Đề tài Tính toán thiết kế chế tạo hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp điện trở (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Tính toán thiết kế chế tạo hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp điện trở (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT KẾT HỢP ĐIỆN TRỞ S K C 0 0 0 2 8 1 MÃ SỐ: T2011 - 42 S K C 0 0 3 3 0 7 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2011
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT KẾT HỢP ĐIỆN TRỞ MÃ SỐ: T2011- 42 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: NGUYỄN LÊ HỒNG SƠN TP. Hoà Chí Minh, 2011
3. MỤC LỤC MỤC LỤC 1 Chƣơng 1: MỞ ĐẦU 2 1.1 Đặt vấn đề: 2 1.2 Mục đích nghiên cứu: 2 1.3 Đối tƣợng nghiên cứu: 2 1.4 Giới hạn nghiên cứu: 2 Chƣơng 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM BẰNG BƠM NHIỆT 3 2.1 Các phƣơng pháp sấy nông sản thực phẩm: 3 2.2 Bơm nhiệt sấy nông sản thực phẩm: 4 Chƣơng 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT 7 3.1 Tính toán thiết kế máy sấy bơm nhiệt: 7 3.2 Mô hình máy sấy: 37 Chƣơng IV: KẾT LUẬN 40 4.1 Kết luận: 40 4.2 Đề nghị: 40 TÀI KIỆU THAM KHẢO 41 1
4. Chƣơng 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề: Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng trong rất nhiều ngành công nông nghiệp. Trong công nghiệp chế biến nông lâm, hải sản kỹ thuật sấy đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới với gần 80% dân số làm nghề nông nên các loại nông sản thực phẩm đa dạng, phong phú và có sản lượng rất lớn. Vì vậy, nghiên cứu phát triển công nghệ sấy các loại nông sản thực phẩm có thể coi là nhiệm vụ chiến lược trong sự nghiệp phát triển kinh tế. Trước đây, nông sản thực phẩm được phơi dưới ánh nắng mặt trời nên sản phẩm thu được thường có chất lượng thấp, thời gian phơi sấy lâu và bị phụ thuộc vào thời tiết. Công nghệ sấy phát triển cho phép tạo ra các sản phẩm có giá trị và chất lượng cao. Một trong những công nghệ sấy đang được nhiều nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng quan tâm nghiên cứu là sấy bằng bơm nhiệt nén hơi. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm tác giả tiến hành thiết kế, chế tạo thử nghiệm máy sấy lạnh. Mục đích của nghiên cứu là đưa ra một phương pháp chung để xác định chế độ sấy tiến tới xây dựng một thư viện chế độ sấy bơm nhiệt với các loại nông sản thực phẩm. 1.2 Mục đích nghiên cứu: Đưa ra một mô hình về thiết bị sấy bơm nhiệt giúp sinh viên chuyên ngành ứng dụng lý thuyết đã học vào mô hình thực tế. 1.3 Đối tƣợng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là hệ thống sấy bơm nhiệt tại nhiệt độ thấp kết hợp điện trở. 1.4 Giới hạn nghiên cứu: Trong phạm vi đề tài “Nghiên cứu chế tạo máy sấy bơm nhiệt kết hợp điện trở”, tác giả sẽ tập trung đưa ra thể thức nghiên cứu lý thuyết và chế tạo mô hình thực nghiệm. 2
5. Chƣơng 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM BẰNG BƠM NHIỆT Có rất nhiều NSTP như hoa quả, rau, gia vị, thảo mộc được sấy. Theo một thống kê chưa đầy đủ cña FAO ( tổ chức lương thực và nông nghiệp liên hợp quốc) thì khoảng 20% tổng sản lượng rau quả của thế giới được sấy, 50% được dïng khi còn tươi, 20% được bảo quản lạnh, 5% đóng lon và 5% muối chua. Nhu cầu tiêu thụ nông sản thực phẩm trên thế giới hiện nay đã tăng gấp 3 lần so với những năm 80, và sản lượng cũng tăng theo để đáp ứng nhu cầu đó, chính vì thế, việc sấy nông sản thực phẩm để bảo quản được lâu trong vận chuyển