CHƯƠNG II: II: TÍNH CÂN BẰ BẰNG VẬ VẬT CHẤT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢ NG NG II.1. II.1. Số liệu đầu vào. Tính toán, thi ết k ế hệ thống thiết bị sấy cá cơm gồm:
Thiết bị: hầm sấy.
Phương thức: sấy ngượ c chiều không h ồi lưu.
Tác nhân sấy: không khí.
Tác nhân gia nhiệt: khói lò, s ử dụng calorifer khí -
Vật liệu sấy: khoai mì
Năng suất đầu vào: 2000kg/h.
Độ ẩm ban đầu: 40%.
Độ ẩm cuối: 10%.
hơi
II.2. II.2. Tính cân bằng vật chất Ta ký hiệu các đại lượng như sau: G1, G2 - khối lượ ng ng vật liệu vào, ra thi ết bị sấy, kg/h.
ω1, ω2 - độ ẩm tương đối vật liệu vào, ra thiết bị sấy, %. W - lượ ng ng ẩm bay hơi, kg. Gk - khối lượ ng ng vật liệu khô tuyệt đối, kg/h.
Lượng sản phẩm sau khi sấy:
=
100 10040 = 2000. = 1333.33/ℎ 100 10010
Lượ ng ng ẩm cần bốc hơi:
=
40 40 10 = 1333,33. = 666.67/ℎ 666.67/ℎ 100 10040
Lượng vật liệu khô tuyệt đối:
=
100 10010 = 1333,33. = 1200/ℎ 1200/ℎ 100 100
II.3. Cân bằng năng lượng II.3.1. Tính toán quá trình sấy lý thuyết
quá trì nh sấ H ình 2-1: Đồ thị bi ể u di ễn y lý thuy ết .
Các công thứ c tính toán và bảng tra xác định các thông số của TNS
Phân áp suất bão hòa hơi nướ c P bh (bar): Tra bảng tính chất bão hòa hơi nướ c (theo nhiệt độ).
Độ chứa ẩm của không khí d (kg ẩm/kg kkk): d = 0,621
Trong tính toán k ỹ thuật,
φ. (2.21) [1] P−φ.
đại lượ ng áp suất của hỗn hợ p không khí ẩm xem như
không đổi và p = 1bar.
Entanpi I (kJ/kg kkk): I = Ik + Ih = C pk .t + (r o + C ph.t).d
Trong đó: C pk = 1,004 kJ/kg.độ : nhiệt dung riêng c ủa không khí khô C ph = 1,842 kJ/kg.độ : nhiệt dung riêng c ủa hơi nướ c r 0 = 2500 kJ/kg: ẩn nhiệt hóa hơi của nướ c
Thông số của không khí ngoài trờ i (A) Ta có to = 27oC, φo = 82%. T ừ đó ta xác định đượ c:
Phân áp suất bão hòa hơi nướ c P bh0:
P bh0 = 0,036 (bar)
Lượ ng chứa ẩm do:
d0 = 0,621*
,∗, = 0,02 (kg ẩm/kg kkk) −,∗,
Entanpy I o:
Io = 1,004*27 + (2500 + 1,842*27)*0,02 = 78.103 (kJ/kg kkk)
Thông số của không khí sau calorifer (B) Ta có t1 = 100oC, d1 = d0 = 0,02 (kg ẩm/kg kkk). T ừ đó ta xác định đượ c:
Phân áp suất bão hòa hơi nướ c P bh1:
P bh1 = 1.01 (bar)
φ1 =
Độ ẩm tương đối φ1: .p ,∗ = .100 = 3.1% .100 ,+, ∗. ,+ .
