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 s
ấy 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 v
à 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 ph
ù 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 : t
11
=65
0
C
- V
ật liệu có độ ẩm vào :ω
11
=80 %
- V
ật liệu có độ ẩm ra :ω
12

=64 %
 Giai đoạn 2:
- Thời gian sấy: τ = 8 h
- Nhiệt độ môi chất sấy vào : t
12
=80
0
C
- V
ật liệu có độ ẩm vào :ω
12
=64 %
- V
ật liệu có độ ẩm ra :ω
22

 Giai đoạn 3:
- Thời gian sấy: τ = 8 h
- Nhiệt độ môi chất sấy vào : t
13
=90
0
C
- V
ật liệu có độ ẩm vào :ω
22
- Vật liệu có độ ẩm ra :ω
23
-
Tốc độ môi chất sấy cả 3 giai đoạn là v= 2-3 m/s

- Trạng thái không khí bên ngoài t
0
=25
0
C,
3.2 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG S
Ố CỦA VẬT LIỆU :
Xác định lượng ẩm bay hơi :
W=
1 2
2
1
80 20
400 1200
100 100 80
G kg
 



 
 
Lượng vật liệu đưa vào là G
11
=W+G
2
= 1200+400 = 1600kg
Chia
ẩm bốc hơi theo các giai đoạn như sau :
W

1
= 720kg, W
2
= 360kg, W
3
= 120kg
Giai đoạn I : W
1
= 720kg,
11
80%


Vì :
1 21
1 11
21
100
W G
 




W
1
100-W
1
ω
21

=G
11
ω
1
-G
11
ω
21
ω
21
=
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 :
G
21
=G
1
-W
1

= 1600-720=880 kg
Các đại lượng trên được tính trung bình cho 1 h của giai đoạn 1là:
W
1h
=
1
1
720
90 /
8
W
kg h

 
G
21h
=
21
1
880
110 /
8
G
kg h

 
Giai đoạn 2:W
2
= 360kg, G
12

= 880kg
Độ ẩm vật liệu ra khỏi giai đoạn 2 là :

12 12 2
2
12 12
100 880.64 360.100
39%
880 360
G W
G W




  
 
Lượng vật liệu ra khỏi giai đoạn 2 là :
G
22
=G
12
-G
2
= 880-360=520kg
Các đại lượng tính toán trung bình cho 1h của giai đoạn 2 là :
W
2h
=
2

2
360
45 /
8
W
kg h

 
G
22h
=
22
2
520
65 /
8
G
kg h

  .
Giai đoạn III : W
3
=120kg, G
13
=G
22
=520kg
0
83%



Tương tự như trên ta có độ ẩm của vật liệu ra khỏi giai đoạn III là
ω
23
=ω
2
được kiểm tra lại bằng công thức :

13 13 3
23
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:
G
23
=G
2
= G
13

-W
3
= 520-120 = 400kg.
Các đại lượng tính trung bình cho 1 giờ của giai đoạn 3 là :
2
2
3
400
50 /
8
h
G
G kg h

  
W
3h
=
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 tr
ình sấy được biểu diễn trên đồ thị I-d.
Tr
ạng thái không khí bên ngoài t
o
= 25
o
C,
0
85%


Từ đó ta xác định được :
d
0
=622.
0
0
0,85.0,03166
622 17,3 /
0,99333 0,85.0,03166
so
so
p
kg kgkkk
P P


 

 
Với P
so
= 0,03166 bar.
I
0
=t
0
+d
0
(r+C
ph
t
0
) kJ/kgkkk.
t
0
o
t
2
t
1
d
2
d
1
2
1
d
I


%


=25+0,0173(2500+1,9.25)
=69 kJ/kgkkk
ρ
k0
=
5
0
0
99333 0,85.0,03166.10
287(273 ) 287(273 25)
so
p p





 
=1,166 kg/m
3
Trạng thái không khí vào buồng sấy :
Ta có : t
11
= 65
o
C, p

s1
=0,25 bar , d
11
=d
0
= 17,3g/kgkkk
T
ừ đó xác định được :
I
11
=t
1
+d
1
(r+C
ph
t
1
)
=65+0,0173(2500+1,9.65)
=110,38 kJ/kgkkk

1
11
1 1
17,3.0,99333
0,1075 10,75%
(622 ) (622 17,3)0,25
s
d p

d p

   
 
ρ
k11
=
5
3
1 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 v
à bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt , tức là:t
m
=t

M1
=const.Nhiệt
độ và độ ẩm không khí v
ào buồng là t
11
=65
o
C,
11
10,75%

 .Nhiệt độ
nhiệt kế ướt t
M1
=32
o
C.
Nhi
ệt độ vật liệu đưu vào buồng t
m1
=t
M0
(t
M0
là nhiệt độ nhiệt kế
ướt ở điều kiện không khí b
ên ngoài , t
M0
=23
o

C). Như vậy , vật
liệu vào được gia nhiệt từ t
m1
=23
o
C đến t
m
=32
o
C.Để đảm bảo việc
truyền nhiệt tốt từ không khí đến vật liệu , ta chọn nhiệt độ khí ra
khỏi buồng sấy t
21
=t
m21
+∆t(∆t=5-10ºC).
V
ậy t
21
=32+8=40
o
C, P
s2
= 0,07375bar
Các thông s
ố còn lại được xác định như sau :
d
21
=
21

21
21
110,38 40
0,02732 /
2500 1,9.40
pk
ph
g kgkkk
r
C t
I
C t


 
 
.

φ
21
=
 
21
21 2
27,32.0,99333
56,6%
622 (622 27,32)*0,07375
s
d P
d p

 
 
ρ
k21
=
 
5
3
21 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 :
l

01
=
21 11
100 1000
100
27,3 17,3d d
 
 
kg/kgẩm .
L
01
=l
01
. W
1
=100.720= 72000kg= 9000kg/h
V
1
=

1
01
k
L
=
3
9000
9033 /
0,9963
m h


V
tb1
=
 

21
01
5.0
kk
L

=
3
9000
8756,56 /
0,5(0,9963 1,0593)
m h


3
Tiêu hao nhiệt lý thuyết
q
01
=l
01
(I
1
-I
0

)=100(110,38-69)= 4138kJ/kgẩm.
Q
01
=q
0
. W
1
=720.4138=2979360kJ
Q
01h
= 372420kJ/h=103,45kW

Cân bằng nhiệt lý thuyết của giai đoạn 1:
Nhi
ệt đưa vào :
Q
v
=Q
5
+Q
0
=Q
01
+Q
0
.
ở đây Q
0
là nhiệt do không khi đưa vào :
Q

0
=G
0
L
0
=L
01
.I
0
=9000.69=621000kJ/h=4968000kJ
Q
v
=2979360+4968000 =7947360kJ
Nhi
ệt đưa ra khỏi hệ thống :
Q
R
=Q
1
+Q’
2
.
ở đây :
Q
1
là nhiệt hữu ích :
Q
1
=W[(r+C
p

t
2
)-C
n
t
m1
]

=


720 2500 1,9.40 4,18.23 1785499,2 223187, / 61,
99 W
kJ kJ h k
 
    
 
Q’
2
là tổn thất nhiệt do khí thoát :
Q’
2
=L
01
I’
2
=L
01
[t
2

+d
0
(r+C
ph
t
2
) ]
=


9000 40 0,0173(2500 1,9.40) 761083,2 / 6088665
,6
kJ h kJ
   
Q
R
= 7874164,8kJ

73195, 2
v r
Q Q Q kJ
   
∆Q% =0,92%
Hiệu suất nhiệt của buồng sấy :
η
s
=
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, v
ì 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
t
12
=80
o
C, tương ứng có P
s1
=0,4738bar. Vì có hồi lưu nên độ ẩm
tương đối của môi chất v
ào 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 l
à: L
1

=
L
2
= L
3
hay W
1
l
1
=W
2
l
2
=W
3
l
3.
Từ đó ta có:
l
2
=l
1
1
2
720
100 200
W 360
W
  kg/kgẩm
l

3
=l
1
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 1
12
12 1
0,2.0,4738
622 65,6 /
0,99333 0,2.0,4738
s
s
p
d g kgkkk
p p


  
 
I
12
= t

12
+ d
12
(r + C
ph
t
12
) = 80 + 65.6(2500 + 1.9*80) = 254 [
kJ/kgkkk]

 
273
12
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
.
1
1
10*2500*6.70254




= 68,33
o
C.
T
ừ t
22
tra bảng hơi nước bão hoà được p
s2
= 0,271

 
2222
22
22
622 pd

pd



=
271.0)6.70622(
9933.0*6.70

= 0,3736 = 37,36 %

 
273
22
222
2



t
pp
k
s
k



=
)33.68273(287
)271.0*3736.09933.0(10
5



= 0,9122 Kg/m
3
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
.
65
6
.
70
3.176.65



= 9,66
Nhi
ệt độ khí sau hỗn hợp :
1
2
2



n
tnt
t
o
H
=
1
66
.
9
2533.68*66.9


= 64,26 ,
o
C.
T
ừ t
H2
tra bảng hơi nước bão hoà được p

sH2
= 0,2435 bar .
d
H2
= d
12
= 65.6 g/kgkkk.
I
H2
= t
H2
+ d
H2
(r + C
ph
t
H2
)
= 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 %

 
273
2
22
2



Hk
sHH
kH
tR
pp


=
)26.64273(287
)2435.0*389.09933.0(10
5



= 0,928 , kg/m
3
Tiêu hao không khí lí thuyết :
L
2
= l
2
.W
2
= 200*360 = 72000 [ kg ] = 9000 [ kg/h].
 
2
1
21
2
12
kk
L
V



=
2
1
)9122.0887.0(
9000

= 10004 , m

3
/h
Lưu lượng không khí mới bổ sung :
n
L
G
o
2
 =
66
.
9
9000
= 931,68 kg/h .
Tiêu hao nhi
ệt :
q
02
= l
2
(I
12
– I
0
) = 200(254 - 236.27) = 3546 kJ/kg ẩm .
Q
02
= q
02
.W

2
= 3546*360 = 1276560 , kJ .
2
02
02

Q
Q
h
 = = 159570 , kJ/h = 44,32 kw
Cân b
ằng nhiệt của hệ thống :
Nhiệt đưa vào :
Q
v
= Q
02
+ Q
0
= 1276560 +514287.36 = 1790847kJ
Q
02
là nhiệt đua vào buồng sấy .
Q
0
là nhiệt do không khí mới đưa vào .
Q
0h
= G
0

.I
0
= 931.68*69 = 64285.92, kJ/h
Q
0
= Q
0h
.τ
2
= 64285.92*8 = 514287.36 , kJ
Nhi
ệt đưa ra khỏi hệ thống :
8
1276560
Q
r
= Q
1
+ Q’
2
Q
1
là nhiệt hữu ích :
Q
1
= W
2
[(r + C
ph
t

42
)-C
n
t
m12
] =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
= G
0
I’
2
= G
0

[t
H2
+ d
0
(r +C
ph
t
H2
)]
= 931.688 [64.26+0.0173(2500+1.9*64.26)] =
102112 kJ/h
Q’
2
= Q’
2h
.τ
2
= 102112*8 = 816896 , kJ
Q
R
= Q
1
+
/
2
Q = 895800 + 816896 = 1712696 KJ
Sai l
ệch : ΔQ = Q
R
- Q

v
= 1790847-1712696 = 78151 kJ
100% 


v
Q
Q
Q
= 100*
1712696
78151
= 4,5 %
3. Gi
ại đoạn III :
Xác định thông số vào buồng sấy :
Ta chọn : t
13
=90
0
c, φ
13
= 10%
T
ừ t
13
tra bảng hơi nước bão hoà được p
s1
=0.7011 (bar) .
Ta xác định thông số còn lại :

113
113
13
.
.
.622
s
s
pp
p
d




= 622*
7011
.
0
*
1
.
0
9933
.
0
7011.0*1.0

= 47,235, g/kgkkk.
I

13
= t
13
+ d
13
(r + C
ph
t
13
) = 90 + 0.047235 (2500 +1.9*90) = 216,16
, kJ/kgkkk .
 
273
13
113
13



tR
pp
k
s
k


=
)90273(287
7011.0*1.09933.0



= 0,886 , kg/m
3
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
.
1
1

2500*0489.06.216


= 86,32
o
C
 
2323
23
23
622 pd
pd



=
61.0)9.48622(
9933.0*9.48

= 0.1189 = 12%
(tra b
ảng hơi nước bão hoà theo t
23
ta được p
s3
= 0.61(bar)
 
273
23
323

23



tR
pp
k
s
k


=
)27323.86(287
10*61.0*12.099333
5


= 0,892 , kg/m
3
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
.
47
9
.
48
3.17235.47


= 18
Nhi
ệt độ khí sau hỗn hợp ;
1
23
3



n
tnt
t
o
H

=
1
18
2532.86*18


= 83,09 ,
o
C.
Entanpi c
ủa không khí sau hỗn hợp :
d
H3
= d
13
= 47.235 g/kgkkk
I
H3
= t
H3
+ d
H3
(r + C
ph
t
H3
) = 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 %
Kh
ối lượng riêng :
 
273
3
33
3



Hk
sHH
kH

tR
pp


=
)27309.83(287
10*536.0*1308.09933
5


= 0,9034 , kg/m
3
Xác định tiêu hao không khí :
L
03
= l
03
.W
3
= 600*120 =72000 kg = 9000 kg/h
13
03
03
k
L
V

 = 10158
886
.

0
9000
 m
3
/h
V
tb
=
3
03
13
10124 /
k
L
m h


Tiêu hao nhiệt lí thuyết :
q
03
=l
03
(I
13
–I
H3
) = 600(216.6 - 208.6) = 4536 kJ/kg ẩm
Q
03
= q

03
W
3
= 4526 * 120 = 544320 kj = 68040 kj/h = 18,9 kw
Cân b
ằng nhiệt lí thuyết của hệ thống :
Nhiệt đưa vào :
Q
v
= Q
03
+ Q
0
=
Ở đây Q
0
là nhiệt do không khí đưa vào :
Q
0h
= G
0
.L
0
= 3450069
18
9000
0
3
I
n

L
, kJ/h .
Q
o
= Q
0h
* τ
3
= 34500*8 = 276000 kJ
Q
v
= Q
03
+ Q
o
= 544320 + 276000 = 820320 kJ
Nhi
ệt đưa ra khỏi hệ thống :
Q
R
= Q
1
+ Q’
2

Ở đây :
Q
1
là nhiệt hữu ích :
Q

1
= W
3
[(r + C
ph
t
H3
)-C
n
t
m13
] = 120[(2500 + 1.9*83.09) –
4.18*48.6] = 294566 kJ
Q’
2
là tổn thất nhiệt do khí thoát
Q’
2h
= G
0
I’
2
= G
0
[t
H3
+ d
0
(r +C
ph

t
H3
)]
G
o
là lưu lượng khí bổ sung
G
o
=
500
18
9000
3

n
L
kg/h
Q’
2h
= 500 [83.09 + 0.0173(2500 + 1.9*83.09)] = 64536 kJ/h .
Q’
2
= Q’
2h
.τ
3
= 264536*8 = 516288 kJ
Q
R
= 294566 + 516288 = 810854 kj

Sai l
ệch : ΔQ = Q
R
- Q
v
= 820320 – 810854 = 9466 kJ