Đề tài Thiết kế hệ thống sấy Mít nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt

có: d3’ = 014,000676,0.2,6705,2546 00676,0.2,671,2556,57 .05,2546 .1,25 2 22 = - +- = D- D-- d dI kg/kgkkk - Entanpi: Thay d3’ vào (4-5) ta có: I3’ = 57,56 + 67,2.(0,014 - 0,00676) = 58,04 kJ/kgkkk - Độ ẩm: ( ) '3'3 '3 '3 .621,0 . bPd dB + =j = ( ) 0315,0.014,0621,0 014,0.993,0 + = 0,695 = 69,5 %. 4) Điểm 4’ - Độ ẩm: '4j = 100%. - Dung ẩm: d4’ = d3’ = 0,014 kg/kgkkk. Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 53 - Phân áp suất bão hoà: Pb4’ = ( ) '4'4 '4 .621,0 . jd dB + = 1).014,0621,0( 014,0.993,0 + = 0,022 bar. - Nhiệt độ t4 = 5,235ln12 42,4026 '4 - - bP = 5,235 022,0ln12 42,4026 - - = 19,1 0C. - Entanpi: Thay các giá trị t4,d4 vào công thức (4.3) ta có: I4 = 1,004.19,1 + 0,014(2500 + 1,842.19,1) = 54,67 kJ/kgkkk b) Tính toán nhiệt quá trình sấy thực tế * Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm: ltt = 00676,0014,0 11 2'3 - = - dd = 138,12 kgkkk/kga * Lưu lượng không khí tuần hoàn trong quá trình sấy Ltt = W.ltt = 111,54.138,21 = 15416 kg/mẻ * Lưu lựợng không khí tuần hoàn trong 1 giây: Gkk = 3600.16 15416 = t ttL = 0,27 kg/s * Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy để làm bay hơi 1 kg ẩm: qtt = 2'3 12 dd II - - = 00676,0014,0 03,2556,57 - - = 4493 kJ/kga. * Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy 1 mẻ: Qtt = W.qtt = 4493.111,54 = 501154 kJ * Năng suất nhiệt dàn nóng cung cấp để sấy trong 1 giây: Q0 tt = 3600.16 501154 = t ttQ = 8,7 kW. * Lượng ẩm ngưng tụ: D dtt = d3 –d2 = 0,014 – 0,00676 = 0,00724 kga. * Lượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm: qll tt = ltt.(I3’ – I1) = 138,12.(58,04 – 25,03) = 4522kJ/kga. * Lượng nhiệt dàn lạnh thu được: Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 54 Qll tt = W.qll tt = 4522.111,54 = 504389 kJ * Năng suất lạnh dàn lạnh cung cấp để làm lạnh trong 1 giây: 8,8 3600.16 504389 === t lltt ktt QQ kW Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 55 Chương 5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM NHIỆT 5.1 Chọn môi chất nạp và các thông số của môi chất 5.1.1 Chọn môi chất nạp Môi chất của bơm nhiệt cũng có yêu cầu như đối với máy lạnh. Ngày nay, người ta vẫn dùng loại môi chất như: R12, R22, R502, R21, R113, R114… Do hệ thống bơm nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao nên ta cần chọn môi chất nhiệt có nhiệt độ sôi cao. So sánh khả năng ứng dụng rộng rãi và ưu điểm nổi bật của các môi chất nhiệt ta chọn R22 làm môi chất lạnh cho bơm nhiệt. 5.1.2 Nhiệt độ ngưng tụ Dàn ngưng của bơm nhiệt có nhiệm vụ gia nhiệt cho không khí nên môi trường làm mát dàn ngưng chính là tác nhân sấy. Gọi tw2 là nhiệt độ không khí ra khỏi dàn ngưng. Theo yêu cầu thì tw2 = 40 0C. ktD là hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu. Theo [14], đối với dàn ngưng giải nhiệt bằng gió, ktD = (10 – 15 0C). Ta chọn ktD = 10 0C. Khi đó, nhiệt độ ngưng tụ của môi chất là: tk = tw2 + ktD = 40 + 10 = 50 0C. 5.1.3 Nhiệt độ bay hơi Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh có thể lấy như sau: t0 = tb - 0tD tb - nhiệt độ không khí sau dàn bay hơi. Theo yêu cầu của hệ thống sấy tb = 8 0C. 0tD : Hiệu nhiệt độ yêu cầu. Theo [14] thì hiệu nhiệt độ tối ưu là 0tD = (8 – 13 0C). Ta chọn 0tD = 8 0C. Như vậy nhiệt độ sôi của môi chất lạnh là: t0 = 8 – 8 = 0 0C 5.1.4 Nhiệt độ hơi hút Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 56 Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng người ta phải đảm bảo hơi hút vào máy nén nhất thiết phải là hơi quá nhiệt. th = t0 + htD Với môi chất R22, ta chọn htD = 25 0C. Vậy nhiệt độ hơi hút là: th = 0 + 25 = 25 0C 5.1.5 Nhiệt độ quá lạnh Nhiệt độ quá lạnh của môi chất sẽ được tính toán trong phần sau. 5.2 Chọn và tính toán chu trình bơm nhiệt máy lạnh 5.2.1 Chọn chu trình Với nhiệt độ bay hơi t0 và nhiệt độ ngưng tụ tk đã chọn, tra bảng 9 – tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hòa – trang 318-320/[8] ta có áp suất bay hơi và ngưng tụ tương ứng là: t0 = 0 0C ® p0 = 4,983 bar tk = 500C ® pk = 19,395 bar Như vậy, ta có tỉ số nén: 0p pk=p = 983,4 395,19 = 3,89 Với 1289,3 <=p nên ta chọn máy nén 1 cấp. Mặt khác, môi chất lạnh sử dụng ở đây là R22 nên ta chọn sơ đồ máy nén lạnh 1 cấp dùng thiết bị hồi nhiệt. 5.2.2 Sơ đồ, nguyên lý làm việc 1. Sơ đồ NT BH MN HN TL k q0 1 4 3' 1' 23 HN: Thiãút bë häöi nhiãût MN: Maïy neïn NT: Thiãút bë ngæng tuû BH: Thiãút bë bay håi TL: Van tiãút læu Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 57 2. Nguyên lý làm việc Hơi môi chất sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi được đưa vào thiết bị hồi nhiệt, nhận nhiệt đẳng áp của lỏng cao áp trở thành hơi quá nhiệt 1’. Hơi quá nhiệt này được hút về máy nén và được nén đoạn nhiệt trong máy nén từ áp suất bay hơi p0 lên áp suất ngưng tụ pk. Hơi cao áp 2 đi vào thiết bị ngưng tụ, nhả nhiệt đẳng áp cho tác nhân sấy, ngưng tụ thành lỏng sôi 3. Sau đó, lỏng cao áp 3 đi vào thiết bị hồi nhiệt, nhả nhiệt đẳng áp cho hơi hạ áp trở thành lỏng chưa sôi 3’. Lỏng 3’ đi vào van tiết lưu giảm áp suất xuống áp suất bay hơi p0 (điểm 4) rồi đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt của tác nhân sấy vừa ra khỏi buồng sấy, hóa hơi đẳng áp đẳng nhiệt thành hơi bão hòa ẩm và chu trình lại tiếp tục. 5.2.3 Xây dựng đồ thị và lập bảng xác định các giá trị tại các điểm nút 1. Đồ thị 1-1’: Quá nhiệt hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt. 1’-2: Nén đoạn nhiệt hơi môi chất từ p0 đến pk. 2-3: Làm mát và ngưng tụ đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bi ngưng tụ. 3-3’: Quá lạnh lỏng cao áp trong thiết bị hồi nhiệt. 3’-4: Quá trình tiết lưu đẳng Entanpi. 