Entanpy I1:
I1 = 1,004*100 + (2500 + 1,842*100)*0,02 = 154.084 (kJ/kg kkk)
Thông số của không khí sau thiết bị sấy (C) Quá trình sấy lý thuyết xảy ra bên trong thi ết bị sấy là quá trình đẳ ng entanpi nên ta
có: I2 = I1 = 154.084 (kJ/kg kkk) Nhiệt
độ TNS sau quá trình s ấy đượ c ch ọn sao cho độ ẩm tương đối không quá bé
để giảm tổn thất nhiệt do TNS mang đi và không quá gầ n tr ạng thái bão hòa tránh hi ện tượng đọng sương trên bề mặt vật liệu sấy. Vậy t2 phải thỏa mãn 2 điều kiện: t2 = tu + ∆t t2 > ts
Trong đó: tu : nhiệt độ bầu ướ t ứng vớ i tr ạng thái không khí vào bu ồng sấy. ts : nhiệt độ điểm sương ứng vớ i tr ạng thái không khí vào bu ồng sấy.
Tra đồ thị I-d của không khí ẩm tại t1 = 100oC, φ1 = 3,1% ta ch ọn t2 = 400C
Phân áp suất bão hòa hơi nướ c P bh2:
P bh2 = 0,0737 bar
Lượ ng chứa ẩm d2: . ,−,∗ = = 0,044 (kg ẩm/kg kkk) . +,∗
d2 =
Độ ẩm tương đối φ 2: , .
φ2 = ,+, ., .100 = 89.77% Với φ2 = 72,10% th ỏa mãn điều kiện mà chúng ta đặt ra ban đầ u vừa tiết kiệm nhiệt
lượ ng do tác nhân sấy mang đi vừa đả m bảo không xảy ra hiện tượng đọng sương. l0 =
Lượ ng không khí khô c ần thiết để bốc hơi 1kg ẩ m l0:
=
= 41.67 (kg kkk/kg ẩm) ,−,
Vậy: L0 = W.l0 = 666,67. 41,67 = 27780,14 (kg kkk/h) Tác nhân sấy trướ c khi vào hầm sấy có t1 = 1000C, 1 = 3,1% Theo phụ lục 5 [1] v ớ i thông s ố này thể tích của không khí ẩm chứa 1kg không khí khô: vB = 1,103 (m 3/kg kkk)
Tương tự tác nhân sấy sau quá trình s ấy lý thuyết (điểm C) có t2 = 400C, 2 = 89.77% ta có: vC = 0,977 (m3/kg kkk)
Tương tự tác nhân sấy ở điểm A có t0= 270C, 0 = 82% ta có: vA = 0,907 (m3/kg kkk)
Do đó: VA= L0.vA = 27780,14 . 0,907 = 25196,6 (m 3/h)
VB = L0.vB = 27780,14 . 1,103 = 30641,5(m 3/h) VC = Lo.vco =27780,14 . 0,977= 27141,2 (m 3/h)
Lưu lượ ng thể tích trung bình V o:
Vo = .(VB + VCo) = .( 30641,5+27141,2) = 28891,35 (m 3/h) Vớ i thờ i gian sấy t = 5h nên ta có: V o = 8,03 (m3/s) Trong quá trình s ấy lý thuyết thì h ệ thống sấy được coi là lý tưở ng, tức là trong quá trình sấy không có nhi ệt tổn thất và không có nhi ệt bổ sung:
= 0, = 0 . Như vậ y
lượ ng nhiệt do tác nhân s ấy cung cấ p cho vật s ấy làm ẩm bay hơi thì chính là lượ ng ẩm này mang một phần lượ ng nhiệt tr ở lại tác nhân sấy. Do đó, entanpy là không đổ i: = . Nhiệt lượ ng tiêu hao q o: qo = lo (I1 - I0) = 135,1351 (132,7390 – 111,5612) = 2861,8641 (kJ/kg ẩm) Qo = qo.W = 2861,8641. 250 = 715466,025 (kJ/h) Vậy Qo = 198,7405kW Lo là một trong hai thông s ố cho phép ta chọn quạt và Qo là cơ sở ta chọn Calorifer khi thiết k ế sơ bộ hệ thống sấy.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
