T ẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 55, 2009 NGHIÊN C ỨU QUÁ TRÌNH SẤY THÓC BẰNG THIẾT BỊ SẤY NĂNG LƯỢNG Đỗ Minh Cường, Phan Hòa Tr ường Đại học Nông Lâm, Đại học Huế TÓM T ẮT Thi ế
Trang 1T ẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 55, 2009
NGHIÊN C ỨU QUÁ TRÌNH SẤY THÓC BẰNG THIẾT BỊ SẤY NĂNG LƯỢNG
Đỗ Minh Cường, Phan Hòa
Tr ường Đại học Nông Lâm, Đại học Huế
TÓM T ẮT
Thi ết bị sấy năng lượng mặt trời kiểu đối lưu tự nhiên dùng để sấy thóc có kết cấu đơn
gi ản, dễ sử dụng và giá thành thấp, phù hợp với quy mô hộ nông dân, có thể sử dụng vật liệu có
s ẵn ở địa phương để chế tạo Khi sử dụng thiết bị này, thời gian sấy rút ngắn nhiều so với phơi
n ắng tự nhiên khi trong cùng một điều kiện như nhau, đảm bảo số lượng và chất lượng của thóc
s ấy, không bị các côn trùng và chim chuột thâm nhập phá hoại, phòng ngừa được mưa ẩm
Thi ết bị này cũng có thể được sử dụng để sấy một số sản phẩm nông nghiệp khác
1 Đặt vấn đề
Trong khâu phơi sấy thóc, nông dân thường sử dụng dạng hong phơi tự nhiên
trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời Đó là phương pháp đơn giản với chi phí thấp nhất,
nhưng có nhiều hạn chế như: thóc khô không đều, có thể nhiễm bẩn do đất cát hoặc bị các loại chim, chuột phá hoại và không chủ động bởi thời tiết thất thường
Việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời (NLMT) để gia nhiệt cho thiết bị
sấy thóc nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng bức xạ mặt trời, bảo đảm năng suất và chất
lượng quá trình sấy là một hướng đi phù hợp với điều kiện thực tế và là vấn đề cấp thiết
hiện nay Vì vậy, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: Nghiên cứu quá trình sấy thóc
bằng thiết bị sấy NLMT kiểu đối lưu tự nhiên, nhằm:
- Xác định mẫu thiết bị sấy thóc sử dụng NLMT phù hợp với đặc điểm nông hộ trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế
- Xác định trạng thái của quá trình sấy hạt nông sản bằng thiết bị sấy sử dụng NLMT kiểu đối lưu tự nhiên, làm cơ sở để thiết kế, chế tạo các thiết bị sấy NLMT
2 Ph ương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập thông tin thông qua các tài liệu xuất bản và internet
- Phương pháp đo số liệu bằng các dụng cụ chuyên dùng
- Phương pháp xử lý số liệu bằng toán xác xuất thống kê nhờ phần mềm Excel,
Trang 2Cropwat 4.0
- Phương pháp tính toán lý thuyết bằng toán giải tích
- Phương pháp thực nghiệm sấy lúa trên mô hình thí nghiệm
3 N ội dung và kết quả nghiên cứu
3.1 L ựa chọn nguyên lý làm việc của thiết bị
Thiết bị sấy bằng NLMT được thực hiện theo hai phương pháp: Thiết bị sấy trực
tiếp và thiết bị sấy gián tiếp
Thiết bị sấy trực tiếp có tuần hoàn khí tự nhiên Thóc được trải thành một lớp
mỏng trong một phòng kín hấp thụ với phía trên được che phủ bằng một tấm trong suốt Thóc được gia nhiệt và nóng lên, ẩm được bốc hơi và thoát ra ngoài Phương pháp này đơn giản, không sợ trời mưa và thóc không bị nhiễm bẩn Nhưng nó có nhược điểm: Quá trình sấy chậm, mất nhiều thời gian, chỉ sấy được lớp thóc mỏng nên năng suất thấp
Thiết bị sấy gián tiếp có dẫn nhiệt cưỡng bức Thóc được đặt tại các sàng sấy, khí nóng được lấy từ bộ thu nhiệt NLMT thổi xuyên qua các vĩ sấy và lớp thóc làm cho thóc khô dần Phương pháp này có ưu điểm: Do hiệu suất của bộ hấp thụ cao hơn nên nhiệt độ sấy cao hơn, quá trình sấy đều hơn do không khí nóng đi từ dưới lên Nhưng nó
có nhược điểm: diện tích chiếm chỗ của thiết bị lớn, quá trình sấy còn phụ thuộc vào nguồn năng lượng bên ngoài để chạy quạt, giá thành thiết bị cao hơn
Xuất phất từ những ưu, nhược điểm của hai phương pháp trên, chúng tôi chọn nguyên lý sấy hỗn hợp kiểu đối lưu tự nhiên
3.2 Tính toán lý thuy ết mô hình thiết bị
Từ công thức tính hiệu suất của collector: ηC = v.ρ.CP.∆t
AC.En Trong đó: v – Thể tích khí thổi qua collector trong một thời gian, m3
/s
ρ – Tỷ trọng của không khí, kg/m3
CP – Nhiệt dung riêng của không khí, KJ/kgo
K
∆t – Nhiệt độ nóng lên của không khí sau khi đi qua Collector, o
C
En – Cường độ của bức xạ mặt trời, W/m2
AC – Diện tích của collector , AC = v.ρ.CP.∆t
ηC.En , m2
* L ượng ẩm cần tách khỏi hạt tính theo công thức: mW = m (W1 – W2)
(100 – W2) , kg ẩm
Trong đó: m – Khối lượng thóc tươi cần sấy, m = 200 kg
Trang 3W1 – Độ ẩm của thóc tươi, W1 = 27%
W2 – Độ ẩm của thóc khô thành phẩm, W2 =13%
=> mW = 200 x (27 – 13)
(100 – 13) = 32,18 (kg)
* L ượng ẩm cần tách trong 1 giờ: g = mW /t , kg/h
Trong đó: t – Thời gian sấy: t = (W2- W1)
ω (h);
Với ω – Tốc độ sấy (%/h), đối với sấy đối lưu tự nhiên, chọn ω = 0,9%/h
t = (27 - 13) 0.9 = 15,6 (h) ; Ta chọn thời gian sấy: t = 16 h
=> g = mW /t = 32,18 / 16 = 2,01 (kg ẩm /h)
* Tính toán cân b ằng nhiệt - ẩm quá trình sấy:
+ Tr ạng thái không khí trước collector:
Với t1 = 300C; ϕ1 = 80%; tra phụ lục [3] có ps1 = 0,04142 bar
Độ chứa ẩm của không khí tự nhiên:
d1 = 0,622 ϕ1Ps1
P- ϕ1Ps1 = 0,622
0.8x0.04241 1-0.8x0.04241 = 0,022 (kg/kgKK) Entanpi của không khí tự nhiên là :
I1 = Cpk t1 +d1 (r+Cph.t1), kJ/kgKK Trong đó: Cpk≈ 1kJ/kgKK – Nhiệt dung riêng của không khí khô;
Cph≈ 1,93kJ/kgKK – Nhiệt dung riêng của hơi nước;
r ≈ 2500 kJ/kg – Nhiệt ẩn hóa hơi của nước
=> I1 = 1 30 + 0,022 (2500 +1,93 30) = 86,3 (kJ/kgKK)
+ Tr ạng thái không khí cuối collector:
Chọn t2 = 700C; tra phụ lục [3] có ps2 = 0,3117 bar
Xem hệ thống là kín, có d1 = d2 nên I2 = Cpk.t2 +d2 (r+ Cph.t2)
I2 = 1.70 +0,022 (2500 +1,93 70) = 127,97 (kJ/kgKK)
Tính ϕ2 = d2P
(0,622+d2)Ps2 100% =
0.022x1 (0.622+0.022)x0.3117 100% = 11 (%)
+ Tr ạng thái không khí cuối quá trình sấy:
Trạng thái này xác định bởi I3 = I2, chọn t3 = 380C, => Ps3 = 0,06674 bar
Trang 4=> d3 = I3- t3
2500+1.93t3 = 127.97- 38
2500+1.93x38 = 0,035 (kg/kgKK)
(0.622+d3)Ps3 100% = 0.035x1
(0.622+0.035)x0.06674 100% = 80%
+ Tiêu hao không khí lý thuy ết:
l0 = 1
d3-d1 = 1
0.035-0.022 = 76 (kgKK/kg ẩm)
Nếu xem hệ thống là kín thì lượng không khí khô cần thiết để sấy 200 kg thóc từ
độ ẩm 27% đến độ ẩm 13% là:
mL = mW l0 = 32,18 76 = 2445,7 (kgKK) Tra phụ lục [3], ta tính được tổng thể tích không khí ẩm qua collector là:
V = mL v0 = 2445,7 0,951 = 2325,9 (m3) => Thể tích không khí đi qua collector trong một giây là:
v = 2325,9/ 16 3600 = 0,0404 (m3/s)
Tỷ trọng của không khí được tính như sau:
(287+462xd1)x(273+t1) =
99333 (287+462x0,022)x(273+30) = 1,224 (kg/m
3
)
* V ới các số liệu tính được, ta có: v = 0,0404 m3
/s; ρ = 1,224 kg/m3; CP = 1,005 KJ/kgKK; ∆t (kk)= 40 oC; En, = 900 W/m2; chọn ηC = 0,30 Vậy diện tích của collector:
AC = v.ρ.CP.∆t
0.0404x1.224x1.005x1000x40
0.30x900 = 7,36 (m
2
)
Do chọn mô hình thí nghiệm theo nguyên lý sấy hỗn hợp đối lưu tự nhiên, nên lấy
diện tích của Collector 1 (sấy gián tiếp): S1 = 3,4m2; diện tích của Collector 2 (buồng sấy
trực tiếp): S2 = 4m2
* Di ện tích sàn sấy: S = m/ γ a , m2
Trong đó: γ – Tỷ trọng của thóc, γ = 530 kg/m3;
a – Bề dày lớp thóc sấy, chọn a = 0,08 m
=> S = 200/530 0,08 = 3,8 (m2) Ta chọn diện tích sàn sấy là 4 m2
3.3 Ch ế tạo mô hình thiết bị sấy thóc sử dụng NLMT, năng suất 200 kg/mẻ
Hình ảnh mô hình thiết bị sấy để khảo nghiệm được thể hiện ở hình 1:
Trang 5Hình 1 Hình ảnh của mô hình khảo nghiệm sấy thóc 200 kg/mẻ
1 Tôn m ạ kẽm sơn đen; 2 Tấm kính trong suốt; 3 Gỗ tạp dày 3 mm;
4 T ấm phủ trong suốt; 5 Khung sắt V
3.4 Kh ảo nghiệm
Sau khi chế tạo mô hình, chúng tôi đã tiến hành khảo nghiệm với sản phẩm sấy
là thóc tươi (giống XL) Bề dày lớp thóc sấy là 10 cm; diện tích sấy là 4 m2
; độ ẩm không khí tự nhiên 80%; nhiệt độ cao nhất trong ngày là 370
C, trời nắng không mưa
Hình 2 Đường cong giảm ẩm của các lớp hạt
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
T, h
W,%
Lớp trên
Lớp giữa
Lớp dưới
T Bình
Ngày s ấy thứ hai
Ngày s ấy thứ nhất
2
1
3
4
5
Trang 6Qua 02 ngày sấy tại sân của khoa Cơ khí - Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm Huế, kết quả khảo nghiệm được thể hiện ở các đồ thị sau:
- Đường cong giảm ẩm của các lớp sấy theo thời gian của các lớp sấy (hình 2)
Kết quả khảo nghiệm cho thấy, quá trình giảm ẩm của các lớp hạt cũng tuân theo quy luật Đây là phương pháp sấy có ủ (thời gian ủ khoảng 16 giờ) nhằm tạo cho độ ẩm
ở bên trong khối hạt được thoát ra ngoài Sau ngày sấy thứ nhất, có sự sai khác về độ
ẩm của các lớp hạt Kết thúc quá trình sấy, độ ẩm giữa các lớp hạt chênh lệch không đáng kể
30
32
34
36
38
40
42
44
46
t,oC
T, h
Hình 3 Đồ thị biểu thị biến thiên nhiệt độ của các lớp hạt theo thời gian
Qua các đồ thị ở hình 3 ta thấy, quy luật biến thiên nhiệt độ của các lớp hạt trong quá trình sấy sử dụng NLMT có sai khác so với quy luật biến thiên nhiệt độ các lớp hạt trong sử dụng các loại phương pháp sấy khác Khi khảo nghiệm với máy sấy sử dụng NLMT kiểu đối lưu tự nhiên ta thấy: Giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ khối hạt tăng nhanh; giai đoạn tốc độ sấy không đổi, nhiệt độ sấy tăng chậm và có quan hệ phi tuyến với thời gian do cường độ bức xạ mặt trời biến thiên theo thời gian trong ngày Sự sai khác nhiệt
độ giữa các lớp trong ngày rất rõ rệt Chênh lệch nhiệt độ của khối hạt so với không khí
tự nhiên tối đa đến 100
C
Qua quá trình khảo nghiệm trên mô hình thiết bị sấy thóc sử dụng NLMT, ta
thấy: Với hệ thống sấy hỗn hợp đối lưu tự nhiên có thể sấy được các loại hạt nông sản
cần nhiệt độ thấp, thời gian sấy dài (sấy có ủ) Hệ thống có thể nâng nhiệt độ khối hạt lên đến 45 - 540
C Quá trình sấy có thể không cần đảo trộn với độ dày nhất định, do vậy,
giảm được nhân công
Sử dụng thiết bị cũng đã tăng nhanh tốc độ sấy (16 giờ) so với phơi tự nhiên (trên 24 giờ) với cùng một diện tích chiếm chỗ, giảm tổn thất trong phơi sấy (không bị sâu bọ, chim chuột phá hoại hay bụi bẩn), tránh được mưa, khống chế được nhiệt độ nên
giảm được tỷ lệ rạn nứt ngầm của hạt, chất lượng sấy đồng đều hơn nên tăng được chất
lượng sản phẩm
Ngày s ấy thứ nhất Ngày s ấy thứ hai
Trang 7Nhược điểm của thiết bị: Trong quá trình sấy, nhiệt độ sấy biến thiên theo thời gian trong ngày và quá trình sử dụng phụ thuộc nhiều vào thời tiết
4 K ết luận
Sau khi tính toán, đã lựa chọn được nguyên lý và chế tạo thiết bị sấy thóc hỗn
hợp kiểu đối lưu tự nhiên với năng suất 200 kg/mẻ Kết quả khảo nghiệm, cho thấy thiết
bị sấy NLMT có thể giảm được nhân công phục vụ, giảm được tổn thất trong quá trình
sấy so với phơi nắng tự nhiên, đặc biệt là tăng được tốc độ sấy (gấp 1,5 đến 2 lần so với
sấy tự nhiên với bề dày lớp sấy như nhau) Kết cấu thiết bị sấy đơn giản, dễ chế tạo, vật
liệu sẵn có ở địa phương Có thể vận dụng thiết bị này để sấy các loại hạt nông sản khác
TÀI LI ỆU THAM KHẢO
1 Cao V ăn Hùng, Nguyễn Hữu Dương, “Sấy và bảo quản thóc, ngô giống trong gia đình”,
Nhà xu ất bản Nông nghiệp, Thành phố Hồ Chí Minh, 2001
2 Trần Văn Phú, Tính toán và thiết kế hệ thống sấy, Nhà xuất bản Giáo dục, 2001
3 Trần Văn Phú, Giáo trình kỹ thuật nhiệt, Nhà xuất bản Giáo dục, 2003
4 Nguyễn Duy Thiện, Kỹ thuật sử dụng Năng lượng mặt trời, Nhà xuất bản Xây dựng,
Hà N ội, 2001
5 Nguyễn Công Vân, Năng lượng mặt trời – lý thuyết và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa
h ọc kỹ thuật, Hà Nội, 2002
6. Làm khô nông s ản bằng năng lượng mặt trời, Tổ chức lương thực và nông nghiệp thế
gi ới
7. Taylor and Francis Group, Handbook Dryer, LLC, 2006
8. Solar dryers - their role in post – harvest processing, Commonwealth science council
RESEARCH ON PROCESS OF PADDY DRYING BY SOLAR ENERGY
EQUIPMENT WITH NATURAL CONVECTION TYPE
Do Minh Cuong, Phan Hoa College of Agriculture and Forestry, Hue University
SUMMARY
The proposed drying equipment using solar energy was designed and constructed simply with low accuracy and low cost Material used to prepare this equipment is locally available and this can be easily made by farmers This equipment can shorten the drying time
by half comparing with natural sunlight drying under the same condition ensuring the quantity and quality of the drying paddy so that humid air may be prevented It also can be used for
