Tính toán thiết kế thiết bị sấy

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
Mục lục
1 MỞ ĐẦU.................................................................................................................................2
1.1 Giới thiệu sơ lược về mít..................................................................................................2
1.2 Giới thiệu sơ lược về bơm nhiệt.......................................................................................2
1.3 Phương pháp thực hiện quá trình công nghệ:..................................................................2
2 PHẦN TÍNH TÓAN................................................................................................................4
2.1 Tính cân bằng vật chất và năng lượng.............................................................................4
2.1.1 Các thông số của không khí ngòai trời.....................................................................4
2.1.2 Các thông số của mít.................................................................................................4
2.1.3 Các thông số của buồng sấy:.....................................................................................5
2.1.4 Tính tóan quá trình sấy lý thuyết:.............................................................................5
2.1.5 Tính tóan quá trình sấy thực:.....................................................................................7
2.2 Tính chọn máy nén.........................................................................................................10
2.3 Tính tóan thiết bò bốc hơi...............................................................................................11
2.4 Tính tóan thiết bò ngưng tụ trong....................................................................................15
2.5 Tính tóan thiết bò ngưng tụ ngòai...................................................................................18
2.6 Tính chọn quạt ly tâm.....................................................................................................22
2.7 Tính chọn quạt hướng trục..............................................................................................23
2.8 Tính sơ bộ giá thành.......................................................................................................23
3 KẾT LUẬN & ĐÁNH GIÁ...................................................................................................24
4 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................25
Trang 1
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
1 MỞ ĐẦU
1.1 Giới thiệu sơ lược về mít
Mít -Artocarpus heterophyllus- thuộc họ Dâu tằm- Moraceae. Cây gỗ cao 12m tới 20m.
Lá hình trái xoan nguyên hay chia thùy về 1 phía, dài 10-20cm. Cụm hoa đực (dái Mít) và
cái đính trên thân cây hoặc trên các cành già. Quả to hình trái xoan hay thuôn, dài tới 60
cm, nặng tới 20-30kg hay hơn nữa. Quả mít chín có màu lục vàng, là 1 lọai quả kép gồm
nhiều quả bế mang bởi 1 bao hoa nạc trên 1 đế hoa chung. Mỗi hốc là 1 hạt (thực ra là quả

bế) bao bởi 1 lớp nạc mềm màu vàng ( tức là bao hoa).
Mít có nguồn gốc ở miền Nam n Độ và Malaysia, hiện được trồng khắp nước ta, trong
các vườn gia đình, quanh khu dân cư, trên nương rẫy.
Nhân dân ta dùng quả mít còn non để ăn luộc, xào, nấu canh, hoặc muối dưa chua; xơ mít
tham gia vào thành phần 1 lọai dưa gọi là nhút (có vùng làm nhút nổi tiếng như Thanh
Chương ở Nghệ An); xơ mít chín cũng dùng muối nén ăn được như dưa chua. Quả mít chín
có các muối mít to, thơm ngọt dùng để ăn tươi, chế nước sinh tố, ăn luộc hoặc phơi khô làm
rau ăn hoặc làm mứt khô hay ngâm trong xirô để tráng miệng. Người ta xác đònh thành phần
chủ yếu trong phần ăn được của mít: nước 72.3%; protein 1.7%; lipid 0.3%; đường tổng số
23.7%. Trong 100 gam ăn được có: Ca 27g; P 38mg; Fe 0.6mg; Na 2 mg; K 407 mg; và các
vitamin: tương đương caroten 235 UI; B1 0.09mg; B2 0.11mg; P 0.7 mg; C 9 mg. Cứ 100 g
mít sẽ cung cấp cho cơ thể 94 calo.
Hạt mít cũng ăn được, có thể luộc, nướng hay rang chín, phơi khô làm bột hoặc ghế với
cơm; bột này có khi được trộn với bột đậu tương để làm đậu phụ. Lá mít dùng để nuôi gia
súc có tác dụng kích thích sự tiết sữa.
1.2 Giới thiệu sơ lược về bơm nhiệt
Năm 1852, Thomson (Lord Kelvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên của thế giới. Song
song với kỹ thuật lạnh, bơm nhiệt có bước phát triển riêng của mình. Ngày nay bơm nhiệt
đã trở nên quen thuộc và được ứng dụng trong các ngành kinh tế sử dụng nguồn nhiệt nhiệt
độ thấp như:
- Công nghệ sấy và hút ẩm
- Công nghệ chưng cất, tách chất
- Các quá trình thu hồi nhiệt thải
- Công nghệ thực phẩm
1.3 Phương pháp thực hiện quá trình công nghệ:
Trang 2
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
Ta sẽ thiết kế hệ thống sấy mít sử dụng bơm nhiệt, năng suất sản phẩm 50kg/mẻ.
Mít nguyên liệu trước khi đem vô buồng sấy đã được chần sơ, nhiệt độ của mít lúc đưa
vào buồng sấy là 35

o
C.
Sau khi mít được đặt trên các khay đưa vào buồng sấy thì cửa buồng sẽ đóng kín, không
khí trong buồng sẽ đi qua bộ xử lý không khí (gồm thiết bò bốc hơi, thiết bò ngưng tụ, quạt ly
tâm), không khí sẽ lần lượt được làm lạnh tách ẩm (trong thiết bò bốc hơi)rồi được đun nóng(
trong thiết bò ngưng tụ), sau đó nhờ quạt ly tâm đưa vào buồng sấy. Không khí sau khi qua
buồng sấy sẽ lại được đưa vào bộ xử lý không khí, rồi lại vào buồng sấy.
Không khí trước khi vào buồng sấy có nhiệt độ 41
o
C, độ ẩm tương đối 60%. Không khí ra
khỏi buồng sấy có nhiệt độ 34
o
C, độ ẩm tương đối 96,4%.

Trang 3
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
2 PHẦN TÍNH TÓAN
2.1 Tính cân bằng vật chất và năng lượng
2.1.1 Các thông số của không khí ngòai trời
Độ ẩm tương đối:

ϕ
= 80%
Nhiệt độ:
t
o
= 27
o
C
p suất hơi bão hòa:

4026.42
exp 12
235.5 ( )
b
o
P
t C
 
= −
 ÷
+
 
=
4026.42
exp 12
235.5 27
 
−
 ÷
+
 
(theo [8] công thức 2.31)
=0.0355 (bar) =26.613(mmHg)
p suất riêng phần của hơi nước
P = P
b
.
ϕ
=0.035x0.8=0.0284 (bar) =21.291(mmHg)
p suất không khí:

B=0.993 (bar)=745(mmHg)
2.1.2 Các thông số của mít
Nhiệt độ vào của mít : t
v1
=35(
o
C)
Nhiệt dung riêng : C=1360.6 (j/kg độ)
f = 1.38(m
2
/kg vật liệu khô)
Kích thước 1 múi: 5.5x3x1 (cm)
G
2
(năng suất): 50kg/mẻ
Độ ẩm tuyệt đối ban đầu W
1
:257%
Độ ẩm tuyệt đối của sản phẩm W
2
:40%
Độ ẩm tuyệt đối cân bằng W
cb
:15%
Khối lượng vật liệu khô:
2
2
.100
100
o

G
G
W
=
+
= (50x100)/(100+40)=35.714 (kg/mẻ)
Số múi/kg vật liệu khô: N*= 276 (múi/kg vật liệu khô)
Số múi mít ứng với G
2
:
N’= NxG
o
=276x35.714=9857.06
≈
9858 (múi) (làm tròn lên)
Diện tích 1 múi chiếm chỗ trên khay:
s’=(5.5+0.2)x(3+0.2)/10000 =0.001824 (m
2
)
Trang 4
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
Khối lượng ẩm còn lại trong vật liệu sau khi sấy:
G
a2
= G
2
– G
o
=50-35.714=14.286 (kg/mẻ)
Khối lượng mít trước khi sấy:

1
1
(1 )
100
o
W
G G= +
=35.714x(1+275/100)=127.500(kg/mẻ)
Khối lượng ẩm trong mít trước khi sấy:
G
a1
= W
1
. G
o
/100 =275x35.714/100= 91.786 (kg/mẻ)
Lượng ẩm tách ra:
1 2a a a
G G G∆ = −
=91.786 -14.286=77.500 (kg/mẻ)
2.1.3 Các thông số của buồng sấy:
*Khay:
Kích thước 1 khay: chiều dài L
k
=1(m) , chiều rộng W
k
=1(m), chiều cao H
k
=0.04 (m)
Diện tích bề mặt 1 khay: S= 1 (m

2
)
Số múi trên 1 khay :
N” = S/s’ = 548.25
≈
549(múi/khay) (làm tròn lên)
Số khay cần:
n= N’/N” =9858/549=17.956
≈
18(khay)
*Buồng sấy:
Tường buồng sấy làm bằng gạch đỏ dày 0.25m có hệ số dẫn nhiệt 0.7W/m
2
K.
Chiều dài buồng sấy L
b
=1.3(m)
Chiều rộng buồng sấy W
b
=1.5(m)
Chiều cao buồng sấy H
b
= 1.4(m)
Chiều cao 1 múi mít
m
δ
=0.01(m)
Chiều cao 18 lớp mít:
H
m

=
m
δ
.n =0.01x18= 0.18(m)
Chiều cao của 18 khay:
H’
k
= n.H
k
= 18x0.04= 0.72(m)
Khỏang cách từ sàn buồng sấy cho tới tấm che phía trên khay thứ 18: H’
b
=0.9(m)
Diện tích tự do cho tác nhân sấy đi qua:
F
td
=L
b
.H’
b
– L
k
.H
m
=1.3x0.9-1x0.18=0.99 (m
2
)
Diện tích nền :
F
n

= L
b
.W
b
= 1.3x1.5 = 1.95(m
2
)
Diện tích 4 tường xung quanh:
F
t
= 2( L
b
.H
b
+ W
b
.H
b
) =2(1.3x1.4+1.5x1.4)=7.84(m
2
)
2.1.4 Tính tóan quá trình sấy lý thuyết:
Chọn vận tốc của tác nhân sấy v=1.800 (m/s)
t
1
: 41(
o
C)
Trang 5
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB

ϕ
1
:60%
p suất hơi bão hòa của tác nhân sấy vào buồng sấy:
1
4026.42
exp 12
235.5 41
b
P
 
= −
 ÷
+
 
= 0.077 (bar)
Hàm ẩm của tác nhân sấy vào buồng sấy:
1 1
1
1 1
0.622
b
b
P
d
B P
ϕ
ϕ
=
−

= 0.622x0.6x0.077/(0.993-0.6x0.077)=0.030
(kg ẩm /kg không khí khô) (theo[7] công thức 1.6)
Entalpy của tác nhân sấy vào buồng sấy:
I
1
= [t
1
+d(2500+1.842t
1
)].1000=[41+0.03(2500+1.842x41)]= 119174.991
(j/kg không khí khô) (theo [7] công thức 1.15)
Khối lượng riêng của không khí vào buồng sấy:
1
. 0.378 .
1
o o b
T P
T B
ρ ϕ
ρ
 
= −
 ÷
 
=[1.293x273/(273+41)](1-0.378x0.6x0.077/0.993)= 1.104 (kg/m
3
)
(theo [7] công thức 1.11)
Trong đó
o

ρ
= 1.293 (kg/m
3
)
T
o
= 273(
o
C)
B = 0.993(bar)

Chọn nhiệt độ tác nhân sấy khi ra khỏi buồng sấy t
2
=34(
o
C)
P
b2
=
4026.42
exp 12
235.5 34
 
−
 ÷
+
 
= 0.053 (bar)
I
2

=I
1
= 119174.991 (j/kg không khí khô)
d
2
=
2 2
2
/1000
2500 1.842
I t
t
−
+
=(119174.991/1000-34)/(2500+1.842+34)= 0.033
(kg ẩm / kg không khí khô)
ϕ
2
2
2 2
.100%
(0.622 )
b
Bd
P d
=
+
= 0.993x0.033/[0.053x(0.622+0.033)]=95.336%
(theo [8] công thức 2.19)
Giá trò

ϕ
2
khá phù hợp do đó ta sẽ lấy nhiệt độ t
2
= 34
o
C như đã chọn lúc trước.
ρ
2

. 0.378 .
1
o o b
T P
T B
ρ ϕ
 
= −
 ÷
 
=[1.293x273/(273+34)](1-0.378x0.953x0.053/0.993)
= 1.128 (kg/m
3
)
Khối lượng riêng trung bình của tác nhân sấy trong buồng sấy:
ρ
=(
1
ρ
+

ρ
2
)/2=(1.104+1.128)/2=1.116 (kg/m
3
)
Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1 kg ẩm:
2 1
1
o
l
d d
=
−
=1/(0.033-0.03)=346.705 (kg không khí khô/ kg ẩm)
(theo [8] công thức 7.14)
Lượng không khí khô cần thiết trong 1 giờ:
L
o
= l
o
.W =346.705x26869.661 (kg không khí khô/h) (theo [8] công thức 7.14)
Trang 6
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
Hệ số trao đổi ẩm:
0.0229 0.0174v
p
α
= +
=0.0229+0.0174x1.8=0.054 (kg/m
2

.h.mmHg)
=40.668 (kg/m
2
.h.bar) (theo [7] công thức 5.64)
Cường độ sấy:
J
m
=
p
α
(P
m
– P) =40.668(0.065-0.048)=0.678 (kg/m
2
h) (theo [7] công thức 5.52)
Trong đó
P
m
=(P
b1
+ P
b2
)/2: áp suất hơi trên bề mặt vật liệu sấy(tính 1 cách gần đúng)
P =(P
1
+ P
2
)/2

: áp suất hơi trong tác nhân sấy

Tốc độ sấy đẳng tốc :
N = 100J
m
f =100x0.678x1.38= 93.504 (%/h) (theo [7] công thức 5.63)
Hệ số sấy tương đối:
1
1.8
W
χ
=
= 1.8/257=0.007 (theo [8] công thức 5.25)
Độ ẩm tới hạn:
1
th cb
W W
χ
= +
=1/0.007+15=182.778(%) (theo [7] công thức 3.36)
Thời gian sấy đẳng tốc:
1
τ
=
(W
1
– W
th
)/N =(257-182.778)/93.504= 0.794 (h) (theo [7] công thức 5.67)
Thời gian sấy giảm tốc:
2
2

2.3
( )lg
th cb
th cb
cb
W W
W W
N W W
τ
 
−
= −
 ÷
−
 
=
2.3 182.778 15
(182.778 15)lg
93.504 40 15
−
 
−
 ÷
−
 
=2.904(h)
(theo [7] công thức 3.44)
Thời gian sấy tổng cộng:
1 2
τ τ τ

= +
=3.698 (h)
Lượng ẩm thóat ra trong 1 giờ:
W=
∆
G/
τ
=77.5/3.698=20.957(kg/h)
2.1.5 Tính tóan quá trình sấy thực:
*Tổn thất qua kết cấu bao che:
Tường buồng sấy làm bằng gạch đỏ dày 0.25m có hệ số dẫn nhiệt 0.7W/m
2
K.
Giả thiết nhiệt độ bề mặt trong của tường là t
w1
=33.924 (
o
C)
Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy trong buồng sấy:
t
f1
=(t
1
+t
2
)/2=(41+34)/2=37.5(
o
C)
Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt đối lưu giữa tác nhân sấy và mặt trong của tường:
q

1
= 1.715(t
f1
– t
w1
)
1.333

=1.715(37.5-33.924)
1.333
= 9.374 (W/m
2
)
(theo [8] công thức 7.50)
Mật độ dòng nhiệt do dẫn nhiệt:
2 1 2
( )
w w
q t t
λ
δ
= −
=0.25(33.924 – t
w2
)/0.25 (theo [8] công thức 7.43)
Với q
1
= q
2
nên có được t

w2
= 30.576 (
o
C)
Mật độ dòng nhiệt do trao đổi nhiệt đối lưu giữa mặt ngòai của tường với không khí xung
quanh:
Trang 7
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
q
3
= 1.715(t
w2
– t
f2
)
1.333
=1.715(30.576-27)
1.333
= 9.374 (W/m
2
)
(t
f2
là nhiệt độ môi trường xung quanh t
f2
=27
o
C)
Kiểm tra lại điều kiện q
3

= q
1
nên giá trò t
w1
= 33.924
o
C chọn ban đầu là chính xác.
Tổn thất ra môi trường xung quanh:
Q
t
= 3600.q
1
.F
t
= 3600x9.374x7.84=264582.776 (J/h)
Tổn thất qua nền:
Q
n
= 3600.q
n
.F
n
=3600x33.375x1.95= 234292.5 (j/h)
Trong đó q
n
= 33.375(W/m
2
) (giả sử buồng sấy xây cách tường nhà 1m)
(theo [8] bảng 7.1 trang142)
Tổng tổn thất qua kết cấu bao che:

Q
bc
= Q
t
+ Q
n
=264582.776+234292.5= 498875.276 (J/h)
q
bc
= Q
bc
/

W=498875.276/20.957 =11178.021(J/kg ẩm)
*Tổn thất do vật liệu sấy mang đi:
Chọn nhiệt độ ra của mít là t
v2
=36(
o
C)
Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi:
Q
v
=G
2
C
v
(t
v2
– t

v1
)/
τ
=50x1360.6(36-35)/ 3.698 = 18398.916 (J/h)
q
v
= Q
v
/W =18398.916/20.957= 877.806 (J/kg ẩm)
*Tính
∆
∆
= C
a
t
v1
- q
bc
-q
v
= 4180x35 - 11178.021 - 887.806 = 134234.173(J/kg ẩm)
(theo [8] công thức 7.20)
*Tính tóan lưu lượng tác nhân sấy:
i
2
=1000(1.842t
2
+2500) =1000(1.842x34+2500) = 2562628 (J/kg ẩm)
C
dx

(d1) = 1000(C
pk
+ C
pa
d
1
) =1000(1+1.842x 0.03) = 1055.910 (j/kgđộ)
(theo [8] trang173)

1 1 2
2 1
2
( )( )
dx
C d t t
d d
i
−
= +
− ∆
=0.03+1055.91(41-34)/(2562628-134234.173)= 0.033
(kg ẩm/ kg không khí khô)
I
2
=[t
2
+d(2500+1.842t
2
)].1000 =[34+0.033(2500+1.842x34)].1000=119583.595
(J/kg không khí khô)

2
ϕ
2
2 2
.100%
(0.622 )
b
Bd
P d
=
+
=0.993x0.033x100%/(0.053(0.622+0.033))=96.421(%)
2 1
1
l
d d
=
−
=1/(0.033-0.03)=328.543(kgkhông khí khô/kg ẩm)
L =lW =328.543x20.957 =6886.297 (kgkhông khí khô/h)
Khối lượng riêng của không khí khô ở nhiệt độ trung bình trong buồng sấy:
'
o o
T
T
ρ
ρ
=
=1.293x273/310.5=1.286 (kgkhông khí khô/m

3
)
T
: nhiệt độ trung bình trong buồng sấy (
o
K)
Khối lượng ẩm ứng với 1 m
3
không khí khô (ở nhiệt độ trung bình trong buồng sấy):
Trang 8
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
1 2
'.( )/ 2d d
ρ
+
=
'
ρ
d =1.286x0.0315=0.041 (kg ẩm/m
3
không khí khô)
d =(0.03+0.033)/2=0.0315(kg ẩm/kg không khí khô)
Lưu lượng không khí khô qua buồng sấy:
V=L/
'
ρ
=6886.297/1.286=5355.092 (m
3
không khí khô/h)
Lưu lượng không khí ẩm qua buồng sấy:

V’=(L + V
'.d
ρ
)/
ρ
=(6886.297+5355.092x1.286x0.0315)/1.116
=6366.855 (m
3
không khí /h) = 1.769 (m
3
không khí/s)
Tốc độ của tác nhân sấy:
v’ = V’/F
td
= 1.769/0.99=1.786(m/s)
Sai số của giá trò v chọn ban đầu:
v-v'
v= .100%
v'
∆
=(1.8-1.786)x100%/1.786=0.759(%)
Vậy giá trò v đã chọn ban đầu có thể xem là hợp lý.
*Biểu diễn quá trình sấy trên đồ thò I-d
+ A:(1)
I
A
=I
1
= 119174.991 (J/kg không khí khô)
t

A
= 41(
o
C)
+ B: (2)
d
B
=0.033 (kg ẩm/kg khơng khí khơ)
I
B
= I
2
= 119583.595 (J/kg không khí khô)
t
B
= 34(
o
C)
+ C : (3)
d
C
= d
B
= d
2
= 0.033(kg ẩm/kg không khí khô)
P
bC

0.622

c
c
Bd
d
=
+
= 0.993x0.033/(0.622+0.033)=0.051(bar)
t
C
=(4026.42/(12-ln(P
bC
))-235.5=(4026.42/(12-ln(0.051)))-235.5=33.223(
o
C)
Trang 9
d(kg ẩm/kg không khí khô)
I
(kJ/kg
không
khí
khô)
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QTTB
I
C
=[t
C
+d
C
(2500+1.842t
C

)]1000=[33.223+0.033(2500+1.842)]1000=118758.486
(J/kg không khí khô)
+ D: (4)
d
D
= d
A
= d
1
=0.030(kg ẩm /kg không khí khô)
P
bD

0.622
D
D
Bd
d
=
+
=0.993x0.03/(0.622+0.03)=0.046(bar)
t
D
=(4026.42/(12-ln(P
bD
))-235.5=(4026.42/(12-ln(0.046)))-235.5=31.629(
o
C)
I
D

=[t
D
+d
D
(2500+1.842t
D
)]1000= [31.629 +0.03(2500+1.842x31.629)]1000
= 109280.411(J/kg không khí khô)
2.2 Tính chọn máy nén
P(bar)
h(kj/kg)
Điểm t (
0
C) P (bar) H (kJ/kg) v (dm
3
/kg) s(kJ/kg)
1 3 5.487 705.38
1' 6 5.487 707.6 43.77 1.752
2 68.1 17.266 736.77 1.752
3 45 17.266 716.3
4 45 17.266 555.97
5 3 5.487 555.97
q
o
= h
1
– h
5
=705.38-555.97= 149410 (j/kg)
Lượng hơi thực tế hút vào xylanh:

G =Q/q
o
=23000/149410 =0.154(kg/s) (theo
[5] trang102)
Lấy Q=23(KW)
Thể tích hơi thực tế hút vào xylanh:
Trang 10