Xác định năng lượng của bộ phát hồng ngoại (IFR)

Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.5. Kết quả xây dựng mô hình toán truyền nhiệt truyền ẩm

3.5.2. Xác định năng lượng của bộ phát hồng ngoại (IFR)

Quá trình trao đổi nhiệt tại bề mặt của VLS theo phương x bao gồm các quá trình dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt đối lưu giữa các phân tử bề mặt và TNS, trao đổi nhiệt do quá trình nước trong vật liệu bốc hơi ra môi trường. Áp dụng phương trình bảo toàn năng lượng tại mặt biên của VLS, ta có phương trình (3.46).

 

_

 

_



 _

 

      



s

IFR c a s x fg k m s e x p

x

q h T T h h M M k T

x (3.46)

Trong đó:

s

qIFR- năng lượng bức xạ hấp thụ qua bề mặt VLS (W/m²)

Me - độ chứa ẩm cân bằng của VLS (kg ẩm/kg VLK)

Ms - độ chứa ẩm lớp bề mặt của VLS (kg ẩm/kg VLK))

hc - hệ số trao đổi nhiệt đối lưu (W/m²K)

hm - hệ số trao đổi chất đối lưu (m/s)

hfg- hệ số nhiệt ẩn hóa hơi của nước trong vật liệu (kJ/kg)

Ta- nhiệt độ của TNS (°C)

Ts- nhiệt độ bề mặt của VLS (°C) Điều kiện biên về truyền ẩm

Quá trình trao đổi chất tại bề mặt của VLS theo phương x bao gồm các quá trình trao đổi chất giữa VLS và môi trường. Áp dụng bảo toàn ẩm tại bề mặt của VLS ta có phương trình (3.47)

 

_

 



   



m m e s x

x

D M h M M

x (3.47)

Các phương trình (3.42, 3.43, 3.46, 3.47) mô tả quá trình truyền nhiệt - truyền ẩm trong QTS. Lời giải của hệ phương trình sẽ giúp xác định được nhiệt độ và độ ẩm của mực trong toàn bộ QTS.

3.5.2. Xác định năng lượng của bộ phát hồng ngoại (IFR)

vị trí như hướng trao đổi nhiệt bức xạ và khoảng cách đặt giữa bề mặt nguồn hồng ngoại và bề mặt mực được xác định như sau:



 



    

     

        

 

1

1 1

2 2 2 2

1 tan tan

2 1 1 1 1

sq H

A A

X Y Y X

F

X X Y Y (3.48)

Trong đó:

W¹ W²

,

X Y

D D

Với: W1 - chiều rộng nguồn phát hồng ngoại (m) W2 - chiều dài nguồn phát hồng ngoại (m)

D - khoảng cách từ VLS đến nguồn phát hồng ngoại (m) 3.5.2.2. Sự phân bố năng lượng do bức xạ đến bề mặt vật liệu sấy

Thiết bị sấy có thể được xem là một hệ thống ba mặt gồm bề mặt từ nguồn phát hồng ngoại (H), bề mặt thành buồng sấy (C) và bề mặt VLS (SQ). Theo Holman (2009), việc truyền bức xạ trong buồng sấy có thể được coi là song song giữa hai bề mặt nguồn hồng ngoại và bề mặt VLS, từ đó năng lượng bức xạ từ nguồn hồng ngoại đến bề mặt VLS được xác định như sau:

   

4 4

-1 H

H H-SQ

H H H H-C SQ-C

( )

1-ε 1 1-ε

+ A F + +

A ε 1/A F + 1/A F A ε

 

  

 

 

 

FIR s r

sq sq sq sq

T T

Q (3.49)

Trong đó:

Qr - năng lượng bức xạ từ nguồn hồng ngoại đến bề mặt VLS (W).

AH - diện tích buồng sấy (m²) Asq - diện tích mực sấy (m²)

H- hệ số độ phát xạ của vật liệu buồng sấy, _H _{0, 9}(Meeso, 2007)

Sq- hệ số độ phát xạ của VLS, _Sq0,8(Hui, 2005)

FH C_ - tỷ lệ năng lượng từ bề mặt nguồn đến bề mặt buồng sấy

H SQ

F _ - tỷ lệ năng lượng từ bề mặt nguồn đến bề mặt VLS

FSQ C_ - tỷ lệ năng lượng từ bề mặt mực đến bề mặt buồng sấy

3.5.2.3. Năng lượng hấp thụ

Một số tác giả đã xác định nhiệt năng tạo ra dưới dạng nhiệt hấp thụ từ VLS theo định luật Lambert-Beer (Pan và ctv, 2011) như công trình nghiên cứu của (Holman, 1990; Meeso và ctv, 2007; Kowalski và ctv, 2013). Trong luận án này, nhiệt năng hấp thụ từ bức xạ sóng hồng ngoại được tình theo công thức (3.50)

,



 

a x

IFR i r

Q Q e (3.50)

Trong đó:



- hệ số hấp thụ

, a IFR i

Q - năng lượng hấp thụ từ bức xạ hồng ngoại tại lớp thứ i của vật liệu sấy.

Hệ số hấp thụ được tính thông qua mối quan hệ giữa hệ số độ phát xạ của vật liệu buồng sấy, hệ số độ phát xạ của VLS và hệ số hình dáng giữa bộ phát hồng ngoại và vật VLS (Jaturonglumlert và ctv, 2010). Trong nghiên cứu này, hệ số hấp thụ được được tính theo công thức (3.51).

. . .

H Sq FH SQ FSQ H

   _{ } (3.51)

Năng lượng hấp thụ trên một đơn vị thể tích (q_IFR) trong công thức (3.42) và năng lượng hấp thụ trên một đơn vị diện tích tại bề mặt VLS (q_IFR^s ) trong công thức (3.46) được tính như sau:

 , a IFR i IFR

q Q

V (3.52)

 , a IFR i s

IFR

q Q

A (3.53)

3.5.3. Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu hc và hệ số trao đổi chất đối lưu hm.

 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu hc

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu là đại lượng đặc trưng cho cường độ trao đổi nhiệt giữa TNS và VLS. Xác định hai đại lượng này có thể sử dụng lý thuyết đồng dạng (Hoàng Đình Tín, 2001; Holman, 2009) hoặc thực nghiệm, bán thực nghiệm. Trong luận án này, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu được xác định bằng phương pháp đồng dạng đối với trường hợp truyền nhiệt đối lưu tấm phẳng (Jaturonglumlert, 2010). Hệ số đối

lưu thường được tính thông qua tiêu chuẩn đồng dạng Nusselt dựa vào giá trị của hệ số Reynold (ReL). Đối với bài toán truyền nhiệt đối lưu dạng tấm phẳng thì hệ số ReL

được tính như sau:

Re  .v.

 ^a

L

a

L (3.54)

Đối với mực ống, L là chiều dài của mực và có giá trị nằm trong khoảng 240 ÷ 260 mm, v là vận tốc tác nhân sấy và có giá trị nằm trong khoảng 0,3 ÷ 2 m/s, TNS nằm trong khoảng 0 ÷ 70°C, ta có ReL có giá trị nằm trong khoảng 4,2.10³ ÷ 3,1.10⁴. Khi ReL < 5.10⁵, tại vị trí bất kỳ theo phương chiều dài tấm phẳng theo chiều chuyển động của môi chất, giá trị tiêu chuẩn đồng dạng Nusselt được xác định như sau:

1/2 1/3

0,332Re Pr

L L

Nu  với Pr ≥ 0,6 (3.55)

Giá trị Nu trung bình xét trên toàn bộ chiều dài tấm phẳng L:

1/ 2 1/3

2 _L 0, 664 Re_L Pr

Nu Nu  (3.56)

Với ^c _c ^a

a

h L Nuk

Nu h

k L

   (3.57)

Từ đó hệ số trao đổi nhiệt đối lưu được tính theo phương trình sau:

_c 0, 664 Re^{1/ 2}_L Pr^1/3k^a

h  L (3.58)

Trong đó:

Tiêu chuẩn đồng dạng Prandtl: Pr ^{a a}

a

C k

  (3.59)

Trong điều kiện thời tiết ở Việt Nam và với nhiệt độ và độ ẩm tương đối của TNS nằm trong khoảng 0 ÷ 70°C và 25 ÷ 40%, các thông số nhiệt - vật lý của không khí được xác định như sau (Białobrzewski, 2008).

 Khối lượng riêng (kg/m³)

-8 3 -5 2 -3

-3,510101.10 . 1,583983. 10 . – 4,699520. 10 . 1,292136

a T T T



   (3.60)

 Độ nhớt động lực học (kg/m.s)

2 -8 -

-3 3 6

5,5411255. 4,983297. 1

1,767676.10 . - 0 . 17,196428. 10

a T T T



   (3.61)

 Hệ số dẫn nhiệt (W/(m.K)).

-10 3 -7 2 -5

6,818181.10 . -1,474026. 10 . 8,029113.10 . 0,024084

ka  T T  T  (3.62)

 Nhiệt dung riêng của không khí (J/kgK)

3 -2 -4 2 -7 3

1,00926.10 – 4,0403.10 . 6,1759.10 . – 4,097.10 .

Ca  T  T T (3.63)

 Hệ số khuếch tán của hơi ẩm vào không khí (m²/s).

2,072 -10( 273) 1,87.10

a

D T

p

  (3.64)

 Xác định hệ số trao đổi chất hm

Trong luận án này, đối tượng sấy là mực ống đã sơ chế có chiều dày là 2δ được đặt trên khay lưới nằm trong buồng sấy, TNS sẽ đi song song trên hai bề mặt mực.

Nếu tốc độ trao đổi chất thấp, khuếch tán bằng dòng ẩm đối lưu tại bề mặt và dòng ẩm này không ảnh hưởng đến tốc độ của TNS thì có thể xem trao đổi chất đối lưu tương tự như trao đổi nhiệt đối lưu. Trong trường hợp đó nhiều tác giả đã xác định hệ số trao đổi chất đối lưu thông qua lý thuyết đồng dạng của Chilton-Colburn hoặc có thay tiêu chuẩn Nusselt trong phương trình (3.55) bằng tiêu chuẩn Shewood

 ^m ,

a

Sh h L

D thay tiêu tuẩn Pr bằng tiêu chuẩn Schmidt (Jaturonglumlert, 2010).

1/2 1/3

2 _y 0,664Re_L

Sh Sh  Sc suy ra _{0,664 Re}^{1/ 2 1/3 a}

m L

h Sc D

L (3.65)

Trong đó:

Tiêu chuẩn đồng dạng Schmidt: ^a

a a

Sc D



 