Tính toán nhiệt quá trình sấy chuối

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY CHUỐI + Mục đích tính toán nhiệt : Mục đích tính toán nhiệt là xác định tiêu hao không khí dùng cho quá trình sấy L, kg/h và tiêu hao nhiệt Q, kJ/h. Trên cơ sở tính toán nhiệt xác định kích thước các thiết bị. Đồng thời qua việc thiết lập cân bằng nhiệt và cân bằng năng lượng của hệ thống sẽ xác định được hiệu suất sử dụng nhiệt và hiệu suất sử dụng năng lượng của hệ thống cũng như tiêu hao riêng nhiệt của buồng sấy và hệ thống. 3.1. Chọn chế độ sấy: Quá trình giảm ẩm của chuối khi đưa vào sấy rất không đồng đều , để phù hợp với quá trình giảm ẩm đó , có thể chia quá trình sấy thành 3 giai đoạn sau:  Giai đoạn 1: - Thời gian sấy: τ = 8 h - Nhiệt độ môi chất sấy vào : t11 =650C - Vật liệu có độ ẩm vào :ω11 =80 % - Vật liệu có độ ẩm ra :ω12 =64 %  Giai đoạn 2: - Thời gian sấy: τ = 8 h - Nhiệt độ môi chất sấy vào : t12 =800C - Vật liệu có độ ẩm vào :ω12 =64 % - Vật liệu có độ ẩm ra :ω22  Giai đoạn 3: - Thời gian sấy: τ = 8 h - Nhiệt độ môi chất sấy vào : t13 =900C - Vật liệu có độ ẩm vào :ω22 - Vật liệu có độ ẩm ra :ω23 - Tốc độ môi chất sấy cả 3 giai đoạn là v= 2-3 m/s - Trạng thái không khí bên ngoài t0=250C, 3.2 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA VẬT LIỆU : Xác định lượng ẩm bay hơi : W= 1 22 1 80 20 400 1200 100 100 80 G kg         Lượng vật liệu đưa vào là G11 =W+G2= 1200+400 = 1600kg Chia ẩm bốc hơi theo các giai đoạn như sau : W1= 720kg, W2= 360kg, W3= 120kg Giai đoạn I : W1= 720kg, 11 80%  Vì : 1 211 11 21100 W G      W1100-W1ω21=G11ω1-G11ω21 ω21= 11 1 1 11 1 100 1600.80 720.100 64% 1600 720 G W G W       Lượng vật liệu ra khỏi giai đoạn 1 là : G21=G1-W1= 1600-720=880 kg Các đại lượng trên được tính trung bình cho 1 h của giai đoạn 1là: W1h= 1 1 720 90 / 8 W kg h   G21h= 21 1 880 110 / 8 G kg h   Giai đoạn 2:W2= 360kg, G12= 880kg Độ ẩm vật liệu ra khỏi giai đoạn 2 là : 12 12 22 12 12 100 880.64 360.100 39% 880 360 G W G W        Lượng vật liệu ra khỏi giai đoạn 2 là : G22=G12-G2 = 880-360=520kg Các đại lượng tính toán trung bình cho 1h của giai đoạn 2 là : W2h= 2 2 360 45 / 8 W kg h   G22h= 22 2 520 65 / 8 G kg h   . Giai đoạn III : W3=120kg, G13=G22=520kg 0 83%  Tương tự như trên ta có độ ẩm của vật liệu ra khỏi giai đoạn III là ω23=ω2 được kiểm tra lại bằng công thức : 13 13 323 13 3 100 520.39 120.100 20,7% 520 120 G W G W        Lượng vật liệu ra khỏi giai đoạn 3 chính là lượng sản phẩm tức là: G23=G2= G13-W3 = 520-120 = 400kg. Các đại lượng tính trung bình cho 1 giờ của giai đoạn 3 là : 2 2 3 400 50 / 8h G G kg h   W3h= 3 3 120 15 / 8 W kg h   3.3 TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY LÝ THUYẾT : 1.Giai đoạn I Giai đoạn này năng suất bốc hơi ẩm lớn nhất , ẩm bốc hơi nhiều nên nhiệt độ môi chất ra khỏi buồng sấy thấp vì vậy không cần hồi lưu .Quá trình sấy được biểu diễn trên đồ thị I-d. Trạng thái không khí bên ngoài to= 25oC, 0 85%  Từ đó ta xác định được : d0=622. 0 0 0,85.0,03166 622 17,3 / 0,99333 0,85.0,03166 so so p kg kgkkk P P      Với Pso= 0,03166 bar. I0=t0+d0(r+Cpht0) kJ/kgkkk. t0 o t2 t1 d2d1 2 1 d I  %  =25+0,0173(2500+1,9.25) =69 kJ/kgkkk ρk0= 5 0 0 99333 0,85.0,03166.10 287(273 ) 287(273 25) sop p     =1,166 kg/m 3 Trạng thái không khí vào buồng sấy : Ta có : t11= 65 oC, ps1=0,25 bar , d11=d0= 17,3g/kgkkk Từ đó xác định được : I11=t1+d1(r+Cpht1) =65+0,0173(2500+1,9.65) =110,38 kJ/kgkkk 111 1 1 17,3.0,99333 0,1075 10,75% (622 ) (622 17,3)0,25s d p d p        ρk11= 5 31 1 1 (0,99333 0,1075.0,025).10 0,9963 / (273 ) 287(273 65) s k p p kg m R t     Trạng thái không khí ra khỏi buồng sấy Giai đoạn này là giai đoạn sấy tộc độ không đổi , nhiệt độ vật iệu không đổi và bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt , tức là:tm=tM1=const.Nhiệt độ và độ ẩm không khí vào buồng là t11=65oC, 11 10,75%  .Nhiệt độ nhiệt kế ướt tM1=32oC. Nhiệt độ vật liệu đưu vào buồng tm1=tM0 (tM0 là nhiệt độ nhiệt kế ướt ở điều kiện không khí bên ngoài , tM0=23oC). Như vậy , vật liệu vào được gia nhiệt từ tm1=23oC đến tm =32oC.Để đảm bảo việc truyền nhiệt tốt từ không khí đến vật liệu , ta chọn nhiệt độ khí ra khỏi buồng sấy t21=tm21+∆t(∆t=5-10ºC). Vậy t21=32+8=40oC, Ps2= 0,07375bar Các thông số còn lại được xác định như sau : d21= 21 21 21 110,38 40 0,02732 / 2500 1,9.40 pk ph g kgkkk r C tI C t     . φ21=   21 21 2 27,32.0,99333 56,6% 622 (622 27,32)*0,07375s d P d p    ρk21=   5 321 2 21 99333 0,591.0,07375.10 1,0593 / 287(273 40)273 s k P p kg m R t    . Tiêu hao không khí lý thuyết : l01= 21 11 100 1000 100 27,3 17,3d d     kg/kgẩm . L01=l01. W1=100.720= 72000kg= 9000kg/h V1=  1 01 k L = 39000 9033 / 0,9963 m h Vtb1=   21 01 5.0 kk L  = 39000 8756,56 / 0,5(0,9963 1,0593) m h 3 Tiêu hao nhiệt lý thuyết q01=l01(I1-I0)=100(110,38-69)= 4138kJ/kgẩm. Q01=q0. W1 =720.4138=2979360kJ Q01h= 372420kJ/h=103,45kW Cân bằng nhiệt lý thuyết của giai đoạn 1: Nhiệt đưa vào : Qv=Q5+Q0=Q01+Q0. ở đây Q0 là nhiệt do không khi đưa vào : Q0=G0L0=L01.I0=9000.69=621000kJ/h=4968000kJ Qv=2979360+4968000 =7947360kJ Nhiệt đưa ra khỏi hệ thống : QR=Q1+Q’2. ở đây : Q1 là nhiệt hữu ích : Q1=W[(r+Cpt2)-Cntm1 ] =  720 2500 1,9.40 4,18.23 1785499,2 223187, / 61,99 WkJ kJ h k       Q’2 là tổn thất nhiệt do khí thoát : Q’2=L01I’2 =L01 [t2+d0(r+Cpht2) ] =  9000 40 0,0173(2500 1,9.40) 761083, 2 / 6088665,6kJ h kJ    QR = 7874164,8kJ 73195, 2v rQ Q Q kJ    ∆Q% =0,92% Hiệu suất nhiệt của buồng sấy : ηs= 1 1785499,2 0,359 35,9% 4968000 s Q Q    2.Giai đoạn 2: _ Giai đoạn này nhiệt độ môi chất vào lớn hơn, năng suất bốc hơi ẩm nhỏ hơn nên nhiệt độ khí thoát lớn hơn, vì vậy cần hồi lưu để tiết kiệm nhiệt. Quá trình sấy lý thuyết giai đoạn này biểu diễn trên đồ thị I-d. _Trong giai đoạn 2 nhiệt độ môi chất sấy vào buồng sấy là t12=80 oC, tương ứng có Ps1=0,4738bar. Vì có hồi lưu nên độ ẩm tương đối của môi chất vào buồng sấy sẽ lớn hơn ở giai đoạn 1. Ta chọn độ ẩm tương đối của môi chất vào 12 20%  _Để tiện lợi cho việc điều chỉnh quạt gió, ta thiết kế sao cho lưu lượng khối lượng không khí ở cả 3 giai đoạn như nhau, tức là: L1= L2= L3 hay W1l1=W2l2=W3l3. Từ đó ta có: l2=l1 1 2 720 100 200 W 360 W   kg/kgẩm l3=l1 1 3 720 100 600 W 120 W   kg/kgẩm Các thông số của không khí vào buồng sấy được xác định như sau: 12 112 12 1 0,2.0,4738 622 65,6 / 0,99333 0,2.0,4738 s s p d g kgkkk p p      I12 = t12 + d12(r + Cpht12) = 80 + 65.6(2500 + 1.9*80) = 254 [ kJ/kgkkk]  27312 112 12   tR pp k s k  = 5(0.9933 0.2*0,4738)*10 0.887 287(80 273)   kg/m 3 Xác định các thông số môi chất ra khỏi buồng sấy : 2 121222 1000 l dddd  = 65.6 + 200 1000 = 70,6 g/kgkkk. 22 222 22 .9,11 2500. d dI t   = 3 3 10*6.70*9.11 10*2500*6.70254     = 68,33 oC. Từ t22 tra bảng hơi nước bão hoà được ps2 = 0,271   2222 22 22 622 pd pd  = 271.0)6.70622( 9933.0*6.70  = 0,3736 = 37,36 %  27322 222 2   t pp k s k   = )33.68273(287 )271.0*3736.09933.0(105   = 0,9122 Kg/m3 Xác định các thông số trạng thái sau hỗn hợp : Hệ số hồi nhiệt : 222 22 H oH oo b dd dd G L G G n   = 6.656.70 3.176.65   = 9,66 Nhiệt độ khí sau hỗn hợp : 1 2 2   n tnt t oH = 166.9 2533.68*66.9   = 64,26 , oC. Từ tH2 tra bảng hơi nước bão hoà được psH2 = 0,2435 bar . dH2 = d12 = 65.6 g/kgkkk. IH2 = tH2 + dH2(r + CphtH2) = 64,26 + 0,0656 (2500 + 1,9*64,26 ) = 236,27 , kJ/kgkkk .   22 2 2 622 sHH H H pd pd   = 2435.0)6.65622( 9933.0*6.65  = 0,389 = 38,9 %  2732 22 2   Hk sHH kH tR pp  = )26.64273(287 )2435.0*389.09933.0(105   = 0,928 , kg/m3 Tiêu hao không khí lí thuyết : L2 = l2.W2 = 200*360 = 72000 [ kg ] = 9000 [ kg/h].   2 1 21 2 12 kk L V    = 2 1 )9122.0887.0( 9000  = 10004 , m3/h Lưu lượng không khí mới bổ sung : n L Go 2 = 66.9 9000 = 931,68 kg/h . Tiêu hao nhiệt : q02 = l2(I12 – I0) = 200(254 - 236.27) = 3546 kJ/kg ẩm . Q02 = q02.W2 = 3546*360 = 1276560 , kJ . 2 02 02  Q Q h  = = 159570 , kJ/h = 44,32 kw Cân bằng nhiệt của hệ thống : Nhiệt đưa vào : Qv = Q02 + Q0 = 1276560 +514287.36 = 1790847kJ Q02 là nhiệt đua vào buồng sấy . Q0 là nhiệt do không khí mới đưa vào . Q0h = G0.I0 = 931.68*69 = 64285.92, kJ/h Q0 = Q0h .τ2 = 64285.92*8 = 514287.36 , kJ Nhiệt đưa ra khỏi hệ thống : 8 1276560 Qr = Q1 + Q’2 Q1 là nhiệt hữu ích : Q1 = W2[(r + Cpht42)-Cntm12] =360[(2500+1.9*64.26)- 4.18*32] = 895800 ,kJ 2 1 1  Q Q h  = 8 895800 = 111957 kj/h = 31,1 kW Q’2 là tổn thất nhiệt do khí thoát . Q’2h = G0I’2 = G0[tH2 + d0(r +CphtH2)] = 931.688 [64.26+0.0173(2500+1.9*64.26)] = 102112 kJ/h Q’2 = Q’2h .τ2 = 102112*8 = 816896 , kJ QR = Q1 + /2Q = 895800 + 816896 = 1712696 KJ Sai lệch : ΔQ = QR - Qv = 1790847-1712696 = 78151 kJ 100%  vQ Q Q = 100* 1712696 78151 = 4,5 % 3. Giại đoạn III : Xác định thông số vào buồng sấy : Ta chọn : t13=900 c, φ13 = 10% Từ t13 tra bảng hơi nước bão hoà được ps1 =0.7011 (bar) . Ta xác định thông số còn lại : 113 113 13 . . .622 s s pp p d    = 622* 7011.0*1.09933.0 7011.0*1.0  = 47,235, g/kgkkk. I13 = t13 + d13(r + Cpht13) = 90 + 0.047235 (2500 +1.9*90) = 216,16 , kJ/kgkkk .  27313 113 13   tR pp k s k  = )90273(287 7011.0*1.09933.0   = 0,886 , kg/m3 Trạng thái không khí ra khỏi buồng sấy : ddd  1323 = 47.235 + 600 1000 = 48,9 , g/kgkkk. 23 2323 23 1 2500. dC dI t ph  = 0489.0*9.11 2500*0489.06.216   = 86,32 oC   2323 23 23 622 pd pd   = 61.0)9.48622( 9933.0*9.48  = 0.1189 = 12% (tra bảng hơi nước bão hoà theo t23 ta được ps3 = 0.61(bar)  27323 323 23   tR pp k s k  = )27323.86(287 10*61.0*12.099333 5   = 0,892 , kg/m3 Xác định trạng thái môi chất sau hỗn hợp : Hệ số hối lưu : 323 33 H oH oo b dd dd G L G G n   = 235.479.48 3.17235.47   = 18 Nhiệt độ khí sau hỗn hợp ; 1 23 3   n tnt t oH = 118 2532.86*18   = 83,09 , oC. Entanpi của không khí sau hỗn hợp : dH3 = d13= 47.235 g/kgkkk IH3 = tH3 + dH3(r + CphtH3) = 83.09 + 0.047235(2500 + 1.9*83.09) = 208,6 , kJ/kgkkk . Độ ẩm tượng đối sau hỗn hợp :   33 3 3 622 sHH H H pd pd  = 536.0)235.47622( 9933.0*235.47  = 0.1308 = 13,08 % Khối lượng riêng :  2733 33 3   Hk sHH kH tR pp  = )27309.83(287 10*536.0*1308.09933 5   = 0,9034 , kg/m3 Xác định tiêu hao không khí : L03 = l03.W3 = 600*120 =72000 kg = 9000 kg/h 13 03 03 k L V  = 10158886.0 9000  m3/h Vtb= 303 13 10124 / k L m h  Tiêu hao nhiệt lí thuyết : q03 =l03(I13 –IH3) = 600(216.6 - 208.6) = 4536 kJ/kg ẩm Q03 = q03W3 = 4526 * 120 = 544320 kj = 68040 kj/h = 18,9 kw Cân bằng nhiệt lí thuyết của hệ thống : Nhiệt đưa vào : Qv = Q03 + Q0 = Ở đây Q0 là nhiệt do không khí đưa vào : Q0h = G0.L0 = 3450069 18 9000 0 3 I n L , kJ/h . Qo = Q0h * τ3 = 34500*8 = 276000 kJ Qv = Q03 + Qo = 544320 + 276000 = 820320 kJ Nhiệt đưa ra khỏi hệ thống : QR = Q1 + Q’2 Ở đây : Q1 là nhiệt hữu ích : Q1 = W3[(r + CphtH3)-Cntm13] = 120[(2500 + 1.9*83.09) – 4.18*48.6] = 294566 kJ Q’2 là tổn thất nhiệt do khí thoát Q’2h = G0I’2 = G0[tH3 + d0(r +CphtH3)] Go là lưu lượng khí bổ sung Go = 500 18 90003  n L kg/h Q’2h= 500 [83.09 + 0.0173(2500 + 1.9*83.09)] = 64536 kJ/h . Q’2 = Q’2h .τ3 = 264536*8 = 516288 kJ QR = 294566 + 516288 = 810854 kj Sai lệch : ΔQ = QR - Qv = 820320 – 810854 = 9466 kJ