Tính toán, thiết kế hệ thống sấy nho bằng phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC
BỘ MƠN Q TRÌNH & THIẾT BỊ

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT HÓA HỌC
Đề tài:

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY NHO
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY LẠNH SỬ DỤNG
BƠM NHIỆT

Lớp: HC16KTMB
GVHD: PGS.TS. Trịnh Văn Dũng
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2020


MỤC LỤC

2


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nguyên liệu
Nho là một trong những loại trái cây được ưa chuộng và phổ biến nhất hiện nay,
được nuôi trồng ở hơn 100 quốc gia trên thế giới. Theo số liệu của Tổ chức Lương
thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO) thì sản lượng nho trên tồn thế giới đã

đạt 7,7 tỷ tấn vào năm 2013. Trong đó, những nước có diện tích trồng lớn nhất có thể
kể đến như Tây Ban Nha, Pháp, Ý,… Nho có hàm lượng dinh dưỡng cao, rất tốt cho
sức khỏe, giúp tăng sức đề kháng và chống lão hóa cũng như phịng ngừa được nhiều
loại bệnh. Khoảng hơn 70% lượng nho được dùng để sản xuất rượu vang, 27% dùng
để ăn tươi và cịn lại 3% dùng để làm nho khơ. Tại Việt Nam, từ vùng Bắc Ninh Thuận
đến Nam Khánh Hòa, đặc biệt là tỉnh Ninh Thuận là nơi cung cấp sản lượng nho tươi
hàng đầu cả nước. Với thời tiết khơ hạn, gió nhiều, độ ẩm khơng khí thấp, lượng mưa
hằng năm thấp là những điều kiện tuyệt vời để cây nho có thể sinh trưởng và phát triển
tốt.
Nho tươi sau khi thu hoạch có độ ẩm và nồng độ đường tương đối cao, do đó mà
nó rất dễ hư hỏng và khó bảo quản được lâu ngay cả khi bảo quản lạnh. Một trong
những phương pháp được sử dụng thường xuyên nhất để bảo quản thực phẩm và các
chế phẩm sinh học đó là sấy khơ. Phương pháp này có thể làm giảm độ ẩm xuống hàm
lượng rất thấp giúp cho quá trình bảo quản được lâu hơn cũng như có thể làm giảm
đáng kể khối lượng và thể tích của sản phẩm. Sấy từ lâu đã được ứng dụng trong công
nghiệp sản xuất nho, nho tươi được sấy khô để tạo nho khô hoặc nho mất nước. Nho
khô được dùng để ăn trực tiếp hoặc sản xuất bánh kẹo, mứt, nho mất nước được dùng
để sản xuất rượu vang hoặc nước ép nho. Đây đều là các sản phẩm rất có giá trị và
được ưa dùng trên khắp thế giới.
1.2. Tổng quan về phương pháp sấy
Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng nhiệt, nguyên tắc của quá trình này
là cung cấp năng lượng nhiệt để biến đổi trạng thái của pha lỏng trong vật liệu thành
pha hơi. Nhiệt có thể được cung cấp cho vật liệu ẩm bằng nhiều cách khác nhau như
dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt, bức xạ nhiệt. Dựa vào nhiều yếu tố khác nhau mà có thể lựa
chọn phương pháp sấy và loại thiết bị sấy phù hợp với yêu cầu mong muốn. Các thiết

3


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

bị sấy phổ biến hiện nay có thể kể đến như là phịng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy
thùng quay hay hiện đại hơn là sấy thăng hoa, sấy bằng dòng điện cao tần, sấy lạnh.
Mỗi phương pháp sấy đều có những ưu - nhược điểm và phạm vi áp dụng khác nhau.
Như đã đề cập, nho khô được dùng để ăn trực tiếp là chủ yếu vì thế mà yêu cầu về màu
sắc, mùi vị, hàm lượng dinh dưỡng trước và sau khi sấy hay vệ sinh an toàn thực phẩm
là những yếu tố cần được chú trọng trong quá trình sấy. Dựa trên những yếu tố đó thì
phương pháp phù hợp nhất cho nho nói riêng và các loại trái cây nói chung được đề
xuất là phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt.
Đây là phương pháp mới, hiện đại, được sử dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực
sấy dược liệu, hoa quả, thực phẩm hay các sản phẩm có giá trị cao bởi đáp ứng nhiệt
độ sấy thấp nhưng cho chất lượng sản phẩm tốt hơn so với các phương pháp sấy thông
thường khác. Với những ưu điểm như phạm vi nhiệt độ sấy thấp (10 - 60 oC), giúp giữ
cho màu sắc của các loại hoa quả, trái cây, thực phẩm được đẹp hơn, giữ chất dinh
dưỡng tốt hơn, thời gian sấy nhanh khô hơn ở nhiệt độ thấp và chi phí vận hành thấp.
Bên cạnh đó, chi phí đầu tư, lắp đặt khá cao so với các phương pháp sấy thông thường
khác cũng là một trở ngại lớn trong việc tiếp cận sấy lạnh.
1.3. Tổng quan về phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt
Khác với phương pháp sấy nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ
chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp
suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm. Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề
mặt ngoài của vật nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với khơng khí
có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ
hơn phía bên trong vật. Khi đó ẩm trong vật liệu sẽ dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt
ra môi trường nhờ chênh lệch phân áp suất trên.
Đối với phương pháp sấy lạnh sử dụng hệ thống bơm nhiệt, quá trình truyền
nhiệt thực hiện được thông qua sự thay đổi pha làm việc của tác
nhân lạnh. Tác nhân lạnh trong thiết bị bay hơi hấp thụ nhiệt và bay

hơi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Khi hơi tác nhân lạnh ngưng tụ ở
nhiệt độ cao, áp suất cao tại thiết bị ngưng tụ, nó thải nhiệt ở áp
suất cao hơn. Khi sử dụng trong quá trình sấy, hệ thống sấy sử dụng
bơm nhiệt làm lạnh khơng khí của q trình đến điểm bão hòa, và
4


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

sau đó ngưng tụ ẩm, do đó làm tăng khả năng sấy của khơng khí.
Trong q trình này chỉ tuần hồn mức nhiệt thấp từ khơng khí. Cấu
trúc của hệ thống bơm nhiệt được bố trí như hình 1.1.

Hình 1.1: Hệ thống bơm nhiệt.
Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm
nhiệt để tạo ra môi trường sấy. Nhiệt độ môi trường sấy có thể điều
chỉnh trong giới hạn khá rộng, tùy thuộc yêu cầu của vật liệu sấy.
Khác với các thiết bị nhiệt lạnh khác, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy
khơ và hút ẩm thì cả dàn nóng và dàn lạnh đều được sử dụng hữu ích
nên năng suất tiêu thụ ở đây có thể được tận dụng đến mức cao nhất
mà nhiệt độ khơng khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ mơi
trường.
1.4. Tổng quan về hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt
Sơ đồ quy trình cơng nghệ hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt được chọn để
tính tốn, thiết kế trong khn khổ phạm vi đồ án này được thể hiện trong hình 1.2.

5

Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

Hình 1.2: Sơ đồ quy trình cơng nghệ.

6


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT - NĂNG LƯỢNG CHO Q TRÌNH
2.1. Các thơng số tính toán
2.1.1. Vật liệu sấy
Vật liệu sấy được chọn là nho, ở đây chọn nho ở vùng Ninh Thuận, các thông số
về độ ẩm và năng suất như sau:
-

Độ ẩm tương đối ban đầu của nho: ω1 = 80%
Độ ẩm tương đối cuối của nho: ω2 = 13%
Năng suất (tính cho nhập liệu đầu vào): G1 = 500 kg/mẻ
Giống nho được chọn là nho đỏ red cardinal có các thơng số như sau:

-

Màu sắc quả chính: đỏ
Khối lượng trung bình một quả: 4 - 4.5 (g)

Khối lượng một chùm nho: 220 - 300 (g)
Hình dạng quả nho: trịn, đường kính trung bình 19 mm/quả
Khối lượng riêng của nho (PL 1/254 [1]): ρvl = 1068 (kg/m3)
Nhiệt dung riêng của nho (PL 1/254 [1]): Cvl = 3.62 (kJ/kg.K)
2.1.2. Tác nhân sấy
Tác nhân sấy được chọn là khơng khí trời tại Ninh Thuận với các thơng số sau:

-

Áp suất khí quyển: P = 1 (atm)
Nhiệt độ thấp nhất trong năm (tháng 2) (B VII.1/100 [6]): T0 = 25.4oC
Độ ẩm trung bình tháng 2 (B VII.1/100 [6]): ϕ0 = 62%
2.2. Tính tốn q trình sấy lý thuyết
2.2.1. Đồ thị I-d cho quá trình sấy lý thuyết
Hình 2.1 biểu diễn đồ thị I-d cho quá trình sấy lý thuyết, gồm các giai đoạn sau:
1-2: Quá trình gia nhiệt tác nhân sấy đến nhiệt độ sấy đã chọn. Điểm 2 là trạng
thái khơng khí sau dàn nóng, trước khi vào buồng sấy.
2-3: Quá trình sấy lý thuyết đẳng enthalpy, tác nhân sấy với độ ẩm thấp được
thổi tuần hồn qua vật liệu sấy sẽ nhận ẩm thốt ra từ vật liệu và mang ra ngoài. Điểm
3 là trạng thái khơng khí sau khi ra khỏi buồng sấy.
3-4: Quá trình làm lạnh tác nhân sấy đến nhiệt độ sương. Điểm 4 là trạng thái
khơng khí trên đường bão hịa, trong dàn lạnh và bắt đầu q trình tách ẩm.
4-1: Q trình tách ẩm từ khơng khí. Điểm 1 là trạng thái khơng khí cuối giai
đoạn tách ẩm và ra khỏi dàn lạnh, khơng khí sau khi được tách ẩm xong tiếp tục qua
dàn nóng để tuần hồn trở lại buồng sấy.
7


