Cơ sở tính toán và xác định các giới hạn kỹ thuật của bơm nhiệt hút ẩm và sấy lạnh

Để sấy khô sản phẩm, phương pháp truyền thống thường sấy bằng không khí nóng nhiệt độ từ 60oC đến 120oC, còn để giảm độ ẩm tương đối của không khí, người ta thường dùng máy hút ẩm chuyên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

TRẦN QUỐC SƠN

CƠ SỞ TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH CÁC GIỚI HẠN KỸ THUẬT

CỦA BƠM NHIỆT HÚT ẨM VÀ SẤY LẠNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT NHIỆT

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng:

- Toàn bộ số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực, chưa

Tôi xin chịu trách nhiệm trước pháp luật về những lời cam đoan trên

Tác giả luận văn

Trần Quốc Sơn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS Phạm Văn Tùy, người đã trực tiếp hướng

dẫn, cùng tập thể thầy cô giáo Bộ môn Kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí Viện Khoa học và Công nghệ nhiệt – lạnh Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp

đỡ tôi thực hiện đề tài này

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Trần Quốc Sơn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU - 1

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN - 5

1.1 Khái niệm về h t ẩm v sấy ạn - - - 5

1.1.1 Hút ẩm và quan hệ của nó với nhiệt độ môi trường - 5

1.1.2 Kỹ thuật sấy lạnh - 7

1.1.3 Quan hệ giữa công nghệ hút ẩm và sấy lạnh - 8

1.1.4 Nh cầu h t ẩm v sấy ạn ro g c n n hiệp v đời sốn - - - 8

1.2 Cá p ương p áp sấy v h t ẩm - - - 1

1.2.1 Các phương pháp sấy thông dụng - 11

1.2.2 Cá p ư n p á h t ẩm h n dụn g - 13

1.2.2.1 Phương pháp dùng hóa chất : - 14

1.2.2.2 Phương pháp dùng máy điều hòa không khí - 15

1.2.2.3 Máy hút ẩm thông dụng - 16

1.2.2 .3 Máy hút ẩm hấp phụ - 16

1.3 Cá p ương p áp sấy ạn - - - 1

1.3.1 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 0oC - 18

1.3.2 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0oC - 19

1.3 Tìn hìn nghiên cứu tr n thế giới v tr ng nước - - - 2

1.3.1 Các tác giả nước ngoài - 21

1.3.2 Các tác giả trong nước - 22

1.4 Xá địn đề tài nghiên cứu - - - 2

1.4.1 Mục đích nghiên cứu - 24

1.4.2 Đối ư n , nội d n v p ư n p á n hiê cứu u - 24

CHƯƠNG 2: BƠM NHIỆT VÀ BƠM NHIỆT HÚT ẨM VÀ SẤY LẠNH H - 26

2.1 Bơm n iệt - - - 2

2.1.1 Khái niệm bơm nhiệt - 26

2.1.2 Đặc tính - 28

2.2 Đặc điểm của bơm n iệt - - - 2

2.2.1 Môi chất làm việc - 29

2.2.2 Các thiết bị của bơm nhiệt và thiết bị ngoại vi - 29

2.3 Ứng dụng của bơm n iệt - - - 3

2.3.1 Ứng dụng bơm nhiệt trong hút ẩm - 32

2.3.2 Bơm nhiệt chu trình hở sử dụng trong công nghiệp sấy - 34

2.3.3 Bơm nhiệt ứng dụng vào công nghiệp chưng cất, bay hơi, cô đặc - 34

2.3.4 Ứng dụng bơm nhiệt trong công nghiệp thực phẩm - 40

2.3.6 Bơm nhiệt ứng dụng trong sấy lạnh và hút ẩm - 41

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BƠM NHIỆT - 45

3.1 Phương p áp c n bằng năng ượng - - - 4

3.2 Phương p áp e e g - - - 4

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CÁC GIỚI HẠN KỸ THUẬT T - 53

4.1 Ch trìn bơm n iệt c đường bypas hơi nóng về đầu h t má nén - - - 5

4.2 Ch trìn bơm n iệt c v n bypas cấp ỏng v hơi nóng về p ía đường h t của má nén - - 5

4.3 Ch trìn bơm n iệt c v n bypas cấp hơi nóng v o dàn ba hơi- - - 6

CHƯƠNG 5: NHẬN XÉT KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ - 88

KHUYếN NGHị : - 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 90

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1 Thông số nhiệt động của môi chất sử dụng trường hợp 1 65 Bảng 4.2 Thông số nhiệt động của không khí trường hợp 1 65 Bảng 4.3 Thông số entanpy tinh của R22 trường hợp 1 67

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình A Sơ đồ cấu tạo hệ thống bơm nhiệt hút ẩm và sấy lạnh CHLB Đức 2 Hình 1.1 Quan hệ giữa nhiệt hiện qh và nhiệt ẩn q

â theo nhiệt độ phòng 6

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của lượng ẩm riêng vào độ ẩm tương đối và nhiệt

Hình 2.4 Đồ thị chu trình khô đơn giản của bơm nhiệt 28

Hình 2.8 Bơm nhiệt chu trình hở để bay hơi cô đặc 35 Hình 2.9 Bơm nhiệt cô đặc dùng máy nén hơi nước 35

Hình 2.15 Bơm nhiệt nước/nước cung cấp nước nóng 38 Hình 2.16 Bơm nhiệt ghép tầng cung cấp đồng thời nóng và lạnh 39

Hình 2.17 Máy điều hòa nhiệt độ 3 chức năng: làm lạnh, sưởi ấm, hút ẩm 39 Hình 2.18 Bơm nhiệt thí nghiệm để sấy hạt ngũ cốc 41 Hình 2.19 Buồng sấy gỗ bơm nhiệt của hãng Westair 42 Hình 4.1 Sơ đồ thiết bị by-pass hơi nóng cho đầu hút máy nén 54

Hình 4.2 Đồ thị lgP-h của chu trình by-pass hơi nóng về đầu hút của máy

Hình 4.3 Sơ đồ thiết bị phun lỏng và hơi nóng về phía hút máy nén 58 Hình 4.4 Đồ thị lgP-h của chu trình phun lỏng và hơi nóng về phía hút máy nén 58 Hình 4.5 Sơ đồ thiết bị phun ga nóng vào thiết bị bay hơi 61 Hình 4.6 Đồ thị lgP-h của chu trình phun ga nóng vào thiết bị bay hơi 61 Hình 4.7 Sơ đồ hệ thống và đồ thị lgp-h của bơm nhiệt có thiết bị hồi nhiệt 64

Hình 4.8 Sơ đồ hệ thống và đồ thị lgp-h của bơm nhiệt có có thiết bị hồi

Hình 4.9 Sơ đồ hệ thống và đồ thị lgp-h của bơm nhiệt có thiết bị hồi nhiệt

lắp van bypass hơi và lỏng môi chất về đầu hút máy nén 73

Hình 4.10 Sơ đồ hệ thống và đồ thị lgp-h bơm nhiệt có thiết bị hồi nhiệt lắp

Hình 4.11 Sơ đồ hệ thống và đồ thị lgp-h của bơm nhiệt không có thiết bị

Hình 4.12 Sơ đồ hệ thống và đồ thị lgp-h của bơm nhiệt bypass hơi nóng về

đầu hút máy nén không có thiết bị hồi nhiệt 84

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

L, l kJ, kJ/kg Công, công riêng

H, h kJ, kJ/kg Entanpy, entanpy riêng

K, k kJ, kJ/kg Entanpy tinh, entanpy tinh riêng

Ew, Ew kJ, kW Công biến đổi tinh, công suất biến đổi tinh

S, s kJ, kJ/kg.K Entropy, entropy riêng

LKT, lKT kJ, kJ/kg Công kỹ thuật công kỹ thuật riêng

C kJ/kg.K, VNĐ Nhiệt dung riêng, vốn

Chỉ số (Ký hiệu chân)

Để sấy khô sản phẩm, phương pháp truyền thống thường sấy bằng không khí nóng (nhiệt độ từ 60oC đến 120oC), còn để giảm độ ẩm tương đối của không khí, người ta thường dùng máy hút ẩm chuyên dùng, bơm nhiệt Ngày nay, nhu cầu chất lượng của sản phẩm ngày càng đòi hỏi khắt khe, đặc biệt là các loại sản phẩm cần giữ màu sắc và mùi vị như kẹo, hoa quả, thuốc chữa bệnh…

Với các loại rau, củ, quả, dược liệu… khi sấy ở nhiệt độ cao có thể phá huỷ các chất hoạt tính sinh học như hóc môn, màu, mùi vị, men, vitamin, protêin… và làm thay đổi chất lượng sản phẩm Vì thế, sấy lạnh bằng nguyên lý bơm nhiệt là một phương pháp bảo quản sau thu hoạch đáp ứng được những yêu cầu khắt khe về chất lượng sau khi sấy Bởi vì tác nhân sấy có độ ẩm thấp, nhiệt độ sấy thấp nên quá trình sấy xẩy ra tại nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp sấy thông thường do

đó hạn chế được sự thay đổi không có lợi về màu sắc và mùi vị tự nhiên của sản phẩm Cho đến nay, để hút ẩm và sấy lạnh, người ta thường dùng máy móc, thiết bị nước ngoài

Hình A Sơ đồ cấu tạo hệ thống bơm nhiệt hút ẩm và sấy lạnh CHLB Đức

Bậc

2 của máy nén

7A3

7A2

Điều chỉnh điện áp

Hình A là sơ đồ một hệ thống bơm nhiệt hút ẩm và sấy lạnh nhập của CHLB Đức Ta thấy đây là hệ thống bơm nhiệt hút ẩm sấy lạnh được điều chỉnh công suất lạnh hoàn toàn tự động thông qua các cảm biến về nhiệt độ và độ ẩm Nhiệt độ sấy được điều khiển chủ yếu qua lượng môi chất nóng qua dàn ngưng tụ trong để thay đổi thế sấy Khi điều chỉnh khả năng hút ẩm, đặc biệt muốn tăng/giảm độ chứa ẩm của không khí ta phải thay đổi năng suất lạnh của hệ thống bằng các cảm biến độ

ẩm, qua đó điều chỉnh tốc độ và công suất lạnh của máy nén, do máy nén có 2 tốc

độ tương ứng với 2 bậc điều chỉnh Hệ thống điều chỉnh công suất lạnh rất phức tạp

vì qua nhiều thiết bị cảm biến và điều khiển, thông qua nhiều khâu xử lý trung gian làm cho hệ thống thiết bị cồng kềnh, chi phí đầu tư cao Chúng không chỉ đắt tiền

mà khi về Việt Nam hoạt động sau một thời gian các thông số thường không bảo đảm chính xác, do điều kiện khí hậu Việt Nam (đặc biệt là độ ẩm cao) ảnh hưởng trực tiếp đến thiết bị dẫn đến hệ thống không đáp ứng được các thông số kỹ thuật theo yêu cầu công nghệ nên sản lượng và chất lượng sản phẩm giảm Các thiết bị không có sẵn trong nước, đặc biệt là máy nén 2 tốc độ nên quá trình sửa chữa thay thế thiết bị cho hệ thống gặp nhiều khó khăn, tốn kém về kinh tế Với ý định khắc phục điều này và để phù hợp với điều kiện Việt Nam tác giả sẽ tìm kiếm và khảo sát một số giải pháp đơn giản khác có khả năng điều chỉnh công suất lạnh, gồm ít thiết

bị loại thông dụng, dễ điều khiển, hệ thống gọn nhẹ và dễ dàng vận hành Đồng thời nghiên cứu lựa chọn phương pháp đánh giá hiệu quả cả mặt số lượng và chất lượng của năng lượng (sử dụng đồng thời cả nguyên lý I và II nhiệt động học) sẽ thích hợp hơn với hệ thống bơm nhiệt và giúp chúng ta lựa chọn được chu trình bơm nhiệt hút

ẩm sấy lạnh hợp lý, có thể điều chỉnh năng suất lạnh phù hợp với mục đích sử dụng, tiết kiệm năng lượng

Đối với mỗi quốc gia hiện nay, việc sử dụng và tiết kiệm năng lượng và bảo

vệ môi trường đang là yêu cầu cấp thiết do nguồn năng lượng đang ngày một cạn kiệt Tiết kiệm năng lượng sẽ làm giảm giá thành sản phẩm tăng tính cạnh tranh trên thị trường và dễ dàng hơn trong xuất khẩu các sản phẩm, vì thế trong đời sống và sản xuất phải tìm ra những phương thức để thực hiện tiết kiệm năng lượng Đối với

công nghệ hút ẩm và sấy lạnh thì bơm nhiệt đang được chú ý vì hiệu quả sử dụng năng lượng rất cao nên có khả năng rất lớn về tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường do bơm nhiệt là thiết bị nhiệt - lạnh được xem là có khả năng tiết kiệm năng lượng cao nhất, tiêu tốn ít năng lượng sơ cấp nên bơm nhiệt góp phần không nhỏ trong bảo vệ môi trường Vì vậy,được sự hướng dẫn tận tình của GS.TS Phạm Văn Tùy, cùng tập thể thầy cô giáo Bộ môn Kỹ thuật lạnh và điều hòa không khí Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt – Lạnh, tôi đã lựa chọn và thực hiện đề tài:

“Cơ sở tính toán và xác định các giới hạn kỹ thuật của bơm nhiệt hút ẩm và sấy lạnh” Từ đó, có thể lựa chọn được chu trình bơm nhiệt hút ẩm sấy lạnh thích

hợp hy vọng ở một chừng mực nào đó có thể thay thế hệ thống ngoại nhập, có khả năng điều chỉnh năng suất lạnh dễ dàng, tất cả các thiết bị đều sẵn có trong nước làm giảm chi phí đầu tư, tiết kiệm năng lượng Các phương pháp cân bằng năng lượng và phương pháp exergy cũng sẽ được nghiên cứu áp dụng để đánh giá hiệu quả của chu trình một cách chính xác, khoa học

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm về hút ẩm và sấy lạnh

Việt Nam với khí hậu nhiệt đới nón ẩm 4 mùa rõ rệt độ ẩm ớn đặc biệt là

thích hợp với quá rình sấy nhiệt độ c o nên n u cầu hút ẩm và sấy ạnh à rất lớn tro g đ i sống,sản xuất và c c ngàn cô g ng iệp: chế biến, cô g ng iệp sản xuất

l n kiện điện ử, bảo quản ư iệu, thư viện … Nước ta là một nước có nền nông nghiệp lạc hậu, trong khi lao động trong ngành nông lâm nghiệp chiếm khoảng 65% thì sản phẩm làm ra chỉ chiếm khoảng 20% tổng sản phẩm xã hội Việt Nam là một nước nông nghiệp có điều kiện khí hậu đa dạng với nhiều vùng tiểu khí hậu: ôn đới

và nhiệt đới, có thể trồng và thu hoạch rau quả quanh năm Với việc thay đổi về tổ chức, quản lý kinh tế, trong 10 năm trở lại đây ngành nông nghiệp của Việt Nam phát triển tương đối mạnh mẽ

Song vấn đề tiêu thụ các sản phẩm rau quả hiện nay đang gặp nhiều khó khăn, trở ngại Tỷ lệ tổn thất sau thu hoạch là rất lớn: 25 – 30% Nguyên nhân chính là do công nghệ chế biến và bảo quản của chúng ta còn lạc hậu nên đã làm cho rau quả của Việt Nam có giá trị thấp trong thị trường trong nước cũng như xuất khẩu, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của người nông dân, vì vậy việc nghiên cứu đưa ra các quy trình công nghệ cũng như ứng dụng triển khai - chuyển giao các kết quả nghiên cứu, các quy trình công nghệ bảo quản hay chế biến rau quả, đóng vai trò hết sức quan trọng trong chiến lức phát triển ngành rau quả

1.1.1 Hút ẩm và quan hệ của nó với nhiệt độ môi trường

a, Khái niệm

Hút ẩm: quá trình làm giảm độ chứa hơi (d) trong không khí và do đó ở nhiệt

độ không giảm thì sẽ làm giảm cả độ ẩm tương đối (φ)

Hút ẩm cho các xưởng sản xuất, môi trường công nghiệp đòi hỏi có nhiệt độ

và độ ẩm không gian nhỏ hơn nhiệt độ và độ ẩm không khí môi trường, như: Các xưởng sản xuất kẹo chocolat, caramen, kẹo cứng, kẹo chew, zelatin, xưởng bảo

quản phim ảnh, nuôi cấy nấm, men, phòng sạch chế biến thuốc, phòng phẫu thuật tại bệnh viện …

b, Quan hệ giữa hút ẩm và nhiệt độ môi trường

Truyền nhiệt ra môi trường do chênh lệch nhiệt độ Δt Nhiệt lượng trao đổi theo dạng này gọi là nhiệt hiện q

h Thải nhiệt ra môi trường do thoát mồ hôi hay còn gọi là toả ẩm Nhiệt lượng trao đổi dưới hình thức này gọi là nhiệt ẩn q

- Khi độ ẩm cao: Khi độ ẩm tăng lên khả năng thoát hơi nước kém Người ta nhận thấy ở một nhiệt độ và tốc độ gió không đổi khi độ ẩm lớn khả năng bốc hơi nước chậm hoặc không thể bay hơi được

- Độ ẩm thấp: Khi độ ẩm thấp hơi nước sẽ bay hơi nhanh, là môi trường hút

ẩm khô, vv

Hình 1.1 Quan hệ giữa nhiệt hiện q

h và nhiệt ẩn q

â theo nhiệt độ phòng

Để đánh giá hiệu quả của quá rình hút ẩm a sử dụn ượng ẩm riêng Lượng

ẩm riêng à khối lượng ẩm á h ra được k i t êu ốn một đơn vị năng ượng kWh.Lượn ẩm riêng phụ huộc vào nhiệt độ sấy và độ ẩm ương đối của k ông khíbuồng sấy và vào chính c c hiết bị của hệ hống hút ẩm Qua biểu đồ (hình 1.2) a thấy n iệt độ sấy c ng c o hiệu quả á h ẩm c ng ớn, độ ẩm c n c o, lượng ẩm riêng á h được c ng ớn

+ Thực phẩm: Kẹo chip chip (kẹo Jelly), mực, tôm, hải sản khác, lòng trắng trứng, cô đặc mật ong, men giống,…

+ Rau quả: Các loại rau gia vị như hành lá, hành tây, thì là Các loại rau củ quả như: cà rốt, củ cải, nấm hương, măng đặc sản, dứa, nhãn, vải, măng cụt, …

+ Dược phẩm: Tinh dầu gừng, các loại cây thuốc, thuốc, …

+ Trong các ngành công nghiệp như chế biến thực phẩm, công nghiệp nhẹ…

Hình 1.2 Sự phụ thuộc của lượng ẩm riêng vào độ ẩm tương đối

và nhiệt độ sấy trong quá trình tách ẩm

1.1.3 Quan hệ giữa công nghệ hút ẩm và sấy lạnh

- Độ ẩm tương đối của không khí ẩm có ảnh hưởng nhiều đến cảm giác của con người và khả năng sử dụng không khí để sấy các vật phẩm

- Độ ẩm cũng có ảnh nhiều đến sản phẩm nếu không thoả mãn những điều kiện yêu cầu:

+ Khi độ ẩm cao có thể gây nấm mốc cho một số sản phẩm nông nghiệp và công nghiệp nhẹ, chẳng hạn như trong công nghệp thuốc lá, sợi dệt, dày da vv + Khi độ ẩm thấp sản phẩm sẽ khô, giòn không tốt có thể gây gãy vỡ các sản phẩm hoặc bay hơi làm giảm chất lượng sản phẩm hoặc hao hụt trọng lượng

Như đã nói ở trên, quá trình hút ẩm là quá trình làm giảm d và φ của không khí

vì vậy có thể nói: hút ẩm là quá trình chuẩn bị không khí cho quá trình sấy

1.1.4 Nhu cầu hút ẩm v sấy ạnh trong công nghiệp và đời sống

Công nghệ hút ẩm và sấy khô sản phẩm cùng chung đặc điểm là phải giảm độ

ẩm tương đối của không khí sấy Đối với công nghệ sấy thì hút ẩm là giai đoạn chuẩn bị không khí sấy trước khi vào buồng sấy Vì vậy, khử ẩm tốt là tiền đề tiến hành quá trình sấy khô vật ẩm có hiệu quả Tuy nhiên, công nghệ sấy nóng thì việc giảm độ ẩm tương đối của khí sấy chỉ đơn thuần là do nâng nhiệt độ môi trường sấy Công nghệ này đã và đang được nghiên cứu cũng như áp dụng rộng rãi trong thực

tế Trong lĩnh vực hút ẩm và sấy lạnh thì còn ít được nghiên cứu và áp dụng

Các nước phát triển trên thế giới như châu Âu và Bắc Mỹ, nhu cầu hút ẩm cho các công trình và nhà ở không được đặt ra vì bình thường độ ẩm trong không khí đã thấp lại có hệ thống điều hòa không khí đảm nhận cả chức năng hút ẩm Tại các kho bảo quản tư liệu, sách báo, phim ảnh, văn hóa phẩm … nhu cầu chính vẫn là độ ẩm, còn nhiệt độ dù cao hơn môi trường một vài độ 0C thì vẫn nằm trong giới hạn cho phép Do vậy, những nhu cầu này chỉ cần dùng máy hút ẩm kiểu bơm nhiệt là đủ Các máy hút ẩm thông dụng kiểu này trên thị trường Việt Nam đang lưu hành phổ biến là các loại máy của Nhật, Mỹ …

Trong những trường hợp đặc biệt yêu cầu cần có độ ẩm tương đối thấp hơn khoảng 50 – 55% thì trước đây hay sử dụng máy bài ẩm chuyên dụng làm việc theo

nguyên lý hấp thụ rắn Máy bài ẩm có nhược điểm là tiêu hao năng lượng điện nhiều, chi phí đầu tư lớn Tại những nước có khí hậu ôn đới hay hàn đới thì vấn đề sấy khô được giải quyết tương đối đơn giản và dễ dàng Với các hệ thống điều hòa không khí và khử ẩm, thông thường độ ẩm đã có thể đạt tới 50% và nhỏ hơn trong điều kiện nhiệt độ không vượt quá 200

C – 300C Đây là điều kiện vi khí hậu mà nhiều quá trình sản xuất công nghệ như: ngành in, công nghệ sản xuất bánh kẹo … yêu cầu Để hút ẩm hay sấy khô các vật phẩm có thể chịu được nhiệt độ 500C –

600C hoặc cao hơn người ta sử dụng hệ thống bơm nhiệt chuyên dụng

Việc sử dụng bơm nhiệt cho các nhu cầu cung cấp nước nóng, sấy, sưởi và điều hòa không khí là giải pháp ưu tiên hàng đầu ở các nước Tây Âu, Mỹ và Nhật Bản ở Pháp, người ta đã tổng kết rằng mọi loại hình sấy nếu không sử dụng bơm nhiệt đều là lãng phí về năng lượng Đến năm 1987, Pháp đã có tới 6000 xí nghiệp

có sử dụng bơm nhiệt, trong đó có 300 bơm nhiệt có công suất lớn hơn 30 kW Năm

1997, có khoảng 90 triệu bơm nhiệt được lắp đặt mới trên thế giới

Nhật Bản là nước có thị trường bơm nhiệt với số lượng lớn nhất thế giới, nhưng khác với Châu Âu, tại Nhật bơm nhiệt được dùng cho điều hòa không khí và khử ẩm rất được chú ý và tăng trưởng mạnh để thích nghi với điều kiện khí hậu trong nước Ứng dụng bơm nhiệt nhiều nhất ở Nhật Bản là lĩnh vực điều hòa không khí dân dụng Hàng năm, Nhật Bản bán ra thị trường hơn 3 triệu máy điều hòa không khí cục bộ thì gần 1/3 là máy một chiều lạnh, còn lại là máy hai chiều dạng bơm nhiệt Bơm nhiệt để điều hòa không khí cho các công trình công cộng hàng

năm cũng chiếm khoảng 50% tổng số thiết bị sản xuất ra Sản lượng bơm nhiệt cung

cấp cho nhu cầu điều hòa không khí cục bộ (Room Air Conditioner - RAC) sản xuất

ra năm 1996 tại Nhật Bản đạt mức 3 triệu, năm 1997 là 7 triệu Mức độ tăng trưởng

của RAC năm 1997 vào khoảng 81% (trong đó có 62% dưới dạng bơm nhiệt)

Từ chính sách mở cửa, nền kinh tế Trung Quốc phát triển mạnh vào cuối thập

kỉ 80 thế kỉ XX Cũng cùng thời gian này, nhu cầu về điều hòa không khí chuyển từ công nghiệp sang sử dụng thương mại Nhu cầu về điều hòa không khí cục bộ và

điều hòa không khí tổ hợp gọn công suất lớn ở Trung Quốc tăng đột biến, tới 40 lần

trong năm 1997 so với năm 1990 Năm 1997, bơm nhiệt chiếm khoảng 60% thị

phần sử dụng trong công nghiệp điều hòa không khí ở Trung Quốc

Mỹ là nước dẫn đầu thế giới về bơm nhiệt công suất lớn, chiếm tới 50% nhu cầu sử dụng của toàn thế giới Hàng năm có khoảng hơn 30% các cao ốc xây dựng

mới trang bị hệ thống điều hòa không khí kiểu bơm nhiệt

Cho tới nay, hầu hết các bơm nhiệt dùng cho các mục đích sấy, sưởi, cung cấp

nước nóng, đều sử dụng môi chất lạnh là R22 (chiếm khoảng 80%) Trước đây người ta thường dùng R12, chiếm gần 20% và một số ít hệ thống công nghiệp dùng

NH3 Ngày nay, do yêu cầu bảo vệ tầng ôzôn và giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, việc lựa chọn môi chất lạnh thay thế cho các chất CFC dùng trong các hệ thống lạnh cũng như bơm nhiệt đang được nhiều nước tập trung nghiên cứu và phát triển Chẳng hạn như các nước châu Âu như: Đức, Thụy Sĩ, Thụy Điển, áo,… đã và đang sử dụng các hydro cacbon (HC), NH3, CO2 làm môi chất thay thế cho các chất CFC đã bị cấm sử dụng

Ngày nay, thị trường bơm nhiệt gia dụng lại đang phát triển rất nhanh chóng Bơm nhiệt dùng để đun nước nóng sinh hoạt và sưởi ấm gia dụng hiện tại có 2 loại chủ yếu là bơm nhiệt nước/nước WTW (Water To Water heat pump) và gió/nước ATW (Air to Water heat pump) Bơm nhiệt nước/nước còn được gọi là bơm nhiệt địa nhiệt Do kết cấu đơn giản nên bơm nhiệt gió nước đang có sự phát triển rất mạnh mẽ Ngoài các loại bơm nhiệt WTW, ATW, các loại máy điều hoà không khí

2 chiều có bơm nhiệt, người ta còn nghiên cứu các loại bơm nhiệt gia dụng với nhiều chức năng như bơm nhiệt 3 trong 1 để sưởi ấm, đun nước nóng và làm mát; bơm nhiệt nhiều chức năng vừa sưởi ấm, làm mát, đun nước nóng, tủ lạnh, tủ

Việt Nam là nơi có khí hậu nhiệt đới với 4 mùa rõ rệt, có rất nhiều lĩnh vực sản xuất, quá trình và thiết bị công nghệ đòi hỏi phải được làm khô môi trường hoặc sản phẩm ở nhiệt độ thấp nhưng hút ẩm và sấy lạnh chưa thành một công nghệ riêng thích ứng với điều kiện, hoàn cảnh cũng như trình độ khoa học kĩ thuật của Việt

Nam Một số ngành như thư viện, các cơ quan lưu trữ, bảo quản tư liệu phim ảnh, tài liệu, ấn phẩm,… tuy có yêu cầu độ ẩm, nhiệt độ thấp, nhất là về độ ẩm, nhưng cũng thường chỉ được đáp ứng một cách ước lệ nhờ sử dụng các máy hút ẩm hoặc các máy điều hòa nhiệt độ không khí thông thường Vì vậy chất lượng môi trường

vi khí hậu đạt được thường thấp, nhiệt độ, độ ẩm thường vượt trên giới hạn cho phép

Trước tình hình đó, từ năm 1997, GS Phạm Văn Tùy và các cộng sự đã tìm hiểu nhu cầu thực tế và thực hiện nghiên cứu áp dụng đầu tiên sử dụng bơm nhiệt để thực hiện chức năng hút ẩm và sấy lạnh Được lắp đặt tại Công ty cổ phần bánh kẹo Hải Hà, thay thế cho phương pháp sấy dùng tổ hợp máy hút ẩm chuyên dùng kết hợp với máy lạnh Qua thực tế sử dụng, hệ thống này đã phát huy được những ưu điểm vượt trội so với hệ thống cũ

Như vậy, việc sử dụng bơm nhiệt ở các nước phát triển trên thế giới cho nhu cầu điều hòa không khí, hút ẩm, sấy, sưởi rất được chú trọng Tuy nhiên, điều đó chưa được chú trọng nhiều lắm ở các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam, đặc biệt trong lĩnh vực hút ẩm và sấy lạnh

)

2exp(

r p p

p

o h o

r

(1-1) Trong đó:

pr: Áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, N/m2

po:Áp suất trên bề mặt thoáng, N/m2

: sức căng bề mặt thoáng, N/m

h: mật độ hơi trên cột dịch thể trong ống mao dẫn, kg/m3

: mật độ dịch thể, kg/m3

r: bán kính cong của bề mặt dịch thể, m,

Như vậy trong hệ thống sấy nóng có hai cách để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường:

Cách thứ nhất: Giảm độ ẩm của tác nhân sấy bằng cách đốt nóng nó

Cách thứ hai: Tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy

Nhờ đốt nóng cả tác nhân sấy và vật liệu sấy hay chỉ đốt nóng vật liệu sấy mà hiệu phân áp giữa hơi nước trên bề mặt vật liệu (pab) và phân áp suất của hơi nước tác nhân sấy (pẩm) tăng dẫn đến làm tăng quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường

Phương pháp sấy nóng: sấy đối lưu, sấy tiếp xúc, sấy bức xạ, điện cao tần …

a Hệ thống sấy đối lưu

Trong hệ thống này, vật liệu sấy được cấp nhiệt bằng cách trao đổi nhiệt đối lưu (tự nhiên hay cưỡng bức) Trong trường hợp này môi chất sấy làm nhiệm vụ cấp nhiệt Thiết bị sấy đối lưu bao gồm: thiết bị sấy buồng, thiết bị sấy hầm, thiết bị sấy khí động, thiết bị sấy tầng sôi, thiết bị sấy tháp, thiết bị sấy thùng quay, thiết bị sấy phun…

b Hệ thống sấy tiếp xúc

Trong hệ thống này, vật liệu sấy được cấp nhiệt bằng dẫn nhiệt do vật liệu sấy tiếp xúc với bề mặt có nhiệt độ cao hơn Thiết bị sấy tiếp xúc gồm hai kiểu: thiết bị sấy tiếp xúc với bề mặt nóng kiểu tang quay hay lô quay; thiết bị sấy tiếp xúc trong chất lỏng

c Hệ thống sấy bức xạ

Vật liệu ẩm được gia nhiệt bằng trao đổi nhiệt bức xạ Nguồn bức xạ là đèn hồng ngoại hay các bề mặt rắn có nhiệt độ cao hơn để bức xạ nhiệt tới vật ẩm

Trường hợp này môi chất sấy không làm nhiệm vụ gia nhiệt cho vật ẩm Quá trình tách ẩm mạnh do hấp thụ và phản xạ nhiều lần

d Hệ thống sấy sử dụng điện trường cao tần

Hệ thống sấy này sử dụng năng lượng điện trường xoay chiều có tần số cao để làm nóng vật sấy Vật liệu sấy được đặt giữa hai bản điện cực nối với dòng điện cao tần có tần số cao làm dao động phần tử vật chất gây ma sát làm nóng vật sấy

 Ưu điểm của phương pháp sấy nhiệt độ cao:

- Thời gian sấy ngắn

- Năng suất cao và chi phí đầu tư ban đầu thấp

- Nguồn năng lượng sử dụng đa dạng có thể tận dụng năng lượng của các hệ thống khác như khói thải, hơi nước nóng, hay các nguồn nhiệt từ dầu mỏ, than đá, rác thải…và cả điện năng

- Tuổi thọ làm việc của hệ thống cũng rất cao

 Nhược điểm của phương pháp sấy nhiệt độ cao:

- Chỉ sấy được các vật liệu sấy không có yêu cầu đặc biệt về nhiệt độ

- Sản phẩm sấy thường biến màu và chất lượng sấy không cao

1.2.2 Các phương pháp hút ẩm thông dụng

Cho tới nay đã hình thành một số phương pháp hút ẩm như dùng hóa chất, máy điều hòa không khí, máy hút ẩm kiểu bơm nhiệt và máy hút ẩm hấp phụ Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng

Khi trình độ khoa học kỹ thuật còn thô sơ, lạc hậu thì con người sử dụng phương pháp hút ẩm đơn giản nhất đó là dùng hóa chất Đây là những loại hóa chất đơn giản và dễ kiếm trong tự nhiên như: vôi sống, than củi, chè …

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật thì hút ẩm ngày nay được thực hiện bởi máy móc: máy điều hòa, máy hút ẩm dân dụng, máy hút ẩm chuyên dùng …

Phương pháp sấy nóng có năng suất sấy rất lớn bởi độ chênh phân áp (Pab-Pam) của phương pháp sấy nóng lớn Về mặt năng lượng, phương pháp sấy nóng có thể

được gia công hay chế tạo trong nước nên giá thành chi phí đầu tư ban đầu thấp Về mặt chất lượng sấy, phương pháp sấy nóng làm giảm hàm lượng vitamin, biến đổi màu sắc cũng như chất lượng sản phẩm Đặc biệt đối với một số loại sản phẩm đòi hỏi nhiệt độ sấy thấp thì phương pháp sấy nóng không đáp ứng được Ngoài vấn đề tài chính thì chất lượng sản phẩm cũng là một nhân tố quan trọng để chọn lựa

1.2.2.1 Phương pháp dùng hóa chất :

Đây là phương pháp đơn giản đã có từ lâu và được lưu truyền trong dân gian

để giữ khô sản phẩm, vận dụng trong một không gian hẹp

Ở đây, không khí được làm khô nhờ các chất rắn có tính hấp phụ ẩm (trong môi trường) như vôi sống, silicagel … kèm theo quá trình hấp phụ ẩm là quá trình tỏa nhiệt nên kết quả là dung ẩm của không khí giảm đi, nhiệt độ tăng lên và độ ẩm tương đối của không khí giảm, thích hợp để giữ khô các vật phẩm

Phương pháp này không thích hợp để khử ẩm cho các thể tích lớn quy mô công nghiệp Tuy nhiên các chất hút ẩm kiểu này có thể được sử dụng trong các máy hút ẩm hấp phụ công suất lớn Bên cạnh đó, phương pháp này cũng có nhiều nhược điểm Vì sử dụng hóa chất, nên thận trọng trong việc lựa chọn hóa chất sử

Hình 1.3: Quá trình khử ẩm bằng hóa chất

1-Trạng thái không khí trước khi xử lí;

2-Trạng thái không khí sau khi xử lí

dụng Lượng ẩm hấp thụ được trong không khí cũng không cao Sau một thời gian hấp thụ, ta cần quá trình hoàn nguyên hay thay thế

1.2.2.2 Phương pháp dùng máy điều hòa không khí

Các máy điều hòa không khí nói chung có chức năng đảm bảo điều kiện vi khí hậu thích hợp cho môi trường sản xuất công nghiệp, công trình công cộng và đời sống … chưa kể các hệ thống điều hòa không khí công nghiệp có độ ẩm không khí được điều chỉnh ở một trị số thích hợp, các hệ thống điều hòa không khí dân dụng trong điều kiện khí hậu nóng ẩm của Việt Nam cũng thường là quá trình khử ẩm (làm lạnh - làm khô) về mùa hè

Cũng có thể nói rằng máy lạnh điều hòa không khí nào cũng là máy khử ẩm, tuy nhiên, ở các thông số tiện nghi thì độ ẩm không khí trong phòng thường chỉ

giảm đến 60 - 65% Tính chất này làm cho các máy điều hòa không khí thông dụng

cũng được dùng với chức năng hút ẩm cho các phòng máy tính, thiết bị điện tử, thư viện, kho lưu trữ … để có φ ≤ 50%: phải có t0 < 5oC Tuy vậy yêu cầu về độ ẩm ở các công trình như vậy thường cũng không đảm bảo, nhất là vào những ngày trời nồm hay độ ẩm cao

Hình 1.4 Quá trình khử ẩm của không khí trên đồ thị I-d trong các máy ĐHKK

1.2.2.3. Máy hút ẩm thông dụng

Đây là các loại máy hút ẩm dân dụng bán trên thị trường Máy làm việc theo nguyên lí bơm nhiệt, cả dàn nóng và dàn lạnh đều được dùng để sấy lại không khí sau dàn lạnh Vì thế nếu sử dụng máy liên tục thì nhiệt độ trong phòng sẽ tăng lên

: 1,5 – 3 o

C

C lớn hơn nhiệt độ môi trường, nhờ vậy máy có thể khử ẩm không khí

đến giá trị = 50% nhưng nhiệt độ cao hơn khi không đặt máy Điều này làm cho

máy hút ẩm loại này không sử dụng được cho mục đích sấy lạnh Khi sử dụng kết hợp với máy điều hòa không khí có thể giữ được nhiệt độ trong phòng ở thông số tiện nghi, nhưng độ ẩm cũng chỉ dừng lại ở trị số giới hạn

,đảm bảo c c yêu cầu kĩ huật như hiết

kế Vì những lí do nêu trên mà máy hút ẩm thông dụng chỉ được dùng thích hợp để duy trì độ ẩm trong các phòng ở, sinh hoạt (những khi cần thiết) hoặc trong các phòng máy, kho tàng cần duy trì độ ẩm không quá cao, còn nhiệt độ có thể thay đổi trong khoảng rộng

là titanium silicagel Bộ phận chính của máy là roto chất ẩm cấu tạo rỗng kiểu tổ ong, quay bằng một động cơ điện truyền động qua dây đai Một phần của roto tiếp xúc với dòng không khí cần hút ẩm để hấp phụ ẩm Trong khi đó, phần còn lại của roto lại tiếp xúc với dòng khí nóng đã được gia nhiệt bằng điện trở để khử hấp phụ cho roto, và khi quay sang phần bên kia roto lại có khả năng hấp phụ ẩm của không

khí cần xử lí Do tốc độ quay chậm (khoảng 10 vòng/h) mà roto đảm bảo tách ẩm

liên tục ngay cả khi nhiệt độ đọng sương xuống rất thấp Khả năng tách ẩm dễ được điều chỉnh theo nhu cầu Quá trình hấp phụ ẩm luôn luôn tỏa nhiệt, hơn nữa khi được hoàn nguyên bằng không khí nóng ở 120 – 130oC khi quay sang vùng khử ẩm

roto đã gia nhiệt cho không khí xử lí nên nhiệt độ không khí khô thường bị nâng thêm từ 15 – 25o

C Vì thế khi cần duy trì môi trường nhiệt độ bằng hay thấp hơn

nhiệt độ môi trường thì máy hút ẩm loại này luôn phải dùng kèm theo với một máy lạnh

 Nhược điểm chính của máy hút ẩm loại này là:

- Phải định kỳ thay chất hút ẩm (nhập ngoại roto hút ẩm) do hao hụt khối lượng và lão hóa chất hút ẩm

- Nhiệt độ không khí hoàn nguyên lớn hơn 1000 C làm keo hóa dần, bụi bám

vào lỗ tổ ong, giảm hiệu quả của máy, lưu lượng không khí giảm, kém an toàn

1.6

Kh«ng gian cÇn hót Èm

B¸nh chÊt hÊp thô

Luíi läc bôi

Kh«ng khÝ Èm

Kh«ng khÝ kh«

Dàn làm nóng không khí

Luíi läc bôi

Không khí khô đã được giảm nhiệt độ

Không khí

ẩm

§éng c¬

- Dàn điện trở gia nhiệt không khí hoàn nguyên tiêu thụ nhiều điện, làm việc ở nhiệt độ cao, máy hút ẩm phải đặt kèm với máy lạnh

1.3 Các phương pháp sấy ạnh

Khác với phương pháp sấy nóng, để tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy, người ta giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bằng cách giảm dung ẩm trong tác nhân sấy và độ ẩm tương đối ( ).Theo công thức :

d

d B

p a

621,0

d: Dung ẩm trong không khí, kg ẩm/kg kkk

Phân áp suất của không khí bên ngoài môi trường giảm xuống, độ chênh áp của ẩm trong vật sấy và môi trường xung quanh tăng lên Ẩm chuyển dịch từ trong vật ra bề mặt và từ bề mặt chuyển dịch vào môi trường Nhiệt độ của môi trường sấy lạnh thường thấp (có thể thấp hơn nhiệt độ môi trường bên ngoài)

a Hệ thống sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa Để tạo ra quá trình thăng hoa, vật liệu sấy phải được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu t < 0oC

và áp suất tác nhân sấy bao quanh vật p < 620 Pa Từ đó, vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng để ẩm từ trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí và vào môi trường Như vậy, trong các hệ thống sấy thăng hoa phải tạo được chân không trong vật liệu sấy

và làm lạnh vật xuống dưới 0oC

 Ưu điểm: Phương pháp gần như bảo toàn được chất lượng sinh, hóa học của sản phẩm bao gồm: màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính,…

 Nhược điểm:

- Chi phí đầu tư cao, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh (để kết đông sản phẩm và làm ngưng kết hơi nước)

- Hệ thống cồng kềnh, vận hành phức tạp, chi phí vận hành và bảo dưỡng lớn Sấy thăng hoa thường được ứng dụng để sấy sản phẩm quý, dễ biến chất do nhiệt như: máu, vắc xin …

b Hệ thống sấy chân không

Phương pháp sấy chân không là phương pháp tạo ra môi trường gần như chân không trong buồng sấy, nghĩa là nhiệt độ vật liệu t < 0oC, áp suất tác nhân sấy bao quanh vật p > 610 Pa Khi nhận được nhiệt lượng, các phần tử nước trong vật liệu sấy ở thể rắn sẽ chuyển sang thể lỏng, sau đó mới chuyển sang thể hơi và đi vào môi trường

 Ưu điểm: Phương pháp này giữ được chất lượng sản phẩm, đảm bảo điều kiện vệ sinh

 Nhược điểm: Hệ thống có chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp

- Phương pháp sấy chân không thường chỉ sấy các loại vật liệu sấy là các sản phẩm quý, dễ biến chất

- Do tính phức tạp và không kinh tế nên các hệ thống sấy thăng hoa và hệ thống sấy chân không chỉ dùng để sấy những vật liệu quí hiếm, không chịu được nhiệt độ cao Vì vậy, các hệ thống sấy này là những hệ thống sấy chuyên dùng, không phổ biến

a Thiết bị bài ẩm chuyên dụng kết hợp với máy lạnh

Với những hệ thống sấy mà nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường, tác nhân sấy thường là không khí được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp phụ, sau đó nó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến các nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy

o Ưu điểm:

- Năng suất hút ẩm của phương pháp này khá lớn

- Khả năng giữ chất lượng, hàm lượng dinh dưỡng sản phẩm cũng khá tốt (phụ thuộc vào nhiệt độ sấy)

- Lắp đặt phức tạp, khó điều chỉnh các thông số để phù hợp với công nghệ

- Trong môi trường có bụi, cần dừng máy để vệ sinh chất hấp thụ, tuổi thọ thiết bị giảm

b Phương pháp dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp

Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm nhiệt để tạo ra môi trường sấy Nhiệt độ môi trường sấy có thể điều chỉnh trong giới hạn khá rộng

từ nhiệt độ xấp xỉ môi trường đến nhiệt độ âm, tùy thuộc yêu cầu của vật liệu sấy Khác với các thiết bị nhiệt lạnh khác, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy khô và hút ẩm thì cả dàn nóng và dàn lạnh đều được sử dụng hữu ích nên năng suất tiêu thụ ở đây

có thể được tận dụng đến mức cao nhất mà nhiệt độ không khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ môi trường hoặc thấp hơn

 Ưu điểm:

- Khả năng giữ màu sắc, mùi vị và vitamin đều tốt

- Tiết kiệm năng lương nhờ sử dụng cả năng lượng dàn nóng và dàn lạnh, hiệu quả sử dụng nhiệt cao

- Bảo vệ môi trường, vận hành an toàn

- Có khả năng điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy tùy thuộc vào yêu cầu và khả năng chịu nhiệt của từng loại sản phẩm nhờ thay đổi công suất nhiệt của dàn ngưng trong

- Công suất khá lớn

- Chi phí đầu tư hệ thống thấp hơn so với các phương pháp sấy lạnh khác

- Vận hành đơn giản

 Nhược điểm:

- Thời gian sấy thường khá lâu do độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy không lớn

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

Việc sử dụng bơm nhiệt trong công nghiệp cũng như dân dụng để sấy, sưởi, hút ẩm, điều hòa không khí … đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trên thế giới và tại Việt Nam Tuy nhiên phương pháp sấy lạnh đã được phát hiện từ lâu nhưng do công nghệ và giá thành đầu tư lớn nên ứng dung của phương pháp này trong thực tế sản xuất chưa thực sự lớn Dưới đây là một số nghiên cứu ứng dụng của phương pháp sấy lạnh:

1.3.1 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

- 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

- Viện công nghệ Na Uy đã nghiên cứu kết hợp giữa sấy bằng bơm nhiệt và

sấy tầng sôi, thiết bị sấy được gọi là “ Máy sấy bơm nhiệt tầng sôi” Máy sấy bơm nhiệt tầng sôi đã có nhiều ứng dụng để sấy vật liệu rắn dạng hạt trong công nghệ thực phẩm, đồ gốm sứ, công nghệ dược và nông nghiệp

1.3.2 Các tác giả trong nước

- GS.TS Phạm Văn Tùy và các cộng sự nghiên cứu thành công công nghệ sấy lạnh bằng bơm nhiệt và đã ứng dụng sấy một số sản phẩm như: kẹo Jelly (Kẹo chip-chíp), một số loại rau củ thực phẩm và dược phẩm như hành tây, cơm dừa, dứa, cà rốt, hành lá, rau răm, tinh dầu gừng … Kết quả thu được là các sản phẩm sau khi sấy vẫn giữ được màu sắc tự nhiên, hàm lượng vitamin C cao hơn hẳn so với các sản phẩm rau quả sấy bằng phương pháp khác Chi phí thấp, hiệu quả cao

sau khi sÊy

Hình 1.7 Sơ đồ bố trí của hệ thống sấy bơm nhiệt tầng sôi

Døa t-¬i

khi sÊy

Hç h p dÞch Ðp gõng v b t Avicel Bét Avicel hÊp phô tinh dÇu gõng

- Tác giả GS.TS Phạm Văn Tùy và các cộng sự cũng đã tiến hành nghiên cứu

và đã ứng dụng thành công các hệ thống bơm nhiệt để hút ẩm cho các phân xưởng sản xuất kẹo Chew, Caramel, kẹo Cứng… tại công ty bánh kẹo Hải Hà và công ty thực phẩm Việt Trì

- Trần Đại Tiến và cộng sự (năm 2004) đã nghiên cứu công nghệ sấy lạnh cho sản phẩm mực lột da Kết quả là chất lượng sản phẩm rất tốt đồng thời rút ngắn thời gian sấy

- Ngô Đăng Nghĩa và cộng sự (năm 2004) đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy lạnh kết hợp với sấy hồng ngoại để sấy một số sản phẩm như sấy mực

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 chu trình, giới hạn kỹ thuật và vấn đề tự động điều chỉnh khống chế liên hoàn nhiệt

độ và độ ẩm của tác nhân sấy cũng như của vật liệu sấy trong hệ thống bơm nhiệt hút ẩm và sấy lạnh

Ưu nhược điểm của sấy bằng bơm nhiệt

- Chi phí đầu tư cao hơn so với một số phương pháp sấy thông thường khác

- Thời gian sấy dài, đặc biệt là khi độ chứa ẩm của vật liệu còn lại không lớn

1.4 Xác định đề tài nghiên cứu

1.4.1 Mục đích nghiên cứu

- Như đã rình bày ở rên á giả muốn nnghiên cứu tìm kiếm chu trình hợp lý

về phía môi chất lạnh của chu trình bơm nhiệt hút ẩm và sấy lạnh phù hợp với điều kiện Việt Nam Trong một chừng mực nhất định cũng có thể thay cho thiết bị nhập ngoại trọn bộ đắt tiền như một số cơ sở đã sử dụng

- Sử dụng phương pháp đánh giá phù hợp để nâng cao hiệu suất hệ thống, tiết kiệm chi phí đầu tư so với các công nghệ hiện có như sử dụng thiết bị bài ẩm chuyên dụng kết hợp với máy lạnh hoặc máy hút ẩm dân dụng, điều hòa không khí

a, Đối tượng nghiên cứu: Bơm nhiệt hút ẩm và sấy lạnh

b, Nội dung nghiên cứu:

- Lựa chọn phương pháp sấy thích hợp các vật liệu nhạy cảm nhiệt độ cao

- Nghiên cứu lý thuyết về bơm nhiệt và khả năng ứng dụng thực tế để tiết kiệm năng lượng trong quá trình hút ẩm và sấy lạnh

- Nghiên cứu các phương pháp đánh giá chất lượng và xác định chỉ tiêu đánh giá hợp lý cho bơm nhiệt

- Tính toán so sánh COP, hiệu suất exergy của các chu trình bơm nhiệt hút ẩm

và sấy lạnh đề xuất áp dụng các phương án sử dụng các chu trình nhiệt động đơn giản thông qua việc lắp đặt thêm các van bypass để cải thiện hiệu quả chu trình Kết quả của nghiên cứu này là: Xác định chu trình hợp lý của bơm nhiệt về phía môi chất lạnh nhằm tìm kiếm phương án hiệu quả, khả thi đơn giản và có khả năng thay thế hệ thống trọn bộ điều chỉnh tự động nhập ngoại mà vẫn tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả hệ thống

c, Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với khảo sát thực tế và so sánh chu trình và hệ thống hút ẩm và sấy lạnh trong điều kiện Việt Nam

Kết luận chương

Qua chương 1 tác giả đã:

- Trình bày khái niệm về hút ẩm, sấy lạnh, mối quan hệ giữa hút ẩm và nhiệt

độ môi trường,

- Quan hệ giữa công nghệ hút ẩm và sấy lạnh

+ Hút ẩm là quá trình xử lý độ ẩm của không khí cho môi trường sản xuất, sinh hoạt

+ Quá trình hút ẩm là quá trình làm giảm d và φ của không khí vì vậy có thể nói: hút ẩm là quá trình chuẩn bị không khí cho quá trình sấy lạnh

- Các phương pháp sấy thông dụng và hút ẩm

- Trình bày tổng quan về hút ẩm và sấy lạnh trong công nghiệp, đời sống

- Các phương pháp hút ẩm, các phương pháp sấy lạnh và ưu nhược điểm của

các phương pháp

- Tình hình nghiên cứu về bơm nhiệt hút ẩm và sấy lạnh trên thế giới và Việt

Nam Từ đó đã xác định đề tài nghiên cứu

CHƯƠNG 2: BƠM NHIỆT VÀ BƠM NHIỆT HÚT ẨM VÀ SẤY LẠNH 2.1 Bơm nhiệt

2.1.1 Khái niệm bơm nhiệt

Bơm nhiệt là thiết bị dùng để “bơm” một dòng nhiệt từ mức nhiệt độ thấp lên mức nhiệt độ cao hơn, phù hợp nhu cầu cấp nhiệt Để duy trì hoạt động bơm nhiệt phải tiêu tốn một dòng năng lượng như điện năng, cơ năng …

Bơm nhiệt chính là máy lạnh sử dụng nguồn nhiệt sinh ra ở thiết bị ngưng tụ, tùy theo mục đích sử dụng mà bơm nhiệt có thể sử dụng cả nguồn lạnh tại thiết bị bay hơi Bơm nhiệt khác máy lạnh ở mục đích sử dụng năng lượng, giống máy lạnh

là có cùng nguyên lý làm việc

Bơm nhiệt hút ẩm và sấy lạnh là máy lạnh sử dụng nguồn nhiệt sinh ra ở thiết

bị ngưng tụ và nguồn lạnh tại thiết bị bay hơi để dùng cho các mục đích sấy khô vật phẩm hoặc tạo môi trường có nhiệt độ nhỏ hơn hay bằng cỡ nhiệt độ môi trường

Cơ sở lý thuyết của bơm nhiệt đã được Các – nô đưa ra từ đầu thế kỷ 19, sau

đó được các nhà bác học như V.A.Mikhenơn, A.Fifê, hoàn thiện dần Năm 1852, Thompson (Lord Kelvin) đã sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên trên thế giới 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 khi hàng loạt bơm nhiệt công suất lớn được lắp đặt thành công ở nhiều nước châu Âu để sưởi ấm, đun nóng và điều hòa không khí

Bơm nhiệt có thể ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực có nhu cầu nhiệt độ thấp nhỏ hơn hoặc ăng nhiệt độ môi trường, nhiệt độ khoảng 40o

C ÷ 80oC hoặc có thể cao đến 115oC ÷ 120oC Nhu cầu về nóng và lạnh tương đối ăn khớp nhau thì hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt lại càng lớn

Khi sử dụng bơm nhiệt thì hiệu quả kinh tế của nó biểu hiện qua hệ số nhiệt

Hệ số nhiệt 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 là nhu cầu về nóng và lạnh phải liên tục và ổn định

a) Máy lạnh To<Ta, Tk=Ta

b) Bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh To< Ta, Tk>Ta

c) Bơm nhiệt dùng để sấy và sưởi To=Ta, Tk>Ta

d) Bơm nhiệt dùng để sấy sưởi nóng To>Ta,Tk>Ta

To- Nhiệt độ bay hơi Tk- Nhiệt độ ngưng tụ

Ta- Nhiệt độ môi trường qo- Nhiệt lượng lấy từ môi trường

qk- Nhiệt lượng thải ra từ thiết bị ngưng tụ

Hình 2.1 Phạm vi hoạt động của bơm nhiệt và máy lạnh

Bơm nhiệt giống máy lạnh là làm việc theo chu trình ngược (hình 2.4)

Cũng như máy lạnh, bơm nhiệt nén hơi có thể được sử dụng rộng rãi và có hiệu quả kinh tế to lớn trong các ngành kinh tế công, nông, lâm ngư nghiệp

Ngoài bơm nhiệt nén hơi, người ta chế tạo hầu như đủ các loại bơm nhiệt theo các nguyên lý khác nhau: bơm nhiệt hấp thụ, bơm nhiệt nén khí, bơm nhiệt nhiệt điện … Nhìn chung hiện nay tất cả các loại bơm nhiệt trên đều được sử dụng nhưng bơm nhiệt nén hơi được sử dụng rộng rãi nhất

2.1.2 Đặc tính

Để đánh giá hiệu quả chuyển hóa năng lượng, ta dùng hiệu quả bơm nhiệt được định nghĩa: hiệu quả bơm nhiệt COP là nhiệt lượng môi chất thải cho nguồn nóng ứng với một đơn vị công hỗ trợ và được biểu thị bằng:

Hình 2.4 Đồ thị chu trình khô đơn giản của bơm nhiệt

l - Công tiêu tốn cho máy nén

q o- Nhiệt lượng lấy từ môi trường (hay buồng lạnh)

q k- Nhiệt lượng thải ra ở dàn ngưng tụ

Năng suất nhiệt của bơm nhiệt chính là phương trình cân bằng nhiệt của máy lạnh:

qk = qo+ l [2.3]

+ Hiệu quả BN khi chỉ sử dụng NL nhiệt NT:

COPBN = QK/N = ε + 1

+ Dùng bơm nhiệt có thể sử dụng năng lượng của cả dàn nóng - để gia nhiêt

và cả dàn lạnh - để tách ẩm nên COP còn cao hơn nữa:

COPBN* =(QK+Qo)/N = 2ε + 1 [2.4]

Nếu sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp thì hiệu quả kinh tế còn cao hơn

nữa vì chỉ cần tiêu tốn một dòng năng lượng l là ta thu được cả năng suất lạnh qo và năng suất nhiệt qk như mong muốn Vậy hệ số nhiệt luôn luôn lớn hơn 1, do đó ứng dụng bơm nhiệt luôn lợi về nhiệt Hệ số nhiệt của bơm nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt

2.2 Đặc điểm của bơm nhiệt

2.2.1 Môi chất làm việc

Môi chất của bơm nhiệt có yêu cầu giống như đối với máy lạnh Một vài yêu cầu đặc biệt hơn xuất phát từ nhiệt độ sôi và nhiệt độ ngưng tụ cao hơn, có thể gần giống như chế độ nhiệt độ cao như trong điều hòa không khí, nghĩa là cho đến nay người ta vẫn sử dụng các loại môi chất như: R12, R22, R502 Môi chất amoniac cũng được sử dụng với nhiệt độ ngưng tụ không quá thấp Gần đây, người ta đặc biệt chú ý nhiều đến việc sử dụng các môi chất mới cho bơm nhiệt nhằm nâng cao nhiệt độ dàn ngưng như: R21, R113, R114, R12B1

2.2.2 Các thiết bị của bơm nhiệt và thiết bị ngoại vi

2.2.2.1 Máy nén

Cũng như trong máy lạnh, máy nén là một bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt Tất cả các dạng máy nén của máy lạnh đều được ứng dụng trong bơm nhiệt Đặc biệt quan trọng là máy nén pittông trượt, máy nén trục vít và máy nén tuabin

So với máy nén lạnh, máy nén dùng cho bơm nhiệt đòi hỏi cao hơn, đặc biệt là các yêu cầu sau đây: