CHƯƠNG 1.1 Tổng quan về máy sấy điện trở Máy sấy điện trở là thiết bị sấy có công nghệ đơn giản trong chế tạo và vận hành nên ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống, sản xuất. Hiện nay, các máy sấy đối lưu bằng điện trở được chế tạo với nhiều công suất khác nhau từ 1kW đến vài chục kW để phục vụ trong lĩnh vực sấy như: sấy quần áo, sấy trái cây, sấy thảo mộc, sấy thủy hải sản, sấy các loại hạt và ngũ cốc. Mặc dù đơn giản trong chế tạo và vận hành, tuy nhiên nhược điểm cơ bản của máy sấy điện trở là chi phí vận hành lớn. Do đó, đối với máy sấy điện trở việc tìm kiếm cơ hội giảm tiêu hao năng lượng là cần thiết.
Sơ đồ nguyên lý của máy sấy đối lưu (điện trở) thể hiện như Hình 1.1 Nguyên lý cấu tạo máy sấy đối lưu (điện trở) và đồ thị I-d Nguyên lý làm việc: Không khí ngoài trời trạng thái (1) đi qua bộ gia nhiệt điện trở, được gia nhiệt lên đến trạng thái (2). Sau đó không khí nóng vào buồng sấy thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, ẩm với vật liệu sấy. Sau đó không khí ra khỏi buồng sấy và đạt trạng thái (3). 1-2: Quá trình gia nhiệt tại bộ calorife điện trở 2-3: Quá trình sấy diễn ra tại buồng sấy Điểm 1: Trạng thái không khí ngoài trời Điểm 2: Trạng thái không khí sau bộ calorife Điểm 3: Trạng thái không khí sau buồng sấy 5 Luan van 1.2 Tổng quan về ống nhiệt Ống nhiệt là một phần tử trao đổi nhiệt kín bên trong có chứa môi chất công tác.
Tùy theo loại ống nhiệt mà phía trong ống có thể trơn, xẻ rãnh hoặc có bấc mao dẫn. Về mặt cấu tạo ống nhiệt chia làm 3 phần: phần sôi, phần đoạn nhiệt và phần ngưng thể hiện như Hình 1.2 Nguyên lý cấu tạo ống nhiệt (heat pipe) Nguyên lý làm việc ống nhiệt: Tại phần sôi ống nhiệt môi chất trong ống nhận lượng nhiệt từ bên ngoài truyền vào nên sôi và hóa hơi. Môi chất sau khi hóa hơi chuyển động về phần ngưng ống nhiệt, tại đây môi chất nhả nhiệt ra bên ngoài ngưng tụ thành lỏng sau đó quay trở lại phần sôi dưới tác dụng của trọng lực, lực mao dẫn hoặc ly tâm tùy vào loại ống nhiệt. Ống nhiệt được phân loại theo nhiều cách khác nhau như: Theo lực tác dụng đưa lỏng môi chất về phần sôi ống nhiệt, theo môi chất công tác, theo hình dạng ống.
Phân loại theo lực đưa lỏng môi chất từ phần ngưng về phần sôi ống nhiệt: - Ống nhiệt trọng trường: ống nhiệt mà lỏng môi chất sau khi ngưng được đưa về phần sôi nhờ lực trọng trường. Với loại ống nhiệt này cần thiết phải bố trí phần sôi luôn thấp hơn phần ngưng để đảm bảo môi chất sau khi ngưng có thể chảy được về phần sôi. - Ống nhiệt mao dẫn: ống nhiệt mà lỏng chất công tác sau khi ngưng được đưa về phần sôi ống nhiệt nhờ lực mao dẫn. Mặc dù, có cấu tạo phức tạp hơn ống nhiệt trọng trường, tuy nhiên ống nhiệt mao dẫn có thuận hơn trong bố trí.
Để tạo ra lực mao dẫn các ống nhiệt có thể được làm các rãnh nhỏ ở bề mặt trong ống, bố trí lưới kim loại sát bề mặt trong ống hoặc dạng hạt liên kết .3 thể hiện cấu tạo bên trong một số loại ống nhiệt mao dẫn. 6 Luan van Hình 1.3 Cấu tạo bên trong ống nhiệt mao dẫn - Ống nhiệt ly tâm: ống nhiệt mà lỏng chất công tác sau khi ngưng được đưa về phần sôi ống nhiệt nhờ lực ly tâm.4 thể hiện nguyên lý cấu tạo ống nhiệt ly tâm.4 Nguyên lý cấu tạo ống nhiệt ly tâm Ngoài 3 loại ống nhiệt trên thì thực tế còn có một số loại ống nhiệt khác như ống nhiệt từ trường, ống nhiệt điện trường, ống nhiệt thẩm thấu. Tuy nhiên, các loại ống nhiệt này ít sử dụng và không phổ biến trong thực tế. Phân loại theo môi chất nạp Theo môi chất nạp ống nhiệt có thể chia thành ống nhiệt nạp môi chất dạng đơn chất và ống nhiệt nạp môi chất dạng hợp chất.
