Đề tài Thiết kế hệ thống khử ẩm sấy lạnh

Lời cảm ơn ! Bản đồ án tốt nghiệp này được hoàn thành trong thời gian 4 tháng, từ ngày 22 tháng 01 năm 2007 đến ngày 04 tháng 05 năm 2007 sau năm năm học tập ngành Trang thiết bị Lạnh - Nhiệt thuộc trường Đại học Giao thông Vận tải. Trong thời gian thực hiện bản đồ án này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn, Th.S Đỗ Thái Sơn, các thầy giáo trong bộ môn, các cán bộ và công nhân công ty bánh kẹo Hải Hà, gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành tôt nhất bản đồ án tốt nghiệp này. Tuy nhiên do thời gian có hạn, kiến thức thực tế còn hạn chế nên bản đồ án này không thể tránh khỏi những sai sót. Tôi rất mong được sự động viên, góp y và sự chỉ bảo thêm của các thầy giáo trong bộ môn và các bạn đồng nghiệp để cho bản đồ án này được hoàn thiện hơn! Lời cam đoan ! Tôi xin cam đoan 1 – Bản đồ án tốt nghiệp này do tôi tự lập nghiên cứu tính toán và thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn. 2- Để hoàn thành bản đồ án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã cho trong đồ án, không sử dụng bất kì tài liệu nào khác mà không liệt kê ở phần tài liệu tham khảo. Kí tên : Nguyễn Phạm Song Thương Mục từ a, m2/s - hệ số khuyếch tán nhiệt độ d, g/kgkk - độ chứa hơi G, L, kg/s;m3/s - lưu lượng tác nhân sấy H, h, I: J, J/kg - Entanpy Ph, Pa - áp suất bão hòa của hơi nước Pk, bar - áp suất ngưng tụ của môi chất P0, bar - áp suất bay hơi của môi chất Q0, W - công suất lạnh Qk, W - công suất nhiệt tk, 0C - nhiệt độ ngưng tụ của môi chất t0, 0C - nhiệt độ bay hơi của môi chất t, 0C - nhiệt độ môi trường tT, 0C - nhiệt độ trong phòng , % - độ ẩm tương đối của môi trường tư, 0C - nhiệt độ nhiệt kế ướt ttb, 0C - nhiệt độ trung bình W, 0C - lượng ẩm tách được , - hệ số hấp thụ nhiệt của kính k, W/m2.K - hệ số truyền nhiệt F, m2 - diện tích mục lục Trang Lời nói đầu 8 Chương I - Giới thiệu về công trình và hiện trạng sản xuất 9 i. Hiện trạng công trình 9 ii. Phân tích các ưu, nhược điểm của hệ thống khử ẩm đã có của phân xưởng 11 2.1. Ưu điểm 11 2.2. Nhược điểm 12 iii. Quy trình sản xuất và nguyên lí hoạt động của dây chuyền sản xuất kẹo Caramel 12 3.1. Quy trình sản xuất 12 3.2. Nguyên lí hoạt động của dây chuyền sản xuất 14 iv. Yêu cầu kĩ thuật cần đáp ứng 15 Chương II - Nhu cầu khử ẩm - thực tế nghiên cứu và áp dụng các phương pháp khử ẩm 16 I- Nhu cầu khử ẩm 16 II- Tổng quan tình hình nghiên cứu và áp dụng các phương pháp khử ẩm hiện nay 17 2.1. Các phương pháp khử ẩm 17 2.2. Giới thiệu một số công trình nghiên cứu về sấy-hút ẩm dùng bơm nhiệt 21 2.2.1. Các tác giả trong nước 21 2.2.2. Các tác giả nước ngoài 25 2.3. Công nghệ khử ẩm 28 2.3.1. Các phương pháp khử ẩm đã áp dụng 28 2.3.2. Quá trình khử ẩm 31 2.4. Tác động của hiện tượng đóng băng dàn bay hơi tách ẩm đối với hệ thống sấy lạnh, hút ẩm 34 2.5. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đặc tính nhiệt độ trung bình ttb và độ ẩm tương đối trong chu kì hoạt động của máy sấy lạnh BK - BSH18A 35 Chương III - Tính toán năng suất khử ẩm cho phân xưởng 38 i. Tính cân bằng nhiệt, ẩm cho chế độ mùa nồm 39 1.1. Tính nhiệt thừa 39 1.2. Tính ẩm thừa 44 ii. Tính cân bằng nhiệt, ẩm cho chế độ mùa hè 46 2.1. Tính nhiệt thừa 46 2.2. Tính ẩm thừa 51 iii. Tính cân bằng nhiệt, ẩm cho chế độ mùa đông 53 3.1. Tính nhiệt thừa 53 3.2. Tính ẩm thừa 58 Chương iv - tính toán thiết kế hệ thống khử ẩm 62 i. Phân tích các phương án thiết kế 62 1.1. Các phương án lựa chọn thiết bị 62 1.1.1. Lựa chọn các thiết bị rời, tính toán lắp đặt hoàn chỉnh thành máy 62 1.1.2. Tận dụng các thiết bị sẵn có 62 1.1.3. Lựa chọn thiết bị chính là các máy điều hòa nhiệt độ thông dụng 62 1.2. Kết cấu dàn lạnh và tốc độ gió 63 1.2.1. Phương án thứ nhất 63 1.2.2. Phương án thứ hai 63 1.2.3. Phương án thứ ba 64 1.3. Các phương pháp xả băng dàn bay hơi trong kĩ thuật lạnh 64 1.3.1. Trong lĩnh vực lạnh đông 64 1.3.2. Trong lĩnh vực bơm nhiệt sử dụng sưởi ấm ở các nước ôn đới 65 1.3.3. Trong lĩnh vực sấy lạnh, hút ẩm 66 ii. Lựa chọn và thiết kế hệ thống 67 2.1. Chọn máy lạnh 67 2.2. Chọn dàn điện trở đốt nóng phụ trợ 67 2.3. Sơ đồ công nghệ máy hút ẩm 68 iii. Vật tư, thiết bị chính sẽ sử dụng trong hệ thống 68 Chương v - tự động điều khiển hệ thống khử ẩm 71 i. Mục đích và các bộ phận cơ bản của tự động điều khiển 71 1.1. Mục đích của tự động điều khiển 71 1.1.1. Duy trì điều kiên thiết kế 71 1.1.2. Giảm lao động chân tay của con người 71 1.1.3. Giảm tiêu phí năng lượng và giảm giá thành 71 1.1.4. Giữ cho hệ thống hoạt động an toàn 72 1.2. Các bộ phận cơ bản của hệ thống tự động điều khiển 72 1.2.1. Biến cần điều khiển (controlled variable) 72 1.2.2. Phần tử cảm biến (sensor) 73 1.2.3. Bộ điều khiển (controller) 73 1.2.4. Nguồn năng lượng (source of energy) 73 1.2.5. Phần tử bị điều khiển (controlled device) 73 1.2.6. Tác nhân điều khiển (control agent) 73 1.2.7. Thiết bị thực hiện quá trình (procees plant) 73 II. Kĩ thuật tự động hóa điều khiển khử ẩm 73 2.1. Sơ đồ khối của hệ điều khiển 73 Chương VI - kết luận 75 I. Kết luận 75 II. Kến nghị 75 Lời nói đầu Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa, quanh năm nóng ẩm. Với điều kiện như vậy, nhiều công trình, kho bảo quản, lưu trữ cần được hút ẩm, nhiều sản phẩm không chỉ nông nghiệp mà còn cả công nghiệp, thực phẩm, dược liệu… cần phải được sấy khô. Trong đó có cả những mặt hàng có khả năng sản xuất trong nước thay thế hàng nhập khẩu hoặc có tiềm năng xuất khẩu nhưng lại đòi hỏi môi trường chế biến phải có độ ẩm nhỏ. Nhiều sản phẩm trước đây chủ yếu phải nhập ngoại như các loại kẹo Cho-co-late, kẹo Jelly, Galatin, kẹo Carament…, gần đây được sản xuất trong nước với dây chuyền công nghệ nhập khẩu từ nước ngoài. Tuy nhiên việc sản xuất các sản phẩm trên trong điều kiện Việt Nam thường gặp khó khăn, nhất là về mùa mưa và khi trời nồm cần phải trang bị thêm máy bài ẩm phụ trợ. Các máy thường được sử dụng là các máy bài ẩm chuyên dùng kiểu hấp phụ hoặc máy hút ẩm thông thường. Các máy này có nhiệt độ không khí ra lớn hơn nhiệt độ môi trường nên trong nhiều trường hợp không đáp ứng được yêu cầu công nghệ sản xuất đặt ra. Theo quan điểm tiết kiệm điện năng và kinh phí đầu tư, quá trình hút ẩm và sấy ở nhiệt độ thấp nếu sử dụng các máy bài ẩm là không hợp lí vì ta phải tốn điện năng để hoàn nguyên chất hút ẩm và làm nóng không khí rồi lại tốn năng lượng và kinh phí mua sắm máy lạnh để hạ nhiệt độ của chính khối không khí đó. Để khử ẩm sấy lạnh, hiện nay các nhà khoa học trên thế giới và ở Việt Nam đã sử dụng các thiết bị khử ẩm bằng bơm nhiệt - tận dụng một phần năng lượng thải của dàn nóng. ở công ty bánh kẹo Hải Hà mà cụ thể là tại phân xưởng kẹo Caramel, GS. TS Phạm Văn Tùy và các cộng sự đã lắp đặt một thiết bị như vậy. Thiết bị này đã được chế tạo lắp đặt dựa trên máy điều hòa nhiệt độ thông thường. Đồ án tốt nghiệp này nhằm đưa ra và tính toán thiết kế cụ thể và chi tiết hệ thống khử ẩm sấy lạnh được cải tiến từ điều hòa nhiệt độ. Hi vọng các kết quả tính toán này có thể được xem là tài liệu tham khảo đáng tin cậy để thiết kế các loại thiết bị khử ẩm, sấy lạnh tương tự. Chương i Giới thiệu về công trình và hiện trạng sản xuất I. HIện trạng công trình. 1.1. Khái quát chung. Công ty bánh kẹo Hải Hà là một trong những công ty lớn trong ngành công nghiệp nước ta. Sản phẩm chính của công ty là các loại bánh, kẹo cao cấp như kẹo Jelly, kẹo Caramel, kẹo cứng, bánh xốp, bánh kem… Trụ sở của công ty đặt tại số 25 đường Trương Định, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội. Công ty được thành lập năm 1965, trải qua hơn 40 năm phát triển và trưởng thành, công ty đã không ngừng lớn mạnh, tích lũy được nhiều kinh nghiệm trong sản xuất kinh doanh.Các thành tích của công ty đã được Đảng và Nhà Nước công nhận với nhiều huân chương các loại, được tặng nhiều huy chương trong các kì triển lãm trong và ngoài nước. Các sản phẩm của công ty đã nhiều năm liền được người tiêu dùng bình chọn là "Hàng Việt Nam chất lượng cao". Một trong những sản phẩm điển hình của công ty là sản phẩm kẹo Albeliven - Caramel. Phân xưởng sản xuất kẹo Caramel được đặt trong khuôn viên công ty bánh kẹo Hải Hà. Là một phân xưởng trong xưởng sản xuất kẹo cứng của công ty, điều kiện nhà xưởng, kho tàng của phân xưởng được tận dụng từ các cơ sở vật chất sẵn có. Phân xưởng được ngăn ra từ phòng nấu kẹo chung của xưởng kẹo cứng. Phân xưởng rộng 66 m2, một chiều 12 m, một chiều 5,5 m, cao 4,5 m. Phân xưởng có hai mặt là tường của xưởng, hai mặt còn lại được lắp kính ngăn cách với phòng sản xuất chính. Tại phân xưởng này, công ty đã cho lắp đặt một dây chuyền sản xuất loại kẹo cứng Caramel nhập từ Đức. Tuy nhiên, do điều kiện khí hậu ở Đức khác với Việt Nam nên không xảy ra hiện tượng dính ướt kẹo khi rơi ra khỏi dây chuyền sản xuất. Còn khi về nhà máy thì trong những ngày thời tiết có độ ẩm cao, sản phẩm bị dính vào nhau, không thể đóng gói được. Năm 1999, công ty đã cho cải tạo lại hai máy lạnh sẵn có thành bơm nhiệt khử ẩm nhằm đảm bảo điều kiện công nghệ thích hợp cho sản xuất. Tuy nhiên, do điều kiện thời gian gấp rút và kinh phí hạn hẹp để bảo đảm cho hoạt động sản xuất nên các tính toán, thiết kế cho hệ thống trên chưa chú ý một cách đầy đủ và chưa tận dụng triệt để các lợi điểm của thiết bị như còn để các dàn nóng bên ngoài phân xưởng mà không tận dụng nhiệt của nó và sử dụng dây điện trở để cấp nhiệt không khí. Vì vậy mục đích và nhiệm vụ của đồ án này là đề xuất các phương án tính toán, thiết kế một cách chi tiết, cụ thể hơn cho hệ thống khử ẩm của phân xưởng Caramel nói riêng, để có thể sử dụng phương pháp tính toán đó ứng dụng cho các thiết kế hệ thống khử ẩm khác, phục vụ các mục đích khác nhau trong đời sống. 1.2. Dây chuyền sản xuất kẹo Caramel. 1.2.1. Quy trình sản xuất. Quy trình sản xuất được cho trong sơ đồ trang bên, hình 1.2. 1.2.2. Nguyên lí hoạt động của dây chuyền sản xuất. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của dây chuyền cho trong sơ đồ hình 1.3. Nguyên liệu được nấu chảy tại phân xưởng nấu bên cạnh, qua hệ thống rót khuôn được dẫn vào phân xưởng nhờ một bơm chất lỏng. Qua hệ thống rót khuôn 1, nguyên liệu được rót vào khuôn kẹo cũng là băng tải 3. Băng tải chạy trong hầm sấy 2, ra tới cửa 5 thì rơi ra ngoài, sau đó được dẫn qua phân xưởng đóng gói bên cạnh. Chạy trong băng tải, nguyên liệu kẹo nóng chảy được làm lạnh, làm khô nhờ máy lạnh công suất lớn 4. Nó có nhiệm vụ tạo ra khí lạnh, lấy bớt độ ẩm trong kẹo ra ngoài. Khi kẹo ra khỏi dây chuyền thủy phần chỉ còn 3 - 4%. Qua khảo sát thực tế với dây chuyền trên của công ty bánh kẹo Hải Hà cho thấy, tuy đây là dây chuyền hiện đại, đắt tiền, nhập khẩu từ Cộng hòa Liên bang Đức, được trang bị máy lạnh công suất lớn nhưng vẫn không đáp ứng được các yêu cầu công nghệ đặt ra của sản phẩm như đã nêu ở trên. Trong những ngày trời nồm, độ ẩm trong không khí có khi lên tới 95% thì khi kẹo rơi ra khỏi khuôn cho tới khi bắt đầu vào phòng bao gói sản phẩm đã không giữ được độ ẩm nhỏ theo yêu cầu mà thường bị dính vào nhau do đã hút ẩm trong không khí, làm cho quá trình bao gói sản phẩm không thể thực hiện được. 1.2.3. Yêu cầu kĩ thuật cần đáp ứng. - Thời gian chạy của băng chuyền trong dây chuyền sản xuất: τ = 20 phút/vòng; - Năng suất của dây chuyền: G = 200 kg/h; - Diện tích sàn phân xưởng: F = 66 m2; - Nhiệt độ kẹo đầu vào rót khuôn: t1 = 125 - 1300C; - Nhiệt độ kẹo đầu ra: t2 = 25 - 300C; - Độ ẩm trong phòng: fp = 40 - 50%; - Nhiệt độ phòng: tp = 25 - 300C. 1.3. Những tồn tại khi sản xuất kẹo bằng dây chuyền trên. Dây chuyền được thiết kế cho điều kiện khí hậu của Đức với nhiệt độ, độ ẩm trong không khí trung bình trong năm không cao nên khi sản xuất sản phẩm tại Đức vẫn bình thường. Tuy nhiên khi về Việt Nam, với điều kiện khí hậu khác rất nhiều so với Đức, nhiệt độ, độ ẩm thường xuyên cao hơn nên ngay khi sản phẩm vừa ra khỏi dây chuyền thì đã nhận nhiệt, ẩm trong không khí, tạo ra trên bề mặt của kẹo một lớp hỗn hợp dính ướt, không khô nên không thể đóng gói được. Vấn đề đặt ra là phải khử hết lượng ẩm thừa đó trong không khí để đảm bảo cho quá trình hoạt động của dây chuyền được ổn định. Để khử ẩm, có thể dùng máy hút ẩm hấp phụ chuyên dụng. Nhưng nếu dùng máy như vậy sẽ làm nhiệt độ trong phân xưởng lên cao (khoảng 40 - 500C) không phù hợp với quy trình công nghệ sản xuất kẹo Caramel (yêu cầu nhiệt độ dưới 300C). Do đó, công ty cho lắp đặt một máy bơm nhiệt hút ẩm như đã giới thiệu ở phần hiện trạng công trình. Hòa đường Bơm Nấu sơ bộ Nấu nhanh Hòa sữa Chất béo, các nguyên liệu khác Cô chân không Bơm Rót khuôn, định hình Làm lạnh, làm khô Đóng gói Phòng sấy lạnh sơ đồ công nghệ dây chuyền sản xuất kẹo caramel Hình 1.2: 5 1 2 3 4 Hình 1.3: Sơ đồ thiết bị của dây chuyền sản xuất 1/. Hệ thống rót khuôn; 2/. Hầm sấy lạnh; 3/. Băng tải xích và khuôn kẹo trong hầm sấy; 4/. Máy lạnh trong dây chuyền; 5/. Cửa ra của kẹo dẫn sang phòng bao gói sản phẩm. Sơ đồ nguyên lý của dây chuyền sản xuất kẹo II. giới thiệu hệ thống khử ẩm đã có của phân xưởng. 