3.1. Xác định kích thước thiết bị sấy
1
H i ̀nh 3.1: K hay sấ y
2
H i ̀nh 3.3: Cách bố trí khay sấ y trên xe goòng
1. Xe goòng
H i ̀nh 3.2: Xe goòng
2. Khay chứa vật liệu sấy
Kích thước khay sấy Khay sấy dùng để xếp vật liệu sấy. Khay sấy được chế tạo từ nhôm, tạo hình bằng phương pháp dập nhôm tấm bản có chiều dày 5 mm, kích thước khay 20x1500x2000 cm, tạo gờ mép ngoài từ 25 – 30 mm (ta lấy 25 mm) để tiện cầm nắm. Khối lượng mỗi khay khoảng 3,5 kg. Diện tích phần khay cho phép tải lên: 1,475. 1,975 = 2,9 m 2
Diện tích 1 lát khoai mì : 502. π . 10-4 = 8.10-3 m2 ,
Số khoai mì trên 1 lớp sắp xếp: .− = 362,5 lát Khối lượng khoai 1 lớp: 362,5 . 112 = 40600 g = 40,6 kg (với khối lượng trung bình 1 lát khoai là 112 g) Do yêu cầu năng suất thiết bị = 2000 kg/h, nên số khay cần trong 5 h là: N =
. = ,
246,31 khay = 247 khay
Kích thước xe goòng Xe goòng được chế tạo từ khung thép CT3, mỗi xe đặt 20 khay cá tương ứng với 20 tầng của xe, mỗi khay chứa 40,6 kg vật liệu sấy. Các khay được xếp trên mỗi
tầng cách nhau 110 mm để đảm bảo sự lưu thông của tác nhân sấy (không khí nóng) được dễ dàng. Dưới đáy xe goòng có gờ để ăn khớp với gờ của xích tải, xe sau nối xe trước đi liền kề nhau. Xe di chuyển nhờ bánh xe và chuyển động của xích tải. * Chọn thiết bị chuyển tải là xe goòng có kích thước: - Chiều rộng:
BX = 1500 mm
- Chiều dài:
LX = 2000 mm
- Chiều cao :
HX = Hm + Hx + x =1900 + 150 + 50 = 2100 mm
Trong đó: Hm: chiều cao chất vật liệu sấy Hx: chiều cao bánh xe x: khoảng cách từ bánh xe đến khung xe
Mỗi xe đặt 20 khay, mỗi khay chứa 40,6 kg nguyên liệu. Như vậy khối lượng vật liệu sấy mỗi xe bằng: GX = 40,6. 20 = 812 (kg)
* Số xe goòng cần thiết trong 6h: n = .τ=
. 5 = 12,3 xe
Vậy ta cần 13 xe cho 5h sấy.
-
Kích thước buồng sấy: Chiều rộng:
B b = BX + 2B = 1500 + 2.100 = 1700 mm
B: khoảng cách từ xe goòng đến mép bên của tườ ng. -
Chiều dài:
L b = n.L X + L = 9.2000 + 2.500 = 19000 mm
L: khoảng cách xe goòng cách 2 đầ u buồng sấy. r: là kho ảng cách giữa 2 xe goòng. -
Chiều cao:
H b = HX + H = 2100 + 150 = 2250 mm.
H: khoảng cách từ đỉnh xe goòng đế n tr ần buồng sấy.
Kích thước phủ bì buồng sấy :
Ta có kết cấu tường bao, trần và và cửa buồng sấy như sau: + Lớp vật liệu tôn tráng kẽm mặt trong và mặt ngoài có cùng độ dày là: = = 0,5mm.
+ Lớp bông thủy tinh cách nhiệt ở giữa: = 50mm. -
Chiều rộng phủ bì:
B = B b + 2.(1 +2 + 3) = 1700 + 2.(0,5 + 0,5 + 50) = 1802 mm. -
Chiều dài phủ bì:
L = L b + 2.(1 +2 + 3) = 19000 + 2.(0,5 + 0,5 + 50) = 19102 mm. -
Chiều cao phủ bì:
H = H b + 1 + 2 + 3 = 2250 + 0,5 + 0,5 + 50 = 2301 mm.
