tóm tắt luận án tiến sĩ Nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khí sinh học (Biogas

Để nângcao chất lượng vải quả khô xuất khẩu, một số cơ sở sản xuất, Viện và các trường Đạihọc đã nghiên cứu nhiều mẫu thiết bị sấy vải quả như: thiết bị sấy vải quả dùng tácnhân sấy là k

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài

Vải thiều là loại cây ăn quả quý có giá trị kinh tế và dinh dưỡng cao, được coi

là vua trái cây ở các nước nhiệt đới Ở nước ta cây vải được coi là cây chủ lựctrong vườn và vải quả được xếp vào danh mục đặc sản thiên nhiên nổi tiếng củaViệt Nam [105] Sản phẩm vải quả của nước ta được tiêu thụ dưới dạng quả tươi

và vải sấy khô là chủ yếu

Vải là loại quả có thời gian thu hoạch rất ngắn (35- 40 ngày), dễ bị hư hỏngbởi thời tiết nắng nóng trong vụ thu hoạch đã tạo ra áp lực tiêu thụ rất lớn đặc biệtvào đỉnh vụ, khối lượng sản phẩm lớn, gây ứ đọng, giá bán rất thấp đã gây thiệt hạinhiều cho nông dân Một số vùng trồng vải như Bắc Giang, Lạng Sơn, ThỏiNguyờn, Hoà Bỡnh,…nhất là các địa phương vùng cao đã xuất hiện tình trạng vảiquả không tiêu thụ được, để rụng thối quanh gốc cây, gây lãng phí rất lớn Vì vậy,

để giảm tổn thất vải quả sau thu hoạch, một trong những biện pháp có hiệu quả màcác hộ nông dân vùng trồng vải đã và đang thực hiện là sấy khô để kéo dài thời hạnbảo quản, sau đó lựa chọn thời điểm và thị trường thích hợp để tiêu thụ Để nângcao chất lượng vải quả khô xuất khẩu, một số cơ sở sản xuất, Viện và các trường Đạihọc đã nghiên cứu nhiều mẫu thiết bị sấy vải quả như: thiết bị sấy vải quả dùng tácnhân sấy là không khí đốt nóng gián tiếp từ lò đốt than hoặc lò hơi, thiết bị sấy sửdụng bức xạ hồng ngoại, thiết bị dùng năng lượng mặt trời, Qua sử dụng chothấy, về cơ bản các thiết bị sấy trên đã tạo ra sản phẩm sấy có chất lượng caonhưng chi phí năng lượng, chi phí đầu tư mua sắm thiết bị, bảo trì và sửa chữa lớnnờn cỏc cơ sở sản xuất khó chấp nhận Thực tế hiện nay, phần lớn vải quả vẫnđược làm khô trong hàng ngàn lò sấy thủ công do các hộ nông dân tự xây dựng(dùng trực tiếp khúi lũ làm tác nhân sấy nên chất lượng sản phẩm không cao vàkhông ổn định, nhiều mẻ sấy có chất lượng rất kém không tiêu thụ được và cũng

có nhiều lô hàng xuất khẩu do không đạt tiêu chuẩn chất lượng phải trả về hoặcchịu chấp nhận giá bán thấp gây thiệt hại rất lớn cho người sản xuất Vì vậy, việcnghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị sấy vải quả phù hợp nhằm tạo ra sảnphẩm sấy có chaất lượng cao với giá thành chế tạo và chi phí sấy thấp để có thể triểnkhai áp dụng rộng rãi trong sản xuất là vấn đề có ý nghĩa thực tiễn rất lớn và cũng lànhu cầu cấp thiết để ổn định và phát triển cây vải trong giai đoạn hiện nay

Xuất phát từ tình hình thực tiễn trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu

thiết kế hệ thống thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khí sinh học (Biogas)”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Mục tiêu chung: Tạo ra hệ thống thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khísinh học nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng hoáthạch, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường

- Mục tiêu cụ thể: Xác định một số thông số tối ưu làm cơ sở để hoàn thiện quitrình công nghệ và thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị sấy

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Xác định một số tính chất cơ lý hóa của vải quả liên quan đến quá trình sấy

- Xây dựng mô hình quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa vật liệu sấy và tác nhânsấy nhằm định hướng cho việc thiết kế hệ thống thiết bị sấy

- Nghiên cứu thực nghiệm xác định một số thông số tối ưu làm cơ sở cho việchoàn thiện quy trình công nghệ và thiết kế, cải tiến hệ thống thiết bị sấy.

- Nghiên cứu ứng dụng hệ thống thiết bị sấy trong thực tiễn sản xuất nhằm xácđịnh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của hệ thống thiết bị sấy để có thể triển khai ápdụng rộng rãi trong thực tiễn sản xuất

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thông số công nghệ của hệ thống thiết

bị sấy: nhiệt độ sấy, vận tốc tác nhân sấy, khoảng cách giữa các thanh treo vật liệusấy,

4.2.Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu mô hình hệ thống thiết bị sấy vải quả thí nghiệm năng suất 150kgtươi/mẻ

5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Là công trình nghiên cứu khoa học có hệ thống ở Việt Nam về thiết bị sấy sửdụng năng lượng khí sinh học (biogas) Kết quả nghiên cứu làm cơ sở cho việcnghiên cứu thiết kế máy và hoàn thiện qui trình công nghệ

- Kết quả nghiên cứu của đề tài đã mở ra triển vọng mới trong việc ứng dụngkhí sinh học để làm khô vải quả nói riêng và các loại nông sản thực phẩm nóichung, góp phần tiết kiệm năng lượng hoá thạch, giảm thiểu ô nhiễm môi trườngnông nghiệp và nông thôn Việt Nam

có thể sử dụng để sấy nông sản thực phẩm khác nhau

- Bằng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng đã xây dựng được mô hình toánbiểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và độ ẩm tác nhân sấy, nhiệt độ và độ ẩm của vảiquả theo không gian và thời gian, làm cơ sở khoa học cho việc xác định các thông sốhình học và chế độ làm việc của hệ thống thiết bị sấy

- Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn và đa yếu tố đã xác địnhđược giá trị tối ưu của các yếu tố vào như nhiệt độ tác nhân sấy, tốc độ chuyển độngcủa tác nhân sấy, khoảng cách giữa các thanh treo vật liệu sấy đến giá trị tối ưu củacác thông số ra như: đụ ̣ khô không đều của sản phẩm sṍy, điờ̉m tổng hợp chấtlượng sản phẩm sấy, thời gian sấy, chi phí nhiên liệu riêng Đõy là cơ sở quan trọng

để hoàn thiện thiết kế và chế tạo các cỡ thiết bị sấy vải quả có năng suất khác nhauphù hợp với qui mô của các cơ sở sản xuất

