GIÁO TRÌNH CÁC LOẠI THIẾT BỊ SẤY chuong 4

Nếu biết được 1 trong những thông số ở trạng thái cuối của quá trình sấy thường là t3 hoặcϕ3 thì ta sẽ tìm được C1 là trạng thái cuối của quá trình sấy thực tế.. Tóm lại: Các bước vẽ đư

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY

1 Cân bằng lượng ẩm trong vật liệu:

Gọi:

G1, G2 : là lượng vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi máy sấy, [kg/s]

Gk : lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua máy sấy, [kg/s]

ω ω : độ ẩm của vật liệu khi vào và ra khỏi máy sấy, [%]

W : lượng hơi ẩm tách ra khỏi vật liệu sấy, [kg/s]

L : lượng không khí khô đi qua máy sấy, [kg/s]

d ,d : độ chứa hơi của không khí ẩm khi vào và khi ra khỏi bộ gia nhiệt, [kg/kg k2khô]

3

d : độ chứa hơi của không khí ẩm khi ra khỏi máy sấy, [kg/kg k2khô]

Trong quá trình sấy xem như không có hiện tượng mất mát vật liệu, do đó lượng vật liệu khô tuyệt đối

Gk = const trong suốt quá trình

2 3

= 100%

1 t1

I

d

1

2 3

d

d 1 = d 2 3

 Vậy lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua máy sấy là:

100

100 100

2

1 1

ω

−

1

2 2

1

100

100 ω

ω

−

−

=

⇒G G

Hoặc

2

1 1

100 ω

ω

−

−

=G G

Trong đó

Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu sấy là:

2

G









−

−

=









−

+

−

−

=

−

−

−

=

1

2 1 2

1

1 2

2

2 1

2 2

100

100

100 100

100

100

ω

ω ω

ω

ω ω

ω ω

G

G

G G

Hoặc W =G1−G2









−

−

=









−

+

−

−

=

−

−

−

=

2

2 1 1

2

1 2

1

2

1 1

1

100

100

100 100

100 100

ω

ω ω

ω

ω ω

ω ω

G G

G G









−

−

=









−

−

=

⇒

1

2 1 2 2

2 1

G

W

 Lượng không khí khô đi qua máy sấy:

Giả sử lượng không khí khô không bị mất mát khi đi qua máy sấy

Trong quá trình sấy lượng không khí đi vào máy sấy có mang theo một lượng ẩm là (L.d2) Sau khi sấy xong, không khí nhận thêm một lượng ẩm từ vật liệu chuyển vào là W và lượng ẩm của không khí khi ra khỏi máy sấy sẽ là (L.d3)

Ta có phương trình cân bằng độ ẩm

1 3 2 3

3

d d

W d

d

W L

d L W d L

−

=

−

=

→

= +

→ lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1kg nước là

1 3 2 3

1 1

d d d d W

L l

−

=

−

=

=

II - Cân bằng nhiệt lượng trong máy sấy

Gọi:

Q : nhiệt lượng tiêu hao chung (tổng cộng) cho máy sấy, [J]

s

Q : nhiệt lượng đốt nóng (gia nhiệt) không khí ở bộ gia nhiệt sưởi (bộ gia nhiệt chính), [J]

b

Q : nhiệt lượng bổ sung trong phòng sấy, [J]

xq

Q : nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh, [J]

C1, C2 : Nhiệt dung riêng của vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi máy sấy, [J/kg.độ] (thường C1 gần bằng C2)

2

θ : nhiệt độ của vật liệu sấy trước khi vào và sau khi ra khỏi máy sấy, [0C]

2

vc C

C : nhiệt dung riêng của bộ phận vận

chuyển trước khi vào và sau khi ra khỏi máy sấy, [J/kg.độ] ( thườngC vc1=C vc2 =C vc)

n

C : nhiệt dung riêng của nước, [J/kg.độ]

