Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272 ĐỀ BÀI
Tính toán hệ thống sấy tầng sôi: • Vật liệu sấy: thóc
• Năng suất: G = 500 kg / h . Từ độ ẩm ban đầu: = 25% đến độ ẩm cuối: 2 ( ) 1  =14% 2
• Thông số không khí ngoài trời: t = 25 C  ;  = 80 % 0 ( ) 0 ( ) 1
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272
CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN
ĐỀ BÀI ........................................................................................................................... 1
CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN ........................................................................................... 2
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ............................................................................................. 3 1.
Lượng ẩm cần bốc hơi W .................................................................................. 3 2.
Khối lượng hạt đưa vào HTS G1 ....................................................................... 3 3.
Chọn nhiệt độ TNS vào và ra khỏi tầng sôi ...................................................... 3 4.
Tính toán quá trình sấy lý thuyết ...................................................................... 3 4.1.
Điểm 0: không khí ngoài trời ..................................................................... 3 4.2.
Điểm 1: Không khí sau khi đi qua calorife ................................................ 4 4.3.
Điểm 2: không khí (tác nhân sấy) đi ra khỏi tầng sôi ................................ 4 4.4.
Lượng không khí lý thuyết ......................................................................... 5 5.
Tính toán quá trình sấy thực ............................................................................. 6 5.1.
Xác định tốc độ làm việc tối ưu wt ............................................................. 6 5.2.
Xác định sơ bộ diện tích ghi và chiều cao VLS ......................................... 6 5.3.
Tổn thất nhiệt ra môi trường ...................................................................... 7 5.4.
Tổn thất nhiệt do VLS mang đi .................................................................. 9 5.5.
Tổng tổn thất nhiệt Δ .................................................................................. 9 5.6.
Quá trình sấy thực .................................................................................... 10 6.
Tính lại kích thước ghi .................................................................................... 12 7.
Khối lượng VLS nằm trên ghi ........................................................................ 12 2
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
1. Lượng ẩm cần bốc hơi W  − 25 −14 1 2 W = G . = 500.
= 73,333 kg / h 2 ( ) 100 −  100 − 25 1
2. Khối lượng hạt đưa vào HTS G1
G = G + W = 500 + 73, 333 = 573, 333 kg / h 1 2 ( )
3. Chọn nhiệt độ TNS vào và ra khỏi tầng sôi
Trong các hệ thống sấy tầng để sấy các hạt ngũ cốc chúng ta có thể lấy nhiệt độ
TNS vào HTS là: t = 140 C
 . Nhiệt độ TNS ra khỏi tầng sôi t 1 ( )
2 chúng ta chọn với điều kiện:  = 80  5 % . 2 ( )
Chẳng hạn lấy: t = 45 C 
. Chúng ta sẽ kiểm tra điều kiện này. 2 ( )
4. Tính toán quá trình sấy lý thuyết 4.1.
Điểm 0: không khí ngoài trời
Theo đầu bài, ta có thông số không khí ngoài trời: t = 25 C  ;  = 80 % 0 ( ) 0 ( )
Sử dụng phần mềm Psycromatric Analsys, ta tìm được điểm tương ứng trên đồ thị: 3
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272
Trong đó: d = 16,03 g / kgkk ; h = 65,957 kJ / kg 0 ( ) 0 ( ) 4.2.
Điểm 1: Không khí sau khi đi qua calorife
Sau khi đi qua calorife, không khí có thông số: t = 140 C
 ; d = d = 16,03 g / kgkk 1 ( ) 1 0 ( ) Ta có: 4026,42 4026,42 12− 12− 235,5+t + 1 235,5 140 P = e = e = 3,587 bar bh ( ) 1 → . B d 1, 013.16, 03 1  = .100 = .100 = 0, 711 % 1 (621+ d .P 621+16, 03 .3, 587 1 ) bh ( ) ( ) 1
h = 1, 004.t + 0, 001.d . 2500 +1,842.t
=1,004.140 + 0,001.16,03. 2500 +1,842.140 = 8 1 4, 769 kJ / kg 1 1 1 ( 1 ) ( ) ( ) 4.3.
Điểm 2: không khí (tác nhân sấy) đi ra khỏi tầng sôi
Tác nhân sấy sau khi đi ra khỏi tầng sôi có thông số: t = 45 C
 ; h = h = 184,769 g / k k gk 2 ( ) 2 1 ( )
Sử dụng phần mềm Psycromatric Analsys, ta tìm được điểm tương ứng trên đồ thị: 4
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272
Trong đó: d = 54,02 g / kgkk ;  = 84,0 kJ / kg . Vậy:   75;85 nên thỏa 2   2 ( ) 2 ( )
mãn điều kiện yêu cầu. 4.4.
Lượng không khí lý thuyết
Ta có bảng tổng hợp lại các điểm sấy lý thuyết của TNS:
Bảng thông số trạng thái không khí trong quá trình sấy lý thuyết Trạng thái t φ d h (̊C) (%) (g/kgkk) (kJ/kgkk) 0 25 80 16,03 65,957 1 140 0,711 16,03 184,769 2 45 84 54,02 184,769
- Lượng không khí lý thuyết cần thiết làm bay hơi 1kg ẩm là: 1 1000 l = = = 26,323 kgkk lt ( ) d − d 54, 02 −16, 03 2 1
- Lượng không khí lý thuyết tuần hoàn trong quá trình sấy:
L = W .l = 73, 33 .26 3 , 323 = 1930, 333 kgkk h lt lt ( / ) 5
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272
5. Tính toán quá trình sấy thực 5.1.
Xác định tốc độ làm việc tối ưu wt
Ta có tiêu chuẩn Fe được tính như sau: 4g (  −  v k ) = 3 Fe d td 2 3  k k
Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy là: t + t 140 + 45 1 2 t = = = 92,5 ( C  ) 2 2
Tại nhiệt độ t = 92,5 ( C
 ) , tra Phụ lục 6 (tr.350)[1] ta có được các thông số vật lý của không khí khô: ʋk = 22,3575.10-6 (m2/s) ρk = 0,935 (kg/m3)
Tra Phụ lục 7 (tr.351)[1] và Phụ lục 1 (tr.346)[1] thóc có: dtđ = 2,75.10-3 (m) ρv = 500 (kg/m3) Khi đó ta có: 4g (  −  − v k ) 4.9,81. 500 0, 935 3 − ( ) = 3 Fe d = 2,75.10 . = 66, 227 td 3 2 3  − k k 3.( 6 22, 3575.10 )2 .0,935
Theo công thức (12.18) (tr.254)[1], ta có trị số Reynol tối ưu lấy trong giới hạn: = (  ) 1,56 Re 0,19 0, 285 Fe t → Ta chọn: = ( + ) 1,56 Re 0, 5. 0,19 0, 258 .Fe =155, 261 t Do đó: 6 Re  155, 261.22, 3575.10− t k w = = = 1, 262 m / s t 3 − ( ) d 2, 75.10 td 5.2.
Xác định sơ bộ diện tích ghi và chiều cao VLS
Diện tích ghi FG và chiều cao VLS H sẽ được xác định chính xác khi tính được
lượng TNS thực tế. Tính đến diện tích chiếm chỗ của lưới thép, theo kinh nghiệm ta lấy 6
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272
sơ bộ diện tích ghi bằng (1,2 ÷1,5) diện tích ghi tính theo lượng TNS lý thuyết. Như
vậy theo công thức (12.33) (tr.256)[1] ta có : 1, 5L 1, 5.1930, 333 0 F = = = 0,681 m G ( 2) 3600.w . 3600.1, 262.0, 935 t k
Do đó, đường kính ghi sơ bộ bằng: 4F 4.0, 681 G D = = = 0,932 (m)  
Chiều cao lớp hạt nằm trên ghi chúng ta cũng chọn sơ bộ: H = 0, 25 (m) . Để bố
trí phễu đưa VLS vào và ra buồng sấy ta chọn chiều cao buồng sấy:
H = 4.H = 4.0, 25 = 1 m b ( )
Cũng như diện tích ghi lò chiều cao H sẽ được tính toán lại khi tính xong quá trình sấy thực.
Như vậy, diện tích bao quanh buồng sấy bằng:
F = F +  D H = +  = ( 2 . 0, 681 .0, 932.1 3, 608 m G b ) 5.3.
Tổn thất nhiệt ra môi trường
TBS là một hình trụ tròn làm bằng thép dày 0,010 (m) hay:
D / D = 0, 942 / 0, 932
m và hệ số dẫn nhiệt:  = 71, 58 (W / mK ) . Do đó, có thể xem 2 1 ( )
buồng sấy như là vách phẳng với một phía là đối lưu tự nhiên có tốc độ gió lấy bằng : w = 0, 5
m / s , nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường: t = 25 C  và phía kia là trao f ( ) 2 ( ) 2
đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức với tốc độ: w = 2,7 (m / s và nhiệt độ bằng nhiệt độ trung t ) t + t 140 + 45 bình của TNS: 1 2 t = = = 92,5 C  . f ( ) 1 2 2
▪ Tra Phụ lục 6 (tr.350)[1] ta có được các tính chất vật lý của không khí như sau: - Khi t = tf1 =92,5 ̊C: 6  − ( 2 m s) 2 22, 3575.10 / ; Pr 0, 6895;  3,15.10− = = = (W / mK ) - Khi t = tf2 =25 ̊C 6  − ( 2 m s) 2 15, 08.10 / ; Pr 15, 53;  2, 63.10− = = = (W / mK )
a. Bên trong thiết bị:  D 1, 262.0, 932 1 1 5 Re = = = 52591,19 10 1 6  22, 3575.10− 1 7
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272
Chuyển động của gió trong ống là dòng chuyển động cưỡng bức, theo công thức (V.40) (tr.14)[2] ta có: 0,25  Pr  0,8 0,43 Nu = 0, 021 .Re .Pr .  1 Pr  t  Pr
Môi chất là không khí nên có thể coi: =1 Prt H 1 Với =
=1,07 và Re = 52591,19 tra bảng V.2 (tr.15)[2] ta có:  =1,34 D 0, 932 1 1 Vậy: 0,8 0,43 0,25
Nu = 0, 021.1, 34.52591,19 .0, 6895 .1 =143, 425 Mặt khác: 2 D  3,15.10− 1 Nu =  →  = Nu = 143, 425. = 4,85 W / m K 1 1 ( 2 )  D 0, 932 1
b. Không khí bên ngoài:  d 0, 5.0, 942 2 4 Re = = = 31216,86 2 6  15, 08.10− 2
Coi gió bên ngoài là chuyển động vuông góc với ống, ta có: n 0,4 Nu = C.Re .Pr
Trong đó: Re = 31216,86  5000 nên: C = 0, 226; n = 0,60 Vậy: 0,60 0,4 Nu = 0, 226.31216,86 .15, 53 = 336,675 Mặt khác: 2 d  2, 63.10− 4 Nu =  →  = Nu = 336,675.
= 9, 405 W / m K 2 2 ( 2 )  D 0, 942 2
c. Hệ số truyền nhiệt: 1 1 K = = = 3,198 ( 2 W / m K ) 1  2 1 1 0, 010 1 +  + + + 1    4,850 71, 58 9, 405 1 2
→ Mật độ dòng nhiệt là:
q = K t = ( − ) = ( 2 . 3,198. 92, 5 25 215,896 W / m ) 8
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272
- Nhiệt độ vỏ thiết bị phía trong: q 215,896
q =  . t − t → t = t − = 92,5 − = 47,986 C  1 ( f T ) T f ( ) 1 1 1 1  4,850 1
- Nhiệt độ vỏ thiết bị phía ngoài: q 215,896
q =  . t − t → t = t + = 25 + = 47,956 C  2 ( T f ) T f ( ) 2 2 2 2  9, 405 2
Như vậy, tổn thất nhiệt ra môi trường bằng: Q
= qF = 215,896.3,608 = 778,928 W mt ( ) 3, 6Q 3, 6.778, 928 mt → q = = = 38, 238 kJ kg am mt ( / ) W 73, 333 5.4.
Tổn thất nhiệt do VLS mang đi
Nhiệt độ VLS sau quá trình sấy tv2 vẫn lấy theo điều kiện: t − 5 10 C  . Ở đây 2 ( )
chúng ta lấy: t = 45 − 5 = 40 C 
. Nhiệt dung riêng của thóc tra ở Phụ lục 1 (tr.346)[1] 2 ( )
ta có: C = 1,50 (kJ / kgK . Khi đó: v ) G C t − t − 2 v ( v v 500.1,50. 40 25 2 1 ) ( ) q = = =153,409 kJ kg am v ( / ) W 73,333
Lưu ý, ta lấy nhiệt độ vật liệu ban đầu bằng nhiệt độ môi trường bên ngoài: t = t = 25 C  . v 0 ( ) 1 5.5.
Tổng tổn thất nhiệt Δ Nhiệt lượng có ích q1:
q = i − C t = 2500 +1,842.45 − 4,1868.25 = 2478, 220 J k / kg am 1 2 w v ( ) ( ) 1
Tổng tổn thất nhiệt Δ:
 = C t − q − q = 4,1868.25 −153, 409 − 38, 238 = −86,977 (kJ / kg am w v v mt ) 1 9
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272 5.6.
Quá trình sấy thực
Do:   0 nên ta có đồ thị sấy thực như hình vẽ. Trong đó, điểm 2’ là điểm biểu
diễn trạng thái thực của TNS sau khi ra khỏi thiết bị sấy. Ta có:  86 − ,977 h = h + = 168,872 +
= 181, 465 kJ / kg 2' 1 ( ) l 26, 323 → Điểm 2’ có: t = 45 ( C  ); h = 1 18 ,465 kJ / kg am 2' 2' ( )
Sử dụng phần mềm Psycromatric Analsys, ta tìm được điểm tương ứng trên đồ thị: 10
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272
Trong đó:  = 82, 2 % ; d = 52,74 g am / kgkk 2' ( ) 2' ( )
Ta có bảng tổng hợp lại các điểm sấy thực tế của TNS:
Bảng thông số trạng thái không khí trong quá trình sấy thực Trạng thái t φ d h (̊C) (%) (g/kgkk) (kJ/kgkk) 0 25 80 16,03 65,957 1 140 0,711 16,03 184,769 2’ 45 82,2 52,74 181,465
- Lượng không khí thực tế cần thiết làm bay hơi 1kg ẩm là: 1 1000 l = = = 26,323 kgkk tt ( ) d − d 82, 2 −16, 03 2' 1
- Lượng không khí khô thực tế tuần hoàn trong quá trình sấy:
L = W .l = 73, 33 .26 3 , 323 = 1930, 333 kgkk h tt tt ( / )
- Tổn thất nhiệt do TNS mang đi q2: t + t 25 + 45 Tại: 0 2 t = = = 35 C
 , ta Phụ lục 6 (Tr.350)[1] ta có: tb ( ) 2 2
C = 1, 005 (kJ / kg p )
→ q = l .C . t − t = 26,323.1,005. 45 − 25 = 529,087 kJ / kg am 2 tt p ( 2 0 ) ( ) ( )
- Nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm là: 11
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272
q = l .(h − h = 26,323. 184, 769 − 65,957 = 3127, 450 kJ / kg am tt 1 0 ) ( ) ( )
Nếu tính theo phương trình cân bằng ta có:
q ' = q + q + q + q
= 2478, 220 + 529,087 +153, 409 + 38, 238 = 3198,954 kJ / kg am 1 2 v mt ( ) q − q ' 3127, 450 − 3198, 954 Xét: =
= 0,023 = 2,3 (%)  5 (%) nên có thể chấp q 3127, 450 q + q ' 3127, 450 + 3198, 954
nhận được. Lấy: q = q = = = 3163, 202 kJ kg am . tb ( / ) 2 2
Có thể tổng kết bảng cân bằng nhiệt và hiệu suất buồng sấy như sau: Giá trị STT Đại lượng Ký hiệu % [kJ/kg ẩm] 1 Nhiệt lượng có ích q1 2478,220 77,47 2 Tổn thất do TNS q2 529,087 16,54 3 Tổn thất do VLS qv 153,409 4,80 4
Tổn thất ra môi trường qmt 38,238 1,19 5
Tổng nhiệt lượng tiêu hao q 3163,202 100
Nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho quá trình sấy : W .q 73, 333.3163, 212 Q = = = 64, 436 (kW ) 3600 3600
6. Tính lại kích thước ghi Diện tích thực tế: 1, 5L 1, 5.1930, 333 F = = = 0,681 m G ( 2) 3600.w . 3600.1, 262.0, 935 t k
Do đó, đường kính ghi sơ bộ bằng: 4F 4.0, 681 G D = = = 0,932 (m)  
7. Khối lượng VLS nằm trên ghi
Trước hết chúng ta tính tiêu chuẩn Nu. Với: Fe = 66, 227; Re = 155, 261, ta có: 0 − ,34 0 − ,34  H   0,25  0,6 0,65 0,6 0,65 Nu = 0, 0283Fe Re   = 0,0283 .155,261 . = 0.675 t   3 d    2,75.10−  td 12
Thiết kế hệ thống sấy tầng sôi | Nguyễn Thị Trang_20175272
Hệ số trao đổi nhiệt giữa VLS và TNS là: 2 . Nu  0, 675.3,15.10− k  = = = 7,732 − ( 2 W / m K 3 ) d 2, 75.10 td
Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa TNS và VLS:
(t −t − t −t − − − 1 v 2 v 140 25 45 40 1 ) ( 2 ) ( ) ( ) t  = = = 35,082 ( C  )
 t −t  140 − 25   1 v1 ln ln     −  45 − 40 t t   2 v   2
Khối lượng VLS thường xuyên nằm trên ghi. 3 Wq '  d
73, 333.3163, 202.500.2, 75.10− v td G = = = 195,965 196 (kg) 6 t  6.7, 732.35, 082
Tính chiều cao lớp hạt nằm trên ghi H. G 196 H = = = 0,338 (m) F −  0, 681.850 G kh
Khối lượng hạt thực tế nằm trên ghi. Trước đây chúng ta chọn sơ bộ:
H = 0, 25 (m) , do đó khối lượng hạt thường xuyên nằm trên ghi bằng: 0, 338 G = 196. = 265,182  265 (kg) 0, 25
Thời gian sấy trung bình là: G 265  = = = h =  0, 5.(G + G ) 0, 5.(573,333 + 500) 0, 494 ( ) 29, 65 30 (min) 1 2
[1] Tính toán và thiết kế hệ thống sấy – PGS-TSKH. Trần Văn Phú
[2] Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 2 – Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 13