Diện tích xung quanh của buồng sấy: Fxq = 2.(B + L).H = 2.(1,802 + 19,102).2,301 = 96,20 (m 2)
Diện tích trần và nền buồng sấy: Ftr = Fn = L.B = 19,102.1,802 = 34,42 (m 2)
Xác định khối lượng thiết bị sấy
Khung xe goòng
Khung của xe goòng đượ c làm từ 32 thanh chi ều r ộng dài 1,5 m và 32 thanh chi ều dài dài 2 m; 4 thanh chi ều cao dài 1,9 m, t ất cả
đều đượ c làm từ thép CT3 kích thướ c
30x30x1,5 mm. C ụ thể: Tiết diện khung:
= 0,03 0,03 0,0015 = 8,775.10− Thể tích thép làm khung:
= 8,775.10− . 32.1,5 32.2 4.1,9 = 0,0105 Vậy khối lượ ng của khung xe là:
= . é = 0,0105.7,85. 10 = 82,425
Bánh xe
Bánh xe goòng đượ c làm từ thép CT3 có đườ ng kính l ớn 0,15 m; đườ ng kính nhỏ là 0,13 m. Gi ả sử khối lượ ng tổng của 1 bánh xe là 2 kg; bánh xe có 2 ổ bi, mỗi ổ nặng 0,5 kg; khối lượ ng tr ục bánh xe là 0,5 kg. Vậy khối lượ ng tổng phần bánh xe là:
= 2 2.0,5 2.0,5 = 4 = + = 82,425 + 4 = 86,425 (kg)
Khay:
Khay đượ c làm bằng nhôm có kích thướ c: -
Chiều dài 2 m
-
Chiều r ộng 1,5 m
-
Bề dày 5mm
-
Gờ mép ngoài cao 25 mm.
= 1,5.2.0,025 1,5 0,0052 0,0050,025 0,005 = 15,35. 10− Khối lượ ng 1 khung khay:
= . ô = 15,35.10− .2,7. 10 = 41,445
Khối lượ ng một xe goòng khi chưa chứ a vật liệu sấy
= . á . 4 = 41,445.20 86,425 4.4 = 931,325
Khối lượ ng xe luôn v ật liệu
= = 931,325 812 = 1743,325 3.2. Tính toán tổn thất nhiệt trong hệ thống sấy 3.2.1. Tổn thất nhiệt do VLS mang đi Tính theo công thức: = . . Với: là khối lượng vật liệu sấy ra, kg.
là nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kJ/kg.K. Cvk = 1,67 kJ/kg.K là nhiệt dung riêng của cá khô Ca = 4,18 kJ/kg.K là nhiệt dung riêng của nước Ta có:
= . 1 ω . ω = 1,67. 10.1 4,18.0,1 = 1,921 kJ/kg.K) là nhiệt độ vào của vật liệu sấy, thường lấy bằng nhiệt độ môi trường = 27 0C. là nhiệt độ ra của vật kiệu sấy, = 400C Tổn thất nhiệt do v ật liệu sấy mang đi:
= . . = 1333,33.1,921. 4027 = 33297,25 (kJ)
Tổn thất nhiệt do v ật liệu sấy mang đi tính cho 1 kg ẩ m:
= = , = 49,95 kJ/kg ẩm) ,
3.2.2. Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển Qct = Qkh + Qx Qkh: tổn thất nhiệt do khay s ấy mang đi. Qx: tổn thất nhiệt do xe goòng mang đi. Nhiệt
độ của khay sấy và xe goòng khi đi vào buồ ng sấy lấy bằng nhiệt độ môi
trườ ng: = = = 27 . Nhiệt
độ của khay sấy và xe goòng khi đi ra buồ ng sấy l ấy b ằng nhiệt độ của tác
nhân sấy: = = = 100 . Khối lượ ng của khay sấy và xe goòng l ần lượ t là: mxe = 86,425 kg mkhay = 41,445 kg Nhiệt dung riêng c ủa vật liệu chế tạo xe (thép CT 3) và khay (nhôm) l ần lượ t là: Cx = 0,5 kJ/kg.K Ckh = 0,86 kJ/kg.K
Tổn thất nhiệt do xe goòng mang đi
Vớ i nx = 13 xe ta có: Qx = nx.Gx.Cx.( ) = 12. 86,425. 0,5.(100-27) = 37854,15 (kJ)