●

I, kJ/kg kkk

Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

ϕ2
2

●

T2

ϕ3
3

●

T3

ϕ = 100%

●

4
T4
T1

1
d1 = d2

d3 = d4

d, kg ẩm/kg kkk

Hình 2.1: Đồ thị I-d cho q trình sấy lý thuyết.
2.2.2. Các thơng số của các điểm nút trên đồ thị I-d
a) Điểm 0 (25.4oC, 62%), mơi trường bên ngồi:
-

Áp suất hơi bão hịa của nước được xác định từ phương trình Antoine [19]:

-

Độ chứa hơi của khơng khí ẩm (CT 2.15/15 [1]):
x

-

Enthalpy của khơng khí ẩm (CT 2.18/15 [1]):

8


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

Trong đó:
• Ckk = 1.003 (kJ/kg.K) là nhiệt dung riêng của khơng khí khơ (B 28/30 [10]).

• r = 2493.1 (kJ/kg) là ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa ở 0 oC (B 40/38
[10]).
• Ch = 1.952 (kJ/kg.K) là nhiệt dung riêng của hơi nước (B 28/30 [10]).
Từ các thông số của điểm 0 (25.4oC, 65%), nhiệt độ điểm sương ứng với trạng
thái này được xác định từ giản đồ I-d: Ts0 = 17.6oC.
b) Điểm 1 (T1, ϕ1), trạng thái khơng khí sau dàn lạnh:
Chọn nhiệt độ T1 = 8oC theo tài liệu [12].
Tác nhân sấy lúc này vừa đi qua dàn lạnh và được làm lạnh về nhiệt độ ngưng tụ
để tách ẩm nên: ϕ1 = 100%
-

Áp suất hơi bão hòa của nước được xác định từ phương trình Antoine:

-

Độ chứa hơi của khơng khí ẩm:
-

Enthalpy của khơng khí ẩm:

c) Điểm 2 (T2, ϕ2), trạng thái khơng khí sau dàn nóng:
Chọn nhiệt độ tác nhân sấy: T2 = 60oC
-

Áp suất hơi bão hịa của nước được xác định từ phương trình Antoine:

-

Độ chứa hơi của khơng khí ẩm: d2 = d1 = 0.0066 (kg ẩm/kg kkk)
- Enthalpy của khơng khí ẩm:

-

Độ ẩm tương đối:

Từ các thông số của điểm 2 (60oC, 5.36%), nhiệt độ bầu ướt ứng với trạng thái
này được xác định từ giản đồ I-d: Tư2 = 25.7oC.
d) Điểm 3 (T3, ϕ3), trạng thái khơng khí sau khi qua buồng sấy:
Để tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy, chọn nhiệt độ khơng khí ra
khỏi buồng sấy phải lớn hơn nhiệt độ điểm sương. T3 = 30oC > Ts0.
9


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học
-

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

Bản chất q trình sấy lý thuyết là quá trình đẳng enthalpy trong buồng
sấy:
I3 = I2 = 77.41 (kJ/kg kkk)

-

Áp suất hơi bão hòa của nước được xác định từ phương trình Antoine:

-

Độ chứa hơi của khơng khí ẩm:
-

Độ ẩm tương đối:

e) Điểm 4 (T4, ϕ4), trạng thái khơng khí trên đường bão hịa:
Do trên đường bão hòa nên ϕ4 = 100%
Độ chứa hơi của khơng khí ẩm: d4 = d3 = 0.0185 (kg ẩm/kg kkk)
-

Áp suất hơi bão hịa của nước:

-

Nhiệt độ khơng khí:
-

Enthalpy của khơng khí ẩm:

2.2.3. Tính tốn thời gian sấy
Theo như yêu cầu đề bài:
-

Độ ẩm tương đối ban đầu của nho: ω1 = 80%
Độ ẩm tương đối cuối của nho: ω2 = 13%
Cần đổi các độ ẩm trên sang độ ẩm tuyệt đối (tính cho vật liệu khơ) để tính toán:

-

Độ ẩm tuyệt đối ban đầu của nho: ωk1 = 400%
Độ ẩm tuyệt đối cuối của nho: ωk2 = 14.94%
a) Tốc độ sấy đẳng tốc:
Chọn vận tốc tác nhân sấy trong buồng sấy là: v = 5 (m/s)

-

Theo tài liệu [20], hệ số cấp nhiệt đối lưu cưỡng bức bên trong buồng sấy đối với lưu
chất là khơng khí được tính từ phương trình thực nghiệm sau:

-

Mật độ dịng nhiệt do đối lưu nhiệt (CT 5.5/98 [2]):
10


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

Trong đó:

-

• T3 = 60oC là nhiệt độ tác nhân sấy.
• Tbm = Tư2 = 25.7oC là nhiệt độ bề mặt vật liệu sấy .
Tốc độ bay hơi ẩm trên bề mặt vật liệu (CT 5.3/97 [2]):
Với: r = 2435.32 (kJ/kg) là ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước bão hòa ở nhiệt độ Tbm [10].

-

Tốc độ sấy đẳng tốc (CT 5.18/100 [2]):
Trong đó:
• R là phân nửa kích thước vật liệu sấy, chọn theo thực nghiệm R = 9.5 (mm)

• ρvl = 1068 kg/m3 là khối lượng riêng của nho (PL 1/254 [1]).
b) Thời gian sấy:

-

Theo tài liệu [21], độ ẩm cân bằng tuyệt đối của vật liệu sấy được tính từ phương trình
thực nghiệm sau:
Trong đó:

• ERH là độ ẩm khơng khí tương đối cân bằng, chọn ERH = ϕ2 = 5.37%.
• T (K) là nhiệt độ tác nhân sấy (ở đây là khơng khí), chọn T = T2 = 60oC = 333K.
→ Vậy độ ẩm cân bằng tuyệt đối của vật liệu sấy tính được là: ωkcb = 5.82%.
- Độ ẩm tới hạn tuyệt đối của vật liệu sấy là (CT 5.26/103 [2]):
-

Thời gian sấy đẳng tốc (CT 5.2/97 [2]):

-

Thời gian sấy giảm tốc (CT 5.31/104 [2]):

-

Tổng thời gian sấy:
2.2.4. Cân bằng vật chất và tính tốn nhiệt q trình sấy lý thuyết
a) Cân bằng vật chất:

-

Lượng ẩm bốc hơi cho một mẻ sấy:

-

Khối lượng sản phẩm sau một mẻ sấy:
11


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

-

Thời gian sấy theo tính toán ở trên là:
Lượng ẩm bay hơi trong một giờ:

-

Lượng khơng khí khơ lý thuyết cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm:

-

Lượng khơng khí khơ lý thuyết cần thiết cho một mẻ sấy:

b) Tính tốn nhiệt cho dàn nóng - lý thuyết:
-

Nhiệt lượng lý thuyết dàn nóng cung cấp để làm bay hơi 1 kg ẩm:

-

Nhiệt lượng lý thuyết dàn nóng cung cấp:

-

Cơng suất lý thuyết của dàn nóng tính tốn:

c) Tính tốn nhiệt cho dàn lạnh - lý thuyết:
-

Lượng ẩm ngưng tụ lý thuyết:

-

Lượng nhiệt lý thuyết dàn lạnh thu được từ ngưng tụ 1 kg ẩm:

-

Lượng nhiệt lý thuyết dàn lạnh thu được:

-

Công suất lý thuyết của dàn lạnh tính tốn:

2.3. Tính tốn kích thước sơ bộ buồng sấy
Chọn khối lượng vật liệu sấy tối thiểu cho một khay sấy với kích thước 55x85x3
cm là 7 kg. Ứng với 500 kg vật liệu đầu vào vậy có 72 khay sấy. Số khay sấy này được
chia thành 2 xe gng với mỗi xe có 12 tầng khay, mỗi tầng chứa 3 khay sấy đặt nối tiếp
nhau theo chiều rộng khay sấy.
-

Chiều dài chất vật liệu:
Chiều rộng chất vật liệu:
Chiều cao chất vật liệu:
12


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

Với: ΔH = 3 (cm) là chiều cao chất vật liệu cho từng khay hay chiều cao khay sấy.
Δh = 8 (cm) là khoảng hở khe gió giữa mỗi tầng khay.
n = 12 là số tầng khay.
-

Kích thước xe gng:
Chiều dài xe gng:
Với: Δhk = 3 (cm) là khoảng cách giữa hai khay sấy trên một tầng.

-

Chiều rộng xe goòng:
Chiều cao xe goòng:
Với: ΔHbx = 15 (cm) là chiều cao bánh xe goòng.
Δhx = 5 (cm) là khoảng hở từ tầng khay ở đáy đến khung gắn với bánh xe.
Để đảm bảo quá trình sấy đạt được hiệu suất cao cũng như nhiệt độ trải đều trên
bề mặt vật liệu, tiến hành thiết kế 2 khoang sấy, mỗi khoang chứa một xe gng.

-

Kích thước khoang sấy:
Chiều dài bên trong mỗi khoang sấy:
Với: ΔL = 10 (cm) là khoảng hở thơng khí từ xe tới vách buồng sấy theo chiều dài.

-

Chiều rộng bên trong mỗi khoang sấy:
Với: ΔW = 10 (cm) là khoảng hở thơng khí từ xe tới vách buồng sấy theo chiều rộng.

-

Chiều cao bên trong mỗi khoang sấy:
Với: ΔH = 15 (cm) là khoảng khoảng cách từ khay sấy trên cùng đến trần buồng sấy.

-

Vậy thể tích mỗi khoang sấy là:

-

Chọn bề dày khung vách của buồng sấy:
Khung thép hộp tĩnh điện có độ dày 5 mm mỗi bên.
Ở giữa dùng lớp foam polyurethane (PU) cách nhiệt có độ dày 40 mm.
Vậy sơ bộ bề dày khung vách là 50 mm, bề dày này được thiết kế làm khung
vách bên trái, bên phải, phía sau buồng sấy, phía cửa buồng sấy, trần và đáy buồng sấy.

13

Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học
2.4. Cân bằng nhiệt

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

G2.Cvl.Tvlđ + W.Cn.Tvlđ
Qcon-ttQbs

Gvc.Cvc.Tvcđ

Ltt.I3’

Ltt.I1

Qth

G2.Cvl.TvlcGvc.Cvc.Tvcc

Hình 2.2: Sơ đồ cân bằng nhiệt cho quá trình sấy.
Hình 2.2 biểu diễn cân bằng nhiệt cho quá trình sấy, từ đây phương trình cân
bằng được biểu diễn như sau (/280 [7]):
VÀO = RA
Ltt.I1 + Qcon-tt + Qbs + G2.Cvl.Tvlđ + W.Cn.Tvlđ + Gvc.Cvc.Tvcđ = Ltt.I3’ + Qth + G2.Cvl.Tvlc
+ Gvc.Cvc.Tvcc
→ Qcon-tt + Qbs = Ltt(I3’ - I1) + Qth + G2.Cvl(Tvlc - Tvlđ) + Gvc.Cvc(Tvcc - Tvcđ) - W.Cn.Tvlđ
→ Qcon-tt + Qbs = Ltt(I3’ - I1) + Qth + Qvl + Qvc - Qẩm
→ Qcon-tt + Qbs = Ltt(I3’ - I1) + Qthc - Qẩm (kJ)

(1)

Trong đó:
-

Qcon-tt: lượng nhiệt thực tế cần để dàn nóng gia nhiệt tác nhân sấy.
Qbs: lượng nhiệt bổ sung trong quá trình sấy, ở đây Qbs = 0.
Ltt(I3’ - I1): lượng nhiệt tổn thất do tác nhân sấy.
Qth: lượng nhiệt tổn thất do kết cấu thiết bị.
Qvl = G2.Cvl(Tvlc - Tvlđ): lượng nhiệt tổn thất do vật liệu sấy.
Qvc = Gvc.Cvc(Tvcc - Tvcđ): lượng nhiệt tổn thất do thiết bị vận chuyển.
Qthc = Qth + Qvl + Qvc: lượng nhiệt tổn hao chung.
Qẩm = W.Cn.Tvlđ: lượng nhiệt cung cấp do ẩm trong vật liệu.
Chia hai vế của phương trình (1) cho W nhận được tổn thất tính trên kg ẩm:
qcon-tt = ltt(I3’ - I1) + qthc - qẩm (kJ/kg ẩm)

Mà: qcon-tt = ltt(I2 - I1)
→ ltt(I2 - I1) = ltt(I3’ - I1) + qthc - qẩm
14


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

→ ltt(I3’ - I2) = qẩm - qthc = Δ

(2)

Với Δ là nhiệt lượng bổ sung chung trừ cho nhiệt lượng tổn thất chung hay tổn
thất nhiệt để làm bay hơi 1 kg ẩm.
Quá trình sấy lý thuyết Δ = 0 nên I3’ = I3 = I2, tuy nhiên trong thực tế thì Δ ≠ 0 nên

cần phải tính tốn các tổn thất trên để xây dựng quá trình sấy thực tế.
2.4.1. Tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị
Buồng sấy có dạng hình hộp chữ nhật vì vậy tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị là
lượng nhiệt bị thất thoát qua kết cấu khung vách buồng sấy, cửa buồng sấy, trần và đáy
buồng sấy. Như phần thiết kế tính tốn kích thước thiết bị ở trên, cấu tạo khung vách
buồng sấy được trình bày như trong hình 2.3.

●
T2

Tw2

●

Tw1

●

q

q

α1

●

Tw4

●

Tw3

α2

●

λ1

λ2

λ1

δ1

δ2

δ1

T0

Hình 2.3: Cấu tạo khung vách buồng sấy.
-

Tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị (tính theo Watt) được xác định như sau [18]:
Trong đó:
• K (W/m2.K) là hệ số truyền nhiệt tổng quát.
• A (m2) là diện tích bề mặt truyền nhiệt.
15

Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học
-

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

• ΔT = T2 - T0 (oC) là chênh lệch nhiệt độ đầu cuối.
Hệ số truyền nhiệt tổng quát theo cấu tạo khung vách được xác định như sau [18]:
Trong đó:
•
•
•
•
•

α1 = α = 27.81 (W/m2.K) là hệ số cấp nhiệt của môi trường trong buồng sấy.
δ1 = 5 (mm) là bề dày lớp thép.
λ1 = 46.5 (W/m.K) là hệ số dẫn nhiệt của thép (B 29/30 [10]).
δ2 = 40 (mm) là bề dày lớp foam PU cách nhiệt.
λ2 = 0.025 (W/m.K) là hệ số dẫn nhiệt của foam PU cách nhiệt (PL 16/553

[12]).
• α2 (W/m2.K) là hệ số cấp nhiệt của môi trường bên ngồi.
Mơi trường sấy bên ngồi buồng sấy là đối lưu tự nhiên với khơng khí, do buồng
sấy có dạng hình hộp chữ nhật, lượng nhiệt tổn hao qua kết cấu thiết bị chủ yếu là qua
các vách tường buồng sấy nên trường hợp này là dạng truyền nhiệt đối lưu tự nhiên
qua tấm phẳng (Chapter 9 [18]).
-

Để xác định α2, dùng phương pháp lặp để tính tốn dựa trên cân bằng sau (Equation 315 and 3-16/132 [18]):
Trong đó:

-

• q (W/m2) là mật độ dịng nhiệt truyền qua khung vách.
• T2 = 60oC là nhiệt độ môi trường bên trong buồng sấy.
• Tw1 (oC) là nhiệt độ vách trong cùng của khung vách.
• Tw4 (oC) là nhiệt độ vách ngồi cùng của khung vách.
• T0 = 25.40oC là nhiệt độ mơi trường bên ngoài buồng sấy.
Giả sử Tw1 = 59.41oC, mật độ dịng nhiệt truyền qua là:

-

Nhiệt độ vách ngồi cùng suy từ cân bằng trên:

-

Nhiệt độ trung bình mơi trường bên ngồi:
-

-

Các thơng số vật lý của khơng khí tương ứng với nhiệt độ trên (Table A-5/658

[17]):
• λkk = 0.02642 (W/m.K) là hệ số dẫn nhiệt.
• νkk = 15.9364.10-6 (m2/s) là độ nhớt động học.
• Pr = 0.7075 là chuẩn số Prandlt.
Chuẩn số Grashof (CT 9-15/465 [18]):
16

Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

Trong đó:
• g = 9.81 (m/s2) là gia tốc trọng trường.
• β = 1/Ttb = 1/(273.15+29.28) (K) là hệ số giãn nở thể tích.
• Lc = H = 1.67 (m) là chiều dài định tính của buồng sấy, ở đây chọn bằng chiều
-

cao buồng sấy.
Chuẩn số Rayleigh được xác định như sau (CT 9-17/466 [18]):
-

Do Ra nằm trong khoảng 109 - 1013 nên chuẩn số Nusselt được tính từ phương
trình thực nghiệm sau (Table 7-1/334 [17]):

-

Hệ số cấp nhiệt của mơi trường bên ngồi (CT 9-16/466 [18]):

-

Mật độ dòng nhiệt tương ứng với α2:

-

Sai số phần trăm giữa q và q’:

→ Do sai số rất bé (< 5%) nên coi như giả sử nhiệt độ Tw4 trên là đúng.
- Vậy hệ số truyền nhiệt tổng quát là:
-

Diện tích bề mặt truyền nhiệt là diện tích xung quanh toàn phần của buồng sấy:

-

Tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị tính theo Watt:

-

Tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị tính theo kJ:

-

Tổn thất nhiệt qua kết cấu thiết bị tính theo kJ/kg ẩm:
2.4.2. Tổn thất nhiệt qua vật liệu sấy

-

Tổn thất nhiệt qua vật liệu sấy:
Trong đó:
• Gvl = G2 = 114.94 (kg) là khối lượng sản phẩm sau khi sấy.
17


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

-

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

• Cvl = 3.62 (kJ/kg.K) là nhiệt dung riêng của vật liệu sấy (PL 1/254 [1]).
• Tvlc = T3 = 60oC là nhiệt độ vật liệu cuối.
• Tvlđ = T0 = 25.4oC là nhiệt độ vật liệu đầu.
Tổn thất nhiệt qua vật liệu sấy tính trên kg ẩm:
2.4.3. Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển
Khối lượng một khay sấy có kích thước 55x85x3 cm làm bằng inox 304 là 2 kg
(thực nghiệm), vậy tổng khối lượng khay sấy cho một xe goòng là 72 kg. Khối lượng
khung xe gng có 12 tầng khay như trên thiết kế ở phần 2.4 làm bằng inox 304 là 130
kg (thực nghiệm). Vậy tổng khối lượng cho 1 xe goòng là 202 (kg).

-

Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển tính trên kg ẩm:

18


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

Trong đó:

-

• Gvc = 404 (kg) là tổng khối lượng 2 xe gng.
• Cvc = 0.5 (kJ/kg.K) là nhiệt dung riêng của inox 304.

• Tvcc = T3 = 60oC là nhiệt độ vận chuyển cuối.
• Tvcđ = T0 = 25.4oC là nhiệt độ vận chuyển đầu.
Tổn thất nhiệt do thiết bị vận chuyển tính trên kg ẩm:
2.4.4. Lượng nhiệt cung cấp do ẩm trong vật liệu

-

Lượng nhiệt cung cấp do ẩm trong vật liệu tính trên kg ẩm:
Trong đó:

• Cn = 4.18 (kJ/kg.K) là nhiệt dung riêng của nước ở 20oC (B 43/42 [10]).
• Tvlđ = T0 = 25.4oC là nhiệt độ vật liệu sấy vào.
→ Vậy tổn thất nhiệt để làm bay hơi 1 kg ẩm:

19


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

2.5. Tính tốn q trình sấy thực
2.5.1. Đồ thị I-d cho quá trình sấy thực
Do Δ < 0 nên I3’ < I2 hay I3’ < I3, tức là điểm 3’ trong quá trình sấy thực tế sẽ nằm
bên trái điểm 3 trên đồ thị I-d và tương tự cho điểm 4’. Điểm 1 và 2 trên đồ thị khơng

I, kJ/kg kkk

thay đổi. Hình 2.4 biểu diễn đồ thị I-d
ϕ3’cho quá trình sấy thực.

