thiết kế hệ thống sấy mít dùng bơm nhiệt

thiết kế hệ thống sấy mít dùng bơm nhiệt

Mục lục

1 MỞ ĐẦU 2

1.1 Giới thiệu sơ lược về mít 2

1.2 Giới thiệu sơ lược về bơm nhiệt 2

1.3 Phương pháp thực hiện quá trình công nghệ: 2

2 PHẦN TÍNH TÓAN 4

2.1 Tính cân bằng vật chất và năng lượng 4

2.2 Tính chọn máy nén 10

2.3 Tính tóan thiết bị bốc hơi 11

2.4 Tính tóan thiết bị ngưng tụ trong 15

2.5 Tính tóan thiết bị ngưng tụ ngòai 18

2.6 Tính chọn quạt ly tâm 22

2.7 Tính chọn quạt hướng trục 22

2.8 Tính sơ bộ giá thành 23

3 KẾT LUẬN & ĐÁNH GIÁ 24

4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

1 MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu sơ lược về mít

Mít -Artocarpus heterophyllus- thuộc họ Dâu tằm- Moraceae Cây gỗ cao 12m tới 20m

Lá hình trái xoan nguyên hay chia thùy về 1 phía, dài 10-20cm Cụm hoa đực (dái Mít) và cái đính trên thân cây hoặc trên các cành già Quả to hình trái xoan hay thuôn, dài tới 60

cm, nặng tới 20-30kg hay hơn nữa Quả mít chín có màu lục vàng, là 1 lọai quả kép gồm nhiều quả bế mang bởi 1 bao hoa nạc trên 1 đế hoa chung Mỗi hốc là 1 hạt (thực ra là quả bế) bao bởi 1 lớp nạc mềm màu vàng ( tức là bao hoa)

Mít có nguồn gốc ở miền Nam Aán Độ và Malaysia, hiện được trồng khắp nước ta, trongcác vườn gia đình, quanh khu dân cư, trên nương rẫy

Nhân dân ta dùng quả mít còn non để ăn luộc, xào, nấu canh, hoặc muối dưa chua; xơ mít tham gia vào thành phần 1 lọai dưa gọi là nhút (có vùng làm nhút nổi tiếng như Thanh Chương ở Nghệ An); xơ mít chín cũng dùng muối nén ăn được như dưa chua Quả mít chín có các muối mít to, thơm ngọt dùng để ăn tươi, chế nước sinh tố, ăn luộc hoặc phơi khô làm rau ăn hoặc làm mứt khô hay ngâm trong xirô để tráng miệng Người ta xác định thành phần chủ yếu trong phần ăn được của mít: nước 72.3%; protein 1.7%; lipid 0.3%; đường tổng số 23.7% Trong 100 gam ăn được có: Ca 27g; P 38mg; Fe 0.6mg; Na 2 mg; K

407 mg; và các vitamin: tương đương caroten 235 UI; B1 0.09mg; B2 0.11mg; P 0.7 mg; C

9 mg Cứ 100 g mít sẽ cung cấp cho cơ thể 94 calo

Hạt mít cũng ăn được, có thể luộc, nướng hay rang chín, phơi khô làm bột hoặc ghế với cơm; bột này có khi được trộn với bột đậu tương để làm đậu phụ Lá mít dùng để nuôi gia súc có tác dụng kích thích sự tiết sữa

1.2 Giới thiệu sơ lược về bơm nhiệt

Năm 1852, Thomson (Lord Kelvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên của thế giới Song song với kỹ thuật lạnh, bơm nhiệt có bước phát triển riêng của mình Ngày nay bơm nhiệt đã trở nên quen thuộc và được ứng dụng trong các ngành kinh tế sử dụng nguồn nhiệt nhiệt độ thấp như:

- Công nghệ sấy và hút ẩm

- Công nghệ chưng cất, tách chất

- Các quá trình thu hồi nhiệt thải

- Công nghệ thực phẩm

1.3 Phương pháp thực hiện quá trình công nghệ:

Ta sẽ thiết kế hệ thống sấy mít sử dụng bơm nhiệt, năng suất sản phẩm 50kg/mẻ Mít nguyên liệu trước khi đem vô buồng sấy đã được chần sơ, nhiệt độ của mít lúc đưa vào buồng sấy là 35oC

Sau khi mít được đặt trên các khay đưa vào buồng sấy thì cửa buồng sẽ đóng kín, khôngkhí trong buồng sẽ đi qua bộ xử lý không khí (gồm thiết bị bốc hơi, thiết bị ngưng tụ, quạt

ly tâm), không khí sẽ lần lượt được làm lạnh tách ẩm (trong thiết bị bốc hơi)rồi được đun nóng( trong thiết bị ngưng tụ), sau đó nhờ quạt ly tâm đưa vào buồng sấy Không khí sau khi qua buồng sấy sẽ lại được đưa vào bộ xử lý không khí, rồi lại vào buồng sấy.

Không khí trước khi vào buồng sấy có nhiệt độ 41oC, độ ẩm tương đối 60% Không khí

ra khỏi buồng sấy có nhiệt độ 34oC, độ ẩm tương đối 96,4%

2 PHẦN TÍNH TÓAN

2.1 Tính cân bằng vật chất và năng lượng

2.1.1 Các thông số của không khí ngòai trời

Độ ẩm tương đối:

2.1.2 Các thông số của mít

Nhiệt độ vào của mít : tv1=35(oC)

Nhiệt dung riêng : C=1360.6 (j/kg độ)

f = 1.38(m2/kg vật liệu khô)

Kích thước 1 múi: 5.5x3x1 (cm)

G2 (năng suất): 50kg/mẻ

Độ ẩm tuyệt đối ban đầu W1 :257%

Độ ẩm tuyệt đối của sản phẩm W2 :40%

Độ ẩm tuyệt đối cân bằng Wcb :15%

Khối lượng vật liệu khô:

Số múi/kg vật liệu khô: N*= 276 (múi/kg vật liệu khô)

Số múi mít ứng với G2 :

N’= NxGo=276x35.714=9857.06 9858 (múi) (làm tròn lên)

Diện tích 1 múi chiếm chỗ trên khay:

Khối lượng ẩm trong mít trước khi sấy:

Ga1 = W1 Go/100 =275x35.714/100= 91.786 (kg/mẻ)

Lượng ẩm tách ra:

Số múi trên 1 khay :

N” = S/s’ = 548.25  549(múi/khay) (làm tròn lên)

Số khay cần:

n= N’/N” =9858/549=17.956 18(khay)

*Buồng sấy:

Tường buồng sấy làm bằng gạch đỏ dày 0.25m có hệ số dẫn nhiệt 0.7W/m2K

Chiều dài buồng sấy Lb =1.3(m)

Chiều rộng buồng sấy Wb =1.5(m)

Chiều cao buồng sấy Hb = 1.4(m)

Chiều cao 1 múi mít m=0.01(m)

Chiều cao 18 lớp mít:

2.1.4 Tính tóan quá trình sấy lý thuyết:

Chọn vận tốc của tác nhân sấy v=1.800 (m/s)

1 1 1

1 1

b

P d

Entalpy của tác nhân sấy vào buồng sấy:

I1 = [t1 +d(2500+1.842t1)].1000=[41+0.03(2500+1.842x41)]= 119174.991

(j/kg không khí khô) (theo [7] công thức 1.15)

Khối lượng riêng của không khí vào buồng sấy:

Lượng không khí khô cần thiết trong 1 giờ:

Lo = lo.W =346.705x26869.661 (kg không khí khô/h) (theo [8] công thức 7.14)Hệ số trao đổi ẩm:

0.0229 0.0174v

p

   =0.0229+0.0174x1.8=0.054 (kg/m2.h.mmHg)

Cường độ sấy:

Jm =p(Pm – P) =40.668(0.065-0.048)=0.678 (kg/m2h) (theo [7] công thức 5.52)

Trong đó

Pm =(Pb1 + Pb2 )/2: áp suất hơi trên bề mặt vật liệu sấy(tính 1 cách gần đúng)

P =(P1 + P2)/2 : áp suất hơi trong tác nhân sấy

Tốc độ sấy đẳng tốc :

N = 100Jmf =100x0.678x1.38= 93.504 (%/h) (theo [7] công thức 5.63)Hệ số sấy tương đối:

1

 (W1 – Wth)/N =(257-182.778)/93.504= 0.794 (h) (theo [7] công thức 5.67)Thời gian sấy giảm tốc:

2.1.5 Tính tóan quá trình sấy thực:

*Tổn thất qua kết cấu bao che:

Tường buồng sấy làm bằng gạch đỏ dày 0.25m có hệ số dẫn nhiệt 0.7W/m2K

Giả thiết nhiệt độ bề mặt trong của tường là tw1=33.924 (oC)

Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy trong buồng sấy:

Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ngòai của tường với không khí xung quanh:

q3 = 1.715(tw2 – tf2)1.333 =1.715(30.576-27)1.333=9.374 (W/m2)

(tf2 là nhiệt độ môi trường xung quanh tf2 =27oC)

Kiểm tra lại điều kiện q3 = q1 nên giá trị tw1 = 33.924oC chọn ban đầu là chính xác

Tổn thất ra môi trường xung quanh:

Qt = 3600.q1.Ft = 3600x9.374x7.84=264582.776 (J/h)

Tổn thất qua nền:

Qn = 3600.qn.Fn =3600x33.375x1.95= 234292.5 (j/h)

Trong đó qn = 33.375(W/m2) (giả sử buồng sấy xây cách tường nhà 1m)

(theo [8] bảng 7.1 trang142)

Tổng tổn thất qua kết cấu bao che:

Qbc = Qt + Qn =264582.776+234292.5= 498875.276 (J/h)

qbc = Qbc/ W=498875.276/20.957 =11178.021(J/kg ẩm)

*Tổn thất do vật liệu sấy mang đi:

Chọn nhiệt độ ra của mít là tv2=36(oC)

Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi:

Qv =G2Cv(tv2 – tv1)/  =50x1360.6(36-35)/ 3.698 = 18398.916 (J/h)

qv = Qv/W =18398.916/20.957= 877.806 (J/kg ẩm)

*Tính 

= Ca tv1 - qbc -qv = 4180x35 - 11178.021 - 887.806 = 134234.173(J/kg ẩm)(theo [8] công thức 7.20)

*Tính tóan lưu lượng tác nhân sấy:

I2 =[t2 +d(2500+1.842t2)].1000 =[34+0.033(2500+1.842x34)].1000=119583.595 (J/kg không khí khô)

T : nhiệt độ trung bình trong buồng sấy (oK)

Khối lượng ẩm ứng với 1 m3 không khí khô (ở nhiệt độ trung bình trong buồng sấy):

'.(d d )/ 2

d =(0.03+0.033)/2=0.0315(kg ẩm/kg không khí khô)

Lưu lượng không khí khô qua buồng sấy:

V=L/ ' =6886.297/1.286=5355.092 (m3 không khí khô/h)

Lưu lượng không khí ẩm qua buồng sấy:

Vậy giá trị v đã chọn ban đầu có thể xem là hợp lý.

*Biểu diễn quá trình sấy trên đồ thị I-d

+ D: (4)

dD = dA = d1 =0.030(kg ẩm /kg không khí khô)

d(kg ẩm/kg không khí khô)

Hệ số lưu lượng của máy nén:

Thể tích chuyển dời của pittông:

Vh = V/  = 0.0067379/0.757=0.008896 (m3/s) (theo [5] trang102)Công suất đọan nhiệt:

Na = G(h2 – h1’)= 0.154(736.77-707.6)x1000= 4490.396 (W) (theo [5] trang102)Hiệu suất chỉ thị:

Ne = Ni + Nm =5129.392+444.825 =5574.217 (W) (theo [5] trang102)Công suất trên trục máy nén truyền động trực tiếp:

Hệ số lạnh hiệu dụng:

Theo [5], phụ lục 2, trang 526, ta chọn lọai máy nén pittông 1 cấp lọai F4C của hãng MYCOM (Nhật Bản), có các đặc tính kỹ thuật:

Năng suất lạnh:22700(kcal/h) 26.36(kW)

Công suất trên trục: 6.9(kW)

2.3 Tính tóan thiết bị bốc hơi

Công suất = (IB – ID)L/3600= (119583.595-109280.411) x6886.297/3600=19708.551 (j/s) Chọn Q2 =21000 (j/s)

Sử dụng thiết bị bốc hơi cánh phẳng có ống làm bằng đồng, cánh làm bằng nhôm

Chọn bước cánh SC =0.005(m)

Bề dày cánh c=0.0004(m)

Bước ống đứng S1 = 0.04(m)

Bước ống dọc theo dòng lưu chất ngòai ống S2 = 0.04(m)

Đường kính trong dtr = 0.014(m)

Đường kính ngòai dng = 0.016(m)

Chọn vận tốc dòng khí v2 (m/s) =4.5(m/s)

Chọn số cụm ống theo chiều không khí z =2

Chiều dài cánh theo chiều dài không khí:

d

Re0.28 0.08

1000

m   =-0.28+0.08x2316.084/1000=-0.095 (theo [5] trang 150)

Re1.36 0.24

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu về phía không khí:

c n kh

Với Rc , Rn : nhiệt trở chỗ tiếp xúc giữa cánh và ống, nhiệt trở do nước ngưng tụ

Với n ,n là chiều dày lớp nước (m), hệ số dẫn nhiệt của nước

Lấy n=0.001m, n=0.6176 (W/m.K) (lấy ớ 30oC theo [10] trang133)

1 2480 d

t

 =1 + 2480 x 0.003 /2.371=4.184 (theo [5] công thức 6.71)

Diện tích cánh của 1 m ống:

2

1 2

12

4

ng c

Diện tích khỏang giữa các cánh của 1 m ống :

Trong đó  =0.85

Chọn nhiệt độ vách tv =7.599(oC)

Mật độ dòng nhiệt về phía không khí qui đổi theo bề mặt trong của ống:

qtr=qtr(t kh t v)=685(32.815-7.599)=17272.96 (W/m2) (theo [5] công thức 6.76)Diện tích bề mặt truyền nhiệt:

*Nhiệt độ sôi của R22 trong thiết bị bay hơi là to = 3oC

Khối lượng riêng của R22 lỏng  =1274.2 (kg/m3)

Nếu ta xem lượng nhiệt làm quá nhiệt hơi R22 trong ống là không đáng kể thì vận tốc của R22 lỏng trong ống là:







0 2

04

q z d

Q

tr

 =4x21000/(3.14x0.0142x2x149410x1274.2)=0.35(m/s)

Vì qtr  qa-tr từ đó ta thấy chọn tv = 7.599 oC hợp lý.

Tổng chiều dài ống trong 1 cụm ống :

1

1

2

kh c ng c

f L

Trong đó chọn K=1.93

Chiều dài của 1 ống trong cụm ống :

l = L1/m =17.8/18=0.989 1(m)

*Kiểm tra lại vận tốc không khí sau khi chọn m:

+Diện tích tiết diện cho không khí đi qua của 1 m chiều dài ống có cánh:

Vậy các thông số đã chọn là hợp lý

Lưu lượng R22 lỏng đi trong ống :

G*=Q2/qo =21000/149410=0.14(kg/s)

Vì v1 kk=4.5x1.116=5.022 (kg/m 2s)nên theo [5] thì với vận tốc khối này các hạt nước vẫn chưa bay đi theo gió, do đó ta không cần phải đặt các thiết bị chắn phía sau thiết bị bay hơi

2.4 Tính tóan thiết bị ngưng tụ trong

Công suất Q1 = (IA – ID)L/3600 =18926.948(j/s)

Chọn Q1 =19500(j/s)

Sử dụng thiết bị ngưng tụ cánh phẳng có ống làm bằng đồng, cánh làm bằng nhôm

Chọn bước cánh SC =0.003(m)

Bề dày cánh c=0.0003(m)

Bước ống đứng S1=0.04(m)

Bước ống dọc theo dòng lưu chất ngòai ống S2=0.04(m)

Đường kính trong dtr =0.014(m)

Đường kính ngòai dng=0.016(m)

Chọn vận tốc dòng khí v1 =4(m/s)

Số cụm ống theo chiều không khí z=6

Chiều dài cánh theo chiều dài không khí L = S2.z=0.24(m)

Đường kính tương đương:

d

Re0.28 0.08

1000

m   =-0.28+0.08x1078.053/1000=-0.194

Re1.36 0.24

Chiều cao qui ước của cánh:

2

1 2

12

4

ng c

Trong đó tK =45oC là nhiệt độ ngưng tụ của môi chất trong bình ngưng

Chọn giá trị  =tk - tv =1.143oC ( độ chênh giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ vách)

Mật độ dòng nhiệt về phía không khí theo bề mặt trong của ống:

đồngthau W mK

 = dtr – dng =0.002(m)

Hệ số tỏa nhiệt về phía R22:

Vì qkh-tr  qa-tr nên giá trị  đã chọn ban đầu là chính xác

Diện tích bề mặt trong của bình ngưng:

Chọn chiều dài 1 ống là: l (m)

Tổng số ống trong bình ngưng:

Diện tích tiết diện cho không khí đi qua của 1 m chiều dài ống có cánh:

Vậy vận tốc đã chọn ban đầu là hợp lý

Lưu lượng R22 lỏng trong thiết bị:

G’=Q1/(h3 – h4) =19500/(716300-555970)= 0.123(kg/s)

2.5 Tính tóan thiết bị ngưng tụ ngòai

Lưu lượng R22 lỏng trong thiết bị:

G’’=G* - G’ =0.14-0.123=0.017(kg/s)

Q3* = G’’(h3 – h4) = 0.017(716300-555970)=2725.6(J/s)

Lấy công suất của thiết bị ngưng tụ ngòai Q3 =2800(J/s)

Nhiệt độ không khí vào và ra khỏi thiết bị lần lượt là:t1 = 27oC,t2 = 29oC

Nhiệt độ trung bình của không khí trong thiết bị: 28oC

Thông số nhiệt vật lý của không khí ở 28oC (theo [5] trang 186)

Chọn vận tốc dòng khí v3 =3(m/s)

Số cụm ống theo chiều không khí z=1

Chiều dài cánh theo chiều dài không khí L = S2.z=0.05(m)

Đường kính tương đương:

d

Re0.28 0.08

1000

A=0.37

Re1.36 0.24

2

1 2

12

4

ng c

Hệ số tỏa nhiệt về phía không khí qui đổi theo bề mặt ngòai:

Trong đó tK =45oC là nhiệt độ ngưng tụ của môi chất trong bình ngưng

Chọn giá trị  =tk - tv = 4.6oC ( độ chênh giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ vách)

Mật độ dòng nhiệt về phía không khí theo bề mặt trong của ống:

Vì qkh-tr  qa-tr nên giá trị  đã chọn ban đầu là chính xác

Diện tích bề mặt trong của bình ngưng:

Chọn chiều dài 1 ống là: 0.8 (m)

Tổng số ống trong bình ngưng:

Số ống bố trí trên mặt chính diện:

Fkh = n1.l.fkh =14x0.8x0.035=0.394(m2) (theo [5] trang190)Vận tốc không khí:

Vậy vận tốc đã chọn ban đầu là hợp lý

2.6 Tính chọn quạt ly tâm

Trở lực qua thiết bị ngưng tụ trong:

2 1

Các trở lực khác lấy bằng P3 20(Pa)

Chọn vận tốc không khí trước khi vào quạt là5.5(m/s) và khi ra khỏi quạt là 9.5(m/s)

Cột áp tổng:

2.7 Tính chọn quạt hướng trục

Trở lực qua thiết bị ngưng tụ ngòai:

=

0.23

0.26(6 9z) S (Re)

Chọn quạt hướng trục bốn cánh A lọai M N 4 o

Công suất trên trục động cơ điện:

N=(1.187x31.12x9.81x1.16)/(1000x0.55x1)= 0.764(KW)

2.8 Tính sơ bộ giá thành

STT Chi tiết, thiết bị Đơn giá

(nghìn đồng) Số lượng(cái) (nghìn đồng)Thành tiền1

Thiết bị ngưng tụ trong

Thiết bị ngưng tụ ngòai

Thiết bị bốc hơi

Nhiệt kế thủy ngân

Nhiệt kế điện trở

Aùp kế lò xo

Các thiết bị tự động

Đường ống

Các chi tiết phụ khác

8000100030001050015002000800900050200300

11111111422

800010003000105001500200080090002004006001000015001000

Tiền vật tư tổng cộng: 49.5 triệu đồng

Tiền công chế tạo ( lấy bằng 300% tiền công vật tư):148.5 triệu đồng

Tổng số tiền cần thiết :198 triệu đồng

3 KẾT LUẬN & ĐÁNH GIÁ

Thiết bị kết hợp được 2 khả năng làm lạnh hút ẩm và làm nóng nên tiết kiệm được năng lượng Thiết bị phù hợp với những trường hợp sấy vật liệu không sử dụng nhiệt độ cao(nó có thể ứng dụng trong sấy lạnh) Thiết bị có cấu tạo khá đơn giản

Hiệu quả tách ẩm của thiết bị không những phụ thuộc vào điều kiện môi trường bên ngòai, lọai vật liệu sấy…, mà còn phụ thuộc vào độ kín của hệ thống

Bên cạnh việc sử dụng thiết bị bốc hơi để tách ẩm thì ta có thể dùng các lọai vật liệu tách ẩm (silicagel) để làm công đọan tách ẩm

Ta có thể tận dụng những máy lạnh có sẵn trên thị trường để lắp đặt nhanh

Để đảm bảo thiết bị họat động an tòan thì cần phải có các thiết bị an tòan và các thiết

bị điều khiển tự động Ngòai ra, để có thể theo dõi được các thay đổi về nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc không khí…, thì ta cũng cần có các thiết bị đo

Trong quá trình tính tóan cân bằng vật chất ta đã sử dụng những công thức gần đúng, từđó dẫn đến những sai số cho quá trình chọn thiết bị sau này

4 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Văn Bôn, Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm-tập5-Quá trình

và thiết bị truyền nhiệt, NXB ĐHQG Tp.Hồ Chí Minh, 2002.

[2] Phạm Văn Bôn, Sổ tay dẫn nhiệt không ổn định-thông số nhiệt lý của thực phẩm và

nguyên liệu, Tp.Hồ Chí Minh 2004.

[3] Trần Ngọc Chấn, Điều hòa không khí, NXB Xây Dựng, Hà Nội 2002.

[5].Trần Thanh Kỳ, Máy lạnh, NXBĐHQG Tp.Hồ Chí Minh, 2004

[6] Nguyễn Đức Lợi, Tự động hóa hệ thống lạnh, NXBGD, 2002

[7] Nguyễn Văn Lụa, Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm-tập7-Kỹ

thuật sấy vật liệu, NXB ĐHQG Tp.Hồ Chí Minh, 2001

[8] Trần Văn Phú, Tính tóan và thiết kế hệ thống sấy,NXBGD, Hà Nội, 2000.