2.1. Nguyên lý hoạt động. Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý bơm nhiệt. Không khí trong phân xưởng được quạt gió (7) hút vào hệ thống qua 2.2. Ưu điểm của hệ thống. Từ những phân tích trong chương I và từ sơ đồ hình 1.1 ta có thể thấy hệ thống khử ẩm nói trên có các ưu điểm sau: - Tận dụng tối đa thiết bị sẵn có của phân xưởng, là hai máy lạnh công suất mỗi chiếc 48000 Btu/h. Chỉ cần chế tạo thêm một lớp vỏ ngoài cho máy và lắp đặt lại thiết bị là có một máy khử ẩm hoàn chỉnh. - Điều chỉnh nhiệt độ đầu ra bằng dây điện trở nên dễ dàng điều chỉnh thích hợp, hay nói cách khác là điều chỉnh "mịn". Hình1.1 : Sơ đồ hệ thống khử ẩm đã có, phân xưởng Caramel - Hải Hà 1 - Dàn nóng máy lạnh; 5 - Cửa thổi gió khô ra; 2 - Dàn lạnh máy lạnh; 6 - Cửa hút gió ẩm vào; 3 - Tường phân xưởng; 7 - Quạt thổi; 4 - Dàn điện trở đốt; 1 2 3 4 5 6 7 2.3. Nhược điểm. Tuy nhiên, hệ thống này cũng có nhiều nhược điểm: - Do dàn nóng lắp bên ngoài phân xưởng nên hoàn toàn không tận dụng được năng lượng nhiệt của nó để sấy nóng không khí mà vẫn phải dùng điện trở. Đây là một sự hao phí đáng kể vì ưu điểm của bơm nhiệt là tận dụng tối đa năng lượng ở cả hai dàn nóng, lạnh. - Lưu lượng môi chất qua dàn lạnh cũng chưa được khống chế thích hợp cho từng chế độ thời tiết. Trong mọi trường hợp thì dàn lạnh vẫn hoạt động cả hai, gây ra lãng phí năng lượng. Chương Ii Nhu cầu khử ẩm - thực tế nghiên cứu và áp dụng các phương pháp khử ẩm I- Nhu cầu khử ẩm. Nước ta nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới ẩm, có bờ biển dài trên 3000 km, độ ẩm không khí quanh năm thường trên 70%, nhiệt độ trung bình cao nhất có thể trên 350C. Chính điều kiện đó là nguyên nhân gây ra hiện tượng ăn mòn, làm han gỉ, hư hỏng máy móc thiết bị, không phù hợp với nhiều quy trình sản xuất, chế biến các mặt hàng nông sản thực phẩm, hoá dược, quy trình bảo quản, lưu trữ tư liệu, phim ảnh… Điều kiện nhiệt ẩm cao thuận lợi cho nấm mốc và các vi sinh vật có hại sinh trưởng và phát triển gây hư hỏng nhiều thực phẩm, lương thực, thuốc men, giống cây trồng cần bảo quản… Không khí ẩm còn làm vón cục các loại bột, gây đọng sương làm hư hỏng nội thất, tranh ảnh, đồ vật trang trí trong gia đình, làm chảy nước các loại kẹo Chocolate, kẹo cứng,… gây nấm mốc, hư hỏng nhiều loại lương thực, thực phẩm, bánh kẹo,… Không khí ẩm cũng ảnh hưởng đến sự hô hấp của con người, nhất là những người bị mắc bệnh về phổi, đường hô hấp, hen suyễn, lao,… và gây ra đau nhức ở các bệnh nhân bị bệnh thấp khớp… Để tạo nên những sản phẩm, hàng hóa tiêu dùng trong nước và xuất khẩu có chất lượng cao, đảm bảo các tiêu chuẩn vệ sinh, an toàn, đáp ứng yêu cầu hội nhập với khu vực và thế giới, nhất là từ bây giờ Việt Nam đã chính thức gia nhập WTO, tham gia sân chơi thương mại toàn cầu thì các loại lương thực, thực phẩm sau thu hoạch cần phải qua các quá trình chế biến, bảo quản ở chế độ ôn ẩm thích hợp. Trong công nghệ sản xuất một số sản phẩm yêu cầu cần phải duy trì nhiệt độ không quá cao (23 - 250C), độ ẩm tương đối của tác nhân sấy nhỏ hơn 50%. Nhiều loại thực phẩm, rau quả khi sấy ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường thường cũng không giữ được màu sắc, mùi vị và các chất vi lượng. Ví dụ môi trường chế biến và làm khô các sản phẩm như kẹo Chocolate, kẹo Jelly, Gelatin, kẹo Caramel,… yêu cầu nhiệt độ không quá cao (250C), độ ẩm nhỏ hơn 45 - 50%. Tình hình đó đòi hỏi cần phải có công nghệ sấy khô sản phẩm hoặc khử ẩm môi trường sản xuất ở điều kiện nhiệt độ thấp hơn. Phương pháp sấy khô sản phẩm truyền thống là sấy bằng không khí nóng (60 - 1200C), để giảm độ ẩm tương đối của không khí người ta hay dùng máy hút ẩm thông dụng làm việc theo nguyên lí bơm nhiệt. Thông thường phương pháp này làm cho nhiệt độ phòng sấy lớn hơn nhiệt độ môi trường, độ ẩm tương đối chỉ đạt trên 55% (với độ ẩm ngoài trời từ 80 - 95%). Như vậy không đảm bảo nhu cầu sấy cũng như hút ẩm ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ nhỏ hơn môi trường, độ ẩm tương đối nhỏ hơn 55%). Các hệ thống điều hòa nhiệt độ ở điều kiện khí hậu Việt Nam bao giờ cũng kèm theo hiệu quả giảm ẩm. Tuy nhiên chúng cũng thường chỉ tạo ra độ ẩm tương đối không nhỏ hơn 55% cho không khí dù rằng nhiệt độ có được hạ thấp. Cho nên các máy khử ẩm chuyên dùng kiểu hấp phụ hay được sử dụng. Với hệ thống này, không khí được làm khô nhờ tiếp xúc với các chất rắn có khả năng hấp thu ẩm như Silicagel, nhưng để đảm bảo dủ cả hai yêu cầu là sấy lạnh và khử ẩm vẫn cần phải thêm điều hòa không khí, làm tăng vốn đầu tư, thay thế thiết bị, thời gian nghỉ sản xuất để bảo dưỡng, thay thế… Từ những vấn đề thực tế trên, ở Việt Nam trong một vài năm gần đây đã có nhiều công trình của các tác giả trong nước nghiên cứu lí thuyết, thực nghiệm phương pháp hút ẩm, sấy ở nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ môi trường bằng bơm nhiệt máy nén và đã được áp dụng hiệu quả trong sản xuất. Tại các cơ sở áp dụng phương pháp trên ngày càng chứng tỏ rõ hiệu quả to lớn không chỉ về mặt kinh tế mà còn cả mặt kĩ thuật. II- Tổng quan tình hình nghiên cứu và áp dụng các phương pháp khử ẩm hiện nay. Công nghệ hút ẩm và sấy khô sản phẩm (bằng phương pháp đối lưu) cùng chung đặc điểm là phải làm giảm độ ẩm tương đối của môi trường khí sấy. Đối với công nghệ sấy thì đây là giai đoạn đầu tiên - chuẩn bị môi chất sấy có thế sấy lớn trước khi đi vào buồng sấy. Vì vậy khử ẩm tốt là tiền đề để tiến hành quá trình sấy khô vật ẩm có hiệu quả. Tuy nhiên, ở công nghệ sấy nóng thì việc giảm độ ẩm tương đối của khí sấy chỉ đơn thuần là do nâng cao nhiệt độ môi trường sấy. Công nghệ này đã và đang được nghiên cứu cũng như áp dụng rộng rãi trong thực tế. Nhưng trong lĩnh vực hút ẩm cũng như sấy lạnh (nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường) thì còn ít được nghiên cứu và áp dụng. Do còn hạn chế về mặt thời gian cũng như năng lực, trong phạm vi đồ án này em chỉ đề cập tới riêng lĩnh vực khử ẩm mà thôi. 2.1. Các phương pháp khử ẩm. ở các nước phát triển châu Âu và Bắc Mỹ, nhu cầu hút ẩm cho các công trình công cộng và nhà ở gia đình hầu như không được đặt ra vì bình thường độ ẩm trong không khí đã không cao lại thường có các hệ thống điều hòa nhiệt độ đảm nhận cả chức năng khử ẩm. ở các kho bảo quản tư liệu, sách báo, phim ảnh, văn hóa phẩm… nhu cầu chính vẫn là độ ẩm, còn nhiệt độ dù có cao hơn môi trường (vốn đã không cao) một vài ba độ thì vẫn nằm trong giới hạn cho phép. Do vậy, cho những nhu cầu này chỉ cần dùng máy hút ẩm kiểu bơm nhiệt là đủ. Các máy hút ẩm thông dụng kiểu này trên thị trường Việt Nam đang lưu hành phổ biến là các loại máy của Nhật, Mỹ như máy Edison, có năng suất hút ẩm định mức (với thông số ngoài trời 300C, độ ẩm tương đối là 80%) từ 10 đến 35 l/ngày, điện năng tiêu thụ từ 0,2 kW đến 0,68 kW, môi chất lạnh là R134-a. 1-Vỏ máy; 2-Dàn bay hơi; 3-Quạt; 4-ống cáp; 5-Máy nén; 6-Phin lọc; 7-Dàn ngưng; 8-Thùng chứa nước; A-Gió ẩm vào; B-Gió ẩm sau dàn lạnh; C-Gió khô ra; M-Động cơ quạt. C 3 7 5 4 2 1 A Hình 2.1: Sơ đồ máy hút ẩm Edison. (Mỹ) không khí khô t2 > t1 < t1, không khí ẩm 6 B M Trong những trường hợp đặc biệt yêu cầu cần có độ ẩm tương đối thấp hơn khoảng 50 - 55% thì trước đây hay sử dụng máy bài ẩm chuyên dùng làm việc theo nguyên lí hấp thụ rắn kiểu máy Munters của Thụy Điển. Nhược điểm lớn nhất của nó là tiêu hao năng lượng điện nhiều, vốn đầu tư lớn, nhất là khi yêu cầu cả độ ẩm và nhiệt độ thấp. Ngoài ra nó còn gây tốn kém thêm kinh phí thay thế chất hút ẩm (tương đối lớn) và vấn đề phòng chống cháy nổ cũng khó khăn, phức tạp hơn do phải dùng dàn điện trở công suất lớn gia nhiệt cho không khí đến 120 - 1500C. Nếu muốn giữ nhiệt độ trong phòng nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ môi trường thì phải trang bị thêm máy lạnh có công suất và giá thành khá lớn. Tại những nước có khí hậu ôn đới hay hàn đới, do có khí hậu lạnh và khô nên vấn đề sấy khô được giải quyết tương đối đơn giản và dễ dàng. Với các hệ thống điều hòa không khí và khử ẩm, thông thường độ ẩm đã có thể đạt tới 50% và nhỏ hơn trong điều kiện nhiệt độ không vượt quá 200C đến 300C. Đây là điều kiện vi khí hậu mà nhiều quá trình sản xuất công nghệ như các ngành in và phần lớn công nghệ sản xuất bánh kẹo,… yêu cầu. Với những quá trình sản xuất đòi hỏi nhiệt độ thấp hơn, ví dụ từ 80C đến 180C với công nghệ sản xuất kẹo Chocolate thì độ ẩm yêu cầu không quá thấp (khoảng 45 ± 5%) nên các hệ thống lạnh và điều hòa không khí vẫn có khả năng giải quyết được, vì phần lớn thời gian trong năm, nhiệt độ (và nhiều khi cả độ ẩm) của môi trường ngoài cũng có giá trị như vậy, thậm chí thấp hơn. Với một số mặt hàng như kẹo Jelly, Gelatin, Caramel và các rau quả cần sấy khô ở môi trường nhiệt độ 200C đến 250C và độ ẩm 30% đến 40%, trong trường hợp cần thiết người ta có thể dùng kết hợp máy điều hòa không khí và máy hút ẩm chuyên dụng kiểu hấp phụ. Để hút ẩm hay sấy khô các vật phẩm có thể chịu được nhiệt độ từ 500C đến 600C hay cao hơn, người ta hay sử dụng các hệ thống bơm nhiệt chuyên dụng như khi sấy gỗ, da, malt, đại mạch,… Việc sử dụng bơm nhiệt cho các nhu cầu cung cấp nước nóng, sấy, sưởi và điều hòa không khí là giải pháp ưu tiên hàng đầu ở các nước Tây Âu, Mỹ và Nhật Bản. ở Pháp, người ta đã tổng kết rằng mọi loại hình sấy nếu không sử dụng bơm nhiệt đều là lãng phí về năng lượng. Đến năm 1987, Pháp đã có tới 6000 xí nghiệp có sử dụng bơm nhiệt, trong đó có 300 bơm nhiệt có công suất lớn hơn 30 kW. Năm 1997, có khoảng 90 triệu bơm nhiệt được lắp đặt mới trên thế giới. Nhật Bản là nước có thị trường bơm nhiệt với số lượng lớn nhất thế giới, nhưng khác với Châu Âu, ở Nhật bơm nhiệt được dùng cho điều hòa không khí và khử ẩm rất được chú ý và tăng trưởng mạnh để thích nghi với điều kiện khí hậu trong nước. ứng dụng bơm nhiệt mạnh nhất ở Nhật Bản là lĩnh vực điều hòa không khí dân dụng. Hàng năm, Nhật Bản bán ra thị trường hơn 3 triệu máy điều hòa không khí cục bộ thì gần 1/3 là máy một chiều lạnh, còn lại là máy hai chiều dạng bơm nhiệt. Bơm nhiệt để điều hòa không khí cho các công trình công cộng hàng năm cũng chiếm khoảng 50% tổng số thiết bị sản xuất ra. Sản lượng bơm nhiệt cung cấp cho nhu cầu điều hòa không khí cục bộ (Room Air Conditioner - RAC) sản xuất ra năm 1996 tại Nhật Bản đạt mức 3 triệu, năm 1997 là 7 triệu. Mức độ tăng trưởng của RAC năm 1997 vào khoảng 81% (trong đó có 62% dưới dạng bơm nhiệt). Ngoài ra, Nhật Bản cũng là nước rất chú trọng đến việc sử dụng bơm nhiệt hấp thụ và bơm nhiệt đốt khí cho nhu cầu điều hòa không khí trong các cao ốc thương mại, các hệ thống sưởi ấm. làm lạnh và đồng phát nhiệt - điện. Thị phần của bơm nhiệt đốt khí tăng từng năm, chiếm 13,1% trong tổng công suất của thị trường làm lạnh của Nhật Bản năm 1997. Nhờ có chinh sách mở cửa, nền kinh tế Trung Quốc phát triển mạnh vào cuối thập kỉ 80 thế kỉ XX. Cũng cùng thời gian này, nhu cầu về điều hòa không khí chuyển từ công nghiệp sang sử dụng thương mại. Nhu cầu về điều hòa không khí cục bộ và điều hòa không khí tổ hợp gọn công suất lớn ở Trung Quốc tăng đột biến, tới 40 lần trong năm 1997 so với năm 1990. Năm 1997, bơm nhiệt chiếm khoảng 60% thị phần sử dụng trong công nghiệp điều hòa không khí ở Trung Quốc. Mỹ là nước dẫn đầu thế giới về bơm nhiệt công suất lớn, chiếm tới 50% nhu cầu sử dụng của toàn thế giới. Hàng năm có khoảng hơn 30% các cao ốc xây dựng mới trang bị hệ thống điều hòa không khí kiểu bơm nhiệt. Cho tới nay, hầu hết các bơm nhiệt dùng cho các mục đích sấy, sưởi, cung cấp nước nóng… đều sử dụng môi chất lạnh là R22 (chiếm khoảng 80%). Trước đây người ta thường dùng R12, chiếm gần 20% và một số ít hệ thống công nghiệp dùng NH3. Ngày nay, do yêu cầu bảo vệ tầng ôzôn và giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, việc lựa chọn môi chất lạnh thay thế cho các chất CFC dùng trong các hệ thống lạnh cũng như bơm nhiệt đang được nhiều nước tập trung nghiên cứu và phát triển. Chẳng hạn như các nước châu Âu như: Đức, Thụy Sĩ, Thụy Điển, áo,… đã và đang sử dụng các hydro cacbon (HC), NH3, CO2 làm môi chất thay thế cho các chất CFC đã bị cấm sử dụng. ở Việt Nam, tuy khí hậu nóng ẩm, có rất nhiều lĩnh vực sản xuất, quá trình và thiết bị công nghệ đòi hỏi phải được làm khô môi trường hoặc sản phẩm ở nhiệt độ thấp nhưng hút ẩm và sấy lạnh chưa thành một công nghệ riêng thích ứng với điều kiện, hoàn cảnh cũng như trình độ khoa học kĩ thuật của Việt Nam. Một số ngành như thư viện, các cơ quan lưu trữ, bảo quản tư liệu phim ảnh, tài liệu, ấn phẩm,… tuy có yêu cầu độ ẩm, nhiệt độ thấp, nhất là về độ ẩm, nhưng cũng thường chỉ được đáp ứng một cách ước lệ nhờ sử dụng các máy hút ẩm hoặc các máy điều hòa nhiệt độ không khí thông thường. Vì vậy chất lượng môi trường vi khí hậu đạt được thường thấp, nhiệt độ, độ ẩm thường vượt trên giới hạn cho phép. Từ mấy năm gần đây, một số cơ sở sản xuất và kho lưu trữ có sử dụng các máy hút ẩm chuyên dùng (kiểu hấp phụ) với chất hấp phụ silicagel lắp ghép kết hợp với máy điều hòa nhiệt độ nhưng còn mang tính chất manh mún, chắp vá, chưa điều khiển được chế độ hoạt động tối ưu, đặc biệt là tối ưu kinh tế - kĩ thuật khi môi trường yêu cầu có nhiệt độ thấp. ở các môi trường công nghiệp chế biến một số mặt hàng đặc biệt như trong các phân xưởng sản xuất kẹo chocolate, kẹo caramel, gelatin, kẹo Jelly,… người ta đã trang bị đồng bộ dây chuyền chế biến đảm bảo công nghệ chế biến sản phẩm và thông số chế độ ôn ẩm độ. Tuy vậy, trong điều kiện khí hậu Việt Nam các hệ thống đắt tiền, tốn nhiều ngoại tệ để tạo dựng này thường lại không đảm bảo thông số chế độ về mùa mưa và mùa nóng ẩm. ở một số cơ sở bảo quản vật phẩm yêu cầu nhiệt độ và độ ẩm nhỏ hoặc trong một số nhà máy chế biến nông sản thực phẩm, để thực hiện quá trình hút ẩm hay sấy lạnh người ta đã sử dụng các máy hút ẩm chuyên dụng phải nhập bằng ngoại tệ, giá thành cao, điện năng tiêu thụ nhiều, lại phải định kì thay thế chất hút ẩm ngoại, rất tốn kém. Trong điều kiện sản xuất công nghiệp nhiều bụi bẩn, các chất hút ẩm rất nhanh lão hóa, giảm nhanh khả năng hấp phụ ẩm, trong một số trường hợp như ở hệ thống sấy lạnh kẹo Jelly, người ta đã phải dỡ bỏ tổ hợp máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh chỉ sau 1 năm lắp đặt vì không phát huy được tác dụng. ở các tỉnh phía nam, do đặc điểm khí hậu ổn định và khô hơn nên nhu cầu này bớt căng thẳng hơn. Trước tình hình đó, từ năm 1997, GS Phạm Văn Tùy và các cộng sự đã tìm hiểu nhu cầu thực tế và thực hiện nghiên cứu áp dụng đầu tiên sử dụng bơm nhiệt để thực hiện chức năng hút ẩm và sấy lạnh. Được lắp đặt tại Công ty cổ phần bánh kẹo Hải Hà, thay thế cho phương pháp sấy dùng tổ hợp máy hút ẩm chuyên dùng kết hợp với máy lạnh. Qua thực tế sử dụng, hệ thống này đã phát huy được những ưu điểm vượt trội so với hệ thống cũ. Như vậy, việc sử dụng bơm nhiệt ở các nước phát triển trên thế giới cho các nhu cầu điều hòa không khí, hút ẩm, sấy, sưởi,… rất được chú trọng. Tuy nhiên, điều đó chưa được chú trọng nhiều lắm ở các nước đang phát triển, trong đó có Viêt Nam, đặc biệt trong lĩnh vực hút ẩm và sấy khô nông sản thực phẩm phục vụ cho công nghiệp sau thu hoạch. Hi vọng rằng Nhà Nước sẽ có những chính sách phù hợp để thúc đẩy, mở rộng việc sử dụng bơm nhiệt trong các lính vực của nền kinh tế. 2.2. Giới thiệu một số công trình nghiên cứu về sấy-hút ẩm dùng bơm nhiệt. Việc sử dụng bơm nhiệt trong công nghiệp cũng như dân dụng để sấy, sưởi, hút ẩm, điều hòa không khí,… đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trên thế giới. Tuy nhiên, do giới hạn của đồ án này, nên ở đây chỉ nêu một số công trình nghiên cứu này. 2.2.1. Các tác giả trong nước. GS. Phạm Văn Tùy và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu và đã ứng dụng thành công hệ thống bơm nhiệt để sấy lạnh kẹo Jelly, kẹo Chew, Caramel, kẹo cứng,… tại công ty bánh kẹo Hải Hà. Năm 1997, 1998 các tác giả đã thiết kế lần lượt hai hệ thống sấy lạnh theo nguyên lí bơm nhiệt nhiệt độ thấp kiểu modun để sấy kẹo Jelly với năng suất 1100 kg/ngày và 1400 kg/ngày hiện nay vẫn đang sử dụng tốt cho phòng sấy lạnh số 2 và 3 Nhà máy thực phẩm Việt Trì - Công ty Cổ phần Bánh kẹo Hải Hà. Thông số nhiệt độ không khí trong buồng sấy 220C đến 280C, độ ẩm 30% - 40%. Sơ đồ nguyên lí của hệ thống này được biểu diễn trên hình 2.2. Một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây chuyền sản xuất kẹo Caramel của CHLB Đức cải tạo từ máy điều hòa không khí cũ cho phân xưởng kẹo Caramel và hệ thống bơm nhiệt hút ẩm công suất lạnh 120.000 Btu/h sử dụng 4 máy lạnh TRANE TTK 530 công suất mỗi máy là 30.000 Btu/h hiện nay đang sử dụng cho phòng bao gói kẹo cứng thuộc Xí nghiệp kẹo Công ty Cổ phần bánh kẹo Hả Hà đã được lắp đặt từ năm 1999. Qua thực tế sử dụng, thấy rằng ngoài ưu điểm rẻ tiền (giảm khoảng 50% vốn đầu tư) và tiết kiệm năng lượng (điện năng tiêu thụ giảm gần 50%) so với phương án dùng máy hút ẩm, các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh này hoạt động ổn định, liên tục và giảm chi phí bảo dưỡng. Tuy vậy, nó còn có nhược điểm là cồng kềnh, sử dụng nhiều quạt và động cơ xen kẽ, trong hệ thống nhiều bụi bột nên hay phải bảo dưỡng động cơ lại thao tác trong không gian eo hẹp. 1 2 3 4 NT2 Buồng sấy K.K ẩm K.K khô BH NT1 MN TL Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lí hệ thống bơm nhiệt kiểu modun. MN- Máy nén; BH-Dàn bay hơi; NT1- Dàn ngưng ngoài; NT2- Dàn ngưng trong; TL- Tiết lưu. Để khắc phục nhược điểm trên, năm 2005 nhóm tác giả [5] đã thiết kế chế tạo máy sấy lạnh cho phòng sấy lạnh số 1 theo nguyên lí bơm nhiệt kiểu nguyên khối BK- BSH18A. Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lí máy sấy lạnh BK - BSH18A. Máy sấy lạnh BK - BSH18A được thiết kế đồng bộ và điều khiển tự động dùng để sấy lạnh kẹo Jelly có thông số nhiệt ẩm của vật liệu sấy và tác nhân sấy như sau: - Nhiệt độ sản phẩm đưa vào phòng sấy: tsp = 45 - 500C; - Độ ẩm sản phẩm sấy khi đưa vào phòng sấy: 18 - 220C; - Nhiệt độ phòng sấy yêu cầu: tp = 22 - 280C; - Độ ẩm phòng sấy yêu cầu: fp = 30 - 40%; - Nhiệt độ tác nhân sấy thổi vào phòng: tv = 20 - 250C; - Độ ẩm tác nhân sấy thổi vào phòng: fv = 30 - 40%; - Tốc độ tác nhân sấy đi qua dàn bay hơi: ws = 4 - 5 m/s; - Lưu lượng tác nhân sấy qua dàn bay hơi tách ẩm: 1,2 - 1,8 kg/s; - Tốc độ tác nhân sấy trong phòng sấy: 0,4 - 0,5 m/s; - Nhiệt độ bay hơi môi chất lạnh R22: t0 = -50C -100C; - áp suất bay hơi của môi chất lạnh R22: p0 = 2,8 - 3,5 bar. f = 100% f2 f1 f3 d d1 d2= d3 ts2 t2 ts1 i2 t3 i3 i1 2 3 1 i Hình2.4 : Quá trình sấy lạnh của máy sấy lạnh trên đồ thị I-d. 1. Trạng thái không khí trước dàn bay hơi; 2. Trạng thái không khí sau dàn bay hơi; 3. Trạng thái không khí sau dàn nóng phụ. Nguyên lí làm việc của máy sấy lạnh BK-BSH18A: Tác nhân sấy từ buồng sấy sau khi trao đổi nhiệt, ẩm với vật liệu sấy được quạt hút về thiết bị xử lí không khí, ở đây tác nhân sấy được lọc bụi và sau đó được hút qua dàn bay hơi. Tại đây tác nhân sấy được làm lạnh xuống nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương tTNS < ts và độ ẩm tương đối (f) của không khí tăng lên, lượng hơi ẩm trong không khí được ngưng tụ trên bề mặt dàn lạnh dưới dạng nước ngưng hoặc dạng tuyết hay băng. Để khử được nhiều ẩm, môi chất lạnh bay hơi ở áp suất và nhiệt độ thấp được điều chỉnh trong khoảng từ -100C đến -50C. ẩm bám trên dàn lạnh dưới dạng băng tuyết rồi được thải ra ngoài khi máy thực hiện chu trình xả băng. Không khí sau khi qua dàn lạnh có nhiệt độ thấp và độ ẩm tương đối (f) lớn được tiếp tục cho qua dàn ngưng tụ bên trong. Tại đăy không khí được sấy nóng đẳng dung ẩm d2=d3 = const, nhiệt độ không khí tăng lên từ t2 đến t3 và độ ẩm tương đối của không khí giảm từ f2 xuống f3. Ta có thể điều chỉnh nhiệt độ không khí sau khi qua dàn ngưng tụ trong bằng cách thay đổi tốc độ quạt cung cấp không khí của thiết bị xử lí và thay đổi giá trị đặt trong bộ điều khiển nhiệt độ. Tốc độ gió vào buồng sấy cũng có thể điều chỉnh được bằng cách điều chỉnh van gió. Không khí lúc này có phân áp suât hơi nước nhỏ tiếp xúc với vật liệu sấy làm bay hơi ẩm từ nó, thực hiện quá trình sấy khô vật liệu cần sấy. So với công nghệ dùng các bơm nhiệt kiểu modun thì BK- BSH18A có thiết bị xử lí không khí được chế tạo ở dạng tổ hợp gọn có thế được đặt ngoài nhà, trong nhà hay trong buồng sấy và có tốc độ không khí có thể thay đổi được để phù hợp với yêu cầu các vật liệu cụ thể. Sau 1 năm hoạt động, BK-BSH18A đã thể hiện rõ các tính ưu việt của nó, được cơ sở sử dụng đánh giá rất tốt. Như vậy, việc sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp hể hút ẩm và sấy lạnh tỏ ra có nhiều ưu điểm và rất có khả năng ứng dụng rộng rãi trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, phù hợp với thực tế Việt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế - kĩ thuật đáng kể. Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những sản phẩm cần giữ trạng thái, màu, mùi vị, chất dinh dưỡng và không cho phép sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ gió lớn. Các hệ thống hút ẩm và đặc biệt là các hệ thống sấy lạnh có cấu trúc luôn thay đổi phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu, môi trường sấy, cấu trúc dàn lạnh sử dụng,… nên không có một cấu trúc chung cho tất cả các đối tượng sấy, tuy nhiên vẫn có chung nguyên tắc và phương pháp tính toán thiết kế. Do vậy, vẫn cần tiếp tục những nghiên cứu cơ bản, đầy đủ về các quá trình, các giới hạn kĩ thuật và những vấn đề tự động điều chỉnh, khống chế liên hoàn nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy cũng như vật liệu sấy. 2.2.2. Các tác giả nước ngoài. Macio N.Kohayakawa và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như: vận tốc gió Var, chiều dày của vật liệu L đến hệ số khuyếch tán của quá trình sấy Def trong hệ thống sấy xoài bằng bơm nhiệt. Môi chất lạnh sử dụng trong hệ thống là R22. Hệ thống sấy xoài sử dụng hai dàn ngưng trong để gia nhiệt cho không khí. Nhiệt độ không khí trong quá trình thí nghiệm thay đổi từ 400C đến 560C. Vận tốc gió thay đổi từ 1,6 m/s đến 4,4 m/s, chiều dày vật liệu sấy thay đổi từ 5,8 mm đến 14,2 mm. Khối lượng vật liệu sấy ở mỗi mẻ sấy là 300 g, thời gian sấy là 8 h/mẻ. Dựa vào các quan hệ lí thuyết tính toán hệ số khuyếch tán, sử dụng phương pháp quy hoạch trực giao và kết hợp với số liệu thực nghiệm, các tác giả đã xây dựng được phương trình hồi quy xác định hệ số khuyếch tán Def như sau: Def= 4,2625 - 0,61922.Var + 0,380538.V2ar + 1,012517.L - 0,90343.Var.L Phương trình trên cho thấy ảnh hưởng đồng thời của hai thông số cũng như mức độ ảnh hưởng của chúng đến hệ số khuyếch tán Def. ở đây, ảnh hưởng của tốc độ gió Var là lớn nhất, sau đó đến chiều dày L của vật liệu sấy. Phương trình cũng cho biết ảnh hưởng lẫn nhau giữa hai thông số đó thông qua mối quan hệ chéo giữa chúng. Tuy nhiên, phương trình cũng không đề cầp tới ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm sấy mặc dù ảnh hưởng của chúng là lớn tới hệ số khuyếch tán . Điều này cũng được chính các tác giả khẳng định trong nghiên cứu của mình. Phani K.Adapa, Greg J.Schoenau và Shahab Sokhansanj đã tiến hành nghiên cứu về lí thuyết và thực nghiệm đối với quá trình sấy bằng bơm nhiệt các loại vật liệu đặc biệt. Các tác giả đã tiến hành thiết lập các quan hệ tính toán lí thuyết quá trình sấy lớp mỏng (thin layer) có quá trình trao đổi nhiệt - ẩm (hình 2.5) đưa ra phương trình thay đổi nhiệt độ của vật liệu sấy trong băng tải: Tg = Trong đó: f = hcv.Tao - Ga.Lg. h = -Gp.