Thiết kế thiết bị sấy nông sản dùng năng lượng mặt trời

BÀI TẬP Môn học: SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO I. ĐỀ BÀI Một thiết bị sấy nông sản dùng năng lượng mặt trời có: Năng suất sấy là Ns(kg/mẻ). Độ ẩm của vât liệu trước khi sấy là φo và sau khi sấy là φ2. Nhiệt độ sấy lớn nhất cho phép là tmax. Thời gian sấy τs. Collector có chiều cao Hc, bề rộng Bc và chiều dài Lc. Xác định diện tích cần thiết của collector. Bảng số liệu cho sẵn và số liệu điều tra: Số liệu Nhóm I vật liệu sấy ngô Ns(kg/mẻ). 1200 φo(%) 25 φ2(%) 13 τs(ngày) 2 Τn(giờ/ngày) 8 nơi đặt thiết bị Sơn La φo(không khí) 800 tmax(oc) 800 II.QUÁ TRÌNH TÍNH TOÁN: Nhận xét: + Diện tích collector được tính toán dựa vào: năng lượng cung cấp cho quá trình sấy nhiệt độ khi sấy. + Nhiệt lượng cần thiết cho quá trình sấy được xác định theo quan hệ giữa diện tích của tấm hấp thụ với nhiệt lượng hữu ích do không khí mang ra khỏi collector. 1. Tính toán nhiệt cho quá trình sấy. + Nhiệt lượng cần thiết để làm bay hơi 1kg nước từ vật sấy là: Q = Gk.q = (kJ/kg) Tra đồ thị I-d của không khí ẩm ta có. Với , t0mt = 250 d0 = 13.10-3 (kgẩm/kg.k2), I0 = 58,4 (kJ/kg.k2). Qúa trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d Khi tăng nhiệt độ sấy lên t0sấy = 650 giá trị độ chứa ẩm d không đổi vậy với , t0sấy = 600 , d1 = d0 = 13.10-3 I1 = 100,46 (kJ/kg.k2), d2 = 27.10-3 (kgẩm/kg.k2) . Vậy Q = = = 10515 (kJ/kg). Gk: Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1kg nước. Gk = = = 25.(kg. k2/kg.ẩm) q: Nhiệt lượng cần thiết để đốt lóng 1kg không khí khô. q = I1 – I0 = 42,06. Vậy lượng nước cần bốc hơi từ vật liệu sấy là. W = G. Với G = 100 kg. , W = 100. = 65,8 kg. Nhiệt lượng cần thiết cho quá trình sấy. với thời gian sấy là = 16h. Qs = W.Q. = 65,8.10515. = 12012 (w). II/ Tính diện tích collector. Kd Kch Tmt S Ttb Tr Tấm hấp thụ Tấm cách nhiệt Hình 2: Sơ đồ biểu diễn quá trình truyền nhiệt trên collector phẳng. Từ phương trình cân bằng năng lượng ta có. G = Qm-n + Qm-ph +Qs + Qu. G: Năng lượng đến. G = E.Fc E: Bức xạ toàn phần E = 5.076 kw/m2 = 5076 w/m2. Fc: Diện tích collecter (m2) - Qm-ph Hao tổn quang học. Qm-ph = G.(1 – D.). D: độ trong của tấm che: chọn tấm che là kính trắng thì. D = 0.95. : độ hấp thụ của tấm hấp thụ; chọn tấm hấp thụ là hợp kim nhôm thì. = 0.85. Qm-ph = G.(1 – 0.95.0.85). = 0.1925.G. - Qm-n Tổn thất nhiệt tổng cộng Qm-n = Fc.KG.(Tht – Tmt). (a) kG: hệ số trao đổi nhiệt toàn phần Tht: nhiệt độ tấm hấp thụ (0k). Tmt: nhiệt độ môi trường (0k). Vậy ta có: G.D. = Qm-n + Qm-ph +Qs + Qu. (*) Từ (a) và (*) Qu = G.D. - Fc.KG.(Tht – Tmt). Vậy Fc = Với - Qu: là nhiệt lượng hữu ích do không khí mang ra khỏi collector. Qu = Qv = Qs Qu : dòng nhiệt sử dụng. Qv : nhiệt lượng cần để tăng nhiệt độ không khí lên. Qs : nhiệt lượng cần để cung cấp cho quá trình sấy. Qv = Lo.cp(Tv – Tr) (W) cp: nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí. (kJ/kg.k2) cp = 0.2378 + 0.00002221.250 = 0.23835. Tv : nhiệt độ khí vào. Tv = Tmt = 273 + 25 = 298.0k. Tr : nhiệt độ khí ra. Tr = Tsấy = 273 + 65 = 338.0k. Lo = Gk.W Với Gk = 25, W = 65.8 kg. Lo = 25.65,8 = 1645 (kg/h). Qv = Qu = Qs = 2402,4 (w). - E : Bức xạ toàn phần. E = 5,076 kw/m2/ngày - D : Độ trong tấm che. D = 0,95 - : Độ hấp thụ của tấm hấp thụ = = 0.85 Tmt : nhiệt độ môi trường Tmt = Tv = 303.ok KG: hệ số hao tổn nhiệt toàn phần, hệ số trao đổi nhiệt toàn phần được xác định theo công thức. KG = : hệ số truyền nhiệt đối lưu đến dòng khí. : hệ số truyền nhiệt đối lưu đến tấm che. = = Nu : hệ số Nussel : xác định theo điều kiện chảy rối Nu = 0,0158.Re0,8 Re : hệ số Reynol được xác định như sau. Re = Dh: bán kính thuỷ lực Dh chọn có giá trị bằng bc bc : là chiều rộng Collecter bc = 2m Dh = 2m h : là chiều dày collecter h = 2m Vậy diện tích mặt cắt ngang collecter là : S = bc.h = 2.0,2 = 0,4 m2 V1 : vận tốc dòng khí (m/s) Cho V1 = 0,2 m/s : độ nhớt động học của không khí Tra bảng ta có = 15,7.10-6 (m2/s) Re = = = 2,53.104 = 25300 Nu = 0,0158.253000,8 = 53,62 - Hệ số truyền nhiệt đối lưu đến dòng khí và đến tấm che được xác định như sau. = = = : hệ số dẫn nhiệt của không khí (W/mok) Tra bảng ta được = 2,67.10-2 W/mok = = = = 0,7025 Hệ số truyền nhiệt bức xạ giữa tấm hấp thụ và tấm che cản bức xạ nhiệt có thể tính với giả thiết hai tấm song song vô cùng lớn. : Hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối = 5,67.10-8 W/m2.k4 : độ đen của tấm che : + D = 1 Mà D = 0,95 = 0,05 : độ đen tấm hấp thụ = 0,85 Tch: nhiệt độ tấm che. Tch = Tmt + 5 = 298 + 5 = 303 ok Tht: nhiệt độ tấm hấp thụ. Tht = Ttb + Với: = 0,85 ; D = 0,9 ; E = 5,076 kWh/m2/ngày = 5076 Wh/m2/ngày. = 7,025 Mà Ttb = = = 318 ok Tht = 318 + = 323,8ok Vậy = = 0,35. Hệ số truyền nhiệt bức xạ từ tấm hấp thụ đến bầu trời tính theo công thức. Với Tbt = Tmt – 6 = 298 - 6 = 292 ok = = 4,57 -Hệ số hao tổn mặt trên Kch được xác định như sau. Kch = Với = 2,8 + 3.vn với vn là vận tốc gió chọn vn = 1 m/s = 2,8 + 3.1 = 5,8 m/s = = 0,298. Kch = = 5,8 + 0,298 = 6,098 Đối với collector không khí có một tấm che thì hao tổn nhiệt mặt trên mang tính áp đảo do đó có thể bỏ qua các giá trị Kd, Ks lần lượt là các hệ số truyền nhiệt mặt lưng và mặt bên ra ngoài môi trường. Vậy hao tổn nhiệt toàn phần được xác định như sau. KG = = = 9,64. Cường độ bức xạ E = = = 634,5 (w/m2). Vậy diện tích của collector là: Fc = = = 45,56 (m2).