Nghiên cứu một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng sấy ra chất lượng cao bằng bơm nhiệt

Việc áp dụng công nghệ lạnh dùng bơm nhiệt gắn vào buồng sấy nhằm khắc phục được những hạn chế của các thiết bị sấy chu trình hở thông thường, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm tiêu hao

Việt Nam là một nước Nông nghiệp, theo số liệu thống kê năm 2002

tỷ trọng tổng sản phẩm nông lâm nghiệp chỉ chiếm 22 ữ 24% tổng sản phẩm xã hội hàng năm Trong khi lao động nông lâm nghiệp chiếm 66,5%

ữ 67% tổng lao động xã hội[ TLTK2 ]

Vì vậy để nâng cao tổng giá trị sản phẩm nông nghiệp, tương xứng với lực lượng lao động vốn có, cần phải nâng cao năng suất sản lượng trồng trọt, chăn nuôi và tăng cường công nghiệp chế biến nông sản Trong khi năng suất cây trồng vật nuôi đã và

đang ngày càng tăng do áp dụng những thành tựu của công nghệ tiên tiến

về giống cũng như về phương pháp gieo trồng, chăm sóc vv Vấn đề còn lại thuộc về công tác bảo quản, chế biến để nâng cao chất lượng và giá trị nông sản

Ngày nay có nhiều công nghệ chế biến, bảo quản nông sản như: chế biến tươi, đông lạnh, chiên và sấy vv Tùy theo từng loại nông sản và nhu cầu thị trường để lựa chọn công nghệ phù hợp Trong đó công nghệ sấy

đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với việc chế biến bảo quản nông sản Trong quy trình công nghệ sản xuất của rất nhiều sản phẩm đều có công nghệ sấy khô, để bảo quản dài ngày Công nghệ sấy đang ngày càng phát triển trong ngành hải sản, rau quả và thực phẩm Chất lượng của nông sản sau thu hoạch nếu không được chế biến, bảo quản kịp thời sẽ bị giảm đáng

kể, đặc biệt là với những nông sản có giá trị kinh tế cao Mặt khác, nước ta

là nước nhiệt đới có khí hậu nóng ẩm, nhiệt độ và độ ẩm cao là điều kiện

tốt cho các vi sinh vật và nấm mốc phát triển Đó là trở ngại lớn trong khâu bảo quản Với các sản phẩm rau quả thì sản lượng dành cho tiêu thụ tươi

và lạnh đông chiếm khoảng 85 %, lượng còn lại khoảng 15% cần được làm khô để làm nguồn nguyên liệu cho các ngành chế biến khác, cung cấp cho biên giới hải đảo và cho tiêu thụ trái vụ[TLTK3] Nếu lượng rau quả này sau khi thu hoạch không được làm khô kịp thời và hợp lý thì chúng sẽ nhanh chóng bị hư hỏng do nấm mốc xâm nhập và sự phân huỷ tự nhiên, gây tổn thất lớn không những về lượng mà cả về chất

Để giảm tổn thất không đáng có này, các sản phẩm dùng vào các mục

đích trên, cần thiết phải được làm khô đến độ ẩm cho phép bảo quản an toàn ngay sau khi thu hoạch Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để thiết

kế máy sấy và đưa ra các quy trình sấy cho một số loại rau quả

Các thiết bị sấy đang được dùng hiện nay chủ yếu là các máy sấy đốt than trực tiếp, hoặc gián tiếp có gió cưỡng bức hoặc đối lưu tự nhiên Các máy sấy dùng năng lượng điện trực tiếp với chi phí cao Ngoài ra còn có các thiết bị sấy chân không và sấy thăng hoa

Các máy sấy đốt than hiện nay tuy có ưu điểm là sử dụng nhiên liệu

rẻ tiền, song do sấy trực tiếp làm cho sản phẩm bị ám mùi khói than và bụi, gây mất vệ sinh thực phẩm, đồng thời khó kiểm soát nhiệt độ sấy nên chất lượng sản phẩm thấp[TLTK4] Các máy sấy đốt than gián tiếp thì hiệu suất sử dụng nhiệt sẽ giảm khoảng 40%, nhưng thiết bị cồng kềnh chiếm nhiều diện tích Các máy sấy bằng điện trực tiếp tuy thiết bị có gọn nhẹ song chi phí lớn Các máy sấy chân không, sấy thăng hoa có giá thành quá cao[TLTK 5]

Tất cả các máy sấy nêu trên hoặc cho chất lượng sản phẩm kém về màu sắc và hương vị, hoặc có chi phí sấy lớn Mặt khác các thiết bị sấy thông thường trên đây thường áp dụng công nghệ sấy dùng tác nhân sấy tuần hoàn hở (dùng không khí môi trường làm tác nhân sấy đồng thời làm

tác nhân tải ẩm) Với công nghệ dạng này có nhược điểm là sự ảnh hưởng của độ ẩm môi trường đến quá trình sấy rất lớn, chưa kể đến sự ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Với những ngày có độ ẩm lớn hoặc sương mù, thiết bị làm việc có độ ổn định thấp, hiệu suất làm việc giảm đáng kể Giải pháp khắc phục để tăng hiệu suất làm việc của thiết bị loại này là tăng nhiệt độ sấy, tuy nhiên nhiệt độ sấy chỉ tăng có giới hạn và tùy thuộc vào từng loại sản phẩm Đối với nhóm sản phẩm sấy cần giữ màu sắc, mùi vị, các yếu tố vi lượng như các vitamin vv thì sử dụng các thiết bị này không hiệu quả

Việc áp dụng công nghệ lạnh dùng bơm nhiệt gắn vào buồng sấy nhằm khắc phục được những hạn chế của các thiết bị sấy chu trình hở thông thường, nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm tiêu hao năng lượng so với các máy sấy dùng điện trực tiếp, giảm chi phí so với sấy thăng hoa và sấy chân không hiện nay, từ đó đã mở ra hướng nghiên cứu của đề tài này

Trong phạm vi đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu một

số thông số ảnh hưởng đến chất lượng sấy rau chất lượng cao bằng

bơm nhiệt

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

•Mục tiêu nghiên cứu: Lựa chọn một số thông số tối ưu trong sấy một số

loại rau bằng bơm nhiệt

• Xây dựng quy trình công nghệ sấy một số loại rau bằng bơm nhiệt

• Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu một số thông số như: nhiệt độ, tốc độ

dòng khí sấy, bề dầy lớp sấy ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm một số loại rau, đến thời gian và chi phí năng lượng riêng khi sấy bằng bơm nhiệt

Chương 1

Tổng quan về sấy bơm nhiệt

1.1 Công dụng và phạm vi ứng dụng

1.1.1 Giới thiệu chung

Bơm nhiệt được biết là có hiệu quả năng lượng khi dùng kết hợp với các hoạt động sấy Cơ sở lý thuyết của bơm nhiệt đã được Các nô nêu lên từ đầu thế

kỷ 19 sau đó được các nhà bác học Nga như V.A.Mikhenxơn , A.Fifê, điều chỉnh dần Năm 1852 Thomson (Lord Kelvin) đã sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên của thế giới[TLTK8] Song song với kỹ thuật lạnh, bơm nhiệt có bước phát triển riêng của mình Những thành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 Bơm nhiệt thực hiện tải nhiệt năng từ nguồn nhiệt thấp (thường là môi trường xung quanh) đến nguồn nhiệt có thế cao hơn, trong quá trình truyền năng lượng phải tốn công

1.1.2 Công dụng và phạm vi ứng dụng của bơm nhiệt

Bơm nhiệt có thể sử dụng trong tất cả các ngành kinh tế kỹ thuật sử

dụng năng lượng ở nhiệt độ thấp khoảng 400C đến 800 C hoặc có thể cao hơn

đến 1150 - 1200 C[TLTK11] Nếu như nhu cầu về nóng và lạnh ăn khớp nhau thì hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt càng lớn hơn Khi sử dụng bơm nhiệt cần chú ý

đến hiệu quả kinh tế Hiệu quả kinh tế được đánh giá qua hệ số nhiệt ψ Hệ số nhiệt ψ của bơm nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào hiệu nhiệt độ của dàn ngưng và dàn bay hơi Một điều kiện nữa để bơm nhiệt đạt hiệu quả cao là nhu cầu nóng

và lạnh phải liên tục ổn định để thời gian hoàn vốn thiết bị là ngắn nhất Bơm nhiệt có thể ứng dụng trong các lĩnh vực:

- Công nghiệp sấy và hút ẩm;

- Các quá trình thu hồi nhiệt thải;

- Công nghiệp chưng cất, tách chất;

- Công nghiệp thực phẩm (chủ yếu để tẩy rửa, tiệt trùng)

- Công nghiệp vải sợi, gỗ, bột và giấy;

- Tẩy rửa, mạ kim loại sơn sấy trong kỹ thuật điện và chế tạo máy

- Công nghiệp hoá học như bay hơi, cô đặc vv…

- Điều tiết không khí các công trình công nghiệp, nông nghiệp, công trình công cộng như y tế, văn hoá, thể thao

a) ứng dụng Bơm nhiệt vào hút ẩm

Bơm nhiệt hút ẩm thực chất là một máy lạnh nhưng được bố trí đặc biệt

để làm nhiệm vụ khử ẩm trong không khí Bơm nhiệt hút ẩm gồm một máy nén, van tiết lưu, hai đầu bố trí dàn ngưng tụ và dàn bay hơi đáy dưới và nắp trên với

2 thành bên được bọc kín để không khí chỉ có thể đi theo một hướng từ dàn bay hơi ra phía dàn ngưng (Hình 1-1) Không khí được hút qua bơm nhiệt nhờ quạt hướng trục Không khí trong phòng đầu tiên đi qua dàn bay hơi với trạng thái ban đầu ở điểm A có độ ẩm tương đối ω1 và nhiệt độ t1 Khi vào dàn bay hơi, nhiệt độ giảm xuống, độ ẩm tương đối tăng lên đến trạng thái bão hòa

Một phần ẩm ngưng tụ lại chảy xuống khay nước bên dưới Không khí sau khi ra khỏi dàn bay hơi ở trạng thái B Sau đó không khí đã khử ẩm đi qua qua dàn ngưng tụ, nhận nhiệt và nhiệt độ tăng lên t2, độ ẩm tương đối giảm xuống ω2 < ω1 Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn ngưng bao giờ cũng lớn hơn vì phải nhận thêm nhiệt độ do công của máy nén sinh ra và hơi nước ngưng tụ lại

ở dàn bay hơi Nếu yêu cầu nhiệt độ thấp hơn ta có thể sử dụng một phần nhiệt lượng dàn ngưng vào mục đích khác Một máy hút ẩm như thế có thể đặt ở những nơi cần giảm độ ẩm không khí xuống như: thư viện, kho bảo quản các đồ dùng quang học, các kho bảo quản các sản phẩm dễ nấm mốc, các mặt hàng

công nghệ phẩm, nông sản vv Đối với nước ta, có khí hậu nóng ẩm, nấm mốc

và các vi sinh vật phát triển rất nhanh dễ làm hư hỏng và làm giảm chất lượng tất cả các sản phẩm nhất là các loại nông sản, gây tổn thát đáng kể Nếu ứng dụng được bơm nhiệt vào công nghiệp sấy và hút ẩm chắc chắn sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn

b) ứng dụng Bơm nhiệt sấy nông sản

Từ những năm 50 của thế kỷ XX, ở Mỹ, người ta đã thí nghiệm sấy hạt nông sản bằng bơm nhiệt Nhiệt độ buống sấy, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi vv cũng như độ ẩm không khí được giám sát và khống chế chặt chẽ Quá trình sấy kết thúc khi hạt ngũ cốc đạt thủy phần (độ ẩm) khoảng 12% Nhiệt độ sấy

từ 43 ữ 540C; tốc độ gió từ 550 ữ 2000m3/h Kết quả cho thấy rằng năng lượng chi phí để bốc hơi 1 kg ẩm là 0,28 kWh Thực tế sử dụng cho thấy bơm nhiệt sử dụng sấy nông sản vào thời điểm đó có nhiều ưu điểm, nhưng có nhược điểm là vốn đầu tư khá cao Gần đây hãng DAIKA (Mỹ) và Viện máy nông nghiệp Quảng Đông – Trung Quốc đã nghiên cứu và đưa ra nhiều mẫu máy sấy rau quả, sấy thực phẩm và sấy hạt giống dùng bơm nhiệt

c) ứng dụng Bơm nhiệt sấy gỗ

Một trong những ứng dụng đầu tiên của bơm nhiệt của công nghiệp sấy

trên phạm vi thương mại là sử dụng bơm nhiệt để sấy gỗ (Hình 4-3) Nhiệt độ sấy và độ ẩm là một trong những thông số quan trọng để đảm bảo chất lượng

gỗ Tổ hợp bơm nhiệt sấy gỗ bao gồm một bộ cảm nhiệt và cảm ẩm, chúng có

nhiệm vụ giám sát, đóng mở các vòng tuần hoàn làm lạnh và đốt nóng phù hợp với từng trường hợp cụ thể của gỗ sấy trong hầm Sự kiểm tra có tính chất chu

kỳ từ lúc gỗ ướt cho đến lúc gỗ khô Bơm nhiệt cũng được trang bị các thiết bị

điều chỉnh cho từng loại gỗ Chế độ vận hành tối ưu được theo dõi bằng ẩm kế

và bộ phận ghi nhiệt ẩm Độ ẩm của gỗ cũng có thể được xác định bằng mẫu thử Khi đạt được thông số yêu cầu của gỗ (chủ yếu là độ ẩm) thì điều kiện cân

bằng sẽ tác động vào các cơ cấu kiểm tra giám sát trước khi đưa gỗ ra khỏi buồng sấy

Hình 1-2: Thiết bị sấy buồng sấy gỗdùng bơm nhiệt

1 Bơm nhiệt; 2 Quạt thông gió; 3 Vật liệu sấy d) ứng dụng của bơm nhiệt trong điều hòa không khí

Điều hòa không khí như: làm lạnh, sưởi ấm là lĩnh vực ứng dụng hợp lý của bơm nhiệt vì nhiệt độ sử dụng ở đây tương đối thấp Tùy theo nhu cầu sử dụng các loại bơm nhiệt chuyên dùng được chế tạo như:

- Bơm nhiệt chỉ dùng để sưởi ấm;

- Bơm nhiệt chỉ dùng để chuẩn bị nước nóng;

- Bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh, nguồn nóng để sấy, đun nước nóng, nguồn lạnh để điều hòa nhiệt độ;

- Bơm nhiệt 3 chức năng: sưởi ấm, làm lạnh và hút ẩm

Trong công nghiệp và trong các công trình điều hòa không khí lớn thường sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh để tăng hiệu quả Bơm nhiệt dân dụng công suất nhỏ và vừa ba chức năng sưởi ấm, làm lạnh và hút ẩm ngày nay được

sử dụng rất rộng rãi

e) ứng dụng của bơm nhiệt trong công nghiệp thực phẩm

Công nghiệp chế biến thực phẩm cũng là lĩnh vực có khả năng sử dụng bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh với hiệu quả cao vì hầu hết các ngành chế biến thực phẩm như thịt, cá, bơ, sữa, đồ hộp, bánh kẹo, rau quả vv đều cần lạnh để bảo quản và cần nước nóng, tẩy rửa, triệt khuẩn, tiệt trùng bay hơi, cô đặc vv Trước đây, trong một xí nghiệp chế biến thực phẩm thương có các kho lạnh để bảo quản và các nồi hơi để cấp nhiệt cho các quy trình công nghệ sản xuất, chế biến Ngày nay, các nước tiên tiến trên thế giới đều sử dụng bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh để cấp nhiệt và cấp lạnh với hiệu quả kinh tế cao

Nói chung, ngoài công nghiệp thực phẩm và các ứng dụng đã nêu, bơm nhiệt còn có thể ứng dụng cho nhiều ngành ngành kinh tế kỹ thuật có yêu cầu năng lượng nhiệt ở nhiệt độ thấp

1.1.3 Ưu nhược điểm của sấy bằng bơm nhiệt

a)Ưu điểm

- Về mặt tiêu thụ năng lượng, máy sấy bơm nhiệt có ưu điểm chính là hiệu suất năng lượng cao hơn cùng với sự thu hồi nhiệt được cải thiện dẫn

đến tiêu thụ năng lượng ít hơn cho mỗi đơn vị nước bốc hơi

- Chất lượng sản phẩm tốt hơn với các lịch trình kiểm soát nhiệt độ tốt

để thỏa mãn các yêu cầu về sản xuất cụ thể

- Có thể phát ra một khoảng rộng các điều kiện sấy, tiêu biểu là nhiệt

độ từ 20 – 1000C (với nhiệt phụ trợ), với độ ẩm tương đối từ 15 đến 80%

- Kiểm soát tốt các ảnh hưởng của môi trường trong quá trình sấy đối với các sản phẩm sấy

- Chi phí đầu tư cao hơn so với một số công nghệ sấy thông thường

1.2 Tình hình nghiên cứu nghiên cứu và ứng dụng máy sấy bơm nhiệt trên thế giới và trong nước

1.2.1 Phân loại máy sấy bơm nhiệt

a) Phân loại theo phương thức sấy:

+ sấy mẻ

+ Sấy liên tục

b) Phân loại theo số giai đoạn sấy:

+ Sấy một giai đoạn

+ Sấy nhiều giai đoạn

c) Phân loại theo nhiệt độ sấy:

+ Trên điểm đông

+ Dưới điểm đông

d) Phân loại theo số bơm nhiệt

+ Máy sấy một bơm nhiệt

+ Máy sấy nhiều bơm nhiệt

e) Phân loại theo nguồn nhiệt phụ trợ:

+ Máy sấy bơm nhiệt đối lưu

+ Máy sấy bơm nhiệt dẫn nhiệt

+ Máy sấy bơm nhiệt bằng nguồn nhiệt khác: Sóng vô tuyến; vi sóng, hồng ngoại

f) Phân loại theo phương pháp vận hành:

+ Máy sấy bơm nhiệt ngắt quãng

+ Máy sấy bơm nhiệt liên tục

+ Máy sấy bơm nhiệt theo chu kỳ

1.2.2 Máy sấy bơm nhiệt1 cấp

Trong máy sấy bơm nhiệt 1 cấp môi chất lạnh được chia thành 2 dòng sau khi đi ra khỏi bình ngưng tụ Dòng có lưu lượng lớn hơn được đi qua van tiết lưu sẽ có nhiệt độ bay hơi thấp, trong khi dòng hơi có lưu lượng nhỏ đi qua van tiết lưu sẽ có nhiệt độ cao hơn Quá trình bay hơi xảy

ra ở cả 2 bình bốc hơi áp suất hóa hơi ở tỏa ra ở cửa ra của bình bốc hơi cao áp được điều chỉnh bằng van sao cho bằng giá trị áp suất của bình bốc hơi áp suất thấp trước khi đi vào bình hòa trộn Sau đó áp suất của hỗn hợp lại được máy nén làm tăng lên bằng áp suất của bình ngưng tụ Chu trình của bơm nhiệt cứ như vậy được tiếp diễn

1.2.3 Máy sấy bơm nhiệt đa cấp

Trong máybơm nhiệt đa cấp, dùng một bơm nhiệt cung cấp không khí sấy

đén nhiếu buồng sấy có cấp độ khác nhau Không khí từ bơm nhiệt có thể

đ−ợc đ−a đến hai, hay nhiều buồng sấy nối tiếp hay song song với nhau, tùy theo thời gian biểu thiết lập ban đầu mà có thể sấy cùng sản phẩm hay nhiều sản phẩm khác nhau Vì vậy, bơm nhiệt luôn luôn đ−ợc hoạt động ở mức gần tối −u của nó Ngay cả khi thời gian sấy của mỗi buồng sấy có thể tăng do nhiệt đ−a vào gián đoạn, tính kinh tế tổng thể vẫn tăng một cách đáng kể

Hình 1-3: Mô hình máy sấy bơm nhiệt nhiều buồng

1.2.4 Máy sấy bơm nhiệt phối hợp

a) Máy sấy bơm nhiệt tầng sôi

Đã có nhiều ứng dụng máy sấy tầng sôi để sấy chất rắn dạng hạt trong thực phẩm, công nghiệp d−ợc và nông nghiệp Trong máy sấy bơm nhiệt tầng sôi, buồng sấy tiếp nhận vật liệu −ớt và tháo liệu sấy khô nhờ ống vào ống ra Nhiệt độ hoạt động mong muốn đ−ợc điều chỉnh bằng năng suất bộ ng−ng tụ Trong khi đó, ẩm độ không khí yêu cầu đ−ợc duy trì bằng cách hiệu chỉnh năng suất máy nén thông qua kiểm soát tần số của tốc độ động cơ

b) Máy sấy bơm nhiệt trợ giúp bằng hồng ngoại

Sấy hồng ngoại giúp giảm bớt thời gian bằng cách cung cấp thêm nhiệt cảm cho quá trình sấy Năng l−ợng hồng ngoại đ−ợc truyền từ bộ phận tạo nhiệt đến bề mặt sản phẩm mà không làm nóng không khí

Hình 1-4: Sơ đồ máy sấy bơm nhiệt có hồng ngoại hỗ trợ

xung quanh Nhiều nhà nghiên cứu đã chứng minh các lợi ích đáng kể của sấy hồng ngoại Có thể dùng máy sấy bơm nhiệt có hỗ trợ hồng ngoại để

thoát nhanh ẩm bề mặt ở giai đoạn đầu của quá trình sấy, và tiếp theo là sấy gián đoạn cho đến khi kết thúc Với kiểu làm việc này đảm bảo tốc độ sấy ban đầu nhanh, tiếp đến sự trợ giúp vừa phải nhiệt gián đoạn bảo đảm thời gian sấy giảm, cũng như giảm thiểu ảnh hưởng đến chất lượng

c) Máy sấy bơm nhiệt trợ giúp bằng năng lượng mặt trời

ở những nơi có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào thì việc liên kết

hệ thống nhiệt mặt trời với máy sấy bơm nhiệt có thể tăng hiệu suất năng lượng của hệ thống sấy tổng thể Một hệ thống như thế có thể thích hợp cho một nhiệt độ sấy cao hơn

1.3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

1.3.1 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu một số thông số cơ bản về chế độ sấy trong máy sấy

bơm nhiệt nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí trong quá trình sấy

1.3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Thiết lập mô hình sấy thí nghiệm

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình sấy bằng bơm nhiệt

- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến chất lượng sản phẩm và chi phí năng lượng riêng

- Xây dựng quy trình công nghệ sấy một số loại rau chất lượng cao bằng bơm nhiệt

- Đánh giá hiệu quả kinh tế của máy sấy bơm nhiệt

Chương 2

Cơ sở lý thuyết tính toán một số thông số của

máy sấy bơm nhiệt

2.1 Các quy luật cơ bản của quá trình sấy

Các quy luật thay đổi những đặc tính cơ bản của quá trình sấy là những quy luật nhận được qua nghiên cứu thực nghiệm Trong đó quan trọng nhất là các quy luật thay đổi của độ ẩm theo thời gian sấy, quy luật thay đổi của nhiệt độ vật sấy theo thời gian sấy và quy luật thay đổi của tốc độ sấy Các quy luật này biểu thị dưới dạng đồ thị tương ứng là các

đường cong sấy, đường cong tốc độ sấy và đường cong nhiệt độ vật sấy

[TLTK 6]

2.1.1 Đường cong sấy

Đường cong sấy biểu diễn quan hệ giữa

độ chứa ẩm và nhiệt độ vật sấy theo thời gian:

w = f(τ) và tv = f(τ)

Ba giai đoạn của quá trình sấy biểu diễn

trên đồ thị tương ứng bằng các đoạn OA, AB và

Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi, độ ẩm và nhiệt độ có quan hệ tuyến tính với thời gian Còn trong giai đoạn gia nhiệt và giai đoạn sấy tốc

độ giảm quan hệ này có dạng đường cong Đường cong thay đổi nhiệt độ của vật trong giai đoạn làm nóng vật và giai đoạn sấy tốc độ giảm không trùng nhau đối với các lớp bên trong và các lớp trên bề mặt vật (a, b,)

2.1.2 Đường cong tốc độ sấy (hình2-2.)

Đường cong tốc độ sấy biểu thị quan hệ giữa tốc độ sấy ∂w/∂τ và

thời gian sấy τ (hay ∂w/∂τ = f(w)) Đường cong này có thể nhận được bằng cách đạo hàm hàm số w = f(τ) Tốc độ sấy tại mỗi thời điểm được biểu thị bằng độ dốc của đường cong w = f(τ) tại thời điểm đó

Trong quá trình sấy độ ẩm của vật giảm dần nên chiều diễn biến của

đường cong tốc độ sấy là từ phải sang trái Trong giai đoạn làm nóng vật tốc độ sấy tăng nhanh từ 0 đến trị số N sau đó giữ không đổi trong suốt giai đoạn sấy đầu cho tới khi độ ẩm giảm đến trị số wk1[TLTK 6]

.

N N

Hình 2-2 Đường cong tốc độ sấy

Trong giai đoạn sấy tốc độ giảm, tốc độ sấy sẽ giảm từ N tới 0 ứng với độ ẩm cân bằng wcb.Trong giai đoạn này đường cong tốc độ sấy có dạng khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc, kích thước &bản chất của vật sấy

Đường 1 gần như là đường thẳng đây là trường hợp sấy các vật liệu mỏng có cấu trúc sợi như giấy, caston mỏng Đường 2 ứng với trường hợp sấy các vật dạng tấm như vải, da mỏng, bột Đường 3 là đường ứng với các vật liệu gốm, đường cong này có bề lõm ngược với đường cong 2 chứng tỏ

ở giai đoạn cuối liên kết ẩm chặt chẽ (ẩm hấp thụ) chiếm tỷ lệ khá lớn

Đường cong 4 là đường ứng với vật liệu keo như đất sét Đường 5 ứng với

các vật keo xốp mao dẫn Đường cong 6 ứng với các vật có độ rắn cao

2.1.3.Phân tích quá trình sấy

a) Giai đoạn sấy tốc độ không đổi

Nhiệt lượng cung cấp trong giai đoạn này dùng để nâng cao nhiệt

độ của vật tới nhiệt độ hóa hơi của nước và làm hóa hơi ẩm lỏng Phương trình cân bằng nhiệt trong giai đoạn này có dạng:

dQ = (CkGk + CnGn)dtv + [(r + Cph) (th - tbh)]dGn[TLTK 6] (2-1)

dQ - Nhiệt cấp cho vật trong thời gian dτ

Ck, Cn - Nhiệt dung riêng của vật khô và của nước

Gk, Gn - Khối lượng của vật khô và nước trong vật

dtv - Biến thiên nhiệt độ trung bình của vật trong thời gian dτ

r - Nhiệt hóa hơi của nước

Cph - Nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi nước

th - Nhiệt độ của hơi nước thoát ra khỏi vật

dGn - Nhiệt ẩm bay ra khỏi vật trong thời gian dτ

Nhiệt lượng cung cấp cho vật sẽ lấy từ môi chất sấy trong thời gian

dτ thông qua quá trình truyền nhiệt, vậy ta có:

dQ = αF(tf - tbh)dτ (2-2)

Trong đó: α - là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu từ môi chất sấy đến bề mặt vật sấy

F- Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa vật sấy và môi chất sấy [m2]

tf- Nhiệt độ môi chất sấy [0C]

tbh- Nhiệt độ bão hoà [0C]

) (

) (

bh h ph

v n n k k bh f

T t C r

d

dt G C G C t

t F

ư +

nóng vật nhiệt độ ban đầu t0 cũng có thể lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt độ bão hòa tbh

- Nếu t0 < tbh thì vật sẽ bị làm nóng và ta có phương trình cân bằng nhiệt trong giai đoạn làm nóng vật là:

) (

) (

bh

t

v n n k k bh

f t d C G C G dt t

F

- Nếu t0 > tbh thì không cần quá trình làm nóng mà ngay từ ban đầu

ẩm trong vật sẽ hóa hơi và nhiệt độ trong vật sẽ giảm tới nhiệt độ bão hòa

t0 → tbh. Trong thời kỳ sấy tốc độ không đổi, ẩm bốc hơi chủ yếu từ bề mặt vật hơi ẩm thoát ra là hơi bão hòa có nhiệt độ là tbh Như vậy trong giai

đoạn này biểu thức xác định tốc độ sấy là:

F( f ư bh)

α

(2-4) Qua biểu thức trên ta nhận thấy rằng ϕ1 = const

Thực nghiệm chứng tỏ rằng trong điều kiện chế độ sấy như nhau, nhiệt độ bay hơi ẩm ở giai đoạn sấy tốc độ không đổi bằng nhiệt độ bề mặt vật sấy và bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt (tv = tbh = tư) Trong trường hợp do bức xạ nhiệt từ vách buồng sấy, nhiệt độ của vật lớn hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt thì cường độ bay hơi ẩm của giai đoạn sấy tốc độ không đổi lớn hơn khoảng 20% so với cường độ bay hơi của nước tự do

Nếu tác nhân sấy có nhiệt độ cao, tốc độ sấy trong giai đoạn đầu vẫn không đổi nhưng nhiệt độ vật sấy tăng liên tục và lớn hơn nhiều so với nhiệt độ nhiệt kế ướt

b) Giai đoạn sấy tốc độ giảm

Trong giai đoạn sấy tốc độ giảm, bề mặt bay hơi lùi dần vào trong lòng vật sấy, nhiệt độ bề mặt vật sấy tăng cao hơn trị số nhiệt độ nhiệt kế

ướt (tư) và sẽ tiến tới bằng nhiệt độ môi chất sấy (tf) Trong giai đoạn này cường độ trao đổi nhiệt giảm dần, do đó nhiệt do môi chất sấy cung cấp

cho vật cũng giảm dần Đồng thời hơi ẩm thoát ra khỏi vật là hơi quá nhiệt chứ không phải là hơi bão hòa như ở giai đoạn 1[TLTK 6]

Nhiệt lượng môi chất sấy cung cung cấp cho vật giai đoạn này không chỉ để làm bay hơi ẩm như giai đoạn 1, mà còn dùng để làm quá nhiệt cho hơi ẩm bay ra và gia nhiệt cho vật sấy cho nhiệt độ sấy tăng lên Vì vậy tốc độ sấy ở giai đoạn này nhỏ hơn ở giai đoạn đầu và tốc độ sấy cũng giảm liên tục do nhiệt truyền từ môi chất sấy đến vật giảm liên tục (tv tăng liên tục); khi ẩm liên kết càng chặt chẽ càng cần năng lượng hóa hơi cao; do phải chi phí nhiệt nhiều hơn để quá nhiệt hơi ẩm thoát ra với nhiệt độ ngày càng cao và do chi phí nhiệt để gia nhiệt cho vật sấy càng tăng lên Quá trình sẽ dừng lại khi vật và môi chất sấy đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt và ẩm, lúc này nhiệt truyền từ môi chất tới vật bằng không và tốc độ sấy cũng bằng không

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ và cường độ sấy

Như chúng ta đã biết thường trong quá trình sấy do tác nhân sấy có nhiệt độ tt cao hơn nhiệt độ tv của vật sấy nên vật sấy nóng lên đến nhiệt độ

tBH bay hơi của ẩm (nước) Mặt khác do độ ẩm tương đối w1 của tác nhân nhỏ nên hơi nước từ vật sấy truyền mạnh vào tác nhân sấy Tốc độ ϕt của tác nhân sấy cũng ảnh hưởng lớn đến cường độ sấy[7].

Để quá trình sấy xẩy ra như nhau cho mọi vật sấy đặt trong buồng sấy, thì các thông số của tác nhân sấy gồm: tt, ϕt, vàwt phải không được thay đổi đối với bề mặt tiếp xúc của vật sấy Trong quá trình sấy, thực tế thì nhiệt độ tt giảm dần, còn wt, tăng dần, tốc độ ϕt phụ thuộc vào diện tích

tự do không bị vật sấy chiếm chỗ (tùy hình dạng, kích thước và cách sắp xếp của vật sấy, cấu tạo của buồng sấy) Vì vậy trong thực tế chế độ sấy bao giờ cũng thay đổi bởi sự thay đổi của tt, ϕt, vàwt Sau đây là những ảnh hưởng của tt, ϕt,,wt đến quá trình sấy

a) ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy

Để xét sự ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy đến động học quá

trình sấy thì tác nhân sấy phải có các thông như sau: tt thay đổi (ϕt, = const,

wt =const vv )[TLTK 7]

Hình 2- 3 ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy (t t ’ < t t ’’ < t t ’’’) đến động học quá

trính sấy, a)đường cong sấy; b)đường cong tốc độ sấy

Trên hình (2-3) ta thấy, nhiệt độ tác nhân sấy càng cao thì thời gian

sấy càng giảm và tốc độ sấy càng tăng, ẩm lúc kết thúc giai đoạn thứ nhất

càng cao Đó là do chênh lệch nhiệt độ giữa tác nhân sấy và nhiệt độ bề

mặt vật sấy tăng thúc đẩy quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm cả trong vật

sấy và bề mặt vật sấy sang tác nhân sấy

b) ảnh hưởng của độ ẩm tác nhân sấy

Trên hình (2-4a) ta thấy độ ẩm tương đối của tác nhân sấy càng

cao thì thời gian sấy tăng, hàm ẩm của vật sấy lúc kết thúc giai đoạn thứ

sấy ở giai đoạn thứ nhất tăng, hàm ẩm của vật sấy lúc kết thúc giai đoạn thứ nhất lớn hơn (hình 2-4b)

Hình (2-4)- ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của tác nhân sấy đến động học quá trình sấy (ω1 < ω2 <ω3 ) a- đường cong sấy; b- đường cong tốc độ sấy

Tốc độ sấy ít ảnh hưởng đến cường độ sấy trong giai đoạn sấy thứ 2 Trong giai đoạn này quá trình sấy phụ thuộc vào cấu trúc của vật sấy, sự liên kết của ẩm với vật sấy

d) ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến hàm ẩm của vật sấy

Hàm ẩm của vật sấy lúc kết thúc giaiđoạn tốc độ sấy không đổi (wB)

là hàm của các thông số chế độ sấy (tt, ϕt,,wt ):

WB = f1(tt); WB = f2(wt); WB = f3(ϕt)

Hình(2-5): ảnh hưởng của tốc độ tác nhân sấy (w t ’ < w t ’’ < w t ’’’) đến qúa trình sấy a)- đường cong sấy; b) - đường cong tốc độ sấy

Trên hình (2-5) ta thấy hàm WB = f1(tt) có cực đại Có như vậy bởi vì với sự tăng nhiệt độ tác nhân sấy (khi nhiệt độ còn thấp) làm tăng cường

độ sấy, đến khi nhiệt độ đã cao thì nhiệt độ càng tăng, càng làm gia tăng

hệ số khuếch tán ẩm, kết quả là tỷ số giữa cường độ sấy trên hệ số khuếch

tán ẩm lúc đầu gia tăng, sau đó giảm dần

Tóm lại, để có sản phẩm sấy chất lượng cao theo yêu cầu: tùy loại vật liệu sấy, mục đích sử dụng sau khi sấy mà lựa chọnchế độ sấy (tt, ωt,, wt ) cho phù hợp Đồng thời tính đến hiệu quả kinh tế quá trình sấy 2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán máy sấy bơm nhiệt 2.2.1 - Cở sở lý thuyết Sơ đồ nguyên lý chung: 2

3

4

1

qk

q0

nt

bh

mn

tl

Đường dẫn tác nhân lạnh F22

Đường tuần hoàn của tác nhân sấy là không khí

L

bs

Hình 2-6 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy bơm nhiệt

Trên hình (2-6) mô tả sơ đồ nguyên lý hoạt động tổng quát của thiết bị

Từ sơ đồ trên ta thấy chu trình hoạt động của 2 tác nhân tuần hoàn kín như sau:

a) Chu trình của tác nhân lạnh:

Từ sơ đồ nguyên lý ( Hình 2-6) [TLTK12] chu trình hoạt động của tác nhân lạnh là chu trình ngược được biểu diễn trên đồ thị LgP - i (Hình 2-7): với các quá trình 1-2-3-4, trong đó:

MN (máy nén); NT (ngưng tụ); TL (van tiết lưu)

BH (thiết bị bay hơi); L (công tiêu tốn cho máy nén)

q0 (nhiệt lượng lấy từ môi trường (hay buồng lạnh)

qk ( nhiệt toả ra ở dàn ngưng tụ)

1-2: Quá trình nén hơi tác nhân lạnh từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp lên áp suất cao và nhiệt độ cao nhờ máy nén hơi Quá trình này được xem là đoạn nhiệt 2-3: Quá trình ngưng tụ đẳng áp trong thiết bị ngưng tụ, thải nhiệt q k

3-4: Quá trình tiết lưu đẳng entanpi (i = i ) của tác nhân lạnh qua van tiết lưu

từ áp suất cao xuống áp suất thấp

3 ’

3

2

1 LgP

i4 i3 i1’ i1 i2

Hình 2-7 Chu trình tuần hoàn của tác nhân lạnh trong thiết bị sấy bơm nhiệt

i

Như vậy chu trình tuần hoàn kín 1-2-3-4 của tác nhân lạnh thực hiện hai quá trình chuyển pha và đồng thời xẩy ra hai quá trình trao đổi nhiệt:

- Quá trình sôi bay hơi thu nhiệt của tác nhân lạnh tại dàn bay hơi (Nhiệt thu vào q ) 0

- Quá trình ngưng tụ thải nhiệt của tác nhân lạnh tại dàn ngưng tụ (Nhiệt thải ra q ) K

Các thông số có thể tra trên đồ thị LgP – i [13]:

- Năng suất lạnh: q = 0 i1 - i4

- Năng suất thải nhiệt q = K i2- i3

- Công nén đoạn nhiệt: L = i2- i1

- Nhiệt thu qua thiết bị hoàn nhiệt: ∆iql = i3 –i4

- Nhiệt thải ở thiết bị làm mát trước tiết lưu: ∆iqn = i1 – i1’

b) Chu trình của tác nhân sấy:

41

Trong hình 3- 3 gồm các quá trình :

1-2: Quá trình sấy ( i2 = i3) trong buồng sấy

2-3-4: Quá trình không khí đi qua dàn bốc hơi của máy lạnh ở đây không khí giảm từ nhiệt độ t2 tới nhiệt độ đọng sương t sau đó một phần hơinước trong không khí ngưng tụ lại ∆d = d - d , trạng thái 4 sau khi qua dàn bay hơi

3

4-1: Quá trình đốt nóng không khí khi đi qua dàn ngưng tụ Như vậy dàn ngưng đóng vai trò calorife để đốt nóng tác nhân sấy từ trạng thái 4 lên trạng thái 1 Nhưng trong thực tế sau mỗi chu kỳ tuần hoàn của tác nhân sấy đi qua dàn ngưng tụ điểm 1 có xu hướng dịch chuyển đến điểm 1’ có nhiệt độ cao hơn (Lý do: Nhiệt thải do chính máy nén tạo ra, ma sát, dòng fu co của cuộn dây)

2.2.2 Cơ sở lý luận xây dựng sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy bơm nhiệt mô hình thực nghiệm

- Để ứng dụng bơm nhiệt máy lạnh sử dụng cả hai chiều nóng lạnh cho công nghệ sấy với tác nhân sấy là không khí tuần hoàn kín, mỗi chu kỳ tuần hoàn của tác nhân sấy thực hiện hai quá trình: Thải nhiệt khi đi qua dàn bay hơi

để hạ nhiệt độ không khí xuống điểm đọng sương nhằm tách ẩm,.ngược lại thu nhiệt khi đi qua dàn ngưng tụ nhằm nâng nhiệt độ lên, đồng thời hạ độ ẩm tương đối của tác nhân sấy trước khi đi vào buồng sấy để thực hiện quá trình trao đổi ẩm Như vậy tác nhân lạnh và tác nhân sấy cùng tham gia trao đổi nhiệt cho nhau, bên thu nhiệt tương ứng với bên thải nhiệt và ngược lại

- áp suất ngưng tụ p càng cao thì nhiệt độ ngưng tụ t càng cao, nhiệt

độ t cao dẫn đến nhiệt độ tác nhân sấy cao và độ ẩm tương đối thấp nên tạo

động lực tốt cho quá trình thu ẩm của vật sấy, song để lựa chọn chế độ làm việc với t nào hợp lý là do công nghệ sấy của từng loại sản phẩm quyết định Nhưng ngược lại khi p càng cao lợi về nguồn nhiệt cao, công nén đoạn nhiệt càng cao và năng suất lạnh càng giảm Khi giảm đến một giới hạn nhất định thì năng

k

k

K

suất lạnh q bé đến mức không đủ hạ nhiệt độ tác nhân sấy xuống đến điểm

đọng sương, khi đó tác nhân sấy bảo hoà hơi ẩm, quá trình sấy không còn hiệu quả

0

- Như vậy đối với sấy bơm nhiệt sử dụng cả hai chiều nóng, lạnh khác với các bơm nhiệt thuần tuý khác là cả hai nguồn năng lượng này đều cùng tham gia vào quá trình sấy Chính vì vậy việc tính toán các chế độ cho phù hợp để phát huy tính năng tác dụng của thiết bị sấy là một vấn đề phức tạp vì có rất nhiều thông số phụ thuộc

- Căn cứ vào yêu cầu công nghệ đã phân tích ở phần trên, lựa chọn dải nhiệt độ sấy phù hợp đối với sản phẩm hành lá và thì là là: t < 500C Với dải nhiệt độ này là cơ sở để lựa chọn tác nhân lạnh của bơm nhiệt Tác nhân lạnh tuần hoàn trong chu trình của bơm nhiệt phải thoả mãn: Nhiệt độ ngưng tụ cao hơn nhiệt độ tác nhân sấy ∆t = 80C ữ 100C, mặt khác phải đảm bảo nhiệt độ bay hơi thấp khoảng : +50C ữ +100C để có thể đủ hạ nhiệt độ tác nhân sấy xuống

đến điểm đọng sương với tđs = 150C ữ 220C Với điều kiện trên chọn tác nhân lạnh F22 là phù hợp có thể làm việc ổn định ở nhiệt độ ngưng tk = 500C và t0 = +50C ữ +100C Như vậy ta có thể lựa chọn nhiệt độ tác nhân sấy trong khoảng

- Giải pháp để nâng nhiệt độ ban đầu của buồng sấy khi mới cho nguyên liệu vào giai đoạn đầu mà chế độ sấy ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường

Đối với sấy bơm nhiệt tuần hoàn kín không có bộ phận gia nhiệt trực tiếp, để ổn định được nhiệt độ sấy phải mất một khoảng thời gian ban đầu, do chỉ có lượng nhiệt dư cung cấp để làm nóng sản phẩm Vì vậy ta đưa ra giải pháp lắp thêm 01 dàn bay hơi phụ nằm bên ngoài buồng sấy nhằm mục đích trong giai đoạn đầu dàn bay hơi chính chưa làm việc, dàn bay hơi phụ sẽ làm việc để lấy nhiệt của môi trường cấp cho buồng sấy và nguyên liệu sấy đạt đến nhiệt độ yêu cầu Sau đó đến khi dàn bay hơi chính làm việc dàn bay hơi phụ dừng và quá trình sấy bắt đầu

2.3 Tính toán mô hình sấy bơm nhiệt thí nghiệm

2.3.1 Mục đích, yêu cầu của mô hình sấy thí nghiệm

a) Mục đích:

Như đã trình bày ở phần tổng quan, phạm vi ứng dụng của bơm nhiệt rất

đa dạng Khi sử dụng với các mục đích khác nhau đều cho ta hiệu quả cao về hiệu suất sử dụng năng lượng, thể hiện qua hệ số nhiệt của bơm nhiệt

Trong điều kiện khí hậu Việt Nam với đặc thù là vùng khí hậu nóng ẩm các phương pháp sấy thông thường khác còn nhiều hạn chế: Chế độ sấy phụ thuộc nhiều vào yếu tố môi trường (như nhiệt độ và độ ẩm); Vệ sinh an toàn thực phẩm không đảm bảo do phải tiếp xúc trực tiếp với tác nhân sấy (không khí, khói lò - đối với sấy trực tiếp); hiệu quả thấp khi sấy ở nhiệt độ thấp

Trong phạm vi của luận văn này chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu một

số thông số ảnh hưởng đến sấy một vài loại rau chất lượng cao bằng bơm nhiệt

Đối tượng nghiên cứu là bơm nhiệt có tác nhân sấy tuần hoàn kín và sử dụng cả hai chiều nóng lạnh Để giải quyết vấn đề này, cần phải nghiên cứu một cách chi tiết quá trình trao đổi nhiệt, ẩm của tác nhân là không khí tuần hoàn kín trong thiết bị sấy, từ đó làm cơ sở để tính toán các thông số chuẩn về chu trình lạnh của tác nhân lạnh Như vậy đối với thiết bị sấy bơm nhiệt đồng thời có 2 tác nhân tuần hoàn kín là không khí và tác nhân lạnh: Không khí tuần hoàn

nhờ quạtt cưỡng bức và tác nhân lạnh tuần hoàn nhờ máy nén Vì vậy mục đích của của việc nghiên cứu là:

Xây dựng được một mô hình thí nghiệm phục vụ cho quá trình khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số từ tác nhân sấy và tác nhân lạnh đến

khả năng tách ẩm của vật sấy trong thiết bị sấy bơm nhiệt

b) Yêu cầu đối với mô hình thực nghiệm

- Có các thiết bị đo liên tục và chính xác thoả mãn các yêu cầu tính toán

kỹ thuật các thông số cần khảo sát

- Cho phép xác định được những ảnh hưởng những thông số của tác nhân sấy đến khả năng tấch ẩm của vật sấy

- Đơn giản về kết cấu và đo đạc nhưng đảm bảo độ bền cơ, nhiệt để

có thể làm thí nghiệm trong thời gian lâu dài

2.3.2 Sơ đồ nguyên lý mô hình sấy bơm nhiệt thực nghiệm

• Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt thực nghiệm

- BH2- Dàn bay hơI phụ đặt ngoài buồng sấy

- TBHN- Thiết bị tách lỏng và hoàn nhiệt

- VĐT1,VĐT2,VĐT3,VĐT4- Các van điện từ đóng chặn tác nhân lạnh

- VTL1,VTL2- Van tiết lưu chính và van tiết lưu phụ tương ứng BH1, BH2

VTL2

Hình 2-9- Nguyên lý hệ thống bơm nhiệt máy nén

2.3.3 Tính toán các thông số cơ bản của quá trình sấy lý thuyết

Có nhiều loại rau cần được sấy và chúng cũng có những tính chất đặc

trưng khác nhau như độ ẩm ban đầu, trọng lượng riêng, đặc tính sinh hoá, cơ lý

vv Vì vậy, trong tính toán thiết kế máy sấy, hành củ được chọn làm đại diện

do nó có trọng lượng riêng lớn nhất, nên trong cùng đơn vị thể tích buồng sấy

thì khối lượng nước cần được làm bay hơi của hành củ lớn hơn cả

2.3.3.1 Xác định nhiệt lượng tiêu thụ trong quá trình sấy

a) Các thông số ban đầu

- Môi trường có nhiệt độ tmt = 300C, Độ ẩm ϕ = 83%

- Nhiệt độ sấy hành củ: t1 = 500C

- Độ ẩm ban đầu nguyên liệu : w1= 70%

- Độ ẩm cuối của sản phẩm: w2= 10%

- Chọn quy mô thiết bị sấy với năng suất: N = 150kg/mẻ

- Thời gian sấy: 12h

- Độ ẩm trung bình của tác nhân sấy: ϕ1 = 19%

- Tác nhân sấy là không khí tuần hoàn kín

- Tác nhân lạnh là Frion 22 ( F22)

b) Tính nhiệt của quá trình sấy lý thuyết

♣) Khối lượng sản phẩm sau khi sấy [TLTK 4]:

10100

70100150100

ω

kg (1-2)

♣) Lượng ẩm cần bốc hơi trung bình

WTB = (G1 - G2) / τ = (150 - 50 ) / 12 = 8,3 kgH2O/h (2-2)

τ - thời gian sấy = 12 giờ

Lượng ẩm bốc hơi thực tế đối với máy sấy bơm nhiệt dao động nhiều theo thời gian, từ đầu đến cuối quá trình sấy phụ thuộc rất nhiều độ ẩm của vật sấy, nên giá trị wTB không thể làm cơ sở để tính lưu lượng không khí cần đối lưu Giá trị chọn để tính toán : WTT = 2.WTB = 2x8,3 = 16,6 kg/h

♣) Thông số của môi trường ngoài:

- Phân áp suất bảo hoà Pbm theo công thức Antoine

42 4026

Ck , Ca – Nhiệt dung riêng của không khí khô và ẩm

r - nhiệt hoá hơi phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất khí quyển

Im = 1,004 30 +0,0227 ( 2500 + 1,842 30 ) = 88,11 kJ/kgkk khô

t1(0C) Pb1 (bar) ϕ1 (%) d1(kg ẩm/kgkk I1(kJ/kgkk)

♣) Thông số của tác nhân sấy sau khi đi qua thiết bị tách ẩm

Tương tự như cách tính trên, kết quả tính toán cho ở bảng sau:

T4(0C) Pb4(bar) ϕ4(%) D4(kg ẩm/kgkkk) I4(kJ/kgkkk) Cdx(d4)

* Công thức tính nhiệt dung riêng trên cơ sở 1kg vật liệu khô hay còn gọi là nhiệt dung riêng dẫn xuất Cdx(d4) [15]

- Nhiệt dung riêng dẫn xuất Cdx(d4):

Cdx(d4) = Ck + Ca d4 (6-2)

Cdx(d4) = 1,004 + 1,82 0,0148 = 1,03 kJ/kg k

Ck - nhiệt dung riêng của không khí khô kJ/kgk

Ca - nhiệt dung riêng của hơi nước kJ/kg ẩm

♣) Thông số của tác nhân sấy sau quá trình sấy lý thuyết

Nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi hầm sấy t2 càng nhỏ càng tiết kiệm về mặt nhiệt lượng, do độ ẩm sản phẩm ban đầu cao nên giai đầu của chu kỳ sấy độ ẩm

ϕ2 của tác nhân sấy sau qua trình sấy cao nên nhiệt độ t2 chênh khá nhiều so với nhiệt độ đầu vào t1 Ta chọn t2 = 290C

Tương tự như cách tính trên, kết quả tính toán cho ở bảng sau:

842.12500

))(

(

t

t t d

)0,2950.(

03,

+

ư

kg ẩm/kgkkk Nhận xét: độ ẩm của tác nhân sấy ra khỏi hầm sấy ϕ3 luôn là giá trị thay đổi, ban đầu khi độ ẩm của sản phẩm cao nên ϕ3 khoảng 70% và giảm dần khi độ

ẩm của sản phẩm giảm Cuối quá trình sấy ϕ3 khoảng 15%, mặt khác nhiệt độ

t2 tăng dần đến giai đoạn cuối chênh so với t1 khoảng ∆t = 30Cữ 50C Như vậy

ϕ3 nằm trong khoảng: 15 <ϕ3<70%

♣) Lượng không khí khô lí thuyết

10 = 135,13

0149,0023,0

11

1 20

L0 = 10 WTT = 135,13 16,6 = 2.243,24 (kgkk/h) (9-2)

♣) Lưu lượng thể tích tác nhân trung bình trong buồng sấy

- Lưu lượng tác nhân tại đầu vào

Với nhiệt độ t1= 500C, ϕ1 = 19% tra bảng ta có v = 0,895m3/kg

, 007 2 2

3 2

c) Tính nhiệt của quá trình sấy thực (có kể đến tiêu hao năng lượng)

♣) Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy: Q 1

- Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy khi ra khỏi buồng sấy:

♣) Tổn thất nhiệt do khay và giá đỡ khay: Q 2

Khay và giá đỡ khay chọn vật liệu làm bằng inốc Nhiệt độ ra khỏi

buồng sấy của khay, giá lấy bằng nhiệt độ tác nhân sấy 500C , Nhiệt độ

môi trường chọn trung bình tm = 300C Thiết kế buồng sấy gồm: 05

khay, khay và giá đỡ khay làm bằng inốc có trọng lượng Gk,g = 12kg

Q2 = Gk,g.Ck,g( t1- tm) (14-2)

Q2 = 12 0,51.( 50-30) = 122,4 kJ

q2 = Q2/WTT = 122,4 / 0,605 = 202,3 kJ/kg ẩm

♣) Tổn thất nhiệt ra môi trường ngoài do bao che: Q 3

Trao đổi nhiệt của không khí lưu thông trong buồng sấy với vật ẩm là trao

đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức, bên ngoài buồng sấy trao đổi nhiệt giữa vách hầm với môi trường ngoài là đối lưu tự nhiên với dòng chảy đều

+) Tính nhiệt độ dòng chảy qua vách

Nhiệt độ trung bình trong buồng sấy:

tf1 = 0,5 (t1 + t2) = 0,5 (50 + 29) = 39,50C

Ta giả thiết nhiệt độ vách trong buồng sấy: tw1= 39,140C

Theo giả thiết, tốc độ của tác nhân sấy chuyển động qua tiết diện tự do trong buồng sấy là ω = 0,45m/s Hệ số toả nhiệt đối lưu cưỡng bức của tác nhân sấy

q3 = Q3 / WTT = 26,82 / 0,605 = 44,3 kJ/kg ẩm

F1 - Diện tích vách buồng sấy, m2

♣) Tổng tổn thất của buồng sấy

i

t t d

C dx

(18-2)

713)29.842.12500(

)2950(03,

++

ư

(kgẩm/kgkkk)

Nhận xét ϕ2 = 84% nằm trong khoảng cho phép 85% < ϕ < 95% thoả mãn

điều kiện nhiệt lượng do tác nhân sấy mang đi vừa đảm bảo không xẩy ra hiện tượng đọng sương trên bề mặt vật liệu sấy

♣) Lượng tác nhân sấy trong sấy thực

8 , 140 0149 , 0 022 , 0

1 1

1

1 2