(Cpg + M.Cpl) z y Hướng của dòng không khí Tg, M, Gp z + dz y + dy Hướng của dòng không khí Hình 2.5: Quá trình trao đổi nhiệt - ẩm của VLS và không khí. Với các kí hiệu: hcv: hệ số truyền nhiệt thể tích, kJ/m3.ph.K; Ta: nhiệt độ của không khí, 0C; Tg: nhiệt độ của vật liệu sấy, 0C; Cpg: nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kJ/kgK; Cpl: nhiệt dung riêng của nước, kJ/kgK; Gp: lưu lượng của vật liệu sấy chuyển động qua băng tải, kg/m.s; W: độ chứa hơi của không khí, kg/kg kk; M: độ ẩm của vật liệu sấy tại thời điểm t; x: chiều dày của vật liệu sấy, m; Lg: nhiệt ẩn hóa hơi của nước trong vật liệu sấy, kJ/kg. Các tác giả cũng tiến hành nghiên cứu thực nghiệm quá trình sấy lá cây linh lăng. Hệ thống bơm nhiệt có công suất điện máy nén là 0,424 kW, môi chất lẳnh dụng là R134a. Nhiệt độ sấy t = 300C đến 450C, tốc độ gió trong buồng sấy là 0,36 m/s, độ ẩm sau khi sấy là 10%, khối lượng vật liệu sấy là 0,4 kg. Quá trình sấy được tiến hành theo hai phương thức: sấy theo mẻ (batch drying) và sấy liên tục kiểu băng chuyền (continous bed drying), thời gian sấy tương ứng là 4,5 h và 4 h. Từ các kết quả thực nghiệm trên, rút ra một số kết luận sau: - Lượng tách ẩm riêng trong quá trình sấy lá cây linh lăng băng bơm nhiệt có giá trị từ 0,5 đến 1,02 kg/kWh; - Thực hiện quá trình tách ẩm bằng dàn bay hơi của bơm nhiệt hiệu quả hơn 50% trong việc hồi nhiệt ẩn từ không khí ẩm thải ra sau khi sấy so với phương pháp sấy truyền thống; - Trong phương thức sấy theo mẻ, bơm nhiệt làm việc có hiệu quả hơn nếu độ ẩm của tác nhân sấy tại đầu vào dàn lạnh nhỏ hơn 30%. U.Teeboonma, J.Tiansuwan và S.Soponronnarit đã nghiên cứu nhằm tối ưu hóa quá trình sấy các loại rau quả bằng bơm nhiệt tại Thái Lan. Từ những giả thiết đã đặt ra, trên cơ sở tối ưu hóa các thông số kĩ thuật - kinh tế đối với đu đủ và xoài, nghiên cứu đã kiến nghị nên chọn các thông số kĩ thuật khi thiết kế một hệ thống sấy bằng bơm nhiệt như sau: - Khối lượng sấy: ma = 1400 - 1950 kg/h; - Tỉ lệ bypass không khí qua dàn lạnh BP =59 - 70%; - Nhiệt độ không khí vào buồng sấy Tdi = 550C; - Tỉ lệ tuần hoàn không khí RC = 100%; - Công suất điện của máy nén Wcomp = 1,61 kW đến 1,74 kW; - Công suất lạnh Weva = 5,00 kW đến 7,12 kW; - Nhiệt tỏa dàn nóng trong Wcond1 = 6,62 kW đến 8,87 kW; Như vậy, có thể thấy đây là nghiên cứu khá đầy đủ,cụ thể về quá trình sấy rau quả sử dụng bơm nhiệt ở Thái Lan, cũng là một nước nhiệt đới có khí hậu nóng ẩm rất giống với nước ta. Điều này một lần nữa chứng tỏ những ưu điểm vượt trội của bơm nhiệt trong việc sấy các nông sản thực phẩm ở các nước nhiệt đới. 2.3. Công nghệ khử ẩm. 2.2.1. Các phương pháp khử ẩm đã áp dụng. Cho tới nay đã hình thành một số phương pháp hút ẩm như dùng hóa chất, máy điều hòa không khí, máy hút ẩm kiểu bơm nhiệt và máy hút ẩm hấp phụ. - Phương pháp dùng hóa chất : Hình 2.6: Quá trình khử ẩm bằng hòa chất. 1-Trạng thái không khí trước khi xử lí; 2-Trạng thái không khí sau khi xử lí. Đây là phương pháp đơn giản đã có từ lâu và được lưu truyền trong dân gian để giữ khô sản phẩm, vận dụng trong một không gian hẹp. ở đây, không khí được làm khô nhờ các chất rắn có tính hấp phụ ẩm (trong môi trường) như vôi sống, silicagel,… kèm theo quá trình hấp phụ ẩm là quá trình tỏa nhiệt nên kết quả là dung ẩm của không khí giảm đi, nhiệt độ tăng lên và độ ẩm tương đối của không khí giảm, thích hợp để giữ khô các vật phẩm. Phương pháp này không thích hợp để khử ẩm cho các thể tích lớn quy mô công nghiệp. Tuy nhiên các chất hút ẩm kiểu này có thể được sử dụng trong các máy hút ẩm hấp phụ công suất lớn. Bên cạnh đó, phương pháp này cũng có nhiều nhược điểm. Vì sử dụng hóa chất, nên thận trọng trong việc lựa chọn hóa chất sử dụng. Lượng ẩm hấp thụ được trong không khí cũng không cao. Sau một thời gian hấp thụ, ta cần quá trình hoàn nguyên hay thay thế. Các chất như axit sunfuar sử dụng cần phải cẩn thận, nếu không sẽ gây nguy hiểm cho người sử dụng. -Phương pháp dùng máy điều hòa không khí. Hình 2.7: Quá trình xử lí không khí trong máy điều hòa không khí. Các máy điều hòa không khí nói chung có chức năng đảm bảo điều kiênj vi khí hậu thích hợp cho môi trường sản xuất công nghiệp, công trình công cộng và đời sống,… chưa kể các hệ thống điều hòa không khí công nghiệp có độ ẩm không khí được điều chỉnh ở một trị số thích hợp, các hệ thống điều hòa không khí dân dụng trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của Việt Nam cũng thường là quá trình khử ẩm (làm lạnh - làm khô) về mùa hè. Cũng có thể nói rằng máy lạnh điều hòa không khí nào cũng là máy khử ẩm, tuy nhiên, ở các thông số tiện nghi thì độ ẩm không khí trong phòng thường chỉ giảm đến 60 - 65%. Tính chất này làm cho các máy điều hòa không khí thông dụng cũng được dùng với chức năng hút ẩm cho các phòng máy tính, thiết bị điện tử, thư viện, kho lưu trữ,… Tuy vậy yêu cầu về độ ẩm ở các công trình như vậy thường cũng không đảm bảo, nhất là vào những ngày trời nồm hay độ ẩm cao. Hình 2.8: Quá trình khử ẩm không khí bằng bơm nhiệt. - Máy hút ẩm thông dụng kiểu bơm nhiệt. Đây là các loại máy hút ẩm dân dụng bán trên thị trường. Máy làm việc theo nguyên lí bơm nhiệt, cả dàn nóng và dàn lạnh đều được dùng để sấy lại không khí sau dàn lạnh. Vì thế nếu sử dụng máy liên tục thì nhiệt độ trong phòng sẽ tăng lên lớn hơn nhiệt độ môi trường, nhờ vậy máy có thể khử ẩm không khí đến giá trị = 50% nhưng nhiệt độ cao hơn khi không đặt máy. Điều này làm cho máy hút ẩm loại này không sử dụng được cho mục đích sấy lạnh. Khi sử dụng kết hợp với máy điều hòa không khí có thể giữ được nhiệt độ trong phòng ở thông số tiện nghi, nhưng độ ẩm cũng chỉ dừng lại ở trị số giới hạn. Vì những lí do nêu trên mà máy hút ẩm thông dụng chỉ được dùng thích hợp để duy trì độ ẩm trong các phòng ở, sinh hoạt (những khi cần thiết) hoặc trong các phòng máy, kho tàng cần duy trì độ ẩm không quá cao, còn nhiệt độ có thể thay đổi trong khoảng rộng. Các máy hút ẩm kiểu này thường có năng suất hút ẩm từ 10 tới 35 lít nước/ngày. - Máy hút ẩm hấp phụ. Máy hút ẩm hấp phụ được Carl Munters phát minh từ năm 1955. Nguyên lí làm việc chủ yếu của nó dựa trên tính chất hấp phụ ẩm của một số chất rắn - thường là titanium silicagel. Bộ phận chính của máy là roto chất ẩm cấu tạo rỗng kiểu tổ ong, quay bằng một động cơ điện truyền động qua dây đai. Một phần của roto tiếp xúc với dòng không khí cần hút ẩm để hấp phụ ẩm. Trong khi đó, phần còn lại của roto lại tiếp xúc với dòng khí nóng đã được gia nhiệt bằng điện trở để khử hấp phụ cho roto, và khi quay sang phần bên kia roto lại có khả năng hấp phụ ẩm của không khí cần xử lí. Do tốc độ quay chậm (khoảng 10 vòng/h) mà roto đảm bảo tách ẩm liên tục ngay cả khi nhiệt độ đọng sương xuống rất thấp. Khả năng tách ẩm dễ được điều chỉnh theo nhu cầu. Quá trình hấp phụ ẩm luôn luôn tỏa nhiệt, hơn nữa khi được hoàn nguyên bằng không khí nóng ở 120 - 1300C khi quay sang vùng khử ẩm roto đã gia nhiệt cho không khí xử lí nên nhiệt độ không khí khô thường bị nâng thêm từ 15 - 250C. Vì thế khi cần duy trì môi trường nhiệt độ bằng hay thấp hơn nhiệt độ môi trường thì máy hút ẩm loại này luôn phải dùng kèm theo với một máy lạnh. Hình 2.9: Sơ đồ phương pháp sấy lạnh bằng chất hấp phụ và quá trình thay đổi trạng thái không khí trên đồ thị I-d. 1. Trạng thái không khí sau khi đã được làm lạnh; 2. Trạng thái không khí khi đã nhận ẩm của vật cần sấy; 3. Trạng thái không khí khi đã được khử ẩm bằng chất hấp phụ. Nhược điểm chính của máy hút ẩm loại này là: - Phải định kỳ thay chất hút ẩm (nhập ngoại roto hút ẩm) do hao hụt khối lượng và lão hóa chất hút ẩm. - Nhiệt độ không khí hoàn nguyên lớn hơn 1000C làm keo hóa dần, bụi bám vào lỗ tổ ong, giảm hiệu quả của máy, lưu lượng không khí giảm, kém an toàn. - Dàn điện trở gia nhiệt không khí hoàn nguyên tiêu thụ nhiều điện, làm việc ở nhiệt độ cao, máy hút ẩm phải đặt kèm với máy lạnh. Máy hút ẩm thông dụng kiểu bơm nhiệt tuy chỉ thích hợp cho những nhu cầu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường và độ ẩm lớn hơn 50%, nhưng nếu được thiết kế, lắp đặt và hiệu chỉnh chế độ làm việc thích hợp thì nó vẫn có khả năng làm việc ở chế độ nhiệt độ và độ ẩm thấp và phát huy được lợi thế về tiết kiệm năng lượng của bơm nhiệt nói chung. Hơn nữa trong nhiều quá trình cần có sự phân li dòng chất lỏng kiểu như các quá trình khử ẩm, vì nó tận dụng được cả nhiệt ẩn của các quá trình biến đổi pha xảy ra ở các nhiệt độ không đổi ở dàn ngưng tụ và dàn bay hơi phục vụ cho việc khử ẩm và giảm độ ẩm tương đối của không khí. 2.2.2. Quá trình khử ẩm. Dàn bay hơi của bơm nhiệt được sử dụng không chỉ làm lạnh chất lỏng mà còn có tác dụng tách các chất ngưng tụ chứa trong nó như hơi nước trong không khí. Trong trường hợp chung, ẩm trong không khí có thể tồn tại ở 3 dạng là hơi, lỏng hay rắn, với dung ẩm (kg/kg) ỏ dạng hơi dh, dạng lỏng dl, dạng rắn dr, entanpi H của không khí ẩm sẽ là : H = (t -tb) + [2500 + 1,93(t - tb)]dh + 4,18d1(t-tb) +[-335 + 2,1(t - tb)dr], kJ/kgkk Trong đó: tb: nhiệt độ đông đặc của nước ở áp suất không khí ẩm; , kg/kgkk P: là áp suất của không khí ẩm; Ph: phân áp suất hơi nước, có thể tính phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ (t - ts) Ph = 622 + 35,8(t - tb) + 2,46.(t - tb)2 + … ,Pa Trong quá trình hút ẩm, ta có thể thấy rõ sự khác nhau giữa hai tiết diện trong thiết bị bay hơi của bơm nhiệt. ở tiết diện đầu, không khí ẩm được làm lạnh xuống đến điểm sương ts, nhiệt tỏa ra tính trên đơn vị dài có thể được xác định theo quan hệ: Với c' là nhiệt dụng riêng thể tích của không khí ẩm ở nhiệt độ khí quyển (c' = 1,23 kJ/m3.K). Khi xảy ra hiện tượng ngưng ẩm, có thể tính lượng nhiệt này như sau: Trong đó: r: là nhiệt ngưng tụ (r = 2500 kJ/kg đối với nước ở nhiệt độ khí quyển); là lượng nước ngưng theo đường = 100% (bằng 1,2 g/m3K ở 200C) và tăng nhanh theo nhiệt độ biểu thị qua biểu thức:, hằng số R đối với hơi nước, ta có: R = 8314/18 J/kgK. Mặt khác, số lượng nhiệt được môi chất lạnh hấp thụ ở thiết bị bay hơi của bơm nhiệt là: Với K là hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi, T0 là nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh. Kết hợp các phương trình trên ta được: Hình 2.10: Độ chênh lệch nhiệt độ dọc theo thiết bị bay hơi trong bơm nhiệt. T1 X T 0 X X0 T2 Ts Với : là thông số đặc trưng cho công suất của thiết bị bay hơi của bơm nhiệt (khoảng 1kJ/m3K); X: chiều sâu của thiết bị bay hơi (theo hướng dòng khí qua); X0: khoảng cách từ đầu không khí vào thiết bị bay hơi đến điểm xuất hiện quá trình ngưng đọng ẩm; Ts: nhiệt độ đọng sương. Chỉ số 1 và 2 kí hiệu đầu vào và ra của không khí qua thiết bị bay hơi. Quá trình làm lạnh không khí và ngưng đọng ẩm được minh họa trên hình 1.2.4. Nhiệt lấy đi từ không khí dưới dạng nhiệt hiện trong khoảng đầu (từ 0 đến X0), nhiệt độ giảm từ T1 đến Ts. Nhiệt không khí tỏa ra dưới dạng nhiệt ẩn trong phần còn lại (từ X0 đến X), nhiệt độ thay đổi từ Ts đến T2. Như vậy từ các nghiên cứu cụ thể đã được chứng minh, quá trình bám tuyết, đóng băng là không thể tránh khỏi đối với các máy sấy lạnh cũng như máy khử ẩm, vì thực chất máy khử ẩm cũng là một loại máy sấy lạnh bơm nhiệt. Vấn đề cần quan tâm lớn nhất là khả năng tách ẩm trung bình của thiết bị bay hơi trong một chu kì xả băng, chi phí tiêu thụ năng lượng thấp nhất, sự ổn định của các thông số không khí đầu ra đạt được yêu cầu công nghệ. Để có thể đáp ứng được các yêu cầu nêu ra ở trên, máy hút ẩm phải được thiết kế và điều khiển một cách hợp lí để có được hiệu suất tách ẩm lớn nhất. Mặt khác, quá trình chạy và xả băng là không ổn định. Vì vậy việc xác định được đặc tính động học của quá trình bám tuyết trên bề mặt dàn lạnh tách ẩm của máy sấy lạnh cũng như máy hút ẩm bơm nhiệt để đưa ra kết luận về chế độ xả băng tối ưu làm cơ sở khi thực hiện nghiên cứu, chế tạo các thiết bị sấy lạnh nói chung cũng như hút ẩm công nghệ nói riêng là rất cần thiết. 2.3. Tác động của hiện tượng đóng băng dàn bay hơi tách ẩm đối với hệ thống sấy lạnh, hút ẩm. Đối với thiết bị sây lạnh, hút ẩm hiện tượng đóng băng dàn bay hơi ảnh hưởng rất lớn đến chế độ vận hành, tuổi thọ thiết bị cũng như chất lượng của sản phẩm công nghệ, chi phí tổn hao năng lượng đối với một kg ẩm tách được của tác nhân sấy. Khi đóng băng dàn bay hơi sẽ xảy ra việc giảm hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi và làm giảm khả năng tách ẩm của dàn bay hơi. Hiện tượng đóng băng làm tăng độ ẩm của không khí trong không gian cần hút ẩm (đối với máy hút ẩm) cũng như của tác nhân sấy (trong máy sấy lạnh) - gọi chung là tác nhân sấy, giảm tốc độ tác nhân sấy. Nói chung, hiện tượng đóng băng dàn bay hơi sẽ gây nên các ảnh hưởng xấu như: - Về mặt công nghệ : khi xảy ra hiện tượng đóng băng dàn bay hơi, độ ẩm tác nhân sấy tăng, tốc độ sấy giảm, hiệu suất tách ẩm thấp, sản phẩm công nghệ không đạt yêu cầu. - Về mặt thiết bị : hiện tượng đóng băng nhiều ở dàn bay hơi gây nên khả năng ngập dịch máy nén làm giảm chất lượng dầu bôi trơn do phải làm việc nhiều ở nhiệt độ thấp, có thể xảy ra hiện tượng thủy kích khi lượng lỏng về máy nén quá nhiều, máy nén có thể hỏng hoậc giảm tuổi thọ. - Về mặt năng lượng : hiệu suất làm việc của thiết bị giảm do khả năng tách ẩm kém, chi phí năng lượng tiêu hao lớn nhưng không thu được sản phẩm công nghệ như mong muốn. Vấn đề quan trong nhất đối với dàn bay hơi tách ẩm máy sấy lạnh, hút ẩm là làm sao để lượng tuyết bám vừa đủ, sau đó tách ra hết khỏi bề mặt dàn trong một thời gian nhất định, đạt được các yêu cầu về thông số nhiệt ẩm của tác nhân sấy. Nghiên cứu chu kì chạy, xả băng sao cho hiện tượng đóng băng dàn lạnh gây hậu quả ít nhất về thiết bị cũng như công nghệ, đặc tính động học của quá trình bám tuyết trên bề mặt dàn bay hơi tách ẩm của máy sấy lạnh có ý nghĩa rất quan trọng đối với quá trình thiết kế chế tạo loại thiết bị này. 2.4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đặc tính nhiệt độ trung bình ttb và độ ẩm tương đối trong chu kì hoạt động của máy sấy lạnh BK - BSH18A. Theo [6], tác giả đã nghiên cứu thực nghiệm đặc tính động học quá trình bám tuyết trên dàn bay hơi của máy sấy lạnh BK - BSH18A đối với các chế độ chạy và nghỉ xả băng khác nhau. Một số nhận xét đã được rút ra như sau: - ở giai đoạn đầu của chu kì chạy (khởi động máy sấy lạnh), độ chênh giữa nhiệt độ đọng sương ts và nhiệt độ bay hơi t0 của môi chất lạnh là rất lớn ts>>t0, do kết cấu của dàn bay hơi có chiều dày lớn (400 mm) và khe hở giữa các cánh tản nhiệt là 3 mm cho nên khi máy sấy làm việc, nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh t0 giảm ngay lập tức xuống giá trị t0 = -100C. Vậy dàn bay hơi có chức năng tách ẩm ngay sau khi máy chạy và độ ẩm tương đối φ của tác nhân sấy tăng lên đến xấp sỉ 100% và độ chứa hơi d giảm từ giá trị d1 xuống giá trị d2. - Đối với trạng thái tác nhân sấy trước dàn bay hơi, độ chênh lệch về nhiệt độ và độ ẩm ở đầu chu kì và cuối chu kì là do tác nhân sấy sau khi ra khỏi phòng sấy đã nhận nhiệt ẩm từ vật liệu sấy trong suốt thời gian chạy máy luôn có sự thay đổi phụ tải. Vì vậy trạng thái nhiệt độ nhiệt độ, độ ẩm tác nhân sấy thay đổi trong khoảng t = 250C- 300C, φ = 39 - 51%. - Trạng thái của tác nhân sấy sau dàn bay hơi ở đầu chu kì khi máy bắt đầu làm việc đối với tất cả các chế độ chạy. Tại thời điểm này chưa có hiện tượng bám tuyết trên bề mặt dàn bay hơi, lúc này khả năng tách ẩm của máy sấy lạnh là lớn nhất và trong thời gian từ 10 đến 15 phút đầu tiên của mỗi chu kì chạy, độ ẩm tương đối φ của tác nhân sấy sau dàn bay hơi nhanh chóng đạt giá trị bằng 100%, gần bằng quá trình sấy lí thuyết [4]. ở giai đoạn đầu của chu kì chạy máy, khả năng trao đổi nhiệt ẩm giữa tác nhân sấy và môi chất lạnh trong dàn bay hơi là tốt nhất. - Sau khoảng thời gian trên, độ ẩm tương đối của tác nhân sấy sau dàn bay hơi giảm dần theo thời gian chạy máy và dao động trong khoảng φ = 99 - 68% tùy theo từng chế độ chạy máy. Đặc tính độ ẩm tương đối của tác nhân sấy sau dàn bay hơi cho thấy khi thời gian chạy máy tăng lên, khả năng lên, khả năng tách ẩm của dàn bay hơi giảm do hiện tượng bám tuyết của dàn, làm cản trở quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa môi chất lạnh và không khí ẩm. Do vậy cần thiết phải chọn được chế độ chạy và xả băng thích hợp đối với máy sấy lạnh mà không kéo dài quá thời gian chạy máy làm đóng băng quá dày ở dàn bay hơi. - ở cuối chu kì chạy, khi thực hiện quá trình xả băng (tuyết), lúc này máy nén dừng không hoạt động. Không có lượng môi chất bay hơi ở dàn bay hơi và gia nhiệt ở dàn nóng phụ. Quá trình xả băng được thực hiện bằng quạt gió của dàn bay hơi. ở thời điểm đầu của chu kì xả băng, nhiệt độ tác nhân sấy sau dàn bay hơi tăng nhanh từ khoảng 5,50C đến 220C và khi cuối quá trình xả băng, nhiệt độ tác nhân sấy sau dàn bay hơi đạt giá trị ổn định khoảng 20 đến 250C,không thể tăng lên đươc nữa, lúc này lượng tuyết bám đã được xả hết khỏi dàn bay hơi. Cũng tương tự, do ảnh hưởng của sự tan chảy băng tuyết nên nhiệt độ tác nhân sấy trước dàn bay hơi giảm nhẹ từ 25.80C đến 25,10C. Đối với độ ẩm tương đối φ của tác nhân sấy sau dàn bay hơi giảm nhanh khi thực hiện chu kì xả băng và gần đạt tới giá trị bằng giá trị của độ ẩm tương đối φ của tác nhân sấy trước dàn bay hơi khi ở cuối chu kì xả băng. - Sự thay đổi các thông số trạng thái (nhiệt độ và độ ẩm) của tác nhân sấy trong một chu kì chạy ở các chế độ khác nhau đều có quy luật tương đối giống nhau,cụ thể như sau: + Đối với trạng thái tác nhân sấy trước dàn bay hơi,sự thay đổi độ ẩm tương đối ở đầu và cuối chu kì chạy dao động từ 38% đến 55% và ở cuối chu kì xả băng, giá trị lớn nhất của độ ẩm tương đối tác nhân sây đạt 59% và sau đó sẽ giảm nhanh khi máy sấy lạnh làm việc theo chu kì tiếp theo. Tuy nhiên thời gian dao động của độ ẩm tương đối là nhỏ, khoảng 10% thời gian của một chu kì chạy. Do vậy đảm bảo được sự ổn định về độ ẩm của tác nhân sây trong phòng sấy. + Sự thay đổi nhiệt độ trung bình của tác nhân sây trước dàn bay hơi ở đầu và cuối chu kì chạy của các chế độ dao động không nhiều, từ 250C đến 300C, sự ổn định này cho biết được thông số nhiệt độ trong phòng sấy là ổn định, đáp ứng được các yêu cầu công nghệ. Chương III Tính toán năng suất khử ẩm cho phân xưởng Do những đặc thù riêng của hệ thống khử ẩm như đã nêu trong các chương trước nên khi tính toán năng suất nhiệt, ẩm cho hệ thống cũng phải tính toán cho các chế độ khí hậu khác nhau của thời tiết tại nơi sản xuất. Vì hệ thống đặt tại Hà Nội, thuộc khu vực khí hậu Miền Bắc nước ta, là kiểu khí hậu nhiệt đới gió mùa, phân chia làm hai mùa rõ rệt, mùa hè nóng ẩm, mùa đông lạnh khô. Tuy nhiên cũng lại có kiểu khí hậu nồm ẩm vào những ngày cuối đông, đầu thu nên tính toán cũng phải tính cho các chế độ khác nhau đó. Mặt khác, để đảm bảo yêu cầu khắt khe của sản xuất thì cần tính tới các thông số khắc nghiệt nhất của từng chế độ thời tiết đặc trưng đó. Trong chương này ta sẽ tính toán cho ba chế độ khác nhau: - Chế độ mùa nồm : Nhiệt độ không khí: ttb = 200C, độ ẩm tương đối: f = 90%. - Chế độ mùa hè: nhiệt độ: tmax = 41,60C, độ ẩm tương đối :f = 83%. - Chế độ mùa lạnh: nhiệt độ: tmin= 3,10C, độ ẩm tương đối: f = 80%. Với không gian phân xưởng sản xuất như trong bản vẽ mặt bằng sẽ có các loại nhiệt thừa và ẩm thừa sau: a. Nhiệt thừa: - Nhiệt thừa do bức xạ qua kết cấu bao che; - Nhiệt thừa do rò lọt khí; - Nhiệt thừa do máy móc thiết bị trong phân xưởng tỏa ra; - Nhiệt thừa do công nhân làm việc trong phân xưởng; - Nhiệt thừa do sản phẩm tỏa ra; b. ẩm thừa: - ẩm thừa do rò lọt không khí; - ẩm thừa do công nhân làm việc trong phân xưởng tỏa ra; - ẩm thừa do yêu cầu công nghệ (phần ẩm trong không khí phải lấy đi); i. Tính cân bằng nhiệt, ẩm cho chế độ mùa nồm. 1.1. Tính nhiệt thừa. 1.1.1. Nhiệt thừa do máy móc tỏa ra,Q1. , W Trong đó: - Ndc: công suất động cơ lắp đặt của máy, W. Trong phân xưởng có 2 động cơ băng tải công suất mỗi chiếc là 3 kW; một máy bơm có công suất 0,5 kW; - Ktt: hệ số phụ tải, bằng tỉ số giữa công suất thực (hiệu dụng) của máy trên công suất động cơ lắp đặt. Ktt = 0,8; - Kdt: hệ số đồng thời, , trong đó Ni, ti là công suất động cơ thứ i làm việc trong thời gian ti và t là tổng thời gian hoạt động của hệ thống khử ẩm, Kdt = 1; - KT : hệ số thải nhiệt. Các động cơ làm việc ở chế độ biến điện năng thành cơ năng nên lấy KT = 1; bơm có động cơ trong phòng, ống nước ngoài phòng lấy KT = 0,2; - h : hiệu suất làm việc của động cơ. Theo [6], với tổng công suất động cơ từ 5 đến 10 kW nên h = 0,85; Vậy nhiệt tỏa ra từ máy móc tính được Q1: W 1.1.2. Nhiệt tỏa ra từ đèn chiếu sáng, Q2. Q2 = Ncs , W Trong đó: Ncs – tổng công suất chiếu sáng của tất cả các đèn trong phân xưởng, W. Theo [6], đối với phân xưởng có thể tính công suất chiếu sáng theo tiêu chuẩn chiếu sáng là 10 - 12 W/m2. Với phân xưởng kẹo Caramel, theo bản vẽ mặt bằng, diện tích làm việc là 66 m2, vậy nhiệt tỏa từ chiếu sáng là: W 1.1.3. Nhiệt tỏa ra từ người, Q3. Nhiệt tỏa từ người thay đổi theo điều kiện vi khí hậu, cường độ lao động và thể trạng cũng như giới tính. Theo [6], nhiệt tỏa từ người tính theo biểu thức sau: Q3 = n.q, W Trong đó; q: nhiệt tỏa từ một người, W/người; n : Số người làm việc trong không gian phân xưởng. Trong một ca làm việc, số công nhân vận hành là 3 người, đàn ông. Nhiệt tỏa từ một người, theo bảng 3.1 [6], ta có : q = 170 W/người. Vậy, nhiệt tỏa từ người: Q3 = 3. 170 = 510 W 1.1.4. Nhiệt tỏa do mặt trời qua cửa kính, Q4. Nhiệt tỏa do bức xạ mặt trời qua cửa kính phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau: - Trực xạ hoặc tán xạ bầu trời, sương mù, bụi, khói và mây; - Cường độ bức xạ mặt trời tại địa phương; - Thời gian quan sát để tính toán (góc làm bởi trực xạ và mặt kính); - Kiểu cửa sổ, vật liệu làm cửa sổ, trạng thái đóng hoặc mở cửa; - Vật liệu làm kính và các lớp phủ chống nắng; - Diện tích kính, độ dày kính và các tính chất khác của kính, ô văng che nắng … Xác định chính xác nhiệt tỏa do bức xạ là khó, chỉ xác định gần đúng: Q4 = Isđ.Fk.t1.t2.t3.t4, W Trong đó: - Isđ : cường độ bức xạ mặt trời lên mặt đứng, phụ thuộc hướng địa lí, W/m2; Do vị trí của phân xưởng, các cửa kính quay theo hướng Nam - Bắc, ở đây đang tính cho mùa nồm ,từ tháng 1 tới tháng 3 hàng năm, tại Hà Nội, vĩ độ 210 vĩ Bắc nên theo bảng 4.2 [6], ta có cường độ bức xạ: , W - Fk: diện tích cửa kính chịu bức xạ tại thời điểm tính toán, m2; Theo bản vẽ mặt bằng ta có diện tích cửa kính bên ngoài: Fk = 2.1,75.2,3 + 4.0,7.1 = 10,85 m2 τ1 : hệ số trong suốt của kính: do trong phân xưởng cửa kính luôn đóng trong quá trình hoạt động. Cửa kính một lớp nên τ1 = 0,9; τ2 : hệ số bám bẩn: cửa kính 1 lớp đặt đứng τ2 = 0,8; τ3 : hệ số khúc xạ : cửa kính 1 lớp khung kim loại nên τ3 = 0,75 - 0,79. Chọn τ3 = 0,75; τ4 : hệ số tán xạ do che nắng: do cửa kính có mái đua nhưng không che phủ được cửa kính khi có ánh nắng chiếu vào, có cửa chớp, không có sơn, rèm che nên theo [6] ta có:τ4= 0,3; Vậy, nhiệt tỏa do mặt trời qua kính : Q4 = 333.10,85.0,9.0,8.0,75.0,3 = 585 W 1.1.5. Nhiệt tỏa do bức xạ mặt trời qua bao che, Q5. Thành phần này tỏa vào trong phân xưởng do bức xạ mặt trời làm cho kết cấu bao che nóng lên hơn mức bình thường, gồm nhiệt tỏa cho mái và vách. Theo [6], thành phần qua vách có thể bỏ qua. Theo như bản vẽ mặt bằng thì phân xưởng này không cần tính nhiệt tỏa do nằm ở tầng một của tòa nhà hai tầng. 1.1.6. Nhiệt tỏa do rò lọt không khí, Q6. Nhiệt tỏa do rò lọt không khí được tính theo biểu thức: Q6 = G7.(IN - IT), W Trong đó: - G6: lượng không khí rò lọt vào phân xưởng; ở đây tính lượng không khí rò lọt chủ yếu là lượng khí tươi cần phải cung cấp đủ tối thiểu cho các công nhân làm việc trong phân xưởng theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5687 – 1992, lượng gió tươi cho một người một giờ đối với phần lớn các công trình là: L6 = 20 m3/h.người. Theo thuyết minh, số công nhân làm việc trong phân xưởng là 3 người/ca, vậy lượng gió tươi cần cấp là: ,kg/s - IN, IT : entanpy không khí ngoài nhà và trong nhà, J/kg; Tra đồ thị I – d của không khí ẩm tại áp suất khí quyển ta được: TN = 200C, fN = 90% : IN = 52,431 kJ/kg; TT = 250C, fT = 45%: IT = 46,566 kJ/kg; Vậy, nhiệt tỏa do rò lọt không khí: Q6 = G6.(IN – IT) = 2.10-2.(52,431 – 46,566).103 = 117 W 1.1.7. Nhiệt thẩm thấu qua vách, Q7. Nhiệt thẩm thấu qua kết cấu bao che do chênh lệch nhiệt độ bên ngoài và bên trong nhà được tính theo biểu thức: Q7 = Σki.Fi.∆ti, W Trong đó: - ki : hệ số truyền nhiệt qua kết cấu bao che thứ i, W/m2K; - Fi : diện tích bề mặt kết cấu bao che thứ i, m2; - ∆ti : hiệu nhiệt độ trong và ngoài nhà của kết cấu bao che thứ i, K. Với kết cấu của phân xưởng như trong bản vẽ ta có: ∆t1 = tN - tT = 20 - 25 = -50C; ∆t2 = t2’ - tT = 25 - 25 = 0, với t2’ là nhiệt độ phân xưởng đóng gói bên cạnh; ∆t3 = t3’ - tT = 32 - 25 = 70C, với t3’ là nhiệt độ phân xưởng nấu bên cạnh; Diện tích các bề mặt kết cấu bao che theo như bản vẽ ta có: F1 = 12.4,5 = 54 m2, trong đó diện tích kính là Fk1 = 10,85 m2 (theo 1.1.4), còn lại là kết cấu tường bằng gạch xây 200 mm có trát vữa; F2 = F1 = 54 m2, trong đó diện tích kính là Fk2 = 12.(4,5 - 1,2) = 39,6 m2, với diện tích kính làm vách ngăn với phòng đóng gói là Fk2’ = 0,5.Fk2 = 0,5.39,6 = 19,8 m2, còn lại là phần tường bao bằng gạch xây 100 mm có trát vữa; F3 = F4 = 5,5.4,5 = 24,75 m2, trong đó F3 là tường bao bằng gạch xây 300 mm có trát vữa, F4 là vách ngăn bằng kính 5 mm 1 lớp. Vậy tính được hệ số truyền nhiệt của các kết cấu bao che: theo bảng 3.4 [6], lấy k định hướng như sau: kk1 = kk2 = k4 = 6,12 W/m2.K; k1 = 1,48 W/m2.K; k2 = 2,10 W/m2.K; k3 = 1,25 W/m2.K; Nhiệt thẩm thấu qua kết cấu bao che do chênh nhiệt độ tính được: Q7 = 1,48.(54-10,85).(-5) + 6,12.10,85.(-5) + (19,8+24,75).6,12.7 + 24,75.1,25.7 = 1473,7 W 1.1.8. Nhiệt thẩm thấu qua nền, Q8. Biểu thức tính nhiệt thẩm thấu qua nền: Q8 = Σki.Fi.∆ti, W Vì nền đặt trực tiếp trên nền đất nên ta có được: - ∆t = tN - tT = 20 - 25 = -50C - áp dụng phương pháp tính theo dải nền rộng 2 m tính từ ngoài vào trong phòng với hệ số truyền nhiệt quy ước. Vì phân xưởng có kích thước 12 x 5,5 m nên chỉ được chia làm 3 dải với các thông số sau: F1 = 4.(12 + 5,5) = 70 m2; k1 = 0,47 W/m2.K; F2 = F1 - 48 = 70 - 48 = 22 m2; k2 = 0,23 W/m2.K; Vậy nhiệt thẩm thấu qua nền được tính: Q8 = -5.(0,47.70 + 0,23.22) = -190 W Từ những tính toán ta có tổng nhiệt thừa của cả hệ thống khử ẩm như sau: Qt = = 6200 + 792 +510 + 585 + 117 + 1473,7 + (-190) = 9490 W 1.2. Tính ẩm thừa. 1.2.1. Lượng ẩm do công nhân trong phân xưởng tỏa ra,W1. W1 = n.gn, kg/s Trong đó: n: số công nhân làm việc trong phân xưởng, theo trên tính được là 3 người; gn: lượng ẩm tỏa ra của một người khi làm trong phân xưởng gn = 295 g/h.người [6]. Vậy, lượng ẩm do người tỏa ra tính được: kg/s 1.2.2. Lượng ẩm do rò lọt không khí, W2. W2 = G2.∆d, kg/s Trong đó: G2: lượng không khí lọt, theo phần tính nhiệt thừa bên trên ta có L2 = 2.10-2 kg/s; ∆d = dN - dT, kg/kg kk; dN : độ chứa ẩm của không khí ngoài trời tại thời điểm tính toán dN = dt= 20,φ=90% = 13,25 g/kg kk dT : độ chứa ẩm của không khí trong phân xưởng tại thời điểm tính toán dT = dt=25,φ=45% = 8,91 g/kg kk Vậy lượng ẩm do rò lọt tính được: W2 = 2.10-2.(13,25 - 8,91).10-3 = 8,68.10-5 kg/s 1.2.3. Lượng ẩm do bán thành phẩm tỏa ra, W3. Theo như tính toán, khi chưa lắp đặt hệ thống khử ẩm thì tại độ ẩm không khí là φ3 = 65% đã bắt đầu xảy ra hiện tượng dính ướt kẹo sau khi ra khỏi dây chuyền làm lạnh, khô. Vậy lượng ẩm thừa của sản phẩm cần phải lấy đi bằng máy khử ẩm là: W3 = G3.∆d3, kg/s Trong đó: G3 : Lượng không khí trong phân xưởng G3 = V3.= = 0,1 kg/s; ∆d3 = d3 - dT = 11,20 - 8,91 = 2,29 g/kg; d3: độ chứa ẩm của không khí tại t3 = 230C ; φ3 = 65%; dT : Độ chứa ẩm của không khí trong phân xưởng tại thời điểm tính toán; Vậy lượng ẩm do bán thành phẩm tạo ra tính toán được: W3 = 0,1. 2,29.10-3 = 2,29.10-4 kg/s Tổng lượng ẩm thừa của hệ thống khử ẩm là: Wt = W1 + W2 + W3 = 2,457.10-4 + 8,68.10-5 + 2,29.10-4 = 5,615.10-4 kg/s Độ chênh lệch giữa nhiệt vật lí của ẩm bốc hơi của kẹo với nhiệt thừa Qt, kí hiệu là ∆Q: ∆Q = Qt - W3.Cn.tvl , W Trong đó: W3: lượng ẩm bay hơi từ bán thành phẩm (kẹo), W3 = 2,29.10-4 kg/s; Cn = 4,18 kJ/kg.K : nhiệt dung riêng của nước; tvl = 250C: nhiệt độ của kẹo trong phân xưởng; Vậy tính được: ∆Q = 9490 - 2,29.10-4.4,18.25.103 = 9465 W Tính tỉ số nhiệt - ẩm thừa: , kJ/kg Đồ thị I-d của quá trình khử ẩm: Chọn không khí sau dàn lạnh có nhiệt độ t0 = 50C và độ ẩm φ0 = 95%, xác định được điểm O trên đồ thị I-d. Không khí sau dàn lạnh được làm nóng đẳng dung ẩm đến trạng thái 1 có nhiệt độ t1 = 180C và độ ẩm φ1 = 40%. Quá trình biến đổi không khí trong buồng sấy theo đường hệ số góc tia quá trình εt = 16857 kJ/kg tới trạng thái 2 có t2 = 250C và độ ẩm φ2 = 32%. - Lượng không khí khô cần thiết: , kg/s kg/s Trong đó: Wt = 5,615.10-4 kg/s: là lượng ẩm thừa trong phân xưởng tính được ở trên; d2 = 6,278 g/kg: độ chứa ẩm của không khí tại điểm 2 trên đồ thị I-d; d1 = 5,178 g/kg: độ chứa ẩm của không khí tại điểm 1 trên đồ thị I-d. - Lượng không khí tuần hoàn: L = Lk.(1 + d1) = 0,51.(1 + 5,77.10-3) = 0,513 kg/s - Lưu lượng thể tích không khí: (m3/s) = 427 l/s Công suất lạnh cần thiết tối thiểu: Q0 = L(I2 - I0) = 0,513.(40,30 - 17,73) = 11,58 kW = 39522 Btu/h Công suất dàn nóng cần thiết để sấy không khí sau dàn lạnh từ trạng thái O đến trạng thái 1 là: Q2 = L.(I1 - I0) = 0,513.(30,58 - 17,73) = 6,6 kW = 22500 Btu/h ii. Tính cân bằng nhiệt, ẩm cho chế độ mùa hè. 2.1. Tính nhiệt thừa. 2.1.1. Nhiệt thừa do máy móc tỏa ra, Q1. , W Vậy nhiệt tỏa ra từ máy móc tính như phần trên được Q1: W 2.1.2. Nhiệt tỏa ra từ đèn chiếu sáng, Q2. Q2 = Ncs , W Trong đó: Ncs – tổng công suất chiếu sáng của tất cả các đèn trong phân xưởng, W. Theo [6], đối với phân xưởng có thể tính công suất chiếu sáng theo tiêu chuẩn chiếu sáng là 10 - 12 W/m2. Với phân xưởng kẹo Caramel, theo bản vẽ mặt bằng, diện tích làm việc là 66 m2, vậy nhiệt tỏa từ chiếu sáng là: W 2.1.3. Nhiệt tỏa ra từ người, Q3. Nhiệt tỏa từ người thay đổi theo điều kiện vi khí hậu, cường độ lao động và thể trạng cũng như giới tính. Theo [6], nhiệt tỏa từ người tính theo biểu thức sau: Q3 = n.q, W Trong đó; q: nhiệt tỏa từ một người, W/người; n : Số người làm việc trong không gian phân xưởng. Trong một ca làm việc, số công nhân vận hành là 3 người, đàn ông. Nhiệt tỏa từ một người, theo bảng 3.1 [6], ta có : q = 170 W/người. Vậy, nhiệt tỏa từ người: Q3 = 3. 170 = 510 W 2.1.4. Nhiệt tỏa do mặt trời qua cửa kính, Q4. Nhiệt tỏa do bức xạ mặt trời qua cửa kính phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau: - Trực xạ hoặc tán xạ bầu trời, sương mù, bụi, khói và mây; - Cường độ bức xạ mặt trời tại địa phương; - Thời gian quan sát để tính toán (góc làm bởi trực xạ và mặt kính); - Kiểu cửa sổ, vật liệu làm cửa sổ, trạng thái đóng hoặc mở cửa; - Vật liệu làm kính và các lớp phủ chống nắng; - Diện tích kính, độ dày kính và các tính chất khác của kính, ô văng che nắng … Xác định chính xác nhiệt tỏa do bức xạ là khó, chỉ xác định gần đúng: Q4 = Isđ.Fk.t1.t2.t3.t4, W Trong đó: - Isđ : cường độ bức xạ mặt trời lên mặt đứng, phụ thuộc hướng địa lí, W/m2; Do vị trí của phân xưởng, các cửa kính quay theo hướng Nam - Bắc, ở đây đang tính cho mùa hè ,từ tháng 4 tới tháng 7 hàng năm, tại Hà Nội, vĩ độ 210 vĩ Bắc nên theo bảng 4.2 [6], ta có cường độ bức xạ: , W - Fk: diện tích cửa kính chịu bức xạ tại thời điểm tính toán, m2; Theo bản vẽ mặt bằng ta có diện tích cửa kính bên ngoài: Fk = 2.1,75.2,3 + 4.0,7.1 = 10,85 m2 τ1 : hệ số trong suốt của kính: do trong phân xưởng cửa kính luôn đóng trong quá trình hoạt động. Cửa kính một lớp nên τ1 = 0,9; τ2 : hệ số bám bẩn: cửa kính 1 lớp đặt đứng τ2 = 0,8; τ3 : hệ số khúc xạ : cửa kính 1 lớp khung kim loại nên τ3 = 0,75 - 0,79. Chọn τ3 = 0,75; τ4 : hệ số tán xạ do che nắng: do cửa kính có mái đua nhưng không che phủ được cửa kính khi có ánh nắng chiếu vào, có cửa chớp, không có sơn, rèm che nên theo [6] ta có:τ4= 0,3; Vậy, nhiệt tỏa do mặt trời qua kính : Q4 = 57.10,85.0,9.0,8.0,75.0,3 = 100 W 2.1.5. Nhiệt tỏa do bức xạ mặt trời qua bao che, Q5. Thành phần này tỏa vào trong phân xưởng do bức xạ mặt trời làm cho kết cấu bao che nóng lên hơn mức bình thường, gồm nhiệt tỏa cho mái và vách. Theo [6], thành phần qua vách có thể bỏ qua. Theo như bản vẽ mặt bằng thì phân xưởng này không cần tính nhiệt tỏa do nằm ở tầng một của tòa nhà hai tầng. 2.1.6. Nhiệt tỏa do rò lọt không khí, Q6. Nhiệt tỏa do rò lọt không khí được tính theo biểu thức: Q6 = G7.(IN - IT), W Trong đó: - G6: lượng không khí rò lọt vào phân xưởng; ở đây tính lượng không khí rò lọt chủ yếu là lượng khí tươi cần phải cung cấp đủ tối thiểu cho các công nhân làm việc trong phân xưởng theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5687 – 1992, lượng gió tươi cho một người một giờ đối với phần lớn các công trình là: L6 = 20 m3/h.người. Theo thuyết minh, số công nhân làm việc trong phân xưởng là 3 người/ca, vậy lượng gió tươi cần cấp là: ,kg/s - IN, IT : entanpy không khí ngoài nhà và trong nhà, J/kg; Tra đồ thị I – d của không khí ẩm tại áp suất khí quyển ta được: TN = 41,60C, fN = 83% : IN = 146,57 kJ/kg; TT = 250C, fT = 45%: IT = 46,566 kJ/kg; Vậy, nhiệt tỏa do rò lọt không khí: Q6 = G6.(IN – IT) = 2.10-2.(146,57 – 46,566).103 = 2000 W 2.1.7. Nhiệt thẩm thấu qua vách, Q7. Nhiệt thẩm thấu qua kết cấu bao che do chênh lệch nhiệt độ bên ngoài và bên trong nhà được tính theo biểu thức: Q7 = Σki.Fi.∆ti, W Trong đó: - ki : hệ số truyền nhiệt qua kết cấu bao che thứ i, W/m2K; - Fi : diện tích bề mặt kết cấu bao che thứ i, m2; - ∆ti : hiệu nhiệt độ trong và ngoài nhà của kết cấu bao che thứ i, K. Với kết cấu của phân xưởng như trong bản vẽ ta có: ∆t1 = tN - tT = 41,6 - 25 = -16,60C; ∆t2 = t2’ - tT = 25 - 25 = 0, với t2’ là nhiệt độ phân xưởng đóng gói bên cạnh; ∆t3 = t3’ - tT = 35 - 25 = 100C, với t3’ là nhiệt độ phân xưởng nấu bên cạnh; Diện tích các bề mặt kết cấu bao che theo như bản vẽ ta có: F1 = 12.4,5 = 54 m2, trong đó diện tích kính là Fk1 = 10,85 m2 (theo 1.1.4), còn lại là kết cấu tường bằng gạch xây 200 mm có trát vữa; F2 = F1 = 54 m2, trong đó diện tích kính là Fk2 = 12.(4,5 - 1,2) = 39,6 m2, với diện tích kính làm vách ngăn với phòng đóng gói là Fk2’ = 0,5.Fk2 = 0,5.39,6 = 19,8 m2, còn lại là phần tường bao bằng gạch xây 100 mm có trát vữa; F3 = F4 = 5,5.4,5 = 24,75 m2, trong đó F3 là tường bao bằng gạch xây 300 mm có trát vữa, F4 là vách ngăn bằng kính 5 mm 1 lớp. Vậy tính được hệ số truyền nhiệt của các kết cấu bao che: theo bảng 3.4 [6], lấy k định hướng như sau: kk1 = kk2 = k4 = 6,12 W/m2.K; k1 = 1,48 W/m2.K; k2 = 2,10 W/m2.K; k3 = 1,25 W/m2.K; Nhiệt thẩm thấu qua kết cấu bao che do chênh nhiệt độ tính được: Q7 = 1,48.(54-10,85).(16,6) + 6,12.10,85.(16,6) + (19,8+24,75).6,12.10 + 24,75.1,25.10 = 5200 W 2.1.8. Nhiệt thẩm thấu qua nền, Q8. Biểu thức tính nhiệt thẩm thấu qua nền: Q8 = Σki.Fi.∆ti, W Vì nền đặt trực tiếp trên nền đất nên ta có được: - ∆t = tN - tT = 41,6 - 25 = 16,60C - áp dụng phương pháp tính theo dải nền rộng 2 m tính từ ngoài vào trong phòng với hệ số truyền nhiệt quy ước. Vì phân xưởng có kích thước 12 x 5,5 m nên chỉ được chia làm 3 dải với các thông số sau: F1 = 4.(12 + 5,5) = 70 m2; k1 = 0,47 W/m2.K; F2 = F1 - 48 = 70 - 48 = 22 m2; k2 = 0,23 W/m2.K; Vậy nhiệt thẩm thấu qua nền được tính: Q8 = 16,6.(0,47.70 + 0,23.22) = 630 W Từ những tính toán ta có tổng nhiệt thừa của cả hệ thống khử ẩm như sau: Qt = = 6200 + 792 +510 + 100 + 2000 + 5200 + 630 = 15432 W 2.2. Tính ẩm thừa. 2.2.1. Lượng ẩm do công nhân trong phân xưởng tỏa ra,W1. W1 = n.gn, kg/s Trong đó: n: số công nhân làm việc trong phân xưởng, theo trên tính được là 3 người; gn: lượng ẩm tỏa ra của một người khi làm trong phân xưởng gn = 295 g/h.người [6]. Vậy, lượng ẩm do người tỏa ra tính được: kg/s 2.2.2. Lượng ẩm do rò lọt không khí, W2. W2 = G2.∆d, kg/s Trong đó: G2: lượng không khí lọt, theo phần tính nhiệt thừa bên trên ta có L2 = 2.10-2 kg/s; ∆d = dN - dT, kg/kg kk; dN : độ chứa ẩm của không khí ngoài trời tại thời điểm tính toán dN = dt= 41,6,φ=83% = 43,68 g/kg kk dT : độ chứa ẩm của không khí trong phân xưởng tại thời điểm tính toán dT = dt=25,φ=45% = 8,91 g/kg kk Vậy lượng ẩm do rò lọt tính được: W2 = 2.10-2.(43,68 - 8,91).10-3 = 6,95.10-4 kg/s 2.2.3. Lượng ẩm do bán thành phẩm tỏa ra, W3. W3 = G3.∆d3, kg/s Lượng ẩm do bán thành phẩm tạo ra tính toán như phần trên được: W3 = 0,1. 2,29.10-3 = 2,29.10-4 kg/s Tổng lượng ẩm thừa của hệ thống khử ẩm là: Wt = W1 + W2 + W3 = 2,457.10-4 + 6,95.10-4 + 2,29.10-4 = 1,17.10-3 kg/s Độ chênh lệch giữa nhiệt vật lí của ẩm bốc hơi của kẹo với nhiệt thừa Qt, kí hiệu là ∆Q: ∆Q = Qt - W3.Cn.tvl , W Trong đó: W3: lượng ẩm bay hơi từ bán thành phẩm (kẹo), W3 = 2,29.10-4 kg/s; Cn = 4,18 kJ/kg.K : nhiệt dung riêng của nước; tvl = 250C: nhiệt độ của kẹo trong phân xưởng; Vậy tính được: ∆Q = 15432 - 2,29.10-4.4,18.25.103 = 15400 W Tính tỉ số nhiệt - ẩm thừa: , kJ/kg Đồ thị I-d của quá trình khử ẩm: Chọn không khí sau dàn lạnh có nhiệt độ t0 = 60C và độ ẩm φ0 = 95%, xác định được điểm O trên đồ thị I-d. Không khí sau dàn lạnh được làm nóng đẳng dung ẩm đến trạng thái 1 có nhiệt độ t1 = 190C và độ ẩm φ1 = 40%. Quá trình biến đổi không khí trong buồng sấy theo đường hệ số góc tia quá trình εt = 13162 kJ/kg tới trạng thái 2 có t2 = 250C và độ ẩm φ2 = 35%. - Lượng không khí khô cần thiết: , kg/s kg/s Trong đó: Wt = 1,17.10-3 kg/s: là lượng ẩm thừa trong phân xưởng tính được ở trên; d2 = 6,89 g/kg: độ chứa ẩm của không khí tại điểm 2 trên đồ thị I-d; d1 = 6,45 g/kg: độ chứa ẩm của không khí tại điểm 1 trên đồ thị I-d. - Lượng không khí tuần hoàn: L = Lk.(1 + d1) = 0,8125.(1 + 5,77.10-3) = 0,817 kg/s - Lưu lượng thể tích không khí: (m3/s) = 681 l/s Công suất lạnh cần thiết tối thiểu: Q0 = L(I2 - I0) = 0,817.(41,80 - 21,63) = 16,48 kW56246 Btu/h Công suất dàn nóng cần thiết để sấy không khí sau dàn lạnh từ trạng thái O đến trạng thái 1 là: Q2 = L.(I1 - I0) = 0,817.(32,22 - 21,63) = 8,65 kW29522 Btu/h iii. Tính cân bằng nhiệt, ẩm cho chế độ mùa đông. 3.1. Tính nhiệt thừa. 3.1.1. Nhiệt thừa do máy móc tỏa ra, Q1. , W Vậy nhiệt tỏa ra từ máy móc tính được như trên, Q1: W 3.1.2. Nhiệt tỏa ra từ đèn chiếu sáng, Q2. Q2 = Ncs , W Trong đó: Ncs – tổng công suất chiếu sáng của tất cả các đèn trong phân xưởng, W. Theo [6], đối với phân xưởng có thể tính công suất chiếu sáng theo tiêu chuẩn chiếu sáng là 10 - 12 W/m2. Với phân xưởng kẹo Caramel, theo bản vẽ mặt bằng, diện tích làm việc là 66 m2, vậy nhiệt tỏa từ chiếu sáng là: W 3.1.3. Nhiệt tỏa ra từ người, Q3. Nhiệt tỏa từ người thay đổi theo điều kiện vi khí hậu, cường độ lao động và thể trạng cũng như giới tính. Theo [6], nhiệt tỏa từ người tính theo biểu thức sau: Q3 = n.q, W Trong đó; q: nhiệt tỏa từ một người, W/người; n : Số người làm việc trong không gian phân xưởng. Trong một ca làm việc, số công nhân vận hành là 3 người, đàn ông. Nhiệt tỏa từ một người, theo bảng 3.1 [6], ta có : q = 170 W/người. Vậy, nhiệt tỏa từ người: Q3 = 3. 170 = 510 W 3.1.4. Nhiệt tỏa do mặt trời qua cửa kính, Q4. Nhiệt tỏa do bức xạ mặt trời qua cửa kính phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau: - Trực xạ hoặc tán xạ bầu trời, sương mù, bụi, khói và mây; - Cường độ bức xạ mặt trời tại địa phương; - Thời gian quan sát để tính toán (góc làm bởi trực xạ và mặt kính); - Kiểu cửa sổ, vật liệu làm cửa sổ, trạng thái đóng hoặc mở cửa; - Vật liệu làm kính và các lớp phủ chống nắng; - Diện tích kính, độ dày kính và các tính chất khác của kính, ô văng che nắng … Xác định chính xác nhiệt tỏa do bức xạ là khó, chỉ xác định gần đúng: Q4 = Isđ.Fk.t1.t2.t3.t4, W Trong đó: - Isđ : cường độ bức xạ mặt trời lên mặt đứng, phụ thuộc hướng địa lí, W/m2; Do vị trí của phân xưởng, các cửa kính quay theo hướng Nam - Bắc, ở đây đang tính cho mùa đông ,từ tháng 10 tới tháng 12 hàng năm, tại Hà Nội, vĩ độ 210 vĩ Bắc nên theo bảng 4.2 [6], ta có cường độ bức xạ: , W - Fk: diện tích cửa kính chịu bức xạ tại thời điểm tính toán, m2; Theo bản vẽ mặt bằng ta có diện tích cửa kính bên ngoài: Fk = 2.1,75.2,3 + 4.0,7.1 = 10,85 m2 τ1 : hệ số trong suốt của kính: do trong phân xưởng cửa kính luôn đóng trong quá trình hoạt động. Cửa kính một lớp nên τ1 = 0,9; τ2 : hệ số bám bẩn: cửa kính 1 lớp đặt đứng τ2 = 0,8; τ3 : hệ số khúc xạ : cửa kính 1 lớp khung kim loại nên τ3 = 0,75 - 0,79. Chọn τ3 = 0,75; τ4 : hệ số tán xạ do che nắng: do cửa kính có mái đua nhưng không che phủ được cửa kính khi có ánh nắng chiếu vào, có cửa chớp, không có sơn, rèm che nên theo [6] ta có:τ4= 0,3; Vậy, nhiệt tỏa do mặt trời qua kính : Q4 = 421.10,85.0,9.0,8.0,75.0,3 = 740 W 3.1.5. Nhiệt tỏa do bức xạ mặt trời qua bao che, Q5. Thành phần này tỏa vào trong phân xưởng do bức xạ mặt trời làm cho kết cấu bao che nóng lên hơn mức bình thường, gồm nhiệt tỏa cho mái và vách. Theo [6], thành phần qua vách có thể bỏ qua. Theo như bản vẽ mặt bằng thì phân xưởng này không cần tính nhiệt tỏa do nằm ở tầng một của tòa nhà hai tầng. 3.1.6. Nhiệt tỏa do rò lọt không khí, Q6. Nhiệt tỏa do rò lọt không khí được tính theo biểu thức: Q6 = G7.(IN - IT), W Trong đó: - G6: lượng không khí rò lọt vào phân xưởng; ở đây tính lượng không khí rò lọt chủ yếu là lượng khí tươi cần phải cung cấp đủ tối thiểu cho các công nhân làm việc trong phân xưởng theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành. Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5687 – 1992, lượng gió tươi cho một người một giờ đối với phần lớn các công trình là: L6 = 20 m3/h.người. Theo thuyết minh, số công nhân làm việc trong phân xưởng là 3 người/ca, vậy lượng gió tươi cần cấp là: ,kg/s - IN, IT : entanpy không khí ngoài nhà và trong nhà, J/kg; Tra đồ thị I – d của không khí ẩm tại áp suất khí quyển ta được: TN = 3,30C, fN = 80% : IN = 12,674 kJ/kg; TT = 250C, fT = 45%: IT = 46,566 kJ/kg; Vậy, nhiệt tỏa do rò lọt không khí: Q6 = G6.(IN – IT) = 2.10-2.(12,674 - 46,566).103 = -678 W 3.1.7. Nhiệt thẩm thấu qua vách, Q7. Nhiệt thẩm thấu qua kết cấu bao che do chênh lệch nhiệt độ bên ngoài và bên trong nhà được tính theo biểu thức: Q7 = Σki.Fi.∆ti, W Trong đó: - ki : hệ số truyền nhiệt qua kết cấu bao che thứ i, W/m2K; - Fi : diện tích bề mặt kết cấu bao che thứ i, m2; - ∆ti : hiệu nhiệt độ trong và ngoài nhà của kết cấu bao che thứ i, K. Với kết cấu của phân xưởng như trong bản vẽ ta có: ∆t1 = tN - tT = 3,3 - 25 = -21,70C; ∆t2 = t2’ - tT = 25 - 25 = 0, với t2’ là nhiệt độ phân xưởng đóng gói bên cạnh; ∆t3 = t3’ - tT = 32 - 25 = 70C, với t3’ là nhiệt độ phân xưởng nấu bên cạnh; Diện tích các bề mặt kết cấu bao che theo như bản vẽ ta có: F1 = 12.4,5 = 54 m2, trong đó diện tích kính là Fk1 = 10,85 m2 (theo 1.1.4), còn lại là kết cấu tường bằng gạch xây 200 mm có trát vữa; F2 = F1 = 54 m2, trong đó diện tích kính là Fk2 = 12.(4,5 - 1,2) = 39,6 m2, với diện tích kính làm vách ngăn với phòng đóng gói là Fk2’ = 0,5.Fk2 = 0,5.39,6 = 19,8 m2, còn lại là phần tường bao bằng gạch xây 100 mm có trát vữa; F3 = F4 = 5,5.4,5 = 24,75 m2, trong đó F3 là tường bao bằng gạch xây 300 mm có trát vữa, F4 là vách ngăn bằng kính 5 mm 1 lớp. Vậy tính được hệ số truyền nhiệt của các kết cấu bao che: theo bảng 3.4 [6], lấy k định hướng như sau: kk1 = kk2 = k4 = 6,12 W/m2.K; k1 = 1,48 W/m2.K; k2 = 2,10 W/m2.K; k3 = 1,25 W/m2.K; Nhiệt thẩm thấu qua kết cấu bao che do chênh nhiệt độ tính được: Q7 = 1,48.(54-10,85).(-21,7) + 6,12.10,85.(-21,7) + (19,8+24,75).6,12.7 + 24,75.1,25.7 = 209 W 3.1.8. Nhiệt thẩm thấu qua nền, Q8. Biểu thức tính nhiệt thẩm thấu qua nền: Q8 = Σki.Fi.∆ti, W Vì nền đặt trực tiếp trên nền đất nên ta có được: - ∆t = tN - tT = 3,3 - 25 = -21,70C - áp dụng phương pháp tính theo dải nền rộng 2 m tính từ ngoài vào trong phòng với hệ số truyền nhiệt quy ước. Vì phân xưởng có kích thước 12 x 5,5 m nên chỉ được chia làm 3 dải với các thông số sau: F1 = 4.(12 + 5,5) = 70 m2; k1 = 0,47 W/m2.K; F2 = F1 - 48 = 70 - 48 = 22 m2; k2 = 0,23 W/m2.K; Vậy nhiệt thẩm thấu qua nền được tính: Q8 = -21,7.(0,47.70 + 0,23.22) = -824 W Từ những tính toán ta có tổng nhiệt thừa của cả hệ thống khử ẩm như sau: Qt = = 6200 + 792 +510 + 740 + (-678) + 209 + (-824) = 6950 W 3.2. Tính ẩm thừa. 3.2.1. Lượng ẩm do công nhân trong phân xưởng tỏa ra,W1. W1 = n.gn, kg/s Trong đó: n: số công nhân làm việc trong phân xưởng, theo trên tính được là 3 người; gn: lượng ẩm tỏa ra của một người khi làm trong phân xưởng gn = 295 g/h.người [6]. Vậy, lượng ẩm do người tỏa ra tính được: kg/s 3.2.2. Lượng ẩm do rò lọt không khí, W2. W2 = G2.∆d, kg/s Trong đó: G2: lượng không khí lọt, theo phần tính nhiệt thừa bên trên ta có L2 = 2.10-2 kg/s; ∆d = dN - dT, kg/kg kk; dN : độ chứa ẩm của không khí ngoài trời tại thời điểm tính toán dN = dt= 3,3,φ=80% = 3,82 g/kg kk dT : độ chứa ẩm của không khí trong phân xưởng tại thời điểm tính toán dT = dt=25,φ=45% = 8,91 g/kg kk Vậy lượng ẩm do rò lọt tính được: W2 = 2.10-2.(3,82 - 8,91).10-3 = -1,02.10-4 kg/s 3.2.3. Lượng ẩm do bán thành phẩm tỏa ra, W3. Theo như tính toán, khi chưa lắp đặt hệ thống khử ẩm thì tại độ ẩm không khí là φ3 = 65% đã bắt đầu xảy ra hiện tượng dính ướt kẹo sau khi ra khỏi dây chuyền làm lạnh, khô. Vậy lượng ẩm thừa của sản phẩm cần phải lấy đi bằng máy khử ẩm là: W3 = G3.∆d3, kg/s Lượng ẩm do bán thành phẩm tạo ra tính toán theo như trên được: W3 = 0,1. 2,29.10-3 = 2,29.10-4 kg/s Tổng lượng ẩm thừa của hệ thống khử ẩm là: Wt = W1 + W2 + W3 = 2,457.10-4 + (-1,02.10-4) + 2,29.10-4 = 3,727.10-4 kg/s Độ chênh lệch giữa nhiệt vật lí của ẩm bốc hơi của kẹo với nhiệt thừa Qt, kí hiệu là ∆Q: ∆Q = Qt - W3.Cn.tvl , W Trong đó: W3: lượng ẩm bay hơi từ bán thành phẩm (kẹo), W3 = 2,29.10-4 kg/s; Cn = 4,18 kJ/kg.K : nhiệt dung riêng của nước; tvl = 250C: nhiệt độ của kẹo trong phân xưởng; Vậy tính được: ∆Q = 6950 - 2,29.10-4.4,18.25.103 = 6926 W Tính tỉ số nhiệt - ẩm thừa: , kJ/kg Đồ thị I-d của quá trình khử ẩm: Chọn không khí sau dàn lạnh có nhiệt độ t0 = 50C và độ ẩm φ0 = 95%, xác định được điểm O trên đồ thị I-d. Không khí sau dàn lạnh được làm nóng đẳng dung ẩm đến trạng thái 1 có nhiệt độ t1 = 180C và độ ẩm φ1 = 40%. Quá trình biến đổi không khí trong buồng sấy theo đường hệ số góc tia quá trình εt = 18598 kJ/kg tới trạng thái 2 có t2 = 250C và độ ẩm φ2 = 30%. - Lượng không khí khô cần thiết: , kg/s kg/s Trong đó: Wt = 3,727.10-4 kg/s: là lượng ẩm thừa trong phân xưởng tính được ở trên; d2 = 5,88 g/kg: độ chứa ẩm của không khí tại điểm 2 trên đồ thị I-d; d1 = 5,17 g/kg: độ chứa ẩm của không khí tại điểm 1 trên đồ thị I-d. - Lượng không khí tuần hoàn: L = Lk.(1 + d1) = 0,524.(1 + 5,77.10-3) = 0,527 kg/s - Lưu lượng thể tích không khí: (m3/s) = 440 l/s Công suất lạnh cần thiết tối thiểu: Q’0 = L(I2 - I0) = 0,527.(39,34 - 17,73) = 11,39 kW Công suất dàn nóng cần thiết để sấy không khí sau dàn lạnh từ trạng thái O đến trạng thái 1 là: Q2 = L.(I1 - I0) = 0,527.(30,58 - 17,73) = 6,77 kW Bảng tổng hợp các giá trị tính toán nhiệt ẩm cho các mùa tiêu biểu: Mùa tính toán Công suất lạnh cần thiết tối thiểu Q’0 (kW) Công suất sưởi Q2 (kW) Lưu lượng gió tuần hoàn L(m3/s) Mùa nồm 11,58 6,6 0,427 Mùa hè 16,48 8,65 0,681 Mùa đông 11,39 6,67 0,440 Từ những tính toán ở trên thấy công suất lạnh cần thiết tối thiểu lớn nhất cần thiết trong 3 chế độ nhiệt là: Q’0hè = 16,48 kW. Vậy chọn máy theo thông số này. Để đảm bảo cho hệ thống khử ẩm hoạt động tốt trong điều kiện khí hậu Việt Nam, đề phòng các điều kiện khác thay đổi, tăng thêm tải nhiệt làm công suất máy lạnh giảm đi thì ở đây chọn hệ dự trữ là a = 1,3. Q0 = 1,3.Q’0 = 1,3. 16,48 = 21,424 kW 73120 Btu/h Chương iv tính toán thiết kế hệ thống khử ẩm i. phân tích các phương án thiết kế. 1.1. Các phương án lựa chọn thiết bị. Với những yêu cầu trên đặt ra, có thể đưa ra các phương án lựa chọn thiết bị như sau: 1.1.1. Lựa chọn các thiết bị rời, tính toán lắp đặt hoàn chỉnh thành máy. Với phương án này thì ta có thể lựa chọn các loại máy nén của hãng MYCOM, dàn ngưng và dàn bay hơi của các hãng như TRANE, DAIKIN… các thiết bị phụ khác như van tiết lưu, quạt, bình chứa cao áp… của các hãng như SPORLAN, COMESTIC… để lắp đặt hoàn chỉnh thành một hệ thống khử ẩm theo yêu cầu đã tính được. Phương án này có ưu điểm là có thể lựa chọn được các thiết bị một cách linh hoạt, chi phí cho lắp đặt, chế tạo có thể giảm hơn so với phương pháp 3. Tuy nhiên nó lại có nhược điểm chính là các thiết bị chính không đồng bộ, việc tính toán, quy đổi các thông số khác nhau của từng nhà chế tạo về cùng một điều kiện sẽ là phức tạp. Không những thế, đôi khi các thông số có sẵn của các thiết bị không phù hợp với yêu cầu thiết kế. 1.1.2. Tận dụng các thiết bị sẵn có. Phương án này chỉ áp dụng đối với những cơ sở có sẵn các thiết bị cần thiết như là các hệ thống điều hòa 2 cục cũ tận dụng. Có thể lợi dụng những bộ phận còn sử dụng được và sử dụng thêm các thiết bị khác nếu cần thiết để chế tạo, lắp đặt thành hệ thống theo yêu cầu. Phương án này có ưu điểm là tận dụng tối đa những thiết bị sẵn có, giảm đáng kể chi phí chế tạo. Tuy nhiên nó có nhược điểm là không phải cơ sở nào cũng có trang thiết bị cần thiết, đáp ứng được yêu cầu kĩ thuật. 1.1.3. Lựa chọn thiết bị chính là các máy điều hòa nhiệt độ thông dụng. Với phương án này, ta chọn các thiết bị chính là tập hợp một số máy điều hòa dân dụng, lắp đặt, bố trí lại các dàn ngưng và dàn bay hơi theo nguyên tắc của máy hút ẩm. Phương án này có ưu điểm là lựa chọn được các thiết bị đồng bộ với nhau, phù hợp với các yêu cầu kĩ thuật đặt ra, không phải tính toán lại các thông số như trong phương án một. 1.2. Kết cấu dàn lạnh và tốc độ gió. Giả sử dàn lạnh quạt với dàn bay hơi ống trơn kiểu như ở các máy hút ẩm thông dụng hoặc dàn ống có cánh rất thưa như ở các dàn bay hơi phòng lạnh thì khi tốc độ gió lớn, lượng ẩm ngưng tụ trên ống và cánh của dàn bay hơi sẽ bị gió cuốn theo đi vào trong buồng sấy. Do vậy nhiệm vụ tách ẩm khỏi không khí là không thực hiện được. Mặt khác nếu sử dụng một dàn nhiều cánh thì có thể chỉ có một số hàng ống đầu tiên có bám tuyết, phần còn lại hầu như chỉ có sương. Nếu dàn lạnh cánh dày không đủ lớn thì thời gian tiếp xúc của không khí với bề mặt lạnh có thể không đủ để ngưng đọng và đóng băng ẩm trên bề mặt. Nhiệt độ và độ ẩm sau dàn lạnh có khả năng không đạt được giá trị thiết kế. Điều này dẫn đến những cách giải quyết khác nhau: 1.2.1. Phương án thứ nhất. Đối với dàn cánh thưa ta có thể giảm tốc độ gió do giảm năng suất gió của quạt, khi đó cường độ trao đổi nhiệt ẩm giữa vật và không khí cũng thấp. Vì vậy thời gian giảm ẩm kéo dài. Phương án này chỉ thích hợp với các loại vật liêu có kích thước nhỏ mà thời gian sấy cho phép tương đối lớn. Nhưng đối với các loại vật liệu khác là không thích hợp, không kinh tế. Trong trường hợp đó chúng ta cần sử dụng phương án 2. 1.2.2. Phương án thứ hai. Tốc độ gió đi qua các dàn tăng lên, số lượng các dàn lạnh cũng tăng và được đặt nối tiếp với nhau. Khi qua dàn lạnh thứ nhất, nhiệt độ của dòng không khí giảm xuống và một phần ẩm được tách ra do hiện tượng đọng sương. Dòng khí tiếp tục qua dàn thứ hai, do nhiệt độ không khí thấp và tốc độ dòng không khí cũng không quá cao nên ẩm sẽ được ngưng đọng tiếp tục trên dàn lạnh ở dạng lỏng hoặc rắn. Nhiệt độ dòng khí cũng tiếp tục giảm và dòng khí tiếp tục đi qua dàn thứ 3… cứ như vậy đến khi dòng khí có dung ẩm và nhiệt độ thiết kế thì dòng khí sẽ được trao đổi nhiệt với dàn ngưng, được sấy nóng đẳng dung ẩm nên độ ẩm tương đối của nó giảm rất nhiều. Để tăng khả năng trao đổi nhiệt giữa không khí và dàn lạnh và số lượng dàn cũng giảm xuống, chúng ta sẽ sử dụng các dàn lạnh có nhiều cánh. ẩm sẽ được ngưng đọng trên cả ống lẫn cánh của dàn lạnh. Để tạo điều kiện tăng khả năng ngưng đọng ẩm tốt hơn, nhiệt độ bề mặt dàn giảm xuống dưới 00C. Lượng nước ngưng trên dàn sẽ đóng băng (tuyết). Sau một thời gian chạy, tuyết sẽ bám kín mặt dàn làm cản trở dòng không khí chuyển động giảm sự truyền nhiệt làm môi chất lạnh có thể không được hóa hơi gây nên hành trình ẩm là trạng thái làm việc nguy hiểm cho máy nén. Do vậy, cần cho máy nghỉ một thời gian để xả băng, sau đó việc tách ẩm được tiếp tục. 1.2.3. Phương án thứ ba. Không cần tạo dàn lạnh có chiều dày lớn hơn hay ghép nối tiếp mà có thể cho không khí đi vòng nhiều lần qua dàn lạnh trước khi vào dàn nóng để giảm nhiệt độ không khí vào dàn lạnh, tăng cường sự ngưng đọng ẩm (hình 4.1). Dàn lạnh Dàn nóng A B Hình 4.1 : Sơ đồ tái tuần hoàn không khí lạnh cho hệ thống sấy lạnh, khử ẩm. Quan hệ giữa thời gian làm việc và thời gian nghỉ xả băng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: nhiệt độ, độ ẩm, công suất lạnh yêu cầu, kết cấu máy và hệ thống phương pháp hiệu chỉnh, điều khiển… 1.3. Các phương pháp xả băng dàn bay hơi trong kĩ thuật lạnh. 1.3.1. Trong lĩnh vực lạnh đông. Trong lĩnh vực lạnh đông, người ta thường chia ra các giải nhiệt độ làm lạnh đông khác nhau và sử dụng các phương pháp xả băng phù hợp với từng giải nhiệt đó. Thông thường các hãng sản xuất sử dụng các phương pháp như sau: - Phương pháp xả băng sử dụng các dây điện trở được gắn trực tiếp vào các dàn bay hơi. Khi tiến hành xả băng, các dây điện trở làm việc cấp nhiệt làm tan băng ở thiết bị bay hơi và được tách theo đường xả nước ngưng ra ngoài môi trường. Phương pháp này chỉ dùng với các dàn bay hơi có công suất nhỏ và vừa vì tiêu tốn năng lượng sử dụng điện năng gia nhiệt cho dây điện trở. - Phương pháp xả băng sử dụng hơi môi chất nóng từ đầu đẩy của máy nén. Khi tiến hành xả băng theo phương pháp này, van điện từ cấp lỏng cho dàn bay hơi đóng lại ngừng cấp lỏng và van điện từ cấp hơi xả băng cho dàn bay hơi tác động cấp hơi môi chất có nhiệt độ cao từ đầu máy nén vào dàn bay hơi để làm tan đá, sau đó xả ra môi trường. Phương pháp này chỉ dùng với các dàn bay hơi có công suất nhỏ và vừa vì lí do khi xả băng theo phương pháp này hơi môi chất được hút về máy nén có nhiệt độ cao gây nên giảm tuổi thọ của máy nén. Đặc biệt đối với các loại máy nén kín hoặc nửa kín, hơi môi chất có nhiệt độ cao sẽ làm hỏng cách điện các cuộn dây, làm hỏng máy nén. - Phương pháp xả băng sử dụng nước có nhiệt độ cao (sử dụng nước thường) bằng cách gắn trên đỉnh các dàn bay hơi hệ thống đường ống dẫn nước được bố trí cách đều nhau (kiểu tưới) và phía dưới dàn bay hơi bố trí máng thoát nước và ống thoát nước có tiết diện lớn hơn so với các kiểu dàn bay hơi khác. Khi tiến hành xả băng dàn bay hơi, lúc này hệ thống lạnh ngừng hoạt động và chỉ có bơm nước cấp đề xả băng dàn bay hơi hoạt động cung cấp nước có nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường tưới đều trên toàn bộ diện tích dàn bay hơi và làm tan băng bám vào dàn. Phương pháp này được ứng dụng nhiều hơn hai phương pháp trên với lí do tiết kiệm năng lượng và đảm bảo tuổi thọ của thiết bị. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là thời gian xả đá lâu hơn và phải bố trí đường thoát nước đủ lớn để xả khô nước nếu không sẽ sảy ra hiện tượng đóng băng trên đường thoát nước ngưng. 1.3.2. Trong lĩnh vực bơm nhiệt sử dụng sưởi ấm ở các nước ôn đới. Trong lĩnh vực bơm nhiệt sử dụng cho các hệ thống sấy sưởi ở các nước ôn đới, khi nhiệt độ môi trường thông thường khoảng từ -15 +50C, vì vậy sử dụng bơm nhiệt để sấy sưởi lúc này dàn bay hơi làm việc trong môi trường có nhiệt độ thấp lượng băng tuyết bám ở bề mặt trao đổi nhiệt của dàn bay hơi nhiều ảnh hưởng của nó đến chất lượng hệ thống là rất lớn, tiêu tốn năng lượng và người ta đã đưa các ra biện pháp xả băng như sau: - Phương pháp xả băng theo nhiệt độ: trong phương pháp này, người ta đặt bộ cảm biến nhiệt độ tại vị trí của dàn bay hơi, khi nhiệt độ bề mặt dàn bay hơi đạt đến nhiệt độ đặt thì máy nén lạnh ngừng làm việc để xả băng và khi đạt đến nhiệt độ giới hạn trên thì hệ thống hoạt động trở lại quá trình xả băng được thực hiện bởi quạt không khí ở dàn lạnh. - Phương pháp xả băng kết hợp nhiệt độ và thời gian: trong phương pháp này khi nhiệt độ bề mặt dàn lạnh bằng nhiệt độ đặt yêu cầu xả băng thì quá trình xả băng được thực hiện như trên, ngoài ra theo chu kì của rơle thời gian đã đặt máy nén lạnh tự động dừng xả băng theo thời gian đặt trước. - Phương pháp xả băng theo thời gian: phương pháp này được thực hiện khi xác định rõ chu kì xả băng tối ưu và hệ thống sấy lạnh hoạt động theo chu kì đó để đảm bảo các thông số về nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy cũng như vật liệu sấy đã được cài đặt trước. Để đánh giá cụ thể, chính xác về đặc tính động học quá trình bám tuyết trên bề mặt dàn bay hơi tách ẩm của máy sấy lạnh, hút ẩm đối với điều kiện khí hậu Việt Nam, cho đến nay mới chỉ có một vài nghiên cứu của các tác giả trong nước, như tác giả Nguyễn Phong Nhã [10]. Tuy nhiên [10] cũng chỉ là công trình nghiên cứu thực nghiệm cho một hệ thống riêng rẽ mà chưa khái quát được thành một quy luật hay hàm xác để có thể áp dụng cho các công trình khác. 1.3.3. Trong lĩnh vực sấy lạnh, hút ẩm. Trong lĩnh vực sấy lạnh, hút ẩm, việc nghiên cứu quá trình bám tuyết dàn bay hơi tách ẩm có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, quyết định đến hiệu suất tách ẩm của thiết bị, làm cơ sở để tính toán thiết kế cho các hệ thống sấy lạnh về tiết kiệm năng lượng, chi phí đầu tư, chi phí sản xuất. Các phương pháp xả băng được sử dụng trong lĩnh vực sấy lạnh, bơm nhiệt hút ẩm bao gồm: - Phương pháp sử dụng thời gian dừng cấp dịch cho dàn bay hơi và xả băng bằng quạt gió. - Phương pháp xả băng bằng nhiệt độ kết hợp với thời gian dừng cấp dịch cho dàn bay hơi và xả băng bằng quạt gió. - Phương pháp xả băng gián đoạn lần lượt từng máy sử dụng rơle thời gian cho máy nén dừng và sử dụng quạt dàn lạnh xả băng trong hệ thống sấy lạnh ghép tầng. Nói chung, các phương pháp xả băng, tách ẩm đã và đang sử dụng hiện tại của các hệ thống sấy lạnh, máy sấy lạnh đều đáp ứng được các yêu cầu công nghệ của nhà thiết kế đưa ra. Tuy nhiên sự ổn định của các chế độ xả băng tách ẩm chưa cao hoặc hiệu suất làm việc của hệ thống chưa đạt đến giá trị tối ưu. ii. lựa chọn và thiết kế hệ thống. Từ những tính toán và phân tích trên ta lựa chọn phương án dùng tập hợp 4 máy điều hòa nhiệt độ lắp ghép thành hệ thống khử ẩm, như vậy công suất của mỗi máy tối thiểu là: Q01 = BTu/h 2.1. Chọn máy lạnh: Tính gần đúng năng suất lạnh cần chọn có thể sử dụng hệ số hiệu chỉnh theo bảng 5.9 [6]. Tra bảng 5.9 với tT = 250C, = 45% có tư = 180C, tN = 41,60C có 0,9. Chọn 4 tổ máy điều hòa không khí 2 cụm DAIKIN loại FHC45F – R45F, 3 pha, có công suất lạnh 22200 BTu/h (bảng 2.7 [6]). Năng suất lạnh thực: Q01 = BTu/h thỏa mãn yêu cầu > 18280 Btu/h. Sử dụng 4 máy nói trên lắp đặt nối tiếp 4 dàn lạnh, tăng chiều dài không khí lạnh mà không dùng phương án tái tuần hoàn gió lạnh. Một dàn ngưng cũng được lắp nối tiếp các dàn lạnh để cung cấp đủ cần thiết đã tính trên. 2.2. Chọn dàn điện trở đốt nóng phụ trợ. Cần lắp thêm dàn điện trở phụ trợ đề phòng những lúc công suất nhiệt của riêng dàn nóng trong không đủ. Công suất dàn điện trở tối thiểu phải cung cấp thêm: Q’s = Q2 - Qnóng = 8,65 - 7,372 = 1,278 kW Trong đó: Qnóng = 7,372 kW là công suất dàn nóng của một tổ hợp máy đã chọn bên trên. Chọn dàn điện trở có công suất là : Qs = 2 kW Hệ thống được lắp đặt gọn trong một vỏ máy chế tạo bằng tôn, đặt tại góc phân xưởng sao cho có thể lắp được các dàn nóng ngay tường bên ngoài phân xưởng. Một hệ thống cấp điện và điều khiển tự động hoạt động của máy tránh hành trình ẩm như đã nói trên mà vẫn đảm bảo hiệu suất khử ẩm theo yêu cầu với chu kì làm việc của máy số 3 và 4 là 30 phút, nghỉ 5 phút, máy số 1 và 2 làm việc liên tục. 2.3. Sơ đồ công nghệ máy hút ẩm. 9 t, t Không gian phân xưởng Không gian ngoài nhà 1 2 3 4 5 6 7 8 Hình 4.2: Sơ đồ công nghệ hệ thống khử ẩm cho phân xưởng kẹo Abeliven- Caramel - Công ty bánh kẹo Hải Hà. 1. Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm; 6. Dàn ngưng ngoài; 2. Hệ thống phân phối gió; 7. Quạt dàn lạnh; 3. Dàn điện trở đốt phụ trợ; 8. Dàn bay hơi; 4. Dàn ngưng trong; 9. Điều khiển nhiệt độ khí tái tuần hoàn; 5. Vỏ máy; 10. Cửa gió hồi. N04 N03 N02 N01 10 iii. vật tư, thiết bị chính sẽ sử dụng trong hệ thống. Bảng kê khai các thiết bị chính dùng trong hệ thống: STT Tên thiết bị Kí hiệu Số lượng Ghi chú, Công suất 1 Máy ĐHNĐ DAIKIN FHC45F - R45F 04 3 pha, 50Hz 2 3 Dàn điện trở ĐT 01 2 kW 4 Vỏ máy hút ẩm VM 01 Tôn 2mm, thép hình 5 Cửa gió thổi 01 6 Cửa gió hồi 01 7 Van gió 01 8 ống đồng 20m f6,4 và 20m f15,9 9 Đồng hồ đo, điều khiển nhiệt độ ĐHTo 10 Áptomat A1, A2, A3, A4 05 11 Rơle thời gian TM1, TM2 02 12 Khởi động từ KĐTo, KĐ3,4; KĐ'3,4 03 13 Đốn bỏo làm việc Đ1 Đ4 04 14 Cụng tắc điều khiển mỏy K1 K4 04 chương v tự động điều khiển hệ thống khử ẩm i. mục đích và các bộ phận cơ bản của tự động điều khiển. 1.1. Mục đích của tự động điều khiển. Với lĩnh vực điều hòa không khí nói chung, hệ thống khử ẩm nói riêng, điều khiển tự động là một trong các khâu không thể thiếu được. Nó chính là mối liên hệ thông tin giữa nhu cầu năng lượng thay đổi và nhu cầu đối với điều kiện môi trường trong công trình cần điều khiển. Tầm quan trọng của hệ thống tự động điều khiển có thể ví như bộ não và hệ thần kinh của con người mà thiếu nó cơ thể của con người không thể hoạt động được. Nếu không có hệ thống điều khiển được thiết kế đúng và hoạt động có hiệu quả thì thiết bị điều hòa không khí cũng như khử ẩm không thể hoạt động có hiệu quả ngay cả khi đã được đầu tư vốn rất lớn. Tự động điều khiển trong hệ thống điều hòa không khí cũng như khử ẩm có 4 mục đích như sau: 1.1.1. Duy trì điều kiên thiết kế. ở đây tự động điều khiển phải duy trì điều kiện không khí (nhiệt độ, độ ẩm…) của không gian đã thiết kế. Bởi vì khi thiết kế hệ thống, ta đã tính công suất nhiệt (làm lạnh hay sưởi…) ở điều kiện đã chọn, khi vận hành nếu điều kiện này thực tế thay đổi sẽ dẫn tới tải nhiệt thực tế có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn công suất thiết kế. Lúc này tự động điều khiển cần phải điều chỉnh công suất nhiệt cung cấp cho hệ thống để có thể đáp ứng được sự thay đổi của tải nhiệt thực đó. Đó là mục đích, nhiêm vụ đầu tiên của hệ thống tự động điều khiển. 1.1.2. Giảm lao động chân tay của con người. Tự động điều khiển sẽ làm giảm cường độ lao động chân tay của con người khi vận hành hệ thống. Điều này có ý nghĩa làm giảm giá thành và sự sai sót có thể sảy ra khi con người phải vận hành bằng tay. 1.1.3. Giảm tiêu phí năng lượng và giảm giá thành. Do có tự động điều khiển mà chúng ta có thể vận hành hệ thống một cách hợp lí nhất, từ đó dẫn tới tiết kiệm năng lượng cung cấp và giảm giá thành hoạt động cũng như sản xuất. Ví dụ, về mùa hè, nhờ tự động điều khiển mà ta có thể tự động đưa lượng không khí ngoài trời vào không gian điều hòa nhiều hơn (khi trời mát, không khí có nhiệt độ và độ ẩm nhỏ) lượng không khí tối thiểu (do yêu cầu thông gió), từ đó đã giảm bớt được năng lượng (năng suất lạnh) cung cấp. Tự động điều khiển tạo ra 3 nhiệm vụ nói trên (duy trì điều kiện không khí của không gian điều hòa, giảm lao động chân tay, tiết kiệm năng lượng) gọi là tự động điều khiển vận hành (operating controls). Thông thường ta gặp hệ thống tự động điều khiển vận hành này. 1.1.4. Giữ cho hệ thống hoạt động an toàn. Tự động điều khiển giữ cho hệ thống hoạt động ở trạng thái an toàn, ngăn cản những hỏng hóc và sự thiệt hại tới con người. Tự động điều khiển này gọi là điều khiển an toàn. Đây là những giới hạn hoạt động của thiết bị ở những giá trị giới hạn các đại lượng như nhiệt độ, áp suất… của thiết bị. 1.2. Các bộ phận cơ bản của hệ thống tự động điều khiển. Tất cả các hệ thống tự động điều khiển (hay điều chỉnh) dù là lớn, nhỏ, đơn giản hay phức tạp, điều khiển bằng khí nén hay điện, nhìn chung đều bao gồm những phần tử cơ bản sau đây: Van t = 280C Bộ điều khiển (controller) Phần tử bị điều khiển Tác nhân(control agent) Dòng không khí Phần tử Cảm biến (sensor) Tín hiệu phản hồi (Feed back) Không khí t = 250C T Dàn ống nóng (heating coil) Nguồn năng lượng (energy source) Tín hiệu định trước Hình5.1 : Các phần tử của hệ điều khiển. 1.2.1. Biến cần điều khiển (controlled variable). Đây là đại lượng mà ta cần điều chỉnh như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm… ở hình trên, biến