Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án Tính toán, thiết kế thiết bị sấy bơm nhiệt để sấy nho năng suất 200kg nguyên liệumẻ Đồ án Tính toán, thiết kế thiết bị sấy bơm nhiệt để sấy nho năng suất 200kg nguyên liệumẻ Nước ta là nước nông nghiệp, thuận lợi để phát triển và chế biến nông sản cũng như các loại cây rau quả cà chua, ớt, chuối, nấm, v.v. và đặc biệt là nho. Nho được xem là cây nông nghiệp có tính dược liệu, và mang lại hiệu quả kinh tế cao. Tuy nhiên chất lượng của các sản phẩm Nho vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu của các khách hàng khó tính vì khâu chế biến còn rất thô sơ. Đặc tính rau quả nói chung và nho nói riêng là vật liệu không bền nhiệt, nên sản phẩm qua chế biến bị tổn thương đáng kể với mức độ khác nhau, chủ yếu ứng dụng theo cơ chế sấy nhiệt đối lưu, với mức chi phí đầu tư ban đầu thấp. Tuy vậy, hạn chế là không ổn định về động lực sấy, phụ thuộc vào khí hậu, môi trường, khó kiểm soát được quá trình sấy theo yêu cầu công nghệ.
MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU PHẦN I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nho 1.1.1 Giới thiệu vật liệu sấy 1.1.2 Xác định thông số đầu vào vật liệu sấy 1.2 Xác định phương pháp sấy phù hợp 10 1.2.1 Phương pháp sấy nóng 10 1.2.2 Phương pháp sấy chân không 11 1.2.3 Sấy hệ thống sấy thăng hoa (sấy đông khô) 11 1.2.4 Sấy hệ thống sấy bơm nhiệt 12 1.3 Tính phù hợp nguyên lý sấy bơm nhiệt 12 1.3.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy bơm nhiệt 13 1.3.2 Tính ổn định chất lượng sản phẩm 13 1.3.3 Tính hiệu sử dụng lượng sấy bơm nhiệt 14 1.3.4 Đánh giá chung công nghệ sấy bơm nhiệt 14 1.3.5 Sơ đồ, nguyên lý hệ thống bơm nhiệt 15 1.3.6 Hệ số nhiệt bơm nhiệt 16 1.3.7 Các thành phần bơm nhiệt 17 PHẦN II CÔNG NGHỆ SẤY NÔNG SẢN 18 2.1 Vật liệu sấy 18 2.2 Các đặc tính hóa lý số rau giàu vitamin ứng dụng phương pháp sấy lạnh 19 2.2.1 Nước 19 2.2.2 Những hợp chất có Nitơ biến đổi trình bảo quản 20 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình sấy 20 2.3.1 Nhiệt độ sấy 20 2.3.2 Độ ẩm khơng khí 20 2.3.3 Lưu thơng khơng khí 21 2.3.4 Độ dày lớp sấy 21 PHẦN III CÂN BẰNG VẬT CHẤT, CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG QUÁ TRÌNH SẤY 21 3.1 Các thông số ban đầu 22 3.2 Cân bằng vật liệu lượng ẩm bay 23 3.3 Quá trình sấy lý thuyết 23 3.3.1 Trạng thái khơng khí ngồi trời 23 3.3.2 Trạng thái khơng khí sau dàn bay (dàn lạnh) (Điểm 4) 24 3.3.3 Trạng thái khơng khí sau dàn nóng (dàn ngưng tụ) (Tác nhân sấy gia nhiệt) (Điểm 1) 24 3.3.4 Trạng thái khơng khí sau qua calorofer điện trở (Điểm 1*) 25 3.3.5 Trạng thái khơng khí sau qua b̀ng sấy (Điểm 2) 25 3.3.6 Trạng thái khơng khí dàn lạnh ( Điểm ) 26 3.3.7 Cân lượng theo lý thuyết 26 3.4 Quá trình sấy thực 28 3.4.1 Tính tốn, lựa chọn kích thước b̀ng sấy 28 3.4.2 Cân nhiệt cho trình sấy thực 28 3.4.3 Tính tốn tổn thất 29 3.4.4 Tính tốn q trình sấy thực 32 3.4.5 Cân lượng theo thực tế 34 PHẦN IV TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BƠM NHIỆT 36 4.1 Lựa chọn môi chất lạnh 36 4.2 Các thông số nhiệt môi chất lạnh 36 4.2.1 Tính nhiệt đợ ngưng tụ tk 36 4.2.2 Tính nhiệt đợ bay t0 36 4.3 Chọn tính tốn chu trình bơm nhiệt 37 4.3.1 Chọn chu trình 37 4.3.2 Sơ đồ nguyên lý làm việc 37 4.3.2 Bảng thông số tại điểm nút đồ thị 38 4.3.3 Tính tốn máy nén 38 4.4 Tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt 40 4.4.1 Dàn ngưng tụ 40 4.4.2 Dàn bay 44 4.5 Tính tốn trở lực chọn quạt 48 4.5.1 Tính toán đường ống dẫn tác nhân sấy Error! Bookmark not defined 4.5.2 Tính tốn trở lực hệ thống Error! Bookmark not defined 4.5.3 Chọn quạt Error! Bookmark not defined 4.6 Tính tốn chọn calorife Error! Bookmark not defined 4.7 Tính tốn, thiết kế thiết bị ngưng tụ ngồi Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined LỜI MỞ ĐẦU Nước ta nước nông nghiệp, thuận lợi để phát triển chế biến nông sản loại rau cà chua, ớt, chuối, nấm, v.v đặc biệt nho Nho xem nơng nghiệp có tính dược liệu, mang lại hiệu kinh tế cao Tuy nhiên chất lượng sản phẩm Nho chưa đáp ứng yêu cầu khách hàng khó tính khâu chế biến cịn thơ sơ Đặc tính rau nói chung nho nói riêng vật liệu không bền nhiệt, nên sản phẩm qua chế biến bị tổn thương đáng kể với mức độ khác nhau, chủ yếu ứng dụng theo chế sấy nhiệt đối lưu, với mức chi phí đầu tư ban đầu thấp Tuy vậy, hạn chế không ổn định đợng lực sấy, phụ tḥc vào khí hậu, mơi trường, khó kiểm sốt q trình sấy theo u cầu công nghệ Để đáp ứng nhu cầu sản lượng yêu cầu chất lượng sản phẩm ngày gia tăng, vấn đề nghiên cứu lựa chọn cơng nghệ sấy thích hợp cho nho phù hợp với điều kiện ứng dụng tại Việt Nam thực cần thiết Công nghệ sấy bơm nhiệt ngày phát triển cho thấy nhiều ưu điểm hiệu kinh tế cao việc ứng dụng vào sấy sản phẩm rau có giá trị kinh tế Cơng nghệ sấy bơm nhiệt có thể giải hạn chế cơng nghệ sấy nóng quy trình sấy rau Với mong muốn nâng cao chất lượng sau làm khô, việc nghiên cứu chế tạo máy sấy cho nho vấn đề cấp thiết Do em đã chọn đề tài “Tính toán, thiết kế thiết bị sấy bơm nhiệt để sấy nho suất 200kg nguyên liệu/mẻ” Tuy nhiên với kiến thức hạn chế nguồn tài liệu tham khảo không đầy đủ, trình tính tốn có sai số nên khơng tránh khỏi sai sót Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy để em hồn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn! PHẦN I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nho 1.1.1 Giới thiệu vật liệu sấy * Mô tả Nho mợt loại mọng lấy từ lồi thân leo thuộc chi Nho (Vitis) Quả nho mọc thành chùm từ đến 300 quả, chúng có màu đen, lam, vàng, lục, đỏ-tía hay trắng Khi chín, nho có thể ăn tươi hoặc sấy khơ để làm nho khô, dùng để sản xuất loại rượu vang, thạch nho, nước quả, mật nho, dầu hạt nho * Nơi sống thu hái Ở Việt Nam, nho xác định chủ lực nên tập trung phát triển khu vực không bị ngập úng, có điều kiện khí hậu thời tiết đất đai phù hợp cho nho phát triển Khu vực trồng nho chủ yếu Việt Nam bao gờm tỉnh Ninh Thuận (chiếm 90% tổng diện tích) tỉnh Bình Thuận (chiếm 9% tổng diện tích nho nước) Diện tích trờng nho nước khoảng 2700 – 3000 ha, tỉnh Ninh Thuận chiếm khoảng 2500 – 2700 ha, chủ yếu xã Phước Hậu, Phước Sơn, Phước Nam, Phước Thuận Phước Dân, Tân Giang, Bầu Zôn Lanh Ra (huyện Ninh Phước), Thành Hải Ðô Vinh (Phan Rang – Tháp Chàm) Ninh Thuận quê hương nhiều loại giống nho suất chất lượng cao, nhiên chưa phát triển rộng rãi, mở rộng chủ yếu giống nho Cardinal (nho đỏ) mợt diện tích nhỏ giống NH.01-48 (nho xanh) Sản lượng hàng năm ổn định từ 60 – 65 ngàn Nho Ninh Thuận thường dùng để ăn tươi, làm rượu nho chế biến sản phẩm khác Vì vậy, việc đầu tư chế biến sản phẩm từ nho tại Ninh Thuận lĩnh vực tỉnh kêu gọi đầu tư Tuy nhiên, chưa quan tâm đầu tư KHKT nên nho chưa có điều kiện phát triển với khả thiếu sót chiến lược phát triển, sở nghiên cứu, giống trồng kỹ thuật canh tác * Thành phần hóa học Nho loại chứa nhiều chất dinh dưỡng, chất xơ, kali Nho cung cấp nhiều lợi ích sức khỏe hàm lượng chất dinh dưỡng chất chống oxy hóa cao Dưới 12 lợi ích sức khỏe hàng đầu nho Nho chứa đầy chất dinh dưỡng, đặc biệt vitamin C K Trong nho có chứa nguồn vitamin K dồi dào, một loại vitamin tan chất béo quan trọng cho trình đông máu giúp xương khỏe mạnh Nho nguồn vitamin C, chất dinh dưỡng thiết yếu chất chống oxy hóa mạnh mẽ cần thiết cho sức khỏe mơ liên kết Ngồi ra, mợt chén nho cịn chứa chất dinh dưỡng sau: Calo: 104 Carbohydrate: 27.3 grams Protein: 1.1 grams Chất béo: 0.2 grams Chất xơ: 1.4 grams Vitamin C: 27% RDI Vitamin K: 28% RDI Thiamine: 7% RDI Riboflavin: 6% RDI Vitamin B6: 6% RDI Kali: 8% RDI Đồng: 10% RDI Magiê: 5% RDI Trong RDI là: Lượng hấp thụ hàng ngày tham khảo Nho chứa lượng chất chống oxy hóa cao giúp ngăn ngừa bệnh lý mãn tính Chất chống oxy hố, đơn cử hợp chất thực vật, giúp sửa chữa thương tổn tế bào gốc tự - phân tử có hại gây ứng kích oxy hóa Ứng kích oxy hóa có liên quan đến mợt số bệnh mãn tính bao gờm: Tiểu đường, ung thư bệnh lý tim mạch Nho chứa số lượng hợp chất chống oxy hóa cao, thực tế, nhà khoa học đã định danh 1.600 hợp chất thực vật có lợi chứa loại Các chất chống oxy hóa tập trung nhiều vỏ hạt nho Các chất chống oxy hóa nho tờn tại sau lên men, lí rượu vang đỏ chứa nhiều hợp chất Nho chứa hợp chất thực vật bảo vệ trước số loại ung thư Resveratrol một hợp chất tìm thấy nho đã chứng minh bảo vệ chống ung thư cách giảm viêm, hoạt đợng mợt chất chống oxy hóa ngăn chặn phát triển lây lan tế bào ung thư thể Một nghiên cứu nhóm 30 người 50 tuổi cho thấy ăn pound (450 gram) nho ngày hai tuần làm giảm dấu hiệu nguy ung thư đại tràng Sử dụng nho thường xuyên có thể bảo vệ người dùng trước một số loại ung thư Nho mang lại nhiều lợi ích cho tim bạn Ăn nho mang lại nhiều lợi ích cho tim bạn, chẳng hạn như: 4.1 Ăn nho giúp giảm huyết áp Một chén nho (151 gram) chứa 288 mg Kali, chiếm 6% (RDI) Chất khoáng cần thiết việc trì mức huyết áp khỏe mạnh Khơng nạp đủ Kali có thể dẫn đến tăng nguy mắc cao huyết áp, bệnh lý tim mạch đột quỵ 4.2 Ăn nho giúp giảm cholesterol máu Các hợp chất có nho có thể phịng chống tăng mỡ máu cách giảm hấp thu cholesterol Một nghiên cứu thực 69 người có mỡ máu cao ăn 500gr nho đỏ ngày tuần, cho thấy cholesterol toàn phần cholesterol xấu giảm đáng kể Nho giúp giảm đường máu chống lại bệnh tiểu đường Một chén nho 151 gram chứa 23 gram đường, có thể mợt lựa chọn tốt cho người bệnh tiểu đường Trong một nghiên cứu kéo dài 16 tuần với 38 nam giới, họ dùng 20 gram chiết xuất nho ngày cho thấy lượng đường máu giảm xuống, so với nhóm đối chứng Hơn nữa, resveratrol đã chứng minh có khả tăng đợ nhạy insulin, giúp cải thiện khả tiêu thụ glucose thể từ làm giảm mức đường máu Sử dụng nho hợp lý giúp người bệnh phòng chống bệnh tiểu đường Nho chứa nhiều hợp chất tốt cho mắt Các hố chất ng̀n gốc thực vật có nho có thể bảo vệ trước mợt số bệnh mắt thông thường Trong một nghiên cứu ống nghiệm, resveratrol phát có khả bảo vệ tế bào võng mạc mắt trước tia cực tím A Điều giúp giảm nguy bệnh thối hóa điểm vàng liên quan đến tuổi tác (AMD), một bệnh mắt phổ biến, tăng nhãn áp, đục thủy tinh thể bệnh mắt tiểu đường Ngoài ra, nho có chứa chất chống oxy hóa lutein zeaxanthin hợp chất giúp bảo vệ mắt khỏi bị hư hại từ ánh sáng xanh Nho giúp cải thiện trí nhớ, khả tập trung tâm trạng Ăn nho bổ trợ sức khỏe não bộ tăng cường trí nhớ Các nghiên cứu tiến hành chuột cho thấy resveratrol cải thiện khả học hỏi, trí nhớ tâm trạng uống tuần Thêm vào đó, não cḥt thể dấu hiệu tăng trưởng não tăng máu nuôi đến não Resveratrol có thể hỗ trợ bảo vệ trước bệnh Alzheimer, mặc dù cần thêm nhiều nghiên cứu người để xác nhận điều Nho chứa nhiều chất dinh dưỡng quan trọng cho xương Nho chứa nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho xương, bao gồm canxi, magie, kali, phốt pho, mangan vitamin K Mặc dù nghiên cứu chuột cho thấy resveratrol cải thiện mật độ xương, kết nghiên cứu người chưa xác nhận Nho chứa nhiều chất dinh dưỡng cần thiết canxi Nho chống lại số loại nhiễm trùng, nhiễm vi rút nấm Trong nho có vitamin C dời dào, giúp bảo vệ chống lại virus cúm, ngăn chặn virus herpes, thủy đậu Ngoài ra, nho chế biến thêm vào loại thực phẩm khác có tác dụng ngăn chặn phát triển vi khuẩn có hại, chẳng hạn E Coli 10 Ăn nho giúp làm chậm q trình lão hố tăng tuổi thọ Hợp chất Resveratrol có nho có tác dụng kích thích mợt họ protein gọi sirtuins, có liên quan đến tuổi thọ Mợt gen mà resveratrol kích hoạt gen SirT1 Đây mợt gen kích hoạt chế đợ ăn calo, có liên quan đến tuổi thọ dài nghiên cứu động vật Resveratrol ảnh hưởng đến một số gen khác liên quan đến lão hóa tuổi thọ 11 Ăn nho giúp ngăn ngừa bệnh mãn tính nhờ giảm viêm Viêm mãn tính đóng mợt vai trị quan trọng phát triển bệnh mãn tính, chẳng hạn ung thư, bệnh tim, tiểu đường, viêm khớp bệnh tự miễn Trong một nghiên cứu 24 người đàn ơng mắc hợi chứng chủn hóa - yếu tố nguy mắc bệnh tim - chiết xuất bột nho tương đương với khoảng 1,5 cốc (252 gram) nho tươi làm tăng số lượng hợp chất chống viêm máu họ Tương tự, một nghiên cứu khác 75 người mắc bệnh tim cho thấy uống chiết xuất bột nho làm tăng mức độ hợp chất chống viêm, so với nhóm đối chứng Ăn nho thường xuyên giúp ngăn ngừa bệnh mãn tính 12 Nho ngon miệng, đa dạng cách chế biến dễ kết hợp vào chế độ ăn lành mạnh Rất dễ đưa nho vào chế độ ăn lành mạnh, bạn có thể kết hợp sau: - Ăn nho tươi - Đông lạnh nho để làm bữa nhẹ giảm nhiệt Thêm nho cắt nhỏ vào rau trợn hoặc rau trộn thịt gà Làm hoa tươi trộn với nho Làm sinh tố nho hoặc nước nho Làm khai vị hoặc tráng miệng với nho phơ mai Dùng nước ép nho nguyên chất Mặc dù nho có chứa đường, chúng có số đường huyết thấp không làm tăng lượng đường máu Để có nhiều lợi ích nhất, hãy chọn nho tươi, nho đỏ nho trắng 1.1.2 Xác định thông số đầu vào vật liệu sấy a) Thành phần dinh dưỡng vật liệu sấy Nho sấy khô giàu vitamin: C, B1, B6, PP K Thành phần hóa học Nho sấy khơ bao gờm: 13% nước, 9,2% protit, 1,5% lipit, 48% đường, 10,4% tinh bột, 9,6% xenluloza, 2% axit, 6,3 % tro b) Xác định kích thước vật liệu Sử dụng thước kẹp có đợ xác 0,05mm có thang đo từ 0,05 - 100mm Kích thước ban đầu kích thước lớn nho thái Kích thước ngang (đường kính) đo gần nho Tiến hành đo thí nghiệm 10 lần thu kết trung bình nho c) Xác định ẩm độ vật liệu sấy Ẩm độ một thông số kỹ thuật quan trọng làm sở cho trình sấy Căn vào ẩm đợ đầu cuối mà chúng tơi có thể tính thời gian sấy lý thuyết thời gian bảo quản Ẩm độ đầu nho xác định phương pháp tủ sấy d) Phương pháp xác định màu, mùi Bằng cách đánh giá cảm quan nhiều người màu sắc nguyên liệu đầu vào sản phẩm e) Lựa chọn chế độ sấy Đối với rau nói chung Nho nói riêng nhiệt độ sấy yêu cầu không cao Thông thường loại rau nhiệt độ sấy không q 600C, cao có thể làm tổn thương thành phần vitamin, chất dinh dưỡng màu sắc sản phẩm dẫn đến làm giảm giá thành sản phẩm Ở ta tính tốn theo hai chế độ sấy khác nhau, một chế độ sấy hời lưu hồn tồn tác nhân sấy chế đợ thải bỏ tác nhân sấy 1.2 Xác định phương pháp sấy phù hợp 1.2.1 Phương pháp sấy nóng Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy vật liệu sấy đốt nóng Do tác nhân sấy đốt nóng nên độ ẩm tương đối giảm Mặt khác, nhiệt độ vật liệu sấy tăng lên, nên mật độ mao quản tăng, nên phân áp suất nước bề mặt vật liệu tăng Trong hệ thống sấy nóng có hai cách để tạo độ chênh phân áp suất nước vật liệu sấy môi trường: giảm phân áp suất nước tác nhân sấy cách đốt nóng hay tăng phân áp suất nước vật liệu sấy Hệ thống sấy nóng, phân loại theo phương pháp cung cấp nhiệt: - Hệ thống sấy đối lưu: vật liệu sấy nhận nhiệt đối lưu từ một dịch thể nóng mà thơng thường khơng khí nóng hoặc khói lị Hệ thống sấy đối lưu gờm: hệ thống sấy b̀ng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động… - Hệ thống sấy tiếp xúc: vật liệu sấy nhận nhiệt từ mợt bề mặt nóng Như vậy, hệ thống sấy tiếp xúc, người ta tạo độ chênh lệch áp suất nhờ tăng phân áp suất nước bề mặt vật liệu sấy Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ thống sấy lô, hệ thống sấy tang… - Hệ thống sấy xạ: vật liệu sấy nhận nhiệt, từ một nguồn xạ để dẫn ẩm dịch chuyển từ lòng vật liệu sấy bề mặt từ bề mặt vào môi trường Ở người ta tạo độ chênh phân áp suất nước vật liệu sấy môi trường cách đốt nóng vật liệu sấy - Hệ thống sấy dùng dịng điện cao tần hoặc dùng lượng điện từ trường: vật liệu sấy đặt môi trường điện từ vật xuất dịng điện dịng điện đốt nóng vật liệu Ưu điểm: + Thời gian sấy ngắn so với phương pháp khác + Năng suất cao chi phí ban đầu thấp + Ng̀n lượng sử dụng có thể nước nóng, hay ng̀n nhiệt từ dầu mỏ than đá, điện Nhược điểm: + Chỉ sấy vật sấy khơng cần có yêu cầu đặc biệt nhiệt độ + Sản phẩm sấy thường hay bị biến màu chất lượng không cao 10 Bảng Thông số trạng thái không khí quá trình sấy thực tế , % Điểm t, oC Pbh, bar 25 80 0,032 100 0,011 38 16,62 0,066 1* 45 11,5 0,095 2’ 31 41,2 0,044 3’ 15,88 100 0,018 3.4.5 Cân bằng lượng theo thực tế d, kgẩm/kgkk I, kJ/kgkk 0,0159 65,48 0,0068 25,13 0,0068 55,63 0,0068 62,74 0,0117 61,04 0,0117 45,54 Lượng khơng khí khơ cần thiết làm bay 1kg ẩm: ltt = 1 = = 204, 081 kgkk/kg ẩm d 2' − d1* 0, 0117 − 0, 0068 Lượng khơng khí khơ tuần hồn q trình sấy: Ltt = W 1 = 17,86 = 3644,88 kgkk/h d 2' − d1* 0, 0117 − 0, 0068 Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp cho q trình sấy để làm bay 1kg ẩm: qnt = I1 − I 55, 63 − 25,13 = = 6224, 48 kJ/kg ẩm d 2' − d1* 0, 0117 − 0, 0068 Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy mẻ: Qnt = qnt W = 6224, 48.17,86 = 111169, 21 kJ Cơng suất dàn nóng: Qk = Qnt 111169, 21 = = 30,88 kW 3600 3600 Lượng ẩm ngưng tụ: dtt = d 2' − d1* = 0, 0117 − 0, 0068 = 0, 0049 kg ẩm Lượng nhiệt thu từ ngưng tụ 1kg ẩm: qbh = I 2' − I 61, 04 − 25,13 = = 7328, 57 kJ/kg ẩm d 2' − d1* 0, 0117 − 0, 0068 34 Nhiệt lượng dàn lạnh thu được: Qbh = qbh W = 7328,57.17,86 = 130888, 26 kJ/h Công suất dàn lạnh: Q0 = Qbh 130888, 26 = = 36,36 kW 3600 3600 Lượng nhiệt calorifer bổ sung cho trình sấy: qbs = ltt (I1* − I1 ) = 204,081.(62,74 − 55,63) = 1451,01 kJ/kg ẩm Nhiệt lượng calorifer cần cung cấp: Qbs = qbs W = 1451,01.17,86 = 25915,04 kJ/h Công suất calorifer: Qc = Qbs 25915, 04 = = 7, kW 3600 3600 Cơng suất dàn nóng: Qk = Qnt 111169, 21 = = 30,88 kW 3600 3600 Công suất dàn lạnh: Q0 = Qbh 130888, 26 = = 36,36 kW 3600 3600 35 PHẦN IV TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BƠM NHIỆT 4.1 Lựa chọn môi chất lạnh Đặc điểm gas lạnh R22 - Gas lạnh R22 thành phần CHCIF2, đợ tinh khiết lên đến 99,6% , một dạng chất lỏng không gây cháy nổ Ở nhiệt độ thấp gas lạnh R22 một chất khí khơng màu, khơng mùi khơng gây ảnh hưởng tới sức khỏe người - Gas R22 có khả chịu tạp chất có khơng khí lẫn vào nên việc nạp nhiên liệu gas R22 dễ dàng - Áp suất ngưng tụ gas R22 tương đối cao, áp suất bay lớn áp suất khí quyển nên khơng gây cháy, khơng nổ an tồn cho thể sống - Gas đợc hại, khơng cháy có hố tính ổn định, việc lắp đặt tương đối dễ nhờ khả chịu tạp chất có khơng khí lẫn vào Ưu điểm: - Là loại gas đợc hại, khơng cháy hóa tính ổn định - Gas lạnh R22 có khả chịu tạp chất có khơng khí lẫn vào nên việc lắp đặt dễ dàng, không yêu cầu khắt khe - Có áp suất ngưng tụ tương đối cao - Đối với máy lạnh dùng Gas R22 nguy tắc ẩm kết tủa thường xảy - Chi phí sạc gas bổ sung định kì sửa chữa rẻ so với dòng máy lạnh khác Nhiệt đợ mơi trường giải nhiệt (khơng khí) : tw = 38°C Nhiệt độ môi trường cần làm lạnh (khí): tf = 8°C Năng suất lạnh cần đảm bảo Q0 cho giờ; quy đổi kJ/h: 36,36 kW 4.2 Các thông số nhiệt môi chất lạnh 4.2.1 Tính nhiệt độ ngưng tụ tk Nếu mơi trường giải nhiệt khơng khí: tk = tw + (10 15) °C Nếu môi trường giải nhiệt nước: tk = tw + (5 8) °C Dàn ngưng bơm nhiệt có nhiệm vụ gia nhiệt cho khơng khí nên mơi trường làm mát dàn ngưng tác nhân sấy Với: tw2 - nhiệt đợ khơng khí khỏi dàn ngưng Theo yêu cầu tw2 = 38 0C Δt k - hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu Ta chọn t k = 10 0C Khi đó, nhiệt đợ ngưng tụ mơi chất là: tk = tw2 + Δt k = 38 + 10 = 480C 4.2.2 Tính nhiệt độ bay t0 Mơi trường làm lạnh khơng khí: t0 = tf - (7 10) °C 36 Môi trường làm lạnh khơng khí cho điều hịa nhiệt đợ: t0 = tf - (1220) °C Môi trường làm lạnh chất lỏng: t0 = tf - (4 6) °C Với: tf - nhiệt đợ khơng khí sau dàn bay tf = 0C Δt - Hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu Ta chọn Δt =7°C Như nhiệt độ sôi môi chất lạnh là: t0 = – = 1°C 4.3 Chọn tính tốn chu trình bơm nhiệt 4.3.1 Chọn chu trình Ứng dụng phần mềm CoolPack chun thiết kế, tính tốn, phân tích tối ưu hóa hệ thống đơng lạnh, ta có đờ thị logP – h biểu diễn chu trình nhiệt động môi chất lạnh hệ thống bơm nhiệt bảng thông số môi chất lạnh tại điểm hệ thống bơm nhiệt Ta có áp suất bay ngưng tụ tương ứng với nhiệt độ bay t0 nhiệt độ ngưng tụ tk là: t0 = 0C tk = 480C → → p0 = 5,138 bar pk = 18,543 bar pk 18,543 = = 3,609 p0 5,138 Với = 3,609 12 nên ta chọn máy nén cấp Như vậy, ta có tỉ số nén: = 4.3.2 Sơ đờ ngun lý làm việc Sơ đờ chu trình tuần hồn mơi chất theo lý thuyết Đờ thị logP – h biểu diễn chu trình nhiệt đợng mơi chất lạnh hệ thống bơm nhiệt bảng thông số môi chất lạnh tại điểm hệ thống bơm nhiệt Năng suất lạnh yêu cầu hệ thống bơm nhiệt 36,36 kW Ứng dụng phần mềm Coolpack chun thiết kế, tính tốn, phân tích tối ưu hóa hệ thống đơng lạnh, ta có 37 4.3.2 Bảng thông số điểm nút đờ thị Tra bảng tính chất nhiệt đợng R22 trạng thái bão hịa bảng tính chất nhiệt động nhiệt R22 – Ta có bảng thơng số nhiệt đợng mơi chất đồ thị sau: Bảng 4.3.2 Thông số trạng thái điểm nút r Điểm Trạng thái P bar T C v.10-3 m3/kg h kJ/kg S kJ/kgK 2’ Hơi bão hịa khơ x=1 Hơi nhiệt Lỏng sôi, x=0 Lỏng chưa sôi Hơi bão hòa ẩm 5,138 5,138 18,548 18,548 5,138 25 48 34,4 45,55 51,41 12,58 405,9 423,35 260,45 242,95 248,1 1,751 1,815 1,207 1,144 1,154 4.3.3 Tính tốn máy nén Máy nén lạnh bộ phận quan trọng hệ thống lạnh máy nén Máy nén có nhiệm vụ: - Liên tục hút sinh thiết bị bay - Duy trì áp suất P0 nhiệt độ t0 cần thiết - Nén lên áp suất cao tương ứng với môi trường làm mát, nước hoặc khơng khí, đẩy vào thiết bị ngưng tụ 38 - Đưa lỏng qua van tiết lưu trở thiết bị bay hơi, thực q trình tuần hồn kín mơi chất lạnh hệ thống Tính lượng mơi chất m tuần hồn hệ thống lạnh giờ: Q 102704, m= = = 636,33 kg/h q0 161, Thể tích hút giờ máy nén: Vlt = m.v1 = 636,33 0,05141 = 32,71 , m3/h Hệ số cấp λ Với π = 3,609 tra đồ thị Hình 3.8 trang 48 – sách Kỹ thuật Lạnh ta λ = 0,79 cho máy nén R22 Thể tích hút thực tế: Vtt = .Vlt = 0,79.32,71 = 25,84 m3/h Lưu lượng nén qua máy nén: V 25,84 m = tt = = 502,70 kg/h v1 0,05141 Năng suất lạnh Qo máy nén: 502, 70 Q0 = m.q0 = 161, = 22,53 kW 3600 Công nén lý thuyết: 502, N s = m.l = 36,15 = 5, 05 kW 3600 Hiệu suất nén hứu ích ηe = 0,76 (tra đờ thị Hình 3.10 trang 50 – 1) môi chất R22, π =3,609 Công nén hữu ích Ne: N 5, 05 Ne = s = = 6, 64 kW e 0, 76 Công nén điện tiêu thụ: Nel Hiệu suất động cơ: ηel = 0,9 Hiệu suất truyền động: ηtd = 0,95 Ne 6, 64 N el = = = 7, 77 kW el td 0,9.0,95 Công suất điện lắp đặt Nđc : Nđc = 1,1 Nel = 1,1 7,77 = 8,55 kW Q0 =22,53 kW Vtt = 25,84 m3/h Ne =6,64 KW = 3,609 Chọn máy nén Scroll compressor ZR12M3-TWD, 3phase, V= 28,8 m3/h, Q0=29,890 kW 39 4.4 Tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt 4.4.1 Dàn ngưng tụ Thiết bị ngưng tụ bơm nhiệt có cơng dụng gia nhiệt cho khơng khí trước vào b̀ng sấy từ trạng thái bão hòa sau dàn lạnh Chọn loại dàn ngưng: Ta chọn loại dàn ngưng giải nhiệt khơng khí đối lưu cưỡng Cấu tạo gờm mợt dàn ống trao đổi nhiệt thép hoặc ống đồng có cánh nhơm hoặc sắt bên ngồi, bước cánh nằm khoảng – 10 mm Chọn ống cho dàn ngưng: Do môi chất Freon R22 nên ta chọn ống đồng cánh nhôm để làm ống dẫn môi chất dàn ngưng Các ống có cánh thường có thơng số: Ớng: - Đường kính trong: Đường kính ngồi: Bước ống: Chiều dài đoạn ống: dtr = 15 mm dng = 18 mm s1 = s2 = s = 34 mm l = 0,5 m Cánh xoắn tròn: - Chiều dày: Bước cánh: Đường kính cánh: c = 0, mm sc = 3,5 mm dc = 32 mm ❖ Các thông số cho trước ✓ Công suất dàn ngưng tụ trong: ✓ Nhiệt đợ khơng khí vào dàn: ✓ Nhiệt đợ khơng khí khỏi dàn: ✓ Nhiệt độ ngưng tụ môi chất: ✓ Lưu lượng mơi chất qua dàn ngưng: ✓ Lưu lượng khơng khí qua dàn: ✓ Tốc đợ khơng khí đầu vào dàn: Qk = 30,88 kW tkk’ = t1 = 0C tkk” = t2 = 38 0C tk = 480C G = 0,176 kg/s Gkk = 0,748 kg/s, = 0,9 m/s 40 Qk Q = k , m2 k.Δt k q kf - Phụ tải nhiệt yêu cầu thiết bị ngưng tụ, W; - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K; - Đợ chênh nhiệt đợ lơgarit trung bình, K; - Mật đợ dịng nhiệt, W/m2; ❖ Tính diện tích trao đổi nhiệt: Trong đó: Qk k t k qkf F= ❖ Tính đợ chênh nhiệt đợ trung bình Khi tính tốn có thể coi nhiệt đợ thiết bị ngưng tụ không đổi tk Độ chênh nhiệt đợ trung bình tính theo cơng thức: Δt - Δt Δt tb = max , C Δt max ln Δt Trong đó: tmax = t k - t kk' = 48 - = 40 0C tmin = t k - t kk" = 48 - 38 = 10 0C Ta tính t tb = 180C ❖ Xác định hệ số truyền nhiệt k Do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,2 < 1,4) nên q trình truyền nhiệt vách trụ có thể coi truyền nhiệt qua vách phẳng Lúc hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo cơng thức: , W/m.K k= δ + + α1 λ α2 εc Trong đó: 1 , - Hệ số trao đổi nhiệt bên ống trao đổi nhiệt, W/m2K - Hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm ống, W/mK Tra bảng phụ lục 2, thông số vật lý một số chất rắn ta có: λcu = 389 W/mK δ - Chiều dày vách Ở chiều dày vách trụ tính theo cơng thức: δ = 0,5.