Tài liệu chuong 8 doc

CHƯƠNG 8: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG SẤY BUỒNG 8.1 Phân loại HTS buồng Theo tính chất chuyển động của TNS có thể phân 2 loại: + HTS buồng đối lưu tự nhiên + HTS buồng đối lưu cưỡng bức Hình 8.1

CHƯƠNG 8: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG SẤY BUỒNG 8.1 Phân loại HTS buồng

Theo tính chất chuyển động của TNS có thể phân 2 loại:

+ HTS buồng đối lưu tự nhiên

+ HTS buồng đối lưu cưỡng bức

Hình 8.1 HTS buồng dùng quạt gío tập trung

2 HTS buồng dùng quạt gió hướng trục

Hình 8.2 HTS buồng dùng quạt gío hướng trục có gia nhiệt trung gian

8.2 THIẾT KẾ HTS BUỒNG

Khi thiết kế một hệ thống sấy buồng chúng ta có thể tiến hành theo các bước sau: + Căn cứ vào yêu cầu công nghệ, chọn chế độ sấy Chế độ sấy được chọn chủ yếu là nhiệt độ vào, nhiệt độ ra của TNS và thời gian sấy

+ Tính khối lượng VLS vào và ra khỏi buồng sấy

+ Tính lượng ẩm cần bốc hơi trong một giờ W (kg ẩm/h)

+ Xác định thông số TNS trước và sau bộ gia nhiệt

+ Xây dựïng quá trình sấy lý thuyết

+ Xác định các kích thước cơ bản của buồng sấy

+ Chọn lựa thiết bị vận chuyển

+ Tính tất cả các tổn thất có thể có

+ Xây dựng quá trình sấy thực Nhiệm vụ chủ yếu của phần này là tính lượng TNS cần thiết L (kg kk/h) và nhiệt lượng Q (kJ/h) mà bộ gia nhiệt cần cung cấp

+ Tính chọn hoặc thiết kế chi tiết bộ gia nhiệt

+ Tính toán một số thiết bị như buồng đốt, xe goòng, giá đỡ…

+ Bố trí thiết bị, tính trở lực và chọn quạt

+ Tính toán kinh tế – kỹ thuật của HTS đã thiết kế

8.3 VÍ DỤ

Thiết kế hệ thống sấy buồng đối lưu tự nhiên để sấy sơ chế thuốc lá có độ ẩm ban đầu ω1= 90% với năng suất G2 = 100kg/mẻ Biết không khí ngoài trời có các thông

số p =745 mmHg, 0

t =20 C,ϕ =85% Nhiên liệu là than cám có nhiệt trị Qc = 20900 kJ/kg

Giải

1 Chọn chế độ sấy

Theo công nghệ sấy sơ chế, thuốc lá sẽ được sấy theo qui trình sau đây:

+ Giai đoạn 1: Biến màu và lên hương

Nhiệt độ TNS:t1 =35 C0

Độ ẩm của thuốc: ω =1 90%,ω =2 85%

Thời gian sấy: τ =28h

+ Giai đoạn 2: Cố định màu và tiếp tục lên hương

Nhiệt độ TNS: 0

1

t =45 C Độ ẩm của thuốc: ω =1 85%,ω =2 50%

Thời gian sấy: τ =35h

+ Giai đoạn 3: Sấy khô cuống

Nhiệt độ TNS: 0

1

t =60 C Độ ẩm của thuốc: ω1=50%, ω2 =12%

Thời gian sấy: τ =60h

+ Giai đoạn 4: Hồi ẩm

Nhiệt độ không khí: 0

1

t =20 C (nhiệt độ môi trường)

Độ ẩm của thuốc: ω =1 12%,ω =2 14%

Thời gian sấy: τ =18h

2 Tính khối lượng VLS vào và ra của một giai đoạn

Gọi G1 và G2 là khối lượng VLS trước và sau mỗi giai đoạn Khi đó, + Giai đoạn 4:

G2 = 100kg

2

1

+ Giai đoạn 3:

G2 = 98kg

2

1

+ Giai đoạn 2:

G2 = 172kg

2

1

+ Giai đoạn 1:

G2 = 573kg

2

1

3 Lượng ẩm cần bốc hơi

Khối lượng ẩm cần bốc hơi trong các giai đoạn được tính như sau + Giai đoạn 1:

W = 860 – 573 = 287 kg/mẻ = 287/28 = 10,25 kg/h

+ Giai đoạn 2:

W = 573 – 172 = 410 kg/mẻ = 410/35 = 11,457 kg/h

+ Giai đoạn 3:

W =172 – 98 = 74 kg/mẻ = 74/60 = 1,233kg/h

+ Giai đoạn 4:

W = 98 – 100 = -2 kg/mẻ = -2/18 = -0,111 kg/h

4 Xác định các thông số không khí ngoài trời

Với cặp thông số không khí ngoài trời đã cho ( ,t )ϕ0 0 ta có:

+ Lượng chứa ẩm d0:

01242 , 0 622

, 0

−

=

bh

bh p p

p d

ϕ

ϕ

kg ẩm/kg kk + Entanpy Io = 51,587 kj/kgkk

5 Xác định entanpy của TNS trước quá trình sấy

I1 có thể tính theo công thức:

I1 = 1,004t1 + d0(2500 + 1,93t1)

Thay t1 tương ứng ở các giai đoạn sấy ta được:

+ Giai đoạn (1):

I1 = 1,004.35 + 0,1242(2500 + 1,93.35) = 66,691 kJ/kg kk

+ Giai đoạn (2):

I1 = 1,004.45 + 0,1242(2500 + 1,93.45) = 77,259 kJ/kg kk

+ Giai đoạn (3):

I1 = 1,004.60 + 0,1242(2500 + 1,93.60) = 92,663 kJ/kg kk

+ Chọn nhiệt độ TNS sau quá trình sấy của từng giai đoạn t2 Theo kinh nghiệm chúng

ta có thể chọn t2 cho các giai đoạn (1),(2) và (3) tương ứng bằng 250C , 300C và 350C

6 Xây dựng quá trình sấy lý thuyết

Sau khi đã chọn nhiệt độ TNS sau qúa trình sấy t2 thì trạng thái TNS sau qúa trình sấy lý thuyết C0 của từng giai đoạn sấy hoàn toàn xác định bởi cặp thông số (t2 và

I2), trong đó I2 = I1 Khi điểm C0 đã được xác định, tương ứng với từng giai đoạn sấy ta có thể xác định được d20 và ϕ20 như sau:

+ Giai đoạn (1):

d20 = 0,016453 kg ẩm/kg kk

% 81

20 =

ϕ

+ Giai đoạn (2):

d20 = 0,018448 kg ẩm/kg kk

% 68

20 =

ϕ

+ Giai đoạn (3):

d20 = 0,022431 kg ẩm/kg kk

% 62

20 =

ϕ

Như vậy việc chọn nhiệt độ TNS ra khỏi buồng sấy của giai đoạn (1) là 250C có thể xem là phù hợp Trong khi việc chọn nhiệt độ ra của không khí trong 2 giai đoạn (2) và (3) là quá cao Chúng ta chọn lại t2 của giai đoạn (2) và (3) tương ứng bằng 280C và

300C Khi đó ta có:

+ Giai đoạn (2):

d20 = 0,019262 kg ẩm/kg kk

% 79

20=

ϕ

+ Giai đoạn (3):

d20 = 0,024476 kg ẩm/kg kk

% 89

20 =

ϕ

Có thể xem nhiệt độ ra của tác nhân sấy sau khi được chọn lại là hợp lý và gía trị này được sử dụng để tính toán các phần sau

7 Lượng không khí lý thuyết

+ Giai đoạn (1):

0

d d 0,016453 0,01242

0 0

L =l W 247,954.10,25 2541,532= = kg kk/h

+ Giai đoạn (2):

0

d d 0,019262 0,01242

L =l W 146,156.11,457 1674,510= = kg kk/h

+ Giai đoạn (3):

0

d d 0,024476 0,01242

L =l W 82,946.1,233 102,273= = kg kk/h

8 Xác định các kích thước cơ bản của buồng sấy

Theo kinh nghiệm người ta chọn HTS có các kích thước sau:

Chiều cao buồng sấy: H = 4,2 m

Như vậy nếu bỏ qua kích thước cửa để đưa VLS vào và ra thì tổng diện tích bao quanh

Ft, diện tích trần Ftr và diện tích nền Fn của buồng sấy bằng:

2 t

2 n

F 2(H.B H.L) 2(4,2.2,96 4,2.3,56) 54,768m

F B.L 2,96.3,56 10,538m

Ftr = B.L = 2,96.3,56 = 10,538m2

9 Tính các tổn thất

* Tổn thất ra môi trường xung quanh qua tường

Giả thiết tường buồng sấy được xây bằng gạch đỏ dày 0,25 m có hệ số dẫn nhiệt 0,7

2

W / m K Nhiệt độ không khí ngoài buồng sấy chính là nhiệt độ môi trường

0

t = =t 20 C Nhiệt độ bên trong buồng sấy tf1 được chọn là nhiệt độ trung bình của từng giai đoạn:

f1

t =(35 25)/ 2 30 C+ =

f1

t =(45 28)/ 2 36,5 C+ = Giai đoạn (3) :

Trao đổi nhiệt đối lưu cả trong và ngoài tường buồng sấy đều là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên Nhiệt độ mặt trong của tường tw1 và mặt ngoài tw2 đều chưa biết vì vậy để xác định các hệ số trao đổi nhiệt đối lưu α α1, 2 hay mật độ dòng nhiệt qt chúng ta phải giả

thiết một trong hai nhiệt độ tw1 hoặc tw2 Phương pháp được thực hiện như sau:

+ Với không khí chảy tầng:

249 , 0 253 , 0

416 ,

1 ×l × ∆t

Trong đó : l là chiều cao của tường buồng sấy

+ Với không khí chảy rối:

333 , 0

715 ,

1 × ∆t

=

Nếu xem không khí phía ngoài và trong của buồng sấy đều chảy rối Khi đó ta có:

- Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt đối lưu giữa TNS và mặt trong của tường buồng sấy q1 bằng:

( )1 , 333

1 1 333

, 1 1

- Mật độ dòng nhiệt do dẫn nhiệt q2 bằng

q = −

δ

λ

(b)

- Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ngoài của tường buồng sấy với không khí xung quanh q3 bằng:

2 2 333

, 1 2

Gỉa thiết 1 giá trị cho t w1 , từ pt (a) ta tìm được q1 và do qúa trình truyền nhiệt là ổn định nên thay q1 = q2 vào (b) ta tìm được t w2:

λ

δ

×

−

Thay t w2 vào (c) ta tìm được mật độ dòng nhiệt của mặt ngoài tường buồng sấy truyền cho không khí xung quanh q3 Nếu q3 sai khác q1 qúa lớn thì công việc phải lặp lại từ đầu với giả thiết gía trị mới của t w1 Ngược lại nếu sai số đủ bé cho phép (có thể chọn < 0,0001) thì gía trị t w1 đã giả thiết là đúng và dòng nhiệt q1 hay q3 có thể xem là dòng nhiệt cần tìm Để nhanh chóng tìm được kết qủa, ta có thể viết 1 chương trình máy tính Phương pháp tính lặp sử dụng máy tính cho phép chúng ta tìm được mật độ dòng nhiệt trong từng giai đoạn như sau

Giai đoạn (1):

q 5,697W / m ;t 25,92 C;t 24,07 C

Q 3,6q F 3,6.5,697.54,768 1123,248kJ / h

Giai đoạn (2):

q 16,763W / m ;t 30,97 C;t 25,53 C

Q 3,6q F 3,6.16,763.54,768 3305,074kJ / h

Giai đoạn (3):

q 27,533W / m ;t 36,98 C;t 28,03 C

Q 3,6q F 3,6.27,533.54,768 5428,538kJ / h

* Tổn thất qua nền

Tổn thất qua nền của thiết bị sấy phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo nền và địa chất Ở những vùng nền đất ẩm ướt tổn thất này rất lớn Hiện nay chưa có số liệu về tổn thất nền ở Việt nam, chúng ta có thể tham khảo 1 bảng số liệu thực nghiệm của nước ngoài về tổn thất qua nền như sau:

2 17,9 27,8 39,1 49,3 59,5 86,2 137,5

Trong đó: X là khoảng cách của tường TBS đến tường phân xưởng và t là nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy trong thiết bị

Giả sử tường buồng sấy cách tường phân xưởng 1 m Theo bảng trên ta tra được các số liệu như sau:

Giai đoạn (1):

qn = 28,5 W/m2

Qn = 3,6.qn.Fn = 3,6.28,5.10,538 = 1081,199 kJ/h

Giai đoạn (2):

qn = 32,725 W/m2

Qn = 3,6.qn.Fn = 3,6.32,725.10,538 = 1241,428 kJ/h

Giai đoạn (3):

qn = 38,375 W/m2

Qn = 3,6.qn.Fn = 3,6.38,375.10,538 = 1455,825 kJ/h

* Tổn thất qua trần

Tổn thất qua trần sẽ được tính giống tổn thất qua tường với các hệ số trao đổi nhiệt đối lưu được tăng thêm 30% (giả sử trần được xây dựng bằng vật liệu có bề dày và hệ số dẫn nhiệt giống như tường)

Giai đoạn (1):

h kJ F

q Q

m W q

q

tr tr tr

t tr

/ 281 538 , 10 4 , 7 6 , 3 6

, 3

/ 4 , 7 697 , 5 3 , 1 3

,

=

×

×

=

×

×

=

=

×

=

×

=

Giai đoạn (2):

h kJ F

q Q

m W q

q

tr tr tr

t tr

/ 827 538 , 10 8 , 21 6 , 3 6

, 3

/ 8 , 21 763 , 16 3 , 1 3

,

=

×

×

=

×

×

=

=

×

=

×

=

Giai đoạn (3):

h kJ F

q Q

m W q

q

tr tr tr

t tr

/ 1358 538

, 10 8 , 35 6 , 3 6

, 3

/ 8 , 35 533 , 27 3 , 1 3

,

=

×

×

=

×

×

=

=

×

=

×

=

* Tổng tổn thất qua kết cấu bao che:

Tổn thất qua kết cấu bao che trong trường hợp này bằng tổng tổn thất do trao đổi nhiệt qua tường bao che , trần và nền Do đó:

Giai đoạn (1):

Qbc = 2485 kJ/h

qbc = 239,8 kJ/kg ẩm

Giai đoạn (2):

Qbc = 5373 kJ/h

qbc = 469 kJ/kg ẩm

Giai đoạn (3):

Qbc = 8242 kJ/h

qbc = 6684,5 kJ/kg ẩm

* Tổn thất do VLS mang đi.

Để tính tổn thất này cho các giai đoạn sấy theo kinh nghiệm chúng ta lấy nhiệt độ của VLS trước và sau mỗi giai đoạn sấy nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ trung bình của TNS Vì giai đoạn (1) VLS vào có nhiệt độ thấp bằng nhiệt độ môi trường nên nhiệt độ ra của giai đoạn (1) chúng ta lấy nhỏ hơn nhiệt độ trung bình của TNS khoảng 4 5 C÷ 0 Như vậy chúng ta có:

+ Giai đoạn (1): tv1 = t0 = 200C

tv2 = {(35+25)/2} – 4 = 26oC + Giai đoạn (2): tv1 = tv2 = 260C

tv2 = (45+ 28)/2 = 36,5oC + Giai đoạn (3): tv1 = tv2 = 36,50C

tv2 = (60+ 30)/2 = 45oC Nhiệt dung riêng của VLS tính như sau:

C =C +(C C )− ω

Trong đó Ck, Ca ,ω tương ứng là nhiệt dung riêng của vật liệu khô, nhiệt dung riêng của nước và độ ẩm tương đối của VLS Đối với lá thuốc ta có Ck = 1,32kJ/kgK Do đó, nếu ký hiệu Cv(ω) là độ ẩm của VLS tương ứng với độ ẩm tương đối ω ta có:

v

v

v

C (0,85) 3,751kJ / kgK

C (0,5) 2,75kJ / kgK

C (0,12) 1,663kJ / kgK

=

=

= Tổn thất nhiệt do VLS mang đi:

Qv = G2Cv(ω)(tv2 – tv1)

Thay các giá trị vào ta tìm được:

+ Giai đoạn (1): Qv = 573.3,751( 26 – 20 ) = 12895,938 kJ

qv = Qv/W = 12895,938/10,25 = 1258,140 kJ/kg ẩm + Giai đoạn (2): Qv = 172.2,75( 36,5 – 26 ) = 4966,5 kJ

qv = Qv/W = 4966,5/11,457 = 433,49 kJ/kg ẩm + Giai đoạn (3): Qv = 98.1,663( 45 – 36,5 ) = 1385,279 kJ

qv = Qv/W = 1123,503 kJ/kg ẩm

* Tổn thất do thiết bị vận chuyển.

Chọn thiết bị vận chuyển là những khay làm bằng tole đục lổ dày 1mm có các thông số như sau:

Số lượng khay: 10

Chiều rộng b = 2,5 m

Chiều dài l = 3 m

2

1 , vc

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= 0,107×4180 = 447,3 J/kg.độ)

2

1 , vc

G : trọng lượng của bộ phận vận chuyển, [kg] Ở đây

vc vc

G 1 = 2 = = 10×3×2,5×0,001×7840 = 588 kg

Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển được tính theo công thức như sau:

Qvc = GvcCvc(tvc2 – tvc1)

Vì thiết bị vận chuyển được làm bằng thép có hệ số dẫn nhiệt lớn nên ta chọn nhiệt độ

tvc2 chính là nhiệt độ trung bình của TNS Như vậy chúng ta có:

+ Giai đoạn (1): tvc1 = t0 = 200C

tvc2 = {(35+25)/2} = 30oC + Giai đoạn (2): tv1 = tv2 = 300C

tv2 = (45+ 28)/2 = 36,5oC + Giai đoạn (3): tv1 = tv2 = 36,50C

tv2 = (60+ 30)/2 = 45oC Thay các giá trị vào ta tìm được:

+ Giai đoạn (1): Qvc = 588.477,3(30 – 20 ) = 2806 kJ

qvc = Qv/W = 2806/10,25 = 273 kJ/kg ẩm + Giai đoạn (2): Qvc = 588.477,3(36,5 – 30 ) = 1824 kJ

qvc = Qv/W = 1824/11,457 = 159 kJ/kg ẩm + Giai đoạn (3): Qvc = 588.477,3(45 – 36,5 ) = 2385 kJ

qvc = Qv/W = 2385/1,233 = 1934 kJ/kg ẩm

• Xác định ∆

Ta có ∑q = qbc + qv + qvc

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

Giai đoạn (1):

∑q = qbc + qv + qvc =1771 kJ/kg ẩm

Giai đoạn (2):

∑q = qbc + qv + qvc =1061 kJ/kg ẩm

Giai đoạn (3):

∑q = qbc + qv + qvc =9741 kJ/kg ẩm

Giai đoạn (1):

Cnθ1 = 4,18.20=83,6 kJ/kg ẩm

Giai đoạn (2):

Cnθ1 = 4,18.26=109 kJ/kg ẩm

Giai đoạn (3):

Cnθ1 = 4,18.36,5=152 kJ/kg ẩm

Giả sử ta chọn nhiệt lượng bổ sung qb = 0

Giai đoạn (1):

∆ = - 1687

Giai đoạn (2):

∆ = - 952

Giai đoạn (3):

∆ = - 9589

10 Xác định các thông số TNS sau quá trình sấy thực

* Xác định lượng chứa ẩm d 2

+ Giai đoạn (1):

d2 = 0,01476 kg ẩm/kg kk

+ Giai đoạn (2):

d2 = 0,01775 kg ẩm/kg kk

+ Giai đoạn (3):

d2 = 0,01580 kg ẩm/kg kk

* Xác định entanpy I 2 :

Giai đoạn (1):

I =C t +d i =1,004.26 0,01476.2547,892 63,711kJ / kgkk+ = Giai đoạn (2):

I =C t +d i =1,004.28 0,0775.2551,576 74,831kJ / kgkk+ = Giai đoạn (3):

I =C t +d i =1,004.30 0,01580.2555,26 70,493kJ/ kgkk+ =

* Xác định độ ẩm tương đối ϕ2

Giai đoạn (1):

% 74

20 =

ϕ

Giai đoạn (2):

% 73

20 =

ϕ

Giai đoạn (3):

% 58

20 =

ϕ

11 Xác định lượng không khí khô thực tế

Giai đoạn (1):

d d 0,01476 0,01242

L = l.W = 427,35.10,25 = 4380,342 kg kk/h

Giai đoạn (2):

2 0

d d 0,01775 0,01242

L = l.W = 187,617.11,475 = 2152,291 kg kk/h

Giai đoạn (3):

d d 0,0158 0,01242

L = l.W = 295,858.1,233 = 364,882 kg kk/h

12 Cân bằng nhiệt và hiệu suất nhiệt HTS

* Nhiệt lượng có ích:

q1 = i2 - Cnθ1

Giai đoạn (1)

q1 = 2462,45 kJ/kg ẩm

Giai đoạn (2):

q1 = 2426 kJ/kg ẩm

Giai đoạn (3):

q1 = 2402,45 kJ/kg ẩm

* Tổn thất nhiệt do TNS mang đi

=

Thay các giá trị ta được:

Giai đoạn (1):

2

2

Q 4380,342.1,004(25 20) 21989,317kJ / h

q 21989,317/10,25 2145299kJ / kgẩm

Giai đoạn (2):

2

2

Q 2152,291.1,004(28 20) 17287,201kJ / h

q 17287,201/11,457 1508,877kJ/ kgẩm

Giai đoạn (3):

2

2

Q 364,882,291.1,004(30 20) 3663,415kJ / h

q 3663,415/1,233 2971,140kJ / kgẩm

* Tổng nhiệt lượng tính toán q’:

Tổng nhiệt lượng này bằng tổng nhiệt lượng tổn thất qua kết cấu bao che, tổn thất do VLS mang đi, do thiết bị vận chuyển, do TNS mang đi và nhiệt lượng có ích:

q’ = qbc + qv + qvc + q2 + q1

Giai đoạn (1):

q’ = 6080,957 kJ/kg ẩm

Giai đoạn (2):

q’ = 4765,209 kJ/kg ẩm

Giai đoạn (3):

q’ = 12080,758 kJ/kg ẩm

13 Tính công suất nhiệt của HTS

+ Nhiệt lượng để sấy một mẻ (100 kg sản phẩm) bằng tổng nhiệt lượng tiêu hao của cả

3 giai đoạn: giai đoạn (1) 28 giờ, giai đoạn (2) 35 giờ, giai đoạn (3) 60 giờ Do đó:

Q = 6080,957 10,25.28 + 4765,209 11,457.35 + 12080,758 1,233.60 = 4549794 kJ

+ Công suất nhiệt trung bình mà bộ đốt nóng không khí cần cung cấp là:

Qtb= Q/thời gian = 4549794/(123.3600) = 10,27 kW

+ Công suất nhiệt cực đại Qcd Từ số liệu trên ta có thể thấy công suất nhiệt cực đại là công suất nhiệt trong giai đoạn (1):

Qcd = 6080,957 10,25/3600 = 17,3 kW