7 Cấu trúc nội dung luận án

Tóm tắt luận án được trình bầy trong 24 trang, ngoài phần mở đầu, kết luận,kiến nghị bố cục luận án gồm 4 chương: Chương 1, Tổng quan nghiên cứu;Chương 2, Đối tượng và phương pháp nghiên cứu; Chương 3, Mô hình hóa và môphỏng quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy; Chương 4, Kết quả nghiên cứuthực nghiệm

Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Ðặc Ðiểm cấu tạo, thành phần hoá học và công dụng của quả vải

1.1.1 Đặc điểm cấu tạo của vải quả

Cây vải, còn gọi là lệ chi (danh pháp khoa học: Litchi chinensis Sonn) là loạicõy thõn gỗ Quả vải là loại trái cây hấp dẫn có dạng hơi tròn, lớp vỏ ngoài mỏng,màu đỏ hồng, bờn trong là lớp cùi thịt màu trắng mờ, thơm, ngọt và giàu vitamin

C, hạt màu nâu có độc tính nhẹ không nên ăn

Cấu trúc quả vải gồm các phần chủ yếu là: cuống quả để nối kết giữa quả vớichùm quả; vỏ quả có cấu tạo chủ yếu là xenluloza nhằm bảo vệ quả; thịt quả làphần ăn được của quả vải chứa nhiều chất dinh dưỡng,nước và đường; hạt vải màunâu đen có thành phần chủ yếu là tinh bột

1.1.2 Thành phần hoá học của vải quả

Vải là loại quả có hàm lượng nước chiếm khoảng 77 ữ 85,5 %, hàm lượngđường tổng số chiếm từ 18 ữ 20%,, giàu acid hữu cơ, chất béo, protein, các chấtkhoáng canxi, sắt, photpho, kali các vitamin C, B1, B2 Ngoài ra cũn cú Tanin vàcác chất màu tồn tại chủ yếu trên vỏ quả tạo nên những sắc màu và khả năng chốngchịu vi sinh vật trong bảo quản

1.1.3 Công dụng của vải quả

Theo các sách thuốc cổ của Việt Nam ngoài việc cung cấp dinh dưỡng và màusắc trong bữa ăn được sử dụng hàng ngày, quả vải còn là vị thuốc hữu hiệu, chữabệnh từ lâu đời lại an toàn trong sử dụng với tên thuốc trong y học cổ truyền là lệchi Trong khoa học và đời sống cho rằng việc thường xuyên ăn vải sẽ giúp bổ não,khỏe người, chữa được bệnh tràng nhạc, u nhọt, khai vị, lợi tì,… Cùi vải khô bổnguyên khí cho người già yếu, có tác dụng dưỡng da làm đẹp nhan sắc, rất có lợicho sức khỏe phụ nữ Y học hiện đại đã phân tích thành phần dinh dưỡng của quảvải thấy cùi, hạt, vỏ quả vải đều là vị thuốc Quả vải được dùng trong các bài thuốctrà vải, cháo vải, rượu hồi xuân có tác dụng điều trị đối với các chứng bệnh sanang, can khí tích tụ, nhức răng, đau dạ dày, yếu thận, trẻ nhỏ són tiểu, đại tiện ramáu, suy nhược cơ thể ở phụ nữ

1.2 Tình hình sản suất và tiêu thụ vải quả

1.2.1 Tình hình sản suất và tiêu thụ vải quả trên thế giới

Cây vải có nguồn gốc từ miền nam Trung Quốc Hiện nay vải được trồng chủyếu ở các nước nhiệt đới, á nhiệt đới như Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan,Bangladesh, Úc, Mỹ và Nam Phi Sản xuất ở châu Á chiếm hơn 95 % cỏc vựngcanh tác trên thế giới (khoảng 2 triệu tấn) tập trung chủ yếu ở Trung Quốc(1.300.000 tấn), Ấn Độ (430.000 tấn), Thái Lan (80.000 tấn), Bangladesh (13.000tấn) và Nepal (14.000 tấn), Tại Trung Quốc, vải sấy khô chủ yếu được bán tại địaphương, còn lại xuất khẩu sang các nước khác như Hồng Kụng, Nhật Bản vàSingapore Trong khi đó vải quả sấy khô của Thái Lan đã có mặt ở hầu hết thịtrường của các Châu Lục trên thế giới với tổng sản lượng xuất khẩu là 6.770 tấn gấp 4,5lần sản lượng vải xuất khẩu của Việt Nam

1.2.2 Tình hình sản xuất và tiêu thụ vải ở trong nước

Ở nước ta cây vải được trồng cách đây 2000 năm và được thương mại hóa ởViệt Nam từ năm 1980 Cây vải được trồng chủ yếu ở các tỉnh phía Bắc như: Lục

Ngạn (Bắc Giang),Chí Linh, Thanh Hà (Hải Dương),… Đây là một trong nhữngcây ăn quả có giá trị kinh tế cao, giúp nông dân xoỏ đúi giảm nghèo, do đó diệntích trồng vải và sản lượng của nước ta không ngừng tăng lên hàng năm, khoảng70-75% sản lượng vải được tiêu thụ dưới dạng quả tươi, 25-30% còn lại được sấykhô và đưa vào chế biến ở các dạng nước quả, vải hộp Giá vải giữa vụ thu hoạchthưởng chỉ bằng 1/3 so với giá đầu và cuối vụ

Thị trường xuất khẩu: Hiện nay, tỷ trọng xuất khẩu của quả vải chưalớn(chiếm khoảng gần 30% sản lượng), trong đú ắ là xuất khẩu ở dạng sấy khô.Vải quả tươi, vải pure, vải hộp và nước ép vải của nước ta được ưa chuộng và tiêuthụ ở một số thị trường thế giới như:Trung Quốc, Áo, Nga, Còn vải quả khô chủyếu được xuất khẩu sang Hà Lan, Singapore, Hồng Kụng, Đài Loan, Trung Quốckhoảng 15.000 tấn/năm

1.3 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả

1.3.1 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả trên thế giới

Để nâng cao chất lượng vải quả khô, đã có nhiều công trình nghiên cứu lýthuyết và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để xác định chế độ sấy thích hợpnhằm hoàn thiện qui trình công nghệ và hệ thống thiết bị sấy vải quả ở trong nước

và trên thế giới như ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng sản phẩm sấy, sự tổnthất hàm lượng đường, hàm lượng vitamin C, sự thay đổi màu sắc của vải quả theonhiệt độ sấy

1.3.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy vải quả ở trong nước

Ở nước ta, trog những năm gần đõy do sản lượng vải quả thu hoạch tăng lên

rất lớn, vào vụ thu hoạch rộ, vải quả tươi tiêu thụ không kịp nên việc sấy khô vảiquả để bảo quản là giải pháp tình thế để tránh gây thiệt hại cho người trồng vải Vìvậy, việc sấy khô vải quả chưa được đầu tư nghiên cứu một cách đầy đủ, phần lớnvải quả được làm khô trong các lò sấy thủ công do nông dân tự chế và học hỏi kinhnghiệm lẫn nhau, vì vậy chất lượng vải quả không cao, không đảm bảo tiêu chuẩn

vệ sinh an toàn thực phẩm, nhiều mẻ sấy chất lượng kộm, khụng đủ tiêu chuẩnxuất khẩu phải trả về hoặc phải chịu chấp nhận bỏn giỏ thấp gây thiệt hại lớn chongười trồng vải Để giải quyết các vấn đề nêu trên, một số cơ sở sản xuất, Viện vàcác trường Đại học đã tập trung nghiên cứu để hoàn thiện qui trình công nghệ và đãthiết kế, chế tạo và đưa áp dụng qui trình công nghệ sấy vải quả bệt và sấy vải quảtreo trong đó quy trình công nghệ sấy vải treo đang được sử dụng phổ biến với cácthiết bị khác nhau như trong cỏc lũ sấy thủ công, với năng lượng sử dụng chủyếu là than đá

Trong thực tế, lượng khí biogas sinh ra một phần nhỏ được dùng để đun nấu,thắp sáng đèn mạng, sưởi ấm cho gà, lợn vào mùa đông một số hầm biogas có trữlượng lớn được sử dụng để chạy phát điện, còn phần lớn lượng khí Biogas khôngdùng hết được thải trực tiếp vào môi trường hoặc đốt cháy tự do vừa lãng phí nhiênliệu và làm cho trái đất núng lờn.[9], [10], [22], [23]

Vì vậy, hiện nay nguồn năng lượng này đang được quan tâm nghiên cứu và sửdụng trong nông nghiệp để sơ chế và chế biến các loại nông sản thực phẩm

Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị sấy sử dụng năng lượng khísinh học nhằm góp phần giảm bớt chi phí cho quá trình gắn với vùng nguyên liệu

là giải pháp tích cực để triển khai hệ thống thiết bị sấy vải quả trong sản xuất là rấtcần thiết và cũng là một trong nội dung nghiên cứu của đề tài.

c Thiết bị sấy vải quả bằng năng lượng mặt trời

Trong công trình nghiên cứu của tác giả Phạm Ngọc Trinh và các cộng sự(Trường ĐH Xây dựng Hà Nội) [51] đã nghiên cứu lò sấy vải quả bằng năng lượngmặt trời tại Bắc Giang Nguyên lý hoạt động chung của thiết bị sấy này dựa trênnguyên tắc bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng nhà kính, năng lượng mặt trời được hấp thụ trựctiếp hoặc gián tiếp đến vật liệu sấy, lượng ẩm thoát ra từ vật liệu sấy bằng cách đốilưu tự nhiên hoặc cưỡng bức Hệ thống sấy này đã khắc phục những nhược điểmcủa lò sấy vải thủ công đốt bằng than là tạora sản phẩm có chất lượng cao, không ônhiễm môi trường, tiết kiệm được nhiên liệu hoá thạch nhưng chi phí đầu tư mua sắmthiết bị cao, thời gian sấy kéo dài do thiết bị làm việc gián đoạn và luôn phụ thuộc vàothời tiết, vì vậy hệ thống thiết bị này chưa được triển khai ứng dụng phổ biến trongsản xuất

1.3.2.3 Năng lượng sử dụng trong quá trình sấy vải quả

Vải quả là một trong những loại vật liệu khó sấy do hàm lượng ẩm trong cùivải rất cao và luôn bị cản trở bởi lớp vỏ cứng bao bọc bên ngoài Để đảm bảo chấtlượng vải quả khô thì thời gian sấy thường kéo dài và chi phí nhiên liệu cao Vì vậy,việc lựa chọn dạng năng lượng để sấy vải quả đang được nhiều nhà khoa học trong vàngoài nước quan tâm nghiên cứu vỡ nú có liên quan trực tiếp đến giá thành sản phẩmsấy, kết cấu thiết bị sấy và điều kiện áp dụng

Ở nước ta hiện nay, để sấy vải quả người ta sử dụng năng lượng điện, nănglượng bức xạ hồng ngoại, nhưng do giá thành cao nờn cỏc dạng năng lượng nàychỉ dùng trong phòng thí nghiệm, rất ít dùng trong sản xuất

Ngoài các dạng năng lượng trên, người ta còn sử dụng một số dạng năng lượngnhư: năng lượng hoá thạch (than đá, dầu, khí gas ), năng lượng tái tạo (năng lượngmặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng khí sinh học, )

a Năng lượng hoá thạch

Đây là nguồn năng lượng truyền thống được dùng trong các thiết bị sấy vảiquả, trong đó năng lượng than đá là chủ yếu vì giá thành rẻ hơn rất nhiều so với dầu

và khí đốt Tuy nhiên nguồn năng lượng này đang ngày càng cạn kiệt, hơn nữa nănglượng than đá được sử dụng ở trong hàng nghìn lò sấy thủ công với lượng khí thải rakhông được xử lý nên làm ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khoẻ người dântrong vùng sản xuất và lân cận

b Năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng đang được khuyến khích ứng dụng đểthay thế dần cho năng lượng hoá thạch Ở nước ta, trong những năm gần đõy đãnhiều dự án và công trình nghiên cứu ứng dụng các dạng năng lượng này để sấy nôngsản thực phẩm nói chung và vải quả nói riêng

* Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng sạch, đã được nghiêncứu để sấy vải quả trong những năm gần đây nhằm góp phần đáng kể vào việc tiếtkiệm năng lượng hoá thạch và bảo vệ môi trường Việt Nam là một trong những

nước có nguồn năng lượng mặt trời rất lớn, với số giờ nắng trung bình 2200 giờ vàcường độ bức xạ cao nhất có thể đến 980W/m2 [49] Đã có nhiều công trình nghiêncứu thiết kế chế tạo thiết bị sấy sử dụng NLMT nhưng chủ yếu dưới hình thứcnghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm, chưa được triển khai nhân rộng trong sản xuất

do giá thành thiết bị cao, quá trình sấy thường gián đoạn và kéo dài vỡ luụn phụthuộc vào thời tiết

* Năng lượng sinh khối

Năng lượng sinh khối (Biomass) là năng lượng được sản sinh từ phụ phẩmtrong sản xuất nông, lâm nghiệp như lừi ngô, trấu, rơm rạ,cành cây, mùn cưa, Nguồn năng lượng này chiếm một khối lượng rất lớn nhưng hiện nay việc nghiêncứu ứng dụng để sấy vải quả còn gặp rất nhiều khó khăn do thiết bị chuyển đổinăng lượng thành nhiệt năng có cấu tạo rất phức tạp và việc vận hành thiết bịkhông thuận lợi nên việc ứng dụng trong sản xuất còn có nhiều hạn chế

* Năng lượng khí sinh học

Năng lượng khí sinh học (biogas) là một trong những dạng năng lượng tái tạođược sản sinh ra từ sự phân huỷ các chất hữu cơ (chủ yếu từ các chất thải trongchăn nuôi) dưới tác động của vi khuẩn trong môi trường yếm khí [10],[11],[22],[23], [48] Đõy là nguồn năng lượng quý vỡ cú nhiệt trị khá cao (4700 - 6500kcal/

m3) và rất dễ sử dụng Thành phần chủ yếu là CH4 (50-70%), CO2 (30 - 40%), cònlại là các tạp chất như H2S, N2 [9], [10],[11]

Ở nước ta theo số liệu tổng cục thống kê [42] tính đến năm 2011 cả nước có

150.000 công trình KSH, riêng Dự án “Chương trình Khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam” đến năm 2011 đã xây dựng được 102.000 công trình, trong đó tổng

số các công trình KSH của 9 tỉnh đồng bằng Sông Hồng tính từ năm 2008 đến nayđược ghi trong bảng 1.6

Một số công trình nghiên cứu ứng dụng khí Biogas để sấy nông sản thựcphẩm tiêu biểu như: Công ty cổ phần thực phẩm Đức Việt (Hà Nội) [101] đangtriển khai dự án tổ hợp chăn nuôi gắn với hệ thống xử lý chất thải bằng công nghệKSH tạo ra nguồn biogas dùng để sấy thức ăn chăn nuôi, Nhà máy chế biến tinhbột sắn Hướng Hoá (Quảng Ngãi) [103] đã tiến hành xử lý nước thải chế biến bằng

bể CIGAR tạo ra nguồn biogas để sấy tinh bột thay thế một phần nhiên liệu than đá

hoặc dầu đốt; Hội Liên hiệp Phụ nữ tỉnh Ninh Bình đã thực hiện dự án "Triển khai

mô hình hộ gia đình sử dụng thiết bị KSH tiết kiệm năng lượng” trong đó đã sử

dụng khí sinh học để sấy nấm [103]

Nhìn chung trong cả nước, số lượng công trình biogas có rất nhiều và phân bốhầu hết các địa phương trong cả nước Tuy nhiên các công trình KSH được xâydựng với mục đích chủ yếu là xử lý chất thải nhằm bảo vệ môi trường nông thôncòn năng lượng biogas chưa được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng triệt để Cónhiều địa phương, đặc biệt là những vựng chuyờn sản xuất, sơ chế và chế biến cácloại nông sản thực phẩm (như sấy thúc, ngụ, đỗ tương, vải thiều, long nhãn, tỏi,ớt, ) cần nhiệt năng phải mua nhiên liệu hoá thạch với giá cao, trong khi đó nguồnnăng lượng khi sinh học có ngay tại địa phương mình lại bỏ phí

Tại cỏc vựng sản xuất vải quả lớn như Lục Ngạn (Bắc Giang), Thanh Hà(Hải Dương), Đông Triều (Quảng Ninh), theo số lượng thống kê của Dự án

chương trình khí sinh học [9] và trung tâm khuyến nông huyện Lục Ngạn BắcGiang [52] cho thấy:ở tại các địa phương trờn cú trờn 250 công trình khí sinh họcvới lượng khí biogas được sản sinh ra lại sử dụng không hết hoặc không sử dụng

đến Cũng ở tại các địa phương trên theo kết quả khảo sát của dự án: “ Hoàn thiện công nghệ bảo quản nhằm kéo dài thời hạn tồn trữ đồng thời duy trì chất lượng thương phẩm của vải quả” thuộc chương trình nghị định thư Việt Nam -Ấn Độ

cho thấy: ở Lục Ngạn Bắc Giang cú trờn 800 lò sấy (với năng suất 5-7 tấn/mẻ), ởThanh Hà Hải Dương có khoảng 250 lò sấy vải quả, ở Đông Triều (Quảng Ninh)

có khoảng 150 lò sấy đều sử dụng than đá để sấy khô vải quả [29] Đõy là mộttrong những vấn đề bất cập cần được nghiên cứu và sử dụng nhằm giảm bớt chiphí nhiên liệu trong quá trình sấy góp phần tiết kiệm năng lượng hoá thạch và giảmthiểu ô nhiễm môi trường

1.4 Ðề xuất hướng nghiên cứu của luận án

1 Về công nghệ: Áp dụng công nghệ sấy treo vì khối lượng của mẻ sấy có thểtăng gấp 3 đến 4 lần so với sấy vải bệt, độ khụ khụng đồng đều vải quả không bị đốnén, chèn ép lẫn nhau nên không bị bẹp, méo, nứt nhờ đó làm tăng giá trị cảm quancho sản phẩm sấy không tốn nhân công để đảo quả trong quá trình sấy nên giảmđược áp lực về nguồn lao động trong thời vụ căng thẳng

2 Về thiết bị sấy: Thiết bị sấy phải tạo ra sản phẩm sấy có chất lượng cao đảmbảo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm, đồng thời thiết bị phải có cấu tạo đơn giảnthuận tiện trong vận hành bảo trì và sửa chữa

3 Về năng lượng sử dụng trong quá trình sấy: Sử dụng nguồn năng lượngbiogas vì không mất tiền mua, lại sẵn có ngay các địa phương sản xuất vải quả, có ưuđiểm hơn so với năng lượng mặt trời là có thể sử dụng liên tục trong ngày không chịu

sự ảnh hưởng của thời tiết

4 Về nghiên cứu lý thuyết: Áp dụng phương pháp mô hình hoá và mô phỏng đểnghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vật liệu sấy và quá trình trao đổi nhiệt ẩmgiữa vật liệu sấy và tác nhân sấy để xác định một số thông số về cấu tạo và chế độ sấynhằm định hướng cho việc thiết kế

5 Về nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm trong phòngthí nghiệm và nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình máy đã chế tạo để xác định ảnhhưởng của một số thông số chính đến chất lượng sản phẩm, năng suất máy và chi phínăng lượng riêng làm cơ sở cho việc hoàn thiện công nghệ, thiết kế cải tiến thiết bịsấy nhằm triển khai áp dụng rộng rãi trong sản xuất

Chương 2: NGUYÊN VẬT LIỆU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên vật liệu nghiên cứu

Chúng tôi tiến hành lấy các mẫu vải quả thí nghiệm là vải Chũ (Kim Động –Hưng Yên), Thanh Hà (Hải Dương) và Lục Ngạn (Bắc Giang)

Hoá chất dùng để xử lý vải quả trước khi đưa vào sấy là SO2 (sunfit) có hàmlượng tối thiểu là 0,02% (so với khối lượng vải quả)

2.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thông số về cấu tạo và chế độ làm việccủa thiết bị sấy vải quả sử dụng năng lượng khí sinh học Biogas (ký hiệu SBOG-150), năng suất 150 ữ 200kg quả tươi/mẻ

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Qua kết quả tìm hiểu thông tin từ nhiều nguồn tài liệu và kết quả thực nghiệmthăm dò, chúng tôi sơ bộ chọn ra các yếu tố ảnh hưởng lớn tới quá trình sấy nhưsau: x1 là nhiệt độ tác nhân sấyt (oC); x2 là tốc độ không khí sấy v (m/s); x3 làkhoảng cách các thanh treo hoặc khay sấy (m) đến chất lượng sản phẩm như: Y1 là

độ khô không đồng đều của SP sấy; Y2 là điểm tổng hợp chất lượng sản phẩm, Y3

thời gian sấy

Các thông số nghiên cứu được xác định theo phương pháp và thiết bị như sau:

- Thời gian sấy được xác định bằng đồng hồ bấm giây sai số ± 0,5s

- Để đo nhiệt độ và độ ẩm trong buồng sấy sử dụng thiết bị đo điện tử hiện số: Fox301A – Hàn Quốc

- Tốc độ tác nhân sấy được xác định bằng máy đo tốc độ gió điện tử SMARTSENSOR của Hồng Kụng, mó AR 863

- Độ ẩm của sản phẩm sấy được xác định bằng máy đo Data holp MC- 7805(Trung quốc), sai số± 0,5%

- Điểm tổng hợp chất lượng sản phẩm được xác định bằng phương pháp cảmquan theo TCVN 3215-79

- Hàm lượng đường được xác định bằng máy đo sắc ký lỏng mã RID – 10A –Nhật Bản

- Hàm lượng Vitamin C được xác định bằng máy đo sắc ký lỏng mã SPD –H10AVP – Nhật Bản

- Đo lưu lượng và áp xuất khí gas bằng thiết bị đo không điện ứng dụng PLC mó7mf 1564- 3bg00

- Độ khô không đồng đều của sản phẩm sấy được xác định theo phương sai đođạc của các mẫu sản phẩm sấy ở các vị trí khác nhau trong buồng sấy

- Phương pháp xử lý và gia công số liệu thí nghiệm áp dụng qui tắc của lý thuyết

xác xuất và thống kê toán học

- Sử dụng chương trình phần mềm thiết kế Autodesk Inventor 8 để mô phỏnghình học các kết cấu trên máy tính

Chương 3: MÔ HÌNH HểA VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT ẨM

TRONG BUỒNG SẤY 3.1 Mụ hỡnh húa quá trình trao Ðổi nhiệt ẩm trong buồng sấy

Quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy vải quả là quá trình truyền nhiệt và truyền chất phức tạp giữa vật liệu sấy và dũng khớ chuyển động trong không gian của buồng sấy Tuy nhiên có thể mô phỏng quy luật biến đổi các thông số trong quá trình sấy bằng các hàm toán học dựa trên các định lý về trao đổi nhiệt ẩm giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy Thông qua các hàm toán học biểu diễn mối quan hệ toán học của các thông số vật lý trong quá trình sấy ta có thể xác định một số thông số về cấu tạo và chế độ sấy nhằm định hướng cho việc thiết kế hệ thống thiết

bị sấy.

3.1.1 Mô hình kết cấu hệ thống thiết bị sấy

Theo sơ đồ nguyên lý cấu tạo của thiết bị sấy SBOG -150 đã được thiết kế,không gian buồng sấy được phân thành hai vùng có chức năng khác nhau: vùngchứa vải quả tương ứng với chiều cao h1 và vùng biên tương ứng với chiều cao h2

(hình 3.1)

Hình 3.1 Mô hình kết cấu hệ thống thiết bị sấy

h 1 - chiều cao vùng chứa vải quả; h 2 - chiều cao vùng biên.

3.1.1.1 Vùng chứa vải quả

Vùng chứa vải quả là vùng công nghệ trong đó nhiệt độ và độ ẩm dũng khớcần phải phân bố tương đối đồng đều Khi dũng khớ chuyển động dọc theo vùngchứa vải quả từ dưới lên trên sẽ làm cho nhiệt độ và ẩm độ dũng khớ, nhiệt độ và

độ ẩm của vải quả thay đổi theo cả không gian và thời gian Chiều cao của vùngchứa vải quả h1 là thông số phụ thuộc vào tốc độ gió và quá trình trao đổi nhiệt ẩmgiữa dòng khí với vải quả Thông số này sẽ được lựa chọn sau khi mô phỏng quátrình nhiệt ẩm sao cho độ chênh lệch nhiệt độ đầu vào và ra theo chiều cao buồngsấy nằm trong giới hạn cho phép (thường không quá ±4oC) mới đảm bảo cho vảiquả được làm khô đồng đều trong toàn bộ không gian buồng sấy

3.1.1.2 Vựng biờn

Vựng biên là vùng hòa trộn dòng khí nóng trước khi đi vào vùng chứa vảiquả có chiều cao h2 Không khí từ môi trường đi vào trong ống xoắn được gia nhiệtbằng khúi lũ đặt ở khoang dưới của buồng sấy được quạt hút và thổi vào ống phânphối khí, qua các lỗ nhỏ không khí được thổi vào bề mặt thiết bị trao đổi nhiệtdạng tấm tiếp tục nhận nhiệt và sau đó đi ngược lên phía trên vào vùng chứa vảiquả cần được làm khô Dòng hỗn hợp khí sau khi hòa trộn phải cú cỏc thông sốđầu vào đảm bảo yêu cầu công nghệ của quá trình sấy

3.1.2 Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiợrt õ̉m trong vật liệu sấy

Có hai dạng mô hình cơ bản có thể mô tả tính chất làm khô từng phần tử riêng lẻ của vật liệu sấy (như các loại hạt, trỏi cõy,…) là mô hình khuếch tán và mô hình động học Sự khác nhau

cơ bản của hai mô hình này là mô hình khuếch tán tính đến sức cản vận chuyển ẩm bên trong phần tử vật liệu sấy còn mô hình động học bỏ qua sức cản vận chuyển trong và hợp tất cả sức cản ngoài thành một hệ số chung Mặt khác với mô hình khuếch tán có thể tính toán gradient nhiệt độ và độ ẩm bên trong phần tử vật liệu còn mô hình động học chỉ tính toán sự thay đổi ẩm trung bình của phần tử vật liệu theo thời gian.

3.1.2.1 Mô hình khuếch tán

Các mô hình khuếch tán dựa trên các công thức chung về vận chuyển nhiệt

ẩm bên trong vật liệu sấy

Luikov(1966) và đồng nghiệp ở Liờn Xụ cũ đã phát triển mô hình toán choviệc mô tả sấy vật liệu dựa trên kỹ thuật vật lý và kỹ thuật nhiệt [79] Hai côngthức đã được viết cho sự dịch chuyển ẩm và năng lượng:

M- độ ẩm trung bình của vật liệu sấy (%)θ- nhiệt độ vật liệu sấy (°C)

m - chỉ số liên quan đến gradient ẩmth- chỉ số liên quan đến gradient nhiệt

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng và năng lượng, từ phương trình (3.1)

và (3.2) ta có hệ phương trình vi phân riêng đối với quá trình trao đổi nhiệt ẩm:

2 11

M

K Mt





2 22

Kt

2 11

M

K Mt





 hoặc M 2

DMt





Công thức (3.7) được áp dụng cho nhiều điều kiện và hình dáng của vật liệuđược xác định bởi Crank (1975) Tuy nhiên, khi áp dụng cho loại quả và hạt nàophải giả thiết hình dáng hình học cho loại hạt và quả đó [59].

Chấp nhận rằng dòng ẩm trong hạt xuất hiện bởi khuếch tán (nước hoặchơi) Do đó, hệ số dịch chuyển ẩm K11 được gọi là hệ số khuếch tán ẩm D (m2/h).Nếu D cố định, công thức (3.7) có thể được viết dưới dạng:

2 2

c = 2 cho vật liệu dạng hình cầu

Các điều kiện đầu và điều kiện biên trong quá trình sấy được lựa chọn đểgiải phương trình (3.8) như sau

M(r,0) = Mo cho r < R (3.9)M(ro,t) = Me cho t > 0 (3.10)Giải phương trình (3.8) sẽ xác định được độ ẩm trung bình của nhiều vật liệu

có hình dáng thông thường, có thể tìm thấy trong tài liệu truyền nhiệt và khuếchtán (Crank 1975) [59]:

Với quả hình cầu:

2 2 2

Trong đó: λn là căn nguyên của hàm Besset bậc 0

Trong các công thức này, độ ẩm trung bình và thời gian được biểu diễn dướidạng các đại lượng không thứ nguyên, MR và X:

e

M MMR

Công thức (3.11) và (3.12) giả thiết rằng hệ số khuếch tán của hạt D là cốđịnh trong quá trình sấy Trong thực tế giá trị D là một hàm của nhiệt độ và độ ẩm

và được xác định theo các công thức sau:

θab – nhiệt độ trung bình của hạt (oC)

Nghiệm của phương trình là một chuỗi hội tụ nhanh nên nghiệm gần đúng

có thể lấy với n =1:

2 e

và Mowla, 2008; Hashemi et al, 2009) Định luật Fick thứ hai về khuếch tán không

ổn định, bỏ qua những ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất chênh lệch tổng số, cóthể được dùng để mô tả quá trình sấy khô hoa quả được tìm thấy trong kết quảnghiên cứu của (Bala, 1998) [57]:

MDiv(DgradM)t

Hình 3.2 Cấu tạo của quả vải

Đối với vật liệu dạng hình trụ :

Vỏ quả

Cuống hạt Cùi

2 e

Độ khuếch tán ẩm từ bên trong của quả đi qua các phõžn khác nhau của quả

sẽ có giá trị khác nhau Đối với cuống và hạt của quả vải dạng hình trụ có thể dùngphương trình (3.18), đối với vỏ quả có thể dùng phương trình (3.19), đối với cùiquả có thể dùng phương trình (3.20) Độ khuếch tán của các thành phần khác nhaucủa quả vải được xác định bằng cách giảm thiểu tổng các bình phương của các độlệch giữa dự đoán và dữ liệu thực nghiệm Các kết quả thực nghiệm cho thấy,trong quá trình sấy không có độ co đáng kể của vỏ quả hoặc hạt nhưng thể tích cùibên trong vỏ quả đã bị co rút, tạo ra khoảng không khí giữa vỏ và cùi Sự thay đổithể tích do sự co rút của sản phẩm bằng với lượng nước bốc hơi, khi đó hệ số corút β được xác định theo công thức:

Trong đó:

V - thể tích của sản phẩm ở độ ẩm M (m3)

V0 - thể tích của sản phẩm ở độ ẩm ban đầu M0 (m3)

Vì vậy, khi tính toán độ ẩm khuếch tán của quả vải, khác với hạt ngũ cốc làphải kể đến độ khuếch tán ẩm ở khoảng không khí được hình thành do hiện tượng

co ngót trong quá trình sṍy Nờ́u bỏ qua độ khuếch tán của vỏ quả và hạt (vì rấtnhỏ), độ khuếch tán ẩm chung của vải quả D bằng tụ̉ng đụ ̣ khuếch tán ẩm của cùi

và khoảng không khí giữa vỏ và cùi theo công thức:

D- độ khuếch tán chung của quả vải (m2/s)

Dflesh - độ khuếch tán của cùi vải (m2/s)

Dair- độ khuếch tán của không khí (m2/s)

dM k(Me M)

Hệ số thoát ẩm k ở đây bao gồm cả sức cản vận chuyển trong và sức cản vậnchuyển ngoài Giải phương trình (3.24) với điều kiện đầu và điều kiện biên theocông thức (3.9) và (3.10) ta có phương trình:

Trong đó: k - hệ số thoát ẩm có thứ nguyên h-1 hoặc s-1

Công thức (3.18), (3.19), (3.20) và (3.25) được gọi là “hàm sấy” biểu diễn

sự thay đổi độ ẩm vật liệu sấy theo thời gian Giải các phương trình trên ta có thểxác định được độ ẩm của vật liệu sấy ở thời điểm bất kỳ của quá trình sấy

Mô hình động học không phân biệt độ dẫn ẩm bên trong và bên ngoài nênchúng tôi sử dụng để mô tả quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm trong quá trình sấy

3.1.3 Mô hình hóa quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng sấy

3.1.3.1 Quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vùng chứa vải quả

Những giả thiết đơn giản sau có thể thích hợp cho việc phát triển phươngtrình vi phân của mô hình sấy khối vải quả có bề dày lớn tương tự như sấy vỉngang hoặc sấy tháp:

1 Sự co rút thể tích của quả vải là không đáng kể trong quá trình sấy

2 Gradient nhiệt độ trong lòng quả vải là không đáng kể

3 Sự truyền nhiệt giữa các quả vải với nhau là không đáng kể do vải quảđược treo thành tỳm trờn sào nờn ớt tiếp xúc trực tiếp với nhau

4 Nhiệt dung riêng của không khí ẩm và quả vải là cố định trong giai đoạnngắn

5 Bốc hơi ẩm xảy ra ở nhiệt độ sấy

Với các giả thiết nêu trên, có 4 phương trình cân bằng mô tả quá trình traođổi nhiệt ẩm trong buồng sấy:

a Phương trình cân bằng năng lượng của không khí

b Phương trình cân bằng khối lượng không khí

c Phương trình cân bằng năng lượng của sản phẩm sấy

d Phương trình cân bằng khối lượng của sản phẩm sấy

Tương ứng với 4 phương trình trờn cú 4 đại lượng cần được xác định:

T- nhiệt độ không khí (oC)

W- độ ẩm trung bình của không khí (kg ẩm /kg không khí khô)

 - nhiệt độ vải quả (oC)

M- độ ẩm trung bình của vải quả (kg ẩm/kg vật chất khô)

Việc xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình trao đổi nhiệt ẩm trong vùng chứa vải quả được thực hiện cho một phân tố thể tích ΔV, có diện tích S bằng diện tích mặt cắt ngang của buồng sấy vuông góc với phương vận tốc chuyển động của dũng khớ v và chiều dày Δz theo chiều chuyển động của dũng khớ tại tọa độ z tính từ vị trí dũng khớ bắt đầu chuyển động đều theo hướng từ dưới lên trên

Gọi ε là độ rỗng của vùng không gian thể tích phõn tụ́, thể tích không gian

do không khí chiếm chỗ là ε.ΔV, thể tích quả vải và giá đỡ chiếm chỗ (1- ε) ΔV

Do diện tích khoảng trống của mặt cắt ngang không thay đổi nên tốc độ dũng khớkhông đổi theo chiều chuyển động và được xác định theo công thức:

o a

Dòng tác nhân sấy thổi vào phân tố thể tích cú cỏc thông số trạng thái: nhiệt

độ T , độ chứa ẩm W, khối lượng riêng ρa và nhiệt dung riêng Ca Vải quả ở trongphân tố thể tích cú cỏc thông số trạng thái: nhiệt độ θ, độ ẩm M, khối lượng riêng

ρq , nhiệt dung riêng Cq

Mô hình cân bằng khối lượng và năng lượng trong một đơn vị thể tích của vùng chứa vật liệu sấy được mô tả trờn hỡnh 3.3.

Sơ đồ 3.3 Mô hình cân bằng năng lượng và khối lượng dũng khớ và vải quả

a Phương trình cân bằng năng lượng của không khí

Năng lượng truyền bởi đối lưu là cân bằng với sự chênh lệch entanpy mang

đi bởi không khí ra và vào của thể tích cho (Sdz), cộng với thay đổi entanpy theothời gian của không khí trong lỗ hổng Lượng khí thổi qua bề mặt z trong Sdztrong thời gian dt là:

a av  a av W Sdt (3.27)Entanpy của không khí thổi vào Sdz trong thời gian dt là:

a av Ca  a av WC STdtv (3.28)Entanpy của không khí ra khỏi Sdz trong thời gian dt là:

h.ST

b Phương trình cân bằng khối lượng của không khí

Nước bốc hơi mang đi bởi khí trong Sdz, trừ đi lượng mang đi, cộng vớithay đổi trong tỉ số độ ẩm của không khí trong khoảng trống, cân bằng với ẩm mấtbởi vật liệu sấy trong thể tích Sdz

Lượng nước bốc hơi trong dt qua mặt ngang z và ở z +dz tương ứng cânbằng với:

c Phương trình cân bằng năng lượng của vải quả

Năng lượng dịch chuyển bởi đối lưu và không khí tới hạt là ngang bằng vớitổng entanpy đòi hỏi làm cho nóng hạt, cho làm bốc hơi nước từ hạt và làm chonóng nước bốc hơi nước từ hạt và làm cho nóng hơi nước bốc hơi từ hạt trong thờigian t

Entanpy của không khí ra khỏi Sdz trong dt là:

Entanpy làm cho nóng nước bốc hơi từ vật liệu sấy có nhiệt độ  tới nhiệt

độ không khí T trong thời gian dt là:

d Phương trình cân bằng khối lượng của vải quả

 Giai đoạn tốc độ sấy không đổi

Phương trình cân bằng khối lượng vải quả ở giai đoạn sấy tốc độ không đổiđược xác định theo công thức:

 

rq

wb fg

h.SdM

Trong đó:

Sxq- diện tích bề mặt vải quả, m2;

h - hệ số truyền nhiệt đối lưu, (J/m2.h.oC)

hfg- nhiệt hoá hơi, (J/kg)

T∞ và Twb- tương ứng là nhiệt độ bầu khô và bầu ướt (oC)

t- thời gian sấy (h)

 Giai đoạn tốc độ sấy giảm

Giả thiết rằng tốc độ thoát ẩm của vải quả bao quanh bởi không khí tỷ lệ với

sự khác nhau giữa độ ẩm và độ ẩm cân bằng của vải quả Phương trình cân bằngkhối lượng vải quả trong giai đoạn tốc độ sấy giảm được thiết lập nhờ mô hìnhđộng học của Lewis theo công thức (3.25) có dạng như sau:

dM k(Me M)

Trong đó: k- hệ số thoát ẩm, h-1 hoặc s-1

3.1.3.2 Quá trình trao đổi nhiệt trong vùng biên

Vựng biên là vùng hòa trộn dòng khí nóng trước khi đi vào vùng chứa vảiquả Quá trình trao đổi nhiệt ở vựng biờn là quá trình trao đổi nhiệt giữa không khí

do quạt hút vào và thiết bị gia nhiệt dạng tấm Đây là quá trình trao đổi nhiệt thôngthường được mô tả trong các tài liệu Thiết bị trao đổi nhiệt [58] Yêu cầu dòng hỗnhợp khí sau khi hòa trộn phải cú cỏc thông số đầu vào đảm bảo yêu cầu công nghệcủa quá trình sấy như sau:

- Vận tốc của dũng khớ trước khi đi vào vùng chứa vải quả: vo (m/s)

- Nhiệt độ dũng khớ To (oC) phải đồng đều theo tiết diện mặt cắt ngang củavùng chứa vải quả

3.2 Mô phỏng quá trình nhiệt ẩm trong vùng chứa vải quả

Tính toán mô phỏng các thông số của quá trình nhiệt ẩm trong vùng chứavải quả được thực hiện trên mô hình nhằm tìm ra các thông số cơ bản làm cơ sởcho việc thiết kế hệ thống thiết bị sấy cũng như thiết bị điều khiển tự động

3.2.1 Giai đoạn tốc độ sấy giảm

Quá trình thay đổi độ ẩm trong vật liệu sấy được mô phỏng theo công thức(3.52)

Giả thiết tốc độ gió phân bố đồng đều trên mặt cắt ngang của không gianchứa vải quả, phân bố của vải quả và độ rỗng của khối vải quả là đồng đều Dovậy, nhiệt độ và độ ẩm dũng khớ chỉ phụ thuộc vào tốc độ gió đầu vào, độ rỗng vàchiều dài vùng chứa vải quả

Hệ phương trình mô tả trạng thái quá trình nhiệt ẩm trong không gian chứavải quả được có dạng như sau:

Các hệ số trong hệ phương trình (3.53) là hàm của các biến trạng thái T, θ,

θ- nhiệt độ vải quả (oC)

- Độ ẩm cân bằng Me được xác định từ công thức tính hoạt độ của nước trong quảvải [67],[68]:

ẩm cõn bằng tuyệt đối của vải quả tớnh theo vật chất khô (%) Hoạt độ của nước aw

được tính bằng độ ẩm tương đối φ của không khí bao quanh lớp vỏ vải quả chiacho 100 Từ công thức (3.59) ta có thể xác định được độ ẩm cõn bằng tuyệt đối củavải quả là:

1001

p 0,621 W

 

Trong đó:

p- áp suất khí trời, p 0,98 (bar) (3.57)

pb - phân áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí (bar)

d 0,025

Ca- nhiệt dung riêng của không khí, (kJ/kg.oK)

Ga- khối lượng không khí chuyển động qua tiết diện cắt ngang buồng sấy(kg/h.m2):

- Độ rỗng của vùng không gian chứa vải quả được xác định bằng thực nghiệm [ ]

Vb- thể tích không gian chứa vải quả trong buồng sấy (m3)

Vq- thể tích chiếm chỗ vải quả trong buồng sấy, (m3)

- Hệ số trao đổi nhiệt thể tích Sq của không khí với vải quả có đường kínhtương đương dqtd:

Sxq- diện tích xung quanh của vải quả (m2)

Vq- thể tích của vải quả (m3)

dqtd- đường kính tương đương của vải quả (m)

Hệ phương trình vi phân trên được giải bằng phương pháp số dựa trên việcchuyển các phương trình vi phân theo không gian về trục thời gian t Hệ phươngtrình (3.53) được chuyển về dạng sai phân với các bước tính theo thời gian Δt vàkhông gian Δz dưới dạng:

e

M

f (M,M , ) t

q a q

3.2.2 Giai đoạn tốc độ sấy không đổi

Tốc độ giảm ẩm của vật liệu sấy ở giai đoạn tốc độ sấy không đổi được môphỏng theo công thức (3.51) có dạng:

dM

N const

dt  Như vậy giai đoạn sấy tốc độ không đổi là trường hợp là trường hợp riêngcủa giai đoạn sấy với tốc độ giảm Vì vậy, có thể dùng hệ phương trình vi phõn(3.76) để mô tả quá trình nhiệt ẩm trong buồng sấy với chú ý là M

= -N:

q a

Trong hệ phương trình vi phân (3.77) các hệ số được xác định tương tự như

hệ phương trình (3.53), riêng hệ số N được xác định từ công thức (3.51) có dạng:

rq

wb fg

h.S

Trong công thức (3.79) các hệ số được xác định như sau:

- Hệ số truyền nhiệt đối lưu h và nhiệt hoá hơi hfg được tính theo công thức(3.64) và (3.65)

- Diện tích bề mặt vải quả Srq được tính theo công thức:

Mo và M1- độ ẩm ban đầu và độ ẩm cuối giai đoạn sấy tốc độ không đổi, (kgẩm/kg).

ΔM- độ giảm ẩm tính ở giai đoạn tốc độ sấy không đổi(%) Kết quả thínghiệm trong phòng thí nghiệm đó xỏc đinh được ΔM = 0,20ữ0,25 [ ]

Tích phân phương trình (3.78a), ứng với điều kiện đầu t = 0, M = Mo và t =

t1, M = M1, ta xác định được thời gian của giai đoạn sấy với tốc độ không đổi:

z o

ht v



Việc tính toán mô phỏng có thể áp dụng cho thiết bị sấy có chiều cao và tốc

độ gió đầu vào tùy ý Dựa trên kết quả mô phỏng có thể lựa chọn chiều cao buụžngsṍy thích hợp Ở đây ta có thể áp dụng tính toán đối với thiết bị sấy có chiều caovùng chứa vải quả h2z, bước tính bằng đường kính trung bình của vải quả dq =0,025m, độ rỗng của khối vải quả trong vùng sấy theo tính toán ε = 0,325

3.3 Thí nghiệm xác định một số thông số phương trình

3.3.1 Xác định độ giảm hàm lượng nước trong vải quả

Độ giảm ẩm của vải quả được xác định trong tủ sấy thí nghiệm

Binder (Mỹ) Thiết bị thí nghiệm gồm có: thiết bị nhiệt độ và độ ẩm vật liệu sấy

mã hiệu Data Hoep mã MC – 7806 của hãng Mois Tuke Meter (Trung Quốc) đượccắm trực tiếp vào quả vải, thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm không khí trong buồng sấy

mã hiệu Fox 301A – Hàn Quốc Kết quả thí nghiệm được ghi trong bảng 1

Từ số liệu thí nghiệm trong bảng 1 ta xác định được đồ thị biểu diễn đặc tínhquá trình giảm ẩm của vải quả trong quá trình sấy trờn hình 3.1

Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn đặc tính quá trình giảm ẩm của vải quả trong quá trình

sấy

Từ giá trị số liệu thực nghiệm trên, bằng phương pháp bình phương bé nhất

ta có thể xác định được mô hình toán học biểu diễn quá trình giảm ẩm của vật thểsấy theo thời gian

3.3.2 Xác định độ hệ số thoát ẩm k

Giả thiết k không đổi, từ phương trình 3.77a, ta có:

kt e

Các hệ số a và b được xác định bằng thực nghiệm từ hai chế độ nhiệt T1 và

T2 trong các khoảng thời gian giống nhau Xột cỏc chế độ làm việc với nhiệt độ T

= T1 và T = T2 tại hai thời điểm t1 và t2 ta có độ giảm ẩm tại các thời điểm được xácđịnh bởi các công thức sau:

Với nhiệt độ T = T1, tại thời điểm t11 và t12 ta có:

Logarit hai vế các phương trình (3.65) và (3.66) và chia hai vế của haiphương trình:

 vào biểu thức (3.65) hoặc (3.66),

ta xác định được hệ số a như sau:

1001

φ2 = 3,3%, θ2= 67,5oC, sau thời gian t21 = 48 giờ, M21 = 27,8% và sau thời gian t22 =

3.3.3 Xác định thời gian sấy ở giai đoạn tốc độ sấy không đổi

Căn cứ vào số liệu thí nghiệm ở bảng 3.1, ta xác định được mối quan hệ giữathời gian sấy ở giai đoạn tốc độ sấy không đổi và vận tốc dũng khớ như sau:

Bảng 3.1 Thông số vào của chế độ tính toán mô phỏng

Chế độ mô

phỏng

Độ ẩm vật liệu sấy M

(kg/kg)

Độ ẩm của không khí sấy

W (kg/kg)

Nhiệt độ không khí sấy

T ( o C)

Nhiệt độ vật liệu sấy

θ o ( o C)

Giai đoạn Mo =4,0251 Wo= 0,017 To = 70 θo = 65

Bảng 3.1 Thông số vào của chế độ tính toán mô phỏng

Chế độ mô

phỏng

Độ ẩm vật liệu sấy M (kg/kg)

Độ ẩm của không khí sấy

W (kg/kg)

Nhiệt độ không khí sấy

T ( o C)

Nhiệt độ vật liệu sấy

3.5.1 Khảo sát quá trình nhiệt ẩm trong buồng sấy

Kết quả giải hệ phương trình vi phõn đã xác định được sự thay đổi nhiệt độ

và độ ẩm của vải quả, nhiệt độ và độ ẩm của dũng khớ ở cả 2 giai đoạn sấy tốc độ

không đổi và tốc độ giảm được biểu diễn bằng đồ thị có dạng như hình 3.5