4-1 : Quá trình bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bị bay hơi. 2. Bảng các thông số tại các điểm nút của đồ thị Tra bảng 9 – Các tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hòa và bảng 10 – Các tính chất nhiệt động của hơi quá nhiệt R22 – Trang 315-336/[4] ta có bảng các thông số nhiệt động của môi chất trên đồ thị như sau: 0 3' S t0,p0 4 1 1' 3 T tk,pk 2 4 i 1'1 3' 3 P 2 Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 58 Điểm Trạng thái P bar T 0C v.103 m3/kg i kJ/kg s kJ/kgK 1 1’ 2 3 3’ 4 Hơi bão hòa khô, x=1 Hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt Lỏng sôi, x=0 Lỏng chưa sôi Hơi bão hòa ẩm 4,983 4,983 19,395 19,395 19,395 4,983 0 25 93 50 36 0 46,98 52,87 15,152 0,9213 0,8696 10,943 704,28 722,5 761,927 562,75 544,53 544,53 1,7479 1,81135 1,81135 1,2065 1,1493 1,1645 Nhiệt độ điểm 3’ được xác định theo phương trình cân bằng nhiệt trong thiết bị hồi nhiệt với giả thiết bỏ qua các tổn thất. Ta có: i3 – i3’ = i1’ – i1 Hay i3’ = i3 + i1 – i1’ = 562,75 + 704,28 – 722,5 = 544,53 kJ/kg Từ i3’ và p3’ ta có t3’ = 36 0C. Như vậy độ quá lạnh qltD = 50 – 36 = 14 0C. 5.2.4 Tính toán chu trình 1. Lưu lượng môi chất tuần hoàn qua hệ thống Lưu lượng môi chất tuần hoàn được xác định dựa vào năng suất lạnh của dàn bay hơi Q0 và công suất nhiệt Qk của dàn ngưng tụ. Ở chương 4 ta đã tính toán được: Q0tt = 8,7 kW; Qktt = 8,8 kW kJ. Xem hiệu suất của dàn nóng và dàn lạnh bằng nhau: khh =0 = 0,7. Vậy công suất dàn ngưng của bơm nhiệt: Qk = 7,0 8,8 = k kttQ h =12,6 kW Công suất dàn bay hơi của bơm nhiệt: Q0 = 7,0 7,8 0 0 = h ttQ =12,4 kW Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 59 Do môi chất tuần hoàn trong bơm nhiệt nên lưu lượng môi chất qua dàn nóng và dàn lạnh bằng nhau. Ta có: + Lưu lượng môi chất qua dàn nóng: G0 = 53,5445,722 4,12 4'1 0 - = - ii Q = 0,07, kg/s + Lưu lượng môi chất qua dàn lạnh: Gk = 75,562927,761 6,12 32 - = - ii Qk = 0,063 kg/s Ta thấy lưu lượng môi chất qua dàn nóng và dàn lạnh theo tính toán không bằng nhau. Do đó để đảm bảo công suất của toàn hệ thống thì ta chọn lưu lượng lớn nhất. Tức là: G = max(G0, Gk) = G0 = 0,07, kg/s. Khi đó công suất nhiệt sẽ là: Qk’ = G(i2 – i3) = 0,07.(761,927 – 562,75) = 13,94 kW Công suất nhiệt sẽ thừa một lượng là: kQD = Qk’ – Qk = 13,94 – 12,6 = 1,34 kW. 2. Phụ tải của thiết bị hồi nhiệt: Qhn = G.(i1’ – i1) = 0,07.(722,5 – 704,28) = 1,2754 kW 3. Công tiêu thụ của máy nén: L = G(i2 – i1’) = 0,07.(761,927 – 722,5) = 2,76 kW 4. Hệ số nhiệt của bơm nhiệt: Do sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh nên hệ số nhiệt của bơm nhiệt được tính theo công thức: j = 67,2 67,24,12.2.2 00 += + = + l lq l qqk = 10,3 5.3 Tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt của bơm nhiệt 5.3.1 Dàn ngưng (Thiết bị gia nhiệt không khí) * Công dụng: Thiết bị ngưng tụ của bơm nhiệt có công dụng gia nhiệt cho không khí trước khi vào buồng sấy từ trạng thái bão hòa sau dàn lạnh đến nhiệt độ và độ ẩm yêu cầu trong quá trình sấy. Việc sử dụng dàn ngưng của bơm nhiệt để thay thế cho thiết bị Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 60 gia nhiệt sẽ làm giảm chi phí điện năng của hệ thống, qua đó làm giảm chi phí lắp đặt và vận hành của hệ thống sấy dùng bơm nhiệt. * Thiết kế dàn ngưng 1. Chọn loại dàn ngưng Theo [20], ta chọn loại dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí đối lưu cưỡng bức. Cấu tạo gồm một dàn ống trao đổi nhiệt bằng thép hoặc ống đồng có cánh nhôm hoặc sắt bên ngoài, bước cánh nằm trong khoảng 3 – 10 mm. Cấu tạo của thiết bị như hình vẽ sau: Chọn ống cho dàn ngưng: Do môi chất là Freon R22 nên ta chọn ống đồng cánh nhôm để làm ống dẫn môi chất trong dàn ngưng. Theo [18], các ống có cánh thường có thông số: + Ống: - Đường kính trong: dtr = 15 mm. - Đường kính ngoài: dng = 18 mm - Bước ống: s1 = s2 = s = 34 mm. - Chiều dài đoạn ống: l = 0,5 m + Cánh tròn: - Chiều dày: cd = 0,3 mm. - Bước cánh: sc = 3,5 mm. - Đường kính cánh dc = 32 mm 2. Các thông số cho trước + Công suất của dàn ngưng: Qk = 13,94 kW Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 61 + Nhiệt độ không khí vào dàn: tkk’ = t1 = 8 0C. + Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn: tkk” = t2 = 40 0C. + Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: tk = 50 0C + Lưu lượng môi chất qua dàn: G = 0,07 kg/s + Lưu lượng không khí qua dàn: Gkk = 0,27 kg/s + Tốc độ không khí đầu vào của dàn: w = 1,5 m/s. 3. Tính diện tích trao đổi nhiệt kf k k k q Q tk Q F = D = . , m2 Qk - Phụ tải nhiệt yêu cầu của thiết bị ngưng tụ, W k - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K ktD - Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, 0K qkf – Mật độ dòng nhiệt, W/m2. * Tính độ chênh nhiệt độ trung bình Trong thực tế, nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ giảm từ t2 xuống tk, giữ nguyên tk trong quá trình ngưng tụ nhưng lại giảm khi qúa lạnh. Nhưng khi tính toán có thể coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tk [14]. Theo [14], độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức: min max minmax ln t t tt t tb D D D-D =D , 0C. (5.1) Trong đó: maxtD - Hiệu nhiệt độ lớn nhất. 42850'max =-=-=D kkk ttt 0C mintD - Hiệu nhiệt độ bé nhất. 104050"min =-=-=D kkk ttt 0C Thay vào (5.1) ta có tính được tbtD = 22,3 0C. * Xác định hệ số truyền nhiệt k Theo [22], do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,2 <1,4) nên quá trình truyền nhiệt trong vách trụ có thể coi là truyền nhiệt qua vách phẳng. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo công thức (2-117) – Trang 100/[22]: Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 62 c k eal d a . 11 1 21 ++ = , W/mK (5-2) Trong đó: + 21 ,aa - Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m 2K. + l - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK. Tra bảng PV-I – Thông số vật lý của một số chất rắn – Trang 271/[2] ta có: cul = 389 W/mK. + d - Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức: d = 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,018 – 0,015) = 0,0015 m + ce - Hệ số làm cánh. Hệ số làm cánh được tính theo công thức (2-136)/[22]: ( ) ( ) 5,0.015,0.2 018,0032,01431 ..2 1 22 1 2 2 2 - += - += ld ddn cc ce = 7,67 nc - Số cánh trên 1 ống: nc = 0035,0 5,0 = cs l = 143 cánh a) Tính hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài 2a : + Số cánh trên 1 ống: nc = 143 cánh + Chiều cao cánh: h = 2 1832 2 2 -= - dd c = 7 mm. + Đường kính tương đương: dE = 11 0 1 1 2 1 0 .2 .. c c c c FF n FFdF + + (5-3) Trong đó: + 10F - Diện tích phần không cánh của ống. 1 0F = p .d2.nc.sc = 3,14.0,018.143.0,0035 = 0,0283 m 2 + 1cF - Diện tích phần có cánh. 1 cF = 2p 4 2 2 2 dd c - .nc = 4 143).018,0032,0.(14,3.2 22 - = 0,157 m2 Thay vào (5-3) ta có: Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 63 dE = 157,00283,0 143.2 157,0.157,0018,0.0283,0 + + = 0,0226 m. + Tốc độ tại khe hẹp tính theo công thức (2-129)/[22]. ÷ ø ö ç è æ +- = ÷÷ ø ö çç è æ +- = 0035,0.034,0 0003,0.007,0.2 034,0 018,01 5,1 . ..2 1 11 2 max c c ss h s d d w w = 3,446 m/s2 + Nhiệt độ không khí trung bình: ttb = 0,5(tkk’ + tkk”) = 0,5(40 +8) = 24 0C. Tra bảng Phụ lục 6 – Thông số vật lý của không khí khô – Trang 350/[3] với nhiệt độ 24 0C ta có: kr = 1,202 kg/m 3; n = 15,06.10-6 m2/s; kl = 2,60.10 -2 W/mK + Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau: Re = n w Ed.max = 610.06,15 0226,0.446,3 - = 5,171.103 + Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức (2-124) với ống xếp song song: Nu = 0,138.Re0,63 = 30,161 + Hệ số toả nhiệt của cánh: 0226,0 10.6,2.161,30. 2- == E k c d Nu l a = 34,7 W/m2K + Hệ số toả nhiệt tương đương của phía ống có cánh: ( )chaa += ccc F F 1 2 1 2 , W/m 2K. Trong đó: - 18,0 157,0 0283,0 1 1 0 === cF F c - 12F = 1cF + 10F = 0,0283 + 0,157 =0,1853 m 2 - ch = 0,95 : Hiệu suất cánh. Vậy: ( )18,095,0 1853,0 157,07,342 +=a = 37,03 W/m 2K b) Tính hệ số trao đổi nhiệt bên trong 1a : Với hơi R22 ngưng trong ống nằm ngang ta có thể dùng công thức: Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 64 a1=1,2.aN = 1,2.0,728 0,25 ng 23 ) μ.Δt.d .g.r.ρλ( , W/m2K. (5-4) Trong đó: + r = 154,03 kJ/kg - Nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất. + 1085=r kg/m3 - Khối lượng riêng của môi chất lỏng trong bình ngưng. + l = 783 W/mK - Hệ số dẫn nhiệt của môi chất lỏng trong bình ngưng. + tD = tk – tw - Độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và vách ống, 0K + m = 1,57.104 Ns/m2 - Độ nhớt động lực học của môi chất lỏng trong bình ngưng. + g – Gia tốc trọng trường. g = 9,81 m/s2 Các thông số trên được lấy tại tk = 50 0C. Giả thiết tw = 49,1 0C, ta tính t w theo phương pháp lặp. Thay các thông số vào công thức (5-4) ta có: a1 = 1,2.aN = 1,2.0,728. 0,25 23 ) μ.Δt.d .g.r.ρλ( = 1,2.0,728.( 018,0.9,0.10.57,1 03,154.783.1085.18,9 4 32 )0,25 = 6540 W/m2K Thay vào (5-2) ta có: K = 67,7.03,37 1 389 0015,0 6540 1 1 ++ = 272 W/m2K Khi đó: q = k. tbtD = 272.22,3 = 6064 W/m 2 q’ = 1a (tk - tw) = 6540.0,9 = 5886 W/m 2 So sánh q và q’ với sai số cho phép không quá 5% ta có: 6064 58866064' - = - = q qq e = 2,93% < 5%. Vậy k = 272 W/m2K; a1 = 6540 W/m2K và tw = 49,1 0C. * Diện tích trao đổi nhiệt bên trong 3,22.272 10.94,13 . 3 1 =D = k k tk QF = 2,3 m2 Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 65 4. Tính các thông số cụ thể của dàn ngưng + Số ống trong dàn: n = 015,0.5,0.14,3 3,2 .. 1 1 = ld F p = 98 ống Để dễ bố trí số ống trong dàn ta chọn n = 99 ống. + Chọn số ống trên mỗi hàng là m = 11 ống ta sẽ có số hàng ống trong dàn ngưng là: z = n/m = 9. + Kích thước của dàn: - Chiều rộng dàn: B = z.s2 = 9.0,034 = 0,31 m - Chiều cao dàn: H = m.s1 = 11.0,034 = 0,374 m - Chiều dài của dàn đã chọn L = 0,5 m. Ta có cấu tạo dàn ngưng tụ: 5.3.2. Dàn bay hơi (Thiết bị làm lạnh không khí) * Công dụng Dàn bay hơi có tác dụng nhận nhiệt của không khí chuyển động bên ngoài dàn làm nhiệt độ không khí giảm xuống dưới nhiệt độ đọng sương để tách một phần ẩm của không khí trước khi vào dàn bay hơi đồng thời hóa hơi môi chất chuyển động bên trong dàn lạnh từ trạng thái lỏng đến trạng thái hơi bão hòa. * Thiết kế dàn bay hơi 310 500 374 Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 66 1 Chọn loại dàn bay hơi Dàn bay hơi ở đây có tác dụng làm lạnh không khí nên ta chọn loại dàn bay hơi làm lạnh không khí đối lưu cưỡng bức. Cấu tạo của dàn như hình vẽ trên. Do làm lạnh không khí đến điểm sương nên dàn bay hơi có máng hứng nước ngưng ở dưới. Cấu tạo của dàn bay hơi như hình vẽ trên. Chọn ống cho dàn bay hơi: Để phù hợp với môi chất R22, ta chọn ống đồng cánh nhôm hình vuông làm ống dẫn môi chất trong dàn.Các thông số của ông chọn như sau: + Ống: - Đường kính trong: dtr = 15 mm. - Đường kính ngoài: dng = 18 mm - Bước ống: s1 = s2 = s = 36 mm. - Chiều dài đoạn ống: L = 0,5 m + Cánh: - Chiều dày: cd = 0,35 mm. - Bước cánh: sc = 3,5 mm. - Chiều dài cánh: lc = 34 mm - Đường kính tương đương của cánh:dc = p cl.4 = 43,31 mm 2. Thông số cho trước + Công suất dàn: Q0 = 12,4 kW + Nhiệt độ không khí vào dàn bay hơi: tk0’ = 40 0C. + Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn: tk0” = 8 0C + Nhiệt độ bay hơi của môi chất trong dàn: t0 = 0 0C. Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 67 + Lưu lượng khối lượng môi chất trong dàn lạnh: G = 0,07 kg/s + Lưu lượng không khí qua dàn lạnh: Gk = 0,27 kg/s + Tốc độ không khí đầu vào dàn lạnh: 0w = 2,5 m/s 3. Tính diện tích trao đổi nhiệt fq Q tk Q F 0 0 0 0 . = D = , m2 Q0 - Phụ tải nhiệt yêu cầu của thiết bị bay hơi, W k - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K 0tD - Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, 0K q0f – Mật độ dòng nhiệt, W/m2. * Tính độ chênh nhiệt độ trung bình Theo [14], độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức: min max minmax ln t t tt t tb D D D-D =D , 0C. Trong đó: maxtD - Hiệu nhiệt độ lớn nhất. 400400'0max =-=-=D ttt k 0C mintD - Hiệu nhiệt độ bé nhất. 8080"0min =-=-=D ttt k , 0C Thay vào công thức ta có tính được 0tD = 19,88 0C. * Xác định hệ số truyền nhiệt k Theo [22], do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,2 <1,4) nên quá trình truyền nhiệt trong vách trụ có thể coi là truyền nhiệt qua vách phẳng. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo công thức (2-117) – Trang 100/[22]: c k eal d a . 11 1 21 ++ = , W/mK (5-5) Trong đó: + 21 ,aa - Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m 2K. + l - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK. Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 68 Tra bảng PV-I – Thông số vật lý của một số chất rắn – Trang 271/[2] ta có: cul = 389 W/mK. + d - Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức: d = 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,018 – 0,015) = 0,0015 m + Số cánh trên 1 ống: nc = 004,0 5,0 = cs l = 125 cánh + ce - Hệ số làm cánh. Hệ số làm cánh được tính theo công thức (2-136)/[22]: ( ) ( ) 5,0.015,0.2 018,004331,01251 ..2 1 22 1 2 2 2 - += - += ld ddn cc ce = 19,33 a) Tính hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài 2a : + Số cánh trên 1 ống: nc = 125 cánh + Chiều cao cánh: h = 2 2831,43 2 2 -= - dd c = 11,66 mm. + Đường kính tương đương: dE = 11 0 1 1 2 1 0 .2 .. c c c c FF n FFdF + + (5-6) Trong đó: + 10F - Diện tích phần không cánh của ống. 1 0F = p .d2.nc.sc = 3,14.0,018.125.0,004 = 0,0283 m 2 + 1cF - Diện tích phần có cánh. 1 cF = 2p 4 2 2 2 dd c - .nc = 4 125).018,004331,0.(14,3.2 22 - = 0,61 m2 Thay vào (5-6) ta có: dE = 61,00283,0 125.2 61,0.61,0018,0.0283,0 + + = 0,048 m. + Tốc độ tại khe hẹp tính theo công thức (2-129)/[22]. ÷ ø ö ç è æ +- = ÷÷ ø ö çç è æ +- = 004,0.036,0 00035,0.01166,0.2 036,0 018,01 5,2 . ..2 1 11 2 max c c ss h s d d w w = 5,64 m/s2 + Nhiệt độ không khí trung bình: Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 69 ttb = 0,5(tkk’ + tkk”) = 0,5(40 +8) = 24 0C. Tra bảng Phụ lục 6 – Thông số vật lý của không khí khô – Trang 350/[3] với nhiệt độ 24 0C ta có: kr = 1,202 kg/m 3; n = 15,06.10-6 m2/s; kl = 2,60.10 -2 W/mK + Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau: Re = n w Ed.max = 610.06,15 048,0.64,5 - = 18.103 + Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức (2-124) với ống xếp song song: Nu = 0,138.Re0,63 = 66,12 + Hệ số toả nhiệt của cánh: 048,0 10.6,2.12,66. 2- == E k c d Nu l a = 35,82 W/m2K + Hệ số toả nhiệt tương đương của phía ống có cánh: ( )chaa += ccc F F 1 2 1 2 , W/m 2K. Trong đó: - 0464,0 61,0 0283,0 1 1 0 === cF F c - 12F = 1cF + 10F = 0,0283 + 0,61 =0,6383 m 2 - ch = 0,95 : Hiệu suất cánh. Vậy: ( )0464,095,0 6383,0 61,0.82,352 +=a = 34,11 W/m 2K - Tính hệ số trao đổi nhiệt bên trong 1a : Ta có thể tính 1a theo công thức: 5,0 5,15,2 1 . . ÷÷ ø ö çç è æ = tr l d A rw qa , W/m2K Trong đó: + w - Tốc độ chuyển động của lỏng R22 trong hệ thống, m/s Theo bảng (6-3)- tốc độ dòng chảy thích hợp – trang 142/[18] ta có: Với R22: w = 0,4 – 1 m/s. Ta chọn w = 0,5 m/s. + lr - Khối lượng riêng cuả R22 lỏng tại 0 0C: lr = 1,2853.10 3 kg/m3 + A - Hệ số lấy theo bảng (7-3)/[20]. Tại 00C, A = 1,32 Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 70 + q = tw – t0 + dtr - Đường kính trong của ống, m Do tw chưa biết nên ta tìm 1a phương pháp lặp: Giả sử tw = 3,7 0C, ta tính được: 1a = 1,32 2,5.(3,7 - 0)1,5. 5,0 3 3 10.15 10.2853,1.5,0 ÷÷ ø ö çç è æ - = 2949 W/m 2K. Thay vào (5-5) ta có: K = 33,19.11,34 1 389 0015,0 2949 1 1 ++ = 537,61m2K Khi đó: q = k. tbtD = 545,2.19,88 = 10688 W/m 2 q’ = 1a (tk - tw) = 2949.3,7 = 10911 W/m 2 So sánh q và q’ với sai số cho phép không quá 5% ta có: 10688 1091110688' - = - = q qq e = 2,08% < 5%. Vậy k = 537,61 W/m2K; a1 = 2949 W/m2K và tw = 3,7 0C. * Diện tích trao đổi nhiệt bên trong 88,19.61,537 10.4,12 . 3 0 0 1 =D = tk QF = 1,16 m2 4. Tính các thông số cụ thể của dàn bay hơi + Số ống trong dàn: n = 5,0.015,0.14,3 16,1 .. 1 1 = ld F p » 54 ống + Chọn số ống trên mổi hàng là m = 9 ống ta sẽ có số hàng ống trong dàn bay hơi là: z = n/m = 6. + Kích thước của dàn: - Chiều rộng dàn: B = z.s2 = 6.0,036 = 0,216 m - Chiều cao dàn: H = m.s1 = 9.0,036 = 0,324 m - Chiều dài của dàn đã chọn L = 0,5 m. Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 71 Cấu tạo dàn bay hơi như hình vẽ: 5.3.3 Thiết bị hồi nhiệt * Công dụng Thiết bị hồi nhiệt có tác dụng quá nhiệt hơi hút về máy nén để tránh hiện tượng thuỷ kích và quá lạnh lỏng cao áp trước khi qua tiết lưu để giảm tổn thất lạnh do van tiết lưu. * Cấu tạo của thiết bị hồi nhiệt Thiết bị hồi nhiệt có cấu tạo như hình vẽ : 1 - Đường vào của hơi hạ áp 2 - Đường ra lỏng cao áp 3 - Đường vào lỏng cao áp 4 - Đường ra hơi hạ áp 1 3 42 5 6 21 6 500 32 4 Loíng vaìo Buïp chia Håi ra Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 72 5 - Ống xoắn trao đổi nhiệt 6 - Ống trụ kín 2 đầu. * Nguyên lý Lỏng cao áp chảy bên trong ống xoắn trao đổi nhiệt với hơi hạ áp chảy bên ngoài ống làm cho hơi hạ áp từ hơi bão hoà trở thành hơi quá nhiệt. Lỏng cao áp nhả nhiệt cho hơi hạ áp và được quá lạnh một phần. Ống trụ kín 2 đầu có nhiệm vụ hướng cho dòng hơi đi qua ống xoắn và làm tăng tốc độ dòng hơi để tăng cường hiệu quả trao đổi nhiệt. Bình hồi nhiệt được bọc cách nhiệt. * Thông số thiết kế - Công suất thiết bị hồi nhiệt: Qhn = 1,2754 kW. - Nhiệt độ lỏng môi chất vào: tl’ = t3 = 50 0C. - Nhiệt độ lỏng môi chất ra: tl” = t3’ = 36 0C. - Nhiệt độ hơi môi chất vào: th’ = t1 = 0 0C. - Nhiệt độ hơi môi chất ra : th” = t1’ = 25 0C. 1. Tính chọn đường kính ống Với lỏng R22 chảy trong ống, tốc độ môi chất nằm trong khoảng (0,4 – 1) m/s (Theo bảng (6-3)-tốc độ chảy thích hợp/ trang 142/[18]). Ta chọn w = 0,8 m/s. * Lưu lượng thể tích của lỏng chảy trong ống là: V = G.v3 = 0,07.0,9213.10-3 = 6,45.10-5 m3/s. * Đường kính trong của ống: d1 = 8,0.41,3 10.45,6.2 . .2 5- = wp V = 0,010 m. Theo kích thước tiêu chuẩn của đường ống trong bảng 6-2: Các loại ống đồng cho máy lạnh Freon/ trang 141/[18] ta chọn d1 = 10 mm. Khi đó, đường kính ngoài là: d2 = 12 mm. * Đường kính của vòng xoắn: Chọn Dx = 80 mm. Chọn khe hở giữa ống xoắn với vỏ thiết bị là mm10=d . Khi đó, đường kính trong của vỏ là: Dv = Dx + d2 +2.d = 80 + 12 + 2.10 = 112 mm. * Đường kính của phần lỏi quấn ống: Để dễ lắp đặt ta lấy khoảng hở giữa ống xoắn và lỏi quấn là ld = 5mm. Khi đó: Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 73 Dl = D - ld - d2 = 80 – 2.5 – 12 = 58 mm. * Tiết diện tự do của hơi trong thiết bị hồi nhiệt: F = ( ) 4 ).22(2 4 2 2 222 dDDDD vvlv ------ ddpp = 4 )012,0.201,0.2112,0()01,0.2112,0(058,0112,014,3 2222 --+--- = 0,00134 m2 * Lưu lượng thể tích của môi chất: V = G.v1 = 0,07.0,047 = 3,29.10-3 m3/s. * Tốc độ hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt: 00134,0 10.29,3 3- == F V w = 2,46 m/s. 2. Tính toán diện tích trao đổi nhiệt Diện tích trao đổi nhiệt được tính từ phương trình truyền nhiệt tb hn tk Q F D = . , m2 Qhn - Phụ tải của thiết bị hồi nhiệt. Qhn = 1275,4 W k - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K tbtD - Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, 0K * Tính độ chênh nhiệt độ trung bình Trong thực tế, nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ giảm từ t2 xuống tk, giữ nguyên tk trong quá trình ngưng tụ nhưng lại giảm khi qúa lạnh. Nhưng khi tính toán có thể coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tk [14]. Theo [14], độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức: min max minmax ln t t tt t tb D D D-D =D , 0C. Trong đó: maxtD - Hiệu nhiệt độ lớn nhất. 250251'1max =-=-=D ttt 0C mintD - Hiệu nhiệt độ bé nhất. Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 74 143650'33min =-=-=D ttt 0C Thay vào công thức ta có tính được tbtD = 19 0C. * Xác định hệ số truyền nhiệt k Theo [22], do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,2 <1,4) nên quá trình truyền nhiệt trong vách trụ có thể coi là truyền nhiệt qua vách phẳng. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo công thức (2-6) – Trang 28/[22]: . 11 1 21 al d a ++ =k , W/mK (5-7) Trong đó: + 21 ,aa - Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m 2K. + l - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK. Tra bảng PV-I – Thông số vật lý của một số chất rắn – Trang 271/[2] ta có: cul = 389 W/mK. + d - Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức: d = 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,012 – 0,010) = 0,001 m a) Xác định hệ số toả nhiệt 1a + Nhiệt độ trung bình của môi chất lỏng: ttb = 0,5(t3 + t3’) = 0,5(50 +36) = 43 0C. Tra bảng Phụ lục 3a – Tính chất vật lý trên đường bão hoà của R22 – Trang 272/[18] với nhiệt độ 43 0C ta có: kr = 1117,9 kg/m 3; m = 1,64.10-4 Ns/m2; kl = 8,124.10 -2 W/mK; Pr = 3,04. + Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau và để ý r m n = : Re = m rw n w ... 11 dd = = 410.64,1 9,1117.01,0.8,0 - = 5,4532.104 Như vậy dòng chảy trong ống là chảy rối(Re>1.104). Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức (2-18)/trang 31/[22]: Nu = 0,021.Re0,8.Pr0,43.A. Ree .1 . Trong đó: - A - Hệ số kể đến ảnh hưởng của chiều dòng nhiệt: A = 25,0 Pr Pr ÷÷ ø ö çç è æ w f Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 75 Coi tf = tw nên A = 1. - 1e - Hệ số kể đến chiều dài ống. 1e = 1. - Re - Hệ số kể đến ảnh hưởng khi uốn cong. Re = 1 + 08,0.5,0 01,077,1177,1 1 += R d = 1,4425 Thay vào ta có: Nu = 0,021.(5,4532.104)0,8.3,040,43.1.1.1,4425 = 300,81. Vậy: 01,0 10.124,8.81,300. 2 1 1 - == d Nu kla = 2443,78 W/m2K. b) Hệ số toả nhiệt 2a Xem hơi môi chất trao đổi nhiệt với chùm ống song song ta tính Nu theo công thức (2-28)/ trang 34/[22]: Nuf = sff Ae..Pr.Re.26,0 33,065,0 Trong đó: + A - Hệ số kể đến ảnh hưởng của chiều dòng nhiệt: A = 25,0 Pr Pr ÷÷ ø ö çç è æ w f Coi tf = tw nên A = 1. + se - Hệ số kể đến ảnh hưởng của bước ống. Coi chùm ống có 2 dãy ống song song và bước ống s = R = 35 mm. 15,015,0 2 012,0 035,0 ÷ ø ö ç è æ =÷÷ ø ö çç è æ = d s se = 1,174 * Nhiệt độ trung bình của hơi môi chất trong thiết bị: ttb = 0,5(t1 + t1’) = 0,5(0 +25) = 12,5 0C. Tra bảng Phụ lục 3a – Tính chất vật lý trên đường bão hoà của R22 – Trang 272/[18] với nhiệt độ 12,5 0C ta có: kr = 30,964 kg/m 3; m = 1,295.10-6 Ns/m2; kl = 10,295.10 -3 W/mK; Pr = 1. * Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau và để ý r m n = : Re = m rw n w ... 22 dd = = 610.295,1 964,30.012,0.46,2 - = 7,06.105 Thay vào ta có: Nu = 0,26.(7,06.105)0,65.10,33.1.1,174 = 1934 Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 76 Vậy: 012,0 10.295,10.1934. 3 2 2 - == d Nu kla = 1659,21 W/m2K. Thay vào công thức (5-7) ta có hệ số truyền nhiệt: 21,1569 1 389 001,0 78,2443 1 1 . 11 1 21 ++ = ++ = al d a k = 953,26 W/mK * Diện tích trao đổi nhiệt: 19.26,953 4,1275 . = D = tb hn tk Q F = 0,071 m2. * Chiều dài l của ống xoắn: l = tbd F .p , m. Trong đó: dtb = 0,5(d1+d2) = 0,5(10 + 12) = 11 mm. Thay vào ta có: l = 011,0.14,3 071,0 . = tbd F p = 2,1 m. * Chiều dài l1 của 1 vòng xoắn: l1 = p .Dx= 3,14.0,08 = 0,2512 m. * Số vòng xoắn: n = 2512,0 1,2 1 = l l = 8,4 vòng 5.4 Tính chọn máy nén * Nhiệm vụ của máy nén lạnh Máy nén lạnh là bộ phận quan trọng nhất của các hệ thống lạnh nén hơi. Máy nén có nhiệm vụ: - Liên tục hút hơi sinh ra ở thiết bị bay hơi. - Duy trì áp suất P0 và nhiệt độ t0 cần thiết. - Nén hơi lên áp suất cao tương ứng với môi trường làm mát, nước hoặc không khí, đẩy vào thiết bị ngưng tụ. - Đưa lỏng qua van tiết lưu trở về thiết bị bay hơi, thực hiện quá trình tuần hoàn kín của môi chất lạnh trong hệ thống gắn liền với việc thu hồi nhiệt ở môi trường lạnh và thải nhiệt ở môi trường nóng. Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 77 * Chọn loại máy nén Với môi chất R22 ta chọn loại máy nén pittông nửa kín 5.4.1. Tính toán chu trình ở chế độ yêu cầu - Năng suất khối lượng thực tế: G = 0,07 kg/s. - Năng suất thể tích thực tế: Tra bảng 9 – Các tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hoà – trang 318/[4] với nhiệt độ hơi hút là 0 0C ta có v = v0” = 46,98.10-3 m3/kg. Vậy Vtt = G.v = 0,07.46,98.10-3 = 3,3.10-3 m3/s. - Tỷ số nén: 0p pk=p = 983,4 395,19 = 3,89 - Hệ số cấp của máy nén: lt tt V V =l Hệ số cấp của máy nén không phải cố định mà thay đổi tuỳ theo chế độ làm việc của hệ thống. Dựa vào hình 4-7: hệ số cấp và hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ số nén – trang 55/[18] với môi chất R22 ta có l = 0,77 - Thể tích hút lý thuyết: Vlt = Vtt/ l = 3,3.10-3/0,77 = 4,286.10-3 m3/s. - Năng suất lạnh riêng khối lượng: q0 = i1 – i4 = 704,28 – 544,53 = 159,75 kJ/kg * Năng suất lạnh riêng thể tích: qv = 3 1 0 10.98,46 75,159 -=v q = 3400 kJ/m3 5.4.2. Tính toán năng suất lạnh tiêu chuẩn Do công suất lạnh của máy nén phụ thuộc rất lớn vào chế độ vận hành nên chế độ vận hành khác so với trong catolo. Để chọn máy nén phù hợp ta tiến hành quy đổi năng suất lạnh từ chế độ vận hành sang chế độ quy chuẩn: Với R22, chế độ tiêu chuẩn là: t0 = -15 0C; tqn = 15 0C; tk = 30 0C; tql = 25 0C. Ta lập bảng thông số trạng thái của các điểm nút trên đồ thị: Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 78 Điểm Trạng thái P bar t 0C v.103 m3/kg i kJ/kg S kJ/kgK 1 1’ 2 3 3’ 4 Hơi bão hòa khô, x=1 Hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt Lỏng sôi, x=0 Lỏng chưa sôi Hơi bão hòa ẩm 2,966 2,966 11,908 11,908 11,908 2,966 -15 15 85 30 25 -15 77,29 106,15 25,183 0,8515 - - 698,38 719,7 759,315 536,51 515,19 515,19 1,7710 1,8448 1,8448 1,1248 - - Tính toán chế độ tiêu chuẩn: * Tỷ số nén: 0p pk tc =p = 966,2 908,11 = 4,015 * Hệ số cấp: Dựa vào hình 4-7: hệ số cấp và hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ số nén – trang 55/[18] với môi chất R22 ta có tcl = 0,76 * Năng suất lạnh riêng khối lượng tiêu chuẩn: q0tc = i1 – i4 = 183,19 kJ/kg * Năng suất lạnh riêng thể tích tiêu chuẩn: qvtc = 3 1 0 10.29,77 19,183 -=v q tc = 2370 kJ/m3 * Năng suất lạnh tiêu chuẩn: Q0tc = 53,877,0.3400 76,0.2370.4,12 . . 0 ==l l v tcvtc q q Q kW 5.4.3. Chọn máy nén Dựa vào bảng 7-6: Máy nén pittong của Nga theo OTC – trang 193/[14] ta chọn máy nén có thông số sau: - Ký hiệu: 7PG - Q0tc: 8,7 kW - Số xi lanh: 3 - Đường kính pittông: 42 mm Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 79 - Số vòng quay: 48 vg/s - Vlt: 6,16.10-3 m3/s - Dài ´ Rộng ´ Cao = 460 ´ 450 ´ 480 mm3 - Khối lượng: 69 kg 5.4.4. Tổn thất năng lượng và công suất động cơ * Công nén đoạn nhiệt: Ns = G(i2 – i1) = 0,07(761,927 – 722,5) = 2,76 kW * Hiệu suất chỉ thị: Dựa vào tỷ số nén p ta tra đồ thị hình 4-7/trang 55/[18] tra có ih = 0,855. * Công nén chỉ thị: 23,3 855,0 76,2 === i s i N N h kW * Công suất hửu ích: Ne = Ni + Nms. - Công tiêu tốn để thắng lực ma sát: Nms = pms.Vtt Theo [18], với máy nén R22 ngược dòng: pms = 19 – 34 kPa. Ta chọn pms = 25 kPa. Nms = 3,3.10-3.2500 = 8,25 W = 0,00825 kW Ne = 3,23 + 0,00825 = 3,24 kW * Công suất điện tiêu thụ: Nel = eltd eN hh tdh - Hiệu suất truyền động. Với máy nén nửa kín: tdh = 1 elh - Hiệu suất động cơ điện. elh = (0,8 – 0,95). Chọn elh = 0,9. Nel = 9,0 24,3 = eltd eN hh = 3,6 kW * Công suất động cơ điện lắp đặt: Ndc = (1,1 – 2,1).Nel. Chọn: Ndc = 1,5.Nel = 1,5.3,6 = 5,4 kW 5.5 Chọn Đường ống dẫn môi chất 5.5.1 Đường ống đẩy * Lưu lượng thể tích môi chất qua ống đẩy: Vd = G.v2 = 0,07.15,152.10-3 = 1,601.10-3 m3/s. * Tốc độ môi chất trong ống đẩy: Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 80 Theo bảng 6-3: Tốc độ dòng chảy thích hợp, với môi chất R22, hw =(8 – 15) m/s. Ta chọn hw = 11 m/s. * Đường kính trong của ống: dtd = 11.14,3 10.601,1.4 . .4 3- = d dV wp = 0,014 m. Dựa vào bảng 6-2: các loại đường ống cho máy lạnh Freôn ta chọn loại ống có thông số: - Đường kính trong: dtd = 15 mm. - Đường kính ngoài: dnd = 18 mm. 5.5.2 Đường ống hút * Lưu lượng thể tích môi chất qua ống hút: Vd = G.v1’ = 0,07.52,87.10-3 = 3,701.10-3 m3/s. * Tốc độ môi chất trong ống hút: Theo bảng 6-3: Tốc độ dòng chảy thích hợp, với môi chất R22, hw =(7 – 12) m/s. Ta chọn hw = 9 m/s. * Đường kính trong của ống: dtd = 9.14,3 10.701,3.4 . .4 3- = d dV wp = 0,023 m. Dựa vào bảng 6-2: các loại đường ống cho máy lạnh Freôn ta chọn loại ống có thông số: - Đường kính trong: dtd = 25 mm. - Đường kính ngoài: dnd = 28 mm. Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 81 Chương 6 TÍNH TOÁN TRỞ LỰC VÀ CHỌN QUẠT 6.1 Tính toán đường ống dẫn tác nhân sấy. Theo sơ đồ bố trí của hệ thống, ta cần phải chế tạo hệ thống dẫn không khí từ quạt vào buồng sấy. Diện tích mặt cắt được xác định theo công thức : w VF = , m2 Trong đó : - F : Diện tích tiết diện đường ống dẫn, m2 - V : Lưu lượng không khí trong đoạn ống, m3/s. - w : Tốc độ không khí trong ống, m/s. * Chọn w : Để lựa chọn tốc độ gió thích hợp là một bài toán kinh tế kỹ thuật phức tạp. Bởi vì: - Khi chọn tốc độ lớn thì đường kính ống nhỏ, chi phí cho đầu tư thấp, tuy nhiên trở lực của hệ thống lớn và độ ồn do khí động của dòng không khí cao. - Khi chọn tốc độ thấp thì đường kính ống lớn, chi phí cho đầu tư lớn, khó khăn cho lắp đặt nhưng độ ồn giảm. Để phù hợp với hệ thống ta chọn tốc độ gió trong kênh dẫn gió là 8 m/s. * Tính lưu lượng không khí Trong chương 4 ta đã tính toán được lưu lượng không khí tuần hoàn trong 1 giây là Gkk = 0,27 kg/s. Với nhiệt độ trung bình trong buồng sấy là 35 0C, tra bảng phụ lục 6 – Thông số vật lý của không khí khô – trang 350/[3], ta có r = 1,1465 kg/m3. Khi đó ta có: V = 1465,1 27,0 = r kkG = 0,235 m3/s Vậy: F = 8 235,0 = w V = 0,03 m2 * Đường kính ống dẫn không khí: Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 82 d = 14,3 03.0.44 = p F = 0,1955 m. Ta chọn đường kính ống dẫn là d = 200 mm. * Xác định chiều dài đường ống Chiều dài toàn bộ đường ống l, m được xác định dựa vào sơ đồ bố trí hệ thống. Theo tính toán sơ bộ thì chiều dài tổng cộng đường ống gió của hệ thống từ bộ xử lý không khí đến miệng thổi vào buồng sấy khoảng l = 3m. 6.2 Tính toán trở lực của hệ thống 6.2.1. Tổn thất áp suất trên đường ống gió * Tổn thất ma sát: Tổn thất ma sát được tính theo công thức 6.9 – trang 113/[23] 2 .. 2 rw l d lPms =D , mmH2O Trong đó: + l - Hệ số tổn thất ma sát. + l - Chiều dài ống. l = 3m + d – Đường kính trong tương đương của ống, d = 0,2m + w - Tốc độ không khí trong ống. w = 8 m/s. + r - Khối lượng riêng của không khí tại nhiệt độ 40 0C. Tra bảng Phụ Lục 6 – Thông số vật lý của không khí khô – Trang 350/[3], ta có thông số của không khí tại 40 0C là: r = 1,128 kg/m3; n = 16,96.10-6 m2/s. Khi đó: Re = n w d. = 610.96,16 2,0.8 - = 0,943.105. Theo [23], với ống tôn mỏng bề mặt trong láng, tiết diện tròn và Re<105 thì: 4 54 10.943,0 3164,0 Re 3164,0 ==l = 0,018 Vậy: 2.2,0 8.128,1.3.018,0 2 .. 22 ==D wr l d lPms = 9,75 mmH2O * Tổn thất cục bộ cbPD Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 83 Hệ thống đường ống gió gồm có: + 2 cút cong tiết diện tròn 4 đốt với góc cong 900. Tra bảng 6.8- Hệ sốx - trang 116/[23] với 4 đoạn và R/d = 1 ta được 27,0=x + 1 van điều chỉnh gió tiết diện tròn. Tra bảng 6.33- Hệ sốx - trang 127/[23] D/D0 = 0,9 và góc nghiêng q = 00 ta được 19,0=x + 1 côn mở rộng từ ống dẫn ra buồng sấy. Theo bảng 4.3 – trang 131/[24] với góc a từ 45 – 900 thì 19,0 -=x . Ta chọn 9,0=x . + 1 côn thu nhỏ từ buồng sấy vào bộ xử lý không khí. Với góc a khoảng 300 thì 8,0=x . Tổn thất cục bộ được tính theo công thức: 71,87 2 8.128,1)8,09,019,027,0.2( 2 .. 22 =+++==D wr xcbP mmH2O. Vậy tổng tổn thất trên đường ống gió: 46,9771,8775,91 =+=DP mmH2O. 6.2.2. Tổn thất qua các thiết bị của hệ thống * Tính 2PD : trở lực của thiết bị lọc bụi, buồng xử lý không khí, buồng sấy. - Trở lực của thiết bị lọc bụi tùy theo từng kiểu lọc bụi khác nhau mà trở lực của nó khác nhau. Trong hệ thống này do mật độ bụi không nhiều nên ta chọn thiết bị lọc bụi đơn giản là bộ lọc bụi kiểu lưới. Theo mục 9.2.2.5 - Thiết bị lọc bụi kiểu lưới - trang 196/[25] thì trở lực của lưới lọc nằm trong khoảng 30 ¸ 40 Pa. Ta chọn trở lực của lưới sử dụng trong hệ thống sấy này bằng 35 Pa = 3,57 mmH2O - Trở lực của buồng sấy cũng phụ thuộc vào kiểu buồng sấy, cách bố trí sản phẩm sấy, mật độ sấy… mà trở lực của buồng sấy là lớn hay nhỏ và người ta xác định trở lực theo kinh nghiệm. Hệ thống sấy này chọn trở lực buồng sấy bằng 5 mmH2O. - Trở lực qua buồng xử lý không khí được tính theo công thức: 2 .)7030(' 2wr ¸=DP , mmH2O Với w = 3,5 m/s ta chọn trở lực qua buồng xử lý không khí là 280 mmH2O. Vậy 57,288557,32802 =++=DP mmH2O. Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 84 Như vậy tổng tổn thất trở lực của hệ thống là: 38657,28846,9721 =+=D+D=D PPP mmH2O. 6.3 Chọn quạt Theo công thức (17.38) trang 334/[3] ta có năng suất của quạt N là: kW PV kN q ; ..102.3600 0 hr r D = Trong đó: V - lưu lượng ở nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy, m3/h PD - tổng cột áp quạt phải thực hiện, mmH2O k - hệ số dự phòng, k =(1,1 ¸ 1,2). Chọn k = 1,1 qh - hiệu suất của quạt, )6,04,0( ¸=qh . Chọn 6,0=qh 0r - khối lượng riêng của không khí ở điều kiện tiêu chuẩn, kg/m 3 3 0 /293,1 mkg=r r - khối lượng riêng của không khí ở nhiệt độ trung bình TNS, kg/m3 3/147,1 mkg=r Thay số: kWN 34,1 6,0.147,1.102.3600 386.293,1.3600.235,01,1 == Từ năng suất quạt N, lưu lượng V và cột áp PD theo bảng 2.4.11b - Đặc tính kỹ thuật của một vài loại quạt – trang 230/[24] ta chọn quạt HV 45/525 với các thông số như sau: Năng suất quạt: V = 840 m3/h Cột áp của quạt: OmmHP 2500=D Công suất động : N = 1,5 kW Số vòng quay: n = 3000 Vg/ph Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 85 Chương 7 TÍNH TOÁN THỜI GIAN HOÀN VỐN Thời gian hoàn vốn của thiết bị phụ thuộc vào giá thành của thiết bị, giá thành của sản phẩm sấy, giá thành mua nguyên liệu, giá thành điện năng, thuê nhân công,… * Theo giá thành của thị trường hiện nay tại hội chợ hàng Việt Nam chất lượng cao, giá của một gói Mít sấy có khối lượng 250g là 1,16 $, tức là khoảng 18500 VNđ. Như vậy giá của 1 kg Mít sấy là: Ts = 18500.4 = 74000 VNđ Tuy nhiên với giá bán của nhà sản xuất, ta chỉ lấy Ts = 65000 VNđ Như vậy với sản lượng một mẻ sấy là 50 kg thì ta tính được số tiền thu được sau 1 mẻ sấy là: Tmẻ = Ts.G2 = 65000.50 = 3250000 VNđ * Theo thực tế, để mua 1kg Mít tươi trên thị trường là 6000 VNđ/kg. Năng suất của buồng sấy là 161,54 kg/mẻ. Tuy nhiên, phần thịt ăn được của quả Mít chiếm khoảng 25 – 40 % trọng lượng quả [19]. Ta xem phần thịt ăn được chiếm 35%. Như vậy, giá thành mua nguyên liệu để sấy mẻ là: TNL = 161,54´6000´100/35 = 2769000 VNđ/mẻ * Để đơn giản cho việc tính toán kinh tế, ta thay thế bơm nhiệt bằng một máy điều hòa có công suất lạnh tương tự như bơm nhiệt đã tính toán. Với công suất lạnh của dàn lạnh là 12,4 kW tương đương với công suất lạnh là 42310,6 Btu/h. Ta chọn máy điều hòa của hãng LG có model là LB-E4885CL với các thông số: + Năng suất dàn lạnh: 47900 Btu/h + Năng suất dàn nóng: 48000 Btu/h. + Công suất điện: 6000 W. + Dòng điện : 9,5 A. + Môi chất: R22 + Gía tiền: 29 triệu VNđ. Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 86 Tính thêm khoản đầu tư ban đầu để xây dựng hầm sấy, mua quạt và chi phí cho bảo dưỡng sữa chữa trong quá trình sấy, tổng vốn đầu tư cho toàn bộ buồng sấy ước tính đạt P = 50 triệu VNđ. * Tiền nhân công 1 người là: 40000 VNđ/1người Số công nhân phục vụ: 4 người chia làm 2 ca, mỗi ca 8 tiếng. Vậy chi phí cho nhân công là: 40000 x 4 = 160000 VNđ/1mẻ * Chi phí điện năng gồm các thiết bị: máy điều hòa, quạt, đèn chiếu sáng. Máy điều hòa 6 kW Quạt ly tâm 1,5 kW Đèn chiếu sáng 0,4 kW Tổng 7,9 kW Giá điện công nghiệp: 1500 đồng/1kWh Chí phí điện năng để sấy 1 mẻ là : (Tổng điện năng tiêu thụ) x (Giá điện 1kWh) x (Thời gian sấy) = 7,9 x 1500 x 16 = 189600 VNđ/mẻ * Tổng chi phí cho một mẻ sấy là: Tcp = 2769000 + 189600 + 160000 = 3119000 VNđ/1mẻ * Lãi suất thu được sau mổi mẻ sấy là: T = Tmẻ - Tcp = 3250000 – 3119000 = 131000 VNđ. * Lãi suất năm mà hệ thống đem lại: Trên thực tế, Mít chỉ có 1 mùa trong năm từ khoảng tháng 6 đến tháng 9. Nếu hệ thống dùng để sấy Mít trong khoảng thời gian đó hoạt động liên tục thì 1 năm có thể sấy Mít trong khoảng 120 ngày. Mổi ngày có thể sấy được 1 mẻ (thời gian sấy 1 mẻ là 16 tiếng). Do đó: A = T.120 = 131000.120 = 15720000 VNđ = 15,72 triệu VNđ. * Tuổi thọ của hệ thống có thể đạt N = 15 năm. Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 87 * Khấu hao tài sản cố định của hệ thống trong 1 năm là: i = 6,6%. Xem giá trị còn lại của hệ thống là 0 VNđ (Các thiết bị hết giá trị sử dụng) và thu nhập hàng năm là đều. Ta có công thức tính thời gian hoàn vốn: 0 = -P + A(P/A, i%, Tp) = - P + A. ( ) ( ) P P T T ii i + -+ 1. 11 Ta rút ra: )066,01ln( 066,0.5072,15 72,15ln i)ln(1 P.i-A ln + -= + = A Tp = 3,7 năm Vậy thời gian hoàn vốn của hệ thống là 3,7 năm Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 88 KẾT LUẬN Trên cơ sở những phân tích, so sánh và những tính toán thiết kế trên, ta có thể rút ra những kết luận sau: - Việc sử dụng bơm nhiệt trong công nghệ sấy lạnh mang lại những hiệu quả rất cao về mặt kinh tế cũng như chất lượng sản phẩm. - Quá trình sấy không bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường nên có thể áp dụng cho mọi điều kiện thời tiết khắc nghiệt nhất. Do đó, thiết bị sấy lạnh dùng bơm nhiệt rất phù hợp với điều kiện của Việt Nam. - Hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt rất phù hợp để sấy các loại vật liệu có yêu cầu nhiệt độ sấy thấp, các vật liệu cần có yêu cầu khắt khe về mặt cảm quan như màu sắc, mùi vị và chất lượng của sản phẩm sau khi sấy. - Về mặt kinh tế, hệ thống sấy lạnh sử dung bơm nhiệt đem lại hiệu quả kinh tế cao, thời gian hoàn vốn nhanh, vốn đầu tư ban đầu, chi phí cho đầu tư bảo dưỡng, chi phí cho điện năng thấp. - Trên thực tế, có thể dùng máy điều hoà có công suất lạnh tương tự để thay thế cho bơm nhiệt nên có thể giảm được chi phí đầu tư và hạ giá thành sản phẩm. Từ những kết quả trên ta thấy mô hình hệ thống sấy rau quả ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt có nhiều ưu điểm và có tính khả thi cao. Trong thực tế đã có một số đơn vị triển khai các thiết bị tương tự vào sản xuất và đã mang lại những hiệu quả kinh tế rõ rệt. Với hệ thống sấy Mít đã thiết kế, ta có thể dùng để sấy các sản phẩm hoa quả khác tương tự như: Chuối, Xoài,... trong khi Mít chưa đến mùa thu hoạch nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục để nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống cũng như đảm bảo và nâng cao thu nhập cho người công nhân. Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 89 Tài liệu tham khảo 1. Nghiên cứu xây dựng mô hình bơm nhiệt trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính của bơm nhiệt – Lê Minh Trí- LV Thạc Sỹ - ĐHĐN 2003 2. Kỹ Thuật Sấy – Hoàng Văn Chước- Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật 3. Tính toán và thiết kế hệ thống sấy – PGS-TSKH Trần Văn Phú 4. Nhiệt Động Kỹ Thuật – PGS.TS Phạm Lê Dần, PGS.TS Bùi Hải - Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật 5. Nghiên cứu sấy bằng nguyên lý bơm nhiệt cho một số nông sản tại Việt Nam - Nguyễn Hay, Nguyễn Văn Hùng, Nguyễn Văn Công Chính, Nguyễn Văn Lành, Lê Quang Giảng – Báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 20 – ĐHBK Hà Nội. Trang 88-92. 6. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sấy lạnh bằng bơm nhiệt máy nén – Th.S Nguyễn Thanh Liêm, PGS.TS Phạm Văn Tuỳ - Báo cáo hội nghị toàn quốc khoa học kỹ thuật Nhiệt-Lạnh 12/4/2002. Trang 274-279. 7. Nghiên cứu thực nghiệm sấy lạnh dược liệu bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp - PGS. TS Phạm Văn Tuỳ, KS Phạm Văn Hậu - Tạp chí KH& CN Nhiệt*9/2004 trang 8-10 8. Bơm nhiệt không khí/không khí với công nghệ hút ẩm và sấy khô – PGS.TS Phạm Văn Tuỳ, KS Nguyễn Thanh Liêm, KS Dương Văn Vường - Tạp chí KH& CN Nhiệt*5/2001 trang 10 - 12 9. Đặc điểm tính toán, thiết kế hút ẩm và sấy lạnh bằng bơm nhiệt máy nén PGS.TS Phạm Văn Tuỳ - Tạp chí KH&CN Nhiệt* 11/2003 trang 2-4 10. Bơm nhiệt sấy lạnh và hút ẩm BK-BSH 18- Tạp chí KH&CN Nhiệt số 65*9/2005 11. Nghiên cứu và triển khai ứng dụng công nghệ hút ẩm và sấy lạnh dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp trong điều kiện Viêt Nam - Phạm Văn Tuỳ, Nguyễn Nguyên An, Trịnh Quốc Dũng, Phạm Văn Hậu, Vũ Huy Khuê, Nguyễn Phong Nhã - Báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 20 – ĐHBK Hà Nội.Trang 81- 87 Đồ án tốt nghiệp Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N Trang 90 12. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - Tập 2 – Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật. 13. Thiết kế, ứng dụng bơm nhịêt vào dây chuyền sấy lạnh dược phẩm – Nguyễn Như Thái - Đồ án tốt nghiệp – Năm 2005. 14. Hướng dẫn thiết kế hệ thống lạnh - Nguyễn Đức Lợi - Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật. 15. Thiết kế hệ thống thiết bị sấy – PGS.TS Hoàng Văn Chước – Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật. 16. Nghiên cứu hút ẩm và sấy lạnh rau củ thực phẩm bằng bơm nhiệt máy nén – PGS.TS Phạm Văn Tuỳ, KS Vũ Huy Khuê, KS Nguyễn Khắc Tuyên - Tạp chí khoa học công nghệ Nhiệt *9/2003 . Trang 10 – 12. 17. Quy trình công nghệ sản xuất các sản phẩm rau quả lạnh đông và rau quả sấy khô - Nguyễn Bá Thanh. (Từ Internet) 18. Kỹ thuật lạnh cơ sở - Nguyễn Đức Lợi - Phạm Văn Tùy – Nhà xuất bản Giáo Dục - 1994 19. Cây thuốc và động vật làm thuốc ở Việt Nam - Tập 2 - Viện Dược Liệu – NXB Khoa Học và Kỹ Thuật. 20. Hệ thống máy và thiết bị lạnh – PGS.TS Đinh Văn Thuận - TS Võ Chí Chính – NXB Khoa Học và Kỹ Thuật. 21. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - Tập 1 – NXB Khoa Học và Kỹ Thuật. 22. Thiết bị trao đổi nhiệt – Bùi Hải, Dương Đức Hồng, Hà Mạnh Thư – NXB Khoa Học và Kỹ Thuật. 23. Giáo trình Điều Hoà Không Khí – PGS.TS Võ Chí Chính – NXB Khoa Học và Kỹ Thuật. 24. Bơm Quạt Máy Nén - Nguyễn Văn May – NXB Khoa Học và Kỹ Thuật.