Tính toán, thiết kế hệ thống sấy năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt

Vì vậy, sự kết hợp của phương pháp sấy bằng năng lượng bức xạ mặt trời và bơm nhiệt có thể là giải pháp để giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm và tận dụng được nguồn năng

LỜI CẢM ƠN

Sau bốn năm học tại trường Đại học Nha Trang, đến nay tôi đang ở trong giai đoạn cuối của chương trình đào tạo tại trường và hoàn thành đồ án tốt nghiệp đại học

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ vô cùng quý giá

từ Ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi, cùng sự chỉ bảo, sẵn sàng giúp đỡ của các Thầy Cô trong bộ môn Kỹ thuật Nhiệt – Lạnh Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí cùng toàn thể các Thầy, Cô giáo đã tham gia giảng dạy tôi trong suốt bốn năm qua

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, lời biết ơn sâu sắc tới Thầy Trần Đại Tiến

đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Cha, Mẹ, các Anh Chị, và tất cả những người bạn

đã giúp tôi suốt chặng đường học tập cũng như suốt thời gian làm đề tài tốt nghiệp, đã cho tôi động lực để hoàn thành khóa học và đề tài tốt nghiệp của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Nha Trang, tháng 6 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Mạnh Thảo

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, BƠM NHIỆT, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2

1 Tổng quan về sấy 2

1.1 Quá trình sấy 2

1.1.1 Khái niệm 2

1.1.2 Mục đích 2

1.2 Đặc điểm quá trình sấy 2

1.2.1 Giai đoạn làm nóng 3

1.2.2 Giai đoạn sấy tốc độ không đổi 3

1.2.3 Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần 3

1.3 Khuếch tán nước trong nguyên liệu 4

1.3.1 Sự khuếch tán của nước trong nguyên liệu 4

1.3.2 Khuếch tán ngoại 5

1.3.3 Khuếch tán nội 6

1.3.4 Mối quan hệ giữa khuếch tán ngoại và khuếch tán nội 6

1.4 Một số nhân tố ảnh hưởng tốc độ sấy 7

1.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí 7

1.4.2 Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động không khí 8

1.4.3 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của không khí 8

1.4.4 Kích thước của nguyên liệu: 9

1.5 Những biến đổi của nguyên liệu trong quá trình làm khô 9

1.5.1 Những biến đổi cảm quan: 9

1.5.2 Những biến đổi về hóa học: 10

2 Sấy năng lượng mặt trời 11

2.1 Sơ lược về mặt trời 11

2.2 Ứng dụng vào lĩnh vực sấy 14

3 Sấy bằng bơm nhiệt 19

3.1 Sợ lược về hệ thống bơm nhiệt 19

3.2 Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt 20

3.3 Các công trình ứng dụng bơm nhiệt trong sấy 21

3.3.1 Các tác giả trong nước 21

3.3.2 Các tác giả nước ngoài 22

4 Chọn phương án thiết kế 26

4.1 Sấy bơm nhiệt 26

4.2 Sấy bức xạ mặt trời kết hợp đối lưu 28

4.3 Sấy năng lượng mặt trời kết hợp với tách ẩm từ dàn lạnh 29

4.4 Sấy năng lượng bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt 31

CHƯƠNG II TÍNH THIẾT KẾ VÀ CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG SẤY 33

1 Tính kích thước hệ thống sấy 33

2 Tính toán nhiệt quá trình sấy 34

2.1 Đồ thị sấy 35

2.2 Xác định các điểm nút trên đồ thị I-d quá trình sấy 36

2.3 Tính thời gian sấy 37

2.4 Tính toán nhiệt quá trình 38

2.4.1 Xác định lượng ẩm bốc hơi 38

2.4.2 Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm 39

2.4.3 Lượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm 39

2.4.4 Năng suất của quạt gió:( Vq) 39

2.4.5 Nhiệt lượng bức xạ mặt trời 40

2.4.6 Tổn thất nhiệt 41

2.4.7 Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy để làm bay hơi 1 kg ẩm 41

3 Tính và chọn các thiết bị cho bơm nhiệt 42

3.1 Sơ đồ và chu trình của bơm nhiệt 42

3.2 Chọn môi chất lạnh 44

3.3 Tính chọn công suất máy nén lạnh cho bơm nhiệt 44

3.4 Tính chọn dàn ngưng 47

3.5 Tính chọn dàn bay hơi 54

3.6 Tính và điều chỉnh chiều dài ống mao 60

3.7 Chọn quạt cho hệ thống 61

3.8 Chọn đường ống dẫn môi chất 62

CHƯƠNG 3 LẮP ĐẶT, CHẠY THỬ VÀ ĐIỀU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT 64

1 Chuẩn bị vật tư, thiết bị và lắp đặt 64

1.1 Chuẩn bị vật tư, thiết bị 64

1.2 Tiến hành lăp đặt 66

CHƯƠNG 4 TRANG BỊ TỰ ĐỘNG HÓA, VẬN HÀNH HỆ THỐNG SẤY 80

1 Mạch động lực 80

2 Hệ thống tự động hóa 80

3 Vận hành hệ thống 83

3.1 Sấy ở chế độ bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt 83

3.2 Sấy bức xạ mặt trời kết hợp đối lưu 83

3.3 Sấy bức xạ mặt trời kết hợp làm lạnh tách ẩm 84

3.4 Sấy bằng bơm nhiệt 84

CHƯƠNG 5 THỬ NGHIỆM MỘT SỐ SẢN PHẨM SẤY 85

1 Xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy 87

2 Chất lượng cảm quan 89

3 Tỉ lệ hút ẩm 92

4 Mức tiêu hao năng lượng cho 1 kg sản phẩm sấy 92

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Máy sấy cà phê bằng năng lương mặt trời 15

Hình 1.2 Máy sấy thóc năng lượng mặt trời 16

Hình 1.3 Máy sấy gỗ bằng năng lượng mặt trời 16

Hình 1.4 Nguyên lí làm việc của hệ thống sấy năng lượng mặt trời đơn giản 17

Hình 1.5 Máy sấy năng lượng mặt trời kết hợp đối lưu để sấy thủy sản 18

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt đơn giản 19

Hình 1.7 Sơ đồ thiết kế dự kiến 26

Hình 1.8 Đồ thị I –d sấy bơm nhiệt 27

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lí hệ thống sấy bơm nhiệt 27

Hình 1.10 Đồ thị I – d sấy bức xạ kết hợp đối lưu 28

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý sấy bức xạ kết hợp đối lưu 29

Hình 1.12 Đồ thị I – d sấy bức xạ mặt trời kết hợp tách ẩm dàn lạnh 30

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý sấy bức xạ mặt trời kết hợp tách ẩm dàn lạnh 30

Hình 1.14 Đồ thị I – d sấy bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt 31

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý sấy bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt 32

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống sấy bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt 34

Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn quá trình sấy 35

Hình 2 3 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt 42

Hình 2.4 Chu trình làm việc bơm nhiệt 43

Hình 2.5 Kích thước dàn ngưng 53

Hình 2.6 Kích thước dàn lạnh 60

Hình 3.1 Mặt chiếu bằng tầng 1 67

Hình 3.2 Mặt chiếu bằng tầng 2 và 3 67

Hình 3.3 Mặt chiếu đứng của khung đỡ 68

Hình 3.4 Bố trí thiết bị trên tầng 1 69

Hình 3.5 Mặt cắt bằng của cụm dàn lạnh, dành nóng và quạt 70

Hình 3.6 Hình chiếu mô phỏng khối thiết bị 70

Hình 3.7 Mặt bằng bố trí thiết bị tầng 2 71

Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống để đi đường gas 72

Hình 3.9 Kết cấu bao che của thiết bị 74

Hình 3.10 Mặt trước của dàn lạnh sau khi lắp tấm chắn 75

Hình 3.11 Cố định kính bằng bát V 76

Hình 3.11 Tấm đỡ của giá sấy 77

Hình 3.12 Giá sấy sản phẩm 77

Hình 3.13 Bố trí thiết bị trên tủ điện 78

Hình 3.14 Hệ thống sấy thực tế 79

Hình 3.15 Hệ thống sấy thực tế 79

Hình 4.1 Mạch điện động lực 80

Hình 4.2 Mạch điện điều khiển 81

Hình 5.1 Đồ thị đường cong sấy của các chế độ sấy 88

Hình 5.2 Đồ thị đường cong tốc độ sấy của các chế độ sấy 88

Hình 5.3 Mực sấy bức xạ kết hợp bơm nhiệt 89

Hình 5.4 Mực sấy bằng bơm nhiệt 90

Hình 5.5 Mực sấy bức xạ kết hợp đối lưu 90

Hình 5.6 Mực phơi nắng 90

Hình 5.7 Mực sấy bức xạ kết hợp tách ẩm từ dàn lạnh 91

Hình 5.3 Đồ thị biểu diễn chất lượng cảm quan của các sản phẩm sấy 91

Hình 5.4 Đồ thị biểu diễn tỉ lệ hút ẩm của các sản phẩm sấy 92

Hình 5.5 Đồ thị biểu diễn chi phí năng lượng cho 1 kg sản phẩm 93

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Các thông số trên đồ thị I-d 36

Bảng 2 Kết quả tính toán thời gian sấy 38

Bảng 3 Các thông số trạng thái trên đồ thị logP-i 46

Bảng 4 Vật tư chế tạo thiết bị 65

Bảng 5 Dụng cụ chế tạo thiết bị 65

Bảng 6 Thiết bị điện 66

Bảng 7 Khối lượng sắt vuông 66

Bảng 8 Giá trị dòng điện ở các chế độ sấy 74

Bảng 9.1 Kết quả sấy thực nghiệm của Mực 85

Bảng 9.2 Kết quả sấy thực nghiệm của mực 86

Bảng 9.3 Kết quả sấy thực nghiệm 87

Bảng 10 Mức tiêu hao năng lượng theo từng phương pháp 93

Bảng 11 Kết quả sấy thực nghiệm 94

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam là nước có sản lượng sản phẩm trong lĩnh vực nông, lâm, ngư nghiệp lớn, tuy nhiên chủ yếu ở dạng thô chưa chế biến nên thời gian bảo quản thấp, ảnh hưởng đến chất lượng và giá trị của sản phẩm

Hiện nay cũng có rất nhiều phương pháp để bảo quản và sấy là một trong số đó Trong sấy cũng có nhiều phương pháp khác nhau tùy thuộc vào từng loại sản phẩm và chất lượng theo yêu cầu Nhưng hiện nay vấn đề năng lượng và giá thành là phần rất qua trọng trong thời buổi hội nhập của Việt Nam trên trường quốc tế

Nước ta cũng được biết đến là quốc gia dồi dào về nguồn năng lượng bức xạ mặt trời với số giờ nắng trung bình hằng năm là trên 3000 giờ Từ xa xưa ông cha ta

đã biết cách tận dụng nguồn năng lượng vô tận đó để sấy có sản phẩm nông nghiệp và thủy sản, tuy nhiên hiệu quả lại không cao do phụ thuộc vào thời tiết, không khống chế được nhiệt độ… Do vậy chất lượng sản phẩm cũng giảm đi khá nhiều mà chi phí lao động tăng

Sấy bằng bơm nhiệt là phương pháp khá phổ biến hiện nay vì chi phí thấp mà chất lượng sản phẩm thu được khá tốt

Vì vậy, sự kết hợp của phương pháp sấy bằng năng lượng bức xạ mặt trời và bơm nhiệt có thể là giải pháp để giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm

và tận dụng được nguồn năng lượng sạch vô tận

Đề tài “ tính toán thiết kế hệ thống sấy năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt” nhằm hiện thực hóa phương pháp trên!

Dù đã rất cố gắng nhưng đề tài vẫn không tránh khỏi sai sót mong thầy cô thông cảm Em xin cảm ơn!

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, BƠM NHIỆT, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Quá trình sấy là quá trình làm khô các vật thể, các vật liệu, các sản phẩm bằng phương pháp bay hơi nước Như vậy, quá trình sấy khô một vật thể diễn biến như sau:

+ Nung nóng vật liệu từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ bầu ướt tương ứng với môi trường không khí xung quanh

+ Vận chuyển ẩm từ các lớp bên trong ra bên ngoài

+ Vận chuyển ẩm từ lớp bề mặt vật liệu ra môi trường bên ngoài

1.1.2 Mục đích

Sấy nhằm làm giảm bớt lượng nước có trong nguyên liệu qua đó ức chế được hoạt động của enzyme và vi sinh vật, kéo dài thời gian bảo quản Ngoài ra sấy để làm tăng hàm lượng chất khô, chất dinh dưỡng, tăng độ dẻo dai cho sản phẩm đồng thời giúp cho quá trình chế biến cũng như vận chuyển được dễ dàng

1.2 Đặc điểm quá trình sấy

Đặc điểm của quá trình sấy đối với vật thể có độ ẩm tương đối cao, nhiệt

độ sấy và tốc độ sấy chuyển động của không khí không quá lớn xảy ra theo ba

giai đoạn đó là giai đoạn làm nóng vật, giai đoạn sấy tốc độ không đổi, giai đoạn tốc độ sấy giảm dần Đối với các trường hợp sấy với điều kiện khác thì quá trình sấy cũng xảy ra ba giai đoạn nhưng các giai đoạn có thể đan xen khó phân biệt hơn Các giai đoạn sấy như sau:

1.2.1 Giai đoạn làm nóng

Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho tới khi nhiệt độ vật đạt được bằng nhiệt độ kế ước Trong quá trình sấy này toàn bộ vật được gia nhiệt Ẩm lỏng trong vật được gia nhiệt cho đến khi đạt được nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất hơi nước trong môi trường không khí trong buồng sấy Do được làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm chút do bay hơi ẩm còn nhiệt độ của vật thì tăng dần cho đến khi bằng nhiệt độ kế ước Tuy vậy, sự tăng nhiệt độ trong quá trình xảy ra không đều ở phần ngoài và phần trong vật Vùng trong vật đạt đến nhiệt độ kế ước chậm hơn Đối với vật dễ sấy thì giai đoạn này làm nóng vật xảy ra nhanh

1.2.2 Giai đoạn sấy tốc độ không đổi

Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ kế ước Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ hoá hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt cung cấp chỉ để làm hóa hơi Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật,

ẩm lỏng ở bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi Do nhiệt độ không khí nóng không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ giữa vật và môi trường cũng không đổi Điều này làm cho tốc độ giảm của độ chứa ẩm vật theo thời gian cũng không đổi, có nghĩa là tốc độ sấy không đổi

1.2.3 Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần

Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại trong vật là ẩm liên kết Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi có nghĩa là tốc độ sấy trong giai đoạn này nhỏ hơn và càng giảm đi theo thời gian sấy Quá trình sấy càng

tiếp diễn, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm của vật bằng độ ẩm cân bằng với điều kiện môi trường không khí ẩm trong buồng sấy thì quá trình thoát ẩm của vật ngưng lại, có nghĩa là tốc độ sấy bằng không

1.3 Khuếch tán nước trong nguyên liệu

1.3.1 Sự khuếch tán của nước trong nguyên liệu

Dưới sự ảnh hưởng của các nhân tố lý học như: hấp thụ nhiệt, khuếch tán bay hơi…làm nước trong vật liệu tách ra ngoài, đây là một quá trình rất phức tạp gọi là làm khô Nếu quá trình cung cấp nhiệt ngừng lại mà vẫn muốn duy trì quá trình sấy là quá trình làm khô vật liệu phải được cung cấp một lượng nhiệt nhất định để vật liệu có nhiệt độ cần thiết

Nhiệt cung cấp cho vật liệu Q được đưa tới bằng ba phương thức: bức xạ truyền dẫn và đối lưu Sự cân bằng nhiệt khi làm khô được biểu thị:

Q = Q 1 + Q 2 + Q 3

Trong đó:

Q: là nhiệt lượng cung cấp cho nguyên liệu

Q1: là nhiệt lượng làm cho các phần tử hơi nước tách ra khỏi nguyên liệu

Q2: là nhiệt lương cung cấp để cắt đứt mối liên kết giữa nước và đường trong

nguyên liệu

Q3: là nhiệt lượng để làm khô các tổ chức tế bào

Sau khi sấy khô còn phải tính đến nhiệt lượng làm nóng dụng cụ thiết bị

Q4 và nhiệt lượng hao phí ra môi trường xung quanh Q5 Trong quá trình làm khô nước ở trong vật liệu khuếch tán chuyển dần ra bề mặt nguyên liệu và môi trường xung quanh, làm cho không khí trong môi trường xung quanh ẩm lên, nếu không khí ẩm đó không được phân tán thì cho đến một

lúc nào đó quá trình sấy khô sẽ dừng lại

Khi nhiệt lượng cung cấp đủ cho nguyên liệu thì nước sẽ thoát ra khỏi nguyên liệu bằng hai quá trình: khuếch tán ngoại và khuếch tán nội

1.3.2 Khuếch tán ngoại

Sự chuyển động của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu vào không khí gọi là khuếch tán ngoại Lượng nước bay hơi do khuếch tán ngoại thực hiện được dưới điều kiện: áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt nguyên liệu E lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí e, sự chênh lệch áp suất

đó là:

∆P = E – e Lượng nước bay hơi đi W tỉ lệ thuận với ∆P, với bề mặt bay hơi F và thời gian

W: là lượng nước bay hơi (kg)

B: là hệ số bay hơi nước, nó phụ thuộc vào tốc độ gió, hướng gió và trạng thái bề mặt nguyên liệu

E: là áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt nguyên liệu

(mmHg) e: là áp suất riêng phần của hơi nước trong

không khí (mmHg) F: là diện tích bay hơi nước (m2

) t: là thời gian bay hơi (giờ)

1.3.3 Khuếch tán nội

Do sự chênh lệch độ ẩm giữa các lớp trong nguyên liệu tạo nên sự chuyển động của hàm ẩm ở trong nguyên liệu từ lớp khác để tạo sự cân bằng ẩm trong bản thân nguyên liệu Động lực của khuếch tán nội là sự chênh lệch về độ ẩm giữa các lớp trong và lớp ngoài, nếu sự chênh lệch độ ẩm càng lớn tức là gradian

độ ẩm càng lớn thì tốc độ khuếch tán nội xảy ra càng nhanh Ta có thể biểu thị tốc độ khuếch tán nội bằng phương trình:

W: lượng nước khuếch tán ra (kg)

t: thời gian khuếch tán (giờ)

1.3.4 Mối quan hệ giữa khuếch tán ngoại và khuếch tán nội

Khuếch tán ngoại và khuếch tán nội có mối liên quan mật thiết với nhau, tức là khuếch tán ngoại có được tiến hành thì khuếch tán nội mới được tiếp tục

và như thế độ ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần

Trong quá trình sấy nếu khuếch tán nội lớn hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ nhanh, nhưng điều này rất ít gặp trong quá trình sấy Thông thường, khuếch tán nội của nguyên liệu thường nhỏ hơn tốc độ bay hơi trên bề mặt Khi khuếch tán nội nhỏ hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ gián đoạn vì thế điều chỉnh khuếch tán nội sao cho phù hợp với khuếch tán ngoại là vấn đề rất quan trọng trong quá trình sấy

Trong quá trình làm khô, ở giai đoạn đầu lượng nước trong nguyên liệu nhiều, sự chênh lệch độ ẩm lớn, do đó khuếch tán nội thường phù hợp với khuếch tán ngoại nên tốc độ làm khô tương đối nhanh Nhưng, ở giai đoạn cuối thì lượng nước còn lại trong nguyên liệu ít, tốc độ bay hơi bề mặt nhanh mà tốc

độ khuếch tán nội chậm lại tạo thành một màng cứng làm ảnh hưởng rất lớn cho quá trình khuếch tán nội Vì vậy làm ảnh hưởng đến quá trình làm khô nguyên liệu

Sự dịch chuyển của nước trong quá trình làm khô trước hết là nước tự do sau đó mới đến nước liên kết Trong suốt quá trình làm khô, lượng nước tự do luôn giảm xuống Lượng nước trong nguyên liệu dịch chuyển dưới hai hình thức

là thể lỏng và thể hơi do phương thức kết hợp của nước trong nguyên liệu quyết định

1.4 Một số nhân tố ảnh hưởng tốc độ sấy

1.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí

Trong các điều kiện khác nhau không đổi như độ ẩm không khí, tốc độ gió ,việc nâng cao nhiệt độ sẽ làm tăng nhanh tốc độ làm khô do lượng nước trong nguyên liệu giảm xuống càng nhiều Nhưng tăng nhiệt độ cũng ở giới hạn cho phép vì nhiệt độ làm khô cao sẽ làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, dễ làm cho nguyên liệu bị chín và gây nên sự tạo màng cứng ở lớp bề ngoài Nhưng với nhiệt độ làm khô quá thấp, dưới giới hạn cho phép thì quá trình làm khô sẽ chậm lại dẫn đến sự thối rữa, huỷ hoại nguyên liệu Nhiệt độ sấy thích hợp được xác định phụ thuộc vào nguyên liệu béo hay gầy, kết cấu tổ chức của cơ thịt và đối với các nhân tố khác Đối với nguyên liệu gầy người ta làm khô ở nhiệt độ cao hơn nguyên liệu béo Khi sấy ở những nhiệt độ khác nhau thì nguyên liệu có những biến đổi khác nhua ví dụ: nhiệt độ sản phẩm trong quá trình sấy cao hơn 600C thì protein bị biến tính, nếu trên 900C thì fructose bắt đầu caramen hóa các phản ứng tạo ra melanoidin tạo polyme cao phân tử có chứa N và không chứa N, có màu và mùi thơm xảy ra mạnh mẽ Nếu

nhiệt độ cao hơn nữa thì nguyên liệu có thể bị cháy làm mất giá trị dinh dưỡng

và mất giá trị cảm quan của sản phẩm

Quá trình làm khô tiến triển, sự cân bằng của khuếch tán nội và khuếch tán ngoại bị phá vỡ, tốc độ khuếch tán ngoại lớn nhưng tốc độ khuếch tán nội thì chậm lại dẫn đến hiện tượng tạo vỏ cứng ảnh hưởng đến quá trình làm khô

1.4.2 Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động không khí

Tốc độ chuyển động của không khí có ảnh hưởng lớn đến quá trình sấy, tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ đều không có lợi cho quá trình sấy Vì vậy, tốc độ chuyển động của không khí quá lớn khó giữ nhiệt lượng trên nguyên liệu để cân bằng quá trình sấy, còn tốc độ quá nhỏ sẽ làm cho quá trình sấy chậm lại, dẫn đến sự hư hòn sản phẩm, mặt ngoài sản phẩm sẽ lên mốc gây thối rữa tạo thành lớp dịch nhầy có mùi, vị khó chịu Vì vậy, cần phải có một tốc độ gió thích hợp, nhất là giai đoạn đầu của quá trình làm khô

Hướng gió cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm khô, khi hướng gió song song với bề mặt nguyên liệu thì tốc độ làm khô rất nhanh Nếu hướng gió thổi tới nguyên liệu với góc 450 thì tốc độ làm khô tương đối chậm, còn thổi thẳng vuông góc với nguyên liệu thì tốc độ làm khô rất chậm

1.4.3 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của không khí

Độ ẩm tương đối của không khí cũng là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình làm khô, độ ẩm của không khí càng lớn quá trình làm khô sẽ chậm lại Các nhà Bác học Liên Xô cũ và các nước trên thế giới đã chứng minh là: độ ẩm tương đối của không khí lớn hơn 65% thì quá trình sấy sẽ chậm lại rõ rệt, còn độ ẩm tương đối của không khí khoảng 80% trở lên thì quá trình làm khô sẽ dừng lại và bắt đầu hiện tượng ngược lại, tức là nguyên liệu sẽ hút ẩm trở lại

Để cân bằng ẩm, khuếch tán nội phù hợp với khuếch tán ngoại và tránh được hiện tượng tạo màng cứng, người ta áp dụng phương pháp làm khô gián đoạn

là vừa sấy vừa ủ

Làm khô trong điều kiện tự nhiên khó đạt được độ ẩm tương đối của không khí 50% đến 60% do nước ta có khí hậu nhiệt đói thường có độ ẩm cao Do đó, một trong những phương pháp để làm giảm độ ẩm của không khí

có thể tiến hành làm lạnh cho hơi nước ngưng tụ lại, đồng thời hàm ẩm tuyệt đối của không khí dưới điểm sương hơi nước sẽ ngưng tụ, đồng thời hàm ẩm tuyệt đối của không khí cũng được hạ thấp Như vậy, để làm khô không khí người ta thường áp dụng phương pháp làm lạnh

1.4.4 Kích thước của nguyên liệu:

Nguyên liệu càng bé và càng mỏng thì tốc độ sấy càng nhanh

Trong những điều kiện khác như nhau thì tốc độ sấy tỉ lệ thuận với diện tích bề mặt S và tỉ lệ nghịch với chiều dày của nguyên liệu S

1.5 Những biến đổi của nguyên liệu trong quá trình làm khô

1.5.1 Những biến đổi cảm quan:

-Biến đổi về khối lượng và thể tích: Khi làm khô do nước trong nguyên liệu mất đi cho nên khối lượng giảm, thể tích bị co rút lại Sự giảm khối lượng và thể tích của nguyên liệu đúng ra bằng khối lượng và thể tích của nước mất đi nhưng thực tế lại nhỏ hơn Nguyên nhân là do quá trình làm khô sản phẩm bị oxy hóa làm cho khối lượng có tăng lên chút ít đồng thời tổ chức

cơ thịt cá là thể keo xốp cho nên khi nước mất đi, các khoảng trống của mô

cơ vẫn tồn tại hoặc chỉ co rút phần nào nên thể tích co rút nhỏ hơn thể tích nước mất đi

-Biến đổi về màu sắc: Trong quá trình làm khô màu sắc, mùi vị của sản phẩm bị biến đổi nhiều so với nguyên liệu ban đầu Nguyên nhân là do mất nước làm nồng độ sắc tố trên một đơn vị thể tích tăng lên dẫn đến sản phẩm

có màu sẫm hơn Đồng thời nếu chế độ làm khô không hợp lý như nhiệt độ quá cao, lipid bị oxy hóa làm sản phẩm có màu sẫm, mùi ối khét khó chịu Vì

vậy phải chọn chế độ làm khô hợp lý sản phẩm có màu đẹp, mùi thơm

-Biến đổi trạng thái, tổ chức cơ thịt của nguyên liệu: Trong quá trình làm khô do mất nước nên kết cấu tổ chức cơ thịt chặt chẽ hơn, khi ăn có cảm giác dai hơn, cứng hơn Sự biến đổi kết cấu cơ thịt phụ thuộc vào phương pháp làm khô

Nếu sấy ở điều kiện áp lực thường thì quá trình làm khô chậm, tổ chức

cơ thịt co rút nhiều, khả năng phục hồi trạng thái ban đầu kém Ngược lại khi sấy ở điều kiện chân không đặc biệt là sấy chân không thăng hoa thì cấu trúc của cơ thịt ít bị biến đổi, mức độ hút nước của sản phẩm tốt Vì vậy nó có khả năng phụ hồi lại gần như trạng thái ban đầu

1.5.2 Những biến đổi về hóa học:

- Sự thủy phân và oxy hóa lipid:

+ Sự thủy phân lipid: Trong quá trình làm khô đặc biệt là ở giai đoạn đầu có thể xảy ra quá trình thủy phân lipid tạo thành glyceril và acid béo làm giảm chất lượng sản phẩm

+ Oxy hóa lipid: Trong quá trình làm khô các acid béo, đặc biệt là các acid béo không no dễ bị hóa tạo thành các sản phẩm trung gian như: peroxyd, hydroperoxyd, rồi tạo ra aldehyd, cetol…làm cho sản phẩm có mùi ôi khét khó chịu và có màu sẫm tối Mức độ oxy hóa lipid phụ thuộc vào phương pháp làm khô, nhiệt độ, thời gian làm khô và bản thân nguyên liệu

- Sự đông đặc và biến tính của protein:

Khi làm khô ở áp lực thường, sự đông đặc và biến tính của protein phụ thuộc vào nguyên liệu Nếu nguyên liệu đã được gia nhiệt thì protein

ít bị biến đổi vì nó đã biến đổi từ trước Đối với nguyên liệu ướp muối nếu điều kiện làm khô không tốt thì protein bị biến đổi nhiều Đặc biệt đối với nguyên liệu tươi chưa qua xử lý nhiệt hoặc chưa ướp muối

Protein ở trong nguyên liệu tồn tại chủ yếu ở hai dạng: myozin và

myozen Nhiệt độ đông đặc của chúng là 55-600C Khi làm khô ở điều kiện thường các protein này bị đông đặc chuyển từ trạng thái có tình đàn hồi sang trạng thái keo kết tủa làm mất tính đàn hồi của cơ thịt

Biến đổi thành phẩm chất ngấm ra: Chất ngấm ra trong quá trình làm khô biến đổi rất nhiều, đặc biệt là đối với nguyên liệu còn tươi Sự biến đổi của chất ngấm ra sẽ tạo nên mùi vị đặc trưng cho sản phẩm khô Vì vậy làm khô nhanh chóng là biện pháp tích cực làm giảm bớt tổn thất của chất ngấm ra

2 Sấy năng lượng mặt trời

2.1 Sơ lược về mặt trời

Năng lượng bức xạ mặt trời:

Mặt trời là một khối hình cầu, có đường kính 1.39.106 km Nó tự quay quanh trục và mỗi vòng quay ở xích đạo là 27 ngày đêm, còn ở các cực là 30 ngày đêm

Nhiệt độ trên bề mặt của mặt trời là 5726 0K, nhiệt độ ở trung tâm thay đổi từ 8.106 đến 40.106 0K

Mặt trời cách xa trái đất khoảng (1.5 ± 1.7%).108 km Có thể coi đây là một lò phản ứng nhiệt hạch khổng lồ, biến H2 thành He và năng lượng phát ra trong một giây là 4.1023 KW ≈ 2.1026 cal/s Năng lượng mặt trời phát ra trong một năm tương đương với đốt 400.000 tỷ tấn than đá Quả đất chúng ta chỉ nhận được 0.05% tổng năng lượng đó

Năng lượng mặt trời phát ra dưới dạng sóng điện từ và truyền qua chân không nên không bị suy giảm Nó chỉ yếu đi khi đi qua vùng khí quyển bao bọc xung quanh trái đất

Các thành phần của bức xạ mặt trời:

Bức xạ mặt trời phát ra những tia truyền thẳng về mọi phía trong không gian Khi đi qua lớp khí quyển một số tia bức xạ va chạm với các phân tử khí,

các hạt bụi hoặc với những đám mây nên đường đi của chúng bị thay đổi và một phần năng lượng bị mất đi, do đó một vật trên mặt đất nhận được các loại bức xạ:

- Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là trực xạ B

- Các tia phản xạ từ các vật khác trong không gian gọi là tán xạ D

- Tổng hợp các tia gọi là tổng xạ G = B + D

Cường độ bức xạ mặt trời:

Mặt trời là nguồn bức xạ phát ra nhiều sóng có quang phổ liên tục, gần ½ tổng năng lượng bức xạ mặt trời ở vùng quang phổ với bước sóng 400-760  Một phần năng lượng tới mặt đất dưới dạng tia tử ngoại có bước sóng 290-400 

Một phần khá lớn nằm trong vùng tia hồng ngoại có bước sóng trên 760 

Cường độ bức xạ mặt trời là mật độ bức xạ chiếu tới mặt đất trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian được biểu thị bằng cal/cm2 phút hay W/m2 khi bức xạ chiếu thẳng góc với vật đen hấp phụ hoàn toàn năng lượng đó

Nếu mặt trời không ở thiên đỉnh thì năng lượng chiếu xuống sẽ nhỏ hơn Nếu S là năng lượng chiếu trực giao thì khi chiếu xiên là S’ và góc hợp bởi tia chiếu với mặt phẳng ngang là α thì: S’ = S.sin α

Khi đi qua lớp khí quyển, bức xạ mặt trời bị biến đổi nhiều, một phần bị hấp phụ và khuếch tán bởi khí quyển và mây nên cường độ bức xạ bị giảm đi

Trong khí quyển bức xạ mặt trời bị hấp thụ chủ yếu là hơi nước, CO2,

O2 và bụi

Mặt trời càng lên cao thì đường đi của tia sáng càng rút ngắn Khi cự li giữa mặt trời và quả đất là trung bình thì cường độ bức xạ của mặt trời lúc chiếu vào biên giới lớp khí quyển của quả đất gọi là hằng số mặt trời Cường độ bức

xạ mặt trời lúc đó là 1.88cal/cm2 phút Nhưng khi bức xạ mặt trời đi vào lớp khí quyển có nhiều bụi do sự hút và tán xạ nên cường độ bức xạ giảm đi nhiều

Cường độ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào độ trong suốt của khí quyển

và vị trí quan trắc Một vài trị số trung bình ở các vị trí chiếu khác nhau của tia nắng như sau:

Góc chiếu là: 50 thì cường độ bức xạ là 0.39 cal/cm2 phút

Tình hình phân bố bức xạ và giờ nắng ở nước ta:

Nước ta thuộc vùng khí hậu nhiệt đới trải dài từ vĩ độ 23N đến 8N Chế độ bức xạ mặt trời và chế độ nắng khác nhau rõ rệt tùy theo điều kiện địa hình có núi non ngăn cách và chế độ gió mùa tạo nên mây mưa của các vùng lãnh thổ khác nhau trong năm

và theo mùa

Phân bố tổng xạ và giờ nắng trong năm của Việt Nam như sau:

Vùng lãnh thổ Tổng số giờ nắng trong năm Miền núi cực Bắc nhỏ hơn 1500 giờ

Tây Bắc và khu 4 cũ trở ra nhỏ hơn 1750 giờ

Trung Nam bộ 1750 - 2000 giờ

Nam Trung bộ và Nam bộ 2000 - 2500 giờ

2.2 Ứng dụng vào lĩnh vực sấy

a) Trong sấy nông sản Trong kỹ thuật sấy hiện nay NLMT được ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh nông nghiệp để sấy các sản phẩm như ngũ cốc, thực phẩm nhằm giảm tỷ

lệ hao hụt và tăng chất lượng sản phẩm Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn được dùng để sấy các loại vật liệu như gỗ

Trong nước đã có rất nhiều đề tài về sử dụng năng lượng mặt trời để sấy nông sản, điển hình như máy sấy cà phê bằng năng lượng mặt trời của TS Mai Thanh Phong, trường đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Hình 1.1 Máy sấy cà phê bằng năng lương mặt trời Hay là máy sấy năng lượng mặt trời dùng để sấy thóc do Chương trình Đối

tác – Đổi mới sáng tạo Việt Nam – Phần Lan do Bộ Khoa học và Công nghệ

phối hợp thực hiện

Hình 1.2 Máy sấy thóc năng lượng mặt trời

Và rất nhiều các hệ thống do người nông dân, các doanh nghiệp chế tạo để

sấy các loại nông sản khác…

Hình 1.3 Máy sấy gỗ bằng năng lượng mặt trời

Để chế tạo các hệ thống sấy bằng năng lượng mặt trời mà hiệu quả người

nông dân thường dựa vào nguyên lí sau:

Hình 1.4 Nguyên lí làm việc của hệ thống sấy năng lượng mặt trời đơn giản

1- Ánh sáng mặt trời chiếu xuống xuyên qua “Mặt kính hay tấm trong suốt”

2- Gặp vật màu đen là “Tấm tôn sơn đen” đặt bên trong “Buồng thu năng lượng”

là một dạng bẫy nhiệt, khiến cho tấm tôn nóng lên

3- Không khí bên trong buồng thu năng lượng nóng lên sẽ giãn nở và bay lên trên

đi vào “Buồng sấy”, sự di chuyển của không khí tạo ra một luồng khí khiến cho

không khí mới đi vào thông qua ô “không khí đi vào” và tiếp tục bị hun nóng bởi cái bẫy nhiệt

4- Không khí nóng đi vào Buồng sấy và đi xuyên qua khay lưới chứa vật cần sấy

và mang hơi ẩm thoát ra khỏi “Lỗ thông thoáng”

b) Trong sấy thủy sản

NLMT ngoài việc ứng dụng rộng rãi trong sấy nông sản nh ư cà phê, ca

cao, tiêu, lúa… nó còn được ứng dụng trong sấy các sản phẩm thủy sản có hàm

l ượng nước cao hơn như cá, mực …

- Cụ thể công ty cổ phần Đại Thuận – Chi nhánh Lương Sơn, thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa đã xây dựng lắp ghép các phòng sấy sử dụng NLMT để sấy khô các sản phẩm như: cá ghim khô, cá bò da khô, cá hố khô

NLMT thì hệ thống sấy sử dụng NLMT hoàn toàn chiếm ưu thế Giá thành đầu

tư và vận hành đã giảm rất nhiều, mang lại lợi ích kinh tế là vô cùng lớn

Bộ môn kỹ thuật lạnh Trường Đại Học Nha Trang đã chế tạo thiết bị sấy NLMT kết hợp đối lưu gió để sấy các sản phẩm thủy sản cho chất l ượng tương đối tốt

Hình 1.5 Máy sấy năng lượng mặt trời kết hợp đối lưu để sấy thủy sản

Ưu nhược điểm của sấy năng lượng mặt trời

* Ưu điểm :

- NLMT là nguồn năng lượng tự nhiên sạch, không mất tiền mua

- Chi phí vận hành, lắp đặt thiết bị sấy nhỏ, giá thành sản phẩm được hạ thấp tăng tính cạnh tranh của sản phẩm

- Bề mặt trao đổi nhiệt lớn, dòng nhiệt bức xạ từ mặt trời tới vật có mật

độ lớn (tới 1000 W/m2)

* Nhược điểm:

- Nhiệt độ thấp nên cường độ sấy không cao thời gian sấy dài dễ làm

sản phẩm biến đổi nhiều và dễ hư hỏng

- Không chủ động, phụ thuộc vào thời tiết

- Sản phẩm dễ bị ô nhiễm do bụi và sinh vật, vi sinh vật

- Không điều chỉnh được nhiệt độ và độ ẩm không khí

3 Sấy bằng bơm nhiệt

3.1 Sợ lược về hệ thống bơm nhiệt

a) Bơm nhiệt là gì?

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt đơn giản Bơm nhiệt ( heat pump) là thiết bị dùng để gom nhiệt từ môi trường và vận

chuyển nguồn nhiệt đó đến nơi cần phục vụ Ví dụ như: làm nước nóng, để sưởi, sấy…

3.2 Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt

Bơm nhiệt có quá trình phát triển lâu dài, bắt đầu từ khi Nicholas Carnot đề xuất những khái niệm chung đầu tiên Một dòng nhiệt thông thường di chuyển từ một vùng nóng đến một vùng lạnh, Carnot đưa ra lập luận rằng một thiết bị có thể được sử dụng để đảo ngược quá trình tự nhiên và bơm nhiệt sẽ điều chỉnh dòng nhiệt từ một vùng lạnh đến một vùng ấm hơn

Đầu những năm 1850, Lord Kelvin đã phát triển các lý thuyết về bơm nhiệt bằng cách lập luận rằng các thiết bị làm lạnh có thể được sử dụng để gia nhiệt Các nhà khoa học và các kỹ sư đã cố gắng chế tạo ra một bơm nhiệt nhưng không một mô hình nào thành công cho đến giữa những năm 30 khi những bơm nhiệt sử dụng theo mục đích cá nhân được lắp đặt Việc lắp đặt các bơm nhiệt gia tăng đáng kể sau thế chiến II, người ta nhận thấy rằng bơm nhiệt có thể được thương mại hóa nếu hoàn tất lý thuyết và đảm bảo chất lượng sản phẩm Sản phẩm bơm nhiệt đầu tiên được bán vào năm 1952

Từ khi xẩy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cở cho các ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên

thị trường Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa không khí, sấy, hút ẩm, đun nước…

3.3 Các công trình ứng dụng bơm nhiệt trong sấy

3.3.1 Các tác giả trong nước

Tác giả Phạm Văn Tùy và các công sự đã tiến hành nghiên cứu và đã ứng dụng thành công hệ thống bơm nhiệt để sấy lạnh kẹo Jelly, kẹo Chew, Caramel, kẹo Cứng… tại công ty bánh kẹo Hải Hà

Năm 1997, 1998 các tác giả đã thiết kế lần lượt hai hệ thống lạnh theo nguyên lý bơm nhiệt nhiệt độ thấp kiểu môđun Để sấy kẹo Jelly với năng suất

1100 kg/ngày và 1400 kg/ngày hiện nay vẫn còn được sử dụng cho phòng sấy lạnh số 2 và số 3 Nhà máy thực phẩm Việt Trì- Công ty cổ phần bánh kẹo Hải

Hà Thông số nhiệt độ không khí buồng sấy 22-280C, độ ẩm 30-40% Sơ đồ nguyên lý hệ thống như hình vẽ:

Một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây chuyền sản xuất kẹo Caramem của Cộng Hòa Liên Bang Đức cải tạo từ máy điều hòa không khí cũ cho phân xưởng kẹo caramem và hệ thống bơm nhiệt hút ẩm công suất lạnh 120.000 Btu/h

sử dụng 4 máy lạnh Trane TTK 530 công suất mỗi máy là 30.000 Btu/h hiện nay đang sử dụng cho phòng bao gói kẹo cứng thuộc Xí nghiệp Công ty CP Bánh kẹo Hải Hà đã được lắp đặt từ năm 1999

Qua thực tế sử dụng, thấy rằng ngoài ưu điểm rẻ tiền (giảm khoảng 50% vốn đầu tư) và tiết kiệm năng lượng (điện năng tiêu thụ giảm gần 50%) so với phương án dùng máy hút ẩm, các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh này hoạt động ổn định, liên tục và giảm chi phí bảo dưỡng Tuy nhiên, nó còn có nhược điểm là cồng kềnh, sử dụng nhiều quạt và động cơ xen kẽ, trong hệ thống nhiều bụi bột nên phải bảo dưỡng động cơ lại phải thực hiện trong không gian hẹp, khó thao tác

Để khắc phục những nhược điểm trên năm 2005 nhóm tác giả đã thiết kế chế tạo máy sấy lạnh cho phòng sấy lạnh số 1 theo nguyên lý bơm nhiệt kiểu nguyên khối BK-BSH18A

So với công nghệ dùng các bơm nhiệt kiểu mô đun thì BK-BSH18A có thiết bị xử lý không khí được chế tạo dạng tổ hợp gọn có thể đặt ngoài nhà, trong nhà hay trong buồng sấy và tốc độ không khí có thể thay đổi để phù hợp với yêu cầu của vật liệu sấy khác nhau

Việc sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp để hút ẩm và sấy lạnh có nhiều ưu điểm và rất có khả năng ứng dụng rộng rãi trong điều kiện khí hậu nóng ẩm phù hợp với thực tế tại Việt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật đáng kể Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những sản phẩm cần giữ trạng thái, màu, mùi, chất dinh dưỡng và không cho phép sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ gió lớn Các hệ thống hút ẩm và đặc biệt là các hệ thống sấy lạnh có cấu trúc luôn thay đổi phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu sấy, cấu trúc của dàn lạnh sử dụng, … nên không

có một cấu trúc chung cho tất cả các đối tượng sấy, tuy nhiên vẫn có chung nguyên tắc và phương pháp tính toán thiết kế Do đó, cần phải tiếp tục những nghiên cứu cơ bản, đầy đủ về các quá trình, các giới hạn kỹ thuật và các vấn đề

tự động điều chỉnh không chế liên hoàn nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy cũng như của vật liệu sấy

3.3.2 Các tác giả nước ngoài

Macio N Kohayakawa và các công sự đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như: vận tốc gió Var, chiều dày của vật liệu L đến hệ số khuếch tán quá trình sấy Def trong hệ thống sấy xoài bằng bơm nhiệt Môi chất lạnh sử dụng trong hệ thống là R22

Hệ thống sấy xoài sử dụng hai dàn ngưng trong để gia nhiệt cho không khí Nhiệt độ không khí trong quá trình thí nghiệm thay đổi từ 40oC đến 56oC Vận tốc gió thay đổi từ 1,6 m/s đến 4,4 m/s, chiều dày vật liệu sấy thay đổi từ 5,8

mm đến 14,2 mm Khối lượng vật liệu sấy ở mỗi mẽ là 300g, thời gian sấy là

8h/mẻ Dựa vào các quan hệ lý thuyết tính toán hệ số khuếch tán, sử dụng phương pháp quy hoạch trực giao và kết hợp với số liệu thực nghiệm, các tác giả

đã xây dựng được phương trình hồi qui xác định hệ số khuếch tán Def như sau:

Def=4,2625 - 0,61922.Var + 0,380538.Var2 + 1,012517.L – 0,90343.Var.L (1.1)

Phương trình (1.1) cho thấy rằng ảnh hưởng đồng thời của hai thông số cũng như mức độ ảnh hưởng của chúng đến hệ số khuếch tán Def Ở đây, ảnh hưởng của tốc độ gió Var là lớn nhất, sau đó đến chiều dày của vật liệu sấy Phương trình (1.1) cũng cho biết ảnh hưởng lẫn nhau giữa hai thông số thông qua mối liên hệ chéo nhau giữa chúng Tuy nhiên, phương trình này không đề cập đến ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm sấy mặc dù ảnh hưởng của chúng là lớn đến

hệ số khuếch tán Điều này cũng được chính tác giả khẳng định trong nghiên cứu của mình Do vậy, cần có những nghiên cứu đánh giá về ảnh hưởng của các yếu

tố này

Phani K.Adapa, Greg J.Schoenau và Shahab Sokhansanj đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình sấy bằng bơm nhiệt đối với các vật liệu đặc biệt Các tác giả đã tiến hành thiết lập các quan hệ tính toán lý thuyết quá trình sấy lớp mỏng Các tác giả đã thiết lập phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng chất, truyền nhiệt và truyền ẩm giữa vật liệu và không khí cho một phân tố thể tích vật liệu sấy như sau:

- M : độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy tại thời điểm t

- Me : độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy, được xác định bằng thực nghiệm

- t : thời gian sấy, s

- k : hằng số sấy [1/s], được xác định như sau: k 0, 2865.exp 0,179. T a (1.3)

Giải phương trình (1.2) ta xác định được độ ẩm của vật liệu khi sấy tại thời điểm

W - độ chứa hơi của không khí

x – chiều dày của vật liệu sấy

Gp – lưu lượng vật liệu sấy chuyển động qua băng tải, kg/m.s

Ga – lưu lượng không khí chuyển động qua băng tải, kg/m2.s

y – quãng đường dịch chuyển của vật liệu sấy, m

Giải phương trình (1.5), thu được công thức xác định sự thay đổi của độ chứa hơi

W theo chiều dày vật liệu sấy (giả thiết tính chất của vật liệu sấy là đồng đều theo phương dịch chuyển y):

- Ta : nhiệt độ của không khí sấy, 0C

- Tg : nhiệt độ của vật liệu sấy, 0C

- hcv : hệ số truyền nhiệt thể tích, kJ/m3.ph.K

- Cpa : nhiệt dung riêng của không khí khô, kJ/kgK

- Cpw : nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kgK

Giải phương trình (1.7), xác định được nhiệt độ không khí tại đầu ra:

( / ).  

0

d a x

T  T a T T

Với:

Ta0 – Nhiệt độ không khí tại vị trí ban đầu x0 = 0, 0C

Phương trình truyền nhiệt:

Lg: nhiệt ẩn hóa hơi của nước trong vật liệu sấy, kJ/kg

Cpg: Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kJ/kgK

Cpl: nhiệt dung riêng của nước, kJ/kgK

Giải phương trình (1.9) ta sẽ tìm được sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu sấy:

Theo sơ đồ thiết kết dự kiến sau:

Hình 1.7 Sơ đồ thiết kế dự kiến

Từ sơ đồ trên có thể thực hiện được các phương pháp sau:

4.1 Sấy bơm nhiệt

Đồ thị sấy

Hình 1.8 Đồ thị I –d sấy bơm nhiệt Nguyên lí làm việc:

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lí hệ thống sấy bơm nhiệt

𝛗 3

𝛗 = 100%

𝛗 2

Không khí từ môi trường bên ngoài ( điểm 0) được thổi qua dàn lạnh hạ nhiệt độ tách ẩm ( điểm 1 ) và được gia nhiệt qua dàn nóng ( điểm 2), sau đó thổi qua vật liệu sấy giảm nhiệt độ, nhận ẩm ( điểm 3) thoát ra ngoài Quá trình diễn ra liên tục cho đến khi sản phẩm đạt độ ẩm yêu cầu

Ưu điểm:

- Sản phẩm được đảm bảo chất lượng do khống chế được nhiệt độ

- Thời gian sấy giảm, chất lượng sản phẩm tăng

- Không phụ thuộc vào thời tiết

Nhược điểm:

Chi phí năng lượng lớn, giá thành sản phẩm tăng

4.2 Sấy bức xạ mặt trời kết hợp đối lưu

Nguyên lí làm việc:

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý sấy bức xạ kết hợp đối lưu Không khí ở nhiệt độ môi trường ( điểm 1) được quạt thổi qua vật liệu sấy ( điểm 3), ở đây vật liệu sấy nhận nhiệt từ bức xạ mặt trời, nóng lên và thoát ẩm

ra không khí, quạt thổi làm đẩy nhanh tốc độ thoát ẩm của vật liệu sấy

Ưu điểm:

- Chi phí năng lượng thấp

- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

- Điều chỉnh được tốc độ gió

Nhược điểm:

- Không điều chỉnh được nhiệt độ của quá trình sấy

- Phụ thuộc vào thời tiết

- Thời gian sấy lâu

4.3 Sấy năng lượng mặt trời kết hợp với tách ẩm từ dàn lạnh

Đồ thị sấy

Hình 1.12 Đồ thị I – d sấy bức xạ mặt trời kết hợp tách ẩm dàn lạnh Nguyên lí làm việc:

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý sấy bức xạ mặt trời kết hợp tách ẩm dàn lạnh

𝛗 3

Không khí từ môi trường ( điểm 0) được thổi qua dàn lạnh hạ nhiệt độ và tách ẩm ( điểm 1) Sau đó được đưa vào buồng sấy ( điểm 2) để nhận ẩm từ vật liệu sấy, nhiệt độ của không khí tăng nhiệt từ vật liệu sấy ( điểm 3) rồi thổi ra ngoài Nhiệt

độ vật liệu sấy tăng do nhận nhiệt từ bức xạ mặt trời

Ưu điểm:

- Chất lượng sản phẩm tăng

- Chi phí năng lượng giảm

Nhược điểm:

- Không điều chỉnh được nhiệt độ sấy

- Thời gian sấy dài

4.4 Sấy năng lượng bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt

Nguyên lí làm việc:

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý sấy bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt

Không khí từ môi trường ( điểm 0) sau khi qua dàn lạnh được hạ nhiệt độ, tách

ẩm ( điểm 1), sau đó được gia nhiệt qua dàn nóng ( điểm 2) và thổi qua vật liệu sấy ( điểm 3), vật liệu sấy nhận nhiệt từ bức xạ mặt trời và không khí nóng tách

ẩm rồi bị thổi ra ngoài

Ngoài ra ở hệ thống sấy này ta còn thể thực hiện được các phương án sấy còn lại bằng cách đóng mở các van chặn, chỉ cho quạt… tùy vào từng trường hợp Nhận xét:

Từ các phương án phương án sấy trên ta chọn mô hình sấy bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt, vì mô hình này có thể thực hiện được cho tất cả các phương án sấy

CHƯƠNG II TÍNH THIẾT KẾ VÀ CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHO HỆ

Flưới: là diện tích của 1 tấm lưới

δcá : độ dài của lớp cá xếp trên 1 tấm lưới, δcá= 10 ÷ 12 (mm), chọn δcá=

10

gi : khối lượng cá trên trên tấm lưới, gi = 4 (kg)

ρcá : khối lượng riêng của cá, ρcá= 850 ÷ 900 (kg/m3), chọn ρcá= 850