Quá trình sấy lý thuyết

Chương 4: Quá trình sấy lý thuyết Chúng ta quan niệm quá trình sấy lý thuyết là quá trình không có tổn thất do VLS mang đi, do đó thiết bị chuyển tải mang đi, không có tổn thất do toả ra môi trường qua kết cấu bao che … mà chỉ có tổn thất do TNS mang đi. Do đó bao nhiêu nhiệt lượng khói lò cung cấp cho VLS hoàn toàn dùng để tách ẩm khỏi vật liệu. Do ẩm tách khỏi lại bay vào trong khói nên ẩm lại mang toàn bộ nhiệt lượng mà khói đã mất đi trả lại cho khói dưới dạng nhiệt ẩn hoá hơi r và nhiệt vật lý của hơi nước Cpat. Vì vậy quá trính sấy lý thuyết bằng khói lò được xem như quá trình đẳng entanpy Từ đặc trưng quá trính sấy lý thuyết I = const khi biết (I11,d11- ); (I12,d12) và t21, t22 chúng ta dễ dàng xác định được các điểm biểu diễn trạng thái TNS C11 và C12 ra khỏi vùng sấy. Đồ thị của chúng cho dưới hình vẽ. Từ C11 và C12 chúng ta xác định được trên đồ thị I – d lượng chứa ẩm sau quá trình sấy, vùng 1 d210 và vùng 3 d310, độ ẩm tương đối 210 và 310 . Đương nhiên, các thông số này cũng có thể tìm bằng giải tích. +Lượng chứa ẩm d2i0 theo (3.33)[1] ta có: d2i0 = 2ipa 2ipk1i t.Cr .tC-I  Trong đó: Cpk, Cpa: Nhiệt dung riêng của không khí khô và hơi nước Cpk= 1,004 kJ/ kg.K; Cpa= 1,842 (kJ/ kg.K) r : Nhiệt ẩn hoá hơi ; r = 2500 kJ/kg Thay các giá trị vào ta được: d210 = 21pa 21pk11 t.Cr .tC-I  = 50.1,8422500 1,004.50-113,13  = 0,0243 (kg ẩm/ kg kk) d230 = 21pa 21pk11 t.Cr .tC-I  = 53.1,8422500 1,004.53-118,62  = 0,0252 (kg ẩm/ kg kk) +Độ ẩm tương đối 2 0i . Để tính được 2 0i trước hết ta tính áp suất bão hoà tương ứng ở nhiệt độ t2i pb1 =        21t5,235 4026,42 12exp =      505,235 4026,42 12exp = 0,122 bar pb3 =        23t5,235 4026,42 12exp =      535,235 4026,42 12exp = 0,141 bar Khi đó, độ ẩm tương đối 2 0i tính theo (2.19)[1] bằng:  210 = )d621,0.(p B.d 2l0b1 2l0  = )0,0243621,0.(0,122 .0,0243 750 754  = 30,6%  230 = )d621,0.(p B.d 230b2 230  = )0,0252621,0.(0,14 .0,0252 750 754  = 27,4% Ta có bảng tổng kết thông số TNS vào và ra các vùng sấy nóng: Vòng sấy đầu Tác nhân sấy I (kJ/kg) d (kg ẩm/kg kk) pb (bar) ử (%) Vào vùng 113,13 0,018276 0,25 11,5 sấy 1 Vào vùng sấy 3 118,62 0,018398 0,31 9,3 Ra vùng sấy 1 113,13 0,0243 0,122 30,6 Ra vùng sấy 3 118,62 0,0252 0,141 27,4 Tính toán tương tự ta cũng có bảng kết quả thông số TNS, vào và ra các vùng sấy ở vòng sấy cuối: Vòng sấy cối Tác nhân sấy I (kJ/kg) d (kg ẩm/kg kk) pb (bar) ử (%) Vào vùng sấy 1 113,13 0,018276 0,25 11,5 Vào vùng sấy 3 118,62 0,018398 0,31 9,3 Ra vùng sấy 1 113,13 0,0243 0,122 30,6 Ra vùng sấy 3 118,62 0,0252 0,141 27,4 Đồ thị I – d : 2 301321 011 dddd 0 0 0 0 V ïng sÊy nãng 3V ïng sÊy nãng 1 dd II B t13 =70 C t2 3 = 53 C C 01C 01 t21 = 50 C t11 = 65 CB Lượng tác nhân sấy lý thuyết cần để bốc hơi 1 kg ẩm của từng vùng tương ứng bằng: l01 = 11210 1 dd  = 018398,00252,0 1  = 166 (kg/kg ẩm) l03 = 13230 1 dd  = 0199,003,0 1  = 147 (kg/kg ẩm) Lượng tác nhân sấy lý thuyết cần thiết để bốc hơi lượng ẩm của từng vùng: L01= l01.W1= 166.127 = 21084 (kg/h) L03 = l03.W3 = 147.136 = 19994 (kg/h) III.6. Tính các tổn thất nhiệt: Trong quá trình sấy thực tế HTS bị tổn thất nhiệt cho rất nhiều tác nhân như: Tổn thất nhiệt cho thiết bị chuyên trở (TBCT); cho VLS mang đi và tổn thất qua kết câu bao che. Chính những tổn thất này mà quá trình sấy thực tế không phải là đẳng entanpy I = const. Mục đích của phần này là tìm ra được nhữ tổn thất, từ đó tìm ra được lượng TNS thực tế cần cung cấp cho HTS đảm bảo yêu cầu. III.6.1 Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi: Để tính lượng nhiệt này trước hết chúng ta tính nhiệt dung riêng Cvi của thóc ra khỏi các vùng sấy. Theo (1.48)[1] ta xác định được: Cvi = Ck + (Ca – Ck). 2i Trong đó: Ck : Nhiệt dung riêng của vật liệu khô. Theo phụ lục 1[1] thì Cvi của thóc là: Ck = 1,5 (kJ/ kg.K) Ca : Nhiệt dung riêng của ẩm (nước) Ca = 4,1816 (kJ/kg.K) 2i : Độ ẩm đầu ra của VLS ở các vùng sấy nóng Thay các giá trị vào ta được nhiệt dung riêng của VLS ra khỏi các vùng là: Cv1 = 1,5 + (4,1816 – 1,5).0,23 = 2,118 (kJ/kg.K) Cv3 = 1,5 + (4,1816 – 1,5).0,20 = 2,037 (kJ/kg.K) Khi đó lượng nhiệt tổn thất do VLS mang ra khỏi các vùng sấy. Vòng sấy đầu: Qv1= G21.Cv1.(tv21- t0) = 5991.2,118.(42- 33) = 114200,4 (kJ/h) Qv3= G23.Cv3.(tv23- tv22) = 5789.2,037.(45- 37) = 141506,3 (kJ/h) Vòng sấy cuối: Qv1= G21.Cv1.(tv21- t0) = 5526.2,118.(45- 33) = 99381,3 (kJ/h) Qv3= G23.Cv3.(tv23- t0) = 5333.2,037.(46- 33) = 133053 (kJ/h) Hay Vòng sấy đầu: qv1= 1 v1 W Q = 144 114200,4 = 793 (kJ/kg ẩm) qv3= 3 v3 W Q = 137 141506,3 = 1033 (kJ/kg ẩm) Vòng sấy cuối: qv1= 1 v1 W Q = 136 99381,3 = 730,7 (kJ/kg ẩm) qv3= 3 v3 W Q = 127 133053 = 1047 (kJ/kg ẩm) Ta có bảng tổng kết: Vị trí tổn thất Qvi (kJ/h) qv1 (kJ/kg ẩm) Vòng sấy đầu Vùng sấy nóng 1 114200,4 793 Vùng sấy nóng 3 141506,3 1033 Tổng 255706,8 1826 Vòng sấy cuối Vùng sấy nóng 1 99381,3 730,7 Vùng sấy nóng 3 133053 1047 Tổng 232434,1 1778 III.6.2. Tổn thất do thiết bị vận chuyển: Hệ thống sấy với các thiết bị vận chuyển băng tải để vận chuyển thóc sau vòng sấy đầu lên vòng sấy cuối. Quá trình này coi như là một lần làm mát nên không tính tổn thất. Vật liệu sấy rơi từ trên đỉnh tháp do tác dụng của trọng lực bản thân, nhưng sự dịch chuyển của chúng bị ảnh hưởng rất lớn bởi các kênh dẫn và kênh thải. Chính những kênh này làm cho thóc chuyển động được xáo trộn trong tháp. Các kênh này được làm bằng thép và trong quá trình sấy chúng nóng lên do nhận nhiệt của tác nhân sấy. Ta coi đây cũng là tổn thất của thiết bị vận chuyển. 350 0 m m 3 mm Các kênh đều làm bằng thép với chiều dầy  = 3mm = 0,003 m. Khối lượng của 1 kênh là Gk = 0,5kg. Nhiệt dung riêng của thép Cth = 0,5 kJ/kg.K; Vì là thép nên nhiệt độ của kênh bằng trung bình cộng nhiệt độ đầu vào và ra TNS ứng với mỗi vùng sấy nóng. Nhiệt độ trung bình đầu vào và ra TNS tại mỗi vùng sấy: Vùng sấy nóng 1: ttb1 = 0,5.(65+50) = 57,5 0C Vùng sấy nóng 3: ttb3 = 0,5.(65+53) = 61,5 0C Tổng số kênh dẫn và thải trong 2 vùng sấy nóng là: n = 2. .22 0,3 h = 2.2,7 .22 0,3 = 396 (chiếc) Tổn thất nhiệt cho kênh: Qk1 =  ) t-.(t.Cn.G 0tb1thk = 396.0,5.0,55.(57,5- 33) 4,5 = 539 (kJ/h) Qk3 =  ) t-.(t.Cn.G 0tb3thk = 396.0,5.0,55.(61,5- 33) 4,5 = 627 (kJ/h) Nhận xét: Ta thấy tổn thất nhiệt cho các kênh dẫn chỉ xảy ra có một lần trong giai đoạn sấy đầu tiên. Khi quá trình sấy liên tục thì tổn thất này không còn nữa vì nó luôn nóng trong quá trình sấy, ở trong tháp sấy chứ không đưa ra ngoài. Khi này tổn thất được tính cho qua kết cấu bao che. Mặt khác do tổn thất này lại nhỏ nên từ những nhận xét trên ta quyết định bỏ qua lượng tổn thất để sấy nóng cách kênh dẫn trong HTS. III.6.3. Tổn thất qua kết cấu bao che: -Tổn thất qua kết cấu bao che xung quanh. Tháp sấy có kết cấu là khung thép chịu lực, từ ngoài vào trong bao gồm: Lớp tôn bọc ngoài – vật liệu cách nhiệt – lớp tôn. Hai lớp tôn có chiều dầy lần lượt là:  1 = 3mm,  3 = 5mm, hệ số dẫn nhiệt  = 71,58 W/mK 5mm 3 mm 150mm t t1 t2 t4 t3tq3 2q 1 q f1 f2 Lớp tôn bên ngoài có nhiệm vụ cách ẩm cho vật liệu cách nhiệt và bảo vệ chúng trước tác động của môi trường. Lớp tôn bên trong ngăn không cho VLS, TNS ảnh hưởng tới vật liệu cách nhiệt và cũng là cách ẩm vào lớp cách nhiệt. Vật liệu cách nhiệt là tấm polyurethane cứng với 2 = 150 mm,  = 0,041W/m.K Tổn thất được xác định cho tong vùng sấy nóng trong một chu kỳ làm việc của HTS . Trong mỗi vùng sấy đều có chiều cao 2,1m. TNS chuyển động cưỡng bức trong tháp sấy còn bên ngoài không khí chảy tầng. Nhiệt -Để tính được tổn thất, trước hết chúng ta phải giả thiết một giá trị cho t1 -Tiếp theo đó theo (7.50)[1] tìm hệ số trao đổi nhiệt đối lưu ỏ1 -Từ ỏ1ta tìm được mật độ dòng nhiệt q1 -Từ đặc tính của kết cấu  ( 1 1/  ), giá trị đã tính được của q1 và nhiệt độ giả thiết t1 ta tìm nhiệt độ t4 -Để kiểm tra tính đúng đắn ta so sánh với q1 với q3 nếu sai số này quá nhiều ta phải chọn lại t1. Quá trình được lặp lại cho tới khi nào thoả mãn sai số cho phép 1% Với những phân tích như trên ta tiến hành tính toán cho trước tiên cho vùng sấy nóng 1 Tác nhân sấy chảy cưỡng bức trong tháp với tốc độ (0,2- 0.5) (m/s), ta chọn v = 0,3 m/s theo (7.46)[1] hệ số toả nhiệt 1 1 = 6,15 + 4,16.v Không khí bên ngoài đối lưu tự nhiên chảy rối , theo (7.50)[1] hệ số toả nhiệt ỏ2 là: 2 = 1,715.  t 0,333 = 1,715.(tf1 – t1) 0,333 Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt đối lưu giữa TNS và mặt trong của vách q1 là: q1 = 1 . t = (6,15 + 4,16.v).(65 – t1) Mật độ dòng nhiệt do dẫn nhiệt q2 là: q2 = ).( 41 tt   = ( 71,58 0,041 71,58 0,003 0,15 0,005   ).(t1 – t4) Mật độ dòng nhiệt do đối lưu tự nhiên từ mặt ngoài của tường với không khí xung quanh q3 q3 = 2 .  t = 1,715. (t4 – tf2) 1,333 Chọn nhiệt độ t1= 50,50C tính toán lặp theo Excel ta có bảng kết quả: 1 (W/m2K) 2 (W/m2K)  ( 1 1/  ) tf1 0C t1 0C t4 0C tf2 0Cq1(W/m 2) q2(W/m 2) q3(W/m 2) 7.401 0.407123 6.098 57.5 57.16 41.8 33 2.51634 2.51634 3.58927 7.401 0.455698 6.098 57.5 57.13 40.4 33 2.73837 2.73837 3.386891 7.401 0.505604 6.0978 57.5 57.1 39.0 33 2.9604 2.9604 3.058117 7.401 0.556772 6.098 57.5 57.07 37.7 33 3.18243 3.18243 2.597111 7.401 0.609144 6.098 57.5 57.04 36.3 33 3.40446 3.40446 1.998431 Từ bảng tính trên ta chọn được trường hợp t1 = 57,10C có mật độ dòng nhiệt q1=q2=2,9604 W/m2, q3=3,058 W/m2. Thoả mãn sai số cho phép: 1 – 2,9604/3,058 = 3,19% < 5% ( chấp nhận). Vậy qua vùng sấy nóng 1 tổn thất nhiệt là: Qs1 = Fs1.q2.3600 = 2.(3,5 + 2.2).2,7.2,9604.3600 = 164 kJ/h -Tính toán tương tự ta cũng xác định tổn thất cho vùng sấy nóng 3: 1 (W/m2K) 2 (W/m2K)  ( 1 1/  ) tf1 0C t1 0C t4 0C tf2 0C q1(W/m 2) q2(W/m 2) q3(W/m 2) 7.401 0.595064 6.097673 61.5 61.048 40.64975 33 3.345252 3.345252 4.552089 7.401 0.657265 6.097673 61.5 61.013 39.03524 33 3.604287 3.604287 3.966748 7.401 0.680755 6.097673 61.5 61 38.43556 33 3.7005 3.7005 3.700289 7.401 0.698965 6.097673 61.5 60.99 37.97427 33 3.77451 3.77451 3.476841 7.401 0.717293 6.097673 61.5 60.98 37.51298 33 3.84852 3.84852 3.237132 Từ bảng tính trên ta chọn được trường hợp t1 = 610C có mật độ dòng nhiệt q1=q2=3,7005 W/m2, q3=3,7003 W/m2. Thoả mãn sai số cho phép: (1 – 3,7003/3,7005) < 5% ( chấp nhận). Vậy vùng sấy nóng 3 có tổn thất nhiệt là: Qs3 = Fs3.q2.3600 = 2,7.(3,5 +2.2).3,7005.3600 = 205 kJ/h Tổn thất nhiệt ra môi trường tính cho kg ẩm của hai vùng sấy nóng: qs1= Qs1/W1= 164/126 = 1,3 (kJ/kg ẩm) qs3= Qs3/W3= 205/136 = 1,51 (kJ/kg ẩm) Tháp sấy còn có vùng đáy và đỉnh tháp có tổn thất ra môi trường. Nhưng sự tổn thất này nhỏ, mặt khác do tính chất của tháp sấy là sấy liên tục nên nhiệt tổn thất ra thì lại được các VLS hâp thụ. Do vậy ta bỏ qua dạng tổn thất này. Bảng tổng kết các tổn thất: Trong tổn thất do VLS mang đi có giá trị khác nhau của hai vòng sấy. Ta chọn tổn thất lớn nhất tức là ở vòng sấy đầu. Vùng sấy nóng 1 Vùng sấy nóng 3 Tổn thất Q1(kJ/h) q1(kJ/kg ẩm) Q3(kJ/h) q3(kJ/kg ẩm) Vật liệu sấy mang đi 114200,4 793 141506,3 1033 III.7. Xây dựng quá trình sấy thực: Sau khi đã xác định được tổn thất ta tính quá trính sấy thực. Do có tổn thất nên quá trình sấy thực không phải là đẳng Entanpy. Nó được thể hiện trong hình vẽ. +Tính giá trị  :  i = Ca.t0 – (qvi + qsi) Ca : Nhiệt dung riêng của hơi ẩm Ca = 4,1868 kJ/kg.K Thay các giá trị vào biểu thức ta được:  1 = Ca.t0 – (qv1 + qs1) = 4,1868.33 – (793 + 1,3) = -656,2 (kJ/kg ẩm)  3 = Ca.t0 – (qv3 + qs3) = 4,1868.33 – (1033 + 1,5) = -896,2 (kJ/kg ẩm) +Xác định thông số sau quá trình sấy thực: Cũng như các TBS đối lưu khác, từ I1i, t2i và  i (1,2) chúng ta hoàn toàn xác định được trên đồ thị I- d trạng thái TNS sau quá trình sấy thực Ci (i = 1,2). Tính bằng giải tích chúng ta cũng được. -Lượng chứa ẩm của TNS ra khỏi vùng sấy thực d21: Trước hết chúng ta tính Cdxi Cdx1 = 1,004 + 1,842.d11 = 1,004 + 1,842.0,019244 = 1,0377 (kJ/kg.K) Ra môi trường xung quanh 164 1,3 205 1,51 Tổng các tổn thất 114364,4 794,3 141711,3 1034,51 Cdx3 = 1,004 + 1,842.d13 = 1,004 + 1,842.0,019283 = 1,0379 (kJ/kg.K) -Theo (7.32)[1] ta có: d21 = d11 + 11 21111 )(   i ttCdx = 0,018276 + 1,04(65 50) 2592,1 656,2   = 0,0231 (kg ẩm/ kg kk) d23 = d13 + 33 23131 )(   i ttCdx = 0,018398 + 1,041(70 53) 2597,6 896,2   = 0,0229 (kg ẩm/ kg kk) -Độ ẩm tương đối: Theo (7.34)[1] độ ẩm tương đối của TNS ra khỏi hai vùng sấy tương ứng bằng: 21 = 21 1 21 745 .0,0232. 750 .(0,621 ) 0,122.(0,621 0,0232)b B d p d    = 29,2% 23 = 23 3 23 745 .0,0229. 750 .(0,621 ) 0,14.(0,621 0,0229)b B d p d    = 25% Độ ẩm của TNS ra khỏi các vùng sấy nóng cao hơn rất nhiều so với VLA nên thế sấy không đảm bảo cho việc sấy VLS. Đây là nguyên nhân chính mà hệ thống sấy không có hồi lưu, TNS sấy thẳng rồi thải ra ngoài môi trường. -Lượng TNS thực tế: B C 0 1 C 0 1 B I I 1 1 2 1 0 1 3 2 3 0 dd d ddd V ï n g sÊ y n ã n g 1 V ï n g s Ê y n ã n g 3 t2 1 = 5 0 C t1 1 = 6 5 C t2 3 = 5 3 C t1 3 = 7 0 C 0 0 0 0 l1 = 1121 1 dd  = 1 0,0231 0,018276 = 207,31 (kg k/kg ẩm) L1= l1.W1= 207,31.144 = 29852,6 (kg k/h) l3 = 13230 1 dd  = 1 0,0229 0,018398 = 222,12 (kg k/kg ẩm) L3= l3.W3 = 222,12.137 = 30430,4 (kg k/h) -Thể tích TNS trung bình ở các vùng sấy: Theo phụ lục 5[1] với độ ẩm tương đối và nhiệt độ đã biết ta tìm được: Vùng sấy nóng 1: Với t11 = 650C và  11 = 11,5% ta được v11= 0,952 m3/kg kk Với t21 = 500C và  21 = 29,2% ta được v21= 0,969 m3/kg kk Vùng sấy nóng 3: Với t13 = 700C và  13 = 9,3% ta được v13= 1,015 m3/kg kk Với t13 = 530C và  23 = 25% ta được v13= 0,968 m3/kg kk Do đó thể tích trung bình của TNS trong các vùng bằng: V1= 0,5.L1.( v11+ v21) = 0,5.29852,6.(0,952 + 0,969) 28673,4 (m3/h) V3= 0,5.L3.( v13+ v23) = 0,5. 30430,4.(1,015 +0,968) 30171,8 (m3/h)