Tổn thất nhiệt do khay sấy mang đi
Vớ i nkh = 247 khay ta có: Qkh = nkh.Gkh.Ckh.( ) = 247. 41,445.0,86.(100 - 27) = 642673,52 (kJ)
Vậy = = 37854,15 642673,52 = 680527,67 (kJ)
=
= , = 1020,8 (kJ/kg ẩm) ,
3.2.3. Tổn thất nhiệt ra môi trườ ng
Giả thuyết về tốc độ TNS
Tiết diện tự do của buồng sấy bằng:
= . 16. . = 1,7.2,25 16.1,5.0,02 = 3,345 Do đó tốc độ s ấy tối thiểu s ẽ b ằng lưu lượ ng thể tích trong quá trình s ấy lý thuyết V0 chia cho ti ết diện tự do : , = = , = 2,4 m/s)
Vì lưu lượ ng trong quá trình s ấy thực phải lớn hơn trong quá trình sấ y lý thuyết nên tốc độ TNS giả thiết để tính toán cũng phả i lớn hơn wo. Ta chọn w = 2,5 (m/s), chúng ta s ẽ kiểm tra lại giả thuyết này sau khi tính được lưu lượ ng thể tích th ực tế. Các dữ liệu dòng nhi ệt truyền qua hai bên tườ ng buồng sấy: + Nhiệt độ thể nóng
trong trườ ng hợ p này là nhiệt độ trung bình c ủa TNS:
= 0,5. = 0,510040 = 70 + Nhiệt độ thể lạnh là nhiệt độ môi trườ ng =
= 27 .
Mật độ dòng nhiệt q ( W/m2) truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt truyền nhiệt có thể tính bằng một trong các công thức sâu đây: q = k. ∆ = k.( = . ( )
= . ( ) =
− 2 , [W/m ] + +
Chúng ta xem TNS chuy ển động cưỡ ng bức vớ i tốc độ 2,5 m/s và không khí ngoài
đối lưu tự nhiên chảy r ối. Ta tính 1 theo công th ức:
=
1,715.∆ , = 1,715. − 0,333
Ta có các phương trình nhiệ t sau: Mật độ dòng nhi ệt trao đổi nhiệt đối lưu giữ a TNS và mặt trong c ủa tườ ng q1
bằng:
= . Mật độ dòng nhi ệt do d ẫn nhiệt q2:
= ∑
Mật độ dòng nhi ệt do đối lưu tự nhiên t ừ mặt ngoài c ủa tườ ng vớ i không khí
xung quanh b ằng:
= 1,715.∆ , = 1,715. − 0,333 = 1,715 , = 1,715 27, Từ giả thuyết truyền nhiệt là ổn định ta có q1 = q2, vậy tw2 sẽ đượ c tính:
= ∑
Kết cấu tường bao, trần và cửa buồng sấy như sau: + Lớp vật liệu tôn tráng kẽm mặt trong và mặt ngoài có cùng độ dày là: = = 0,0005m,
= = 45,5 W/m.K;
+ Lớp bông thủy tinh cách nhiệt ở giữa: = 0,05 m,
∑ = Vậy:
= 2.
, ,
= 0,05 W/m.K.
, = 1 ,
= ∑ = .1 Bằng phép tính l ặ p, ta có thể giả thiết
trướ c nhiệt độ tườ ng phía nóng và tính
đượ c mật độ dòng nhiệt truyền từ TNS vào vách q 1. Từ dòng nhiệt này và từ ta có thể
tính đượ c nhiệt độ mặt ngoài của vách . T ừ nhi ệt độ và nhiệt độ môi trườ ng t f2 ta tính đượ c nhiệt lượ ng q3 do truyền nhiệt đối lưu tự nhiên gi ữa vách ngoài của buồng sấy và môi trường. Sau đó so sánh kế t quả q1 vớ i q3, sai lệch không quá 5% thì xem k ết quả tính toán là chấ p nhận đượ c với điều kiện tw1>tw2.
B ảng 3.1: Tí nh toán tìm mật độ dòng nhi ệt cho t ừn g giá tr ị tương ứ ng c ủa t w1 tw2(0C)
tw1(0C) q1(W/m2)
q3(w/m2)