buôn bán ngày càng được quan tâm hơn. Có rất nhiều phương pháp được dùng để sấy NSTP, sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu một số phương pháp thường dùng. 2.1. CÁC PHƢƠNG PHÁP SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM Dựa vào trạng thái tác nhân sấy hay cách tạo ra động lực quá trình dịch chuyển ẩm ra khỏi vật liệu ẩm mà chúng ta có hai phương pháp sấy:  Phương pháp sấy nóng  Phương pháp sấy lạnh. Phương pháp sấy lạnh - Trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh áp suất hơi nước giữa VLS và TNS bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong TNS Ph nhờ giảm độ chứa ẩm d. Mối quan hệ đó được thể hiện theo công thức: B.d Ph = 0,621 d Trong đó: B: áp suất môi trường (áp suất khí trời). - Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể trên dưới nhiệt độ môi trường (t > 0 oC) và cũng có thể nhỏ hơn 0 oC. - Phương pháp sấy lạnh có thể phân loại như sau:  HTS lạnh nhiệt độ t > 0 oC: - Với hệ thống sấy này, nhiệt độ VLS cũng như nhiệt độ TNS xấp xỉ bằng nhiệt độ môi trường, TNS thường là không khí. Trước hết, không khí được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp phụ. Sau đó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua VLS. Khi đó, phân áp suất hơi nước trong TNS bé hơn phân áp suất hơi nước trên bề mặt VLS nên ẩm từ dạng lỏng sẽ bay hơi và đi vào TNS. Như vậy, quy luật dịch chuyển ẩm trong lòng VLS và từ bề mặt vật vào môi trường trong các HTS lạnh giống như các loại HTS nóng. Điều khác nhau ở đây là cách giảm phân áp suất hơi nước Ph trong TNS. Trong các HTS nóng đối lưu người ta giảm Ph bằng cách đốt nóng TNS (d = const) để tăng áp suất bão hoà dẫn đến giảm độ ẩm tương đối . Còn các HTS lạnh có nhiệt độ TNS bằng nhiệt độ môi trường chẳng hạn, người ta tìm cách giảm phân áp suất hơi nước của TNS bằng cách giảm lượng chứa ẩm d kết hợp với quá trình làm lạnh (sau khử ẩm bằng hấp phụ) hoặc đốt nóng (sau khử ẩm bằng làm lạnh). 3
6.  HTS thăng hoa: HTS thăng hoa là HTS lạnh mà trong đó ẩm trong VLS ở dạng rắn trực tiếp biến thành hơi đi vào TNS. Trong HTS này người ta tạo ra môi trường trong đó nước trong VLS ở dưới điểm 3 thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu T 610 Pa thì khi VLS nhận nhiệt lượng, nước trong VLS ở dạng rắn không thể chuyển trực tiếp thành hơi để đi vào TNS mà trước khi biến thành hơi, nước phải chuyển từ thể rắn qua thể lỏng.  Ưu điểm của phương pháp sấy lạnh:  Các chỉ tiêu về chất lượng như màu cảm quan, mùi vị, khả năng bảo toàn vitamin C cao.  Thích hợp để sấy các loại vật liệu sấy yêu cầu chất lượng cao, đòi hỏi phải sấy ở nhiệt độ thấp.  Sản phẩm bảo quản lâu và ít bị tác động bởi điều kiện bên ngoài  Quá trình sấy kín nên không phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường.  Nhược điểm của phương pháp sấy lạnh:  Giá thành thiết bị cao, tiêu hao điện năng lớn.  Vận hành phức tạp, người vận hànhcần có trình độ kỹ thuật cao.  Cấu tạo thiết bị phức tạp, thời gian sấy lâu.  Nhiệt độ môi chất sấy thường gần nhiệt độ môi trường nên chỉ thích hợp với một số loại vật liệu, không sấy được các vật liệu dể bị vi khuẩn làm hư hỏng ở nhiệt độ môi trường như bị ôi, thiu, mốc  Do cuốn bụi nên có thể gây tắc tại thiết bị làm lạnh. 2.2. BƠM NHIỆT SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM Bơm nhiệt là thiết bị dùng để đưa một dòng nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp đến nguồn có nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt. Để duy trì bơm nhiệt hoạt động cần phải tiêu tốn một dòng năng lượng khác như nhiệt năng, điện năng. Trong đề tài này chỉ đề cấp đến bơm nhiệt nén hơi dùng để sấy các loại NSTP. Sấy bằng bơm nhiệt có nhiều thuận lợi hơn sấy bằng không khí nóng thông thường để sấy sản phẩm NSTP, cụ thể là: quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ thấp, hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn do cả nhiệt hiện và nhiệt ẩn của chất bay hơi đều được thu hồi, chất lượng sản phẩm tốt hơn, quá trình sấy hoàn toàn độc lập với điều kiện bên ngoài. Ngoài ra, công nghệ này còn thân thiện với môi trường do chỉ thải ra nước ngưng. Nước ngưng được thu hồi và nếu có biện pháp xử lý thích hợp có thể thu hồi các chất có giá trị bị bay hơi vào nước ngưng. 2.2.1. Cấu tạo và nguyên lý máy sấy bơm nhiệt 5) Nguyên lý hoạt động  Sơ đồ nguyên lý. 4
7. Tái tuần hoàn toàn bộ tác nhân sấy Dàn lạnh Dàn nóng Buồng sấy Nước ngưng tụ thải ra ngoài Máy nén Hình 1: Sơ đồ cấu tạo máy sấy bơm nhiệt d =100% 3 d3 1 2 d1 t t t t 1 3 2 Hình 2: Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt  Nguyên lý làm việc: - TNS là không khí ẩm được làm lạnh từ trạng thái ban đầu 3 đến trạng thái 1, quá trình làm lạnh này có t1< tds ứng với trạng thái 3 của KKA, phần lớn lượng nước trong KKA được tách ra trong giai đoạn này. Ở trạng thái 1 không khí có độ ẩm =100% và nhiệt độ rất thấp. Do đó ta phải gia nhiệt cho không khí bằng điện trở hay dàn nóng của máy lạnh đến nhiệt độ t2 (ứng với độ ẩm tương đối 2 nhỏ đến giá trị cần thiết). Sau đó không khí ở trạng thái 2 được đưa vào buồng sấy. - Do ở trạng thái 2 không khí có độ ẩm tương đối 2 rất nhỏ cho nên nó sẽ hấp thụ nước từ vật cần sấy và ra khỏi buồng sấy ở trạng thái 3 Công suất sưởi dòng khí được tính toán theo công thức như sau: Qs = V. .(h1 – h3), kW Trong đó: 5
8. Qs- Công suất sưởi nóng cần thiết, kW V- Lưu lượng dòng khí qua dàn nóng, m3/s - Khối lượng riêng của dòng khí, kg/m3 h1, h3- Entanpi của dòng khí, kJ/kg 6
9. Chƣơng 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT 3.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT 3.1.1. Các thông số tính toán.  Vật liệu sấy. + Vật liệu sấy : carot + Độ ẩm ban đầu : 1 = 90%. + Độ ẩm cuối: 2 = 10 %. 3 + Khối lượng riêng của carot: carot = 944 kg/m  Tác nhân sấy. - Ta chọn tác nhân sấy là không khí với các thông số sau:  Thông số ngoài trời: thông số trung bình trong năm của không khí tại Thành Phố Hồ Chí Minh : 0 - Nhiệt độ trung bình: t0 = 27 C. - Độ ẩm trung bình : 0 = 74 %.  Thông số không khí trước khi vào thiết bị buồng sấy. 0 -Nhiệt độ tác nhân sấy vào thiết bị sấy: t2 = 45 C. - Tốc độ gió là 4,5m/s  Thông số không khí sau khi ra khỏi thiết bi buồng sấy. - Thông số không khí sau khi ra khỏi thiết bị buồng sấy phải cao hơn nhiệt độ đọng sương của không khí để tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy. Từ điểm O(250C;85%) trên đồ thị 0 I-d ta dóng theo đường d = const ta có ts = 21 C. - Nhiệt độ tác nhân sấy sau thiết bị sấy được chọn sao cho nó phải lớn hơn nhiệt độ đọng 0 sương. Ta chọn t3 = 25 C.  Thông số không khí sau dàn lạnh 0 - Nhiệt độ: chon t1 = 10 C. - Độ ẩm tương đối: quá trình làm lạnh trong dàn lạnh thường đạt đến trạng thái bão hòa nên nhiệt độ không khí sau dàn lạnh có thể lấy 1 = 100%.  Thời gian sấy: chọn T = 6 h.  Năng suất máy sấy: 8kg/mẻ. 3.1.2. Tính toán kích thƣớc buồng sấy. - Thể tích buồng sấy: 7