(dng – dtr) = 0,5.(0,018 - 0,015) = 0,0015 m εc - Hệ số làm cánh Hệ số làm cánh tính theo cơng thức: εc = + n c ( dc2 - d 2ng ) 2.dtr l nc - Số cánh ống: =1+ nc = 143 ( 0,0322 - 0,0182 ) 2.0,015.0,5 = 7,67 l = = 143 cánh 2.sc 2.0,0035 ❖ Tính hệ số trao đổi nhiệt bên ngồi α2 ✓ Số cánh ống: nc = 143 cánh d c - d ng 32 - 18 = = mm ✓ Chiều cao cánh: h = 2 41 Fc1 F d ng +F 2.n c ✓ Đường kính tương đương: dE = c F01 +Fc1 Trong đó: Fc1 - Diện tích phần khơng cánh ống Fc1 = dng.nc.sc = 3,14.0,018.143.0,0035 = 0,0283 m2 Fc1 - Diện tích phần có cánh dc2 - d 2ng 2.3,14.(0,0322 - 0,0182 ).143 F = 2 nc = = 0,157 m2 4 c Thay vào ta có: d E = 0,0283.0,018+0,157 0,0283+0,157 0,157 2.143 = 0, 0226 m ✓ Tốc độ tại khe hẹp tính theo cơng thức: ωmax = ω 3,1 = = 2,04 m/s2 d 2.h.δc 1- 0,018 + 2.0,007.0,0003 1- ng + 0,034 0,034.0,0035 s1.sc s1 ✓ Nhiệt độ không khí trung bình: ttb = 0,5.(tkk’ + tkk”) = 0,5.(8 + 38) = 240C Thông số vật lý không khí khơ nhiệt đợ 240C ta có: = 1,19 kg/m3; = 15,436.10-6 m2/s; k = 2,622.10-2 W/mK Ta có thể tính hệ số Re theo cơng thức: ω d 2,04.0,0226 Re = max E = -6 = 10, 4.10 ν 15,436.10 ✓ Khi hệ số Nu tính theo cơng thức với ống xếp song song Nu = 0,138.Re0,63 = 46,8 k Nu.λ k 46,8.2,622.10-2 = = 54,3 W/m2K dE 0,0226 Fc1 ✓ Hệ số toả nhiệt tương đương phía ống có cánh: α = αc ( ηc +χ ) , W/m2K F2 ✓ Hệ số toả nhiệt cánh: αc = Trong đó: F01 0,0283 = 0,18 -χ = = Fc 0,157 - F21 = Fc1 + F01 = 0,0283 + 0,157 = 0,1853 m2 - Hiệu suất cánh: c = 0,95 Vậy: α = 54,3 0,157 ( 0,95+0,18) = 52 W/m K 0,1853 ❖ Tính hệ số trao đổi nhiệt bên α1 Với R22 ngưng ống nằm ngang ta có thể dùng công thức: 42 λ3.ρ2.g.r 1 = 1, 2. N = 1, 2.0, 728 μ.Δt.d ng 0,25 , W/m2K Trong đó: r = 154,03 kJ/kg - Nhiệt ẩn hóa mơi chất; ρ = 1085 kg/m3 - Khối lượng riêng môi chất lỏng dàn ngưng; = 714 W/mK - Hệ số dẫn nhiệt môi chất lỏng dàn ngưng; t = tk – tw - Độ chênh nhiệt độ ngưng tụ vách ống, 0K; = 2,1.104 Ns/m2 - Độ nhớt động lực học môi chất lỏng bình ngưng; g – Gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2; Các thông số lấy tại tk = 48 0C Giả thiết tw = 46,7 0C, ta tính t w theo phương pháp lặp Thay thơng số vào cơng thức ta có: 0,25 λ3.ρ2 g.r α1 = 1,2α N = 1,2.0,728. μ.Δ t d = 1,2.0,728 9,81.1085 714 154,03 2,1.104 1,3.0,018 Thay vào: k= k= Khi đó: 0,25 = 4922 W/m2K 1 δ + + α1 λ α ε c 1 0,0018 + + 4922 714 52.7,67 = 368,6 W/m2K q = k Δt tb = 368,6.18 = 6638,4 W/m2 q’ = (tk - tw) = 4922.1,3 = 6398,6 W/m2 So sánh q q’ với sai số cho phép không 5% ta có: q - q' 6638,4 - 6398,6 ε= = = 0, 036 = 3,6% 5% q 6638, Vậy k = 368,6 W/m2K; α1 = 4922 W/m2K tw = 46,7 0C ❖ Diện tích trao đổi nhiệt bên trong: Fk = Qk 30,88.103 = = 4, 65 (m2) k tk 368, 6.18 ❖ Tính thơng số cụ thể dàn ngưng F 4,65 n= k = = 72, * Số ống dàn: dtr l 3,14.0,015.0.5 43 n = 72,2 ta chọn n = 80 ống Chọn số ống hàng m = 16 ống ta có số hàng ống dàn ngưng là: z = n/m = * Kích thước dàn ngưng: - Chiều rộng dàn: B = z.s2 = 5.0,034 + 2.0.05= 0,3 m - Chiều cao dàn: H = m.s1 = 16.0,034 + 15.0,01= 0,54 m - Chiều dài dàn đã chọn: L = 0.6 m 4.4.2 Dàn bay Dàn bay có tác dụng nhận nhiệt khơng khí chủn đợng bên ngồi dàn làm nhiệt đợ khơng khí giảm xuống nhiệt độ đọng sương để tách một phần ẩm không khí trước vào dàn bay đờng thời hóa môi chất chuyển động bên dàn lạnh từ trạng thái lỏng đến trạng thái bão hòa Chọn loại dàn bay hơi: Dàn bay có tác dụng làm lạnh khơng khí nên ta chọn loại dàn bay làm lạnh khơng khí đối lưu cưỡng Do làm lạnh khơng khí đến điểm sương nên dàn bay có máng hứng nước ngưng Cấu tạo dàn bay hình vẽ Do môi chất Freon R22 nên ta chọn ống đồng cánh nhôm để làm ống dẫn môi chất dàn bay Các ống có cánh thường có thơng số: Ớng: - Đường kính trong: Đường kính ngồi: Bước ống: Chiều dài đoạn ống: dtr = 19 mm dng = 22 mm s1 = s2 = s = 44 mm l = 0.5 m Cánh tròn - Chiều dày: c = 0,35 mm 44 - Bước cánh: Đường kính cánh: sc = mm dc = 42 mm ❖ Các thông số cho trước: ✓ Công suất dàn bay hơi: ✓ Nhiệt đợ khơng khí vào dàn bay hơi: ✓ Nhiệt đợ khơng khí khỏi dàn: ✓ Nhiệt độ bay môi chất dàn: ✓ Lưu lượng môi chất qua dàn bay hơi: ✓ Lưu lượng khơng khí qua dàn: ✓ Tốc đợ khơng khí đầu vào dàn: Q0 Q0 = , m2 k.Δt q 0f - Phụ tải nhiệt yêu cầu thiết bị bay hơi, W; - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K; ❖ Tính diện tích trao đổi nhiệt: Trong đó: Q0 k t0 Qk = 36,36 kW tk0’ = 31 0C tk0” = 0C t0 = 0C G = 0,176 kg/s Gkk = 0,748 kg/s 0,9 m/s F= - Đợ chênh nhiệt đợ lơgarit trung bình, K; q0f - Mật đợ dịng nhiệt, W/m2; ❖ Tính đợ chênh nhiệt đợ trung bình Khi tính tốn có thể coi nhiệt độ thiết bị bay không đổi t0 Đợ chênh nhiệt đợ trung bình tính theo cơng thức: Δt tb = Δt max - Δt , C Δt max ln Δt Trong đó: ▪ Δt max = t k0' - t = 31 - = 30 0C ▪ Δt = t k0" - t = - = 0C Ta tính t tb = 15,80C ❖ Xác định hệ số truyền nhiệt k Do ống có chiều dày mỏng (dng/dtr= 1,2 < 1,4) nên q trình truyền nhiệt vách trụ có thể coi truyền nhiệt qua vách phẳng Lúc hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo cơng thức: , W/m.K k= δ + + α1 λ α ε c Trong đó: 1 , - Hệ số trao đổi nhiệt bên ống trao đổi nhiệt, W/m2K - Hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm ống, W/mK Tra bảng phụ lục 2, thông số vật lý một số chất rắn ta có: λcu = 389 W/mK δ - Chiều dày vách Ở chiều dày vách trụ tính theo công thức: δ = 0,5.(dng – dtr) = 0,5.(0,022 - 0,019) = 0,0015 m εc - Hệ số làm cánh Hệ số làm cánh tính theo cơng thức: 45 εc = + n c ( dc2 - d 2ng ) 2.dtr l =1+ nc - Số cánh ống: nc = 125 ( 0,0422 - 0,0222 ) 2.0,019.0,5 = 9,42 l 0.5 = = 125 cánh 2.sc 2.0,004 ❖ Tính hệ số trao đổi nhiệt bên α2 ✓ Số cánh ống: nc = 125 cánh d c - d ng 42 - 22 = = 10 mm ✓ Chiều cao cánh: h = 2 Fc1 1 F0 d ng +Fc 2.n c ✓ Đường kính tương đương: d E = F01 +Fc1 Trong đó: F01 - Diện tích phần khơng cánh ống F01 = dng.nc.sc = 3,14.0,022.125.0,004 = 0,0345 m2 Fc1 - Diện tích phần có cánh dc2 -d 2ng 2.3,14.(0,0422 -0,0222 ).143 F = 2 nc = = 0,157 m2 4 c Thay vào ta có: d E = 0,0345.0,022+0,2512 0,0345+0,2512 0,2512 2.125 = 0, 0305 m ✓ Tốc đợ tại khe hẹp tính theo công thức: ωmax = ω 3,1 = =9,1 m/s2 d 2.h.δc 1- 0,022 + 2.0,01.0,00035 1- ng + 0,036.0,004 s1.sc 0,036 s1 ✓ Nhiệt đợ khơng khí trung bình: ttb = 0,5.(tk0’ + tk0”) = 0,5.(27 + 7) = 17 0C Thơng số vật lý khơng khí khơ nhiệt đợ 17 0C ta có: k = 1,205 kg/m3; = 15,06.10-6 m2/s; k = 2,6.10-2 W/mK ✓ Ta có thể tính hệ số Re theo công thức: ω d 9,1.0,03085 Re = max E = -6 = 18, 016.10 ν 15,06.10 ✓ Khi hệ số Nu tính theo cơng thức với ống xếp song song Nu = 0,138.Re0,63 = 66,2 Nu.λ k 66,2.2,6.10-2 = = 56,87 W/m2K ✓ Hệ số toả nhiệt cánh: αc = dE 0,0305 Fc1 ✓ Hệ số toả nhiệt tương đương phía ống có cánh: α =αc ( ηc +χ ) , W/m2K F2 F01 0,0345 =0,1375 Trong đó: - χ = = Fc 0,2512 46 F21 = F + F = 0,0345 + 0,2512 =0,2857 m2 - c = 0,95 : Hiệu suất cánh - Vậy: α =56,87 c 0,2512 ( 0,95 + 0,1375) = 54, W/m2K 0,2857 ❖ Tính hệ số trao đổi nhiệt bên α1 α1 =A θ 2,5 1,5 ω.ρl d tr 0,5 , W/m2K Trong đó: ω - Tốc đợ chủn đợng lỏng R22 hệ thống, m/s Với R22: ω = 0,4 – m/s Ta chọn ω = 0,5 m/s ρ l - Khối lượng riêng cuả R22 lỏng tại 0C: l = 1,284.103 kg/m3; A - Tại 00C, ta chọn A = 1,32 ; = tw – t0; dtr - Đường kính ống, m; Do tw chưa biết nên ta tìm phương pháp lặp: Giả sử tw = 3,90C, ta tính được: 0,5 0,5.1,284.103 2,5 1,5 = 1,32 (3,9 – 0) = 2843,15 W/m K -3 19.10 Thay vào: k= δ + + α1 λ α ε c k = = 424 W/m2K 0,0015 + + 2843,15 389 54,4.9,42 Khi đó: q = k t = 424.15,8 = 7055,36 W/m2 q’ = (tw – t0) = 2843,15.2,9 = 7085,37 W/m2 So sánh q q’ với sai số cho phép không 5% ta có: q - q' 7055, 36 − 7085, 37 ε= = = 0, 004 = 0, 4% 5% q 7055, 36 Vậy k = 429 W/m2K; α1 = 843,15 W/m2K tw = 3,9 0C Diện tích trao đổi nhiệt bên trong: tb F0 = Q0 36,36.103 = = 5, m2 k t0 424.15,8 ❖ Tính thơng số cụ thể dàn bay * Số ống dàn: n= F0 5, = = 87, dtr l 3,14.0,019.1 47 n = 87,2 ta chọn n = 90 ống Chọn số ống hàng m = 15 ống ta có số hàng ống dàn bay là: z = n/m = * Kích thước dàn bay hơi: - Chiều rộng dàn: B = z.s2 = 6.0,044 + 0.05.2 = 0,400 m - Chiều cao dàn: H = m.s1 = 15.0,044 + 0.05.2 = 0,700 m - Chiều dài dàn đã chọn L = 0.6 m 4.5 Tính tốn trở lực chọn quạt 48