3’

ϕ2
2

●

T2

T4
T4’

ϕ3

● ●3

4’
T3

ϕ = 100%

●
T1

●

●

4

1

d1 = d2

d3’ = d4’

d, kg ẩm/kg kkk

Hình 2.4: Đồ thị I-d cho quá trình sấy thực.
Các giai đoạn đều giống với quá trình sấy lý thuyết, tuy nhiên khác ở hai điểm:
-

Điểm 3’ là trạng thái khơng khí thực tế sau khi ra khỏi buồng sấy.
Điểm 4’ là trạng thái khơng khí thực tế trên đường bão hịa, trong dàn lạnh và bắt đầu
q trình tách ẩm.
2.5.2. Các thơng số của các điểm nút trên đồ thị I-d
a) Các điểm 0, 1, 2:
Các điểm 0, 1, 2 của quá trình sấy thực hồn tồn giống với q trình sấy lý
thuyết.
b) Điểm 3’ (T3’, ϕ3’), trạng thái khơng khí thực tế sau khi qua buồng sấy:

-

- T3’ = 30oC
Áp suất hơi bão hòa của nước được xác định từ phương trình Antoine:

20


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

-

Từ phương trình (2):

-

Độ chứa hơi của khơng khí ẩm:
-

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

Độ ẩm tương đối:
-

Enthalpy của khơng khí ẩm:

c) Điểm 4’ (T4’, ϕ4’), trạng thái khơng khí thực tế trên đường bão hòa:
Do trên đường bão hòa nên ϕ4’ = 100%
Độ chứa hơi của khơng khí ẩm: d4’ = d3’ = 0.0178 (kg ẩm/kg kkk)
-

Áp suất hơi bão hịa của nước:

-

Nhiệt độ khơng khí:
-

Enthalpy của khơng khí ẩm:

2.5.3. Tính tốn nhiệt q trình sấy thực
a) Lượng khơng khí khơ thực tế
-

Lượng khơng khí khơ thực tế cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm:

-

Lượng khơng khí khô lý thuyết cần thiết cho một mẻ sấy:

-

Lưu lượng khơng khí tuần hồn trong buồng sấy:

b) Tính tốn nhiệt cho dàn nóng - thực tế:
-

Nhiệt lượng thực tế dàn nóng cung cấp để làm bay hơi 1 kg ẩm:

-

Nhiệt lượng thực tế dàn nóng cung cấp:

21


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học
-

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

Cơng suất thực tế của dàn nóng tính tốn:

c) Tính tốn nhiệt cho dàn lạnh - thực tế:
-

Lượng ẩm ngưng tụ thực tế:

-

Lượng nhiệt thực tế dàn lạnh thu được từ ngưng tụ 1 kg ẩm:

-

Lượng nhiệt thực tế dàn lạnh thu được:

-

Công suất thực tế của dàn lạnh tính tốn:

22


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

3. TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BƠM NHIỆT
3.1. Chọn tác nhân lạnh và nhiệt độ
3.1.1. Chọn tác nhân lạnh

Tác nhân lạnh được chọn trong khuôn khổ đề tài này là freon - R22 với tên hóa
học là chloro(difluoro)methane, có cơng thức phân tử là CHClF 2. Đây là loại freon
HCFC được sử dụng khá rộng rãi trong các hệ thống lạnh công nghiệp hiện nay. Do
yêu cầu nhiệt độ cuối tầm nén khá cao (~60 oC) phù hợp với R22 và yêu cầu về mặt số
liệu để tính tốn các thơng số vận hành nên R22 được chọn làm tác nhân lạnh.
3.1.2. Chọn nhiệt độ ngưng tụ của tác nhân lạnh
-

Nhiệt độ ngưng tụ (CT /205 [14]):
Trong đó:
• T2 là nhiệt độ khơng khí sau khi ra khỏi dàn nóng (điểm 2 trên hình 2.1).
• ∆Tcon = 10oC là hiệu nhiệt độ ngưng tụ, đối với dàn nóng giải nhiệt bằng khơng
khí hiệu nhiệt độ ngưng tụ được chọn trong khoảng 10 - 15oC (/206 [14]).
3.1.3. Chọn nhiệt độ bay hơi của tác nhân lạnh

-

Nhiệt độ bay hơi (CT /204 [14]):
Trong đó:
• T1 là nhiệt độ khơng khí sau khi ra khỏi dàn lạnh (điểm 1 trên hình 2.1).
• ∆Teva = 8oC là hiệu nhiệt độ bay hơi, đối với dàn lạnh bay hơi trực tiếp hiệu
nhiệt độ bay hơi được chọn trong khoảng 8 - 13oC (/204 [14]).
3.1.4. Chọn nhiệt độ hơi quá nhiệt của tác nhân lạnh
Để máy nén không hút phải tác nhân lạnh dưới dạng lỏng, hơi bốc được quá nhiệt
để đảm bảo vận hành ổn định.

-

Nhiệt độ hơi quá nhiệt (CT /204 [14]):
Trong đó: ∆Tqn = 25oC là hiệu nhiệt độ quá nhiệt, đối với tác nhân lạnh là R22 thì hiệu

nhiệt độ quá nhiệt được chọn là 25oC (/208 [14]).
3.1.5. Chọn nhiệt độ lỏng quá lạnh của tác nhân lạnh
Nhiệt độ lỏng q lạnh sẽ được tính tốn dựa trên các loại nhiệt độ đã được chọn
ở trên khi tiến hành lập bảng các thông số trạng thái của các điểm trên đồ thị T-s. Tính
tốn nhiệt độ lỏng q lạnh sẽ được trình bày trong phần tính tốn chu trình lạnh.

23


Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

3.2. Tính tốn chu trình lạnh vận hành
3.2.1. Chọn chu trình
Ứng với nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ ngưng tụ đã được chọn ở trên, tra theo tài
liệu [23] áp suất ngưng tụ và áp suất bay hơi tương ứng là: Pcon = 2997 (kPa), Peva =
498 (kPa)
-

Tỉ số nén (CT /138 [14]):
Trong đó: Pcon là áp suất đẩy hay áp suất ngưng tụ, Peva là áp suất hút hay áp suất bay hơi.
Do tỉ số nén < 13 nên tiến hành chọn máy nén một cấp (/138-139 [14]). Tác nhân
lạnh được chọn ở trên là freon - R22 nên chu trình lạnh được chọn là chu trình lạnh
một cấp có sử dụng bình hồi nhiệt (/39-41 [12]). Do chênh lệch nhiệt độ ngưng tụ và
nhiệt độ bay hơi khá cao (~70oC) nên việc sử dụng bình hồi sẽ nhiệt sẽ mang lại hiệu
quả cao.
3.2.2. Sơ đồ hệ thống và nguyên lý hoạt động chu trình
▲
3

●

●

2

Dàn nóng
Máy nén
●

1’

Hồi nhiệt
3’

●
Dàn lạnh
●
Tiết lưu 4

● 1
▼

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống chu trình lạnh một cấp có bình hồi nhiệt.
Hình 3.1 trình bày sơ đồ hệ thống chu trình lạnh một cấp có bình hồi nhiệt,
ngun lý hoạt của hệ thống như sau (/39-41 [12]):
24

Báo cáo Đồ án thiết kế Kỹ thuật Hóa học

Bộ mơn Q trình & Thiết bị

Tác nhân lạnh tại điểm 1 ở trạng thái hơi bão hòa áp suất thấp được đưa qua thiết
bị hồi nhiệt, tại đây trao đổi nhiệt với dòng lỏng bão hòa áp suất cao để trở thành hơi
quá nhiệt áp suất thấp (điểm 1’). Sau đó tác nhân lạnh được hút về máy nén và được
nén đoạn nhiệt để thành hơi quá nhiệt áp suất cao (điểm 2). Tiếp tục đi qua thiết bị
ngưng tụ (dàn nóng) để nhả nhiệt đẳng áp cho tác nhân sấy trở thành trạng thái lỏng
bão hòa áp suất cao (điểm 3). Dòng lỏng này được đưa qua thiết bị hồi nhiệt để trao
đổi nhiệt với dòng hơi bão hòa áp suất thấp để trở thành lỏng quá lạnh áp suất cao
(điểm 3’). Dòng lỏng này tiếp tục được cho qua van tiết lưu để giảm áp suất trở thành
dòng lỏng sơi áp suất thấp (điểm 4). Dịng lỏng sơi này đi qua thiết bị bay hơi (dàn
nóng) để nhận nhiệt của tác nhân sấy, hóa hơi đẳng nhiệt trở thành hơi bão hòa áp suất
thấp (điểm 1). Và cứ thế chu trình lạnh tiếp tục hoạt động tuần hồn.
3.2.3. Xây dựng đồ thị và thông số tại các điểm nút trên đồ thị
T

logP

2

●

3
●
3’●

2’

3’●

●

●

4
h

●●

1

1’

3

2’ ●

●

●

●

● ●

4

1

2

1’

s
Hình 3.2: Đồ thị T-s và logP-h của chu trình lạnh.
Đồ thị T-s và logP-h được trình bày lần lượt trong hình 3.2 gồm có các q trình
sau (/39-40 [12]):
•
•
•
•
•
•

1-1’: Q trình q nhiệt hơi tác nhân lạnh trong bình hồi nhiệt.
1’-2: Quá trình nén đoạn nhiệt hơi quá nhiệt trong máy nén.
2-2’-3: Quá trình làm mát và ngưng tụ đẳng nhiệt trong thiết bị ngưng tụ.
3-3’: Quá trình quá lạnh tác nhân lạnh lỏng trong bình hồi nhiệt.
3’-4: Quá trình tiết lưu đẳng enthalpy thơng qua van tiết lưu.
4-1: Q trình bay hơi đẳng nhiệt trong thiết bị bay hơi.

25