Tính Diện tích CollectorĐề bài: Một thiết bị nông sản dùng năng lợng mặt trời có năng suất sấy Ns kg/mẻ, độ ẩm trớc khi sấy ϕ0 và sau khi sấy ϕ2.. Tính toán nhiệt cho quá trình sấy: Nhi
Trang 1Tính Diện tích Collector
Đề bài: Một thiết bị nông sản dùng năng lợng mặt trời có năng suất sấy Ns
(kg/mẻ), độ ẩm trớc khi sấy ϕ0 và sau khi sấy ϕ2 Nhiệt độ sấy lớn nhất cho phép tmax; thời gian sấy ts, collector có chiều cao Hc, chiều rộng Bc , chiều dài Lc
? Xác định diện tích cần thiết của Collector Fc
Các số liệu cho theo bảng sau:
0
2
Nơi đặt thiết bị Thanh Hoá
* Sơ đồ hệ thống quá trình sấy Đỗ tơng bằng năng lợng mặt trời:
I Tính toán nhiệt cho quá trình sấy:
Nhiệt lượng cần thiết cho qúa trình sấy được xác định theo quan hệ giữa diện tích của tấm hấp thụ với nhiệt lượng hữu ích do không khí mang ra khỏi collector
- Xử lý cơ học
- Xử lý hoá học
- Diệt men, oxy hoá
khử
Tác nhân sấy
Năng lợng mặt trời
Phẩm
Làm nguội
Trang 2i 0
i 1
A
B
C
t
1 = t m
φ = 90%
t2
I
0
ϕ
t0
Hình 1 biểu diễn quá trình sấy lý thuyết với tác nhân sấy l không khí trênà
đồ thị I - d Có thể chia quá trình sấy l m hai giai à đoạn:
+ Giai đoạn đốt nóng không khí (đoạn AB trên đồ thị ): Trong giai đoạn n yà không khí môi trường ở điểm A có nhiệt độ t0, độ ẩm tương đối ϕ 0, độ chứa
ẩm d0, được đốt nóng không tăng ẩm đến điểm B có nhiệt độ t1 Đặc trưng của quá trình đốt nóng l nhià ệt độ tăng nhưng độ chứa ẩm d không đổi Vì vậy, trạng thái của khụng khí tại điểm B được xác định bởi đường t1 và đường d1 = d0 Sau giai đoạn n y không khí có nhià ệt độ sấy t1, độ ẩm giảm xuống Như vậy, nhiệt độ tăng v à độ ẩm giảm đó l m cho không khí khôngà những có thể cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy m còn l m tà à ăng khả năng nhận thêm ẩm hay tăng khả năng sấy
+ Giai đoạn sấy (đoạn BC): Lúc n y không khí à đã được đốt nóng tiếp xúc với vật liệu sấy làm hơi nớc trong vật liệu sấy bay hơi Nhiệt độ không khí giảm từ
t1 xuống t2 và độ chứa ẩm tăng lên d2 Đặc điểm giai đoạn này là I = const do không khí nóng nhả nhiệt cho vật liệu sấy nhưng lại nhận lại chính nhiệt lượng
đó do hơi nước mang theo
Hỡnh 1: Quỏ trỡnh sấy lý thuyết trờn đồ thị I - d
Nhiệt độ t2 của khụng khớ sau khi ra khỏi buồng sấy được chọn sao cho
đủ nhỏ để tiết kiệm nhiệt lượng mang ra, nhưng cũng đủ xa trạng thỏi bóo hũa để trỏnh hiện tượng đọng sương cú thể xảy ra Vỡ nhiệt độ t2 bao giờ
d o =d 1 d 2 d
φ = 100%
Trang 3cũng lớn hơn nhiệt độ khụng khớ vào bộ cấp nhiệt t0 nờn trong quỏ trỡnh sấy
lý thuyết bao giờ cũng cú tổn thất nhiệt do khụng khớ mang đi
Với nhiệt độ môi trờng to = 31oC và ϕo = 80(%) Tra đồ thị i - d ta có:
do = d1= 27.10-3(kgẩm/kg.k3); d2 = 41.10-3(kg ẩm/kg.k3)
Io = 24 (kcal/kg.k3) ; I1 = 31 (kcal/kg.k3) ; t2 = 39oC
Tổng xạ E = 1597 (kwh/m2năm) = 4375 (wh/m2.ngày)
* Nhiệt lợng cần thiết cho quá trình sấy:
Qs = W.Q (kJ)
- Lượng nước cần bốc hơi từ vật liệu sấy là:
W = G
2
2
ϕ
ϕ
−
−
11 , 0 1
11 , 0 22 , 0
−
− = 61,8 ( kg).
- Nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi 1kg nước từ vật sấy là:
Với 1 Kcal = 4,186 kJ nên ta có:
Q = Gk.q =
0 2
0 1
d d
I I
−
− =
3 10 ).
27 41 (
186 , 4 ).
24 31 (
−
−
− = 2093 ( kJ/kg).
⇒ Qs = 61,8 2093 = 129,35.103 ( kJ).
Trong đó:+ Gk : Lợng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1 Kg nớc
+ Q: Lợng nhiệt cần thiết để đốt nóng1 Kg không khí khô
+ G: Khối lợng vật liệu trớc khi đa vào sấy( kg)
+ ϕ0: Độ ẳm ban đầu của vật liệu sấy (%)
+ ϕ2: Độ ẩm của vật liệu sau khi sấy (%)
Để thuận tiện cho quá trình tính toán và bỏ qua tổn thất nhiệt trên đờng ống từ colelltor dẫn xuống thiết bị sấy ta có thể coi:
Q u = Q s = Q v = 129,35.10 3 (kJ).
Với: + Qv: Nhiệt lơng cần để tăng nhiệt độ của không khí
+ Qu: Dòng nhiệt sử dụng
II Tính diện tích collector:
Diện tích collector được tính toán dựa trên năng lượng cần cung cấp cho qúa trình sấy v nhià ệt độ khi sấy
Quỏ trỡnh vận chuyển vật lý trong collector được biểu diễn trờn Hỡnh 2 Năng lượng bức xạ vào collector chỉ được sử dụng một phần thành năng
Trang 4tấm che và khụng hấp thụ lý tưởng của tấm hấp thụ cũng như hao tổn nhiệt
ra mụi trường
Cõn bằng năng lượng của collector phẳng được tạo bởi dũng đến G, dũng năng lượng quang học Qm-qh, dũng nhiệt hao tổn Qm-n, nhiệt lượng tớch lũy Qs và dũng nhiệt hữu ớch Qu
Tr
Tv
Tht
Qu Qs
Hỡnh 2: Sơ đồ cõn bằng năng lượng của collector
* Phơng trình cân bằng năng lợng:
G = Qm_n + Qm_gh + Qs + Qu (1)
Năng lợng đến đợc tính theo bức xạ toàn phần E (W/m2)
Hao tổn quang học tính theo độ trong suốt của tấm che D, độ hấp thụ của tấm hấp thụ ε , và theo tích số trong suốt - hấp thụ (D.ε):
Qm_gh = G.(1 - D.ε ) (3)
Tổn thất nhiệt tổng cộng đợc xác định bằng hệ số hao tổn nhiệt toàn phần
KG giữa tấm hấp thụ và môi trờng, có liên quan đến dòng nhiệt hao tổn trên diện tích collector
Qm_n = Fc.KG.(Tht - Tmt) (4)
Trong đó: Tht – nhiệt độ tấm hấp thụ (0K)
Tmt – nhiệt độ môi trờng (0K)
Từ (1) và (2) ta có:
G.D.ε = Qm_n + Qs + Qu (5)
Đối với mô hình đơn chiều trên hớng chuyển động dòng khí và bỏ qua nhiệt lợng tích luỹ của collector, ta có thể xác định đợc nhiệt lợng hữu ích do không khí mang ra khỏi collector Từ (5) suy ra:
Trang 5Qu = G.(D.ε) - Fc.KG.(Tht - Tmt) (6).
Từ (4) và (6) ta có:
F c =
) (
.
u
T T K D
E
Q
−
−
* Xác định các đại lợng trong biểu thức (7):
- Tính toán hệ số hao tổn nhiệt toàn phần K G :
1
2
R.Ht-k
Kd
Ttb
Tht
Tmt
S
R.Ht-bt
Tr
Hình 3: Sơ đồ biểu diễn quá trình truyền nhiệt trên collector phẳng.
Đối với tấm che thì hao tổn đối lưu α W đến môi trường cũng như hao tổn
bức xạ đến bầu trờiαR k bt. − được mô tả trong hệ số hao tổn mặt trên Kch (Hình
3).
Do collector được cách nhiệt tốt nên hao tổn mặt lưng v mà ặt bên so với hao tổn mặt trên l rà ất nhỏ, do đó sự sai khác giữa hệ số hao tổn nhiệt to n phà ần và
hệ số hao tổn mặt trên cũng rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua các giá trị Kd v Kà s
KG =
k ht R ch
k ht R
d bt ht R ch k
ht R k ht R ch
d bt
ht
R
K
K K
K K
−
−
−
−
−
−
+ + +
+ +
+ +
+ +
+
2
2 1
2 1
2
2 1
) (
) )(
.(
)
)(
α α α
α α
α α α
α α α
α α α
Trong đó:
- Hệ số hao tổn nhiệt mặt lng Kd= 0,1 đến môi trờng
- Hệ số truyền nhiệt đối lu α1, α2đến dòng khí và đến tấm che
Trang 63600
0
S
L
* Khối lợng không khí cần cho qúa trình sấy L0: ( kg/h)
Lo = Gk.W = W
d
1
−
Lo = 61 , 8
10 ).
24 41 (
1 3
−
− = 3,64.103 ( kg/h).
* Bán kính thuỷ lực Dh :
Dh=4
U
S h = 4
5 , 4
5 , 0
= 0,45 (m)
Sh = b.h = 2 x 0,25 = 0,5 (m2)
U = 2( b + h) =2( 2 + 0,25) = 4,5 (m)
Suy ra : V1 =
3600 5 , 0 698 , 0
10 64 ,
= 2,9 ( m/s)
* Độ nhớt động học của không khí : υ = 17,95.10-6 ( m2/s)
* Giá trị hệ số Reynol:
Re=
υ h
D
10 95 , 17
45 , 0 9 , 2
− = 7,3.104
Re > 104 nên dòng chảy rối
Nu = 0,0158.Re0,8
Nu = 0,0158.( 7,3 104)0,8 = 122,8
* Hệ số truyền nhiệt đối lu:
h
α1,2 = . =
25 , 0
10 83 , 2 8 ,
= 13,9
+ Khoảng cách các tấm: h = 0,25 m
+ Hệ số dẫn nhiệt: λ = 2,83.10-2
- Hệ số truyền nhiệt bức xạ giữa tấm hấp thụ và tấm che cản bức xạ nhiệt:
1 1 1
) )(
.
− +
+ +
=
−
k ht
ch ht ch ht k
ht R
T T T T
ε ε
σ α
Trong đó:
+ σ: Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối, σ = 5,67.10-8 W/m2.K4 + εht: Độ đen của tấm hấp thụ (của thép εht = 0,52)
+ εk: Độ đen của tấm che ( lây vật liệu kính εk= 1 – D =1 - 0,9 = 0,1 )
Trang 7Tch = Tmt + 5 = 34 + 273 + 5 = 312 k
Tht = Ttb +
1
.
α
εht E D
= 309,5 +
9 , 13
48 , 0 6 , 443 52 ,
0 = 317,5ok = 44,5 oC
Ttb =
2
r
2
) 273 39 ( ) 273 34 ( + + + = 309,5ok
Thay vao công thức trên ta có:
1 1 , 0
1 52 , 0 1
) 312 5
, 317 )(
312 5
, 317 ( 10 67 ,
.
− +
+ +
=
−
−k ht R
- Hệ số truyền nhiệt từ tấm hấp thụ đến bầu trời:
bt ch
bt ch ht bt
ht R
T T
T T D
−
−
=
−
) (
.
.
σ ε α
Với D = 0,9 (độ trong suốt của tấm che)
Tbt= Tmt - 6 = 34 + 273 – 6 = 301oK (nhiệt độ bầu trời)
301 312
) 301 312
.(
10 67 , 5 52 , 0 9 ,
−
−bt ht R
- Hệ số hao tổn trên mặt trên K ch :
Kch = αw + αR.k−bt
Trong đó: + αw= 2,8 + 3.vn
+ vn : Vận tốc gió bên trong collector
vn =
S
L o
.
ρ = 1 , 093 2 0 , 25
64 ,
3 = 6,67 ( m/s)
αw= 2,8 + 3.vn = 2,8 + 3.6,67 = 56
tb ch
bt ch k bt k R
T T
T T
−
−
=
−
)
.
σ ε α
bt ht
R −
α =
5 , 309 312
) 5 , 309 312
( 10 67 , 5 1 ,
−
−
−
= 0,68
Kch = 56 + 0,68 = 56,68
- Hệ số tổn thất nhiệt mặt lng K d đến môi trờng:
Kd =
mt ht
ht bt bt ht R ht ch k ht R ht tb
T T
T T T
T T
T S
−
− +
− +
− + α1( ) α . − ( ) α . − ( )
Với S : Năng lợng hấp thụ trên toàn bộ bề mặt tính cho 1m2
S = E.D.ε = 4375 0,1 0,9 = 394 (wh)
Trang 8Thay vào biểu thức trên ta có:
KG =
65 , 0 9 , 13 ) 68 , 56 65 , 0 9 , 13 ( 9 , 13
) 9 , 13 9 , 13 )(
1 , 0 05 , 3 ( 68 , 56 ) 65 , 0 9 , 13 9 , 13 )(
68 , 56 1 , 0 05 , 3 (
+ +
+
+ +
+ +
+ +
⇒ KG = 16,5
Vậy diện tích collector cần tính là:
Fc =
) (
.
u
T T K D
E
Q
−
− ε
⇒Fc =
3600
1000 )) 307 5 , 317 (
5 , 16 52 , 0 9 , 0 4375 (
10 35 ,
−
Khi đú ta cú chiều dài bộ phận tấm hấp thụ là:
Lc =
c
c B
F c
=
2
16 , 19
= 9,58 (m).
Trong đó Bc là chiều rộng collector thờng chọn theo kinh nghiệm thực tế Vì bề mặt collector hay bị bám bụi bẩn nên để thuận tiện cho việc lau chùi,
vệ sinh bề mặt của collector thờng lấy Bc = 2 (m)
