Nghiên cứu, thiết kế mẫu thiết bị sấy hạt nông sản sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ năng lượng mặt trời ở khu vực miền trung

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới với tiềm năng bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới. Trong đó tỉnh Thừa Thiên Huế nói riêng và khu vực miền Trung nói chung, cường độ bức xạ tương đối lớn. Tuy nhiên, người dân chỉ mới biết tận dụng NLMT một cách thủ công và họ chưa hiểu rỏ về việc dùng NLMT để thay thế các nguồn năng lượng khác. Do đó việc nghiên cứu, thiết kế các thiết bị sấy sử dụng NLMT có ý nghĩa khoa học và thực tiễn đối với đời sống của người dân. Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế mẫu thiết bị sấy hạt nông sản sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ năng lượng mặt trời ở khu vực miền Trung”

Phần 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, an ninh năng lượng đã và đang trở thành vấn đề cấp thiết củathời đại Nguồn năng lượng mới đã được nghiên cứu và sử dụng đó là: nănglượng gió, năng lượng mặt trời (NLMT), năng lượng địa nhiệt, năng lượng từsinh khối Trong đó vấn đề quan tâm nhất là nguồn năng lượng nhiệt hạch từmặt trời

Năng lượng mặt trời đã được ứng dụng trong một số ngành khoa học, kỹthuật và đời sống Vì đây là nguồn năng lượng có tiềm năng lớn và là nguồnnăng lượng sạch Nên việc sử dụng năng lượng mặt trời sẽ là một trong các giảipháp thay thế cho nguồn nhiên liệu hoá thạch đang ngày càng cạn kiệt

Nước ta là một nước nông nghiệp Nông sản sau khi thu hoạch nếu chưađược làm khô đúng mức thuận tiện cho việc bảo quản lâu dài thì sự tổn thất tươngđối lớn Ta có thể giảm độ ẩm cho nông sản bằng nhiều cách: có thể phơi trực tiếpdưới nắng mặt trời Đây là phương pháp đơn giản và chi phí thấp nhất nhưng lại cónhiều nhược điểm: phụ thuộc vào thời tiết, chất lượng nông sản kém, làm khôkhông đều, nhiều khi khô quá mức do trong những ngày nắng nóng, chậm khô khigặp thời tiết xấu, dễ bị côn trùng, sâu mọt phá hoại, dễ bị nhiễm bẩn Chính vì vậy

mà nông sản khó đạt được độ ẩm giới hạn khi bảo quản

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới với tiềm năng bức xạ mặt trời vàoloại cao trên thế giới Trong đó tỉnh Thừa Thiên Huế nói riêng và khu vực miềnTrung nói chung, cường độ bức xạ tương đối lớn Tuy nhiên, người dân chỉ mớibiết tận dụng NLMT một cách thủ công và họ chưa hiểu rỏ về việc dùng NLMT

để thay thế các nguồn năng lượng khác

Do đó việc nghiên cứu, thiết kế các thiết bị sấy sử dụng NLMT có ý nghĩakhoa học và thực tiễn đối với đời sống của người dân

Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế mẫu thiết bị sấy hạt nông sản sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ năng lượng mặt trời ở khu vực miền Trung”

Phần 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

2.1 Một số khái niệm và định nghĩa về bức xạ mặt trời

2.1.1 Một số khái niệm

*Mặt trời, cấu tạo của mặt trời:

Hình 2.1 Mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.10^6km (lớn hơn

110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.10^6km (bằng một đơn vị thiênvăn AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến tráiđất) Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.10^30kg Nhiệt độ To trung tâm mặttrời thay đổi trong khoảng từ 10.10^6K đến 20.10^6K, trung bình khoảng156.10^5K Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tựthông thường gồm các nguyên tử và phân tử Nó trở thành plasma trong đó cáchạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân

tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sáttính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhàkhoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời

*Cường độ bức xạ (CĐBX), E n (W/m 2 ): Là cường độ năng lượng bức xạ mặt

trời đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt

*Năng lượng bức xạ (NLBX), (J/m 2 ): Là một đại lượng bằng tích phân của

cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thường là 1giờ hay1ngày)

* Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên trái đất bao gồm 2 phần chính đó

là trực xạ và tán xạ

- Phần trực xạ: Là phần bề mặt nhận được ánh sáng chiếu trực tiếp

- Phần tán xạ: Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độmây và độ trong suốt của khí quyển Các đại lượng này thay đổi khá nhiều

Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của ba thành phần:

+ Thành phần tán xạ đẳng hướng: Phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộvòm trời

+ Phần tán xạ quanh tia: Phần tán xạ bị phát tán của BXMT xung quanhtia mặt trời

+ Phần tán xạ chân trời là : Phần tán xạ tập trung gần đường chân trời

*Hằng số mặt trời(HSMT): HSMT được định nghĩa là CĐBX đo được

trong không gian nằm ngoài lớp khí quyển bao quanh trái đất trong một đơn vịthời gian, trên một đơn vị diện tích bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ Người

ta đã xác định dược HSMT có giá trị bằng Esn=1.353W/m2,tương đương với1940Cal/cm2/phút, hay 4.871kJ/m2/h Tuy nhiên khi đến mặt đất, do bị hấp thụ

và tán xạ nên CĐBX giảm đi đáng kể Theo [6] cụ thể En=500 ÷1000W/m2.

2.1.2 Định nghĩa về bức xạ mặt trời:

Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng nguyên thủy của hầu hết cácquá trình vận động vô sinh và hữu sinh trên trái đất Các quá trình vo sinhnhư hoạt động của máy móc, các quá trình vật lý khí quyển ,

Hình 2.2 Cấu trúc của mặt trời

Các biện pháp thu năng lượng mặt trời phục vụ đời sống là:

- Chuyển bức xạ mặt trời sang nhiên liệu thực vật nhờ thực hiện quá trình quanghợp (trồng cây làm chất đốt, trồng cây lấy hạt có dầu, chuyển thành nhiên liệu )

- Chuyển bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ các pin mặt trời (sử dụnghiệu ứng quang điện do Becquerl phát hiện từ năm 1939 biến đổi trực tiếp nănglượng mặt trời thành dòng điện)

- Chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng (hiệu ứng quang nhiệt), đây

là phương pháp hiệu quả nhất trong lĩnh vực sử dụng năng lượng mặt trời.Trongnhiều thiết bị hiệu suất chuyển đổi có thể đạt trên 60% Nhiệt năng tạo thành cóthể sử dụng cho nhiều mục đích như nấu nướng, đun nóng nước hay các chấtlỏng khác, sấy các sản phẩm nông nghiệp hay công nghiệp, làm lạnh và điều hòakhông khí

2.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bức xạ trên mặt đất

2.2.1 Tỷ khối khí m

Tỷ khối khí m là tỉ số của quãng đường xuyên qua lớp khí quyền từ mộtđiểm bất kì trên mặt đất nhìn thấy so với quãng đường cũng xuyên qua lớp khíquyển theo phương xuyên tâm của trái đất

2.2.2 Sự suy giảm cường độ bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp khí quyển

Khi phân tích các số liệu BXMT phát ra từ bề mặt mặt trời ở bên ngoàilớp khí quyển trong nhiều năm người ta thấy cường độ BXMT thay đổi rất ít,khoảng 1% Vì vậy, khi xét cho quá trình dùng cho mục đích năng lượng, thì sựthay đổi này có thể bỏ qua Tuy nhiên, khi BXMT xuyên qua lớp khí quyển thìcường độ của chúng suy giảm đáng kể là do bị hấp thụ hơi nước hay do bị tán xạkhi gặp các phân tử khí như O2,O3,CO2,NO2. , các hạt bụi bay lơ lửng trongkhông khí hay các phân tử khác, hoặc khi xuyên qua các đám mây

2.2.3 Ảnh hưởng bởi khoảng cách giữa mặt trời và trái đất

+ Khoảng cách giữa mặt trời và trái đất có ảnh hưởng đến CĐBXMT Đểxem ảnh hưởng của quả đất và mặt trời đến cường độ BXMT trên mặt đất, khiquả đất chuyển động trên quỹ đạo của nó trong chu kì một năm Sự định hướngcủa trục quả đất cùng với sự chuyển động của nó xung quanh mặt trời và xungquanh trục riêng của nó, dẫn tới sự thay đổi khoảng cách giữa quả đất và mặt

trời, và tức là thay đổi CĐBXMT trên bề mặt quả đất hằng ngày, hàng tháng,hàng mùa trong năm.

+ CĐBXMT phụ thuộc vào khoảng cách tương đối giữa mặt trời và điểmquan sát trên trái đất Trong một ngày khoảng cách này sẽ giảm dần cho đến khimặt trời lặn Như vậy, CĐBX tương ứng sẽ tăng dần trong buổi sáng cho đến khiđạt giá trị lớn nhất Emax vào giữa trưa sau đó giảm dần vào buôi chiều

2.3 Các nguyên lý sử dụng năng lượng mặt trời

2.3.1 Nguyên lý chuyển hoá quang nhiệt: Là phương pháp chuyển bức

xạ mặt trời sang nhiệt năng Quá trình này dựa vào 2 nguyên lý sau:

* Nguyên lý hội tụ bức xạ tiêu điểm:

- Hội tụ theo điểm: Là các thiết bị trong gương cầu lõm có dạng paraboloittròn xoay, mặt trong có độ phản xạ cao nhờ tập trung vào tiêu điểm, Nhiệt độ từ vàitrăm đến 3000 0C

- Hội tụ theo đường: Là các thiết bị dùng gương hình lòng máng dài, mặt cắtngang có dạng parabol, mặt phản xạ phía trong làm hội tụ bức xạ mặt trời theođường tiêu cự

Ví dụ:

Hình 2.3 Bếp mặt trời dùng gương lõm hội tụ tiêu điểm

* Nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính:

Bộ phận thu nhiệt là một hộp có nắp đậy vật liệu trong suốt như kính hoặcvật liệu tổng hợp (polyetylen hoặc nhựa cứng), mặt đáy là kim loại được bôi đen

Khi bức xạ mặt trời chiếu qua mặt trong suốt thì hầu như toàn bộ bức xạxuyên qua vào trong hộp làm nóng bề mặt bôi đen, mặt đen hấp thụ nhiệt và phát rabức xạ nhiệt, nếu không có nắp trong suốt ngăn lại thì bức xạ nhiệt toả ra môitrường và nhiệt độ của mặt hấp thụ ổn định ở nhiệt độ không cao (700C)

Ví dụ:

Hình 2.5 NLMT chuyển hoá thành điện năng

Hiệu ứng quang điện (Tiếng Anh: Photoelectric effect) là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ Hiệu ứng quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz, do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.

Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đưa tới những bước quan trọngtrong việc tìm hiểu về lượng tử ánh sáng và các electron, cũng như tác động đến

sự hình thành khái niệm lưỡng tính sóng hạt

Hiện tượng: Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ

các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện) Khi các điện tử bị bật

ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (externalphotoelectric effect) Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏhơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để

vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của

bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ở một số chất khác, khi được chiếu

sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt,

mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn)

chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiêu ứng quang điện trong(external photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫnđiện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn

Ví dụ:

Hình 2.6 Một bộ pin mặt trời(áp dụng nguyên lý chuyển hóa quang điện)

2.4 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới, trong nước và tỉnh Thừa Thiên Huế

2.4.1 Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và trong nước

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rấtsớm, nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thìmới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều nănglượng mặt trời, những vùng sa mạc Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thếgiới năm 1968 và 1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm Các nước côngnghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT Các ứngdụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:

Hình 2.7 Hệ thống pin mặt trời tại một nhà máy ở Montesquieu (Pháp)

Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bịbiến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu

có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng NLMT dướidạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển.Ngày nay con người đã ứng dụng pin NLMT để chạy xe thay thế dần nguồnnăng lượng truyền thống

Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện naykhoảng 5USD/WP, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ

có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, xanơi mà đường điện quốc gia chưa có

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thànhcông việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu

cầu sinh hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồngbằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đangcòn là món hàng xa xỉ đối với các nướcnghèo như chúng ta.

Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độcao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làmviệc truyền động cho máy phát điện

Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệthống bộ thu chủ yếu sau đây:

Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ốngmôi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400oC

Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vịtheo phương mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt

độ có thể đạt tới trên 1500oC

Hình 2.8 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời

*Tháp năng lượng mặt trời:

Hình 2.9 Tháp năng lượng Mặt trời

Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời

để tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thểđạt trên 1500oC

Hiện nay người ta còn dùng năng lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “tháp năng lượng mặt trời - Solar power tower “ Australia đang tiến hành dự ánxây dựng một tháp năng lượng mặt trời cao 1km với 32 tuốc bin khí có tổngcông suất 200 MW Dự tính rằng đến năm 2006 tháp năng lượng mặt trời này sẽcung cấp điện mỗi năm 650GWh cho 200.000 hộ gia đình ở miền tây nam NewSouth Wales - Australia, và sẽ giảm được 700.000 tấn khí gây hiệu ứng nhà kínhtrong mỗi năm

* Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời:

Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMTnhư các nước ở Châu Phi

Hình 2.11 Triển khai bếp nấu cơm bằng NLMT.

Ở Việt Nam việc bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng nhưngchưa phổ biến Năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượngmới - Đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai

dự án (30.000 USD) đưa bếp năng lượng mặt trời - bếp tiện lợi (BTL) vào sửdụng ở các vùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, dự án đã pháttriển rất tốt và ngày càng đựơc đông đảo nhân dân ủng hộ Trong năm 2002,Trung tâm dự kiến sẽ đưa 750 BTL vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành vàtriển khai ứng dụng ở các khu ngư dân ven biển để họ có thể nấu nước, cơm vàthức ăn khi ra khơi bằng NLMT

*Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT:

Hình 2.12 Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Thiết bị chưng cất nước thường có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phícao (khoảng 23 USD/m2), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí

rẻ hơn nhưng hiệu quả chưng cất kém hơn

Ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cấtnước NLMT dùng để chưng cất nước ngọt từ nước biển và cung cấp nước sạch

dùng cho sinh hoạt ở những vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị chưng cấtnước NLMT có gương phản xạ đạt được hiệu suất cao tại khoa Công nghệ NhiệtĐiện lạnh-Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng.

*Động cơ Stirling chạy bằng NLMT:

*Bơm nước dùng năng lượng mặt trời.

Hình 2.14 Bơm nước chạy bằng NLMT

* Bếp NLMT: Bếp NLMT là một thiết bị giữ các tia nắng và dùng năng

lượng này để đun nấu các loại thực phẩm hoặc đun sôi nước (xem trang 7)

* Thiết bị sấy NLMT: Thiết bị này có thể sấy lúa, ngô, đậu, cafe Thiết bị

có hai bộ phận chính là phần thu nhiệt và buồng trao đổi nhiệt

Hình 2.15 Hầm sấy kiểu nhà kính dùng để sấy nông sản.

2.4.2 Tình hình sử dụng NLMT tại địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế

Hiện nay, có hai thiết bị chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời vừađược Viện Hóa học (Viện Khoa học công nghệ VN) lắp đặt thử nghiệm tại nhà mẫugiáo và một trang trại tư nhân trên vùng cát tại huyện Quảng Điền, Thừa ThiênHuế Thiết bị này cho phép chưng cất nước ngọt từ nước phèn, nước mặn, nước bị ônhiễm chất hữu cơ Hệ thống hoạt động nhờ các tấm pin NLMT

2.5 Các nguyên lý sấy sử dụng NLMT

2.5.1 Nguyên lý sấy đang sử dụng ở Việt Nam

* Nguyên lý sấy tĩnh: Là phương pháp sấy bằng dòng khí đối lưu, không khínóng được thổi đến tiếp xúc với hạt và mang ẩm đi Máy sấy tĩnh vĩ ngang, máysấy tĩnh vĩ nghiêng, và máy sấy nhiệt độ thấp

* Nguyên lý sấy động: Tức là vật liệu sấy chuyển động trong thiết bị sấy Máysấy băng tải, máy sấy tầng sôi, máy sấy tháp, máy sấy thùng quay

 Máy sấy tầng sôi:

Đặc điểm chung

o Các bộ phận tiếp xúc với liệu được làm bằng thép không rỉ (inox 304 hoặc316-tùy chọn)

o Vật liệu sấy khô đều và không biến đổi đặc tính

o Áp suất khí nén cần dùng 4-6 Kg/cm2

o Hệ thống lọc khí thải

o Thiết bị điều khiển tự động/bán tự động

lượng nhằm đảm bảo kiểm soát các điều kiện về nhà xưởng (cơ sở hạ tầng), điều

kiện con người và kiểm soát các quá trình sản xuất để đạt những tiêu chuẩn về antoàn vệ sinh cung cấp cho người tiêu dùng loại bỏ những nguy cơ nhiễm chéo vàlẫn lộn)

Hình 2.16 Máy sấy tầng sôi

 Máy sấy tháp:

Máy sấy này có 4 buồng độc lập hoạt động đồng thời Hai quạt hướngtrục cung cấp gió cho cả hệ thống Trấu được cung cấp qua máng cấp liệu để đốtnóng tất cả các buồng Trấu được lấy từ nhà máy xát kế bên thông qua băng tảichuyền vào máng cấp trấu, từ đó gàu tải đổ trấu vào buồng đốt Hạt được đưavào 4 gàu tải khác nhau, nhân công vẫn còn phải bốc dỡ hạt từ xe tải vào gàu tải.Lúc khô sau đó đến bộ phận làm sạch sơ bộ và băng chuyền đưa hạt đến gàu tải

đổ vào buồng bảo quản (hình trên) Bảng điện điều khiển cho tất cả hệ thốnggiúp hoạt động của máy dễ dàng hơn

Hình 2.17 Máy sấy tháp tại Long An

1: Máng cấp liệu 2: Làm sạch 3: Gàu tải 4: Gàu tải

5: Gàu tải 6: Tải thoát liệu 7: Quạt 8: Buồng đốt trấu

9: Gàu tải trấu 10: Máng cấp trấu 11: Buồng khí 12: Tháp sấy

 Máy sấy thùng quay:

Hình 2.18 Máy sấy thùng quay

Sau khi nguyên liệu ẩm được đưa vào trong máy từ phía đầu thùng quay,máy bắt đầu quay tròn và các cánh bên trong làm mhiệm vụ đảo dều nguyên liệu.nguyên liệu được đảo đều như vậy sẽ tiếp xúc với khí nóng đầy đủ và được tách hơi

ẩm bay ra Trong suốt quá trình đảo và sấy như vậy, nguyên liệu được dich chuyển

từ phái đầu thùng quay tới phía cuối thùng và đạt độ khô cần thiết và cuối cùng

nguyên liệu dược thoát ra ngoài qua bộ van cánh sao Thông số kỹ thuật Tên máy(m) Năng suất (t/h) Tốc độ vòng quay (r/min) Công suất động cơ (kW) Gócnghiêng lắp đặt.

2.5.2 Phương pháp làm khô tự nhiên (phơi nắng)

Nguyên lý của phương pháp phơi nắng là nông sản hấp thụ năng lượng bức

xạ của các tia mặt trời làm tăng nhiệt độ và áp suất hơi trên bề mặt, do đó xảy ra quátrình bốc hơi nước từ hạt vào không khí làm hạt khô dần Phương pháp này có ưuđiểm là đơn giản, rẻ tiền nhưng lại có nhược điểm là phụ thuộc vào thời tiết, nôngsản khô không đều, tốn nhiều công sức và không cơ khí hoá được Tuy nhiên, nóvẫn được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước Ở Việt Nam, phần lớn nông sản vẫn đượclàm khô theo cách này

Hình 2.19 Phơi thóc 2.5.3 Phương pháp làm khô nông sản bằng các thiết bị sấy dùng NLMT

Thiết bị sấy bằng NLMT được thực hiện theo 2 nguyên tắc: sấy trực tiếp vàsấy gián tiếp

+ Thiết bị sấy trực tiếp có tuần hoàn khí tự nhiên (gồm thiết bị thu nănglượng kết hợp với buồng sấy hoặc bộ thu năng lượng riêng biệt)

+ Thiết bị sấy gián tiếp có dẫn nhiệt cưỡng bức (bộ thu năng lượng vàbuồng sấy riêng biệt)

* Sấy trực tiếp: Sản phẩm nông nghiệp được trải thành một lớp mỏng trong

một phòng kín hấp thụ với phía trên được đậy phủ tấm trong suốt (bộ thu nhiệt).Sản phẩm nông nghiệp được gia tăng nhiệt và nóng lên, ẩm được bốc hơi và thoát

ra ngoài

* Sấy gián tiếp: Sản phẩm nông nghiệp đặt tại các sàng sấy, khí nóng được lấy

từ bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời thổi xuyên qua các sàng sấy và sản phẩm sấy

Loại sấy gián tiếp có thể điều khiển được nhiệt độ và tốc độ sấy, có thể sấy đượcnhiều sản phẩm, hiệu suất hấp thụ của bộ thu cao hơn sấy trực tiếp

Căn cứ vào hai nguyên tắc sấy trực tiếp và sấy gián tiếp, có các nguyên lýsấy cụ thể sau:

- Nguyên lý sấy kiểu bẫy nhiệt đối lưu tự nhiên: Hệ thống lợi dụng sựchuyển động lên phía trên một cách tự nhiên của không khí nóng nhờ sự chênh lệchkhối lượng riêng giữa không khí nóng và không khí lạnh

a) Sấy trực tiếp b) Sấy gián tiếp

Hình 2.20 Sơ đồ hệ thống sấy NLMT đối lưu tự nhiên.

1 Tấm trong suốt, 2 Vật liệu sấy,

Hình 2.21 Sơ đồ hệ thống sấy bằng NLMT dùng quạt cưỡng bức.

1 Vật liệu sấy, 2 Tấm trong suốt, 3 Tường vách, 4 Quạt, 5 Không khí nóng

2.6 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

2.6.1 Tính cấp thiết của đề tài:

Sấy nông sản là một nhu cầu cấp thiết từ thực tiễn sản xuất trong nông nghiệp - nông thôn Vấn đề sử dụng NLMT thay thế các nguồn năng lượng truyền thống đã và đang trở thành yêu cầu của cuộc sống và sản xuất

2.6.2 Mục tiêu của đề tài:

Thiết kế được mẫu thiết bị sấy hạt sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ năng lượngmặt trời cho các nông hộ ở khu vực Miền Trung

2.6.3 Các nhiệm vụ chính của đề tài:

- Xác định tình hình sử dụng NLMT nói chung và sấy nông sản nói riêngtrên thế giới, trong nước và tại địa bàn Thừa Thiên Huế

- Nghiên cứu quá trình truyền và hấp thụ NLMT

- Nghiên cứu các nguyên lý nhằm nâng cao hiệu suất thu nhiệt từ mặt trời

- Nghiên cứu lựa chọn kết cấu thiết bị sấy hạt nông sản sử dụng hiệu ứngquang nhiệt từ NLMT phù hợp nông hộ

- Tính toán, thiết kế thiết bị sấy hạt phù hợp quy mô nông hộ; Xác địnhcác thông số về cấu tạo và chế độ sấy

- Phân tích ưu, nhược điểm của mô hình thiết kế thiết bị so với phơi tự nhiên

Phần 3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Quá trình bức xạ và hấp thụ năng lượng mặt trời

- Các nguyên lý và mẩu thiết bị sấy hạt nông sản sử dụng hiệu ứng quangnhiệt từ NLMT

- Một số tính chất cơ lý của một số hạt nông sản

- Một số tính chất cơ lý của vật liệu sử dụng trong chế tạo thiết bị sấynăng lượng mặt trời

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Địa bàn nghiên cứu: tỉnh Thừa Thiên Huế,

- Thời gian nghiên cứu: 04 tháng (từ tháng 1/2010 đến tháng 4/2010)

3.3 Phương pháp nghiên cứu

3.3.1 Phương pháp điều tra thu thập và xử lý số liệu

- Phương pháp điều tra trực tiếp: tại mô hình sấy nông sản

- Phương pháp điều tra gián tiếp: thông qua các tư liệu, sách, mạng Internet

- Phương pháp phỏng vấn chuyên gia

3.3.2 Phương pháp thiết kế và phân tích kết cấu:

- Trình bày mẫu thiết kế thiết bị

- Phân tích các phần của thiết bị

- Xác định các nguyên liệu để chế tạo

3.3.3 Phương pháp xây dựng mô hình tính toán giải tích

Áp dụng các công thức, lý thuyết về sấy hạt Biểu diễn quá trình trao đổinhiệt ẩm của khối hạt trong thiết bị dưới dạng mô hình toán học Xác định kíchthước cụ thể của mô hình thiết bị sấy

3.3.4 Phương pháp thiết kế kết cấu và cấu tạo của nhà sấy

Lựa chọn kết cấu

3.3.5 Phương pháp phân tích đồ thị, biểu đồ:

- Vẽ đồ thị

- Lựa chọn biểu đồ thích hợp

Phần 4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SẤY HẠT NÔNG

SẢN SỬ DỤNG NLMT

4.1 Một số khái niệm cơ bản

* Vật liệu ẩm: Trong vật liệu ẩm (vật liệu sấy) gồm vật rắn, chất lỏng và

khí vì khối lượng chất khí rất nhỏ nên có thể bỏ qua Do đó vật ẩm có thể xemnhư gồm 2 thành phần chất rắn và chất lỏng thấm ướt (gọi là ẩm), chất rắn xemnhư chất khô tuyệt đối

* Không khí ẩm: là một hỗn hợp của không khí khô ( chủ yếu chứa

oxygen và nitrogen) và hơi nước trong không khí sấy tuy không nhiều những ảnhhưởng rất lớn đến quá trình sấy

* Tốc độ sấy: Tốc độ sấy của hệ thống sấy phụ thuộc vào tốc độ giảm ẩm

của từng hạt riêng lẽ, còn gọi là tốc độ sấy lớp mỏng

* Đặc tính cấu trúc của đối tượng sấy:

Phần lớn các vật liệu ẩm thường có cấu trúc xốp Khoảng cách giữa cácphần tử cấu tạo nên khung vật chất khô lớn hơn kích thước của phân tử Khônggian giữa các phần tử gọi là các mao dẫn hay các lỗ xốp Đối với vật liệu ẩm thìcác mao dẫn hay lỗ xốp chứa đầy nước

* Các dạng liên kết giữa nước và vật liếu sấy: Nước trong vật liệu ẩm có

thể chia ra làm 2 nhóm: nước tự do và nước liên kết

Nước tự do nằm ở bề mặt của vật sấy có áp suất riêng bằng áp suấthơi nước bão hòa ứng với nhiệt độ hiện tại của vật ẩm

Nước liên kết tạo ra trên vật ẩm hơi nước có áp suất riêng nhỏ hơn

áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ của vật

4.2 Bản chất của quá trình sấy hạt

Bản chất của quá trình sấy là sự truyền nhiệt và ẩm, là quá trình dẫn ẩm từbên trong vật sấy ra ngoài bề mặt của vật sấy và vào môi trường sấy (tác nhân sấy)hay đó là quá trình chuyển từ trạng thái lỏng (rắn) của vật sấy sang trạng thái hơi

do sự chênh lệch độ ẩm giữa vật sấy với môi trường sấy

4.3 Các công nghệ sấy hạt hiện nay

 Sấy 1 giai đoạn : Nhiệt độ (To) tăng dần

 Sấy 1 giai đoạn có ủ : Nhiệt độ sấy tăng dần, nếu sấy đến độ ẩm (W)

cao hơn yêu cầu 1 ÷ 2% thì dừng lại và ử ít nhất 24 giờ

 Sấy 2 giai đoạn có ủ trung gian : Sấy đến 17 ÷ 18% (15% với hạt có

dầu), sau đó ủ (ít nhất 4 giờ), sấy tiếp ở nhiệt độ thấp hơn gần nhiệt độ môitrường

Sấy hai giai đoạn có công nghệ không phức tạp lắm, đã được các nhànghiên cứu thực hiện thành công và đã ứng dụng tốt với lúa, ngô, lạc và đỗtương thương phẩm Giai đoạn đầu, hạt được sấy tới độ ẩm 18%(đối với lúa

và ngô), vì lượng ẩm của giai đoạn này tập trung ở gần bề mặt hạt nên dễtách Sau đó hạt được chuyển sang giai đoạn ủ để việc chuyển ẩm từ tâm hạt

ra được từ từ, làm cân bằng ứng suất (nhiệt và ẩm) trong hạt tránh được nứt

do ứng suất và tạo cho quá trình thoát ẩm ở giai đoạn sấy sau được dễ dàng.Tiếp đó, hạt được sấy tiếp đến W yêu cầu, giai đoạn này ẩm không hcir đượctách từ phần ngoài mà còn từ tâm hạt ra nhờ quá trình khuêch tán ẩm Sấy haigiai đoạn sẽ có lợi là giảm năng suất lượng yêu cầu, tăng khả năng sấy và cảithiện chất lượng hạt do giảm tỉ lệ nứt vở

 Sấy nhiều giai đoạn : Nhiệt độ sấy cao, sấy ngắt quãng xen kẻ ủ liên tục

đến độ ẩm bảo quản

Tuy nhiên, sấy nhiều giai đoạn có công nghệ phức tạp, đòi hỏi điềukhiển tự động cả thời gian và nhiệt độ

4.4 Cở sở lý thuyết quá trình sấy

4.4.1 Các dạng liên kết trong vật liệu ẩm

Các liên kết giữa ẩm với vật khô có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sấy

Nó sẽ chi phối diễn biến của quá trình sấy Vật ẩm thường là tập hợp của ba pha:rắn, lỏng và khí (hơi) Các vật rắn đem đi sấy thường là các vật xốp mao dẫnhoặc keo xốp mao dẫn

Trong các mao dẫn có chứa ẩm lỏng cũng với hỗn hợp hơi khí có thể tíchrất lớn (thể tích xốp) nhưng tỷ lệ khối lượng của nó so với phần rắn và phần ẩmlỏng có thể bỏ qua Do vậy trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phầnrắn khô và chất lỏng Có nhiều cách phân loại các dạng liên kết ẩm Trong đóphổ biến nhất là cách phân loại theo bản chất hình thành liên kết của P.H.Robinde Theo cách này, tất cả các dạng lên kết ẩm được chia thành ba nhómchính: liên kết hoá học, liên kết hoá lý và liên kết cơ lý

* Liên kết hoá học :

Liên kết hoá học giữa ẩm và vật khô rất bền vững trong đó, các phân tửnước đã trở thành một bộ phận trong thành phần hoá học của phân tử vật ẩm.Loại ẩm này chỉ có thể tách ra khi có phản ứng hoá học và thường phải nung

nóng đến nhiệt độ cao Sau khi tách ẩm tính chất hoá lý của vật thay đổi Ẩm này

có thể tồn tại ở dạng liên kết phân tử như trong muối hydrat MgCl2.6H2O hoặc ởdạng liên kết ion như Ca(OH)2

Trong quá trình sấy không đặt vấn đề tách ẩm ở dạng liên kết hoá học

kể Khi tiếp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với ẩm, ẩm sẽ xâm nhập vào các

bề mặt tự do này tạo thành liên kết hấp phụ giữa ẩm và bề mặt

Liên kết thẩm thấu là sự liên kết hoá lý giữa nước và vật rắn khi có sựchênh lệch nồng độ các chất hoà tan ở trong và ngoài tế bào Khi nước ở bề mặtvật thể bay hơi thì nồng độ của dung dịch ở đó tăng lên và nước ở sâu bên trong

sẽ thấm ra ngoài Ngược lại, khi ta đặt vật thể vào trong nước thì nước sẽ thấmvào trong

* Liên kết cơ lý :

Đây là dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu được tạo thành do sức căng bềmặt của ẩm trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật Liên kết cơ họcbao gồm liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính ướt

- Liên kết cấu trúc: là liên kết giữa ẩm và vật liệu hình thành trong quátrình hình thành vật Ví dụ: nước ở trong các tế bào động vật, do vật đông đặckhi nó có chứa sẵn nước Để tách ẩm trong trường hợp liên kết cấu trúc ta cóthể làm cho ẩm bay hơi, nén ép vật hoặc phá vỡ cấu trúc vật Sau khi tách

ẩm, vật bị biến dạng nhiều, có thể thay đổi tính chất và thậm chí thay đổi cảtrạng thái pha

- Liên kết mao dẫn: nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản Trong các vật thểnày có vô số các mao quản Các vật thể này khi để trong nước, nước sẽ theo cácmao quản xâm nhập vào vật thể Khi vật thể này để trong môi trường không khí

ẩm thì hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao quản và theo các mao quản xâmnhập vào trong vật thể

- Liên kết dính ướt: là liên kết do nước bám dính vào bề mặt vật Ẩm liênkết dính ướt dễ tách khỏi vật bằng phương pháp bay hơi đồng thời có thể tách rabằng các phương pháp cơ học như: lau, thấm, thổi, vắt ly tâm

4.4.2 Quá trình hấp thụ của hạt và khối hạt

- Sự khuếch tán bên ngoài: sự xâm nhập của không khí, hơi nước vàonhững khoảng không giữa các hạt

- Sự xâm nhập của không khí hơi nước từ các khoảng không vào tronghạt người ta gọi là khuếch tán bên trong

- Sự ngưng tụ hơi nước trong mao quản

- Sự xâm nhập của nước ngưng tụ vào bên trong hạt

- Sự xâm nhập của hơi từ khoảng không giữa các hạt vào hạt riêng lẽ

- Sự vận chuyển ẩm qua thành tế bào vào bên trong và tạo liên kết vớichất keo trong hạt (protein, tinh bột )

- Vận tốc khuyếch tán bên ngoài phụ thuộc vào nhiệt độ của hơi, áp suấthơi và tốc độ của hơi xung quanh hạt

- Vận tốc khuyếch tán bên trong phụ thuộc vào nhiệt độ của hơi, áp suấthơi, thành phần hoá học và cấu trúc của hạt

4.4.4 Quan hệ giữa vật liệu ẩm và không khí :

* Độ ẩm cân bằng :

Nếu ta có một vật ẩm đặt trong môi trường không khí ẩm sẽ xảy ra sựtrao đổi nhiệt, ẩm giữa vật ẩm và môi trường không khí Quá trình trao đổi nhiệtphụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và vật, còn quá trình trìnhtrao đổi ẩm phụ thuộc vào chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trên bềmặt vật và của hơi nước trong không khí ẩm Nếu áp suất riêng phần trên bề mặtvật ẩm lớn hơn áp suất riêng phần trong không khí sẽ xảy ra quá trình bay hơi từvật ẩm, độ ẩm của vật giảm đi (vật liệu khô hơn)

Nếu ngược lại, áp suất riêng phần trên bề mặt vật ẩm nhỏ hơn ấp suấtriêng phần trong không khí thì vật liệu ẩm sẽ hấp thụ ẩm, độ ẩm tăng lên.Trong

cả hai trường hợp áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật ẩm sẽ tiến dầntới trị số áp của riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm Khi hai trị số ápsuất riêng phần này bằng nhau thì vật và môi trường ở trạng thái cân bằng ẩm.Lúc này vật không hút ẩm cũng không thải ẩm Độ ẩm của vật lúc này gọi là độ

ẩm cân bằng Wcb Độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơinước trong không khí, tức là phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của không khí ϕ.Quan hệ hàm số: Wcb=f(ϕ) có thể được xác định bằng thực nghiệm và được gọi

là đường đẳng nhiệt Đối với quá trình hút ẩm từ môi trường, đường congWcb=f(ϕ) gọi là đường hấp thụ đẳng nhiệt Đối với quá trình bay hơi ẩm từ vật,đường cong xây dựng được là đường thải ẩm đẳng nhiệt (hình vẽ 1.1)

Độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn trong việc chọn chế độ sấy thích hợp chotừng loạisản phẩm thực phẩm Người ta thường chọn độ ẩm cuối cùng của sảnphẩm sấy bằng độ ẩm cân bằng của sản phẩm đó đối với giá trị trung bình cuả độ

ẩm tương đối không khí trong bảo quản

* Độ ẩm tới hạn Wth :

Độ ẩm cân bằng của vật ẩm trong môi trường không khí có độ ẩm tươngđối ϕ = 100% gọi là độ ẩm tới hạn Wth Độ ẩm này là giới hạn của quá trình hấpthụ ẩm của vật hay là giới hạn của độ ẩm liên kết Sau đó muốn tăng độ ẩm củavật phải nhúng vật vào trong nước hoặc có nước ngưng tụ trên bề mặt vật Ẩmthâm nhập vào vật sau này gọi là ẩm tự do (hình vẽ 4.2.) Trên đường cong vận