Sấy tự động sử dụng năng lượng mặt trời

Tuy nhiên, vấn đề cấp bù nhiệt khi không có năng lượng mặt trời hầu như chưa được quan tâm, vấn đề nâng cao độ chính xác điều khiển quá trình sấy còn hạn chế, các thiết bị sấy thường hạn

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI THIẾT BỊ SẤY TỰ ĐỘNG, ĐA NĂNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ

NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

Lĩnh vực: 13 – Kỹ thuật cơ khí

MỤC LỤC

PHẦN I MỞ ĐẦU 1

A LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

B Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN 3

C MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3

D GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 3

E NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

F ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI 7

PHẦN II KẾT QUẢ 8

1 Kết quả thiết kế nguyên lý làm việc của hệ thống 8

2 Kết quả nghiên cứu tính toán chọn các thông số cơ bản cho thiết bị sấy 9

3 Kết quả thiết kế, chế tạo thiết bị sấy 9

4 Kết quả chảy thử và đánh giá thử nghiệm 11

PHẦN III KẾT LUẬN 15

PHẦN IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

PHẦN I MỞ ĐẦU

A LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày này, khi khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên ngày càng khan hiếm, nguồn năng lượng thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng Nguồn năng lượng mặt trời (NLMT) - là nguồn năng lượng sạch và rất tiềm tàng đang được quan tâm đặc biệt hiện nay Do đó, việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết

bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế đời sống, sản xuất là vấn đề cần thiết Trong quá trình sản xuất nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, dược, việc làm khô nông sản, thực phẩm, thảo dược phần lớn vẫn đang được thực hiện bằng các biện pháp thủ công hoặc với các thiết bị sấy điện, hoặc lò đốt thông thường với năng suất thấp chất lượng chưa cao và không chủ động trong quá trình sản xuất Thông tin so sánh, đánh giá ưu, nhược điểm của các công nghệ sấy được mô tả chi tiết trong bảng dưới đây:

Bảng 1 Ưu điểm và nhược điểm của các công nghệ sấy

Kỹ

sấy

- Sản phẩm sấy không được bảo vệ

và có nhiều rủi ro, như bụi, động vật, Phơi khô - Gần như không có yêu cầu kiến, mưa

truyền về đầu tư - Cần nhiều thời gian

thống - Không có yêu cầu về - Cần lao động để trông nom, giám

nguồn nhiên liệu sát

- Chất lượng phơi khô không tốt (do tiếp xúc với bụi, ….)

- Yêu cầu vốn đầu tư về nhiên liệu Sấy bằng - Yêu cầu vốn đầu tư về xây dựng

- Gây ô nhiễm và suy thoái rừng củi đốt - Tốc độ sấy nhanh hơn - Chất lượng sản phẩm khô có thể bị hoặc

nhiên phơi tự nhiên ảnh hưởng bởi khói

liệu khô - Không dễ để điều khiển quá trình

sấy

- Cần người lao động để vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa

1

- Tốc độ sấy nhanh hơn hai - Đầu tư tốn kém.

- Đòi hỏi nguồn năng lượng điện loại công nghệ kể trên - Ít phù hợp với các hộ sản xuất nhỏ,

- Sản phẩm sấy được kiểm

soát tốt - Máy cần được lắp đặt trong nhà điện - Chất lượng sấy khô được nên tiêu tốn thêm chi phí đầu tư.

đảm bảo tùy thuộc vào yêu - Không thân thiện với môi trường cầu của từng loại sản phẩm

- Đòi hỏi người lao động có trình độ

để vận hành và bảo trì

- Đầu tư thấp

- Sử chữa và bảo dưỡng đơn - Đòi hỏi người lao động có trình độ giản

- Không yêu cầu người có trong bảo hành, bảo trì

trình độ cao để vận hành - Chi phí phụ thuộc vào các khoản Sấy bằng - Kiểm soát quá trình sấy đâu từ ban đầu

năng khô tốt - Máy sấy phải hoạt động đúng chu lượng - Tốc độ sấy nhanh trình để đem lại chất lượng sấy cao mặt trời - Sản phẩm sấy được bảo vệ - Có đòi hỏi vốn đầu tư

trong quá trình sấy

- Thích hợp với nhiều quá trình sản xuất

- Thân thiện với môi trường

Vì vậy, việc nghiên cứu để thiết kế, chế tạo thiết bị sấy nông sản, thực phẩm, thảo dược có có độ chính xác cao đang rất cần thiết

Từ những so sánh, phân tích trên ta thấy rằng: Thiết bị sấy sử dụng năng lượng mặt trời đang rất phổ biến hiện nay Tuy nhiên, vấn đề cấp bù nhiệt khi không có năng lượng mặt trời hầu như chưa được quan tâm, vấn đề nâng cao độ chính xác điều khiển quá trình sấy còn hạn chế, các thiết bị sấy thường hạn chế trong từng điều kiện sử dụng nhất định nên khả năng ứng dụng linh hoạt, đa lĩnh vực, đa vùng miền, hoặc với điều kiện đầu tư khác nhau còn hạn chế Nghiên cứu tích hợp thêm hệ thống cấp bù nhiệt, ổn định nhiệt để cung cấp liên tục cho quá trình sấy là cần thiết Hơn thế nữa, việc nghiên cứu để tạo ra thiết bị sấy linh hoạt, đa chức năng, sử dụng ở các điều kiện vùng miền, điều kiện về đầu tư khác nhau là hướng đi hết sức tiềm năng

Vì những lý do trên, nhóm nghiên cứu lựa chọn và thực hiện đề tài: Thiết bị sấy tự động, đa năng sử dụng tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng điện.

B Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN

- Đóng góp những kết quả về việc nghiên cứu theo hướng phát triển bền vững, thông qua việc sử dụng tiết kiệm năng lượng điện và sử dụng các nguồn năng lượng sạch (ở đề tài này là năng lượng mặt trời)

- Đóng góp những kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ sau thu hoạch (Một lĩnh vực đang hết sức cần thiết đối với sự phát triển của nước ta)

- Đóng góp những kết quả trong việc nghiên cứu tích hợp nhiều nguồn năng lượng trong quá trình sấy, để thực hiện công việc sấy trong nhiều điều kiện dự trữ năng lượng khác nhau

- Nâng cao độ chính xác trong việc điều khiển quá trình sấy, đáp ứng các yêu cầu về kỹ thuật trong quá trình sấy

- Nâng cao mức độ linh động của thiết bị thông qua việc nghiên cứu chế tạo theo

mô đun, để thiết bị có thể được ứng dụng trong các điều kiện khác nhau: Khi không có điện lưới, khi không có đủ ánh sáng mặt trời, khi không có đủ cả điện lưới hoặc ánh sáng mặt trời Ngoài ra, còn có thể ứng dụng với từng khả năng đầu tư khác nhau tùy thuộc vào sự chọn các mô đun thiết bị

C MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Thiết kế, chế tạo và chạy thử nghiệm thành công thiết bị sấy tự động, đa năng sử dụng tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng điện

D GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

- Tập trung nghiên cứu thiết bị sấy khô các sản phẩm nông sản, thảo dược

sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng điện

- Nghiên cứu ở mức quy mô nhỏ (khoảng từ 0,2 – 0,5 m3)

E NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu tập trung vào các nội dung chính:

1) Nghiên cứu tính toán, thiết kế thiết bị sấy sử dụng năng lượng mặt trời (Bao gồm việc tính toán các thông số của thiết bị sấy như: Năng suất, các thông số hình học, các thông số về điều kiện sấy, …)

2) Nghiên cứu chế tạo thiết bị sấy (Bao gồm việc lên bản vẽ thiết kế, lên bản

vẽ mô hình và tiến hành các bước để chế tạo, hoàn thiện sản phẩm)

3) Nghiên cứu chế tạo hệ thống điều khiển cho thiết bị sấy nhằm ổn định nhiệt, thoát ẩm chủ động và tự động hóa trong quá trình sử dụng

4) Nghiên cứu đánh giá thiết bị sấy: Sử dụng thiết bị sấy để tiến hành quá trình sấy nông sản, thảo được, sau đó đánh giá về chất lượng của quá trình sấy, đánh giá về sự ổn định của quá trình sấy, đánh giá về hiệu quả khi sử dụng thiết bị sấy

Đề tài được thực hiện theo các bước ở hình 1

Suất phát từ việc nghiên cứu nền tảng lý thuyết và thực tiễn, nội dung và đối tượng nghiên cứu được cụ thể hóa Với mỗi nội dung, phương pháp và quá trình thực hiện được xây dựng Thông qua quá trình nghiên cứu thực nghiệm việc thiết kế, lựa chọn các thông số của thiết bị sấy, thiết bị cung cấp năng lượng, thiết bị điều khiển, được thực hiện và thể hiện bằng các bản vẽ kỹ thuật, các thông số, đặc trưng của từng thiết bị, từng bộ phận

Hình 1 Tiến trình nghiên cứu

Từ bản vẽ thiết kế, mô hình 3D của thiết bị được xây dựng Ngoài ra, căn

cứ vào bản vẽ thiết kế và mô hình 3D của sản phẩm, quá trình gia công, lắp giáp được thực hiện để tạo thành thiết bị Thiết bị được kiểm tra sơ bộ, điều chỉnh và được hoàn thiện theo các yêu cầu về thiết kế

Thiết bị sau khi hoàn thiện được tiến hành chạy thử và ứng dụng đối với một số loại nông sản, thảo được khác nhau Các chỉ tiêu về chất lượng quá trình sấy, độ ổn định, thời gian đáp ứng, khi chạy thử nghiệm được thu thập và đánh giá

Từ những kết quả đánh giá, thiết bị sấy tiếp tục được nghiên cứu, điều chỉnh và hoàn thiện trước khi được chuyển giao

Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu cơ bản, đó là:

(1) Phương pháp xác định khoảng nhiệt độ sấy

Sử dụng phương pháp nghiên cứu để xác định khoảng nhiệt độ sấy Trên

cơ sở các công bố khoa học, các tài liệu liên quan đến vấn đề sấy nông sản, thảo dược, khoảng nhiệt độ sấy được khuyến cáo cho mỗi loại vật liệu sấy sẽ được tổng hợp, tham khảo và được sử dụng để tính toán cho các loại bộ phận của thiết

bị sấy

(2) Phương pháp xác định dung tích buồng sấy

Dung tích của buồng sấy được xác định dựa vào yêu cầu của thiết bị sấy Nghiên cứu này được thực hiện để chế tạo thiết bị sấy có quy mô nhỏ (< 0,5 m3)

Vì vậy, tùy thuộc vào điều kiện về vật liệu, điều kiện máy móc, thiết bị phục vụ cho quá trình chế tạo để lựa chọn dung tích buồng sấy (Vbs) cho phù hợp

(3) Phương pháp xác định năng suất sấy

Năng suất sấy được tính bằng lượng vật liệu sấy được đưa vào sấy cho mỗi mẻ Nếu tính về khối lượng, năng suất sấy phụ thuộc vào khối lượng riêng của loại vật liệu sấy Vì vậy, trong nghiên cứu này, năng suất sấy được tính bằng thể tích của vật liệu đưa vào sấy trên mỗi mẻ Thể tích vật liệu sấy cho mỗi mẻ bằng tổng thể tích có thể chứa được của tất cả 4 khay sấy

(4) Phương pháp xác định công suất của hệ thống cấp cấp bù nhiệt

Công suất của hệ thống cung cấp bù nhiệt được xác định bằng phương pháp thử nghiệm Nghiên cứu này sử dụng hệ thống đèn hồng ngoại làm hệ thống cung cấp bù nhiệt, vì vậy, sau khi buồng sấy được hoàn thành, hệ thống đèn hồng ngoại sẽ được lắp đặt thử nghiệm trong buồng sấy để xác định nhiệt độ tối đa của không khí trong buồng sấy do hệ thống cấp bù nhiệt tạo ra Thay đổi công suất của hệ thống cấp bù nhiệt để đo nhiệt độ tối đa của không khí trong buồng sấy Để thực hiện được quá trình sấy khô, thì nhiệt độ tối đa của không khí trong buồng sấy phải lớn hơn nhiệt độ sấy lựa chọn Công suất và hệ thống đèn hồng ngoại được lựa chọn là công suất và hệ thống có thể làm cho nhiệt độ của không khí trong buồng sấy lớn hơn nhiệt độ cần sấy vật liệu

(5) Phương pháp thiết kế, xây dựng bản vẽ

Để thực hiện quá trình thiết kế, xây dựng bản vẽ, cần phải xây dựng sơ đồ nguyên lý của hệ thống Từ sơ đồ nguyên lý, các trang thiết bị sẽ được lựa chọn,

từ đó hệ thống buồng sấy, khung, chân đỡ và các bộ phận khác sẽ được tính toán

và lựa chọn cho phù hợp Sau đó các bản vẽ kỹ thuật hoặc mô hình 3D của sản phẩm sẽ được thiết kế và xây dựng

(6) Phương pháp chế tạo cơ khí

Hệ thống cơ khí được thi công dựa theo các bản vẽ nguyên lý, thiết kế bằng cách sử dụng các công cụ, máy móc chuyên dụng, các vật liệu cơ bản được chọn làm hệ thống là thép và gỗ, tấm tráng bạc cách nhiệt, sơn đen

(7) Phương pháp xác định yêu cầu công nghệ của hệ thống điều khiển

* Xác định các chế độ làm việc của thiết bị sấy

Hệ thống có thể hoạt động trên 2 chế độ khác nhau:

+ Khi không có lưới điện:

Hệ thống hoạt động dựa vào việc thu nhiệt trực tiếp năng lượng mặt trời

và hệ thống cấp bù nhiệt từ nguồn điện, được tích trữ trong ac quy thông qua hệ thống pin năng lượng mặt trời Trong trường hợp cường độ ánh sáng đủ lớn, thiết bị sẽ sử dụng nhiệt chủ yếu từ thiết bị thu nhiệt

+ Khi có lưới điện:

Hệ thống hoạt động hoàn toàn dựa trên lưới điện như một thiết bị sấy thông thường

* Xây dựng chu trình hoạt động và điều khiển

Khởi động hệ thống: Hệ thống thu nhiệt làm việc, hệ thống quạt tuần hoàn khí sấy làm việc

Nếu nhiệt độ từ thiết bị thu nhiệt đủ lớn: Lớn hơn hoặc bằng 50 oC (sensor nhiệt

- sensor 1), khi đó quạt gió 01 sẽ khởi động để đẩy hơi nóng từ thiết bị thu nhiệt lên buồng sấy để sấy sản phẩm sấy

Thiết bị cấp bù nhiệt (đèn hồng ngoại) hoạt động dựa trên các thông số của sensor nhiệt (sensor 2) Đèn cấp bù nhiệt giúp nhiệt độ của buồng sấy ổn định ở 50 oC, Nếu nhiệt độ của buồng sấy nhỏ hơn 50 oC, đèn hồng ngoại sẽ khởi động để cấp bù nhiệt cho buồng sấy, nếu nhiệt độ của buồng sấy lớn hơn hoặc bằng 50 oC, đèn sẽ tắt hoặc sáng với cường độ thấp để duy trì nhiệt độ cho buồng sấy

Bộ hút ẩm chủ động được đặt ở phía trên của buồng sấy Bộ hút ẩm sẽ hoạt động khi sensor ẩm độ (sensor 3) có trị số lớn hơn hoặc bằng 15% Tốc độ hút ẩm tăng lên khi trị số độ ẩm tăng lên Khi độ ẩm nhỏ hơn 15% quá trình hút

ẩm sẽ thực hiện theo quá trình đối lưu tự nhiên Còi báo hoạt động khi chỉ số độ

ẩm nhỏ hơn hoặc bằng 15%

(8) Đánh giá độ ổn định nhiệt độ thiết bị sấy

Tiến hành quá trình sấy với các điều kiện tải khác nhau: Sấy không tải, sấy với vật liệu sấy là củ Kiệu tươi, Dây thìa canh tươi, Củ giềng tươi (đã thái lát) Sau khi gia nhiệt đến nhiệt độ đặt (50 oC), tiến hành lấy mẫu đo nhiệt độ của khí sấy Quá trình lấy mẫu đo được thự hiện liên tục (30 phút một lần) trong toàn bộ thời gian sấy Các kết quả lấy mẫu sẽ được tổng hợp, so sánh và đánh giá

(9) Phương pháp đánh giá thời gian gia nhiệt ở các điều kiện khác nhau

Thời gian gia nhiệt được thử nghiệm trong nhiều điều kiện khác nhau:

- Khác nhau về công suất của đèn gia nhiệt: 2 mức là 750 W và 1050 W

- Thử nghiệm được thực hiện trong 2 điều kiện cách nghiệt của buồng sấy: Cách nhiệt chỉ bằng gỗ ép công nghiệp và cách nhiệt bao gồm cả gỗ ép công nghiệp và lớp bóng bạc chịu nhiệt

- Thử nghiệm được thử hiện trong 2 điều kiện tải: Chạy không và sấy 6 kg giềng tươi (đã thái lát)

6

- Thử nghiệm được thực hiện với 3 chế độ thoát ẩm khác nhau: Thoát ẩm

tự nhiên, thoát ẩm với tốc độ quạt tối đa, thoát ẩm chủ động (đến 49 oC quạt thoát ẩm hoạt động, tốc độ quạt tỉ lệ thuận với độ ẩm của khí sấy)

(10) Phương pháp dánh giá về sự ảnh hưởng của chế độ thoát ẩm đến kết quả sấy

Thử nghiệm này được xác định ở điều kiện công suất của hệ thống đèn hồng ngoại được sử dụng là: 1050 W, cách nhiệt buồng sấy bao gồm hai lớp là lớp gỗ ép công nghiệp bên ngoài và lớp bóng bạc cách nhiệt bên trong Vật liệu sấy là 6 kg giềng tươi, được sấy khô đến độ ẩm của không khí không thay đổi Mỗi lần thử nghiệm, vật liệu sấy được phun một lượng nước như nhau để đảm bảo điều kiện bắt đầu thử nghiệm với các thử nghiệm như nhau Các thử nghiệm được tiến hành ở 4 chế độ thoát ẩm: Thoát ẩm tự nhiên (quạt không chạy), thoát

ẩm với tốc độ quạt tối đa, thoát ẩm chủ động với tốc độ quạt biến thiên khi độ

ẩm không khí sấy biến thiên từ 30 % đến 100 % và thoát ẩm chủ động với tốc độ quạt biến thiên khi độ ẩm không khí sấy biến thiên từ 150 % đến 60 % Quá trình lấy mẫu giá trị đo của nhiệt độ và độ ẩm khí sấy được tiến hành 1 lần mỗi giờ, quá trình lấy mẫu kết thúc khi độ ẩm của không khí sấy không thay đổi trong nhiều giờ Các dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm của không khí sấy sẽ được thống kê, tổng hợp và đánh giá

F ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Thiết bị được chế tạo thành công đã khắc phục được hầu hết các nhược điểm mà các thiết bị sấy điện, sấy năng lượng mặt trời hiện nay đang có Đó là: (1) Tiết kiệm năng lượng nhờ tận dụng nguồn năng lượng mặt trời

(2) Có thể sử dụng tích hợp các nguồn năng lượng khác nhau (cả điện lưới, điện lưu trữ trong Ác quy thông qua hệ thống pin năng lượng mặt trời, đồng thời có thể sử dụng nguồn nhiệt trực tiếp từ năng lượng mặt trời Điều này giúp thiết bị có thể được sử dụng ở nhiều điều kiện khác nhau (khi có điện lưới, khi có ánh sáng mặt trời, và kể cả khí không có điện lưới, không có ánh sáng mặt trời)

(3) Độ chính xác và tuổi thọ của thiết bị được cải thiện nhờ việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển PID (điều khiển ba khâu: tỉ lệ (Proportional), tích phân (Integral) và đạo hàm (Derivative)), khác với các thiết bị hiện nay thường

là điều khiển ON/OFF (Đóng/Mở)

(4) Thiết bị có thể sử dụng với nhiều loại vật liệu sấy khác nhau như nông sản, thảo dược, …

(5) Thiết bị được chế tạo ở dạng mô đun nên có tính linh hoặt trong sử dụng, đồng thời phù hợp với nhiều vùng miền, với khả năng đầu tư khác nhau (6) Vật liệu để chế tạo thiết bị khá linh động: Gỗ, tôn, sắt, …

7

PHẦN II KẾT QUẢ

1 Kết quả thiết kế nguyên lý làm việc của hệ thống

Mặt cắt dọc thiết bị

Mặt cắt ngang thiết bị

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy

Thiết bị sấy được thiết kế dựa trên ý tưởng vừa sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời (hấp thụ nhiệt chủ động) vừa có thể sử dụng nguồn điện cấp cho hệ thống đèn hồng ngoại để gia nhiệt cho hệ thống Vì vậy, sơ đồ nguyên lý được lựa chọn

và thiết kế ở hình 2 Buồng thu nhiệt từ năng lượng mặt trời (1) có dạng hình hộp chữ nhật được phân ra thành 3 ngăn, giữa các ngăn có khe (11) để lưu thông khí nóng Bên trong buồng có lắp tấm kẽm dẹt được uốn cong theo hình sóng nước nhằm mục đích tăng diện tích tiếp xúc của tấm kẽm với ánh sáng mặt trời Không khí ở bên trong buồng thu nhiệt sau khi bị đốt nóng được lưu thông (2) cưỡng bức bởi quạt một chiều (4) đi vào bên trong buồng sấy (7) thông qua khe dẫn khí (3) Khí nóng bên trong buồng sấy (17) được lưu thông liên tục bởi quạt gió xuay chiều

(5) đảm bảo cho nhiệt độ bên trong buồng sấy đảm bảo tính đồng đều

Vỏ buồng sấy (15) được làm từ gỗ được đệm một lớp bóng bạc chịu nhiệt (14) bên trong với mục đích giữ cho ánh sáng hồng ngoại phát ra từ các đèn hồng ngoại cấp nhiệt bổ sung (6) ở lại trong buồng sấy và không bị khuếch tán

ra bên ngoài Ở thành trong buồng sấy có những gờ (8) đỡ giá để nguyên liệu Hơi nước thoát ra từ nguyên liệu sấy sẽ được thoát qua khe (12) ra ngoài theo đường (18) và được thoát tăng cường bởi quạt một chiều (9), bộ phận mũ chụp (10) đảm bảo cho độ ẩm từ buồng sấy được thoát đều ra hai phía Buồng sấy được cố định và nâng đỡ bởi hệ thống chân đỡ (16), đồng thời hệ thống chân đỡ