Tuy nhiên, ống nhiệt nạp đơn chất được sử dụng phổ biến hơn trong thực tế. Các môi chất công tác thường dùng và phạm vi làm việc được thể hiện trong Bảng 1.1 7 Luan van Bảng 1.1 Thông số làm việc một số loại ống nhiệt STT tmin(C) tmax(C) Môi chất nạp Vật liệu chế tạo ống 01 -271 -269 Helium Thép không gỉ, Titanium 02 -258 -243 Hydrogen Thép không gỉ 03 -246 -234 Neon Thép không gỉ 04 -214 -160 Ôxy Nhôm, thép không gỉ 05 -203 -170 Nitơ Nhôm, thép không gỉ 06 -150 40 Propylene Nhôm, thép không gỉ, Nickel 07 15 80 R134a Thép không gỉ, đồng 08 -65 100 Amoniac Nhôm, thép, thép không gỉ, Nickel 09 -271 -269 Helium Thép không gỉ, Titanium 10 -258 -243 Hydrogen Thép không gỉ 11 -60 100 Methanol Đồng, Thép không gỉ 12 -50 100 Acetone Nhôm, thép không gỉ 13 -50 280 Toluene Thép, thép không gỉ, Cu-NI 14 20 280 Nước Đồng, Monel, Nickel, Titanium Các công suất giới hạn của ống nhiệt Về mặt lý thuyết thì ống nhiệt có công suất rất lớn, tuy nhiên do ảnh hưởng của các quá trình nhiệt động, truyền nhiệt, thủy động xảy ra bên trong ống dẫn đến sự hạn chế về công suất nhiệt. Khi công suất ống nhiệt lớn hơn Qmax tới hạn thì ống nhiệt không hoạt động, lỏng ngưng không quay về phần sôi dẫn đến nhiệt độ vách ống tăng cao, gây vỡ, nổ ống nhiệt. Ống nhiệt trọng trường có 3 giới hạn bao gồm: Giới hạn âm thanh, giới hạn sôi, giới hạn lôi cuốn.
Vì vậy khi thiết kế vận hành cần đảm bảo công suất nhiệt nhỏ hơn các công suất giới hạn trên, đảm bảo an toàn và không làm hỏng ống nhiệt. - Giới hạn âm thanh: Theo lý thuyết thì tốc độ hơi không thể lớn hơn tốc độ âm thanh. Vì vậy công suất nhiệt lớn nhất ứng với trường hợp tốc độ hơi bằng tốc độ âm thanh gọi là giới hạn âm thanh của công suất nhiệt.(k+1) Trong đó: Qa- Giới hạn âm thanh công suất nhiệt; W Ah- Tiết diện hơi trong ống; m2 h- Khối lượng riêng của hơi; kg/m3 r- Nhiệt ẩn hóa hơi; J/kg R- Hằng số chất khí; J/kmol.K Th- Nhiệt độ tuyệt đối của hơi; K k- Hệ số mũ đoạn nhiệt của hơi. - Giới hạn sôi: Khi lỏng công tác chảy từ phần ngưng về phần sôi, lớp chất lỏng sát bề mặt vách ở phần sôi nhận nhiệt sẽ sôi bọt.
Khi nhiệt đưa vào quá lớn thì chế độ sôi bọt chuyển sang sôi màng. Dẫn đến hệ số tỏa nhiệt giảm mạnh, nhiệt độ vách ống tăng cao làm hỏng vách. Vậy công suất nhiệt lớn nhất tại thời điểm chuyển từ sôi bọt sang sôi màng gọi là giới hạn sôi của công suất nhiệt.2 Trong đó: Qs- Giới hạn sôi công suất nhiệt; W n- Khối lượng riêng chất lỏng ngưng; kg/m3 h- Khối lượng riêng hơi; kg/m3 r- Nhiệt ẩn hóa hơi; J/kg Fis- Diện tích mặt trong phần ngưng ống nhiệt; m2 - Sức căng bề mặt môi chất; N/m g- Gia tốc trọng trường; m/s2 - Giới hạn lôi cuốn: Chất công tác sau khi ngưng sẽ về phần sôi, nếu công suất nhiệt lớn dẫn đến lượng hơi sinh ra ở phần sôi lớn với tốc độ cao sẽ cản trở lỏng chảy về phần sôi. Khi đó ống nhiệt ngừng hoạt động.
Vậy công suất nhiệt lớn nhất mà tại đó dòng hơi có tác động cản trở lớn đến dòng lỏng ngưng gọi là giới hạn lôi cuốn của công suất. 9 Luan van ρ n 0,13 Qc =0,64.3 ρh Trong đó: Qc- Giới hạn lôi cuốn của công suất; W Ah- Tiết diện hơi trong ống; m2 r- Nhiệt ẩn hóa hơi; J/kg n- Khối lượng riêng chất lỏng ngưng; kg/m3 h- Khối lượng riêng hơi; kg/m3 - Sức căng bề mặt môi chất; N/m g- Gia tốc trọng trường; m/s2 Qua các tính toán và thực nghiệm người ta thấy rằng giới hạn lôi cuốn Qc là nhỏ nhất vì vậy khi thiết kế và vận hành chỉ quan tâm đến giới hạn lôi cuốn Qc. Đặc điểm của ống nhiệt - Nhiệt độ bề mặt ống nhiệt đồng đều theo toàn bộ chiều dài ống. Vì áp suất phần ngưng và phần sôi không chênh lệch nhiều.
- Ống nhiệt truyền tải nhiệt từ vùng nóng đến vùng lạnh không phải dùng bơm. Nên độ tin cậy tăng, không gây ồn. - Khả năng truyền nhiệt của ống nhiệt lớn vì quá trình truyền nhiệt bên trong ống nhiệt thực hiện bởi quá trình biến đổi pha. - Khoảng nhiệt độ làm việc rộng, có thể truyền tải nhiệt với khoảng cách xa.
- Thuận lợi khi bảo trì, bảo dưỡng, thay thế. Cơ sở tính toán ống nhiệt Việc tính toán thiết kế ống nhiệt trọng trường môi chất R134a được trình bày ở các phương trình (1. Khi thực hiện trao đổi nhiệt giữa dòng không khí nóng và dòng không khí lạnh, các nhiệt trở thành phần của quá trình truyền nhiệt thể hiện như Hình 1.5 10 Luan van Hình 1.5 Sơ đồ nhiệt trở quá trình truyền nhiệt qua ống nhiệt 1 Rz - Nhiệt trở không khí với vách ngoài phần sôi; K/W z .Fes ln(des / dis ) Rvs - Nhiệt trở vách phần sôi; K/W 2.v 1 Rs - Nhiệt trở vách trong phần sôi với môi chất sôi; K/W s .Fis 1 Rw - Nhiệt trở không khí với vách ngoài phần ngưng; K/W w .Fen ln(den / din ) Rvn - Nhiệt trở vách phần ngưng; K/W 2.v 1 Rn - Nhiệt trở vách trong phần ngưng với môi chất ngưng; K/W n .Fin T ( p pn ) Rh h s - Nhiệt trở hơi chuyển động từ phần sôi về phần ngưng, K/W h .Qi Trong đó: tz, tw - Nhiệt độ trung bình dòng không khí đi qua phần sôi, phần ngưng; K Fes, Fen - Diện tích mặt ngoài ống nhiệt phần sôi, phần ngưng; m2 Fis, Fin - Diện tích mặt trong ống nhiệt phần sôi, phần ngưng; m2 des, dis - Đường kính ngoài và trong của ống nhiệt phần sôi; m den, din - Đường kính ngoài và trong của ống nhiệt phần ngưng; m v - Hệ số dẫn nhiệt của vách ống nhiệt, W/m.K n, s - Hệ số tỏa nhiệt khi ngưng, sôi của môi chất trong ống nhiệt; W/m2.K 11 Luan van z, w - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu không khí bên ngoài phần sôi, phần ngưng ống nhiệt; W/m2.K Hệ số tỏa nhiệt đối lưu không khí bên ngoài phần ngưng và phần sôi ống nhiệt được xác định như sau [27]: Nu Nu z ; w 1.den Trong đó: z - Hệ số dẫn nhiệt của không khí ứng với nhiệt độ tz; W/m.K w - Hệ số dẫn nhiệt của không khí ứng với nhiệt độ tw; W/m.