2

vc G

G : trọng lượng của bộ phận vận chuyển, [kg] Ở đây G vc1=G vc2 =G vc

Ta có sơ đồ máy sấy dùng tác nhân sấy là không khí hoặc khói lò như sau:

G , , 2 2

Không khí vào

L, I 1

Lọc bụi Bộ gia nhiệt sưởi

Vật liệu sấy xong

G , C , t vc2 vc2

Không khí sấy xong

L, I 3

Bộ gia nhiệt bổ xung

Nguồn nhiệt (hơi nước, khói lò, điện trở)

vc1 vc1 1 1

G , C , t

G , , Vật liệu ban đầu

vc1

vc2

+ Nhiệt lượng mang vào:

• Do không khí mang vào L.I1

• Do vật liệu mang vào G1C1θ1 = G2C2θ1 + W.Cnθ1

( G1 = G2 + W) và ( C1 = C2)

• Do bộ phận vận chuyển mang vào

Gvc1.Cvc1.tvc1 = Gvc.Cvc.tvc1

• Do được cung cấp ở bộ gia nhiệt sưởi Qs

• Do nhiệt bổ sung ở phòng sấy Qb

+ Nhiệt lượng mang ra:

• Do không khí mang ra L.I3

• Do vật liệu mang ra G2.C2.θ2

• Do bộ phận vận chuyển mang ra

Gvc2.Cvc2.tvc2 = Gvc.Cvc.tvc2

• Do mất mát ra môi trường xung quanh Qxq

+ Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng như sau:

Nhiệt lượng vào = nhiệt lượng ra

LI1 + G2C2θ1 + WCnθ1 + GvcCvctvc1 + Qs +Qb = LI3 + G2C2θ2 +

GvcCvctvc2 + Qxq

⇒Qs + Qb = L(I3- I1) + G2C2(θ2 - θ1) + GvcCvc(tvc2 - tvc1) – WCnθ1 + Qxq (4.1)

Ta đặt:

Q = Qs + Qb

Qvl = G2C2(θ2 -θ1)

Qvc = Gvc.Cvc(tvc2 - tvc1)

(4.1) → Q = Qs + Qb = L(I3 - I1) + Qvl + Qvc +Qxq – WCnθ1

+ Nhiệt lượng tiêu hao riêng cho toàn máy sấy:

b

W

Q Q Q I I W

L W

Q Q

W

Q

q = qs + qb = l(I3 – I1) + qvl + qvc + qxq – Cnθ1

Ta đặt ∑q = qvl + qvc + qxq

⇒ phương trình trên có dạng :

qs + qb = l(I3 – I1) + ∑q – Cn.θ1 (4.2)

Trong đó ∑q được gọi là nhiệt lượng tổn thất chung vì nó không làm bốc hơi nước trong vật liệu mà chỉ để đốt

nóng vật liệu, thiết bị vận chuyển và tổn thất ra môi trường

(4.2)→qs=l(I3−I )1 +∑q q− −b C nθ1 (4.3)

Ta đặt:

Bs = qb + Cnθ1 là nhiệt lượng bổ sung chung do cung

cấp ở phòng sấy và do hơi nước mang vào

∆ = Bs - ∑q là nhiệt lượng bổ sung thực tế vì

chỉ có phần nhiệt lượng bổ sung này mới tham gia vào quá trình bốc hơi nước trong vật liệu sấy

Cuối cùng ta có:

qs = l( I3 – I1) - ∆

hoặc

qs = 2 1

I I

d d

−

− - ∆

III - SẤY LÝ THUYẾT VÀ SẤY THỰC TẾ:

3.1 Sấy lý thuyết:

Trong qúa trình sấy lý thuyết người ta coi như phần nhiệt bổ sung chung

Bs = qb + Cnθ1 chỉ đủ để bù vào phần nhiệt tổn thất chung ∑q

Tức là:

Bs = ∑q = ∆ = 0

qs = l( I3 – I1) - ∆

= l( I3 – I1) (do ∆ = 0) (4.4)

Mặt khác khi qua bộ gia nhiệt sưởi, không khí được đốt nóng từ nhiệt độ t1 → t2 nên enthalpy của không khí thay đổi từ I1 –> I2

1

I

3 2

1

d

= 100%

t 1

Vậy: nhiệt lượng tiêu hao cho bộ gia nhiệt sưởi có thể tính là:

qs = l( I2 - I1)

(4.5)

Từ (4.4) và (4.5) → l(I3 – I1) = l( I2 –I1)

I3 = I2

KẾT LUẬN: Trong quá trình sấy lý thuyết, enthalpy của

không khí không đổi khi qua máy sấy (I = const)

3.1 Sấy thực tế :

Trong thực tế, lượng nhiệt bổ sung chung Bs khác với lượng nhiệt tổn thất chung ∑q →∆ ≠ 0

Ta có : qs = l(I3’ – I1) - ∆ = l(I2 – I1)

(4.6)

Trong đó: qs = l(I2 – I1) là nhiệt lượng cung cấp trong quá trình gia nhiệt không khí qua bộ gia nhiệt sưởi

Từ (4.6) → l(I3’ – I2) = ∆

I3’ – I2 =

l

∆

I3’ = I2 +

l

∆

Nếu ∆ < 0 → I2 > I3’ → tổn thất nhiệt lớn hơn nhiệt bổ sung

Nếu ∆ > 0 → I2 < I3’ → tổn thất nhiệt nhỏ hơn nhiệt bổ sung

Quá trình sấy thực tế được biểu diễn trên đồ thị I-d như sau:

3 2

1

d

I

= 100%

t 1

t 3

t 2

3 '

d 1 d d 3

Khi > 0: I > I

3'

d d d

2

t

3

t

1

t

= 100%

I

d

1 2

3

3' Khi < 0: I < I 2

Điểm cuối cùng của quá trình sấy thực tế (điểm 3’) có thể xác định bằng phương pháp hình học hoặc giải tích:

+ Dùng phương pháp giải tích để xác định điểm 3’:

Trị số t3 đã biết, ta xác định 3’ bằng cách xác định d3

Ta có:

I3’ – I2 =

l

∆ = ∆( d3’ – d2) (4.7)

I2 = Ckt2 + ( 2500 + 1,93t2)d2

I3’ = Ckt3 + (2500 + 1,93t3)d3’

I3’ – I2 = Ck (t3 – t2) + ( 2500 + 1,93t3)d3’ – (2500 + 1,93t2)d2

Ta đặt:

A = Ck ( t3 - t2) – (2500 + 1,93t2)d2

B = 2500 +1,93t3

Từ (4.7) → I3’ – I2 = A + Bd3’ = ∆( d3’ – d2)

B

d A

−

∆

∆ + 2

+ Dùng phương pháp hình học để xác định điểm 3’ của

quá trình sấy thực tế:

a Trường hợp: ∆ > 0 → I 3’ > I 2

d 2

2

t

1

t

I

= 100%

d

A

B

D

E

F e

C C 1

K

Nhận xét: Trường hợp này khi qua máy sấy không khí biển đổi trạng thái theo đường BC1 ( đường BC là qúa trình sấy lý thuyết)

Do I3’ > I2 → đường BC1 nằm phía trên đường BC

Ta xác định C1 như sau:

Trên đường BC ta lấy 1 điểm e bất kỳ, từ E ta vẽ:

eE // với trục tung

eF // với trục hoành

Ta có 2 cặp tam giác đồng dạng:

BeE ~ BDC1

BeF ~ BDK

⇒

eF

eE DK

DC1 = (4.8) Nếu gọi tỉ lệ xích của trục hoành là Md, trục tung là MI

thì ta có:

∆

=

−

=

−

−

=

×

×

) (

M

DK

M

DC

2 ' 3 2 ' 3

2 ' 3 d

I

d d

I I

(4.9) Từ (4.8) và (4.9) → =∆

−

−

=

×

×

2

2 d

I

M eF

M eE

d d

I I

Ta đặt :

d

I

M

M

= m gọi tỉ lệ xích của biểu đồ

→

m eF

Ví dụ: Trên trục hoành 1mm = 0,002 kg/kg K2K

Trên trục tung 1mm = 0,1 kJ/kg K2K

500

500 002 , 0

1 , 0

∆

=

→

=

=

=

→

eF eE

M

M m

d I

Độ dài đoạn eF có thể đo trực tiếp trên biểu đồ rồi dựa vào công thức (4.10) để xác định độ dài eE

Sau khi có độ dài eE, ta xác định được điểm E và vẽ được đường BE Nếu biết được 1 trong những thông số ở trạng thái cuối của quá trình sấy (thường là t3 hoặcϕ3)

thì ta sẽ tìm được C1 là trạng thái cuối của quá trình sấy thực tế

Tóm lại: Các bước vẽ đường sấy thực tế khi ∆ >0 như sau:

+ Trước tiên ta xác định các điểm A, B, C của qúa trình sấy lý thuyết

+ Trên đường I2 ta lấy một điểm e và vẽ đoạn eF song song trục hoành, dùng thước đo độ dài đoạn eF và từ đó tính ra được độ dài đoạn eE theo công thức (4.10)

+ Vẽ đường eE lên biểu đồ, vì ∆>0→eE phải hướng lên trên (điểm E nằm bên trên đường I2)

+ Vẽ đường BE và kéo dài, giao điểm của đường

BE với đường t3 hoặcϕ3 là điểm C1 tương ứng với trạng

thái cuối của quá trình sấy thực tế

b Trường hợp ∆<0

F E B

A

d

= 100%

I

t 1

t 2

C

C 1

D

e

3

t

d d

K

Nhận xét: trong trường hợp này đường biểu diễn quá trình sấy cũng là đường ABC1

Vì I3 '<I2 nên đường I3 nằm dưới đường I2 do đó đường

BC1 nằm bên dưới đường BC

Cách vẽ: Giống trường hợp ∆ > 0 nhưng đoạn eE phải hướng xuống dưới (điểm E nằm dưới đường I2)

IV CÁC PHƯƠNG THỨC SẤY

Trong thực tế sản suất, do yêu cầu về kỹ thuật sấy, do tính chất của vật liệu sấy và tính kinh tế, người ta tiến hành nhiều phương thức sấy khác nhau

4.1 Sấy có bổ sung nhiệt trong phòng sấy:

Như đã đề cập ở phần trên, lượng nhiệt cung cấp cho toàn bộ quá trình bao gồm: nhiệt ở bộ gia nhiệt sưởi và bộ gia nhiệt bổ sung :

b

s q

q

Không khí ban đầu (ϕ0,t0,x0) đi qua bộ gia nhiệt sưởi được

đun nóng đến nhiệt độ t1 rồi đi vào máy sấy

Tại buồng sấy người ta tiếp tục cung cấp thêm nhiệt bổ sung qb lớn hay nhỏ tuỳ theo qs Nếu trạng thái đầu A và trạng thái cuối C không đổi và bỏ qua lượng nhiệt tổn thất thì toàn bộ lượng nhiệt cung cấp cho quá trình là một đại lượng không đổi Có thể có 4 trường hợp xảy ra:

I0 I'

1

I"

2

C B"

D B' 2

I = I

t' 1 2

t" = t

1

0

x = x

=100%

x'

I

B

x

A

0

t

1 x 2

Biểu đồ sấy lý thuyết có bổ sung nhiệt

a Sấy theo đường ABC: sấy không có bổ sung

nhiệt, tức là qb = 0

Lúc đó q = qs

Và m DC AB

d d

I I

−

−

=

0 2

0

1 , m là tỉ lệ xích của biểu đồ Nhiệt độ sấy trong trường hợp này là t2 và cũng là nhiệt độ cao nhất của không khí nóng

Lưu ý: q là lượng nhiệt cần thiết để lấy đi 1 kg ẩm từ vật sấy

b Sấy theo đường AB’C: sấy có bổ sung nhiệt

b

s q q

Ở đây:

DC

AB m d d

I I

0 2

0

−

−

=

DC

BB m d d

I I

0 2

1

−

−

=

Vậy m DC AB

d d

I I

−

−

=

0 2

0 1

Nhiệt độ sấy của không khí sau khi qua bộ gia nhiệt sưởi là t’1 < t1

c Sấy theo đường AB”C: sấy có bổ sung nhiệt,

trong đó nhiệt độ sấy trùng với nhiệt độ cuối của không khí '' 2

b

s q q

Trong đó:

DC

AB m d d

I I

0 2

0

−

−

=

DC

BB m d d

I I

0 2

1

−

−

=

Vậy m DC AB

d d

I I

−

−

=

0 2

0 1

Nhiệt độ cực đại của không khí nóng ở đây

2

''

t = , tức là nhiệt độ không khí nóng không thay đổi trong suốt quá trình

d Sấy theo đường AC:

Không có bộ gia nhiệt sưởi Toàn bộ lượng nhiệt cần thiết đều được cung cấp ngay trong phòng sấy

0

=

s

q nên:

DC

AB m d d

I I q

−

−

=

=

0 2

0 1

Nhiệt độ cực đại của không khí là nhiệt độ cuối của quá trình t2, còn nhiệt độ sấy thấp nhất là t0

Nhận xét:

+ Qua 4 trường hợp trên, ta thấy rõ trong trường hợp sấy có bổ sung nhiệt, nếu trạng thái đầu A và trạng thái cuối của không khí sấy C không đổi thì lượng nhiệt tiêu tốn chung cho cả quá trình là một đại lượng không đổi

+ Nếu nhiệt độ sấy giảm thì nhiệt lượng cung cấp cho bộ gia nhiệt sưởi sẽ giảm, còn nhiệt lượng bổ sung ở bộ gia nhiệt phụ sẽ tăng Nhiệt độ sấy sẽ lớn nhất khi không có lượng nhiệt bổ sung (qb = 0) và nhỏ nhất khi không có bộ gia nhiệt sưởi qs = 0 + Phương thức sấy có bổ sung nhiệt trong phòng sấy được dùng khi vật liệu sấy không chịu được nhiệt độ cao

4.2 Sấy có đốt nóng không khí giữa chừng

- Để giảm nhiệt độ không khí sấy, người ta chia

phòng sấy ra làm nhiều khu vực sấy và trước mỗi khu vực có đặt một bộ gia nhiệt sưởi

1,3,5 : Calorifer sưở i 2,4,6 : Phò ng sấ y

1 2 3 4 5 6

Khô ng khí ra 2 2

t ,x , Khô ng khí và o

0 0

t ,x ,

C

2

C

1 1

t B 1 B 2 B 3

0

x

=100%

x'

I

B

x

A

t 2

0

t

B

t

Biểu đồ sấy lý thuyết có đốt nóng không khí giữa

chừng

- Trạng thái không khí đầu A (ϕ0,t0,x0)đi qua bộ gia

nhiệt sưởi 1 được đun nóng đến nhiệt độ t1 rồi vào phòng sấy 2 Sau khi sấy xong nhiệt độ không khí hạ xuống đến t2 rồi qua bộ gia nhiệt 3 nâng nhiệt độ

lên đến t1 và vào phòng sấy 4 Sau khi sấy xong không khí lại tiếp tục qua bộ gia nhiệt 5 để nâng nhiệt độ từ t2 lên t1 rồi vào phòng sấy 6

- Sấy ngược chiều thì thì vật liệu đi từ phòng sấy 6 đến phòng sấy 2, còn xuôi chiều thì vật liệu đi từ phòng sấy 2 đến 6

- Trên biểu đồ ta thấy đường gấp khúc AB1C1B2C2B3C biểu diễn quá trình sấy có đốt nóng không khí giữa chừng Mỗi đoạn gấp khúc biểu diễn một giai đoạn sấy trong quá trình

- Nếu trạng thái đầu A và trạng thái cuối C đã xác định thì:

+ Sấy thông thường, nhiệt độ sấy rất cao tB

+ Sấy có đốt nóng không khí giữa chừng, nhiệt độ sấy chỉ đạt đến t1 với t1 < tB rất nhiều

- Nếu tính toán với qúa trình sấy thực tế thì cần tìm đại lượng ∆ trong từng khu vực và vẽ riêng cho từng khu vực (cách vẽ giống như đã trình bày trong phần III)

- Phương pháp này thích hợp cho việc sấy các vật liệu không chịu được nhiệt độ cao

4.3 Sấy có tuần hoàn khí thải:

Đặc điểm của phương thức sấy này là không khí sau khi sấy xong chỉ thải ra ngoài một phần, còn một phần thì cho tuần hoàn trở lại trộn lẫn với không khí mới bổ sung vào

Khô ng khí và o

t ,x , 1 1 0

0

t ,x ,

2 2

t ,x ,

3 2

1

C Vậ t liệ u Hơi đố t

M M

t ,x , M( )

t ,x , 2 2

Khí thả i tuầ n hoà n

C B

1 Bộ gia nhiệt sưởi

2 Phòng sấy

3 Quạt

- Không khí sấy xong ở trạng thái C (x2,t2,ϕ2)thải đi một phần, còn một phần quay trở lại trộn lẫn với không khí ban đầu tạo thành hỗn hợp tương ứng với điểm M (x M,t M,ϕM) Hỗn hợp không khí này tiếp tục qua bộ gia nhiệt sưởi và được gia nhiệt đến nhiệt độ t1 ứng với điểm B1 rồi vào phòng sấy

2 x 1 I0

t3 t1 1 t0 2 t A M B

x

B C

I

x'

=100%

x = x x 0 M

Biểu đồ sấy có tuần hoàn khí thải

- Trên biểu đồ I – d, đường AMB1C biểu diễn quá trình sấy lý thuyết có tuần hoàn khí thải Ba điểm A, M,

C cùng nằm trên một đường thẳng

- Nếu sấy không tuần hoàn khí thải thì nhiệt độ sấy lên đến tB, còn sấy có tuần hoàn khí thải thì nhiệt độ sấy chỉ đến t1, với t1 < tB Nhận thấy

lượng không khí tuần hoàn trở lại càng nhiều thì nhiệt độ t1 càng thấp và điểm M càng dịch chuyển về phía điểm C

- Nếu chỉ có 1 kg không khí khô ban đầu được hút vào, trộn lẫn với n kg không khí khô tuần hoàn thì:

+ Nhiệt lượng riêng của hỗn hợp được tính theo

công thức:

n

nI I

+

+

= 1

2

(4.11)

+ Độ chứa hơi của hỗn hợp là:

n

nd d

dM

+

+

=

1

2

(4.12)

Từ đó rút ra:

M

M

d d

d d n

−

−

=

2

0

(4.13)

Hoặc

M

M

I I

I I n

−

−

=

2 0

+ Tìm vị trí điểm M: nhận thấy

n d d

d d M MC

M AM

M

M

x

−

−

=

2

0

Từ đó rút ra n

MC

AM = hoặc =n+1

MC AC

Suy ra

1 +

=

n

AC

MC Như vậy khi trạng thái ban đầu A và trạng thái cuối C được xác định thì điểm M cũng tính được theo công thức trên

- Lượng không khí khô ban đầu được hút từ ngoài vào:

0 2

1

d d

l

−

(4.14)

- Lượng không khí khô hỗn hợp đi vào máy sấy tính theo:

M n

d d

l

−

=

2

1

, kg/kgẩm

) 1 ( +

=l n

l n hoặc

0 2

) 1

(

d d

n

ln

−

+

=

- Lượng nhiệt tiêu tốn trong trường hợp này là:

M

M M

n

d d

I I I

I l q

−

−

=

−

=

2

2

(4.15)

- Chú ý trên biểu đồ I-d: