Cân bằng vật liệu trong thiết bị sấy đối lưu Xét sự làm việc của thiết bị sấy đối lưu dùng không khí nóng như hình 4 – 1.. Trong phần này, ta dùng sơ đồ làm việc của thiết bị sấy đối lư
Trang 1Chương 4 TÍNH TOÁN NHIỆT THIẾT BỊ SẤY ĐỐI LƯU
4.1 Cân bằng vật liệu trong thiết bị sấy đối lưu
Xét sự làm việc của thiết bị sấy đối lưu dùng không khí nóng như hình 4 – 1 Trong phần này, ta dùng sơ đồ làm việc của thiết bị sấy đối lưu dùng không khí nóng ở hình 4 – 1 để tính toán các thông số về sấy
Các thông số của tác nhân sấy bao gồm: I [j/kgKK], d [g/kgKK], t [ 0 C], [%]
Các thông số của vật liệu sấy bao gồm:
G 1 , G 2 , [kg/h] : Năng suất vật liệu sấy vào và ra khỏi buồng sấy
T 1 [ 0 C], w 1 [%] : Nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu sấy
T 2 [ 0 C], w 2 [%] : Nhiệt độ và độ ẩm của sản phẩm sấy
4.1.1 Phương trình cân bằng vật liệu
Gọi W [kg/h] là lượng ẩm cần bốc hơi trong quá trình sấy
Gọi G a , G k là khối lượng ẩm và khối lượng vật liệu khô tuyệt đối chứa trong G [kg/h] của vật liệu sấy, khi đó độ ẩm w của vật liệu sấy sẽ là:
G
G
Hay
100
w G
Khi đó
100
) w 100 ( G 100
w G G G G
Mặt khác, ta biết rằng lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua máy sấy là không đổi
Hình 4 – 1: Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị sấy đối lưu dùng không khí nóng
1 Lò đốt (calorifer),
2 Buồng sấy
Không khí
I 0 , d 0 , t 0 , 0
Không khí thải
I 2 , d 2 , t 2 , 2
Vật liệu sấy
G 1 , T 1 , w 1
sản phẩm
G 2 , T 2 , w 2
I 1 , d 1 , t 1 , 1
Trang 2trong suốt quá trình sấy, nghĩa là:
100
) w 100 ( G 100
) w 100 (
G 1 1 2 2
(4 – 6) Phương trình (4 – 6) là phương trình cân bằng vật liệu trong thiết bị sấy Hay
1 2
2
1
w 100
w 100 G
G
Từ (4 – 7), ta có:
1
2 2
1
w 100
w 100 G G
và
2
1 1
2
w 100
w 100 G G
Thay (4 – 8), (4 – 9) vào (4 – 1), ta có:
2
2 1 1
w 100
w w G W
và
1
2 1 2
w 100
w w G W
4.1.2 Phương trình cân bằng ẩm và chi phí tác nhân sấy
Gọi L [kg/h] là lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy
Phương trình cân bằng ẩm có dạng:
1000
d L 100
w G 1000
d L 100
w
2 1 1
Hay
1000
d d L 100
w G 100
w
2 1 1
Biểu thức (4 – 13) chính là lượng ẩm W cần bốc hơi trong quá trình sấy
Vậy
1000
d d L
W 2 1
Lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy là:
1
d
W 1000 L
Nếu tính cho 1kg ẩm:
[ d
d
1000 W
L l
1
2
Trang 34.2 Tính toán nhiệt thiết bị sấy đối lưu dùng không khí làm tác nhân
4.2.1 Phương trình cân bằng nhiệt
Gọi Q [kJ/h] là lượng nhiệt cần thiết để bốc hơi W [kg/h] ẩm:
QLI 1 LI 0
QL ( I 1I 0 ) [ kJ / h ] (4 – 17)
Nếu tính cho 1kg ẩm:
W
L W
Q
q 1 0
ql I 1I 0 ) [ kJ / kg aåm] (4 – 18)
Trong quá trình sấy lý thuyết I 1 = I 2, do đó nhiệt lượng tiêu tốn để bốc hơi 1kg
ẩm được xác định ở biểu thức (4 – 18):
ql I 1I 0 ) [ kJ / kg aåm]
Thay I 1 và I 0 bởi biểu thức (2 – 11):
I k c KK t d i a
1000
Ta có: ql(t2t0)c KK l(i2i0)d0 (4 – 20)
Đặt: q2 l(t2t0)c KK (4 – 21)
q1 l(i2 i0)d0 (4 – 22)
q 1 : nhiệt lượng để bốc hơi ẩm (có ích)
q 2 : nhiệt lượng do tác nhân sấy mang đi (tổn thất)
q = q 1 + q 2
Thực tế, trong thiết bị sấy thường có các loại chi phí nhiệt sau đây:
Nhiệt lượng mang vào:
1 Do không khí mang vào: LI 0
2 Do lò đốt cung cấp: Q 1
3 Do vật liệu sấy mang vào: G 1 c 1 T 1 =G 2 c 2 T 1 +Wc a T 1
4 Do bộ phận vận chuyển mang vào: G v c v t 1
5 Do đốt nóng bổ sung: Q bs
Nhiệt lượng mang ra:
1 Do tác nhân sấy mang ra: LI 2
2 Do vật liệu sấy mang ra: G 2 c 2 T 2
Trang 43 Do bộ phận vận chuyển mang ra: G v c v t 2
4 Do tổn thất ra môi trường xung quanh: Q xq
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị sấy thực:
xq 2 v v 2 2 2 2 bs 1 v v 1 a 1 2 2 1
Hay Q 1Q bs L ( I 2I 0 )G 2 c 2 ( T 2T 1 )G v c v ( t 2t 1 )Q xqWc a T 1
Đặt: Q=Q 1 +Q bs
Q vl =G 2 c 2 (T 2 -T 1 )
Q vc =G v c v (t 2 -t 1 )
Ta có: Q=L(I 2 - I 0 ) + Q vl + Q vc + Q xq - Wc a T 1 (4 – 24)
Nếu tính cho 1kg ẩm:
l ( I 2 I 0 ) q vl q vc q xq c a T 1
W
Q
Đặt qq vl q vc q xq : nhiệt lượng tổn thất chung
Biểu thức (4 – 25) có thể viết:
qq 1q bs l I 2I 0 )qc a T 1 (4 – 26)
Hay: q 1l ( I 2I 0 )( c a T 1q bsq ) (4 – 27)
Đặt c a T 1q bsq (4 – 28)
Khi đó q 1 l ( I 2 I 0 ) (4 – 29)
Mặt khác, từ biểu thức (4 – 18), ta có:
Từ (4 – 29) và (4 – 30), ta có:
Từ (4 – 31), ta rút ra nhận xét:
=0 I 2 =I 1
<0 I 2 <I 1
>0 I 2 >I 1
=0: gọi là sấy lý thuyết
0: gọi là sấy thực tế
4.2.2 Biểu diễn quá trình sấy trên đồ thị I-d
a Sấy lý thuyết:
Trang 5Từ biểu thức (4 – 28): c a T1q bs q
Đặt B s = c a T1q bs : Nhiệt lượng bổ sung chung do cung cấp ở buồng sấy và do hơi
nước mang vào
Trong sấy lý thuyết, người ta xem như phần nhiệt bổ sung chung B s vừa đủ để bù
vào phần nhiệt lượng tổn thất chung q
Tức là: B s q 0
Mặt khác: l(I2I1) = 0 I2 I1
Không khí ngoài trời có nhiệt độ t 0 và độ ẩm tương đối 0 được xác định bằng
điểm A (hình 4 – 2) đi vào calorifer 1 nhận nhiệt và nhiệt độ tăng lên đến t 1 Quá trình đốt nóng không khí trong calorifer là quá
trình d = const Do đó trạng thái không khí
sau calorifer hay trước khi vào buồng sấy 2
có nhiệt độ t 1 biểu diễn bởi giao điểm B của đường d 0 = d 1 = const và t 1
Tác nhân ở trạng thái B đi vào buồng
sấy 2 thực hiện quá trình đốt nóng vật liệu
và nhận ẩm để thải vào môi trường Nếu xem không có tổn thất nhiệt do tỏa ra môi trường (sấy lý thuyết) thì entanpi của tác nhân trước và sau quá trình sấy không đổi Quá trình sấy như vậy gọi là quá trình sấy
lý tưởng (I 1 = I 2 = const)
Như vậy, nếu biết nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi thiết bị là t 2 thì trạng thái C 0 trên hình 4 – 2 được xác định là giao điểm của hai đường thẳng t 2 và I 1 = I 2 = const
Đường ABC 0 là đường biểu diễn quá trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d
b Sấy thực tế:
Trong sấy thực tế, lượng nhiệt bổ sung chung B s khác với lượng nhiệt tổn thất
chung q, do đó ≠0, nghĩa là:
q
B s
Từ biểu thức (4 – 31), ta có: l ( I 2 I 1 ), nếu ≠ 0 thì I 1 ≠ I 2
Như vậy quá trình sấy thực chỉ xảy ra trong 2 trường hợp tương ứng với < 0
hoặc > 0 :
- Khi < 0:
t 0
t 2
B
A
t 1
=1
C 0
I
d’
Hình 4 – 2: Biểu diễn quá trình
sấy lý thuyết trên đồ thị I – d
Trang 6Đây là quá trình sấy thực phổ biến trong các thiết bị sấy không có đốt nóng bổ sung Từ (4 – 33) suy ra trạng thái tác nhân sấy sau quá trình sấy thực nằm phía dưới
đường I = I 1
- Khi > 0:
Trong trường hợp này trạng thái tác nhân sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy nằm
phía trên đường I = I 1 Các quá trình sấy thực thoả mãn điều kiện (4 – 34) rất ít gặp trong thực tế
Hai quá trình sấy thực nghiên cứu trên đây được biểu diễn trạng thái của tác nhân
sấy một cách hình thức trên đồ thị I – d như hình 4 – 3
Nghiên cứu cách xác định điểm C 1:
Giả sử ta đã biểu diễn quá trình sấy thực trên đồ thị I-d như trên hình 4 – 4
Hình 4 – 3: Biểu diễn các quá trình sấy
thực trên đồ thị I – d
C 2
C 1
C 0
t 0
t 2
B
A
t 1
=1
I
d’
BC 1 : > 0
BC 0 : = 0
BC 2 : < 0
Hình 4 – 4: Biểu diễn các quá trình
sấy thực trên đồ thị I – d
khi >0
C 0
K
A
C 1
D
E
F
G
t 0
t 2
B
t 1
=1
I
Trang 7Trên đường BC 0 ta lấy một điểm G bất kỳ Từ G ta vẽ GE song song với trục tung, GF song song trục hoành Từ C 1 vẽ đường song song với trục tung cắt đường
BC 0 tại D, vẽ DK song song với trục hoành
Ta có 2 cặp tam giác đồng dạng BGE~BDC 1 , BGF~BDK
Từ đó ta rút ra được tỉ lệ thức:
(**)
(*)
1
BG
BD GF DK
BG
BD GE DC
Suy ra
GF
GE DK
DC hay
GF
DK GE
Gọi tỉ lệ xích của trục hoành là M d , của trục tung là M I thì:
.
.
1 2 1 2
1 2 1
I I l d d
I I M DK
M DC
d I
1
1
d d
I I M GF
M GE d I
M
M
d
I thì (* * *)
m GF
GE
Dựa vào biểu thức (***) ta sẽ xác định điểm C 1 trên đồ thị I – d
Nếu biết một trong những thông số trạng thái cuối của tác nhân sấy (thường là t 2
hoặc 2 ) thì ta sẽ tìm được điểm C 1 là giao điểm của nó với đường BE
Tóm lại, các bước vẽ đường sấy thực tế khi >0 như sau:
- Trước tiên xác định điểm A, B và C 0 như cách vẽ đường sấy lý thuyết
- Trên đường I 1 ta lấy một điểm G bất kỳ và vẽ GF song song với trục hoành Dùng thước đo độ dài đoạn GF và từ đó tính ra độ dài đoạn GE theo công thức
(***)
- Vẽ đường GE lên biểu đồ, vì >0 nên GE phải hướng lên phía trên, tức điểm E nằm phía trên đường I 1
- Vẽ đường BE kéo dài, giao điểm của đường BE với đường t 2 hoặc 2 là điểm C 1
tương ứng với trạng thái cuối của quá trình sấy thực tế
Cách xác định điểm C 2 trong trường hợp <0 tương tự, nhưng đoạn GE hướng xuống phía dưới, tức điểm E nằm phía dưới đường I 1
4.2.3 Quá trình sấy hồi lưu
Đặc điểm của phương thức sấy này là không khí sau khi sấy xong chỉ thải ra ngoài một phần, còn lại một phần thì cho hồi lưu trở lại trộn lẫn với không khí mới bổ
sung vào buồng sấy (hình 4 – 5)
Trang 8Hồi lưu có tác dụng hạ thấp nhiệt độ tác nhân vào buồng sấy đồng thời tăng lượng không khí cần thiết cho quá trình sấy Mặt khác hồi lưu có tác dụng làm chế độ sấy dịu đi (nhiệt độ tác nhân sấy giảm, độ ẩm tương đối tăng lên), do vậy hồi lưu thường được sử dụng để sấy các vật liệu dễ bị biến dạng khi tốc độ sấy lớn như sấy gỗ,
đồ gốm sứ, vật liệu xây dựng, …
Trên hình 4 – 6, đường AMB 1 C 0 biểu diễn quá trình sấy lý thuyết có hồi lưu khí
thải Ba điểm A, M, C 0 cùng nằm trên một đường thẳng
Không khí thải hồi lưu (2, t2, d2)
2
1
A(0 , t 0 , d 0 ) M(M , t M , d M )
Vật liệu sấy
C(2 , t 2 , d 2 ) B(1 , t 1 , d 1 )
Không khí vào
3
Hình 4 – 5: Sơ đồ nguyên lý làm việc của quá trình sấy hồi lưu
1 Calorifer, 2 Buồng sấy, 3 Quạt
Hình 4 – 6: Biểu diễn quá trình sấy hồi
lưu trên đồ thị I – d
I 1 =I 2
M
I M
I 0
t B
t 1
d
A
C 0
B 1
t 0
t 2
B
=1
I
d’
Trang 9Nếu sấy không hồi lưu khí thải thì nhiệt độ sấy lên đến t B, còn sấy có hồi lưu khí
thải thì nhiệt độ sấy chỉ đến t 1 (t 1 <t B ) Nên lượng không khí hồi lưu trở lại càng nhiều thì nhiệt độ t 1 càng thấp và điểm M càng dịch chuyển về phía điểm C 0
* Hệ số hồi lưu:
Gọi L [kg/h]: lượng không khí khô lưu chuyển trong buồng sấy
L 0 [kg/h]: lượng không khí khô đi vào calorifer
L H [kg/h]: lượng không khí khô hồi lưu
Nếu tính cho 1 kg ẩm:
Hệ số hồi lưu n là tỉ số giữa lượng không khí khô quay trở lại hòa trộn với lượng
không khí khô từ môi trường đưa vào
M
M H
d d
d d l
l n
2 0 0
(4 – 37)
Hay:
n
nd d
d M
1
2
4.2.4 Quá trình sấy có đốt nóng trung gian
Sơ đồ nguyên lý làm việc của quá trình sấy lý thuyết có 2 cấp gia nhiệt trung gian giới thiệu trên hình 4 – 7
Biểu diễn quá trình sấy có đốt nóng trung gian trên đồ thị I – d trên hình 4 – 8 Ta thấy
gia nhiệt trung gian làm giảm đáng kể nhiệt độ tác nhân sấy vào buồng sấy Gia nhiệt
Không khí ra
A(0 , t 0 , d 0 )
Không khí vào
C(2 , t 2 , d 2 )
Hình 4 – 7: Sơ đồ nguyên lý làm việc
của quá trình sấy có đốt nóng trung gian
1, 3, 5 Calorifer, 2, 4, 6 Buồng sấy
Trang 10trung gian nhiều tầng có tác dụng làm cho chế độ sấy điều hoà hơn Trường hợp sấy lý thuyết tiêu hao nhiệt và không khí sấy có gia nhiệt trung gian cũng bằng tiêu hao khi không gia nhiệt trung gian Quá trình sấy có đốt nóng trung gian thích hợp cho việc sấy các vật liệu không chịu được nhiệt độ cao
Trạng thái không khí ban đầu A(0 , t 0 , d 0 ) đi qua calorifer 1 được đun nóng lên đến nhiệt độ t 1 rồi vào buồng sấy 2 Sau khi sấy xong, nhiệt độ không khí hạ xuống đến t 2 rồi qua calorifer 3 nâng nghiệt độ lên đến t 1 và vào buồng sấy 4 Sau khi sấy xong, không khí lại tiếp tục đi qua calorifer 5 để nâng nhiệt độ từ t 2 lên t 1 rồi vào
buồng sấy 6
Sấy ngược chiều thì vật liệu đi từ buồng sấy 6 đến buồng sấy 2, còn xuôi chiều thì vật liệu từ buồng sấy 2 đến 6
Trên biểu đồ ta thấy đường gấp khúc AB 1 C 1 B 2 C 2 B 3 C 0 biểu diễn quá trình sấy lý thuyết có đốt nóng không khí trung gian Mỗi đoạn gấp khúc biểu diễn một giai đoạn sấy trong quá trình
Ta nhận thấy nếu trạng thái ban đầu của tác nhân là A, trạng thái cuối là C 0 đã xác định, thì:
- Sấy thông thường nhiệt độ sấy t B rất cao
- Sấy có đốt nóng trung gian nhiệt độ sấy chỉ đến t 1 (t 1 <t B )
Hình 4 – 8: Biểu diễn quá trình sấy có
đốt nóng trung gian trên đồ thị I – d
C 1 C 2
B 3
B 2
I
d 0 =d 1
I 0
t B
t 1
d 2
A
C 0
B 1
t 0
t 2
B
=1
d’
Trang 114.3 Hiệu suất của thiết bị sấy
4.3.1 Hiệu suất của buồng sấy
Hiệu suất nhiệt của buồng sấy được định nghĩa là tỉ số giữa nhiệt lượng có ích
q 1 và nhiệt lượng tiêu hao q+q bs
bs
q q
q
0
Trong đó:
q 1 : nhiệt lượng để bốc hơi ẩm (có ích)
q : nhiệt lượng do buồng đốt cung cấp
q bs : nhiệt lượng do đốt nóng bổ sung
