Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kiểu bậc thang

 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu của chúng tôi nhằm đạt được 03 mục đích cụ thể sau: - Nghiên cứu hiện tượng trao đổi nhiệt trao đổi chất trong quá trình sấy bằng hệ thống sấy dùng bơm

-    -

TRƯƠNG MINH THẮNG

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG QUÁ TRÌNH SẤY BẰNG

BƠM NHIỆT KIỂU BẬC THANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

HÀ NỘI – 2014

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS NGUYỄN ĐỨC LỢI

2 GS TSKH TRẦN VĂN PHÚ

HÀ NỘI - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Hà nội, ngày 16 tháng 12 năm 2014

Tác giả luận án

Trương Minh Thắng

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp trong bộ môn Nhiệt kỹ thuật Khoa Cơ khí, trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện thời gian, giúp

đỡ, động viên, khuyến khích để tác giả có thể hoàn thành được luận án

Tác giả cũng chân thành cảm ơn các em sinh viên khóa 50 trường Đại học Giao thông Vận tải đã giúp đỡ và cùng tác giả thực hiện đo đạc thực nghiệm, thu thập số liệu góp phần vào sự hoàn thành luận án

Cuối cùng, tác giả cũng xin tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân

đã hỗ trợ, động viên trong toàn bộ thời gian làm luận án

Hà nội, ngày 16 tháng 12 năm 2014

Tác giả luận án

Trương Minh Thắng

Lời cam đoan i

1.2.1 Tổng quan các kết quả nghiên cứu trên thế giới 6 1.2.2 Kết quả nghiên cứu về sử dụng HTS BN ở Việt Nam 12 1.3.Một số vấn đề truyền nhiệt truyền chất trong vật liệu sấy 16 1.3.1 Quy luật dịch chuyển nhiệt - ẩm trong lòng vật liệu 16 1.3.2 Mô hình toán học biểu diễn hiện tượng dịch chuyển trong VLS 17

1.3.2.2 Mô hình truyền nhiệt truyền chất 17 1.3.2.3 Một số mô hình toán nghiên cứu hiện tượng co ngót VLS 18 1.3.3 Một số phương pháp xác định thời gian sấy 20 1.3.3.1 Phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm 20

1.3.3.3 Phương pháp lý thuyết tương tự 27

Chương 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 32 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

3.2.2 Xác định các thông số nhiệt vật lý của TNS

3.2.3 Xác định các thông số nhiệt vật lý của cà rốt

3.2.3.1 Nhiệt dung riêng của cà rốt

3.2.3.2 Hệ số dẫn nhiệt của cà rốt

3.2.3.3 Khối lượng riêng của cà rốt

3.2.3.4 Xác định độ ẩm cân bằng của cà rốt

3.2.3.5 Xác định hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả của cà rốt

3.2.4 Xác định hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi chất đối lưu

3.2.4.1 Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu

3.2.4.2 Xác định hệ số trao đổi chất đối lưu

3.2.5 Giải hệ phương trình 3.2 bằng phương pháp sai phân hữu hạn

3.2.5.1 Hệ phương trình sai phân truyền nhiệt

3.2.5.2 Hệ phương trình sai phân truyền ẩm

3.3 Hiệu chỉnh phương pháp tương tự xác định TGS

3.4 Kết luận chương 3

Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

4.1 Một số vấn đề trong nghiên cứu thực nghiệm

4.1.1 Khái niệm về các loại độ ẩm của vật liệu

4.2.1 HTS BN kiểu bậc thang

4.2.2 Mô hình thiết bị thí nghiệm HTS GT-01

4.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý HTS BN kiểu bậc thang

4.2.2.2 Mục tiêu của HTS BN kiểu bậc thang

4.2.2.3 Cấu trúc của mô hình thiết bị thí nghiệm HTS GT-01

4.2.2.4 Bố trí thiết bị đo và lấy số liệu

4.2.2.5 Khả năng thay đổi chế độ hoạt động của HTS GT-01

Chương 5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

5.1 Kết quả nghiên cứu lý thuyết TNTC khi kể đến hiện tượng CN VLS

75

75

5.1.1 Ảnh hưởng của thông số TNS đến độ chứa ẩm và TGS 75 5.1.2 Ảnh hưởng của điều kiện ban đầu VLS đến độ chứa ẩm và TGS 78 5.1.3 Lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS 80

5.1.4.4 Lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS 86

5.2.1 Xác định các thông số của VLS và TNS để tính lý thuyết theo TN 88 5.2.2 Đánh giá độ chính xác của mô hình toán học có kể đến ảnh

hưởng của CN VLS so với TN

89

5.2.2.1 Đánh giá theo sự thay đổi độ ẩm tương đối VLS 89 5.2.2.2 Đánh giá theo sự thay đổi khối lượng VLS 90

5.2.3 Đánh giá sự hiệu chỉnh phương pháp xác định TGS theo lý

thuyết tương tự khi kể đến CN VLS

94

5.2.3.1 Xác định hệ số khuếch tán ẩm theo sự CN VLS 94

1 Phụ lục 1 Kết quả giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất khi tốc

độ TNS thay đổi

2 Phụ lục 2 Kết quả giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất khi

nhiệt độ TNS thay đổi

3 Phụ lục 3 Kết quả giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất độ ẩm

TNS thay đổi

4 Phụ lục 4 Kết quả giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất khi độ

ẩm ban đầu của VLS thay đổi

5 Phụ lục 5 Kết quả giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất khi

nhiệt độ ban đầu của VLS thay đổi

6 Phụ lục 6 Kết quả thí nghiệm các chế độ sấy khác nhau trên HTS GT-01

7 Phụ lục 7 Kết quả thí nghiệm đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng

của phương án vận hành HTS GT-01 do chúng tôi đề xuất

8 Phụ lục 8 Một số hình ảnh của HTS GT-01, VLS và thiết bị sử dụng

trong hệ thống

``````````

9 Phụ lục 9 Đồ thị logp_h của 2 chu trình lạnh và đồ thị i-d của TNS khi

thực nghiệm trên HTS GT-01 ở một chế độ làm việc cụ thể

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

A Hệ số thực nghiệm

[At,M ] Ma trận hệ số trong mục 3.2.5

a Hệ số dẫn nhiệt độ, m2/s

aij Các hệ số trong hệ phương trình (1.7)

amn Tổ hợp các tiêu chuẩn đồng dạng trong (1.34)

at Hệ số của nhiệt độ trong ma trận hệ số [At,M ]

aM Hệ số của độ chứa ẩm trong ma trận hệ số [At,M ]

B Hệ số thực nghiệm

Bi Tiêu chuẩn đồng dạng Biot

Cp Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp, J/kg.K

[Ct,M ] Ma trận vế phải trong mục 3.2.5

Ct Hệ số của nhiệt độ trong ma trận vế phải [Ct,M ]

CM Hệ số của độ chứa ẩm trong ma trận vế phải [Ct,M ]

d Độ chứa hơi của không khí, kgâ/kgkk

Dâ Hệ số khuếch tán hơi nước vào trong không khí, m2

/s

D Hệ số khuếch tán ẩm, m2

/s

F Diện tích, m2

Fo Tiêu chuẩn đồng dạng Fourier

G Khối lượng vật liệu ẩm, kg

Gâ Khối lượng ẩm trong vật liệu, kg

Gk Khối lượng cốt khô của vật liệu, kg

H Năng lượng hoạt động, kJ/kmol

Lu Tiêu chuẩn đồng dạng Luikov

Lij Hệ số hiện tượng trong biểu thức (1.1)

M Độ chứa ẩm trung bình của vật liệu, kgâ/kgVLK

Me Độ chứa ẩm cân bằng của vật liệu, kgâ/kgVLK

MR Độ chứa ẩm không thứ nguyên

N Lượng điện tiêu thụ

NH Số lượng các khoảng thời gian giảm ẩm bán phần

Nu Tiêu chuẩn đồng dạng Nusselt

Pr Tiêu chuẩn đồng dạng Prandtl

Q Nhiệt lượng, J

q Lượng nhiệt VLS hấp thụ trong khoảng , kJ/m2

q Tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ, kJ/m2

r Nhiệt ẩn hóa hơi của nước, J/kg

R Kích thước đặc trưng của vật hoặc tấm phẳng, m

Re Tiêu chuẩn đồng dạng Reynolds

S Hệ số trễ

Sc Tiêu chuẩn đồng dạng Schmidt

Sh Tiêu chuẩn đồng dạng Sherwood

St Tiêu chuẩn đồng dạng Stanton

T Nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin), K

t Nhiệt độ bách phân (Celsius), oC

V Thể tích, m3

w Độ chứa ẩm tương đối của VLS, % kgâ/kgVLÂ

X Tọa độ không thứ nguyên

[Xt,M] Ma trận biến

yLT Giá trị lý thuyết thứ i

yTN Giá trị thực nghiệm thứ i

Ký tự Hy lạp

 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình, W/m2.K

M Hệ số trao đổi ẩm đối lưu trung bình, m/s

 Chiều dày tấm phẳng, m

t Hệ số gradient nhiệt độ

n Độ lệch ước lượng của tập hợp mẫu

 Độ chênh

 Độ ẩm tương đối của không khí, %

1 Trường nhiệt độ không thứ nguyên

2 Trường thế dẫn ẩm không thứ nguyên

 Thế dẫn ẩm, oM

*

T Nhiệt độ không thứ nguyên trung bình

 Khối lượng riêng, kg/m3

 Thời gian

tb Tốc độ co ngót trung bình của VLS, m/s

Ký hiệu đầu Ý nghĩa

m Tại thời điểm tính toán thứ m

Ký hiệu chân Ý nghĩa

0 Tại thời điểm ban đầu

 Tại thời điểm vô cùng

RMSE Sai số căn quân phương

SPHH Sai phân hữu hạn

SMER Lượng tách ẩm riêng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. So sánh hiệu quả của HTS BN với các HTS khác 8

Bảng 1.2 Tổng hợp các nghiên cứu về HTS BN trên thế giới 11

Bảng 1.3 So sánh chất lượng sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt sấy với

phương pháp sấy nóng truyền thống và sấy hồng ngoại

13

Bảng 3.1. Nhiệt dung riêng thành phần của thực phẩm theo nhiệt độ 43

Bảng 3.2 Hệ số dẫn nhiệt thành phần của thực phẩm theo nhiệt độ 44

Bảng 4.1 Thông số của các thiết bị trong hệ thống sấy GT-01 69

Bảng 4.2 Số lượng, thông số kỹ thuật của các thiết bị đo trong HTS GT-01 71

Bảng 5.1 Tổng hợp lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS 81

Bảng 5.2 Kết quả thí nghiệm và tính toán lý thuyết độ ẩm tương đối TBVLS 89

Bảng 5.3 Kết quả tính toán và số liệu TN theo sự thay đổi khối lượng VLS 91 Bảng 5.4 Kết quả tính toán tốc độ sấy của MHCN, MHKCN và TN 92

Bảng 5.5 Kết quả TN sự thay đổi độ chứa ẩm TB VLS 95

Bảng 5.7 Kết quả tính toán và so sánh thời gian sấy 99

Bảng 5.9 Kết quả thí nghiệm và tính SMER chế độ sấy A 100

Bảng 5.10 Tổng hợp kết quả thí nghiệm và tính toán từ các chế độ sấy A-I 102

Bảng 5.11 Kết quả thí nghiệm đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng 104

Trang

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.2 Biểu đồ số lượng các nghiên cứu HTS BN từ 1975-2008 7

Hình 1.3 Đồ thị xác định thời gian sấy của tấm phẳng 25

Hình 3.1 Mô hình và bước chia sai phân một nửa bề dày tấm VLS 38

Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán giải hệ phương trình (3.53) bằng PP SPHH 56

Hình 4.1 Sự biến đổi nhiệt độ của chất tải nhiệt tw1 = 32oC, tw2 = 37oC

64

Hình 4.5 Hệ thống sấy bơm nhiệt với một chu trình 65

Hình 4.6 Hệ thống sấy bơm nhiệt với hai chu trình riêng biệt 65

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý HTS GT-01 (a) và đồ thị lgP-h (b) 67

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý HTS GT-01 kiểu bậc thang 68

Hình 4.9 Sơ đồ bố trí đầu đo nhiệt độ theo tiết diện 70

Hình 5.4 Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a = 25÷45%, ta = 35oC,

a = 1,5 m/s trong nửa cuối QTS

78

Trang

Hình 5.5 Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a = 35%, ta=35oC,

a = 1,5 m/s với các nhiệt độ đầu của cà rốt 24o

C; 28oC; 32oC

79

Hình 5.6 Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a = 35%, ta = 35oC,

a = 1,5 m/s với các độ ẩm đầu của cà rốt 80,34%; 86,34%; 90,34%

Hình 5.9 Thay đổi nhiệt độ giữa bề mặt và tâm của cà rốt ở chế độ

a = 35%, ta = 35oC, a = 1,5 m/s trong 5 phút đầu tiên

84

Hình 5.10 Thay đổi nhiệt độ tại bề mặt, tại tâm và nhiệt độ TB VLS của cà rốt

theo thời gian ở chế độ a = 35%, ta = 35oC, a= 1,5m/s

Hình 5.17 Quan hệ giữa độ chứa ẩm và chiều dày của cà rốt 95

Hình 5.18 Quan hệ giữa độ chứa ẩm không thứ nguyên và TGS cà rốt 96

Hình 5.19 Thay đổi SMER theo thời gian của chế độ TN A 101

Hình 5.20 Biến thiên nhiệt độ TNS khi vàoTBS trong 2 thí nghiệm 105

MỘT SỐ THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

Bơm nhiệt (Heat pump) Máy làm việc theo chu trình ngược chiều (tương tự máy

lạnh) để bơm một dòng nhiệt ở nhiệt độ thấp lên nhiẹt độ cao hơn với mục đích sử dụng dòng nhiệt có nhiệt độ cao ra từ dàn ngưng tụ

Chu trình Lorenz (Lorenz Cycle) Chu trình ngược chiều (cho máy lạnh hoặc bơm

nhiệt) sử dụng hỗn hợp môi chất lạnh không đồng sôi, có độ trượt nhiệt độ bay hơi

và ngưng tụ (ở áp suất bay hơi và ngưng tụ không đổi) thích ứng với biến đổi giảm nhiệt độ của chất tải lạnh khi đi qua dàn bay hơi và biến đổi tăng nhiệt độ của chất tải nhiệt khi đi qua dàn ngưng tụ Qua đó có thể tăng hệ số lạnh/ nhiệt của chu trình, giảm công nén và có thể tiết kiệm được năng lượng

Hệ thống sấy bơm nhiệt (heat pump dryer) Hệ thống [buồng, hầm, tủ] sấy sử dụng

bơm nhiệt loại gió gió (dàn bay hơi làm lạnh không khí và ngưng tụ thải nhiệt cho không khí là tác nhân sấy (TNS) Hệ thống có đặc điểm là TNS tuần hoàn kín, toàn

bộ năng suất lạnh của dàn bay hơi dùng để khử ẩm cho TNS và một phần (hoặc toàn bộ) nhiệt ở dàn ngưng sử dụng để gia nhiệt cho TNS đạt nhiệt độ sấy yêu cầu để cấp trở lại cho buồng sấy

Hệ thống sấy bơm nhiệt kiểu bậc thang (stepwise heat pump dryer ) Hệ thống sấy

gồm ít nhất hai bơm nhiệt một cấp nén riêng biệt, môi chất lạnh đơn chất, với các dàn bay hơi và ngưng tụ được lắp đặt nối tiếp theo chiều chuyển động của tác nhân sấy Trong đó, nhiệt độ sôi giảm dần và nhiệt độ ngưng tụ tăng dần theo bậc để tiệm cận chu trình Lorenz (tương tự như trường hợp môi chất lạnh không đồng sôi khi có độ trượt nhiệt độ) nhằm tiết kiệm năng lượng (xem hình 4.4) Ở đây, do nhiệt

độ sôi và ngưng tụ của môi chất lạnh trong các bơm nhiệt riêng biệt thay đổi giảm

và tăng dần cũng làm cho nhiệt độ của tác nhân sấy thay đổi theo bậc khi đi qua lần lượt các dàn bay hơi và ngưng tụ

MỞ ĐẦU

 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Sấy là một trong những biện pháp bảo quản và chế biến sản phẩm đã được sử dụng rất sớm trong lịch sử loài người Trong quá trình sấy vật liệu ẩm nói chung và nông sản nói riêng, hiện tượng diễn ra phổ biến ở đây chính là hiện tượng truyền nhiệt truyền chất liên hợp Khi nghiên cứu lý thuyết hiện tượng truyền nhiệt truyền chất liên hợp, các tác giả thường dựa vào việc giải hệ phương trình vi phân truyền nhiệt truyền chất ứng với các điều kiện đơn trị khác nhau Trong nhiều năm, người

ta đã cố gắng để làm sao cho mô hình toán học đó phản ánh được nhiều nhất các yếu tố tác động đến hiện tượng Mặc dù các công cụ tính toán đã rất phát triển nhưng khi áp dụng hay ứng dụng cụ thể còn có nhiều mặt hạn chế, đặc biệt là sự nghiên cứu ảnh hưởng qua lại giữa các hiện tượng còn ít và chưa đầy đủ hoặc đã bỏ qua một số ảnh hưởng quan trọng mà trong thực tế vẫn diễn ra Sự ảnh hưởng của trường độ ẩm đến trường nhiệt độ trong vật liệu sấy là rất rõ, nhất là khi kể đến ảnh hưởng của hiện tượng co ngót vật liệu trong quá trình sấy Vì vậy, các yếu tố đó có ảnh hưởng thế nào đến quá trình sấy khi nghiên cứu lý thuyết truyền nhiệt truyền chất rất cần được làm sáng tỏ

Bên cạnh đó việc nghiên cứu ứng dụng những hệ thống thiết bị sấy hiện đại vào điều kiện ở nước ta là một trong những đòi hỏi cấp bách do đặc thù Việt nam là một nước có nền nông nghiệp phát triển, các sản phẩm nông sản sau thu hoạch do không được xử lý kịp thời đã dẫn đến sự hao hụt và làm giảm chất lượng sản phẩm Bơm nhiệt là một trong những thiết bị có khả năng tiết kiệm năng lượng cao và đã được chứng minh bằng lý thuyết cũng như trong thực tế kỹ thuật Khi sử dụng bơm nhiệt thay cho hệ thống sấy thông thường, nó đã mang lại hiệu quả to lớn mà các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã tổng kết Tuy nhiên, bên cạnh những kết quả đã đạt được trong kỹ thuật sấy thì việc sử dụng bơm nhiệt trong hệ thống sấy vẫn còn có những vẫn đề tồn tại và phải giải quyết Hệ thống sấy bằng bơm nhiệt là

hệ thống sấy ở nhiệt độ vừa phải, vì vậy thời gian sấy sẽ lớn hơn so với các hệ thống sấy thông thường và do đó việc tiêu hao năng lượng luôn là vấn đề cần quan

tâm và cải thiện, nhất là trong bối cảnh năng lượng đang ngày càng cạn kiệt mà nhu cầu lại ngày càng tăng trên thế giới cũng như ở Việt Nam

Mặt khác, theo động học quá trình sấy, lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu sấy sẽ thay đổi theo thời gian và giảm dần ở cuối quá trình, tương ứng với nó thì nhiệt năng cần cung cấp cho vật liệu sấy cũng giảm dần trong khi hệ thống hoạt động liên tục cũng là vấn đề làm cho lãng phí năng lượng Vì vậy, việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt và vận hành hợp lý hệ thống sấy nhằm đảm bảo phù hợp với động học quá trình sấy là rất cần thiết và luôn là vấn

đề thời sự nhất là ở trong hoàn cảnh nước ta

Với những yêu cầu cấp bách đặt ra như vậy, việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kiểu bậc thang” là thực sự cấp thiết và phù hợp trong giai đoạn hiện nay ở Việt nam

 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu của chúng tôi nhằm đạt được 03 mục đích cụ thể sau:

- Nghiên cứu hiện tượng trao đổi nhiệt trao đổi chất trong quá trình sấy bằng hệ thống sấy dùng bơm nhiệt kiểu bậc thang có xét ảnh hưởng của độ ẩm đến trường nhiệt độ và ảnh hưởng của sự co ngót vật liệu trong quá trình sấy

- Hiệu chỉnh phương pháp xác định thời gian sấy theo sự co ngót của vật liệu để tăng khả năng ứng dụng và độ chính xác cho phương pháp để phù hợp với hiện tượng trong thực tế

- Đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống sấy bơm nhiệt hoạt động theo kiểu bậc thang

 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu ở đây là quá trình truyền nhiệt truyền chất ứng với các điều kiện sấy trong hệ thống sấy dùng bơm nhiệt và vật liệu sử dụng đại diện cho kết quả nghiên cứu là cà rốt được trồng ở miền Bắc Việt Nam

Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn trong luận án là phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỂ SẤY BƠM NHIỆT VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ

TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT

1.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ SẤY

1.1.1 Các phương pháp sấy cơ bản

Quá trình sấy (QTS) là quá trình nhằm tạo ra dòng dịch chuyển ẩm (dạng lỏng hoặc dạng hơi) từ trong lòng vật liệu sấy (VLS) đến môi trường tác nhân sấy (TNS) dưới tác dụng của dòng năng lượng Căn cứ vào việc cung cấp năng lượng cho VLS mà người ta có thể chia ra các phương pháp sấy khác nhau [12]:

- Phương pháp sấy nóng: Trong phương pháp sấy (PPS) nóng, VLS được đốt nóng nhờ TNS (sấy đối lưu) hoặc trường năng lượng (sấy bức xạ, điện từ…) Cũng nhờ sự đốt nóng VLS nên mật độ hơi chứa trong các mao quản của VLS tăng làm cho phân áp suất hơi nước tại bề mặt VLS cũng tăng lên Điều đó dẫn đến sự chênh lệch phân áp suất của hơi ẩm trong TNS và bề mặt VLS hay thế dẫn ẩm tăng lên và dòng dịch chuyển ẩm cũng tăng lên theo Nhờ vào nguyên tắc này mà người ta chế tạo ra các hệ thống sấy (HTS) hoặc là đốt nóng riêng VLS (HTS bức xạ, HTS dùng dòng điện cao tần, HTS tiếp xúc) hoặc là đốt nóng cả VLS và TNS (HTS đối lưu)

- Phương pháp sấy lạnh: Trong PPS lạnh, người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa TNS và VLS bằng cách giảm phân áp suất trong TNS nhờ giảm độ chứa ẩm d Như vậy, dòng ẩm có thể dịch chuyển vào TNS ở nhiệt độ lớn hơn 0oC hoặc dưới 0oC

Dựa trên nguyên tắc của PPS lạnh, người ta đã xây dựng HTS sử dụng bơm nhiệt (HTS BN) Nguyên lý hoạt động của HTS BN [8], [9], [10], [29], [31], [33] là sử dụng dàn bay hơi làm giảm nhiệt độ của TNS xuống dưới nhiệt độ đọng sương của hơi nước và từ đó ẩm được tách ra khỏi TNS Sau khi ra khỏi dàn bay hơi, TNS có nhiệt độ thấp và độ chứa hơi d đã giảm xuống nhưng độ ẩm tương đối

 rất cao ( 100%) Lúc này TNS tiếp tục đi qua dàn ngưng tụ để làm tăng thế sấy

trước khi vào thiết bị sấy (TBS), khi đó TNS có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp và phân áp suất thấp Một trong những ưu điểm của HTS BN là khả năng tiết kiệm năng lượng, điều này đã được nhiều tác giả công nhận và đánh giá cao chẳng hạn như trong [7], [8], [20], [26], [28], [29], [30], [32], [51], [57]… Các tác giả đã đánh giá việc sử dụng HTS BN là một trong những chìa khóa cho vấn đề tiết kiệm năng lượng

1.1.2 Hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt

*Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy dùng bơm nhiệt

HTS BN sử dụng máy nén hơi được dùng khá phổ biến và nguyên lý hoạt động của hệ thống này vẫn dựa trên nguyên tắc của chu trình máy lạnh nén hơi thông thường Môi chất lỏng sau khi được tiết lưu tại van tiết lưu (TL) sẽ đi vào dàn bay hơi (BH) và nhận nhiệt của TNS để biến thành pha hơi trước khi đi vào máy nén (MN) và được nén lên áp suất cao Hơi cao áp được đưa vào dàn ngưng tụ (NT) và nhờ nhả nhiệt cho TNS hơi cao áp sẽ biến thành pha lỏng Lỏng được tiết lưu lại vào dàn BH để khép kín chu trình lạnh Khi TNS đi qua dàn BH, nó được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ đọng sương và hơi ẩm trong TNS được ngưng lại trên bề mặt của dàn BH, tại đây TNS sẽ được tách ẩm Sau đó, TNS đi tiếp qua dàn NT để tăng nhiệt độ và giảm độ ẩm tương đối đến giá trị yêu cầu trước khi vào TBS Do sử dụng cả năng suất lạnh của dàn BH và năng suất nhiệt của dàn NT nên hiệu quả của

về mặt năng lượng của HTS BN rất rõ rệt Sơ đồ nguyên lý của HTS BN và quá trình biến đổi trạng thái của TNS trên đồ thị i-d được trình bày trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của HTS dùng bơm nhiệt

Quá trình sấy trong HTS BN được biểu diễn trên đồ thị i-d như sau: Đầu tiên không khí ở điểm B sau TBS được cho đi qua dàn BH và làm lạnh xuống nhiệt độ dưới nhiệt độ điểm sương, một phần không khí do không tiếp xúc với bề mặt dàn

BH (bypass) nên chưa được làm lạnh xuống nhiệt độ điểm sương và chúng hòa trộn cùng không khí đã được làm lạnh và khử ẩm ở dàn BH tạo thành không khí có trạng thái ở điểm C (độ chứa hơi giảm, nhiệt độ giảm và độ ẩm  100%) Quá trình làm lạnh và khử ẩm không khí BC thực tế diễn ra trên đồ thị i-d có dạng đường cong lõm nhưng do cùng đi qua điểm B và C nên độ chênh i không đổi.Vì vậy, ở đây chúng ta có thể bỏ qua hình dáng của đường biến đổi này Khi đi qua dàn NT, dòng khí được tăng nhiệt độ và giảm độ ẩm tương đối đến điểm A trước khi đi vào TBS thực hiện quá trình sấy AB

Hiệu suất nhiệt của chu trình lạnh thường được đánh giá thông qua hệ số COP [9], [51], [73], [82]… và hiệu suất lớn nhất của nó được đánh giá bằng hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot Tuy nhiên, đối với việc ứng dụng bơm nhiệt trong HTS thì việc đánh giá hiệu quả của hệ thống thường được biết đến với hệ số SMER (Specific Moisture Extraction Rate, kg/kWh), hệ số này là tỷ số giữa lượng ẩm tách được trên một đơn vị điện năng tiêu thụ

1.1.3 Tiết kiệm năng lƣợng với HTS BN

Năng lượng và vấn đề sử dụng tiết kiệm năng lượng luôn là vấn đề được đặt ra hàng đầu trong sự phát triển của mỗi quốc gia, nhất là trong tình trạng tiêu thụ năng lượng ngày càng cao như hiện nay Theo Kudra và Mujumdar [65], năng lượng cho công nghiệp sấy vật liệu chiếm khoảng 10-20% tổng năng lượng dùng trong các ngành công nghiệp ở các nước đang phát triển Do đó nghiên cứu để sử dụng một cách hiệu quả năng lượng trong lĩnh vực này là rất cần thiết Bơm nhiệt theo [7], [32], [51], [52]… đánh giá là một trong những thiết bị có ưu điểm lớn trong việc sử dụng và mở rộng khả năng tiết kiệm năng lượng Trong [73] tác giả đã liệt kê 4 ưu

Lượng ẩm tách được Điện năng tiêu thụ

điểm của HTS BN như sau:

- Mức tiêu thụ năng lượng được cải thiện do đã tận dụng được năng suất nhiệt

Mặt khác, trong [73] tác giả cũng trình bày một số hạn chế của HTS BN là:

- Trong trường hợp cần nâng nhiệt độ TNS lên cao thì cần phải có bộ gia nhiệt

bổ sung do hạn chế của môi chất lạnh

- Chi phí đầu tư ban đầu lớn

- Cần một khoảng thời gian để hệ thống đạt đến trạng thái làm việc ổn định

- Đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng hệ thống thường xuyên

1.2 TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HTS BN

1.2.1 Tổng quan các kết quả nghiên cứu trên thế giới

Từ những năm đầu của thập kỷ 80, vấn đề chi phí năng lượng tăng cao đã thúc đẩy các nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng hiệu quả năng lượng Trong kỹ thuật sấy nông sản, việc sử dụng các HTS có khả năng tiết kiệm năng lượng đã được nhiều tác giả nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tế Theo Mujumdar [73], năng lượng dùng cho ngành sấy chiếm đến gần 60% trong công nghiệp chế biến các sản phẩm nông sản Tác giả Strommen và cộng sự [90] cho biết HTS BN có thể giảm được khoảng 60-80% năng lượng so với các HTS truyền thống khác khi cùng hoạt động ở một dải nhiệt độ Theo thống kê, từ năm 1988 đã có khoảng 7% trong tổng

số thiết bị bơm nhiệt được ứng dụng vào kỹ thuật sấy, những HTS BN này có công suất lên đến 60 MW Năm 2006 Soylemez [88] đã trình bày nghiên cứu tính toán các điều kiện tối ưu về nhiệt độ làm việc và kích thước HTS BN nhằm giảm thiểu các chi phí ứng với tuổi thọ của HTS BN Tính đến 2009, số lượng các nghiên cứu

về HTS BN được Colak và Hepbasli [51] tổng kết như trên hình 1.2

Hình 1.2 Biểu đồ số lượng các nghiên cứu HTS BN từ 1975-2008 [51]

Oliver [74] năm 1982 cho biết rằng SMER của HTS BN là 0,57 kg/kWh ở nhiệt

độ sấy 50oC và hệ số này sẽ tăng lên đến 1,02 kg/kWh khi nhiệt độ sấy là 80oC Sự gia tăng của SMER theo nhiệt độ cũng được Strommen và Kramer công bố trong công trình nghiên cứu [90] năm 1994 và được Kudra và Mujumdar trình bày lại trong [65] Theo đó, nếu so sánh với các loại HTS truyền thống thì SMER của HTS

BN có thế lớn hơn gấp 10 lần

Dựa trên tiêu chi đánh giá về chi phi năng lượng cho một HTS BN Soponronnarit [87] năm 1998 đã cho thấy mất 2,76 kWh cho 1 kg ẩm bay hơi và tổng chi phí khoảng 0,38 USD, trong đó 0,16 USD chi cho năng lượng, 0,04 USD cho vận hành và còn lại 0,18 USD là chi phí cố định

Achariyaviriya và cộng sự [40] đã xây dựng một mô hình toán học nhằm phân tích các ưu điểm trên HTS BN hoạt động ở điều kiện TNS tuần hoàn kín, tuần hoàn một phần hay TNS không tuần hoàn Cuối cùng tác giả đi đến kết luận rằng hệ số hiệu quả COP sẽ giảm dần khi lượng bypass tăng dần ở tất cả các điều kiện tuần hoàn của TNS trong HTS BN

Theo Chou S.K và đồng sự trong [52] và [73], HTS BN có hiệu quả rất lớn

trong tiết kiệm năng lượng nhất là khi tận dụng các nguồn nhiệt thải khác nhau Trong hầu hết các PPS sử dụng trong HTS BN thì PPS cấp nhiệt đối lưu là ứng dụng rộng rãi nhất, trong đó có thể kết hợp sử dụng phương pháp sấy lớp sôi hay kiểu rô to…Khi so sánh khả năng tiết kiệm năng lượng với các HTS khác thông qua lượng tách ẩm riêng SMER, Chou S.K và Chua K.J đã làm rõ được tính hiệu quả của HTS BN Kết quả so sánh SMER của HTS BN và các HTS khác được cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1 So sánh hiệu quả của HTS BN với các HTS khác [73]

không khí nóng

Sấy chân không

Sấy bơm nhiệt

Bảng 1.1 cho thấy rằng đối với HTS BN thì hệ số SMER rất cao từ 1,0-4,0 trong khi các hệ thống còn lại cho SMER thấp hơn rất nhiều Hơn nữa, nhiệt độ của TNS có thể thấp hơn nhiệt độ môi trường, điều này đặc biệt có lợi đối với các VLS đòi hỏi nghiêm ngặt về chế độ nhiệt để tránh hiện tượng phân hủy các chất dinh dưỡng, vitamin… có trong VLS

U.S Pal và M.K Khan [76] năm 2010 đã nghiên cứu sử dụng HTS BN cho hạt tiêu ở nhiệt độ TNS 30÷41oC, độ ẩm TNS < 40%, theo báo cáo hệ số SMER từ hệ thống nằm trong khoảng 0,55 ÷ 1,1 kg/kWh Lượng tiêu thụ điện của HTS BN cũng nhỏ hơn so với HTS nóng từ 1,17 ÷ 4,55 kWh

Fatouh [56] đã nghiên cứu và tổng kểt rằng đối với các loại lá thảo dược, kích

cỡ lá càng nhỏ thì càng cần ít năng lượng và thời gian sấy càng ngắn nếu sử dụng HTS BN Minea trong [71] đã đưa ra một số tổng hợp về HTS BN trên thế giới nhưsau:

+ HTS BN sử dụng dàn ngưng phụ [41], [42] để giải bớt nhiệt ra ngoài đối với

HTS BN sấy theo mẻ Theo động học QTS thì trong HTS BN sấy theo mẻ, nhu cầu cấp nhiệt cho VLS sẽ giảm dần nhưng do MN vẫn hoạt động ở 100% tải nên phải thải bớt lượng nhiệt thừa ra môi trường và lượng nhiệt này có thể chiếm đến khoảng 15-20% tổng lượng nhiệt cấp cho hệ thống [41], [42] Việc thải lượng nhiệt thừa này là vấn đề còn chưa được quan tâm triệt để, và cần phải làm rõ thêm, nhất là trong trường hợp có thể dựa vào động học QTS để nghiên cứu tiếp

+ Ở HTS BN, một trong những cách điều chỉnh để đảm bảo điều kiện tách ẩm

ổn định của hệ thống là dùng biện pháp cho dòng TNS đi tắt (bypass) qua dàn BH [54] Theo đó, tác giả cũng cho biết quan hệ giữa tốc độ của TNS và lượng ẩm tách

ra khi qua dàn BH tỷ lệ nghịch với nhau

+ Một hướng đi khác để nghiên cứu khả năng tách ẩm của HTS BN là PPS gián đoạn, Chua K.J [53] đã công bố kết quả nghiên cứu dựa trên PPS gián đoạn và cho thấy có thể giảm được đến 61% thời gian sấy (TGS) khi sử dụng PPS gián đoạn đối với khoai tây khi so sánh với trường hợp sấy liên tục

+ Ong và Law [75] năm 2009 đã cho thấy trong hầu hết các trường hợp đều có khả năng giảm TGS và chất lượng sản phẩm sấy đều được cải thiện khi sử dụng PPS gián đoạn đối với các loại rau, quả Trong tài liệu này các tác giả cũng nói rõ nếu sử dụng PPS gián đoạn thì khả năng tiết kiệm năng lượng cũng được cải thiện

do có thể giảm được TGS và không bị tổn thất năng lượng (thải nhiệt ra ngoài) khi máy ngừng hoạt động

+ Theo Minea [72], HTS BN có thể thiết kế để sấy theo mẻ và khi TNS tuần hoàn kín thì tổn thất nhiệt do rò lọt là không đáng kể Tuy nhiên, do lượng nhiệt VLS hấp thụ giảm dần nên phải có dàn ngưng phụ (NP) để giải nhiệt thừa ra ngoài Mặt khác, cũng có thể thiết kế HTS BN hoạt động liên tục kiểu băng chuyền và đối với thiết kế này cũng hứa hẹn nhiều kết quả tốt đặc biệt là đối với các sản phẩm sau thu hoạch

+ Chua K.J [55] đã đề xuất phương án sử dụng HTS BN có nhiều dàn bay hơi mắc nối tiếp (multi-stage series evaporator) với 1 MN Đây là sự phát triển của một kết quả nghiên cứu trước đây của Perry năm 1981 [77] Nhược điểm của HTS BN này là do mắc nối tiếp nên tổn thất áp suất của dòng TNS khi qua các dàn BH này

sẽ làm cho sự điều khiển quá trình khử ẩm phức tạp hơn so với trường hợp chỉ có một dàn BH Tuy nhiên, cũng có thể sử dụng 2 dàn BH này cho 2 TBS độc lập nhau

và cũng có thể sử dụng để sấy 2 loại VLS khác nhau vì chúng có thể tạo ra TNS có nhiệt độ và độ ẩm khác nhau như [53], [54], [55] đã ứng dụng khi sấy nông sản Trong một số ngành công nghiệp, người ta đã sử dụng phương pháp này [77], [53], [54], [55] và gần đây 2011 Minea [71] đã chỉ ra rằng với HTS BN mắc dàn BH song song rất phù hợp cho các HTS có yêu cầu nhiệt độ và độ ẩm khác nhau của TNS (mỗi TBS độc lập sẽ có một nhiệt độ và độ ẩm của TNS khác nhau)

+ Một cách tiếp cận khác là nghiên cứu HTS BN với 2 chu trình lạnh độc lập hoạt động cùng với một dòng TNS đã được Lee năm 2008 [66] giới thiệu Hệ thống này sử dụng 2 chu trình lạnh với hai loại môi chất khác nhau đó là R134a và R124 TNS sẽ đi qua lần lần lượt từ dàn BH của chu trình R124 đến dàn BH của chu trình R134a nhưng lại đi đến dàn NT của chu trình R134a trước khi đi đến dàn NT của chu trình R124 và cuối cùng đi vào TBS Đối với chu trình sử dụng R134a, khi TNS

đã được giảm nhiệt độ đi qua dàn lạnh dùng R124 thì khi đến dàn lạnh dùng R134a, môi chất lạnh phải bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn dẫn đến hệ số COP của chu trình dùng R134a bị giảm đi Cùng lúc đó thì nhiệt độ TNS vào dàn NT của chu trình R124 sẽ tăng lên và cũng làm cho nhiệt độ ngưng tụ của R124 tăng lên tức là COP của chu trình này cũng bị giảm

+ Trong [37], các tác giả đã giới thiệu HTS BN sấy liên tục các sản phẩm như sâm, các loại rau thơm…Giá trị SMER theo báo cáo nằm trong khoảng từ 0,06 đến 0,61 kgâ/kWh Lượng điện tiêu tốn khoảng 190kW, TGS mất khoảng 5 ngày để giảm độ ẩm tương đối của củ sâm xuống dưới 10% Trong khi đó, với HTS sử dụng điện trở gia nhiệt thì thời gian mất 14 ngày và điện tiêu thụ khoảng 244kW Như vậy, năng lượng tiết kiệm được 23% và TGS giảm đi 64%

Kết quả nghiên cứu HTS BN của một số năm gần đây được trình bày trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Tổng hợp các nghiên cứu về HTS BN trên thế giới [51],[76],[78],[94]

Độ ẩm tương đối VLS đầu/cuối

Ngoài ra còn một số phương pháp kết hợp sử dụng bơm nhiệt với năng lượng mặt trời, bơm nhiệt với vi sóng, hồng ngoại, địa nhiệt [52], [54], [65]…

Các công trình nghiên cứu trên đây chủ yếu tập trung vào việc ứng dụng và nâng cao khả năng làm việc của HTS BN mà trong đó các tác giả cũng chưa đưa ra được một quy trình hợp lý khi vận hành hệ thống của mình Hầu hết chỉ tập trung đến việc xác định các điều kiện làm việc phù hợp hoặc là công bố sự so sánh về chất lượng giữa các HTS với nhau Đối với HTS BN nếu hoạt động để tạo ra TNS

có nhiệt độ thấp thì rất có lợi đối với những nhóm VLS không chịu được nhiệt độ cao nhưng chi phí vẫn cao hơn so với việc sử dụng HTS khác Tuy nhiên, nếu yêu cầu TNS có nhiệt độ cao thì HTS BN có chi phí giảm hơn rất nhiều so với các HTS khác

1.2.2 Kết quả nghiên cứu về sử dụng HTS BN ở Việt Nam

Ở Việt Nam, một trong những HTS BN được chế tạo lần đầu tiên phải kể đến là HTS BN do tác giả Nguyễn Đức Lợi và Phạm Văn Tùy đề xuất khi sấy kẹo Jelly cho Công ty bánh kẹo Hải Hà [8], theo đó, TNS cần duy trì ở nhiệt độ 20oC đến

25oC, độ ẩm 18% đến 22% Trong tài liệu [28] Phạm Văn Tùy cùng cộng sự đã công bố hiệu quả của HTS BN ở Công ty bánh kẹo Hải Hà, với công suất 1100 kg/ngày, khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS này khi tách ẩm lên tới khoảng 58% (từ 11,49 kWh/kg xuống còn 4,67 kWh/kg) Đầu năm 1998, cũng chính nhóm tác giả này đã tiến hành lắp đặt HTS BN thứ 2 ở đây với công suất 1400 kg/ngày Tiếp tục năm 1999 một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây chuyền chế biến và hút

ẩm của CHLB Đức cải tạo từ máy điều hòa không khí cũ cho phân xưởng kẹo caramen và một hệ thống BN hút ẩm 16.000 BTU/h cho xưởng kẹo cứng cơ sở Hà Nội, Công ty Bánh kẹo Hải Hà cũng đã được lắp đặt thành công

Phạm Văn Tùy cùng các cộng sự trong [30] đã ứng dụng HTS BN để sấy các loại nông sản như cà rốt, hành tây, củ cải, thì là Các sản phẩm sấy này đã được Viện Khoa học công nghệ Thực phẩm Bộ Công nghiệp đánh giá theo các chỉ tiêu chất lượng và công nghệ, đồng thời đánh giá so sánh với phương pháp sấy nóng truyền thống và phương pháp sấy bằng tia hồng ngoại do Viện thực hiện trên cùng loại mẫu sấy ban đầu Chỉ tiêu đánh giá của các PPS được giới thiệu trong bảng 1.3

Bảng 1.3 So sánh chất lượng sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt với phương pháp sấy

nóng truyền thống và sấy hồng ngoại [30]

Nguyên

liệu PPS

Điểm các chỉ tiêu cảm quan

Điểm c.lượng cảm quan chất lượng Nhận xét

cảm quan

Khả năng bảo tồn vitamin C

%

Độ ẩm cuối

%

TGS

h Màu sắc

(x1.5)

T.thái (x1)

Mùi vị (x1.5)

Hồng

Xanh thẫm, xốp, thơm

bơm

nhiệt 4.7 4.3 4.3 17.8

Xanh tự nhiên, xốp thơm

Hồng

Xanh tối, xốp, kém thơm

Bơm

Xanh tự nhiên, thơm mạnh

Từ bảng 1.3 dễ dàng nhận thấy tuy TGS bằng bơm nhiệt dài hơn so với phương pháp sấy truyền thống và phương pháp sấy hồng ngoại hiện đại nhưng các chỉ tiêu chất lượng và chỉ tiêu cảm quan đối với tất cả các vật liệu sấy vẫn cao hơn, đây cũng là ưu điểm cơ bản của PPS bằng bơm nhiệt Ví dụ như sản phẩm sấy bằng

bơm nhiệt vượt trội hơn hẳn các phương pháp khác về chất lượng cảm quan và có khả năng giữ vitamin C tốt hơn Điều này cũng đồng nghĩa với chất lượng dinh dưỡng của sản phẩm sấy đạt chất lượng, màu sắc và hương vị tự nhiên được tốt hơn…

Phạm Văn Tùy cùng các đồng sự năm 2007 [33] đã tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sấy sử dụng bơm nhiệt cho các loại nông sản và cải tiến chế tạo các kiểu HTS dùng bơm nhiệt BK-BSH18A, BK-BSH18B và BK-BSH 1.4 Trong kết luận của báo cáo này, các tác giả đã chỉ ra rằng khả năng ứng dụng rộng rãi của HTS sử dụng bơm nhiệt ở điều kiện khí hậu nóng ẩm như Việt Nam và 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 Tuy nhiên thời gian sấy và giá thành nói chung vẫn cao hơn sấy nóng và vì vậy, nếu không cần thiết phải sấy lạnh thì chỉ cần sấy nóng và nếu sấy nóng bằng bơm nhiệt thì giá thành sẽ rẻ hơn rất nhiều

Theo [34], trên cơ sở phân tích hiệu quả năng lượng của HTS BN có tên là BSH 1.4 theo phương pháp Excergy và cân bằng năng lượng, Phạm Văn Tùy và đồng sự đã rút ra kết luận đối với các loại rau quả thực phẩm sau thu hoạch nên vận hành trong khoảng nhiệt độ bay hơi từ -5 đến 0C, nhiệt độ ngưng tụ từ 36oC đến

BK-38C (tương ứng với nhiệt độ không khí trong buồng sấy từ 26oC đến 28oC) Các tổn thất exergy lớn nhất trong hệ thống là dàn BH, hệ thống gia nhiệt (dàn NT trong

và quạt), hệ thống giải nhiệt (dàn NT ngoài và quạt) và máy nén

Hoàng Ngọc Đồng , Lê Minh Trí trong [4], đã tiến hành nghiên cứu sấy cà rốt trên HTS BN và khảo sát ảnh hưởng cấu tạo của dàn BH đến khả năng tách ẩm và khả năng sấy của HTS HTS ở đây được cấu tạo từ 2 dàn BH mắc song song có cùng một nhiệt độ sôi Kết quả cho thấy khi sử dụng 2 dàn BH có khả năng tách ẩm lớn hơn nhiều so với trường hợp sử dụng một dàn BH

Phạm Anh Tuấn [26], [27] đã công bố kết quả nghiên cứu đánh giá phạm vi nhiệt độ phù hợp đối với TNS khi dùng bơm nhiệt sấy đối lưu cho đối tượng rau quả trong phạm vi t = 40oC÷50oC trong điều kiện khí hậu Việt nam Nếu sử dụng bơm nhiệt tuần hoàn kín với TBS dạng thùng quay thì hệ số SMER tăng lên nhiều

hơn so với trường hợp sấy tĩnh Theo tác giả này, khi sử dụng biện pháp làm nguội TNS trước quá trình làm lạnh bằng một hệ thống làm mát độc lập thì có thể tiết kiệm được năng lượng hơn so với trường hợp sử dụng thiết bị ngưng tụ phụ, chẳng hạn đối với sấy tỏi tăng 9,6% và sấy cà rốt tăng 12,2%

Võ Mạnh Duy và Lê Chí Hiệp [3] cũng giới thiệu nguyên tắc sấy thùng quay cho HTS BN để sấy cà rốt Theo kết qua nghiên cứu, các tác giả đã cho biết ở tốc độ TNS 2,5 m/s, số vòng quay 15 vòng/phút, khối lượng sấy ban đầu 4,5 kg mô hình đạt hiệu suất tách ẩm cao, vận hành ổn định và hiệu quả hơn, sản phẩm sấy giữ được màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dưỡng, hình dạng tốt hơn so với các phương pháp sấy thông thường

Năm 2010, tác giả Phan Thị Hồng Thanh và đồng sự đã nghiên cứu hợp lý chế

độ sấy lạnh hành tây trên máy bơm nhiệt BK - BSH 1.4 [20] Kết quả cho thấy các thông số ảnh hưởng lớn nhất đến chế độ sấy để tiến hành nghiên cứu tối ưu là: khối lượng VLS, tốc độ TNS, nhiệt độ TNS và hệ số bypass

Cũng trong năm 2010, các tác giả trong [19] đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc

bố trí dàn BH đến khả năng tách ẩm ra khỏi TNS HTS được sử dụng ở đây có 01 máy nén, 02 dàn BH mắc song song theo đường tuần hoàn môi chất lạnh (có cùng nhiệt độ sôi) và mắc nối tiếp theo đường tuần hoàn TNS Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng tách ẩm của hệ thống này lớn hơn so với trường hợp chỉ có 01 dàn

BH

Gần đây, Nguyễn Mạnh Hùng [5] 2012 đã trình bày phương án xây dựng HTS

BN sử dụng chu trình lạnh 2 nhiệt độ sôi Với phương án sấy gián đoạn hay sấy có thời gian ủ khác nhau có thể tiết kiệm được gần 30% năng lượng so với cách sấy thông thường

Qua các nghiên cứu trên chúng tôi thấy rằng sử dụng bơm nhiệt để chế tạo HTS

là một hướng đi rất phù hợp với thực tế hiện nay Tuy nhiên, HTS BN là thiết bị sử dụng điện năng, loại năng lượng cao cấp bậc nhất, vì vậy việc tiến hành nghiên cứu

để sử dụng và vận hành HTS BN nhằm giảm thiểu chi phí điện năng cho QTS là rất cần thiết, đặc biệt trong điều kiện ở nước ta việc áp dụng HTS BN vẫn còn mới mẻ Vấn đề nghiên cứu khả năng tiết kiệm năng lượng thông qua điều chỉnh bypass

lượng TNS, bố trí nhiều dàn bay hơi, hay gần đây là trong [5] tác giả đã đề cập đến PPS gián đoạn khi sấy khoai tây dạng thái lát vẫn chưa đề cập đến hướng nghiên cứu khả năng tiết kiệm năng lượng theo cách tiệm cận chu trình Lorenz Do vậy, trong luận án, chúng tôi đề xuất xây dựng HTS BN tiệm cận chu trình Lorenz (HTS

BN kiểu bậc thang) và tiến hành đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS

BN khi hoạt động theo bậc với trường hợp không sử dụng bậc Nội dung này sẽ được chúng tôi trình bày ở chương 4 và chương 5 Bên cạnh đó, chúng tôi thấy rằng việc nghiên cứu động học QTS để có cơ sở cho giải pháp tiết kiệm năng lượng hoặc

đề xuất biện pháp vận hành HTS BN sao cho đáp ứng được động học QTS một cách hợp lý là rất cần thiết Đó cũng chính là một trong những yêu cầu đặt ra để chúng tôi tiến hành nghiên cứu động học QTS Cơ sở lý thuyết để nghiên cứu động học QTS cũng như các kết quả nghiên cứu sẽ được chúng tôi trình bày lần lượt trong chương 3 và chương 5

1.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TNTC TRONG VẬT LIỆU SẤY

1.3.1 Quy luật dịch chuyển nhiệt - ẩm trong lòng vật liệu

Các dòng dịch chuyển trong VLÂ khi quá trình sấy diễn ra thường rất phức tạp Khi nghiên cứu các hiện tượng này, người ta [1], [12], [15] đã chứng minh rằng khi dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm dù được xem xét riêng rẽ hay liên hợp thì QTS đều là các quá trình không thuận nghịch Hệ phương trình viết cho trường hợp dẫn nhiệt và khuếch tán sử dụng quan hệ truyến tính Onzager có dạng [12], [13], [67]:

21 22

21 2

2 12 2

11 12

11 1

LTT

L1

LT

1LJ

LTT

L1

LT

1LJ

(1.1)

Với J1, J2 lần lượt là dòng nhiệt và dòng ẩm, các hệ số hiện tượng Lmn (với m, n

= 1,2)là các hệ số có quan hệ ràng buộc với nhau theo biểu thức đối xứng:

Mặt khác theo định luật nhiệt động 2 người ta cũng xác nhận rằng ảnh hưởng của L12, L21 luôn chỉ là ảnh hưởng phụ đến các quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán do chúng luôn thỏa mãn điều kiện:

L12L21 < L11L22 (1.3) Nếu xem dẫn nhiệt và khuếch tán riêng rẽ nhau, hay L12 = L21 = 0 thì từ (1.1) ta rút ra được định luật Fourier về dẫn nhiệt (1.4) và định luật Fick về khuếch tán (1.5)

gradTT

Mô hình được xây dựng trên cơ sở số liệu đo đạc từ thực nghiệm (nhiệt độ, độ

ẩm, tốc độ…), sau khi có kết quả thực nghiệm ta tiến hành hồi quy thực nghiệm và tìm ra quan hệ của các đại lượng Trong QTS thì quan hệ giữa độ chứa ẩm M và thời gian  luôn là đối tượng cần xác lập quan hệ, quan hệ phổ biến nhất thường được sử dụng để mô tả QTS có dạng:

M M

M M

M R

e 0





Trong đó: MR - độ chứa ẩm không thứ nguyên

M0 - độ chứa ẩm ban đầu , kgâ/kgVLK

Me - độ chứa ẩm cân bằng, kgâ/kgVLK

M - độ chứa ẩm ở thời điểm , kgâ/kgVLK

k - hằng số sấy, 1/s Quan hệ (1.6) thu được dựa trên cơ sở của định luật Fick, bỏ qua ảnh hưởng co ngót vật liệu, giả thiết hệ số khuếch tán ẩm không đổi và sấy trong điều kiện đẳng nhiệt Do đó khi nhiệt độ VLS thay đổi, vật liệu co ngót (CN) trong QTS và hệ số khuếch tán ẩm thay đổi theo nhiệt độ thì mô hình (1.6) không còn đúng nữa Đặc biệt là trong QTS gradien nhiệt độ (gradT) và gradien độ chứa ẩm (gradM) tăng dần theo thời gian và tọa độ trong trong VLS, mô hình thực nghiệm (1.6) không thể hiện được và đây chính là hạn chế của mô hình này

1.3.2.2 Mô hình truyền nhiệt truyền chất

Dịch chuyển ẩm trong VLS do dòng nhiệt từ môi trường tác động vào thông thường bao gồm quá trình khuếch tán ẩm dạng lỏng từ trong lòng ra bề mặt của VLS và quá trình bay hơi ẩm từ bề mặt ra môi trường bên ngoài Hệ phương trình miêu tả hiện tượng này với điều kiện không có nguồn sinh ẩm, không có nguồn sinh nhiệt, không có phản ứng hóa học trong lòng VLS và bỏ qua ảnh hưởng của áp suất toàn phần viết cho tấm phẳng có dạng [1], [2], [12], [15], [67]:

MataM

Matat

2 22 2 21

2 12 2 11

a11   

;

C

r D

a12 

với D là hệ số khuếch tán ẩm;  là hệ số gradien nhiệt độ ;  là tiêu chuẩn biến pha;

a là hệ số khuếch tán nhiệt; r là nhiệt ẩn hóa hơi của nước

Mô hình dạng (1.7) đã được nghiên cứu rất kỹ và được A.V Luikov giải với các loại điều kiện đơn trị khác nhau [67] Tuy nhiên mô hình (1.7) đã bỏ qua ảnh hưởng của hiện tượng CN trong vật liệu trong khi hiện tượng này xảy ra gần như là đối với hầu hết các loại VLÂ Điều này kéo theo là sự thay đổi của các thông số như a, D…

1.3.2.3 Một số mô hình toán nghiên cứu hiện tƣợng co ngót VLS

Đối với các loại VLÂ có độ ẩm cao, khi độ ẩm thay đổi thì khả năng làm biến đổi hình dạng hay CN là hoàn toàn có thể xảy ra Theo Wang và Bremman [92], CN

có thể là do sự giảm độ ẩm trong VLS, khi lượng ẩm giảm xuống thì một phần thể tích do lượng ẩm này chiếm chỗ sẽ bị mất đi và sẽ dẫn đến thể tích của VLS bị giảm xuống Wang và Bremman [92] đã đề xuất mô hình mô tả hiện tượng truyền nhiệt truyền ẩm trong lát khoai tây khi có kể đến ảnh hưởng của co ngót như là sự sụt giảm thể tích của khoai tây khi lượng ẩm giảm dần nhưng với giả thiết rằng hình dạng của VLS vẫn không đổi trong toàn bộ QTS Trong [93], Wang cùng các đồng nghiệp đã biểu diễn sự thay đổi chiều dày của VLS theo độ chứa ẩm từ số liệu thực nghiệm dưới dạng tuyến tính:

trong đó  là chiều dày VLS, A và B là các hệ số thực nghiệm, M là độ chứa ẩm trung bình Tương tự, Quiroz và cộng sự [79] cũng xây dựng quan hệ giữa sự thay đổi bán kính trung bình r theo bán kính ban đầu r0 của chuối sấy với độ chứa ẩm trung bình M thông qua biểu thức:

0 2

0 0

4,0M

M6,0V

Vr

Cũng với việc xem xét nghiên cứu bổ sung hiện tượng CN vào hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất (TNTC) mà Hadrich và Kechaou [58] đã biểu diễn quan hệ tuyến tính giữa khối lượng riêng vật liệu khô s và khối lượng riêng của vật liệu khi chất đống b theo độ chứa ẩm M đối với khoai tây là:

Có thể thấy rằng đối với các công thức từ (1.8) đến (1.12) là các công thức cần

được xác định từ thực nghiệm nên đây cũng vẫn là một hạn chế của hướng nghiên cứu này Và thực tế việc áp dụng những kết quả nảy chỉ đảm bảo chính xác khi mà các điều kiện tính toán tương đồng với điều kiện thí nghiệm

Như vậy có thể thấy rằng việc xét đến ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS khi nghiên cứu QTS vật liệu ẩm là điều không thể bỏ qua để có thể đảm bảo kết quả nghiên cứu có khả năng áp dụng một cách thực tế

1.3.3 Một số phương pháp xác định TGS

Trong tính toán thiết kế hệ thống sấy (HTS), việc xác định TGS là một vấn đề quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng của sản phẩm ở cuối quá trình sấy cũng như tối ưu quá trình vận hành hay dây chuyền công nghệ Do đó, đây là một nhiệm vụ quan trọng và không thể thiếu trong mỗi thiết kế HTS TGS là đại lượng chịu sự tác động của rất nhiều yếu tố như loại VLS, hình dáng kích thước của vật liệu, độ ẩm ban đầu và độ ẩm cuối, loại thiết bị sấy, phương pháp cung cấp nhiệt, chế độ sấy (nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc của tác nhân sấy) v.v Chính vì thế mà rất khó có thể xác định chính xác đại lượng này bằng giải tích hay theo kinh nghiệm vận hành Có thể điểm qua một số phương pháp xác định TGS đã và đang được sử dụng trong kỹ thuật sấy hiện nay như sau:

1.3.3.1 Phương pháp lý thuyết ết hợp thực nghiệm:

Nội dung của phương pháp này là dựa vào các kết quả nghiên cứu giải tích đã được đơn giản nhờ những giả thiết trên cơ sở phân tích động học QTS và sau đó kết hợp với thí nghiệm để tìm ra một biểu thức tường minh cho phép xác định TGS trong một trường hợp cụ thể nào đó Phổ biến và tiêu biểu cho phương pháp này là của A.V Luikov và G.K Phylonhenko [1], [12] Tuy nhiên, cả hai phương pháp cũng phạm phải sai số do việc bỏ qua nhiều điều kiện thực tế khi tìm nghiệm của bài toán khuếch tán ẩm cũng như không tính đến thời gian đốt nóng vật Nội dung của phương pháp này như sau:

a Phương pháp của Luikov

Theo Luikov [12], [67], khi bỏ qua giai đoạn đốt nóng thì tổng TGS của vật bao gồm 2 giai đoạn, đó là thời gian của giai đoạn tốc độ sấy không đổi 1 (trong giai

đoạn này nhiệt độ của vật hầu như không đổi nhưng độ ẩm trung bình tích phân wtb

= f() giảm rất nhanh và có quan hệ với thời gian được coi là tuyến tính) và thời gian của giai đoạn tốc độ sấy giảm dần 2

e 3

e dx

e 1 2 1

w w

w w ln 1 N w w

1 N

w w

(1.13)

trong đó: w1, wdx, w3, we lần lượt là độ ẩm tương đối của VLS ở thời điểm ban đầu,

ở cuối giai đoạn tốc độ sấy không đổi, ở cuối QTS và cân bằng của VLS; N là tốc

độ thoát ẩm hay còn gọi là tốc độ sấy của quá trình tốc độ sấy không đổi

Một cách gần đúng khi bỏ qua sự thay đổi độ ẩm của vật trong giai đoạn đốt nóng thì có thể lấy độ ẩm bắt đầu QTS tốc độ không đổi bằng độ ẩm ban đầu của vật w1 = w0 Phương pháp của Luikov có một số hạn chế sau:

- Chỉ áp dụng được cho những vật liệu có kích thước nhỏ (đảm bảo giai đoạn đốt nóng rất ngắn và có thể bỏ qua)

- Việc tuyến tính hóa đường cong sấy làm cho độ chính xác của kết quả đã giảm

đi đáng kể Điều này là nguyên nhân gây sai số lớn

b Phương pháp của G.K Phylonhenko

Phylonhenko [1], [12] đã thấy rằng tỷ số giữa tốc độ sấy trong giai đoạn tốc độ sấy giảm dần và tốc độ sấy trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi tính như cách của Luikov có thể biểu diễn chung cho cả QTS ở dạng:

thay đổi thì các hệ số này sẽ thay đổi theo nhưng nếu chúng có chung một đặc trưng liên kết ẩm thì m chỉ lấy một giá trị Một số kết quả thực nghiệm của (1.15) được biểu diễn trong bảng 1.4

Bảng 1.4 iá t th c nghiệm t ong biểu thức (1.15) [12]

hệ tuyến tính bằng quan hệ hàm mũ gần với thực tế hơn

c Phương pháp đồ th ác đ nh TGS

A Sahin và I.Dincer trong [86] đã trình bày một phương pháp đồ thị để xác định TGS Nội dung của phương pháp dựa vào nghiệm giải tích chính xác của quá trình khuếch tán ẩm theo định luật Fick được lấy tương tự như nghiệm của quá trình dẫn nhiệt theo Fourier Theo hướng đó, phạm vi nghiên cứu được các tác giả giới hạn theo tiêu chuẩn Bi nằm trong khoảng từ 0 đến 100, và chấp nhận một số giả thiết như sau: 1 Các tính chất nhiệt vật l của vật liệu không đổi; 2 Bỏ qua ảnh hưởng của trường nhiệt độ đến trường độ ẩm; 3 Khuếch tán ẩm chỉ xảy ra một chiều Lúc này phương trình vi phân khuếch tán được biểu diễn dưới dạng:

x

) , R (

Trong đó:

D - hệ số khuếch tán ẩm trong vật liệu, m2/s

e 0

e

M M

M M

M R





  - độ chứa ẩm không thứ nguyên

M - hệ số trao đổi chất tại bề mặt, m/s

R - kích thước xác định (với tấm phẳng R = ), m Nghiệm của (1.16) với điều kiện (1.17) đã được giải và viết như sau:

Bi A

Bi Bi

Nếu gọi độ chứa ẩm không thứ nguyên tại tâm của vật (ứng với  = 0) là MRc thì từ (1.20) ta được:

A Fo

Trong (1.23), nếu gọi khoảng thời gian FoM tương ứng với độ chứa ẩm ở tâm MRc =

1 là thời gian trễ LT (khoảng thời gian cần thiết để quá trình làm giảm độ ẩm xuống 0,5, 0,25 bắt đầu) ta có:

Như vậy, Fo sẽ tính được từ (1.27):

* t ơng an c a iệ t th c nghiệm QTS:

Biểu thức xác định độ chứa ẩm không thứ nguyên ở tâm vật được viết lại dưới dạng hàm số của hằng số sấy k (1/s) và hệ số trễ S [86]:

Lấy (1.22) và (1.29) đối chiếu với nhau sẽ thấy rằng có sự tương đồng về các hệ số: