướng dẫn và giúp

đỡ em trong th ời gian qua để em có th ể hoàn thành t ốt đồ án tố nghiệp của

mình.

Trong quá trình tính toán, thiết kế đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu

sót. Em rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô để em có thêm những

kiến thức bổ ích làm hành trang bước vào đời.

Đà Nẵng , Tháng 05/2007

Sinh viên thực hiện

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 4

Cao Văn Sơn

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Vi ệt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, có bờ biển dài hơn 3000 Km, độ ẩm không khí thường trên 70%, nhiệt độ cao nhất có thể lên tới 38 oC.

Khí hậu nóng ẩm là điều kiện thuận lợi để nấm mốc và các lo ại vi sinh v ật có hại

phát tri ển làm h ư hại các lo ại lương th ực, th ực ph ẩm, hoa qu ả, gi ống cây tr ồng,

thuốc ch ữa bệnh…. Bên c ạnh đó, nước ta l ại là m ột nước nông nghi ệp, trình độ

khoa học kỹ thuật còn lạc hậu. Có nhi ều địa phương do không có trang b ị kỹ thuật

bảo quản hoa qu ả, nông sản sau thu ho ạch nên th ường bán th ốc bán tháo v ới giá rẻ

khi mùa thu ho ạch đến. Có khi giá tr ị đạt được chỉ khoảng 20% so v ới giá tr ị thực

của nó. Để tránh được tình tr ạng đó và để đa dạng hoá các lo ại sản ph ẩm nông

nghiệp, nâng cao giá tr ị sử dụng của sản phẩm, nâng cao thu nh ập cho ng ười nông

dân, việc nghiên cứu nâng cao ch ất lượng sản phẩm sau thu ho ạch là một yêu cầu

cần thiết trong thời gian hiện nay.

Ngày nay, nhu c ầu về chất lượng của sản phẩm ngày càng đòi hỏi khắt khe, đặc

biệt là các lo ại sản phẩm cần giữ màu sắc và mùi v ị như kẹo, hoa qu ả, thuốc chữa

bệnh…. Hơn nữa, trong nh ững năm gần đây, Vi ệt Nam đã có nhi ều bước tăng

trưởng mạnh về nông - lâm - ng ư nghiệp. Để có th ể cạnh tranh được trong th ời kỳ

hội nhập WTO thì bắt buộc các sản phẩm sấy của chúng ta phải đảm bảo chất lượng

và uy tín cao.

Với các lo ại rau, củ, quả, dược liệu… khi sấy ở nhiệt độ cao có th ể phá hu ỷ các

chất hoạt tính sinh h ọc như hóc môn, màu, mùi v ị, men, vitamin, protêin… và làm

thay đổi ch ất lượng sản ph ẩm. Vì th ế, sấy lạnh bằng nguyên lý b ơm nhi ệt là m ột

phương pháp bảo quản sau thu hoạch đáp ứng được những yêu cầu khắt khe về chất

lượng sau khi s ấy. Bởi vì tác nhân s ấy có độ ẩm th ấp, nhi ệt độ sấy th ấp nên quá

trình sấy xẩy ra tại nhiệt độ thấp hơn so với các ph ương pháp sấy thông thường do

đó hạn chế được sự thay đổi không có l ợi về màu sắc và mùi v ị tự nhiên của sản

phẩm.

Nh ư vậy, việc tìm tòi và phát tri ển rộng rải các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh thực

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 5

phẩm, nông sản sau thu ho ạch, lâm sản, dược liệu là một yêu cầu cấp bách khuyến

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

khích phát tri ển nông nghi ệp, chuyển đổi cơ cấu cây tr ồng, sản xuất các mặt hàng

thay thế nhập khẩu và xu ất khẩu ra th ị trường thế giới, tiết kiệm năng lượng, giảm

vốn đầu tư và giá thành sản phẩm.

Bơm nhiệt là thi ết bị nhiệt-lạnh được xem là có kh ả năng tiết kiệm năng lượng

nhất hiện nay [10]. Qua nhi ều năm nghiên cứu và triển khai ứng dụng để hút ẩm và

sấy lạnh th ấy rằng bơm nhi ệt có r ất nhi ều ưu điểm và r ất có kh ả năng ứng dụng

rộng rải trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, phù hợp với thực tế Việt Nam, mang l ại

hiệu quả kinh tế - kỹ thuật đáng kể. Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những

sản phẩm cần giữ trạng thái, màu mùi, ch ất dinh d ưỡng và không cho phép s ấy ở

nhiệt độ cao, tốc độ gió lớn [11].

Hi ện nay đã có nhi ều công trình nghiên c ứu và ứng dụng sấy lạnh dùng b ơm

nhiệt và đã có hi ệu qu ả thực tiễn cao. Tuy nhiên, ch ưa có tài li ệu nào nói rõ vi ệc

tính toán thi ết kế một hệ th ống sấy lạnh dùng b ơm nhi ệt cụ th ể. Vì v ậy, Em đã

mạnh dạn chọn đề tài: “Thiết kế hệ thống sấy Mít nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt”

để làm đề tài tốt nghiệp cho mình.

Nội dung nghiên cứu

- Lý thuyết về kỹ thuật sấy.

- Lý thuyết về bơm nhiệt.

- Sơ lược về công nghệ sấy hoa quả.

- Tính toán thiết kế hệ thống sấy Mít sử dụng bơm nhiệt.

- Tính toán kinh tế của hệ thống.

- Kết luận.

Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên lý thuyết trong các tài liệu, tiến hành tính toán thiết kế hệ thống sấy lạnh

dùng bơm nhiệt. Từ đó ta rút ra kết luận và ứng dụng của nó trong thực tiễn.

Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có th ể chỉ rõ được hiệu quả của việc sử dụng bơm nhiệt trong sấy ở nhiệt

độ thấp so với hệ thống sấy nóng. Trên cơ sở tính toán, ta có th ể lựa chọn công suất

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 6

của bơm nhiệt sao cho phù hợp với hệ thống.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Chương 1

LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SẤY

1.1 Vật liệu ẩm

Vật liệu ẩm trong kỹ thuật sấy là các v ật có kh ả năng chứa nước hoặc hơi nước

trong quá trình hình thành hoặc gia công bản thân các vật liệu như các loại nông sản

(lúa, ngô, đậu,…), giấy, vải sợi, gỗ, các loại huyền phù hoặc các lớp sơn trên bề mặt

các chi tiết kim loại.v.v..[3]

1.1.1 Độ ẩm của vật liệu

Các vật đem sấy đều là những vật ẩm có chứa một khối lượng chất lỏng đáng kể.

Trong quá trình s ấy, ẩm trong vật bay hơi, độ ẩm của nó gi ảm. Trạng thái của vật

liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó.

1. Độ ẩm tuyệt đối

Độ ẩm tuyệt đối là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật

khô tuyệt đối. Kí hiệu: w0. Ta có:

G G

100 [%]. (1.1) w0 =

Trong đó: + G n - khối lượng ẩm chứa trong vật liệu [kg]

+ Gk - khối lượng vật khô tuyệt đối [kg]

2. Độ ẩm toàn phần.

Độ ẩm toàn ph ần là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật

ẩm. Ký hiệu: w. Ta có:

Gn 100 [%]. (1.2) G

w =

Trong đó: G - kh ối lượng vật ẩm: G = Gn + Gk [kg]

Quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm toàn phần:

w 100

100 [%]. (1.3) w0 = -

3. Độ chứa ẩm

Là t ỷ số giữa lượng chứa ẩm trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Kí hiệu:

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 7

u, [kg ẩm/ kg vật khô]. Được tính theo công thức:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

G G

u = , [kg ẩm/kg vật khô] (1-4).

Nếu độ chứa ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thể thì ta có quan hệ sau:

o = 100.u [%]

ow 100

, [kg/kg] (1-5). Hay u =

4. N ồng độ ẩm

Kí hi ệu: N, [kg/m3 ].

Là kh ối lượng ẩm chứa trong 1m3 vật thể. Ta có:

Gn V

, [kg/m3] (1-6). N =

Trong đó: V- Thể tích vật, m3

kr là khối lượng riêng của vật khô tuyệt đối thì từ (1-4) và (1-6) ta có:

Nếu gọi

r.= kuN

(1-7)

Nếu giả thiết thể tích của vật không thay đổi trong quá trình sấy, tức là V = Vk.

.ruN =

Vk là thể tích của vật khô tuyệt đối, ta có:

(1-8)

Gk= V

Trong đó: là khối lượng của vật khô tuyệt đối.

5. Độ ẩm cân bằng

Là độ ẩm của vật khi ở trạng thái cân b ằng với môi tr ường xung quanh v ật đó.

Khi đó độ chứa ẩm trong vật là đồng đều và phân áp su ất hơi nước trên bề mặt vật

ẩm bằng phân áp su ất hơi nước có trong môi tr ường tác nhân s ấy. Kí hi ệu: Wcb,

ucb...

Trong k ỹ thuật sấy, độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn, nó dùng để xác định giới hạn

quá trình s ấy và độ ẩm cu ối cùng trong quá trình s ấy của mỗi lo ại vật li ệu trong

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 8

những điều kiện môi trường khác nhau.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

1.1.2. Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu

Khi nghiên c ứu quá trình sấy cần phải xác định các dạng tồn tại và các hình th ức

liên kết giữa ẩm với vật khô. Vật ẩm thường là tập hợp của 3 pha: rắn, lỏng và hơi.

Các vật rắn đem sấy thường là các v ật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn. Trong

kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô và ẩm lỏng.

Di ễn biến quá trình s ấy các vật ẩm sẽ bị chi ph ối bởi các dạng liên kết ẩm trong

vật. Có nhiều cách phân lo ại các dạng liên kết ẩm trong đó cách phân lo ại của P.H.

Rôbinde được sử dụng rộng rãi hơn vì nó nêu được bản chất hình thành các d ạng

liên kết ẩm trong v ật li ệu. Theo cách này, t ất cả các d ạng liên k ết ẩm được chia

thành 3 nhóm chính là: liên kết hoá học, liên kết hoá lý và liên kết cơ lý.

1. Liên kết hoá học

Th ể hiện dưới dạng liên kết ion hay liên kết phân tử. Lượng ẩm trong liên kết hoá

học chiếm tỉ lệ nhất định. Liên kết ion được hình thành bởi những phản ứng hoá học

rất bền vững. Muốn phá vỡ các liên k ết này ph ải dùng các ph ản ứng hoá học hoặc

nung đến nhiệt độ rất cao. Còn liên k ết phân tử ta có th ể quan sát qua quá trình k ết

tủa của các dung d ịch. Vật liệu khi bị tách ẩm liên kết hoá học thì tính ch ất của nó thay đổi. Nói chung trong quá trình s ấy (nhiệt độ từ 120‚ 150 oC) không tách được

ẩm liên kết hoá học, quá trình sấy yêu cầu giữ nguyên các tính chất hoá lý của vật.

2. Liên kết hoá lý

Th ể hiện dưới dạng liên kết hấp thụ và liên k ết thẩm thấu. Lượng ẩm trong liên

kết hoá lý không theo tỉ lệ nhất định nào.

+ Liên k ết hấp thụ:

Trong các v ật ẩm ta gặp những vật keo. Vật keo có c ấu tạo dạng hạt. Bán kính tương đương của hạt từ 0,001 ‚ 0,1m m. Do c ấu tạo hạt nên v ật keo có b ề mặt bên

trong rất lớn, vì vậy nó có năng lượng bề mặt tự do đáng kể. Khi tiếp xúc với không

khí ẩm hay tr ực tiếp với nước, ẩm sẽ xâm nh ập vào vật theo các b ề mặt tự do này

tạo thành liên kết hấp thụ giữa nước và bề mặt.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 9

+ Liên kết thẩm thấu:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Liên k ết thẩm thấu là liên k ết hoá lý gi ữa nước và vật rắn khi có s ự chênh lệch

nồng độ các chất hòa tan ở trong và ngoài tế bào, tức là có sự chênh lệch áp suất hơi

nước. Quá trình th ẩm thấu không kèm theo hi ện tượng tỏa nhiệt và không làm cho

vật bi ến dạng. Về bản ch ất, ẩm th ẩm th ấu trong các t ế bào không khác v ới bình

thường và không ch ứa các chất hòa tan vì các ch ất hoà tan sẽ không thể khuếch tán

vào trong tế bào cùng với nước.

3. Liên kết cơ lý

Đây là mối liên kết giữa vật và nước với tỉ lệ không hạn định, được hình thành do

sức căng bề mặt của nước trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật. Liên kết

cơ học được chia làm ba d ạng: liên k ết cấu trúc, liên k ết mao d ẫn và liên k ết dính

ướt.

+ Liên k ết cấu trúc:

Được hình thành trong quá trình hình thành v ật (ví dụ như quá trình đông đặc...).

Để tách nước trong tr ường hợp này có th ể dùng ph ương pháp nén ép, làm cho n ước

bay hơi hoặc phá vỡ cấu trúc của vật... Sau khi tách n ước, vật bị biến dạng nhiều, có

thể thay đổi tính chất, thậm chí có thể thay đổi cả trạng thái pha.

+ Liên k ết mao dẫn:

Nhi ều vật ẩm có cấu tạo mao quản, ví dụ như gỗ, vải... Trong các v ật thể này có

vô số các mao qu ản. Các vật thể này khi để trong không khí, n ước sẽ theo các mao

quản xâm nh ập vào vật thể. Khi vật thể này đặt trong môi tr ường không khí ẩm thì

hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao dẫn và theo các mao qu ản xâm nh ập vào vật

thể. Tách ẩm liên kết mao dẫn bằng phương pháp làm cho ẩm bay hơi hoặc đẩy ẩm

ra bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn. Vật sau khi tách ẩm mao dẫn nói chung vẫn

giữ được kích thước, hình dáng và các tính chất hoá lý.

+ Liên k ết dính ướt:

Được hình thành do n ước bám dính vào b ề mặt vật với góc dính ướt <90 oC và

dính ướt nhờ vào sức căng bề mặt. Ẩm liên kết dính ướt được tách kh ỏi vật dễ dàng

bằng phương pháp bay h ơi, đồng thời cũng có th ể tách ra b ằng các ph ương pháp cơ

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 10

học như: lau, thấm, thổi, vắt ly tâm...

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

1.2 Quá trình đốt nóng và làm lạnh

1.2.1 Quá trình đốt nóng và đốt nóng tăng ẩm

1) Quá trình đốt nóng không tăng ẩm

Qúa trình này x ảy ra

nhờ thi ết bị trao đổi

k k k g k / J k , I

nhiệt (calorife) trong h ệ

thống sấy. Giả sử không

0j )

khí tại điểm A(t 0,

được đốt nóng không

tăng ẩm đến điểm

1j ). Đặc tr ưng của

B(t1,

quá trình đốt nóng là

d 0

d n

d kg/kg kkk

nhiệt độ tăng nh ưng

lượng chứa ẩm d không

đổi.

2) Quá trình đốt nóng tăng ẩm

Quá trình đốt nóng tăng ẩm thường được sử dụng trong kỹ thuật xử lý không khí

bằng cách phun n ước ho ặc hơi nước có nhi ệt độ cao h ơn nhi ệt độ không khí vào

0j ) cần đốt nóng tăng ẩm đến

j >

không khí. Ch ẳng hạn, không khí ở trạng thái A(t 0,

nj ) (t n>t0;

) thì quá trình đó được biểu diển trên đồ thị theo trạng thái N(t n,

njj =

= const. đường AN, trong đó N là giao điểm của 2 đường t = tn = const và

1.2.2 Quà trình làm lạnh và làm lạnh - khử ẩm

Quá trình làm l ạnh ng ược với quá trình đốt nóng. Trong quá trình này nhi ệt độ

giảm và độ ẩm tương đối tăng lên.

1) Quá trình làm lạnh đẳng entanpi

Quá trình này x ẩy ra khi phun n ước có cùng nhi ệt độ với không khí vào không

khí. Ch ẳng hạn không khí t ại điểm A được làm lạnh đẳng entanpi đến nhi ệt độ t1

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 11

nào đó thì điểm cuối của quá trình làm lạnh B1’ là điểm cắt nhau giữa đường I = I0 =

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

const và đường t = t 1 =

k k k

const. Nếu muốn khử ẩm

=100%

g k / J k

, I

theo quá trình làm l ạnh

đẳng entanpi thì không

t 0 t 1

t s1

khí ở điểm B1’ ph ải

B 1'

được ti ếp tục làm l ạnh

B 2''

đến tr ạng thái b ảo hoà

ệt độ đọng B2” có nhi

B 3'

sương tS1. Điểm B2”

d, kg/kg kkk

chính là giao điểm của

đường I = I 0 = const và

đường j = 100%. Nếu không khí t ại điểm B2” tiếp tục được làm lạnh thì quá trình

khử ẩm bắt đầu và sẽ diễn ra dọc theo đường j = 100% về phía d giảm.

2) Quá trình làm lạnh đẳng ẩm

Quá trình này x ẩy ra khi không khí ẩm ở một trạng thái nào đó bị mất nhiệt do

trao đổi nhiệt với môi tr ường. Do đó lượng chứa ẩm của nó không đổi. Không khí

tại điểm A được làm lạnh theo quá trình d = const đến nhiệt độ đọng sương tS2 thì

điểm đọng sương B3’ sẽ là giao điểm của đường d = do = const và đường j =100%.

Tương tự nếu không khí ở điểm B3’ tiếp tục được làm lạnh thì quá trình kh ử ẩm sẽ

bắt đầu và được thực hiện dọc theo đường j = 100% về phía d giảm.

1.3 Các ph ương pháp sấy

Sấy là quá trình tách n ước và h ơi nước ra kh ỏi vật. Tuy nhiên, s ấy là một quá

trình công ngh ệ đòi hỏi sau khi s ấy, vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu t ốn

năng lượng ít và chi phí vận hành thấp. Có hai phương pháp sấy:

1.3.1 Phương pháp sấy nóng

Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân s ấy và vật liệu sấy được đốt nóng. Do

tác nhân sấy được đốt nóng nên độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp su ất hơi

nước pam trong tác nhân s ấy giảm. Mặt khác do nhi ệt độ của vật liệu sấy tăng lên

nên mật độ hơi trong các mao qu ản tăng và phân áp su ất hơi nước trên bề mặt vật

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 12

cũng tăng theo công thức:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

p p

dr2 h p r o

(cid:252) (cid:236) - (cid:253) (cid:237) φ = = exp (1.9) (cid:254) (cid:238)

Trong đó:

r_ áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, N/m2.

o_ áp suất trên bề mặt thoáng, N/m2.

hr _ mật độ hơi trên cột dịch thể trong ống mao dẫn, kg/m3.

or _ mật độ dịch thể, kg/m3.

δ_Sức căng bề mặt thoáng,N/m2.

Nh ư vậy trong hệ thống sấy nóng có hai cách để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi

nước giữa vật liệu sấy và môi trường:

1) Giảm phân áp suất của hơi nước trong tác nhân sấy bằng cách đốt nóng.

2) Tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy.

Tóm lại, nhờ đốt nóng cả tác nhân s ấy và vật liệu sấy hoặc chỉ đốt nóng vật liệu

sấy mà hi ệu số giữa phân áp su ất hơi nước trên bề mặt vật Phb và phân áp su ất hơi

nước trong tác nhân s ấy Ph tăng lên dẫn đến quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng

vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường.

Do đó, hệ th ống sấy nóng th ường được phân lo ại theo ph ương pháp cung c ấp

nhiệt:

+ Hệ th ống sấy đối lưu: Vật li ệu sấy nh ận nhi ệt bằng đối lưu từ một dịch th ể

nóng mà thông th ường là không khí nóng ho ặc khói lò. H ệ thống sấy đối lưu gồm:

hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động….

+ H ệ thống sấy tiếp xúc: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng. Nh ư vậy

trong hệ thống sấy tiếp xúc, người ta tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tăng phân áp

suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy. Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ thống sấy lô,

hệ thống sấy tang…

+ H ệ thống sấy bức xạ: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để dẫn ẩm

dịch chuy ển từ lòng v ật li ệu sấy ra b ề mặt và t ừ bề mặt vào môi tr ường. Ở đây

người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường bằng

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 13

cách đốt nóng vật.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

+ H ệ th ống sấy dùng dòng điện cao t ần ho ặc dùng n ăng lượng điện từ tr ường:

Khi vật liệu sấy đặt trong môi tr ường điện từ thì trong v ật xuất hiện các dòng điện

và chính dòng điện này sẽ đốt nóng vật.

* Ưu điểm của phương pháp sấy nóng:

+ Th ời gian sấy bằng các ph ương pháp sấy nóng ng ắn hơn so với phương pháp

sấy lạnh.

+ N ăng suất cao và chi phí ban đầu thấp.

+ Ngu ồn năng lượng sử dụng cho phương pháp sấy nóng có th ể là khói th ải, hơi

nước nóng, hay các nguồn nhiệt từ dầu mỏ, than đá, rác thải,... cho đến điện năng.

+ Th ời gian làm việc của hệ thống cũng rất cao.

* Nhược điểm

+ Ch ỉ sấy được các vật sấy không cần có các yêu cầu đặc biệt về nhiệt độ.

+ S ản phẩm sấy thường hay bị biến màu và chất lượng không cao.

1.3.2 Phương pháp sấy lạnh

Trong ph ương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh áp su ất hơi nước giữa vật

liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy Ph

nhờ giảm độ chứa ẩm d. Mối quan hệ đó được thể hiện theo công thức:

. dB + 621

(1-10). Ph =

Trong đó: B: áp suất môi trường (áp suất khí trời).

Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi tr ường có thể trên dưới nhiệt độ môi trường (t > 0 oC) và cũng có thể nhỏ hơn 0 oC.

Có th ể phân loại hệ thống sấy lạnh như sau: 1. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ t > 0 oC

Với hệ thống sấy này, nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ

bằng nhiệt độ môi trường. Tác nhân sấy thường là không khí. Tr ước hết, không khí

được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các máy kh ử ẩm hấp phụ. Sau

đó được đốt nóng ho ặc làm lạnh đến nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 14

Khi đó, phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bé hơn phân áp suất hơi nước trên

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

bề mặt vật liệu sấy nên ẩm từ dạng lỏng sẽ bay hơi và đi vào tác nhân sấy. Như vậy,

quy lu ật dịch chuyển ẩm trong lòng v ật li ệu sấy và từ bề mặt vật vào môi tr ường

trong các hệ thống sấy lạnh giống như các loại hệ thống sấy nóng. Điều khác nhau ở

đây là cách gi ảm phân áp su ất hơi nước Ph trong tác nhân s ấy. Trong các h ệ thống

sấy nóng đối lưu người ta gi ảm Ph bằng cách đốt nóng tác nhân s ấy (d = const) để

tăng áp su ất bão hoà d ẫn đến giảm độ ẩm tương đối j . Còn các h ệ thống sấy lạnh

có nhi ệt độ tác nhân s ấy bằng nhi ệt độ môi tr ường ch ẳng hạn, ng ười ta tìm cách

giảm phân áp su ất hơi nước của tác nhân s ấy bằng cách gi ảm lượng chứa ẩm d kết

hợp với quá trình làm l ạnh (sau kh ử ẩm bằng hấp phụ) hoặc đốt nóng (sau kh ử ẩm

bằng làm lạnh)

2. Hệ thống sấy thăng hoa

Hệ thống sấy thăng hoa là hệ thống sấy lạnh mà trong đó ẩm trong vật liệu sấy ở

dạng rắn trực tiếp biến thành hơi đi vào tác nhân sấy. Trong hệ thống sấy này người

ta tạo ra môi tr ường trong đó nước trong v ật li ệu sấy ở dưới điểm 3 th ể, ngh ĩa là

nhiệt độ của vật liệu T<273 K và áp su ất tác nhân sấy bao quanh vật P<610 Pa. Khi

đó nếu vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng thì nước trong vật liệu sấy ở dạng rắn sẽ

chuyển trực tiếp sang dạng hơi và đi vào tác nhân s ấy. Như vậy trong hệ thống sấy thăng hoa, một mặt ta làm lạnh vật xuống dưới 0 oC mặt khác tạo chân không xung

quanh vật liệu sấy.

3. Hệ thống sấy chân không

Nếu nhi ệt độ vật li ệu sấy vẫn nh ỏ hơn 273 K nh ưng áp su ất tác nhân s ấy bao

quanh vật P>610 Pa thì khi v ật liệu sấy nhận nhiệt lượng, nước trong vật liệu sấy ở

dạng rắn không th ể chuyển trực tiếp thành hơi để đi vào tác nhân s ấy mà trước khi

biến thành hơi, nước phải chuyển từ thể rắn qua thể lỏng.

* Ưu điểm của phương pháp sấy lạnh

+ Các ch ỉ tiêu v ề ch ất lượng nh ư màu c ảm quan, mùi v ị, kh ả năng bảo toàn

vitamin C cao.

+ Thích h ợp để sấy các loại vật liệu sấy yêu cầu chất lượng cao, đòi hỏi phải sấy

ở nhiệt độ thấp.

+ S ản phẩm bảo quản lâu và ít bị tác động bởi điều kiện bên ngoài

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 15

+ Quá trình s ấy kín nên không phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

* Nhược điểm của phương pháp sấy lạnh

+ Giá thành thiết bị cao, tiêu hao điện năng lớn.

+ V ận hành phức tạp, người vận hành cần có trình độ kỹ thuật cao.

+ C ấu tạo thiết bị phức tạp, thời gian sấy lâu.

+ Nhiệt độ môi ch ất sấy thường gần nhiệt độ môi trường nên ch ỉ thích hợp với

một số loại vật liệu, không sấy được các vật liệu dể bị vi khuẩn làm hư hỏng ở nhiệt

độ môi trường như bị ôi, thiu, mốc…[15]

+ Do cuốn bụi nên có thể gây tắc tại thiết bị làm lạnh.

1.3.3 Sơ đồ thiết bị và trạng thái tác nhân sấy của hệ thống sấy lạnh

Có thể tổ chức sấy ở nhiệt độ thấp theo sơ đồ hồi lưu tuần hoàn. Ta xét các sơ đồ

k k k g k / J k , I

III

=100%

Sơ đồ 1

I II

III

Thiãút bë sáúy Maïy huït áøm

d, kg/kg kkk

Maïy laûnh

Quaût

Nguyên lý

Tác nhân s ấy sau khi ra kh ỏi thiết bị sấy được dẫn qua máy hút ẩm để khử bớt

ẩm. Thường quá trình kh ử ẩm, do ch ất hấp phụ phải liên tục hoàn nguyên nên quá

trình khử ẩm là quá trình d gi ảm, nhiệt độ tăng. Trên đồ thị I-d biểu diễn bởi đường

C0A. Không khí ở trạng thái A xác định bởi cặp thông số (d1,t1), được làm lạnh đến

trạng thái B xác định bởi cặp thông số (d1,t0). Tác nhân s ấy ở trạng thái B có nhi ệt

1j rất bé được đưa vào thiết bị sấy để thực hiện quá trình sấy

độ và độ ẩm tương đối

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 16

đẳng nhiệt BC0.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

k k k g k / J k , I

III

=100%

Thiãút bë sáúy

Maïy laûnh khæí áøm

I II

d, kg/kg kkk

Maïy laûnh

III

Sơ đồ 2

Nguyên lý:

Tác nhân sấy sau khi ra kh ỏi thiết bị sấy được làm lạnh khử ẩm theo quá trình

C0A1A2. Không khí ở trạng thái C 0 có nhi ệt độ t0 và lượng chứa ẩm d2 được làm

lạnh đẳng ẩm (d2 = d = const) đến trạng thái bảo hoà A1. Không khí ở trạng thái A1

được tiếp tục làm lạnh. Khi đó hơi nước trong không khí sẽ ngưng tụ một phần. Giả

sử tr ạng thái A 2 có thông s ố (d 1,t1) và ta có: d 1

trạng thái bảo hoà A2 được đốt nóng đẳng dung ẩm d = d1 = const đến nhiệt độ môi

trường t0 theo quá trình A2B trong bộ đốt nóng. Tác nhân sấy ở trạng thái B có nhiệt

1j rất bé được đưa vào thi ết bị sấy để thực hiện quá

độ t0 nhưng độ ẩm tương đối

trình sấy đẳng nhiệt BC0.

1.4 Phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt

1.4.1 Thế sấy

Trong quá trình s ấy, để có th ể hấp thụ được ẩm trong vật, tác nhân s ấy cần phải

có thế sấy lớn. Tức là phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy tại bề mặt vật sấy nhỏ

hơn phân áp suất của hơi nước trong vật, nhờ đó ẩm sẽ thoát ra khỏi vật và được tác

nhân sấy hấp thụ. Đối với tác nhân sấy là không khí, để làm được điều đó thì độ ẩm

tương đối của không khí ph ải nh ỏ. Trong công ngh ệ sấy lạnh, ng ười ta t ập trung

làm giảm dung ẩm của không khí, nh ưng đồng thời cũng yêu cầu nhiệt độ phải nhỏ

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 17

hơn nhiệt độ môi trường [6]. Không khí được hút ẩm, độ chứa hơi giảm làm cho độ

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

ẩm tương đối giảm (nhiệt độ có thể không đổi) dẫn đến nhiệt độ nhiệt kế ướt giảm.

tức là làm tăng độ chênh D t tăng sẽ tăng cường truyền nhiệt từ t = tk – tu. Trị số D

không khí tới vật làm cho ẩm bốc hơi thoát vào không khí d ưới tác động của chênh

lệch phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật và không khí.

1.4.2 So sánh hai phương pháp sấy lạnh

1. Thiết bị bài ẩm chuyên dụng.

Để hút ẩm đến độ ẩm nhỏ và sấy lạnh, lâu nay chúng ta hay dùng máy bài ẩm –

tên gọi tiếng Việt để chỉ máy hút ẩm chuyên dùng ki ểu hấp phụ [8]. Sơ đồ cấu tạo

Baïnh cháút háúp phuû

Daìn laìm noïng khäng khê

Khäng khê áøm

Læåïi loüc buûi

Khäng khê khä

Daìn laìm laûnh khäng khê

Læåïi loüc buûi

Âäüng cå

Khäng khê áøm

Khäng khê khä âaî âæåüc giaím nhiãût âäü

Khäng gian cáön huït áøm

Så âäö nguyãn lyï thiãút bë baìi áøm chuyãn duûng

của hệ thông như hình vẽ:

Nguyên lý:

Không khí ẩm được cho đi qua một kh ối ch ất hấp ph ụ ch ế tạo ở dạng bánh xe

quay. Ẩm trong không khí được hấp thụ. Sau khi h ấp thụ ẩm, phần bánh ch ất hấp

phụ ẩm quay sang phía có dòng không khí nóng đi qua (không khí nóng này được

gia nhiệt bởi một dàn điện trở) và được hoàn nguyên – khôi phục được khả năng hút

ẩm. Phần bánh ch ất hấp phụ hoàn nguyên trao đổi nhiệt với dòng không khí nóng

nên sau khi hoàn nguyên nhi ệt độ của nó tương đối cao. Do vậy khi hấp thụ ẩm trở

lại, nhi ệt độ dòng không khí c ũng cao do trao đổi nhi ệt với ph ần bánh h ấp ph ụ

nóng. Không khí khô vì v ậy cần được đưa qua một máy lạnh để đưa nhiệt độ không

khí đến nhiệt độ cần thiết cho quá trình s ấy. Sau đó dòng khí khô nhi ệt độ thấp sẽ

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 18

được đưa vào bu ồng sấy. Ẩm trong v ật sẽ được không khí khô h ấp th ụ chuy ển

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

thành không khí ẩm. Dòng khí ẩm quay tr ở về thiết bị bài ẩm. Đấy là một chu kì

làm việc của thiết bị.[6]

Máy bài ẩm có ưu điểm là kh ả năng hút ẩm lớn, năng suất hút ẩm khá cao. Tuy

nhiên nó còn có nhiều nhược điểm:

+ Tiêu hao n ăng lượng lớn (cho hoạt động của dàn điện trở và máy lạnh) làm cho

chi phí sử dụng cao.

+ Ch ất hấp phụ sau một thời gian ho ạt động sẽ cần được thay th ế, mà ch ất hấp

phụ này thường phải nhập ngoại nên làm cho chi phí bảo dưỡng cao.

+ Giá thành thi ết bị lớn, ngoài máy hút ẩm ra còn k ết hợp với máy lạnh nên chi

phí đầu tư ban đầu cao.

+ Trong điều kiện làm việc nhiều bụi thì máy ph ải có thời gian ngừng hoạt động

để làm sạch cho chất hấp phụ của máy hút ẩm.

Daìn noïng

Daìn laûnh

Buäöng sáúy laûnh

Så âäö nguyãn lyï cuía hãû thäúng båm nhiãût maïy neïn

2. Thi ết bị bơm nhiệt

Nguyên lý:

Không khí ẩm được đưa qua dàn lạnh. Tại đây, ẩm trong không khí được ngưng

tụ lại trên dàn l ạnh. Do vậy, dung ẩm trong không khí gi ảm xuống nhưng nhiệt độ

của nó cũng giảm nên độ ẩm tương đối cao. Sau đó dòng khí l ại tiếp tục được đưa

qua dàn nóng. Tại đây, dòng khí được sấy nóng đẳng dung ẩm làm cho độ ẩm tương

đối của nó giảm xuống.[6]

* Ưu điểm của phương pháp:

+ Giảm chi phí cho thiết bị, chi phí cho vận hành và bảo dưỡng.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 19

+ Năng lượng của dàn nóng và dàn lạnh đều được tận dụng triệt để.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

+ Quá trình ho ạt động của thi ết bị không b ị gián đoạn do không ph ải thay th ế

chất hấp phụ như trong máy bài ẩm chuyên dụng.

+ Tuổi thọ thiết bị cao, trong kho ảng thời gian 10 n ăm, thiết bị hầu như không

cần đòi hỏi bảo dưỡng. Ch ỉ cần sau một thời gian làm vi ệc, ta vệ sinh các dàn để

đảm bảo điều kiện trao đổi nhiệt.

+ Điện năng sử dụng cũng thấp hơn nhiều so với phương pháp dùng máy bài ẩm.

+ Chất lượng và màu s ắc của vật sấy được giữ tốt hơn, thích hợp để sấy khô các

loại vật phẩm không chịu được nhiệt độ cao.

* Nhược điểm của phương pháp:

+ Thời gian sấy thường lâu hơn so với các phương pháp sấy khác. Để khắc phục

nhược điểm này ta có thể dùng thiết bị sấy với tốc độ cao.

+ Chỉ sấy được ẩm tự do, việc sấy ẩm liên kết là rất khó khăn.[15]

1.4.3 Đặc tính quá trình sấy lạnh

Khi sấy lạnh, nhiệt độ

=100

và độ ẩm không khí cu ối

k k k g k / J k , I

quá trình s ấy đều nh ỏ

hơn các giá tr ị tương

ứng của môi tr ường.

Quá trình làm vi ệc của

bơm nhi ệt sấy lạnh xẩy

d, kg/kg kkk

ra theo chu trình 1231

d 2

d 3

như hình v ẽ. Còn quá

trình làm việc của tổ hợp

máy hút ẩm chuyên dụng và máy l ạnh là chu trình 23”12. Nh ư vậy, với cùng mục

đích tạo nên quá trình sấy 1-2 thì khi dùng b ơm nhiệt nhiệt độ thấp, ta đã tạo ra quá

trình làm lạnh 2-3 và gia nhiệt 3-1 thay cho quá trình khử ẩm 2-3” và làm lạnh 3”-1

mà phải có máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh mới thực hiện được.

Trong các quá trình này thì quá trình làm khô không khí 2-3 ở dàn bay h ơi của

bơm nhiệt có vai trò đặc biệt quan tr ọng quyết định hiệu quả của toàn bộ quá trình

gia nhiệt không khí ở dàn ngưng 3-1 và quá trình sấy sản phẩm trong buồng sấy 1-2.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 20

Ở đây, 2-3 là quá trình th ực làm lạnh hổn hợp không khí-n ước hay quá trình làm

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

lạnh kh ử ẩm của không khí. Quá trình này không di ễn bi ến theo quy lu ật đường

thẳng mà theo quan h ệ đường cong lõm v ới độ dốc lớn nh ất ở đầu quá trình làm

lạnh. Sở dĩ nh ư vậy là do tr ạng thái không khí nh ận được là h ỗn hợp của 2 dòng

không khí: dòng th ứ nhất truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt khi tiếp xúc tr ực tiếp với dàn

lạnh và có nhi ệt độ gần nhiệt độ bề mặt; dòng th ứ hai không ti ếp xúc tr ực tiếp với

dàn lạnh nên có nhi ệt độ cao h ơn. Hai dòng này tr ộn lẫn với nhau nên nhi ệt độ

không khí xử lý ở mọi vị trí của dàn lạnh theo hướng chuyển động của nó đều có

thể xem là nhi ệt độ của hổn hợp[8]. Quá trình lý thuy ết làm l ạnh hổn hợp này t ừ

nhiệt độ t2 của không khí sau buồng sấy tới nhiệt độ t3 của không khí sau dàn lạnh là

22s3’. Tuy nhiên, trong th ực tế sẽ có sự sai khác gi ữa điểm 3’(không khí bão hoà)

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 21

và điểm 3 (không khí chưa bão hoà). [11]

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Chương 2

LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT

2.1 Khái quát v ề bơm nhiệt

Năm 1852, Thomson (Lord Kelvin) sáng ch ế ra bơm nhiệt đầu tiên của thế giới.

Song song với kỹ thuật lạnh, bơm nhiệt có bước phát tri ển của riêng mình. Nh ững

thành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 khi hàng lo ạt bơm

nhiệt công suất lớn được lắp đặt thành công ở nhiều nước châu Âu để sưởi ấm, đun

nước nóng và điều hoà không khí.[12]

Từ khi xẩy ra cu ộc kh ủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, b ơm nhiệt lại

bước vào một bước tiến nhảy vọt mới. Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cở cho các

ứng dụng khác nhau được nghiên c ứu chế tạo, hoàn thi ện và bán r ộng rãi trên th ị

trường. Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa

không khí, sấy, hút ẩm, đun nước….

Båm nhiãût

Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt

Hình a: Sơ đồ thiết bị Hình b: S ơ đồ dòng năng lượng

MN: Máy nén; NT: Thiết bị ngưng tụ; TL: Van tiết lưu; BH:thiết bị bay hơi

l: Công tiêu tốn cho máy nén; qo: Nhiệt lượng lấy từ môi trường.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 22

qk: Nhiệt lượng thải ra ở dàn ngưng tụ.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

2.2 Nguyên lý hoạt động

Bơm nhiệt là một thiết bị dùng để bơm một dòng nhi ệt từ mức nhiệt độ thấp lên

mức nhi ệt độ cao h ơn, phù h ợp với nhu c ầu cấp nhi ệt. Để duy trì b ơm nhiệt ho ạt

động cần tiêu tốn một dòng năng lượng khác (điện hoặc nhiệt năng). Như vậy máy

lạnh cũng là một loại bơm nhiệt và có chung m ột nguyên lý ho ạt động. Các thiết bị

của chúng là giống nhau. Người ta chỉ phân biệt máy lạnh với bơm nhiệt ở mục đích

sử dụng mà thôi. Máy l ạnh gắn với việc sử dụng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi còn

bơm nhiệt gắn với việc sử dụng nguồn nhiệt ở thiết bị ngưng tụ. Do yêu cầu sử dụng

nguồn nhiệt nên bơm nhiệt hoạt động ở cấp nhiệt độ cao hơn.

Cũng như máy lạnh, bơm nhiệt làm vi ệc theo chu trình ng ược với các quá trình

lgP

chính như sau:

1 – 2: quá trình nén h ơi môi chất từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp lên áp suất cao và

nhiệt độ cao trong máy nén hơi. Qúa trình nén là đoạn nhiệt.

2 – 3: quá trình ng ưng tụ đẳng nhiệt trong thi ết bị ngưng tụ, thải nhiệt cho môi

trường.

3 – 4: quá trình ti ết lưu đẳng entanpi (i 3 = i4) của môi ch ất lỏng qua van ti ết lưu

từ áp suất cao xuống áp suất thấp.

4 – 1: quá trình bay h ơi đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp và áp su ất thấp, thu nhiệt của

môi trường lạnh.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 23

Mục đích sử dụng chính của bơm nhiệt là lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Năng suất nhiệt của bơm nhiệt chính là phương trình cân bằng nhiệt ở máy lạnh:

qk = qo + l

Hi ện nay, ng ười ta ch ế tạo nhiều loại bơm nhiệt làm vi ệc theo nhi ều nguyên lý

khác nhau như bơm nhiệt hấp thụ, bơm nhiệt nén khí, bơm nhiệt nén hơi, bơm nhiệt

nhiệt điện. Nói chung, hi ện nay tất cả các lo ại bơm nhiệt đều được sử dụng nhưng

được sử dụng rộng rãi nhất vẫn là bơm nhiệt nén hơi.

Ngoài b ốn loại bơm nhi ệt nói trên chúng còn được ghép lại với nhau nh ằm đạt

hiệu quả nhất định. Ví dụ bơm nhiệt hấp thụ - nén hơi nhằm mục đích tăng nhiệt độ

ngưng tụ, qua đó tăng nhiệt độ chất tải nhiệt. Nguyên lý hoạt động chủ yếu như máy

lạnh hấp thụ nhưng giữa bình sinh hơi và dàn ngưng người ta lắp thêm một máy nén

hút hơi từ bình sinh h ơi và nén vào dàn ng ưng. Áp su ất ngưng tụ cao lên đưa nhiệt

độ ngưng tụ cao lên theo, và hệ số nhiệt của nó tăng lên đáng kể.

2.3 Hệ số nhiệt của bơm nhiệt

Để đánh giá hi ệu qu ả chuyển hóa n ăng lượng, ta dùng h ệ số nóng (h ệ số bơm

nhiệt) với định nghĩa: hệ số nóng j là nhi ệt lượng môi ch ất thải cho ngu ồn nóng

+= e

ứng với một đơn vị công hổ trợ và được biểu thị bằng:

qk l

. (2-1)

Nếu sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp thì hiệu quả kinh tế còn cao hơn nhiều

vì chỉ cần tiêu tốn một dòng năng lượng l ta được cả năng suất lạnh q0 và năng suất

ej là hệ số nhiệt lạnh của bơm nhiệt nóng lạnh thì:

=+= ej

2 e

nhiệt qk như mong muốn. Gọi

(2-2)

Như vậy hệ số nhiệt của bơm nhiệt là đại lượng luôn lớn hơn 1. Do đó ứng dụng

của bơm nhiệt bao giờ cũng có lợi về nhiêt. Hệ số nhiệt của bơm nhiệt đóng vai trò

quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt.

Hệ số nhi ệt th ực của bơm nhiệt j nh ỏ hơn hệ số nhi ệt lý thuy ết tính theo chu

cj .

trình Cácnô

.= cjuj

(2-3)

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 24

Với hai nguồn nóng - lạnh có nhiệt độ Tk và T0, theo chu trình Cácnô ta có:[4]

T k

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

T k

= uj

(2-4) -

T k

T 0

Như vậy ta suy ra: (2-5) -

Trong đó u là hiệu suất execgi hay hệ số hoàn nhiệt của chu trình thực.

Dựa vào phương trình trên ta th ấy hệ số nhiệt lý thuyết có thể tính theo chu trình

Cácnô phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ của dàn ngưng tụ và dàn bay h ơi. Để bơm nhiệt

sao cho hệ đạt hiệu quả kinh tế cao thì thường người ta phải chọn hiệu nhiệt độ TD

số nhiệt thực tế của bơm nhiệt phải đạt từ 3 đến 4 trở lên, nghĩa là hiệu nhiệt độ phải

nhỏ hơn 60K. Cũng chính vì lý do đó mà chỉ trong những trường hợp đặc biệt người

ta mới sử dụng hai cấp nén. Đó chính là sự khác biệt quan trọng giữa bơm nhiệt và

máy nén.[12]

2.4 So sánh các phương án cấp nhiệt

Để thấy rõ hi ệu quả năng lượng của bơm nhiệt ta có th ể so sánh m ột số phương

án trên sơ đồ cấp nhiệt từ nguồn năng lượng sơ cấp đến nơi tiêu th ụ. Nguồn năng

lượng sơ cấp là than, dầu mỏ và khí thiên nhiên…. Ở nước ta nguồn năng lượng sơ

cấp chủ yếu là than đá nên ta lấy than đá cho những ví dụ về cấp nhiệt. Ví dụ ta cần cấp nhiệt cho lò s ấy từ 70 đến 100 oC, nghĩa là nhi ệt độ đó phù hợp với khả năng

của bơm nhiệt.

70% hao huût åí nhaì maïy âiãûn

3% hao huût trãn âæåìng taíi âiãûn

Nàng læåüng så cáúp

100 than khai thaïc åí moí

Nàng læåüng hæíu êch

+ Phương án 1:

Dùng than để sản xu ất ra điện ở nhà máy nhi ệt điện, sau đó sử dụng tr ực ti ếp

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 25

năng lượng điện để cấp cho lò s ấy thì hi ệu su ất sử dụng than s ẽ là: 100% than –

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

70% hao hụt ở nhà máy điện – 3% hao hụt trên đường tải điện. Hiệu suất thực tế là

27%.

+ Phương án 2:

Nếu sử dụng than để đốt lò hơi, cung cấp nhi ệt cho hầm sấy bằng hơi nước thì

hiệu su ất sử dụng than nh ư sau: 100% than s ản xu ất ở mỏ – 6% hao h ụt khi v ận

50% täøn tháút åí loì håi

6% váûn chuyãøn

100

than khai thaïc åí moí

Nàng læåüng så cáúp

Nàng læåüng hæíu êch Sp=44

chuyển bốc dở – 50% hao hụt ở lò hơi. Hiệu suất thực tế là 44%.

+ Phương án 3:

Các điều kiện như trong phương án 1, nhưng không sử dụng trực tiếp năng lượng

điện qua các bộ đốt điện trở mà sử dụng qua bơm nhiệt nén hơi. Với hệ số nhiệt của

70% hao huût åí nhaì maïy âiãûn

3% hao huût trãn âæåìng taíi âiãûn

Nàng læåüng så cáúp

100 than khai thaïc åí moí

Sp=27%

71- 98%

Nàng læåüng hæíu êch

54 - 71%

Mäi træåìng

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 26

bơm nhiệt j = 3 – 4 tùy theo TD , Sp cũng tăng lên gấp 3 - 4 lần.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

+ Phương án 4:

Giống như phương án 2 nh ưng năng lượng hữu ích 44% đó không sử dụng trực

bơm nhiệt có hệ số tiếp ngay cho h ầm sấy mà sử dụng qua một bơm nhiệt hấp thụ. Theo kinh nghi ệm, Aj » 1,4. Như vậy năng lượng hữu ích sẽ tăng lên 1,4 lần: Sp,A=

62%.

50% täøn tháút åí loì låi

6% váûn chuyãøn

100

than khai thaïc åí moí

Nàng læåüng så cáúp

Sp=44

Nàng læåüng hæíu êch ~62

Mäi træåìng

1,4.44% »

+ Phương án 5:

Sử dụng than đốt cho bu ồng sấy tr ực ti ếp qua thi ết bị trao đổi nhi ệt thì n ăng

lượng hữu ích là 100% tr ừ đi 6% t ổn th ất vận chuyển, 32% cho thi ết bị bi ến đổi

năng lượng tại chổ. Vậy Sp= 62%.

+ Ph ương án 6:

S ử dụng than đốt tr ực ti ếp bình sinh h ơi của máy l ạnh hấp th ụ ta s ẽ có n ăng

Aj = 1,4.62% = 87%.

lượng hữu ích: Sp,A = Sp.

Qua 6 ph ương án cấp nhiệt nêu ra ở trên ta thấy tất cả các phương án cấp nhiệt có

bơm nhiệt đều có hệ số sử dụng năng lượng sơ cấp cao hơn. Một ưu điểm nữa của

phương án sử dụng bơm nhiệt là có th ể sử dụng được cả công suất lạnh của nó cho

các mục đích khác như bảo quản hoặc điều tiết không khí.

2.5 Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt

1) Môi chất và cặp môi chất

Môi ch ất và cặp môi ch ất của bơm nhiệt có yêu c ầu như máy lạnh. Một vài yêu

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 27

cầu đặc biệt hơn xuất phát từ nhiệt độ sôi và ng ưng tụ cao hơn, gần giống như chế

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

độ nhiệt độ cao của điều hòa không khí, nghĩa là cho đến may người ta vẫn sử dụng

các loại môi chất như: R12, R22, R502 và MR cho máy nén tuabin. G ần đây người

ta chú ý đến việc sử dụng các môi ch ất mới cho bơm nhiệt nhằm nâng cao nhi ệt độ

dàn ngưng như: R21, R113, R114, R12B1, R142…

2) Máy nén lạnh

Cũng như máy nén lạnh, máy nén là b ộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt. Tất

cả các dạng máy nén c ủa máy lạnh đều được ứng dụng trong b ơm nhiệt. Đặc biệt

quan trọng là máy nén piston tr ượt, máy nén tr ục vít và máy nén tuabin. M ột máy

nén bơm nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, ch ạy êm và c ần phải có hi ệu suất

cao trong điều kiện thiếu hoặc đủ tải.

3) Các thiết bị trao đổi nhiệt

Các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản trong bơm nhiệt là thiết bị bay hơi và ngưng tụ.

Máy lạnh hấp thụ có thêm thiết bị sinh hơi và hấp thụ. Giống như máy lạnh, thiết bị

ngưng tụ và bay h ơi của bơm nhiệt cũng bao g ồm các d ạng: ống chùm, ống lồng

ngược dòng, ống đứng và ống kiểu tấm. Các phương pháp tính toán cũng giống như

chế độ điều hoà nhiệt độ.

4) Thiết bị phụ của bơm nhiệt

Tất cả các thiết bị phụ của bơm nhiệt giống như thiết bị phụ của máy lạnh. Xuất

phát từ yêu cầu nhiệt độ cao hơn nên đòi hỏi về độ tin cậy, công nghệ gia công thiết

bị cao hơn. Đây cũng là vấn đề đặt ra đối với dầu bôi trơn và đệm kín các loại trong

hệ thống.

Do bơm nhiệt phải hoạt động ở chế độ áp suất và nhiệt độ gần sát với giới hạn tối

đa nên các thi ết bị tự động rất cần thi ết và ph ải ho ạt động với độ tin c ậy cao để

phòng hư hỏng thiết bị khi chế độ làm việc vượt quá giới hạn cho phép.

Đối với van ti ết lưu, bơm nhiệt có ch ế độ làm vi ệc khác máy l ạnh nên cũng cần

có van tiết lưu phù hợp.

5) Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt

Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt là những thiết bị hổ trợ cho bơm nhiệt phù hợp

với từng phương án sử dụng của nó. Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt gồm một số

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 28

loại sau:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

+ Các phương án động lực của máy nén như: động cơ điện, động cơ gas, động cơ

diesel hoặc động cơ gió…

+ Các phương án sử dụng nhiệt thu ở dàn ngưng tụ. Nếu là sưởi ấm thì có th ể sử

dụng dàn ng ưng trực tiếp hoặc gián ti ếp qua một vòng tu ần hoàn ch ất tải nhiệt, có

thể sử dụng để sấy, nấu ăn, hút ẩm…Mỗi phương án đòi hỏi những thiết bị hổ trợ

khác nhau.

+ Các phương án cấp nhiệt cho dàn bay hơi. Trường hợp sử dụng dàn lạnh đồng

thời với nóng thì phía dàn bay h ơi có thể là buồng lạnh hoặc chất tải lạnh. Ngoài ra

còn có th ể sử dụng dàn bay h ơi đặt ngoài không khí, dàn bay h ơi sử dụng nước

giếng là môi trường cấp nhiệt. Còn có những phương án như dàn bay hơi đặt ở dưới

nước, đặt ở dưới đất hoặc sử dụng năng lượng mặt trời.

+ Các thi ết bị điều khi ển, kiểm tra tự động sự hoạt động của bơm nhiệt và các

thiết bị hổ trợ. Đây là nh ững thiết bị tự động điều khiển các thi ết bị phụ trợ ngoài

bơm nhiệt để phù hợp với hoạt động của bơm nhiệt.

2.6 Ứng dụng của bơm nhiệt trong nền kinh tế quốc dân

Nh ư đã trình bày, b ơm nhiệt có thể được ứng dụng trong tất cả các cơ sở có nhu cầu năng lượng ở khoảng nhiệt độ thấp từ 40 – 80 0C hoặc có thể cao đến 115 – 120 0C. Nếu như nhu cầu về nóng lạnh tương đối ăn khớp nhau thì hi ệu quả kinh tế của

bơm nhiệt càng lớn.

Khi s ử dụng bơm nhi ệt cần chú ý hi ệu qu ả kinh t ế của nó bi ểu hi ện qua h ệ số

bơm nhiệt j . Hệ số nhiệt của bơm nhiệt j phụ thuộc rất nhiều vào hi ệu nhiệt độ

của dàn ng ưng và dàn bay h ơi. Ngoài ra, mu ốn bơm nhiệt đạt hiệu quả cao thì nhu

cầu về nóng lạnh phải liên tục và ổn định để thời gian hoàn vốn của thiết bị là thấp

nhất.

Sau đây là một số ứng dụng cụ thể của bơm nhiệt:

2.6.1 Ứng dung bơm nhiệt trong công nghiệp sấy, hút ẩm

Bơm nhiệt hút ẩm có cấu tạo như hình vẽ trang bên.

Nguyên lý làm việc

Bơm nhiệt hút ẩm thực chất là một máy lạnh nhưng được bố trí đặc biệt để làm

nhiệm vụ khử ẩm trong không khí. B ơm nhiệt hút ẩm gồm máy nén 1, van ti ết lưu

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 29

3, hai đầu có bố trí dàn ngưng tụ và dàn bay hơi. Đáy dưới và nắp trên với hai thành

Daìn ngæng

Daìn bay håi

k k k g k / J k , I

Quaût

=100%

Can

Maïy neïn

d, kg/kgkkk

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Hình a: Bơm nhiệt hút ẩm Hình b:Trạng thái không khí khi

đơn giản. qua khử ẩm ở bơm nhiệt hút ẩm.

1 - Máy nén; 2 - Dàn ngưng; A - Trước dàn bay hơi

3 - Tiết lưu; 4 – Dàn bay hơi; B – Sau dàn bay h ơi

bên được bọc kín để không khí ch ỉ có thể đi theo một hướng từ dàn bay hơi ra phía

5 - Quạt gió; 6 – Khay hứng nước; C – Sau dàn ngưng

dàn ngưng tụ. Không khí được hút qua bơm nhiệt nhờ quạt hướng trục 5. Không khí

trong phòng đầu tiên đi qua dàn bay h ơi với trạng thái ban đầu ở điểm A có độ ẩm

1j và nhiệt độ t1. Khi vào dàn bay hơi, nhiệt độ giảm xuống, độ ẩm tương

tương đối

đối tăng lên đến trạng thái bảo hoà. Một phần ẩm ngưng tụ lại chảy xuống khay bên

dưới. Không khí sau khi ra kh ỏi dàn bay h ơi ở trạng thái B v ới j = 100%. Sau đó

j <

không khí đã khử ẩm đi qua dàn ngưng tụ, nhận nhiệt và nhiệt độ tăng lên t2, độ ẩm

2 j

tương đối giảm xuống . Hình b bi ểu diễn trạng thái không khí trên đồ thị I –

d. Nhiệt độ không khí ra kh ỏi dàn ng ưng bao gi ờ cũng lớn hơn vì ph ải nhận thêm

nhiệt do công của máy nén sinh ra và h ơi nước ngưng tụ lại ở dàn bay hơi. Nếu yêu

cầu nhi ệt độ th ấp hơn ta có th ể có ph ương án s ử dụng một ph ần nhi ệt lượng dàn

ngưng vào mục đích khác. Một máy hút ẩm như vậy có thể đặt những nơi cần thiết

giảm độ ẩm không khí xu ống như phòng ở, phòng làm vi ệc, bu ồng ph ơi quần áo,

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 30

thư viện, kho bảo quản các đồ dùng quang h ọc, các kho b ảo quản các sản phẩm dễ

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

mốc, nấm như các hàng mây tre, s ơn mài, cói, các m ặt hàng công ngh ệ phẩm, nông

lâm hải sản xuất khẩu….Đối với nước ta, một nước khí hậu nóng ẩm, nấm mốc và

vi sinh vật phát tri ển rất nhanh làm h ư hỏng và làm gi ảm chất lượng hầu hết tất cả

các mặt hàng công, nông, lâm, ng ư nghiệp đặc biệt là các m ặt hàng xu ất khẩu gây

tổn thất về kinh tế không nh ỏ. Nếu ứng dụng được bơm nhiệt vào công nghi ệp sấy

và hút ẩm chắc chắn sẽ mang lại ý nghĩa kinh tế to lớn.

2.6.2 Bơm nhiệt ứng dụng trong công nghiệp chưng cất, bay hơi, cô đặc

Bơm nhi ệt chu trình h ở được ứng dụng rộng rãi trong công nghi ệp ch ưng cất,

tách chất, bay hơi cô đặc. Sau đây ta gi ới thiệu một số ví dụ về ứng dụng của bơm

Hçnh 1: Båm nhiãût chu trçnh håí âãø bay håi cä âàûc 1 - Maïy neïn; 2 - Trao âäøi nhiãût 3 - Bçnh taïch håi; 4,5 - Trao âäøi nhiãût A: Baïn thaình pháøm vaìo B: Håi næåïc hoàûc håi cuía cháút dãù bay håi C: Næåïc ngæng hoàûc loíng cuía cháút dãù bay håi D: Thaình pháøm

nhiệt trong lĩnh vực này.

Sơ đồ hình 1 gi ới thi ệu bơm nhi ệt chu trình h ở để bay h ơi cô đặc. Bán thành

phẩm A được làm nóng s ơ bộ qua hai thi ết bị trao đổi nhiệt 4 và 5 r ồi đi vào tháp

bay hơi kiểu ống đứng, nhận nhiệt của hơi nén có nhiệt độ cao khi ngưng tụ do máy

nén tuabin 1 nén vào, sau đó được đưa xuống bộ tách lỏng 3. Hơi B được máy nén

hút và nén lên đến áp suất cao đưa trở lại tháp bay hơi 2. Thành phẩm chảy qua thiết

bị trao đổi nhiệt 5 ra ngoài. N ước ngưng hoặc lỏng ngưng tụ C được đưa qua trao

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 31

đổi nhiệt 4 ra ngoài.

Baïn thaình pháøm

Maïy neïn håi næåïc

Thuìng cä âàûc xaî khê

Bçnh ngæng håi næåïc

Næåïc ngæng

Thaình pháøm

Hçnh 2: Thiãút bë cä âàûc duìng chu trçnh håí

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Hình 2 giới thiệu một thiết bị cô đặc cũng bằng chu trình hở nhưng thiết bị bố trí

gọn hơn. Bán thành ph ẩm cần cô đặc (đồ uống, hoá ch ất, dược phẩm…) được đưa

vào thùng sấy và cho chảy tưới lên trên bề mặt ngoài của thiết bị ngưng tụ hơi nước

để nhận nhiệt của hơi nước ngưng tụ. Hơi nước sinh ra s ẽ được máy nén hút v ề và

nén lên áp su ất cao rồi đẩy vào bình ng ưng tụ hơi nước. Như vậy nhiệt lượng cần

thiết để bay hơi chính do nhiệt lượng hơi do máy nén hút ra cung cấp. Người ta chỉ

cần tiêu tốn một năng lượng nhỏ để duy trì máy nén ho ạt động mà thôi. Quá trình

cứ thế lặp đi lặp lại cho đến khi nào đạt được nồng độ yêu cầu. Năng lượng tiêu hao

cho một kg ẩm giảm từ 2790 kJ/kg ẩm đối với phương pháp cô đặc cổ điểm giảm

xuống còn khoảng 70 kJ/kg ẩm. Khi dùng bơm nhiệt chu trình hở, rõ ràng hi ệu quả

năng lượng của bơm nhiệt chu trình hở trong công nghiệp cô đặc là rất to lớn.

Tuy v ậy, bơm nhiệt cho chu trình hở cũng có những nhược điểm:

- Khó vận hành với dung dịch đặc, chỉ phù hợp với dung dịch loãng.

- Khó hoặc không thể vận hành được với dung dịch có độ nhớt quá cao.

- Tỉ số nén ở máy nén thường rất cao khi nhiệt độ bay hơi thấp.

Đối với công nghi ệp chưng cất người ta có th ể sử dụng bơm nhiệt với hiệu quả

kinh tế cao. Thường trong các tháp chưng cất dầu mỏ, hoá chất, bia rượu… người ta

phải gia nhi ệt ở đáy tháp và làm mát ở đỉnh tháp. Hi ệu nhiệt độ giữa đỉnh tháp và

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 32

đáy tháp không cao l ắm. Ứng dụng bơm nhiệt ở đây, người ta bố trí dàn bay h ơi ở

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

phía đỉnh tháp để làm ngưng tụ chất dể bay hơi, còn đặt dàn ngưng ở phía đáy tháp

để gia nhiệt cho dung dịch khó bay hơi.

2.6.3 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm.

Công nghi ệp ch ế bi ến th ực ph ẩm cũng là l ĩnh vực có kh ả năng sử dụng bơm

nhiệt kết hợp nóng lạnh với hiệu quả kinh tế cao vì hầu hết các ngành chế biến thực

phẩm nh ư th ịt, cá, b ơ, sữa, bánh k ẹo, đồ hộp…đều cần lạnh để bảo qu ản và c ần

nước nóng để đun, nấu, tẩy rửa, vệ sinh, diệt khuẩn…

Tr ước đây, trong một xí nghi ệp thực phẩm thường có các kho l ạnh để bảo quản

và các nồi hơi để cấp nhiệt cho quy trình công nghệ sản xuất, chế biến.

Ngày nay, các n ước tiên ti ến trên th ế giới đều sử dụng bơm nhiệt kết hợp nóng

lạnh để cấp nhiệt và cấp lạnh với hiệu quả kinh tế cao.

Nhi ều xí nghi ệp đã cải tạo lại hệ thống lạnh để đồng thời sử dụng cả hai ngu ồn

nóng và lạnh, tránh lãng phí nguồn nhiệt bị bỏ phí trước đây ở thiết bị ngưng tụ.

Nói chung, ngoài công nghi ệp thực phẩm và các ứng dụng đã nêu, bơm nhiệt có

thể ứng dụng cho mọi ngành, mọi nơi có yêu c ầu năng lượng nhiệt ở nhiệt độ thấp

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 33

như sấy, sưởi ấm, chuẩn bị nước nóng…

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Chương 3

CÔNG NGHỆ SẤY RAU QUẢ

3.1. Sơ lược về các sản phẩm rau quả

Các s ản phẩm rau quả ở Việt Nam rất phong phú và đa dạng. Tuỳ vào từng mùa,

từng vùng, quá trình canh tác... sẽ có nhiều loại khác nhau.

Một số tính chất của rau quả liên quan đến quá trình sấy:

Trong quá trình s ấy rau quả xảy ra một loạt biến đổi hóa sinh, hóa lý, c ấu trúc cơ

học và các bi ến đổi bất lợi khác làm ảnh hưởng tới ch ất lượng sản ph ẩm. Nh ững

biến đổi cơ học bao g ồm sự bi ến dạng, nứt, cong queo, bi ến đổi độ xốp... Hàm

lượng vitamin trong rau quả sấy thường thấp hơn trong rau quả tươi vì chúng bị phá

hủy một phần trong quá trình sấy và xử lý trước khi sấy.

Để tránh hoặc làm chậm các biến đổi không thuận nghịch ấy, cũng như tạo điều

kiện để ẩm thoát ra khỏi rau quả một cách dễ dàng, cần có chế độ sấy thích hợp cho

từng loại sản phẩm.

3.2. Công nghệ sấy rau quả

Sấy rau qu ả th ường được th ực hi ện dưới ba d ạng: nguyên d ạng, lát m ỏng, tinh

bột ho ặc nh ũ tương. Tu ỳ theo hình th ức sản ph ẩm, công ngh ệ sấy rau qu ả có th ể

thực hiện theo sơ đồ sau:(Hình 1.1)

Công đoạn chần, hấp nhằm tạo những biến đổi hoá lý thuận lợi cho quá trình sấy

sau này. Dưới tác dụng của hơi nước, các vi sinh vật bị tiêu diệt, các hệ thống enzim

mất hoạt tính, hạn chế tối đa khả năng biến màu trong khi s ấy rau qu ả. Những sản

phẩm nhiều tinh bột khi ch ần sẽ làm hồ hoá tinh b ột, phá vỡ cân bằng bên trong t ế

bào dẫn đến sự thay đổi cấu trúc hệ thống có lợi cho quá trình trao đổi nhiệt lúc sấy.

Xử lý hoá ch ất nhằm hạn chế quá trình oxy hoá làm bi ến màu hoa qu ả khi sấy.

Các chất chống oxy hoá thường được sử dụng là: axit sunfurơ, ascobic, xitric và các

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 34

muối Natri của axit phốtphoric sunfurơ.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Nguyên liệu

Rửa Chọn - phân loại

Gọt sửa

Cắt miếng (Hoặc để nguyên)

Chần (hấp)

Xử lý hoá chất

Chà - Ép Chà

Cô đặc

Sấy Sấy Sấy

Ép bánh Nghiền nhỏ

Bao gói Bao gói Bao gói

Thành phẩm dạng nguyên Thành phẩm dạng bột Thành phẩm dạng bản mỏng

H ình 1.1 Sơ đồ công nghệ sấy rau quả

Trong kỹ thuật sấy màng bọt, cho chất nhũ tương hoà vào nước quả hay purê với

tỉ lệ 0,5-1%. Chất hồ sẽ làm tăng khả năng tạo bọt màng mỏng làm tăng gấp bội bề

mặt trao đổi nhi ệt ẩm dẫn đến làm t ăng kh ả năng bốc ẩm mà ch ất lượng ban đầu

không bị bi ến đổi mấy. Các ch ất sinh nh ũ tương được dùng ph ổ bi ến nh ư: mono-

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 35

stearat của glyxerin, của sacaraza và của saboza.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

1. Nhiệt độ sấy

Yếu tố ảnh hưởng nhi ều đến ch ất lượng sản ph ẩm rau qu ả khô là nhi ệt độ sấy. Nếu nhiệt độ sản phẩm trong quá trình s ấy cao hơn 60 oC thì prôtêin b ị biến tính. Nếu trên 90 oC thì fruetoza bắt đầu bị caramen hoá, các phản ứng tạo ra mebanoizin,

polime hoá hợp chất cao phân t ử ... xảy ra mạnh và ở nhiệt độ cao hơn nữa rau quả

có thể bị cháy. Rau qu ả đòi hỏi có ch ế độ sấy ôn hoà (nhi ệt độ thấp). Nếu loại rau quả ít thành ph ần protêin thì nhi ệt độ đốt nóng sản phẩm có th ể lên đến 80-90 oC.

Nếu tiếp xúc nhiệt trong thời gian ngắn như sấy phun thì nhiệt độ sấy có thể lên đến 150 oC. Đối với sản phẩm không chần như chuối, đu đủ thì có th ể sấy nhiệt độ cao, giai đoạn đầu 90-100 oC, sau đó giảm dần xuống.

Quá trình sấy còn ph ụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt của vật liệu sấy. Nếu tốc độ

tăng nhi ệt quá nhanh thì b ề mặt mặt qu ả bị rắn lại và ng ăn quá trình thoát ẩm.

Ngược lại, nếu tốc độ tăng chậm thì cường độ thoát ẩm yếu.

2. Độ ẩm không khí.

Muốn nâng cao kh ả năng hút ẩm của không khí thì ph ải giảm độ ẩm tương đối

của nó xuống. Có 2 cách làm giảm độ ẩm tương đối của không khí:

- Tăng nhiệt độ không khí bằng cách dùng calorife.

- Giảm nhiệt độ không khí bằng cách dùng máy hút ẩm.

Thông th ường khi vào lò s ấy, không khí có độ ẩm 10 - 13%. N ếu độ ẩm của

không khí quá th ấp sẽ làm rau qu ả nứt hoặc tạo ra lớp vỏ khô trên b ề mặt, làm ảnh

hưởng xấu đến quá trình thoát h ơi ẩm tiếp theo. Nh ưng nếu độ ẩm quá cao s ẽ làm

tốc độ sấy giảm.

Khi ra khỏi lò sấy, không khí mang theo h ơi ẩm của rau quả tươi nên độ ẩm tăng

lên (thông thường khoảng 40 - 60%). N ếu không khí đi ra có độ ẩm quá thấp thì sẽ

tốn năng lượng; ngược lại, nếu quá cao sẽ dễ bị đọng sương, làm hư hỏng sản phẩm

sấy. Người ta điều chỉnh độ ẩm của không khí ra b ằng cách điều chỉnh tốc độ lưu

thông của nó và lượng rau quả tươi chứa trong lò sấy.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 36

3. Lưu thông của không khí.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Trong quá trình sấy, không khí có th ể lưu thông tự nhiên hoặc cưỡng bức. Trong

các lò sấy, không khí l ưu thông tự nhiên với tốc độ nhỏ (nhỏ hơn 0,4m/s), do v ậy

thời gian s ấy th ường kéo dài, làm ch ất lượng sản ph ẩm sấy không cao. Để kh ắc

phục nhược điểm này, ng ười ta ph ải dùng qu ạt để thông gió c ưỡng bức với tốc độ

trong khoảng 0,4 - 4,0 m/s trong các thi ết bị sấy. Nếu tốc độ gió quá l ớn (trên 4,0

m/s) sẽ gây tổn thất nhiệt lượng.

4. Độ của lớp sấy.

Độ dày của lớp rau quả sấy cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy. Lớp nguyên liệu

càng mỏng thì quá trình s ấy càng nhanh và đồng đều, nhưng nếu quá mỏng sẽ làm

giảm năng suất của lò sấy. Ngược lại, nếu quá dày thì sẽ làm giảm sự lưu thông của

không khí, dẫn đến sản phẩm bị "đổ mồ hôi" do hơi ẩm đọng lại.

Thông th ường nên xếp lớp hoa quả trên các khay s ấy với khối lượng 5 – 8 kg/m 2

là phù hợp.

3.4. S ơ lược về quả Mít

20m (có Mít là loại cây gỗ to, cao 15 ‚

thể hơn). Cành non có lông m ềm gồm

nhiều hoa, bao hoa hình ống có hai phiến

dính nhau ở hai đầu, nh ị có bao ph ấn

rộng, cụm hoa cái m ọc trên thân ho ặc

cành già, hình bầu dục, có nhiều hoa, bao

hoa hình trụ. Quả mít là quả phức to hình

bầu dục, vỏ ngoài có nhiều gai nhọn gồm

nhiều qu ả th ịt mềm, hạt to. Qu ả mít lúc

thu hoạch có kh ối lượng từ (4 - 25) kg. Qu ả mít có th ể dài từ (20 - 90) cm; đường

kính từ (15 - 50) cm. M ổi quả Mít có th ể có 100 - 500 h ạt tương ứng với 100 - 500

múi ( Mỗi múi là một quả đơn).

Mít là cây m ọc hoang d ại trong các vùng r ừng mưa ở Ấn Độ. Mít ưa khí h ậu

nóng ẩm, mưa nhiều, Mít chịu hạn tốt nhờ bộ rể ăn sâu và kém ch ịu úng. Hiện nay,

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 37

Mít được trồng nhiều ở các nước: Ấn Độ, Xrilanca, Lào, Vi ệt Nam, Thái Lan…và

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

đã trở thành loại cây ăn quả quan trọng của nhiều nước. Thái Lan có di ện tích trồng

Mít là 40700 ha; Philippin 13000 ha; Malaysia 1500 ha…[19].

Thành phần hóa học của Mít:

Ph ần thịt ăn được của quả Mít chiếm 25 – 40 % trọng lượng của quả. Trong 100g

phần này chứa 72 – 77,2g n ước; 1,3 – 2g protein; 0,1 – 0,4g ch ất béo; 18,9 – 25,4g

carbohydrat; 0,8 – 1,1g ch ất xơ; 0,8 – 1,4g tro; Vitamin A chi ếm 175 – 540 đơn vị

quốc tế; Niacin 0,9 – 4 mg; Vitamin C từ 8 – 10g.[19]

Ph ần không ăn được của qu ả Mít giàu Pectin dùng để ch ế bi ến Mứt. Hạt ch ứa

70% tinh bột; 5,2% Prôtít; 0,62% chất béo; 1,4% muối khoáng. Hạt Mít có thể được

sấy để làm thực phẩm thay thế gạo.

Mít là lo ại cây ăn quả có giá tr ị và cũng là một cây thu ốc quý. Ngày nay, đã có

rất nhiều sản phẩm chế biến từ quả mít được nhiều người ưa chuộng như: Mít sấy,

thức ăn từ hạt Mít, các lo ại nước ép từ Mít và Mít đóng hộp.... Ở Việt Nam, đã có

rất nhi ều công ty thành công trong vi ệc xu ất kh ẩu ra th ị tr ường th ế gi ới các s ản

phẩm từ hoa qu ả đặc bi ệt là Mít. Điển hình là công ty Vinamit. Tuy nhiên, công

nghệ sấy hoa qu ả của các công ty này v ẫn là nh ập các dây chuy ền công ngh ệ sấy

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 38

thăng hoa và dùng hơi nước từ nước ngoài nên giá thành sản phẩm vẫn còn khá cao.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Chương 4

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ

TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY

4.1. Lựa chọn phương án sấy

Như đã trình bày ở chương 3, các loại rau quả rất nhạy cảm với nhiệt độ sấy cao.

Vì vậy cần có ph ương án s ấy thích h ợp để rau qu ả sấy đạt ch ất lượng cao, gi ữ

nguyên được màu sắc và mùi v ị. Mít cũng là lo ại quả có màu sắc và mùi vị rất đặc

trưng. Vì vậy, khi sấy Mít ta cũng cần tìm những biện pháp để giữ lại những nét đặc

trưng của loại quả này. Từ những phân tích v ề hiệu quả của bơm nhiệt trong công

nghệ sấy lạnh ở chương 1, ta chọn hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt để sấy Mít.

4.2. Chọn loại thiết bị sấy

Để phù h ợp với yêu c ầu của đề tài, ta ch ọn lo ại thi ết bị sấy bu ồng dùng b ơm

Næåïc ra tn"

Næåïc vaìo tn'

1:Maïy neïn. 2:Giaìn noïng. 3:Buäöng sáúy. 4:Quaût gioï. 5:daìn laûnh. 6:Van tiãút læu. 7:bäü gia nhiãût bàòng âiãûn. 8:Laìm maït bàòng næåïc.

Wh;tn

nhiệt. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị như hình vẽ.

Nguyên lý:

0j ) được đưa qua dàn lạnh. Tại

Ban đầu, không khí ngoài tr ời có trạng thái O(t 0,

đây, môi chất lạnh được đưa từ dàn nóng qua van tiết lưu 6 vào dàn lạnh rồi trao đổi

nhiệt Q2 với không khí. Bản thân môi chất hoá hơi rồi được hút về máy nén. Không

khí trong bu ồng lạnh nh ả nhi ệt cho dàn l ạnh làm cho nhi ệt độ của nó gi ảm từ t0

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 39

xuống t4 và tiếp tục giảm xuống t1.Quá trình làm lạnh không khí làm cho không khí

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

ẩm tr ở nên quá b ảo hoà, n ước ng ưng tụ sẽ được thoát ra ngoài. Máy nén tiêu th ụ

năng lượng Nb đưa môi chất lạnh đến dàn nóng. Không khí có nhi ệt độ t1 được đưa

ệt độ của qua dàn nóng. Ở đây, môi ch ất to ả nhi ệt Q1 ra không khí làm cho nhi

không khí tăng lên từ t1 đến t2. Sau đó, không khí đi qua bu ồng sấy, trao đổi nhiệt

ẩm với vật liệu sấy và thực hiện quá trình sấy làm bay hơi ẩm Wh từ vật liệu. Không

3j ) được quạt 4 th ổi vào bu ồng lạnh và ti ếp

khí ra kh ỏi buồng sấy có thông s ố (t 3,

tục thực hiện quá trình s ấy kín. Do đó trong quá trình s ấy lý thuy ết không ch ịu sự

ảnh hưởng cuả nhiệt độ môi tr ường. Nếu năng suất lạnh của dàn lạnh không đủ để

làm lạnh không khí thì ng ười ta dùng nước bổ sung đưa vào làm mát không khí. Để

giảm khoảng điều chỉnh công suất nhiệt của bơm nhiệt người ta bố trí thêm bộ phận

gia nhiệt bằng điện 7 để gia nhiệt bổ sung ở đầu quá trình sấy mà bơm nhiệt không

đáp ứng được. Sơ đồ nguyên lý này được thể hiện rõ hơn trên hình vẽ bên.(hình 4.1)

4.3. Các thông số tính toán.

4.3.1 Vật liệu sấy

Ở đây ta chọn vật liệu sấy là Mít. Các thông số của Mít:

+ Độ ẩm ban đầu :

Độ ẩm ban đầu của hoa quả phụ thuộc theo mùa, theo vùng miền…. và phụ thuộc

vào từng loại. Với Mít, độ ẩm ban đầu nằm trong kho ảng 72 – 77 % [19]. Ta ch ọn

1w = 74%.

độ ẩm trung bình ban đầu của Mít là

+ Độ ẩm cuối:

25 %. Với Mít ta Theo [17], ng ười ta thường sấy các loại quả đến độ ẩm từ 15 ‚

2w = 16%.

chọn

+ Kh ối lượng một mẻ sấy:

Ta có: G2 = 50 kg/mẻ.

)

.(50

100

)16

100

.( 100 2 100

w 1

- - = 161,54 kg/mẻ G1 = - -

mr = 916 kg/m3.

+ Kh ối lượng riêng:

4.3.2. Tác nhân sấy

Ta ch ọn tác nhân sấy là không khí với các thông số sau:

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 40

* Thông s ố ngoài trời

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Theo tài li ệu [12], thông số trung bình trong năm của không khí tại Quảng Nam –

Đà Nẵng:

- Nhiệt độ trung bình: t0 = 25,9 0C.

0j = 81 %.

- Độ ẩm trung bình :

* Thông số không khí trước khi vào thiết bị sấy

4 m/s. Ta chọn w = 3,5 m/s. - Nhiệt độ tác nhân sấy vào và ra thiết bị sấy: t2 = 40 0C. - Tốc độ gió là 3,5 ‚

* Thông số không khí sau thiết bi sấy

Thông số không khí sau thiết bị sấy phải cao hơn nhiệt độ đọng sương của không khí để tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy. Từ điểm O(25,9 0C;81%) trên đồ thị I-d ta dóng theo đường d = const ta có ts = 230C.

- Nhiệt độ tác nhân s ấy sau thi ết bị sấy được chọn sao cho nó ph ải lớn hơn

nhiệt độ đọng sương. Ta chọn t3 = 25 0C.

* Thông số không khí sau dàn lạnh - Nhiệt độ: chon t1 = 8 0C.

- Độ ẩm tương đối:

Quá trình làm l ạnh trong dàn l ạnh thường đạt đến trạng thái bão hòa nên nhi ệt

1j = 100%.

độ không khí sau dàn lạnh có thể lấy

* Thời gian sấy: chọn T = 16h.

4.4. Tính toán kích thước buồng sấy

* V ật liệu sấy là Mít.

* Năng suất buồng sấy: Gb = G1 = 161,54 kg/mẻ.

* Th ể tích buồng sấy:

b K

G .r m

, m3. - Th ể tích hữu dụng Vh =

mr : Khối lượng riêng của vật liệu sấy, mr = 916 kg/m3.

Trong đó: +

V: Hệ số điền đầy. KV = (0,4 ‚ 0,5). Ta chọn KV = 0,4.

+ K

Thay vào ta tính được Vh = 0,44 m3.

- Th ể tích toàn bộ buồng sấy:

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 41

V = Vh + D V, m3.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

đó: D V - Th ể tích của các kh ảng trống của kênh gió và các không gian

Trong đặt quạt và các thiết bị sấy, m3. Theo kinh nghiệm ta chọn D V= (30 ‚ 40%)V.

ọn D V = 0,4.V = 0,4.0,44 = 0,132 m3.

Rộng · Ta ch Vậy thể tích buồng sấy là: V = 0,66 m3. Với V đã tính toán được, ta ch ọn các kích th ước của buồng sấy: Dài ·

Cao là:

L· B· H = 1,1 · 0,8· 0,75, m3.

4.5. Xây dựng quá trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d

k k k g k / J k , I

=100%

d, kg/kg kkk

d3=d4

d1=d2

4.5.1 Đồ thị I-d

Điểm 0: Trạng thái không khí ngoài trời.

Điểm 1: Trạng thái không khí sau dàn lạnh.

Điểm 2: Trạng thái không khí sau dàn nóng.

Điểm 3: Trạng thái không khí sau thiết bị sấy.

Điểm 4: Trạng thái không khí trong dàn lạnh.

1-2: Quá trình gia nhiệt đẳng dung ẩm trong dàn nóng.

2-3: Quá trình sấy đẳng Entanpi trong thiết bị sấy.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 42

3-4-1: Quá trình làm lạnh không khí và ngưng tụ ẩm trong dàn lạnh.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

4.5.2. Tính toán quá trình sấy

a) Các thông số tại các điểm nút

1) Điểm 0:

- Nhiệt độ: t0 = 25,9 0C.

0j = 81%.

- Độ ẩm tương đối:

- Phân áp suất bão hoà của hơi nước:

Theo công thức (2.31) dạng Antoine [3] ta có:

4026 5,235

42, + t

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) - (4.1) Pb0 = exp (cid:247) (cid:231) ł Ł

4026 42, + 9,25

5,235

(cid:230) (cid:246) - (cid:231) (cid:247) = 0,0333 bar = exp Ł ł

- Dung ẩm của không khí:

. 0 j

P 0 b . P b

. Trong đó: (4.2) d0 = 0,621. -

745 750

B: áp suất khí trời. Lấy B = = 0,993 bar.

Thay vào công th ức ta tính được d0 = 0,0173 kg/kgkkk.

- Entanpi của không khí ngoài trời:

I0 = 1,004.t0 + d0(2500 + 1,842.t0) (4.3)

= 1,004.25,9 + 0,0173.(2500 + 1,842.25,9)

= 70,08 kJ/kgkkk.

2) Điểm 1:

- Nhiệt độ : t1 = 8 0C.

1j = 100%.

- Độ ẩm tương đối :

- Phân áp su ất bão hoà: Với t1 = 8 0C, thay vào công thức (4.1) ta có pb1= 0,0107 bar.

- Dung ẩm của không khí:

1j vào công thức (4.2) ta có:

,0.1

Thay t

0107 ,0.1

0107

993,0

d1 = 0,621. = 0,00676 kg/kgkkk. -

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 43

- Entanpi:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Thay các thông số của điểm 1 vào công thức (4.3) ta có:

I1 = 1,004.8 + 0,00676.(2500 + 1,842.8)

= 25,03 kJ/kgkkk.

2) Điểm 2: - Nhi ệt độ: t2 = 40 0C.

- Dung ẩm: Do quá trình sấy là quá trình đẳng dung ẩm nên ta có:

d2 = d1 = 0,00676 kg/kgkkk.

- Phân áp su ất bão hoà: V ới t2 = 400C, thay vào công thức (4.1) ta tính được Pb2 = 0,0732 bar.

- Độ ẩm tương đối:

. dB +

( 621,0

2 ) bPd . 2

(4.4)

993,0 + ,0

,0. 00676

00676 ) 0732 ,0.

( ,0

621

= 0,146 = 14,6 %. =

- Entanpi:

2 = 1,004.t2 + d2(2500 + 1,842.t2)

= 1,004.40 + 0,00676.(2500 + 1,842.40)

kkk.

= 57,56 kJ/kg

3) Điểm 3: - Nhi ệt độ: t 3 = 25 0C

3 = I2 = 57,56 kJ/kgkkk.

- Entanpi : I

- Phân áp suất bão hoà:

V ới t3 = 25 0C, thay vào công thức (4.1) ta có Pb3 = 0,0315 bar. - Dung ẩm:

Từ công thức (4-3) ta suy ra:

,1 +

56,57 2500

,1 004 842,1

25. 25.

I 3 2500

t 004 . 3 842,1 t .

- - d3 = = 0,0127 kg/kgkkk

- Độ ẩm tương đối:

. dB +

( ,0

621

3 ) . bPd 3

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 44

Thay d3 và Pb3 vào công thức (4.4) ta có:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

993,0 + ,0

,0. 0127

0127 ) 0315 ,0.

( ,0

621

= = 0,6318 = 63,18 %.

4) Điểm 4

4j = 100%.

- Độ ẩm:

. dB +

- Dung ẩm: d4 = d3 = 0,0127 kg/kgkkk.

621

4 ) jd . 4

- Phân áp su ất bão hoà: Pb4 = ( ,0

993,0 + 621

,0. ,0

0127 0127

,0(

1).

= = 0,02 bar.

5,235

4026 12 ln

42, bP

4026

- - Nhi ệt độ: t4 = -

5,235

42, 02,0ln

- = = 17,54 0C. -

- Entanpi: Thay các giá tr ị t4,d4 vào công thức (4.3) ta có:

I4 = 1,004.17,54 + 0,0127(2500 + 1,842.17,54) = 49,77 kJ/kgkkk.

b) Tính toán nhiệt

* Lượng ẩm bay hơi trong quá trình sấy:

kg/mẻ.

.54,161

54,111

74 100

16 16

ww 2 1 100 w

- - W = G1 - -

* L ượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ:

54,111 16

W = t

= 6,97 kg/h Wh =

* L ượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm:

1 ,0

0127

00676

1 - d

llt = = 168,35 kgkkk/kga -

* L ưu lượng không khí khô tuần hoàn trong quá trình sấy

Llt = W.l = 111,54.168,35 = 18778 kgkkk/mẻ

* Nhi ệt lượng dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy để làm bay hơi 1 kg ẩm:

I d

I 1 d

56,57 0127

03,25 00676 ,0

- - = = 5476,43 kJ/kga. qlt = - -

*Nhi ệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy 1 mẻ:

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 45

Qlt = W.qlt = 5476,43.111,54 = 610841 kJ

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

6,10

* N ăng lượng tiêu hao cho quá trình sấy trong 1giây:

610841 = 3600 .16

ltQ t

kW Q0 lt =

D dlt = d3 –d2 = 0,0127 – 0,00676 = 0,00594 kga.

* Lượng ẩm ngưng tụ:

* L ượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm:

qll lt = llt.(I3 – I1) = 168,35.(57,56 – 25,03) = 5476,43 J/kga.

* L ượng nhiệt dàn lạnh thu được:

Qll lt = W.qll lt = 5476,43.111,54 = 610841 kJ

4.6. Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d

Gvc.Cvc.t m1

Qbs

(G2Cn +WCm). tm1

L, I1, d1

L, I3', d3'

THIÃÚT BË SÁÚY

Gcv.Cvc.t m2

G2.Cm .tm2

4.6.1 Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế

Cân bằng nhiệt quá trình sấy

Phương trình cân bằng nhiệt:

Q + Qbs + WCntm1 + G2Cmtm1 + LI1 + Gvc.Cvctm1 = G2Cmtm2 + Q5 + LI3’ + Gvc.Cvc.tm2

Q + Qbs = L(I3’ – I1) + G2Cm(tm2 – tm1) + Q5 – WCn.tm1 + Gvc.Cvc.(tm2 – tm1)

Q + Qbs = Q2 + Qm + Q5 + Q1 + Qvc (*)

Trong đó :

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 46

+ Q - Nhiệt lượng cung cấp để gia nhiệt tác nhân sấy.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

+ Qbs - Nhiệt lượng bổ sung.

Do không dùng thi ết bị gia nhiệt cho không khí sau dàn nóng nên Qbs = 0.

+ Q1 = - WCntm1 - Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào.

+ G2Cm.(tm2 – tm1) = Qm - Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang ra.

+ Q5 - Nhiệt tổn thất ra môi trường theo kết cấu bao che.

+ Gvc.Cvc.(tm2 – tm1) = Qvc - Nhiệt lượng tổn thất theo thiết bị vận chuyển.

+ Q2 = L(I3’ – I1) - Nhiệt tổn thất do tác nhân sấy.

Chia 2 vế (*) cho W và bỏ qua Qbs ta có:

q = q1 + q2 + qvc + q5 + qm

Hay l(I3’ – I2) = Cntm1 - ( qvc + q5 + qm)

Mà q = l(I2 - I1) hay l(I2 – I1) = l(I3’ – I1) + qv +q5 – Cntm1

- Tổn thất nhiệt để làm bay hơi 1 kg ẩm. Đặt Cntm1-(qv + q5 + qm) = D

/l Suy ra l(I3’ – I2) = D hay I3’ = I2 + D

: Tính D

* Tổn thất nhiệt ra môi trường q5

= 32,5 0C

Nhiệt độ bên ngoài buồng sấy: tf = t0 = 25,9 0C

+ t 2

Nhiệt độ bên trong buồng sấy: tf2 =

Buồng sấy có t ường làm b ằng thép có chi ều dày 5 mm. Tra b ảng ph ụ lục

V/trang 271/[2], ta có hệ số dẫn nhiệt l = 46 W/mK

t , W Nhiệt tổn thất ra môi trường được tính theo công thức Q5 = K.F.D

Trong đó:

+ F - Diện tích xung quanh của buồng sấy, m2

Buồng sấy là hình h ộp có các thông s ố: L· B· H = 1.1 · 0,8· 0,75, m3. Ta tính

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 47

tổng diện tích xung quanh của buồng sấy:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

F = 2(L.B + L.H + B.H)

= 2(1,1.0.8 + 1,1.0.75 + 0,8.0,75) = 3,975 m 2

+ D t - Độ chênh nhiệt độ bên trong và bên ngoài buồng sấy , 0C

D t = tf2 - tf1 = 32,5 – 25,9 = 6,6 0C

+ K - Hệ số truyền nhiệt , W/m2K

1 a

1 d + al

- (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) K = (cid:247) (cid:231) ł Ł

Với: a 1,a 2 - hệ số toả nhiệt từ tác nhân sấy đến vách trong buồng sấy và hệ số toả

nhiệt từ vách ngoài tới không khí bên ngoài , W/m2K.

tf1

Để xác định a 1,a 2 ta dùng phương pháp lặp.

tw1

+ Giả thiết tw1 = 38,4 0C (nhiệt độ vách trong c ủa

tw2

tường ), ta có phương trình cân bằng nhiệt : a a

l d

tf2

(tw1-tw2) = a 2(tw2 - tf2) q = a 1(tf1 -tw1) =

w = 3,5 m/s. Theo công thức 7.46/TL3 (tốc độ không

Với tốc độ tác nhân s ấy trong bu ồng sấy đã chọn

khí w < 5 m/s) ta có:

Hệ số toả nhiệt a 1 được xác định theo công thức kinh nghiệm sau:

a 1 = 6,15 + 4,17. w = 6,15 + 4,17.3,5 = 20,745 W/m2K

Vậy mật độ dòng nhiệt truyền qua

q = a 1(tf1 -tw1) = 20,745(40 – 38,4 ) = 34,192 W/m2

Nhiệt độ vách ngoài tường được xác định theo công thức:

003 46

d l

9,25

t w

1,32

= 38,4 – 33,192. = 38,398 0C tw2 = tw1- q.

398,38 2

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 48

= Nhiệt độ định tính: t m =

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Tra bảng thông s ố không khí v ới tm = 32,1 0C = 305,1 0K tại bảng PV-4/trang

274/[2], ta có các thông số sau:

l = 2,658.10-2 W/m2K; g = 16,21.10-6 m2/s; Pr = 0,707.

3. lt

. b g

D Tiêu chuẩn Grashoft: Gr =

10.3.81,9

2929

10.

1,32.( 10.21,16(

75,0)9,25 26 )

- - Gr = -

Ta có Gr.Pr = 0,707.0,298.109 = 20,712.107 thuộc khoảng (2.107 – 1.1013)

Theo bảng 7.2 trang143/[3] ta có C = 0,135, n = 0,333

) 1Pr.

Công th ức tính Nusselt:

366,79

02658

= 0,135.(21,05.107)0,333 = 79,366 Nu = C (

Nu l. l

,0. 75,0

= = 2,813 W/m2K Hệ số toả nhiệt a 2 =

Suy ra q ’ = a 2(tw2 - tf2) = 2,813.(38,4 - 25,9) = 35,16 W/m2

+ So sánh q và q’

192,34

16,35

192,34

- - = = 2,8% < 5% D q =

Sai số này rất nhỏ nên các kết quả tính trên được chấp nhận .

1 a

1 d + al

- (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) Vậy, hệ số truyền nhiệt: K = (cid:247) (cid:231) ł Ł

1 745 ,20

005 46

1 813,2

- (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) Hay K = = 2,476 W/m2K ł Ł

Nhiệt tổn thất ra môi trường trong 1giây là

Q5 = 2,476.3,975.6,6 = 64,974 J/s.

Nhiệt tổn thất ra môi trường trong quá trình sấy:

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 49

Q5 = 64,974.16.3600 = 3742514 J = 3742,514 kJ

514,

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

5Q W

3742 54,111

= Vậy q5 = = 33,553 kJ/kga

* Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi qm

Qm = G2.Cm(tm2 – tm1), kJ

Trong đó: Cm = 3,750 kJ/kgK – Nhiệt dung riêng của Mít

Nhiệt độ vật liệu sấy vào: tm1 = t0 = 25,90C

Nhiệt độ vật liệu sấy ra: tm2 = tf2 = 32,5 0C.

Vậy nhiệt tổn thất do vật liệu sấy mang đi:

Qm= 50.3,750.(32,5 - 25,9) = 1237,5 kJ

mQ W

1237 5, 54,111

= = 11,1 kJ/kga Suy ra: qm =

* Tổn thất nhiệt để làm nóng khay sấy qvc

Khay sấy được làm bằng nhôm có b ề dày

có thông số của nhôm là: C Al = 0,86 kJ/kg;

3 mm. Theo ph ụ lục V/271/[2] ta Alr = 2700 kg/m 3. Với diện tích đã tính toán, ta ch ọn khay s ấy có F = L · B = 0,4 · 0,75 = 0,3 m 2. Số khay s ấy là n = 12

khay.

Vậy tổng diện tích khay sấy là:

Fk = F.n = 0,3.12 = 3,6 m2.

Khối lượng nhôm để làm khay sấy:

Alr = Fk.d .

Alr = 3,6.0,003.2700 = 29,16 kg

GAl = V.

Nhiệt tổn thất:

Qvc = GAl.CAl(tm2 – tm1) = 29,16.0,86.(32,5 – 25,9) = 66,205 kJ

vcQ W

,66 205 54,111

= Vậy qvc = = 0,6 kJ/kga

* Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào q1

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 50

q1 = - Cn.tm1

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Trong đó: Cn - Nhiệt dung riêng của nước, Cn = 4,18 kJ/kgaK.

Vậy: q1 = - 4,18.26,9 = -112,442 kJ/kga

Ta có:

D = 112,442 – (0,6 + 11,1 + 33,553 ) = 67,2 kJ/kga

= 67,2 > 0 nên điểm 3’ trong quá trình sấy thực tế sẽ nằm bên phải điểm 3. 4.6.2. Đồ thị I-d Do D

k k k g k / J k

, I

=100%

d, kg/kg kkk

d3'=d4'

d1=d2

Đồ thị I-d trong trường hợp sấy thực tế được biểu thị như sau:

Điểm 0: Trạng thái không khí ngoài trời.

Điểm 1: Trạng thái không khí sau dàn lạnh.

Điểm 2: Trạng thái không khí sau dàn nóng.

Điểm 3’: Trạng thái không khí sau thiết bị sấy trong trường hợp sấy thực tế.

Điểm 4’: Trạng thái không khí trong dàn lạnh trong trường hợp sấy thực tế.

1-2: Quá trình gia nhiệt trong dàn nóng.

2-3’: Quá trình sấy thực tế trong thiết bị sấy.

3’-4’-1: Quá trình làm l ạnh không khí và ng ưng tụ ẩm trong dàn l ạnh trong

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 51

trường hợp sấy thực tế.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

4.6.3. Tính toán quá trình sấy thực tế

a) Thông số tại các điểm nút của đồ thị

1) Điểm 0, 1, 2:

Thông số tại các điểm 0, 1, 2 không thay đổi so với quá trình sấy lý thuyết.

2) Điểm 3’:

- Nhiệt độ: t3’ = t3 = 25 0C.

- Độ chứa ẩm d3’ của quá trình sấy thực:

D = I2 + D .(d3’ – d2) (4-5) Ta có I3’ = I2 +

với I3’ = 1,004.t3’ + d3’(2500 + 1,842.t3’)

= 1,004.25 + d 3’(2500 + 1,842.25)

= 25,1 + 2546,05.d3’ (4-6)

I2 = 57,56 kJ/kgkkk; d2 = 0,00676 kg/kgkkk (Theo quá trình sấy lý thuyết)

Từ (4-5) và (4-6) ta có:

56,57

,0.2,67

00676

014

I 2 2546

1,25 05,

d . d .

1,25 05,

2546

,0.2,67

00676

D - - - d3’ = kg/kgkkk - D -

- Entanpi:

Thay d3’ vào (4-5) ta có:

I3’ = 57,56 + 67,2.(0,014 - 0,00676) = 58,04 kJ/kgkkk

. dB +

( ,0

621

'3 ) bPd . '3

- Độ ẩm:

993,0 + ,0

,0. 014

014 ) 0315 ,0.

( ,0

621

= 0,695 = 69,5 %. =

4) Điểm 4’

'4j = 100%.

- Độ ẩm:

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 52

- Dung ẩm: d4’ = d3’ = 0,014 kg/kgkkk.

dB . +

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

621

'4 ) jd . '4

- Phân áp su ất bão hoà: Pb4’ = ( ,0

993,0 + 621

,0. ,0

014 014

,0(

1).

= = 0,022 bar.

5,235

4026 ln

42, bP

4026

42,

- - Nhi ệt độ t4 = -

5,235

,0ln

022

- = = 19,1 0C. -

- Entanpi: Thay các giá tr ị t4,d4 vào công thức (4.3) ta có:

I4 = 1,004.19,1 + 0,014(2500 + 1,842.19,1) = 54,67 kJ/kgkkk

b) Tính toán nhiệt quá trình sấy thực tế

* L ượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm:

1 - d

1 ,0

014,0

00676

= 138,12 kgkkk/kga ltt = -

* L ưu lượng không khí tuần hoàn trong quá trình sấy

Ltt = W.ltt = 111,54.138,21 = 15416 kg/mẻ

* L ưu lựợng không khí tuần hoàn trong 1 giây:

15416 3600 .16

ttL t

= 0,27 kg/s Gkk =

* Nhi ệt lượng dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy để làm bay hơi 1 kg ẩm:

I d

I 1 d

56,57 014

03,25 00676

- - = = 4493 kJ/kga. qtt = - -

* Nhi ệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy 1 mẻ:

Qtt = W.qtt = 4493.111,54 = 501154 kJ

* N ăng suất nhiệt dàn nóng cung cấp để sấy trong 1 giây:

501154 3600 .16

ttQ t

= 8,7 kW. Q0 tt =

D dtt = d3 –d2 = 0,014 – 0,00676 = 0,00724 kga.

* Lượng ẩm ngưng tụ:

* L ượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm:

qll tt = ltt.(I3’ – I1) = 138,12.(58,04 – 25,03) = 4522kJ/kga.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 53

* L ượng nhiệt dàn lạnh thu được:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Qll tt = W.qll tt = 4522.111,54 = 504389 kJ

8,8

* Năng suất lạnh dàn lạnh cung cấp để làm lạnh trong 1 giây:

ktt

504389 = 3600 .16

Q lltt t

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 54

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Chương 5

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM NHIỆT

5.1 Chọn môi chất nạp và các thông số của môi chất

5.1.1 Ch ọn môi chất nạp

Môi chất của bơm nhiệt cũng có yêu cầu như đối với máy lạnh. Ngày nay, ng ười

ta vẫn dùng lo ại môi ch ất như: R12, R22, R502, R21, R113, R114… Do h ệ thống

bơm nhiệt làm vi ệc ở nhi ệt độ cao nên ta c ần chọn môi ch ất nhiệt có nhi ệt độ sôi

cao. So sánh khả năng ứng dụng rộng rãi và ưu điểm nổi bật của các môi ch ất nhiệt

ta chọn R22 làm môi chất lạnh cho bơm nhiệt.

5.1.2 Nhiệt độ ngưng tụ

Dàn ngưng của bơm nhiệt có nhi ệm vụ gia nhi ệt cho không khí nên môi tr ường

làm mát dàn ngưng chính là tác nhân sấy. Gọi tw2 là nhiệt độ không khí ra khỏi dàn ngưng. Theo yêu cầu thì tw2 = 40 0C.

D là hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu.

D Theo [14], đối với dàn ngưng giải nhiệt bằng gió, = (10 – 15 0C).

D Ta chọn = 10 0C.

Khi đó, nhiệt độ ngưng tụ của môi chất là:

D = 40 + 10 = 50 0C. tk = tw2 +

5.1.3 Nhiệt độ bay hơi

Nhi ệt độ sôi của môi chất lạnh có thể lấy như sau:

b - nhiệt độ không khí sau dàn bay hơi.

D t0 = tb -

t Theo yêu cầu của hệ thống sấy tb = 8 0C.

D : Hiệu nhiệt độ yêu cầu.

D D Theo [14] thì hiệu nhiệt độ tối ưu là = (8 – 13 0C). Ta chọn = 8 0C.

Như vậy nhiệt độ sôi của môi chất lạnh là:

t0 = 8 – 8 = 0 0C

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 55

5.1.4 Nhiệt độ hơi hút

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Để đảm bảo máy nén không hút ph ải lỏng ng ười ta ph ải đảm bảo hơi hút vào

máy nén nhất thiết phải là hơi quá nhiệt.

D th = t0 +

ht th = 0 + 25 = 25 0C

D Với môi chất R22, ta chọn = 25 0C. Vậy nhiệt độ hơi hút là:

5.1.5 Nhiệt độ quá lạnh

Nhi ệt độ quá lạnh của môi chất sẽ được tính toán trong phần sau.

5.2 Chọn và tính toán chu trình bơm nhiệt máy lạnh

5.2.1 Ch ọn chu trình

Với nhi ệt độ bay h ơi t0 và nhi ệt độ ng ưng tụ tk đã ch ọn, tra b ảng 9 – tính ch ất

nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hòa – trang 318-320/[8] ta có áp suất bay hơi và

ngưng tụ tương ứng là:

t p0 = 4,983 bar

0 = 0 0C ﬁ k = 500C ﬁ

t pk = 19,395 bar

Nh ư vậy, ta có tỉ số nén:

395,19 983,4

pk=p 0p

89,3

= 3,89 =

Với nên ta chọn máy nén 1 cấp.

Mặt khác, môi ch ất lạnh sử dụng ở đây là R22 nên ta ch ọn sơ đồ máy nén lạnh 1

cấp dùng thiết bị hồi nhiệt.

5.2.2 S ơ đồ, nguyên lý làm việc

HN: Thiãút bë häöi nhiãût

MN: Maïy neïn

NT: Thiãút bë ngæng tuû

BH: Thiãút bë bay håi

TL: Van tiãút læu

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 56

1. Sơ đồ

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

2. Nguyên lý làm việc

Hơi môi chất sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi được đưa vào thiết bị hồi nhiệt, nhận

nhiệt đẳng áp của lỏng cao áp trở thành hơi quá nhiệt 1’. Hơi quá nhiệt này được hút

về máy nén và được nén đoạn nhiệt trong máy nén t ừ áp suất bay hơi p0 lên áp suất

ngưng tụ pk. Hơi cao áp 2 đi vào thi ết bị ngưng tụ, nhả nhiệt đẳng áp cho tác nhân

sấy, ngưng tụ thành lỏng sôi 3. Sau đó, lỏng cao áp 3 đi vào thi ết bị hồi nhiệt, nhả

nhiệt đẳng áp cho h ơi hạ áp tr ở thành lỏng chưa sôi 3’. L ỏng 3’ đi vào van ti ết lưu

giảm áp suất xuống áp suất bay hơi p0 (điểm 4) rồi đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt

của tác nhân s ấy vừa ra kh ỏi buồng sấy, hóa hơi đẳng áp đẳng nhiệt thành hơi bão

hòa ẩm và chu trình lại tiếp tục.

5.2.3 Xây dựng đồ thị và lập bảng xác định các giá trị tại các điểm nút

tk,pk

t0,p0

1. Đồ thị

1-1’: Quá nhiệt hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt.

1’-2: Nén đoạn nhiệt hơi môi chất từ p0 đến pk.

2-3: Làm mát và ng ưng tụ đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bi ngưng tụ.

3-3’: Quá l ạnh lỏng cao áp trong thiết bị hồi nhiệt.

3’-4: Quá trình ti ết lưu đẳng Entanpi.

4-1 : Quá trình bay h ơi đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bị bay hơi.

2. Bảng các thông số tại các điểm nút của đồ thị

Tra bảng 9 – Các tính ch ất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hòa và b ảng 10 –

Các tính chất nhiệt động của hơi quá nhiệt R22 – Trang 315-336/[4] ta có b ảng các

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 57

thông số nhiệt động của môi chất trên đồ thị như sau:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

P i s Điểm Trạng thái bar T 0C v.103 m3/kg kJ/kg kJ/kgK

1 Hơi bão hòa khô,

1,7479 x=1 4,983 0 46,98 704,28

1’ 1,81135 Hơi quá nhiệt 4,983 25 52,87 722,5

2 1,81135 Hơi quá nhiệt 19,395 93 15,152 761,927

562,75 3 1,2065 Lỏng sôi, x=0 19,395 50 0,9213

544,53 3’ 1,1493 Lỏng chưa sôi 19,395 36 0,8696

544,53 4 1,1645 Hơi bão hòa ẩm 4,983 0 10,943

Nhi ệt độ điểm 3’ được xác định theo ph ương trình cân b ằng nhiệt trong thi ết bị

hồi nhiệt với giả thiết bỏ qua các tổn thất. Ta có:

i3 – i3’ = i1’ – i1

Hay i3’ = i3 + i1 – i1’ = 562,75 + 704,28 – 722,5 = 544,53 kJ/kg Từ i3’ và p3’ ta có t3’ = 36 0C.

qlt

D Như vậy độ quá lạnh = 50 – 36 = 14 0C.

5.2.4 Tính toán chu trình

1. L ưu lượng môi chất tuần hoàn qua hệ thống

Lưu lượng môi chất tuần hoàn được xác định dựa vào năng suất lạnh của dàn bay

hơi Q0 và công suất nhiệt Qk của dàn ngưng tụ. Ở chương 4 ta đã tính toán được:

0tt = 8,7 kW; Qktt = 8,8 kW kJ. h =

Xem hi ệu suất của dàn nóng và dàn lạnh bằng nhau: = 0,7.

Vậy công suất dàn ngưng của bơm nhiệt:

8,8= 7,0

kttQ h

=12,6 kW Qk =

0 =

Công su ất dàn bay hơi của bơm nhiệt:

7,8 7,0

ttQ h

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 58

=12,4 kW Q0 =

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Do môi chất tuần hoàn trong bơm nhiệt nên lưu lượng môi chất qua dàn nóng và

dàn lạnh bằng nhau.

Ta có:

4,12

+ L ưu lượng môi chất qua dàn nóng:

5,722

53,544

i '1

= 0,07, kg/s G0 = - -

6,12

+ L ưu lượng môi chất qua dàn lạnh:

927,761

75,562

= 0,063 kg/s Gk = - -

Ta th ấy lưu lượng môi chất qua dàn nóng và dàn l ạnh theo tính toán không b ằng

nhau. Do đó để đảm bảo công suất của toàn hệ thống thì ta chọn lưu lượng lớn nhất.

Tức là: G = max(G0, Gk) = G0 = 0,07, kg/s.

Khi đó công suất nhiệt sẽ là:

Qk’ = G(i2 – i3) = 0,07.(761,927 – 562,75) = 13,94 kW

= Qk’ – Qk = 13,94 – 12,6 = 1,34 kW. Công suất nhiệt sẽ thừa một lượng là: kQD

2. Ph ụ tải của thiết bị hồi nhiệt:

Qhn = G.(i1’ – i1) = 0,07.(722,5 – 704,28) = 1,2754 kW

3. Công tiêu th ụ của máy nén:

L = G(i2 – i1’) = 0,07.(761,927 – 722,5) = 2,76 kW

4. H ệ số nhiệt của bơm nhiệt:

Do s ử dụng bơm nhiệt nóng lạnh nên hệ số nhiệt của bơm nhiệt được tính theo

j =

công thức:

+ 67,24,12.2 67,2

q .2 0 l

= 10,3

5.3 Tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt của bơm nhiệt

5.3.1 Dàn ng ưng (Thiết bị gia nhiệt không khí)

* Công dụng:

Thi ết bị ngưng tụ của bơm nhiệt có công dụng gia nhiệt cho không khí tr ước khi

vào bu ồng sấy từ tr ạng thái bão hòa sau dàn l ạnh đến nhi ệt độ và độ ẩm yêu cầu

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 59

trong quá trình sấy. Việc sử dụng dàn ngưng của bơm nhiệt để thay thế cho thiết bị

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

gia nhiệt sẽ làm gi ảm chi phí điện năng của hệ thống, qua đó làm gi ảm chi phí l ắp

đặt và vận hành của hệ thống sấy dùng bơm nhiệt.

* Thiết kế dàn ngưng

1. Chọn loại dàn ngưng

Theo [20], ta ch ọn loại dàn ng ưng giải nhiệt bằng không khí đối lưu cưỡng bức.

Cấu tạo gồm một dàn ống trao đổi nhi ệt bằng thép ho ặc ống đồng có cánh nhôm

hoặc sắt bên ngoài, b ước cánh nằm trong kho ảng 3 – 10 mm. C ấu tạo của thiết bị

như hình vẽ sau:

Chọn ống cho dàn ngưng:

Do môi ch ất là Freon R22 nên ta ch ọn ống đồng cánh nhôm để làm ống dẫn môi

chất trong dàn ngưng. Theo [18], các ống có cánh thường có thông số:

+ Ống: - Đường kính trong: dtr = 15 mm.

- Đường kính ngoài: dng = 18 mm

- B ước ống: s1 = s2 = s = 34 mm.

- Chi ều dài đoạn ống: l = 0,5 m

cd = 0,3 mm.

+ Cánh tròn: - Chi ều dày:

- B ước cánh: sc = 3,5 mm.

- Đường kính cánh dc = 32 mm

2. Các thông số cho trước

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 60

+ Công suất của dàn ngưng: Qk = 13,94 kW

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

+ Nhiệt độ không khí vào dàn: tkk’ = t1 = 8 0C. + Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn: tkk” = t2 = 40 0C. + Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: tk = 50 0C + Lưu lượng môi chất qua dàn: G = 0,07 kg/s

+ Lưu lượng không khí qua dàn: Gkk = 0,27 kg/s

+ Tốc độ không khí đầu vào của dàn: w = 1,5 m/s.

3. Tính diện tích trao đổi nhiệt

Q k . tk

Q q

, m2 D

Qk - Phụ tải nhiệt yêu cầu của thiết bị ngưng tụ, W k - H ệ số truyền nhiệt, W/m2K

D - Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, 0K

qkf – Mật độ dòng nhiệt, W/m2.

* Tính độ chênh nhiệt độ trung bình

Trong thực tế, nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ giảm từ t2 xuống tk, giữ nguyên tk

trong quá trình ng ưng tụ nhưng lại giảm khi qúa l ạnh. Nhưng khi tính toán có th ể

coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tk [14].

Theo [14], độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức:

max

min

ttb

max

D - D D , 0C. (5.1) D

t t

min

Trong đó:

max

D - Hiệu nhiệt độ lớn nhất.

max

- - D 0C

min

D - Hiệu nhiệt độ bé nhất.

min

- - D 0C

tbt

D Thay vào (5.1) ta có tính được = 22,3 0C.

* Xác định hệ số truyền nhiệt k

Theo [22], 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. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 61

có thể tính theo công thức (2-117) – Trang 100/[22]:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

1 a

1 d . eal

, W/mK (5-2)

Trong đó:

1,aa

+ - Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m2K.

l - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK.

cul = 389 W/mK.

Tra b ảng PV-I – Thông số vật lý của một số chất rắn – Trang 271/[2] ta có:

d - Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức:

d = 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,018 – 0,015) = 0,0015 m

ce - Hệ số làm cánh.

)

018

2 2

+= 1

- = 7,67

( 143 ,0 032 ,0.2

,0 5,0.

015

Hệ số làm cánh được tính theo công thức (2-136)/[22]: ( 2 dn d c c .2 ld . 1

5,0= ,0

0035

l cs

= 143 cánh nc - Số cánh trên 1 ống: nc =

2a :

a) Tính h ệ số trao đổi nhiệt bên ngoài

+ Số cánh trên 1 ống: nc = 143 cánh

d c

- d 2

1 dF . 0

1 F c

1 F c n .2

- + Chi ều cao cánh: h = = 7 mm.

1 F 0

1 F c

(5-3) + Đường kính tương đương: dE =

Trong đó:

0F - Diện tích phần không cánh của ống.

0F = p .d2.nc.sc = 3,14.0,018.143.0,0035 = 0,0283 m2

cF - Diện tích phần có cánh.

2 -

,0.(14,3.2

032

018

143

2 d c

2 2

cF = 2p

- = 0,157 m2 .nc =

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 62

Thay vào (5-3) ta có:

0283

,0.

018

157,0

157,0 .2 143

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

0283

157,0

= 0,0226 m. dE =

+ Tốc độ tại khe hẹp tính theo công thức (2-129)/[22].

max

5,1 ,0.2 ,0

,0 ,0

018 034

007 034

,0. ,0.

0003 0035

d s 1

..2 h d ss . 1

= 3,446 m/s2 (cid:230) (cid:246) (cid:246) (cid:230) - (cid:231) (cid:247) (cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231) Ł ł ł Ł

+ Nhiệt độ không khí trung bình:

ttb = 0,5(tkk’ + tkk”) = 0,5(40 +8) = 24 0C.

kl = 2,60.10-2 W/mK

kr = 1,202 kg/m3; n = 15,06.10-6 m2/s;

Tra b ảng Ph ụ lục 6 – Thông s ố vật lý c ủa không khí khô – Trang 350/[3] v ới nhiệt độ 24 0C ta có:

0226

+ Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau:

Ed.max n

,3 446 ,0. 610.06,15

= 5,171.103 Re = = -

+ Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức (2-124) với ống xếp song song:

Nu = 0,138.Re0,63 = 30,161

+ H ệ số toả nhiệt của cánh:

Nu l . d

161,30 ,0

10.6,2. 0226

= 34,7 W/m2K

( h

+ H ệ số toả nhiệt tương đương của phía ống có cánh:

1 F c c F 1 2

18,0

, W/m2K.

,0 0283 157,0

1 F 0 1 cF

Trong đó: -

2F =

cF + 1

0F = 0,0283 + 0,157 =0,1853 m2

ch = 0,95 : Hiệu suất cánh.

7,34

( 95,0

)18,0

157,0 ,0 1853

Vậy: = 37,03 W/m2K

1a :

b) Tính hệ số trao đổi nhiệt bên trong

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 63

Với hơi R22 ngưng trong ống nằm ngang ta có thể dùng công thức:

.g.r

0,25

(

)

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

N = 1,2.0,728

3 .ρλ μ.Δt.d

, W/m2K. (5-4) a 1=1,2.a

Trong đó:

1085

+ r = 154,03 kJ/kg - Nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất.

+ kg/m3 - Khối lượng riêng của môi chất lỏng trong bình ngưng.

+ l = 783 W/mK - Hệ số dẫn nhiệt của môi chất lỏng trong bình ngưng.

D + = tk – tw - Độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và vách ống, 0K

+ m = 1,57.10 4 Ns/m 2 - Độ nhớt động lực học của môi ch ất lỏng trong bình

ngưng.

ốc trọng trường. g = 9,81 m/s2

+ g – Gia t Các thông s ố trên được lấy tại tk = 50 0C. Gi ả thiết tw = 49,1 0C, ta tính t w theo phương pháp lặp.

3 .ρλ

.g.r

0,25

(

)

Thay các thông s ố vào công thức (5-4) ta có:

N = 1,2.0,728.

μ.Δt.d

.18,9

783

1085

a 1 = 1,2.a

. 4 ,0.9,0.10.57,1

03,154 018

)0,25 = 6540 W/m2K = 1,2.0,728.(

Thay vào (5-2) ta có:

1 0015 389

1 6540

1 67,7.03,37

K = = 272 W/m2K

tbt

D Khi đó: q = k. = 272.22,3 = 6064 W/m2

1a (tk - tw) = 6540.0,9 = 5886 W/m2

q’ =

So sánh q và q’ với sai số cho phép không quá 5% ta có:

6064

5886

6064

- - = 2,93% < 5%.

Vậy k = 272 W/m2K; a 1 = 6540 W/m2K và tw = 49,1 0C.

* Diện tích trao đổi nhiệt bên trong

F 1

Q k tk .

10.94,13 3,22. 272

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 64

= 2,3 m2 D

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

3,2

4. Tính các thông số cụ thể của dàn ngưng

,0.5,0.14,3

015

F 1 = . 1 ld .

+ S ố ống trong dàn: n = = 98 ống

Để dễ bố trí số ống trong dàn ta chọn n = 99 ống.

+ Ch ọn số ống trên mỗi hàng là m = 11 ống ta sẽ có số hàng ống trong dàn ngưng

là: z = n/m = 9.

+ Kích th ước của dàn:

- Chi ều rộng dàn: B = z.s2 = 9.0,034 = 0,31 m

- Chi ều cao dàn: H = m.s1 = 11.0,034 = 0,374 m

- Chiều dài của dàn đã chọn L = 0,5 m.

374

500

310

Ta có cấu tạo dàn ngưng tụ:

5.3.2. Dàn bay hơi (Thiết bị làm lạnh không khí)

* Công dụng

Dàn bay h ơi có tác d ụng nhận nhiệt của không khí chuy ển động bên ngoài dàn

làm nhiệt độ không khí giảm xuống dưới nhiệt độ đọng sương để tách một phần ẩm

của không khí tr ước khi vào dàn bay h ơi đồng thời hóa hơi môi ch ất chuyển động

bên trong dàn lạnh từ trạng thái lỏng đến trạng thái hơi bão hòa.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 65

* Thiết kế dàn bay hơi

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

1 Chọn loại dàn bay hơi

Dàn bay hơi ở đây có tác d ụng làm lạnh không khí nên ta ch ọn loại dàn bay h ơi

làm lạnh không khí đối lưu cưỡng bức. Cấu tạo của dàn nh ư hình vẽ trên. Do làm

lạnh không khí đến điểm sương nên dàn bay hơi có máng hứng nước ngưng ở dưới.

Cấu tạo của dàn bay hơi như hình vẽ trên.

Chọn ống cho dàn bay hơi:

Để phù hợp với môi chất R22, ta chọn ống đồng cánh nhôm hình vuông làm ống

dẫn môi chất trong dàn.Các thông số của ông chọn như sau:

+ Ống: - Đường kính trong: dtr = 15 mm.

- Đường kính ngoài: dng = 18 mm

- B ước ống: s1 = s2 = s = 36 mm.

- Chi ều dài đoạn ống: L = 0,5 m

cd = 0,35 mm.

+ Cánh: - Chi ều dày:

- B ước cánh: sc = 3,5 mm.

- Chi ều dài cánh: l c = 34 mm

cl.4 p

= 43,31 mm - Đường kính tương đương của cánh:dc =

2. Thông số cho trước

+ Công su ất dàn: Q0 = 12,4 kW

+ Nhi

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 66

+ Nhi ệt độ không khí vào dàn bay hơi: tk0’ = 40 0C. ệt độ không khí ra khỏi dàn: tk0” = 8 0C ệt độ bay hơi của môi chất trong dàn: t0 = 0 0C.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

+ L ưu lượng khối lượng môi chất trong dàn lạnh: G = 0,07 kg/s

+ L ưu lượng không khí qua dàn lạnh: Gk = 0,27 kg/s

0w = 2,5 m/s

+ T ốc độ không khí đầu vào dàn lạnh:

3. Tính diện tích trao đổi nhiệt

Q 0 . tk

Q 0 fq 0

, m2 D

Q0 - Phụ tải nhiệt yêu cầu của thiết bị bay hơi, W k - H ệ số truyền nhiệt, W/m2K

D - Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, 0K

q0f – Mật độ dòng nhiệt, W/m2.

* Tính độ chênh nhiệt độ trung bình

Theo [14], độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức:

max

min

ttb

max

D - D D , 0C. D

t t

min

Trong đó:

max

D - Hiệu nhiệt độ lớn nhất.

max

- - D 0C

min

D - Hiệu nhiệt độ bé nhất.

min

- D , 0C

D Thay vào công thức ta có tính được = 19,88 0C.

* Xác định hệ số truyền nhiệt k

Theo [22], 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. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k

có thể tính theo công thức (2-117) – Trang 100/[22]:

1 d . eal

1 a

, W/mK (5-5)

Trong đó:

1,aa

l - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK.

+ - Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m2K.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 67

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

cul = 389 W/mK.

Tra b ảng PV-I – Thông số vật lý của một số chất rắn – Trang 271/[2] ta có:

d - Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức:

d = 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,018 – 0,015) = 0,0015 m

5,0= 004 ,0

l cs

= 125 cánh + Số cánh trên 1 ống: nc =

ce - Hệ số làm cánh.

Hệ số làm cánh được tính theo công thức (2-136)/[22]:

)

( 125 ,0

018

2 2

+= 1

04331 ,0.2 015

,0 5,0.

= 19,33

( 2 dn d c c .2 ld . 1

2a :

a) Tính h ệ số trao đổi nhiệt bên ngoài

+ Số cánh trên 1 ống: nc = 125 cánh

d c

- d 2

31,43 2

1 dF . 0

1 F c

1 F c n .2

- + Chi ều cao cánh: h = = 11,66 mm.

1 F 0

1 F c

(5-6) + Đường kính tương đương: dE =

Trong đó:

0F - Diện tích phần không cánh của ống.

0F = p .d2.nc.sc = 3,14.0,018.125.0,004 = 0,0283 m2

cF - Diện tích phần có cánh.

2 -

,0.(14,3.2

018

125

2 d c

2 2

cF = 2p

04331 4

- = 0,61 m2 .nc =

0283

,0.

018

.61,0

61,0 125 .2

Thay vào (5-6) ta có:

0283

61,0

= 0,048 m. dE =

5,2

+ Tốc độ tại khe hẹp tính theo công thức (2-129)/[22].

max

,0.2

,0 ,0

018 036

01166 036 ,0

,0. ,0.

00035 004

d s 1

..2 h d . ss 1

= 5,64 m/s2 (cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) - (cid:247) (cid:231) ł Ł ł Ł

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 68

+ Nhiệt độ không khí trung bình:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

ttb = 0,5(tkk’ + tkk”) = 0,5(40 +8) = 24 0C.

kr = 1,202 kg/m3; n = 15,06.10-6 m2/s;

kl = 2,60.10-2 W/mK

Tra b ảng Ph ụ lục 6 – Thông s ố vật lý c ủa không khí khô – Trang 350/[3] v ới nhiệt độ 24 0C ta có:

+ Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau:

Ed.max n

,0.64,5 048 610.06,15

= 18.103 = Re = -

+ Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức (2-124) với ống xếp song song:

Nu = 0,138.Re0,63 = 66,12

+ H ệ số toả nhiệt của cánh:

10.6,2.12,66 ,0

048

. Nu l d

= 35,82 W/m2K

( h

+ H ệ số toả nhiệt tương đương của phía ống có cánh:

1 F c c F 1 2

0464

, W/m2K.

0283 61,0

1 F 0 1 cF

Trong đó: -

2F =

cF + 1

0F = 0,0283 + 0,61 =0,6383 m2

ch = 0,95 : Hiệu suất cánh.

)

.82,35

( 95,0

0464

61,0 6383

= 34,11 W/m2K Vậy:

1a :

- Tính hệ số trao đổi nhiệt bên trong

1a theo công thức:

5,0

Ta có thể tính

5,2

5,1

. q

. rw d

(cid:230) (cid:246) (cid:231) (cid:247) , W/m2K (cid:231) (cid:247) Ł ł

Trong đó:

+ w - Tốc độ chuyển động của lỏng R22 trong hệ thống, m/s

Theo bảng (6-3)- tốc độ dòng chảy thích hợp – trang 142/[18] ta có:

lr = 1,2853.103 kg/m3

Với R22: w = 0,4 – 1 m/s. Ta chọn w = 0,5 m/s.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 69

+ lr - Khối lượng riêng cuả R22 lỏng tại 0 0C: + A - H ệ số lấy theo bảng (7-3)/[20]. Tại 00C, A = 1,32

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

+ q = tw – t0

1a phương pháp lặp:

+ d tr - Đường kính trong của ống, m

5,0

Do tw chưa biết nên ta tìm Gi ả sử tw = 3,7 0C, ta tính được:

,1.5,0

1a = 1,322,5.(3,7 - 0)1,5.

2853 10. 3

10.15

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) = 2949 W/m2K. - (cid:247) (cid:231) ł Ł

Thay vào (5-5) ta có:

1 0015 389

1 2949

1 33,19.11,34

= 537,61m2K K =

tbt

D Khi đó: q = k. = 545,2.19,88 = 10688 W/m2

1a (tk - tw) = 2949.3,7 = 10911 W/m2

q’ =

So sánh q và q’ với sai số cho phép không quá 5% ta có:

10688

10911

10688

- - = 2,08% < 5%.

Vậy k = 537,61 W/m2K; a 1 = 2949 W/m2K và tw = 3,7 0C.

10.4,12

* Diện tích trao đổi nhiệt bên trong

F 1

537

88,19.61,

Q 0 . tk

= 1,16 m2 D

16,1

4. Tính các thông s ố cụ thể của dàn bay hơi

,0.14,3

015

5,0.

F 1 = . 1 ld .

» 54 ống + S ố ống trong dàn: n =

+ Ch ọn số ống trên mổi hàng là m = 9 ống ta sẽ có số hàng ống trong dàn bay hơi

là: z = n/m = 6.

+ Kích th ước của dàn:

- Chi ều rộng dàn: B = z.s2 = 6.0,036 = 0,216 m

- Chi ều cao dàn: H = m.s1 = 9.0,036 = 0,324 m

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 70

- Chi ều dài của dàn đã chọn L = 0,5 m.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

500

4 2 3

Buïp chia

Håi ra

Loíng vaìo

6 1 2

Cấu tạo dàn bay hơi như hình vẽ:

5.3.3 Thiết bị hồi nhiệt

* Công dụng

Thiết bị hồi nhiệt có tác d ụng quá nhi ệt hơi hút về máy nén để tránh hi ện tượng

thuỷ kích và quá lạnh lỏng cao áp trước khi qua tiết lưu để giảm tổn thất lạnh do van

tiết lưu.

* Cấu tạo của thiết bị hồi nhiệt

Thiết bị hồi nhiệt có cấu tạo như hình vẽ :

5

3

1

4

2

6

1 - Đường vào của hơi hạ áp 2 - Đường ra lỏng cao áp

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 71

3 - Đường vào lỏng cao áp 4 - Đường ra hơi hạ áp

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

5 - Ống xoắn trao đổi nhiệt 6 - Ống trụ kín 2 đầu.

* 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 h ồi nhiệt được bọc cách nhiệt.

* Thông số thiết kế

- Công su ất thiết bị hồi nhiệt: Qhn = 1,2754 kW. - Nhi ệt độ lỏng môi chất vào: tl’ = t3 = 50 0C. - Nhi ệt độ lỏng môi chất ra: tl” = t3’ = 36 0C. - Nhi ệt độ hơi môi chất vào: th’ = t1 = 0 0C. - Nhi ệt độ hơi môi chất ra : th” = t1’ = 25 0C.

1. Tính chọn đường kính ống

Với lỏng R22 ch ảy trong ống, tốc độ môi ch ất nằm trong kho ảng (0,4 – 1) m/s

(Theo bảng (6-3)-tốc độ chảy thích hợp/ trang 142/[18]). Ta chọn w = 0,8 m/s.

* Lưu lượng thể tích của lỏng chảy trong ống là:

V = G.v3 = 0,07.0,9213.10-3 = 6,45.10-5 m3/s.

* Đường kính trong của ống:

10.45,6 8,0.41,3

V . wp

= 0,010 m. d1 =

Theo kích th ước tiêu chu ẩn của đường ống trong b ảng 6-2: Các lo ại ống đồng

cho máy lạnh Freon/ trang 141/[18] ta ch ọn d1 = 10 mm. Khi đó, đường kính ngoài

là: d2 = 12 mm.

mm10=d

* Đường kính của vòng xoắn: Chọn Dx = 80 mm.

Ch ọn khe h ở gi ữa ống xo ắn với vỏ thi ết bị là . Khi đó, đường kính

trong của vỏ là:

Dv = Dx + d2 +2. d = 80 + 12 + 2.10 = 112 mm.

* Đường kính của phần lỏi quấn ống:

ld = 5mm. Khi đó:

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 72

Để dễ lắp đặt ta lấy khoảng hở giữa ống xoắn và lỏi quấn là

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

ld - d2 = 80 – 2.5 – 12 = 58 mm.

Dl = D -

(

)

* Ti ết diện tự do của hơi trong thiết bị hồi nhiệt:

d .2

)

(

2 d

D v

2 2 DD v l 4

D v 4

- - - - - - F =

112,0

058

112,0(

01,0.2

,0.2

012

)

14,3

)01,0.2 4

- - - - - =

= 0,00134 m2

* L ưu lượng thể tích của môi chất:

V = G.v1 = 0,07.0,047 = 3,29.10-3 m3/s.

* T ốc độ hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt:

10.29,3 ,0

00134

V F

= 2,46 m/s.

2. Tính toán diện tích trao đổi nhiệt

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

Q hn tk .

, m2 D

Qhn - Phụ tải của thiết bị hồi nhiệt. Qhn = 1275,4 W k - H ệ số truyền nhiệt, W/m2K

tbt

D - Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, 0K

* Tính độ chênh nhiệt độ trung bình

Trong thực tế, nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ giảm từ t2 xuống tk, giữ nguyên tk

trong quá trình ng ưng tụ nhưng lại giảm khi qúa l ạnh. Nhưng khi tính toán có th ể

coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tk [14].

Theo [14], độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức:

max

min

ttb

max

D - D D , 0C. D

t t

min

Trong đó:

max

D - Hiệu nhiệt độ lớn nhất.

max

t 1

- - D 0C

min

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 73

D - Hiệu nhiệt độ bé nhất.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

min

- - D 0C

tbt

D Thay vào công thức ta có tính được = 19 0C.

* Xác định hệ số truyền nhiệt k

Theo [22], 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. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k

có thể tính theo công thức (2-6) – Trang 28/[22]:

1 .

1 d + al

1 a

, W/mK (5-7)

Trong đó:

1,aa

+ - Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m2K.

l - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK.

cul = 389 W/mK.

Tra b ảng PV-I – Thông số vật lý của một số chất rắn – Trang 271/[2] ta có:

d - Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức:

d = 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,012 – 0,010) = 0,001 m

a) Xác định hệ số toả nhiệt

+ Nhi ệt độ trung bình của môi chất lỏng:

ttb = 0,5(t3 + t3’) = 0,5(50 +36) = 43 0C.

kl = 8,124.10-2 W/mK; Pr = 3,04.

kr = 1117,9 kg/m3; m = 1,64.10-4 Ns/m2;

n =

Tra b ảng Ph ụ lục 3a – Tính ch ất vật lý trên đường bão hoà c ủa R22 – Trang 272/[18] với nhiệt độ 43 0C ta có:

m r

d .

.01,0.8,0

1117

+ Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau và để ý :

d . rw 1 m

410.64,1

Re = = = 5,4532.104 -

Như vậy dòng chảy trong ống là ch ảy rối(Re>1.104). Khi đó hệ số Nu được tính

theo công thức (2-18)/trang 31/[22]:

Ree .1

25,0

Nu = 0,021.Re0,8.Pr0,43.A. . Trong đó:

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 74

(cid:230) (cid:246) (cid:231) (cid:247) - A - H ệ số kể đến ảnh hưởng của chiều dòng nhiệt: A = (cid:231) (cid:247) Ł ł

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

f = tw nên A = 1.

Coi t

1e - Hệ số kể đến chiều dài ống.

1e = 1.

Re - Hệ số kể đến ảnh hưởng khi uốn cong.

77,1

77,11

Re = 1 +

d 1 R

01,0 08,0.5,0

= 1,4425

Thay vào ta có:

Nu = 0,021.(5,4532.104)0,8.3,040,43.1.1.1,4425 = 300,81.

124,8.81,300

10.

01,0

. Nu kl d

Vậy: = 2443,78 W/m2K.

b) H ệ số toả nhiệt

Xem h ơi môi ch ất trao đổi nhiệt với chùm ống song song ta tính Nu theo công

Re.26,0

Pr.

A e.

thức (2-28)/ trang 34/[22]:

65,0 f

33,0 f

25,0

Nuf =

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) Trong đó: + A - Hệ số kể đến ảnh hưởng của chiều dòng nhiệt: A = (cid:247) (cid:231) ł Ł

f = tw nên A = 1.

Coi t

se - Hệ số kể đến ảnh hưởng của bước ống. Coi chùm ống có 2 dãy

15,0

ống song song và bước ống s = R = 35 mm.

s d

,0 ,0

035 012

(cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) = 1,174 (cid:247) (cid:231) ł Ł ł Ł

* Nhi ệt độ trung bình của hơi môi chất trong thiết bị:

ttb = 0,5(t1 + t1’) = 0,5(0 +25) = 12,5 0C.

kr = 30,964 kg/m3; m = 1,295.10-6 Ns/m2;

kl = 10,295.10-3 W/mK; Pr = 1.

n =

Tra b ảng Ph ụ lục 3a – Tính ch ất vật lý trên đường bão hoà c ủa R22 – Trang 272/[18] với nhiệt độ 12,5 0C ta có:

m r

d .

012

964,30.

* Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau và để ý :

d . 2 m

,0.46,2 ,1

295

610.

= Re = = 7,06.105 -

Thay vào ta có:

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 75

Nu = 0,26.(7,06.105)0,65.10,33.1.1,174 = 1934

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

1934

10.

,10. ,0

295 012

. Nu kl d

Vậy: = 1659,21 W/m2K.

Thay vào công thức (5-7) ta có hệ số truyền nhiệt:

1 .

1 2443

78,

1 001 ,0 389

1 1569

21,

1 d + al

1 a

= 953,26 W/mK

* Diện tích trao đổi nhiệt:

Q hn . tk

1275 19.26,953

= 0,071 m2. D

F .p tbd

* Chiều dài l của ống xoắn: l = , m.

Trong đó: dtb = 0,5(d1+d2) = 0,5(10 + 12) = 11 mm.

071

Thay vào ta có:

,0 ,0.14,3

011

F . tbd

l = = 2,1 m.

* Chi ều dài l1 của 1 vòng xoắn:

l1 = p .Dx= 3,14.0,08 = 0,2512 m.

* Số vòng xoắn:

1,2 2512

l l 1

n = = 8,4 vòng

5.4 Tính chọn máy nén

* Nhiệm vụ của máy nén lạnh

Máy nén l ạnh là bộ phận quan trọng nhất của các hệ thống lạnh nén hơi. Máy nén

có nhiệm vụ:

- Liên t ục hút hơi sinh ra ở thiết bị bay hơi.

- Duy trì áp su ất P0 và nhiệt độ t0 cần thiết.

- Nén h ơi lên áp su ất cao tương ứng với môi tr ường làm mát, n ước hoặc không

khí, đẩy vào thiết bị ngưng tụ.

- Đưa lỏng qua van ti ết lưu trở về thiết bị bay hơi, thực hiện quá trình tu ần hoàn

kín của môi ch ất lạnh trong hệ thống gắn liền với việc thu hồi nhiệt ở môi tr ường

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 76

lạnh và thải nhiệt ở môi trường nóng.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

* Chọn loại máy nén

Với môi chất R22 ta chọn loại máy nén pittông nửa kín

5.4.1. Tính toán chu trình ở chế độ yêu cầu

- Năng suất khối lượng thực tế: G = 0,07 kg/s.

- Năng suất thể tích thực tế:

Tra bảng 9 – Các tính ch ất nhi ệt động của R22 ở tr ạng thái bão hoà – trang

318/[4] với nhiệt độ hơi hút là 0 0C ta có v = v0” = 46,98.10-3 m3/kg.

Vậy Vtt = G.v = 0,07.46,98.10-3 = 3,3.10-3 m3/s.

395,19 983,4

pk=p 0p

= = 3,89 - Tỷ số nén:

V=l tt V lt

- Hệ số cấp của máy nén:

Hệ số cấp của máy nén không ph ải cố định mà thay đổi tuỳ theo chế độ làm việc

của hệ thống. Dựa vào hình 4-7: h ệ số cấp và hi ệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ số

nén – trang 55/[18] với môi chất R22 ta có l = 0,77

- Thể tích hút lý thuyết: Vlt = Vtt/ l = 3,3.10-3/0,77 = 4,286.10-3 m3/s. - Năng suất lạnh riêng khối lượng:

q0 = i1 – i4 = 704,28 – 544,53 = 159,75 kJ/kg

* Năng suất lạnh riêng thể tích:

75,159 10.98,46

q v 1

= 3400 kJ/m3 qv = -

5.4.2. Tính toán năng suất lạnh tiêu chuẩn

Do công suất lạnh của máy nén phụ thuộc rất lớn vào chế độ vận hành nên chế độ

vận hành khác so v ới trong catolo. Để chọn máy nén phù h ợp ta ti ến hành quy đổi

năng suất lạnh từ chế độ vận hành sang chế độ quy chuẩn:

Với R22, chế độ tiêu chuẩn là: t0 = -15 0C; tqn = 15 0C; tk = 30 0C; tql = 25 0C.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 77

Ta lập bảng thông số trạng thái của các điểm nút trên đồ thị:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

P i S Điểm Trạng thái bar t 0C v.103 m3/kg kJ/kg kJ/kgK

1 Hơi bão hòa khô,

1,7710 x=1 2,966 -15 77,29 698,38

1’ 1,8448 Hơi quá nhiệt 2,966 15 106,15 719,7

2 1,8448 Hơi quá nhiệt 11,908 85 25,183 759,315

536,51 3 1,1248 Lỏng sôi, x=0 11,908 30 0,8515

515,19 3’ - Lỏng chưa sôi 11,908 25 -

515,19 4 - Hơi bão hòa ẩm 2,966 -15 -

Tính toán chế độ tiêu chuẩn:

908,11 966,2

pk 0p

= 4,015 * Tỷ số nén: =

* Hệ số cấp:

Dựa vào hình 4-7: h ệ số cấp và hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ số nén – trang

tcl = 0,76

55/[18] với môi chất R22 ta có

* Năng suất lạnh riêng khối lượng tiêu chuẩn:

q0tc = i1 – i4 = 183,19 kJ/kg

* Năng suất lạnh riêng thể tích tiêu chuẩn:

19,183 10.29,77

q tc 0 v 1

= 2370 kJ/m3 qvtc = -

.4,12

53,8

* Năng suất lạnh tiêu chuẩn:

Q 0

q vtc q

2370 3400

76,0. 77,0.

. l tc . l

kW Q0tc =

5.4.3. Chọn máy nén

Dựa vào bảng 7-6: Máy nén pittong c ủa Nga theo OTC – trang 193/[14] ta ch ọn

máy nén có thông số sau:

P G - Ký hiệu:

- Q0tc: 8,7 kW

- Số xi lanh: 3

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 78

- Đường kính pittông: 42 mm

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Cao = 460 · Rộng · 450 · 480 mm3 - Số vòng quay: 48 vg/s - Vlt: 6,16.10 -3 m3/s - Dài ·

- Khối lượng: 69 kg

5.4.4. Tổn thất năng lượng và công suất động cơ

* Công nén đoạn nhiệt:

Ns = G(i2 – i1) = 0,07(761,927 – 722,5) = 2,76 kW

* Hiệu suất chỉ thị:

ih = 0,855.

Dựa vào tỷ số nén p ta tra đồ thị hình 4-7/trang 55/[18] tra có

23,3

* Công nén chỉ thị:

76,2 855,0

N h

* Công suất hửu ích: Ne = Ni + Nms.

- Công tiêu tốn để thắng lực ma sát: Nms = pms.Vtt

Theo [18], với máy nén R22 ng ược dòng: p ms = 19 – 34 kPa. Ta ch ọn pms = 25

kPa.

Nms = 3,3.10-3.2500 = 8,25 W = 0,00825 kW

Ne = 3,23 + 0,00825 = 3,24 kW

eN hh td

tdh - Hiệu suất truyền động. Với máy nén nửa kín:

tdh = 1

elh - Hiệu suất động cơ điện.

elh = (0,8 – 0,95). Chọn

elh = 0,9.

* Công suất điện tiêu thụ: Nel =

24,3= 9,0

eN hh td

= 3,6 kW Nel =

* Công suất động cơ điện lắp đặt: Ndc = (1,1 – 2,1).Nel.

Chọn: Ndc = 1,5.Nel = 1,5.3,6 = 5,4 kW

5.5 Chọn Đường ống dẫn môi chất

5.5.1 Đường ống đẩy

* L ưu lượng thể tích môi chất qua ống đẩy:

Vd = G.v2 = 0,07.15,152.10-3 = 1,601.10-3 m3/s.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 79

* T ốc độ môi chất trong ống đẩy:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

hw =(8 – 15) m/s.

Theo b ảng 6-3: Tốc độ dòng chảy thích hợp, với môi chất R22,

hw = 11 m/s.

Ta chọn

,1.4

* Đường kính trong của ống:

10.601 11.14,3

.4 dV . wp

= 0,014 m. dtd =

Dựa vào bảng 6-2: các lo ại đường ống cho máy l ạnh Freôn ta ch ọn loại ống có

thông số:

- Đường kính trong: dtd = 15 mm.

- Đường kính ngoài: dnd = 18 mm.

5.5.2 Đường ống hút

* L ưu lượng thể tích môi chất qua ống hút:

Vd = G.v1’ = 0,07.52,87.10-3 = 3,701.10-3 m3/s.

* T ốc độ môi chất trong ống hút:

hw =(7 – 12) m/s.

Theo b ảng 6-3: Tốc độ dòng chảy thích hợp, với môi chất R22,

hw = 9 m/s.

Ta chọn

701,3.4

10.

* Đường kính trong của ống:

9.14,3

dV .4 . wp

= 0,023 m. dtd =

Dựa vào bảng 6-2: các loại đường ống cho máy lạnh Freôn ta chọn loại ống có

thông số:

- Đường kính trong: dtd = 25 mm.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 80

- Đường kính ngoài: dnd = 28 mm.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Chương 6

TÍNH TOÁN TRỞ LỰC VÀ CHỌN QUẠT

6.1 Tính toán đường ống dẫn tác nhân sấy.

Theo s ơ đồ bố trí c ủa hệ th ống, ta c ần ph ải ch ế tạo hệ th ống dẫn không khí t ừ

F =

quạt vào buồng sấy. Diện tích mặt cắt được xác định theo công thức :

V w

, m2

Trong đó : - F : Diện tích tiết diện đường ống dẫn, m2

- V : L ưu lượng không khí trong đoạn ống, m3/s.

w : Tốc độ không khí trong ống, m/s.

* Chọn w :

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

- 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 kh ăn

cho lắp đặt nhưng độ ồn giảm. Để phù h ợp với hệ thống ta ch ọn tốc độ gió trong

kênh dẫn gió là 8 m/s.

* Tính lưu lượng không khí

Trong chương 4 ta đã tính toán được lưu lượng không khí tuần hoàn trong 1 giây là Gkk = 0,27 kg/s. V ới nhiệt độ trung bình trong bu ồng sấy là 35 0C, tra bảng phụ lục 6 – Thông số vật lý của không khí khô – trang 350/[3], ta có r = 1,1465 kg/m3.

Khi đó ta có:

27,0= 1465 ,1

kkG r

,0=

V = = 0,235 m3/s

235 8

V w

Vậy: F = = 0,03 m2

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 81

* Đường kính ống dẫn không khí:

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

03.0.4 14,3

F 4 p

d = = 0,1955 m.

Ta ch ọn đường kính ống dẫn là d = 200 mm.

* Xác định chiều dài đường ống

Chiều dài toàn b ộ đường ống l, m được xác định dựa vào sơ đồ bố trí hệ thống.

Theo tính toán s ơ bộ thì chi ều dài tổng cộng đường ống gió của hệ thống từ bộ xử

lý không khí đến miệng thổi vào buồng sấy khoảng l = 3m.

6.2 Tính toán trở lực của hệ thống

6.2.1. Tổn thất áp suất trên đường ống gió

* Tổn thất ma sát:

Tổn thất ma sát được tính theo công thức 6.9 – trang 113/[23]

Pms

l d

2 rw . 2

D , mmH2O

Trong đó: + l - Hệ số tổn thất ma sát.

+ l - Chi ều dài ống. l = 3m

+ d – Đường kính trong tương đương của ống, d = 0,2m

w - Tốc độ không khí trong ống. w = 8 m/s.

r - Khối lượng riêng của không khí tại nhiệt độ 40 0C.

Tra bảng Phụ Lục 6 – Thông s ố vật lý của không khí khô – Trang 350/[3], ta có

r = 1,128 kg/m3; n = 16,96.10-6 m2/s.

thông số của không khí tại 40 0C là:

w d. n

2,0.8 610.96,16

Khi đó: Re = = = 0,943.105. -

3164

Theo [23], v ới ống tôn mỏng bề mặt trong láng, tiết diện tròn và Re<105 thì:

,0 4

943,0

10.

= 0,018

018

Pms

. wr . d 2

128,1.3 2.2,0

D Vậy: = 9,75 mmH2O

cbPD

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 82

* Tổn thất cục bộ

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Hệ thống đường ống gió gồm có:

27,0=x

+ 2 cút cong ti ết diện tròn 4 đốt với góc cong 90 0. Tra bảng 6.8- Hệ số x - trang

116/[23] với 4 đoạn và R/d = 1 ta được

19,0=x

+ 1 van điều ch ỉnh gió ti ết di ện tròn. Tra b ảng 6.33- H ệ sốx - trang 127/[23]

D/D0 = 0,9 và góc nghiêng q = 00 ta được

19,0 -

9,0=x

+ 1 côn m ở rộng từ ống dẫn ra bu ồng sấy. Theo bảng 4.3 – trang 131/[24] v ới

góc a từ 45 – 900 thì . Ta chọn .

8,0=x

+ 1 côn thu nh ỏ từ buồng sấy vào bộ xử lý không khí. V ới góc a khoảng 300 thì

Tổn thất cục bộ được tính theo công thức:

27,0.2(

19,0

+ )8,09,0

71,87

cbP

. wr 2

128,1 2

D mmH2O.

D P

75,9

71,87

46,97

Vậy tổng tổn thất trên đường ống gió:

mmH2O.

6.2.2. Tổn thất qua các thiết bị của hệ thống

2PD

* Tính : trở lực của thiết bị lọc bụi, buồng xử lý không khí, buồng sấy.

- Trở lực của thiết bị lọc bụi tùy theo từng kiểu lọc bụi khác nhau mà tr ở lực

của nó khác nhau. Trong h ệ thống này do mật độ bụi không nhiều nên ta ch ọn thiết

bị lọc bụi đơn giản là bộ lọc bụi kiểu lưới. Theo mục 9.2.2.5 - Thi ết bị lọc bụi kiểu

lưới - trang 196/[25] thì tr ở lực của lưới lọc nằm trong khoảng 30 ‚ 40 Pa. Ta ch ọn

trở lực của lưới sử dụng trong hệ thống sấy này bằng 35 Pa = 3,57 mmH2O

- Trở lực của buồng sấy cũng phụ thu ộc vào ki ểu buồng sấy, cách bố trí sản

phẩm sấy, mật độ sấy… mà trở lực của buồng sấy là lớn hay nhỏ và người ta xác định trở

lực theo kinh nghiệm. Hệ thống sấy này chọn trở lực buồng sấy bằng 5 mmH2O.

- Trở lực qua buồng xử lý không khí được tính theo công thức:

D P

30(

)70

2wr . 2

‚ , mmH2O

D P

280

57,3

=+ 5

57,288

Với w = 3,5 m/s ta chọn trở lực qua buồng xử lý không khí là 280 mmH2O.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 83

Vậy mmH2O.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

D+

Như vậy tổng tổn thất trở lực của hệ thống là:

46,97

57,288

386

P 1

P 2

D mmH2O.

6.3 Chọn quạt

= kN

;

r D V 0 102 .

3600

. hr

Theo công thức (17.38) trang 334/[3] ta có năng suất của quạt N là:

Trong đó: V - lưu lượng ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy, m3/h

- tổng cột áp quạt phải thực hiện, mmH2O

k - hệ số dự phòng, k =(1,1 ‚ 1,2). Chọn k = 1,1

)6,04,0(

6,0=

qh - hiệu suất của quạt,

0r - khối lượng riêng của không khí ở điều kiện tiêu chuẩn, kg/m3

293

mkg /

‚ . Chọn

147,1

mkg /

386

1,1

34,1

r - khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ trung bình TNS, kg/m3

235 . 3600

3600 102 .

,1. 293 6,0.147,1.

Thay số:

Từ năng suất quạt N, lưu lượng V và cột áp PD theo bảng 2.4.11b - Đặc tính kỹ

thuật của một vài lo ại quạt – trang 230/[24] ta ch ọn quạt HV 45/525 v ới các thông

số như sau:

Năng suất quạt: V = 840 m3/h

500

mmH

D Cột áp của quạt:

Công suất động : N = 1,5 kW

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 84

Số vòng quay: n = 3000 Vg/ph

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Chương 7

TÍNH TOÁN THỜI GIAN HOÀN VỐN

Thời gian hoàn v ốn của thiết bị phụ thuộc vào giá thành c ủa thiết bị, giá thành

của sản ph ẩm sấy, giá thành mua nguyên li ệu, giá thành điện năng, thuê nhân

công,…

* Theo giá thành c ủa thị trường hiện nay tại hội chợ hàng Vi ệt Nam ch ất lượng

cao, giá c ủa một gói Mít s ấy có kh ối lượng 250g là 1,16 $, t ức là kho ảng 18500

VNđ. Như vậy giá của 1 kg Mít sấy là:

Ts = 18500.4 = 74000 VNđ

Tuy nhiên v ới giá bán của nhà sản xuất, ta chỉ lấy Ts = 65000 VNđ

Nh ư vậy với sản lượng một mẻ sấy là 50 kg thì ta tính được số tiền thu được sau

1 mẻ sấy là:

Tmẻ = Ts.G2 = 65000.50 = 3250000 VNđ

* Theo th ực tế, để mua 1kg Mít t ươi trên th ị trường là 6000 VN đ/kg. Năng suất

của bu ồng sấy là 161,54 kg/m ẻ. Tuy nhiên, ph ần th ịt ăn được của qu ả Mít chi ếm

khoảng 25 – 40 % trọng lượng quả [19]. Ta xem phần thịt ăn được chiếm 35%. Như

vậy, giá thành mua nguyên liệu để sấy mẻ là:

TNL = 161,54 · 6000· 100/35 = 2769000 VNđ/mẻ

* Để đơn gi ản cho vi ệc tính toán kinh t ế, ta thay th ế bơm nhi ệt bằng một máy

điều hòa có công su ất lạnh tương tự như bơm nhiệt đã tính toán. Với công suất lạnh

của dàn lạnh là 12,4 kW tương đương với công suất lạnh là 42310,6 Btu/h. Ta chọn

máy điều hòa của hãng LG có model là LB-E4885CL với các thông số:

+ Năng suất dàn lạnh: 47900 Btu/h

+ N ăng suất dàn nóng: 48000 Btu/h.

+ Công su ất điện: 6000 W.

+ Dòng điện : 9,5 A.

+ Môi ch ất: R22

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 85

+ Gía ti ền: 29 triệu VNđ.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Tính thêm kho ản đầu tư ban đầu để xây dựng hầm sấy, mua qu ạt và chi phí cho

bảo dưỡng sữa chữa trong quá trình sấy, tổng vốn đầu tư cho toàn bộ buồng sấy ước

tính đạt P = 50 triệu VNđ.

* Tiền nhân công 1 người là: 40000 VNđ/1người

Số công nhân phục vụ: 4 người chia làm 2 ca, mỗi ca 8 tiếng.

Vậy chi phí cho nhân công là: 40000 x 4 = 160000 VNđ/1mẻ

* Chi phí điện năng gồm các thiết bị: máy điều hòa, quạt, đèn chiếu sáng.

Máy điều hòa 6 kW

Quạt ly tâm 1,5 kW

Đèn chiếu sáng 0,4 kW

Tổng 7,9 kW

Giá điện công nghiệp: 1500 đồng/1kWh

Chí phí điện năng để sấy 1 mẻ là :

(Tổng điện năng tiêu thụ) x (Giá điện 1kWh) x (Thời gian sấy)

= 7,9 x 1500 x 16 = 189600 VNđ/mẻ

* T ổng chi phí cho một mẻ sấy là:

Tcp = 2769000 + 189600 + 160000 = 3119000 VNđ/1mẻ

* Lãi suất thu được sau mổi mẻ sấy là:

T = Tmẻ - Tcp = 3250000 – 3119000 = 131000 VNđ.

* Lãi suất năm mà hệ thống đem lại:

Trên thực tế, Mít chỉ có 1 mùa trong n ăm từ khoảng tháng 6 đến tháng 9. Nếu hệ

thống dùng để sấy Mít trong khoảng thời gian đó hoạt động liên tục thì 1 năm có thể

sấy Mít trong khoảng 120 ngày. Mổi ngày có thể sấy được 1 mẻ (thời gian sấy 1 mẻ

là 16 tiếng). Do đó:

A = T.120 = 131000.120 = 15720000 VNđ = 15,72 triệu VNđ.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 86

* Tuổi thọ của hệ thống có thể đạt N = 15 năm.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

* Khấu hao tài sản cố định của hệ thống trong 1 năm là: i = 6,6%.

Xem giá trị còn lại của hệ thống là 0 VNđ (Các thiết bị hết giá trị sử dụng) và thu

nhập hàng năm là đều.

T P

Ta có công thức tính thời gian hoàn vốn:

( 1

) P

) i +

+ ( 1. i

72,15

- 0 = -P + A(P/A, i%, Tp) = - P + A.

T p

A P.i -A + ln(1 i)

72,15 + ,01ln(

,0.50 066 066 )

- = 3,7 năm Ta rút ra:

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 87

Vậy thời gian hoàn vốn của hệ thống là 3,7 năm

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

KẾT LUẬN

Trên cơ sở những phân tích, so sánh và những tính toán thiết kế trên, ta có thể rút

ra những kết luận sau:

- Việc sử dụng bơm nhiệt trong công ngh ệ sấy lạnh mang l ại những hiệu quả

rất cao về mặt kinh tế cũng như chất lượng sản phẩm.

- Quá trình s ấy không b ị ảnh hưởng bởi điều ki ện môi tr ường nên có th ể áp

dụng cho m ọi điều ki ện th ời ti ết kh ắc nghi ệt nh ất. Do đó, thi ết bị sấy lạnh

dùng bơm nhiệt rất phù hợp với điều kiện của Việt Nam.

- Hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt rất phù hợp để sấy các lo ại vật liệu có

yêu cầu nhiệt độ sấy thấp, các vật liệu cần có yêu c ầu khắt khe về mặt cảm

quan như màu sắc, mùi vị và chất lượng của sản phẩm sau khi sấy.

- Về mặt kinh tế, hệ thống sấy lạnh sử dung bơm nhiệt đem lại hiệu quả kinh tế

cao, th ời gian hoàn v ốn nhanh, v ốn đầu tư ban đầu, chi phí cho đầu tư bảo

dưỡng, chi phí cho điện năng thấp.

- Trên thực tế, có thể dùng máy điều hoà có công suất lạnh tương tự để thay thế

cho bơm nhiệt nên có thể giảm được chi phí đầu tư và hạ giá thành sản phẩm.

Từ những kết quả trên ta th ấy mô hình h ệ thống sấy rau qu ả ở nhiệt độ thấp sử

dụng bơm nhiệt có nhiều ưu điểm và có tính khả thi cao. Trong thực tế đã có một số

đơn vị triển khai các thi ết bị tương tự vào sản xuất và đã mang lại những hiệu quả

kinh tế rõ rệt.

Với hệ th ống sấy Mít đã thi ết kế, ta có th ể dùng để sấy các sản ph ẩm hoa qu ả

khác tương tự như: Chuối, Xoài,... trong khi Mít chưa đến mùa thu hoạch nhằm đảm

bảo hệ thống hoạt động liên tục để nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống cũng như

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 88

đảm bảo và nâng cao thu nhập cho người công nhân.

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Tài liệu tham khảo

1. Nghiên cứu xây dựng mô hình b ơm nhiệt trong phòng thí nghi ệm để nghiên

cứu các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính c ủa bơm nhi ệt – Lê Minh Trí- LV

Thạc Sỹ - ĐHĐN 2003

2. Kỹ Thuật Sấy – Hoàng Văn Chước- Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật

3. Tính toán và thiết kế hệ thống sấy – PGS-TSKH Trần Văn Phú

4. Nhiệt Động Kỹ Thuật – PGS.TS Ph ạm Lê Dần, PGS.TS Bùi H ải - Nhà xu ất

bản Khoa Học và Kỹ Thuật

5. Nghiên cứu sấy bằng nguyên lý bơm nhiệt cho một số nông sản tại Việt Nam

- Nguyễn Hay, Nguy ễn Văn Hùng, Nguy ễn Văn Công Chính, Nguy ễn Văn

Lành, Lê Quang Gi ảng – Báo cáo h ội nghị khoa học lần thứ 20 – ĐHBK Hà

Nội. Trang 88-92.

6. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sấy lạnh bằng bơm nhiệt máy nén – Th.S

Nguyễn Thanh Liêm, PGS.TS Ph ạm Văn Tuỳ - Báo cáo h ội nghị toàn qu ốc

khoa học kỹ thuật Nhiệt-Lạnh 12/4/2002. Trang 274-279.

7. Nghiên cứu thực nghiệm sấy lạnh dược liệu bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp -

PGS. TS Ph ạm Văn Tu ỳ, KS Ph ạm Văn Hậu - T ạp chí KH& CN

Nhiệt*9/2004 trang 8-10

8. Bơm nhiệt không khí/không khí v ới công nghệ hút ẩm và sấy khô – PGS.TS

Phạm Văn Tuỳ, KS Nguy ễn Thanh Liêm, KS D ương Văn Vường - Tạp chí

KH& CN Nhiệt*5/2001 trang 10 - 12

9. Đặc điểm tính toán, thi ết kế hút ẩm và s ấy lạnh bằng bơm nhi ệt máy nén

PGS.TS Phạm Văn Tuỳ - Tạp chí KH&CN Nhiệt* 11/2003 trang 2-4

10. Bơm nhi ệt sấy lạnh và hút ẩm BK-BSH 18- T ạp chí KH&CN Nhi ệt số

65*9/2005

11. Nghiên cứu và triển khai ứng dụng công nghệ hút ẩm và sấy lạnh dùng bơm

nhiệt nhi ệt độ th ấp trong điều ki ện Viêt Nam - Ph ạm Văn Tu ỳ, Nguy ễn

Nguyên An, Tr ịnh Qu ốc Dũng, Ph ạm Văn Hậu, Vũ Huy Khuê, Nguy ễn

Phong Nhã - Báo cáo h ội nghị khoa học lần thứ 20 – ĐHBK Hà Nội.Trang

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 89

81- 87

Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

12. Sổ tay quá trình và thi ết bị công nghệ hóa chất - Tập 2 – Nhà xuất bản Khoa

Học và Kỹ Thuật.

13. Thiết kế, ứng dụng bơm nh ịêt vào dây chuy ền sấy lạnh dược ph ẩm –

Nguyễn Như Thái - Đồ án tốt nghiệp – Năm 2005.

14. Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh - Nguy ễn Đức Lợi - Nhà xu ất bản Khoa

Học và Kỹ Thuật.

15. Thiết kế hệ thống thiết bị sấy – PGS.TS Hoàng V ăn Chước – Nhà xu ất bản

Khoa Học và Kỹ Thuật.

16. Nghiên cứu hút ẩm và sấy lạnh rau củ thực phẩm bằng bơm nhiệt máy nén –

PGS.TS Phạm Văn Tuỳ, KS Vũ Huy Khuê, KS Nguy ễn Khắc Tuyên - T ạp

chí khoa học công nghệ Nhiệt *9/2003 . Trang 10 – 12.

17. Quy trình công ngh ệ sản xu ất các s ản ph ẩm rau qu ả lạnh đông và rau qu ả

sấy khô - Nguyễn Bá Thanh. (Từ Internet)

18. Kỹ thu ật lạnh cơ sở - Nguy ễn Đức Lợi - Ph ạm Văn Tùy – Nhà xu ất bản

Giáo Dục - 1994

19. Cây thuốc và động vật làm thu ốc ở Việt Nam - T ập 2 - Vi ện Dược Liệu –

NXB Khoa Học và Kỹ Thuật.

20. Hệ th ống máy và thi ết bị lạnh – PGS.TS Đinh Văn Thu ận - TS Võ Chí

Chính – NXB Khoa Học và Kỹ Thuật.

21. Sổ tay quá trình và thi ết bị công nghệ hóa chất - Tập 1 – NXB Khoa H ọc và

Kỹ Thuật.

22. Thiết bị trao đổi nhiệt – Bùi H ải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư – NXB

Khoa Học và Kỹ Thuật.

23. Giáo trình Điều Hoà Không Khí – PGS.TS Võ Chí Chính – NXB Khoa H ọc

và Kỹ Thuật.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 90

24. Bơm Quạt Máy Nén - Nguyễn Văn May – NXB Khoa Học và Kỹ Thuật.

Đề tài: Thiết kế hệ thống sấy Mít nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt

Chủ đề:

MỤC LỤC Trang

Lêi C¶m ¬n

PHẦN MỞ ĐẦU

Chương 1

LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SẤY

Chương 2

LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT

Chương 3

CÔNG NGHỆ SẤY RAU QUẢ

Chương 4

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ

TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY

Chương 5

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM NHIỆT

)

)

( 143 ,0 032 ,0.2

)

)

( 125 ,0

( 2 dn d c c .2 ld . 1

5

3

1

4

2

6

Chương 6

TÍNH TOÁN TRỞ LỰC VÀ CHỌN QUẠT

Chương 7

TÍNH TOÁN THỜI GIAN HOÀN VỐN

KẾT LUẬN

Tài liệu tham khảo

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi